X انجام پروژه های نرم افزار های مهندسی مکانیک
تحولی نو در چرخه برایتون برای افزایش راندمان نیروگاههای گازی - وبلاگ مهندسی مکانیک
نیروگاه ها // ٢:٢۳ ‎ب.ظ - جمعه ٦ خرداد ۱۳٩٠

تحولی نو در چرخه برایتون برای افزایش راندمان نیروگاههای گازی

توربین گازی جدید با سیکل CO2 فوق اشباع برایتون

هیتنا: محققان آزمایشگاه ملی سندیا در تلاشند تا کار آمدی یک سیستم توربین گازی جدید برای ژنراتورهای قدرت را به اثبات برسانند.انتظار می رود کارآیی بالای حرارتی- الکتریکی این سیستم جدید  راندمان را تا بیش از 50 درصد افزایش دهد، هم چنین باعث افزایشی 50 درصدی در نیروگاه های هسته ای و یا 40 درصد افزایش راندمان در توربین های گازی ساده خواهد شد.
این سیستم بسیار کم حجم و کوچک است، بدین معنی که می تواند هزینه های سرمایه گذاری را کاهش دهد. محققان در این مرکز بر روی توربین های چرخه برایتون دی اکسید کربن سوپرکریتیکال (فوق بحرانی یا فوق اشباع) متمرکز شدند که به طور معمول برای انباشت حرارتی و ژنراتورهای هسته ای الکتریکی، شامل نسل بعدی رآکتورهای قدرت، استفاده می شوند. اما در نهایت هدف جایگزینی با توربین های بخار چرخه رانکین است که راندمان پایینی دارند، در دمای بالا اتلاف انرژی زیادی دارند و به خاطر نیاز به توربین ها و کندانسورهای بزرگ، حدود 30 برابر فضای بیشتری را اشغال می کنند. این در حالی است که سیکل برایتون می تواند 20 مگاوات انرژی الکتریکی را در مجموعه ای با حجمی به کوچکی 4 متر مکعب، ارائه دهد.
چرخه برایتون که به نام جورج برایتون نام گزاری شده، در اصل به وسیله هوای داغ در یک فضای محدود کار می کند و سپس در یک جهت خاص آنرا آزاد می کند و این اصل و کلیاتی است که امروزه در موتورهای جت مورد استفاده قرار می گیرد. موتورهای جت به حجم کوچکی از هوای داغ، شتاب و سرعت بالایی داده و از انتهای موتور خارج می کنند.

توربین گازی جدید با سیکل CO2 فوق اشباع برایتون

استیو رایت محقق اصلی این پروژه از گروه نظریه های هسته ای پیشرفته سندیا اعلام کرد: "این ماشین اساسأ یک موتور جت  با مایع داغ است. در سیستم CO2  فوق اشباع مقدار زیادی از مزایای علمی و صنعتی برای ژنراتورهای تولید قدرت با استفاده از تمام توان و انرژی پتانسیل منابع گرما شامل خورشید، گرمای زمین، سوخت های فسیلی، سوخت های زیستی و هسته ای وجود دارد."
شرکت سندیا در حال حاضر 2 حلقه آزمایشی و تست CO2  فوق بحرانی دارد(چرخه ای که مشتق می شود از کار مایع به عنوان مکمل در هر جریان). یک حلقه تولید قدرت در آروادا واقع در کلورادو در سایت و مرکز پروژه شرکت باربر نیکولز قرار دارد، جایی که کارش را آغاز کرده و در حدود 240 کیلووات الکتریسیته در طی مراحل فازهای توسعه که از ماه مارس سال 2010 آغاز شده،تولید می کند و در حال حاضر مراحل بهینه سازی و ارتقا را طی می کند و انتظار می رود در تابستان امسال به مرکز اصلی شرکت سندیا منتقل شود.
حلقه دوم در مرکز آلبوکرک سندیا قرار دارد، که برای تحقیقات درباره مسائل مربوط به تراکم و فشرده سازی، یاتاقان ها، درزگیری و مهر و موم و اصطکاکی که در نزدیکی نقطه بحرانی وجود دارد، مورد استفاده قرار می گیرد. اما این نقطه بحرانی جایی است که دی اکسید کربن چگالی و تراکمی نزدیک به مایع دارد ولی هنوز خیلی از خواص گاز را حفظ کرده است.

