پایان نامه مکانیک: بهینه‌سازی سیکل ارگانیک رانکین ترکیبی

عنوان:

بهینه‌سازی سیکل ارگانیک رانکین ترکیبی با استفاده از الگوریتم گرگ‌های خاکستری

تعداد صفحات: 97

فهرست مطالب

چکيده. 1

فصل اول: کلیات تحقیق.. 3

1-1- مقدمه. 4

1-2- بیان مسئله. 6

1-3- اهمیت و ضرورت تحقیق… 12

1-4- نوآوری تحقیق… 12

1-5- اهداف تحقیق… 13

1-6- سؤالات تحقیق… 14

1-7- فرضیه‌های تحقیق… 15

1-8- تعريف واژه‏ها و اصطلاحات فني و تخصصی… 15

1-9- سازمان‌دهی تحقیق… 15

فصل دوم: مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق.. 17

2-1- مقدمه. 18

2-2- مفاهیم و مباني نظري… 18

2-2-1- سیکل ارگانیک رانکین (ORC). 18

2-2-2- مقایسه ORC با سیکل بخار. 19

2-2-3- تاریخچة ORC.. 21

2-2-4- ترمودینامیک ORC.. 22

2-5- مقایسة ORCها و سیکل های بخار رانکین… 25

2-6- سیالات ارگانیک…. 27

2-6-1- سیال کارکن… 30

2-6-2- دسته بندی سیالات کارکن… 33

2-6-3- معیار انتخاب سیالات کارکن… 34

2-7- کاربردهای ORC براساس منبع انرژی… 45

2-8- سیکل رانکین ارگانیک…. 46

2-8-1- توربين بخار. 47

2-8-2- کندانسور. 47

2-8-3- کندانسورهای هوايي… 48

2-8-4- برج‌های خنک‌کن… 49

2-8-5- خوردگي در کندانسور و نحوه نگهداری از آن.. 49

2-8-6- نقش کندانسور در سيكل رانكين ارگانيک…. 49

2-8-7- پمپ…. 50

2-8-8- بویلر. 50

2-8-9- انواع بويلر. 52

2-8-9-1- بويلرها با سوخت فسيلي… 52

2-9- الگوریتم گرگ خاکستری… 54

2-9-1- ردیابی، تعقیب، نزدیک شدن به طعمه. 56

2-9-2- حمله به سمت طعمه. 56

2-9-3- سلسله‌مراتب اجتماعی… 56

2-9-4- محاصره طعمه. 57

2-9-5- شکار. 59

2-9-6- حمله به طعمه. 60

2-9-7- جستجو برای شکار (اکتشاف). 61

2-9-8- بهینگی الگوریتم گرگ خاکستری… 63

2-10- پیشینه تحقیق… 63

2-11- جمع بندی… 71

فصل سوم: روش تحقيق.. 74

3-1- مقدمه. 75

3-2- روش تحقیق… 75

3-3- متغيرهاي موردبررسی… 76

3-3-1- توصیف سیستم.. 76

3-4- روش گردآوري داده‏ها 77

3-5- روش‌ها و ابزار تجزيه و تحليل داده‏ها 77

3-6- مدل‌سازی ترمودینامیکی… 78

3-6-1- مدل پمپ…. 78

3-6-2- مدل تبخیر کننده. 79

3-6-3- مدل منبسط کننده. 79

3-6-4- مدل کندانسور. 80

3-6-5- مدل کلکتور خورشیدی… 80

3-6-6- مدل بویلر زیست توده. 81

3-6-7- مدل کلی سیستم.. 81

3-6-8- محاسبه سطح مبدل‌های حرارتی… 82

3-6-8-1- اواپراتور. 84

3-6-8-1-1- منطقه تک فاز. 85

3-6-8-1-2- منطقه دو فاز. 86

3-6-8-2- کندانسور. 88

3-6-9- مدل تابش خورشیدی جهانی… 90

3-7- فرایند شبیه سازی… 91

3-7-1- ابزار شبیه‌سازی… 91

3-7-2- مدل شبیه سازی توسعه یافته. 93

3-7-3- اعتبارسنجی مدل شبیه سازی… 96

3-7-3-1- اعتبار سنجی در برابر مطالعه موردی نظری… 96

3-7-3-1-1- توصیف و تجزیه و تحلیل سیستم.. 96

3-7-3-1-2- اعتبارسنجی مدل.. 98

3-7-3-2- اعتبارسنجی در برابر داده های تجربی نیروگاه زمین گرمایی سبلان.. 101

3-7-3-2-1- توضیحات نیروگاه. 103

3-7-3-2-2- اعتبار سنجی مدل.. 104

3-8- تجزیه و تحلیل اقتصادی سیستم ORC ترکیبی… 106

3-8-1- برآورد هزینه کل… 107

3-8-2- برآورد هزینه تجهیزات…. 108

3-8-3- شاخص هزینه. 112

3-8-4- هزینه انرژی تراز شده. 113

3-9- روش بهینه سازی سیکل ارگانیک رانکین ترکیبی… 114

3-9-1- رویکرد بهینه سازی گرگ های خاکستری… 114

3-9-2- مدل بهینه سازی پیشنهادی… 117

3-9-3- شبه کد الگوریتم MOGWO… 119

3-9-4- متغیرهای تابع هدف و طراحی… 119

فصل چهارم: یافته ها 122

4-1- مقدمه. 123

4-2- توصیف مکان مطالعه. 123

4-3- عملکرد ترمودینامیک سیستم.. 124

4-3-1- انتخاب سیال کارکن… 124

4-3-2- انتخاب ETC.. 132

4-3-3- سیستم سیکل ارگانیک رانکین ترکیبی… 136

4-3-4- تحلیل پارامتری… 143

4-3-4-1- تأثیر فشار تبخیر. 144

4-3-4-2- تأثیر دمای چگالش….. 148

4-3-4-3- تأثیر اختلاف دمای نقطه پینچ اواپراتور. 152

4-3-4-4- تأثیر اختلاف دمای نقطه پینچ کندانسور. 155

4-3-4-5- اثر بازده ایزنتروپیک منبسط کننده. 157

4-3-4-6- اثر کارایی ایزنتروپیک پمپ…. 160

4-3-5- خلاصه یافته های ترمودینامیکی… 161

4-4- تجزیه و تحلیل اقتصادی سیستم ORC ترکیبی… 162

4-4-1- برآورد هزینه کل… 163

4-4-1-1- برآورد هزینه تجهیزات…. 165

4-4-1-2- شاخص هزینه. 169

4-4-2- هزینه همتراز شده انرژی… 171

4-4-3- نتایج اقتصادی… 172

4-4-3-1- برآورد اقتصادی سیستم ORC ترکیبی… 174

4-4-3-2-اثرات پارامترهای عملیاتی سیستم.. 177

4-4-4- خلاصه یافته های تجزیه و تحلیل اقتصادی… 184

4-5- بهینه سازی سیستم ORC ترکیبی… 184

4-5-1- رویکرد بهینه سازی… 185

4-5-2- خلاصه یافته های بهینه سازی… 187

4-6-نتایج مدل سازی دینامیک…. 187

4-6-1- نتایج و تجزیه و تحلیل… 188

4-6-1-1- شبیه سازی فصل تابستان.. 189

4-6-1-2- شبیه سازی فصل زمستان.. 193

4-6-3- خلاصه یافته ها 197

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات…. 198

ضمائم و پیوست ها 235

پیوستها- کد نویسی متلب…. 236

پيوست الف- مدل ترمودینامیک ORC… 236

پیوست ب- سابروتین های روش طول معادل.. 283

پیوست ج- مدل حرارتی اقتصادی ORC… 288

پیوست د- سابروتین های اواپراتور. 347

پیوست هـ- سابروتین های کندانسور. 350

پیوست و- افت فشار تک فاز. 353

پیوست ز- افت فشار دو فاز. 354

پیوست ح- عدد ناسلت…. 357

پیوست ط- ضریب اصطکاک دارسی… 358

فهرست اشکال

شکل (1-2) ساختار ساده ORC [Mago et al., 2010].. 5

شکل (1-3) سیکل رانکین.. 10

شکل (1-4) نمودار T-S سیکل رانکین.. 11

فصل دوم: مروری بر ادبیات و پیشینه تحقیق.. 17

شکل (2-1) منحنی اشباع چندین نمونه از سیالات ارگانیک و آب در نمودار T-S. 20

شکل (2-2) نمودار شماتیک ORC پایه.. 23

شکل (2-3) نمودار T-s در سیکل ارگانیک رانکین.. 23

شکل (2-4) ODP و GWP برای سیالات کارکن مهم.. 28

شکل (2-5) نمودار فاز و راهنمای جایگزینی کلی سیالات کارکن معمول: مبرد های Suva® 29

شکل (2-6) انواع سیالات کارکن: a) ایزنتروپیک، b) مرطوب و c) خشک [Quoilin, 2011].. 34

شکل (2-7) نمودارهای T-s فرآیندهای ORC (a) مخلوط پنتان / هگزان (0.5 / 0.5) و (b) پنتان خالص [Chys et al., 2012].. 43