توربین گازی جدید با سیکل CO2 فوق اشباع برایتون

شرکت سندیا برنامه های فوری را برای توسعه و راه اندازی آزمایش کوچک حلقه ها برای شناسایی ویژگی ها و مشخصات کلیدی و تکنولوژی ارائه داد. نتایج آزمایش توانایی و قابلیت های مدل مفهومی، ویژگی های تراکم و غلظت، راندمان، مقیاس پذیری و تطبیق با سیستم های بزرگتر را نشان خواهد داد و هم چنین برنامه هایی را برای آینده در جهت تجاری سازی این تکنولوژی فراخوان داد که یکی از این برنامه ها شامل برنامه ای صنعتی در جهت راه اندازی و تجهیز کارخانه ای صنعتی برای تولید 10 مگاوات نیروی الکتریکی می باشد.
یک سیستم رقابتی دیگر در سندیا وجود دارد که از چرخه برایتون با استفاده از هلیوم به عنوان مایع کار استفاده می کند و برای کار کردن در دمای 925 درجه سانتی گراد طراحی شده است و انتظار می رود که بتواند انرژی الکتریکی با راندمان 43 تا 46 درصد تولید کند. این سیستم در مقایسه با چرخه برایتون CO2  فوق بحرانی  راندمانی مشابه و برابر را ارائه می دهد اما CO2  فوق بحرانی این راندمان را در دمایی بسیار پایین تر (250 تا 300 درجه سانتی گراد) فراهم می کند و در مقایسه با سیکل هلیوم کوچک و کم حجم تر می باشد که البته سیکل هلیوم هم به نوبه خود از چرخه بخار معمولی کوچک تر است.

توربین گازی جدید با سیکل CO2 فوق اشباع برایتون

تحت شرایط عادی،رفتار مواد در راه و مسیر کلاسیک و ایده آل در حالات و چگونگی تغییر فاز در هنگام تبدیل آب به بخار، قابل پیش بینی است. اما این مدل تمایلی به کار کردن در دماهای پایین و فشارهای بالا نسبت به آنهایی که در نقطه بحرانی قرار دارند، ندارد. در مورد دی اکسید کربن یک تراکم غیرعادی و غیر منتظره "فوق اشباع" مایع در نقطه ای مابین فاز گازی و فاز مایع اتفاق می افتد. خواص فوق اشباع دی اکسید کربن در دمای بالای 500 درجه سانتی گراد و فشار بالای 7.6 مگاپاسکال، سیستم را برای عملیات و کار کردن با راندمان حرارتی بسیار بالا آماده می کند. با راندمانی حتی بیشتر از یک نیروگاه بزرگ ذغالسنگ و تقریبأ 2 برابر راندمان یک موتور بنزینی(در حدود 25 درصد).
به عبارت دیگر، به عنوان مقایسه با سایر توربین های گازی، سیستم CO2 فوق اشباع برایتون می تواند نیروی الکتریکی تولید شده درهر واحد سوخت را به میزان 40 و بیشتر افزایش دهد. ترکیب دماهای پایین، راندمان بالا، چگالی و تراکم توان بالا به ارائه و توسعه یک مدل کم حجم کوچک در سیستم های حمل و نقل که به دلیل استفاده از مواد استاندارد صنعتی و مهندسی (فولاد زد زنگ) مورد نیاز و استفاده کمتر از مواد به دلیل کوچکی آن، کمک می کند و هم چنین باعث پیشرفت فرآیند های تولیدی می شود.
پروژه سیکل CO2  فوق اشباع برایتون شرکت سندیا توسط دپارتمان انرژی پشتیبانی می شود و سرمایه گزاری آن توسط آزمایشگاه تحقیق و توسعه LDRD  انجام شده است.


موضوعات

صفحات