شکل (2-8) یک ORC ادغام شده با منابع گرمایی مختلف [Velez et al., 2012] 46

شکل (2-9) شمای برش خورده از بویلر.. 51

شکل (2-10) بویلر با لوله‌های آب جداری.. 53

شکل (2-11) سلسله‌مراتب از گرگ خاکستری (تسلط از بالا به پایین کاهش می‌یابد).. 56

شکل (2-12) رفتار شکار گرگ خاکستری: (A) تعقیب، نزدیک شدن و ردیابی شکار، (B-D)، اذیت و آزار و محاصره، (E) وضعیت ثابت و حمله.. 57

شکل (2-13) تصویر دوبعدی و سه‌بعدی بردار موقعیت و مکان ممکن بعدی بردار.. 58

شکل (2-14) به هنگام سازی گرگ‌ها نسبت به آلفا، بتا و دلتا [Mirjalili et al., 2014].. 60

شکل (2-15) حمله طعمه در مقابل جستجو برای شکار.. 61

شکل (3-1) نمودار شماتیک سیستم ORC ترکیبی.. 76

شکل (3-2) نمودار T-s سیستم ORC ترکیبی.. 77

شکل (3-3) هندسه عمومی صفحه شورون.. 83

شکل (3-4) خصوصیات دما در اواپراتور.. 85

شکل (3-5) ویژگی های دما در کندانسور.. 88

شکل (3-6) مدل ترمولیب توسعه یافته سیستم سیکل ارگانیک رانکین ترکیبی.. 93

شکل (3-7) مدل منبع حرارتی سیستم سیکل ارگانیک رانکین ترکیبی 94

شکل (3-8) مدل بویلر زیست توده و ETC.. 95

شکل (3-9) مدلهای اندازه سازی اواپراتور و کندانسور.. 95

شکل (3-10) نمودار جریان روش کلی محاسبه در مدل ترمولیب.. 95

شکل (3-11) نمایش شماتیک سیستم ORC [Fu et al., 2014].. 97

شکل (3-12) نمودار T-s سیستم ORC [Fu et al., 2014].. 97

شکل (3-13) فشار و درجه حرارت تبخیر در نرخهای مختلف جریان جرمی منبع گرمایی.. 99

شکل (3-14) تغییرات توان مصرفی پمپ با نرخ جریان جرمی منبع حرارتی 100

شکل (3-15) تغییرات توان خروجی توربین با نرخ جریان جرمی منبع حرارتی.. 100

شکل (3-16) تغییرات توان خروجی خالص با نرخ جریان جرمی منبع حرارتی 101

شکل (3-17) تغییرات راندمان سیستم با نرخ جریان جرمی منبع حرارتی 101

شکل (3-18) نقشه زمین شناسی شماتیک منطقه مشکین شهر [نوراللهی و یوسفی ، 2003].. 102

شکل (3-19) نمودار T-s نیروگاه ORC سبلان.. 104

شکل (3-20) رفتار شکار گرگهای خاکستری.. 116

شکل (3-21) فلوچارت الگوریتم بهینه ساز گرگ خاکستری چندهدفه (MOGWO) [[Li et al., 2018. 118

فصل چهارم: یافته ها. 122

شکل (4-1) تغییر کارایی ORC (خط ضخیم) و راندمان کلی سیستم (خط چین) با فشار تبخیر.. 128

شکل (4-2) تغییر نرخ بده حجمی جریان سیال با فشار تبخیر.. 129

شکل (4-3) تغییر توان پمپ (خط ضخیم) و BWR (خط چین) با فشار تبخیر 131

شکل (4-4) تغییر منطقه ETC (خط ضخیم) و UA_tot (خط چین) با فشار تبخیر.. 131

شکل (4-5) تغییر بده حجمی با فشار تبخیر.. 132

شکل (4-6) تغییر منطقه ETC (خط ضخیم) و کارآیی آن (خط چین) با تابش خورشیدی برای کلکتورهای مختلف، (الف) R134a و (ب) R245fa.. 135

شکل (4-7) تغییر کارایی کلی سیستم با تابش خورشیدی برای کلکتورهای مختلف، (الف) R134a و (ب) R245fa.. 135

شکل (4-8) تغییر کارایی ETC (خط ضخیم) و دمای خروجی آن (خط چین) با سهم انرژی خورشیدی و زیست توده در G_t = 500 W/m² 138

شکل (4-9) تغییر منطقه ETC (خط ضخیم) و مصرف زیست توده (خط چین) با سهم انرژی خورشیدی و زیست توده در G_t = 500 W/m² 139

شکل (4-10) تغییر کارایی کلی با سهم انرژی خورشیدی و زیست توده در G_t = 500 W/m² 140

شکل (4-11) تنوع کارایی ETC (خط ضخیم) و دمای خروجی آن (خط چین) با سهم انرژی خورشیدی و زیست توده در G_t = 500 W/m² 141

شکل (4-12) تنوع منطقه ETC (خط ضخیم) و مصرف زیست توده (خط چین) با سهم انرژی خورشیدی و زیست توده در G_t = 500 W/m² 142

شکل (4-13) تنوع راندمان کلی با سهم انرژی خورشیدی و زیست توده در G_t = 500 W/m² 143

شکل (4-14) اثر فشار تبخیر بر بازده ORC (خط ضخیم) و راندمان کلی (خط چین).. 146

شکل (4-15) اثر فشار تبخیر بر روی نرخ بده حجمی سیال کارکن (خط ضخیم)، HTF (خط چین) و آب خنک کننده (خط نقطه چین).. 146

شکل (4-16) اثر فشار تبخیر در ناحیه ETC (خط ضخیم) و بازده ETC (خط چین).. 147

شکل (4-17) تأثیر فشار تبخیر در ناحیه اواپراتور (خط ضخیم) و ناحیه کندانسور (خط چین).. 148

شکل (4-18) تأثیر دمای تراکم بر بازده ORC (خط ضخیم) و راندمان کلی (خط چین).. 149

شکل (4-19) تأثیر دمای چگالش بر روی بده حجمی سیال کارکن (خط ضخیم)، HTF (خط چین) و آب خنک کننده (خط نقطه چین).. 150

شکل (4-20) تأثیر دمای چالش در ناحیه ETC (خط ضخیم) و راندمان ETC (خط چین).. 151

شکل (4-21) تأثیر دمای چگالش در ناحیه اواپراتور (خط ضخیم) و سطح کندانسور (خط چین).. 152

شکل (4-22) تأثیر دمای نقطه پینچ اواپراتور بر بازده کلی.. 153

شکل (4-23) تأثیر دمای نقطه پینچ اواپراتور بر نرخ بده حجمی HTF 154

شکل (4-24) تأثیر دمای نقطه پینچ اواپراتور در ناحیه ETC (خط ضخیم) و بازده ETC (خط چین).. 155

شکل (4-25) تأثیر دمای نقطه پینچ اواپراتور در ناحیه اواپراتور 155

شکل (4-26) تأثیر دمای نقطه پینچ کندانسور بر نرخ بده حجمی آب خنک کننده.. 156

شکل (4-27) تأثیر دمای نقطه پینچ کندانسور در ناحیه کندانسور 157

شکل (4-28) تأثیر راندمان ایزنتروپیک منبسط کننده بر راندمان ORC (خط ضخیم) و راندمان کلی (خط چین).. 158

شکل (4-29) تاثیر راندمان ایزنتروپیک منبسط کنده بر بده حجمی جریان سیال کارکن (خط ضخیم)، HTF (خط چین) و آب خنک کننده (خط نقطه چین) 159

شکل (4-30) تاثیر راندمان ایزنتروپیک منبسط کننده در ناحیه ETC 159

شکل (4-31) تاثیر راندمان ایزنتروپیک منبسط کننده بر ناحیه اواپراتور (خط ضخیم) و ناحیه کندانسور (خط چین).. 160

شکل (4-32) مدل کلی اقتصادی سیمولینک.. 173

شکل (4-33) مدلهای فرعی اقتصادی تجهیزات سیستم سیمولینک.. 173

شکل (4-34) فلوچارت مدل اقتصادی.. 174

شکل (4-35) تغییر کل هزینه سرمایه با سهم انرژی خورشیدی و زیست توده.. 175

شکل (4-36) تنوع LEC با سهم انرژی خورشیدی و زیست توده.. 176

شکل (4-37) سهم اجزای سیستم در کل هزینه سرمایه در حالت عملکرد ترکیبی.. 177

شکل (4-38) اثر فشار تبخیر بر کل هزینه سرمایه و LEC.. 178

شکل (4-39) تأثیر دمای چگالش بر کل هزینه سرمایه و LEC.. 179

شکل (4-40) اثر درجه حرارت نقطه پینچ اواپراتور بر کل هزینه سرمایه و LEC.. 181

شکل (4-41) اثر درجه حرارت نقطه پینچ کندانسور بر کل هزینه سرمایه و LEC.. 182

شکل (4-42) اثر راندمان ایزنتروپیک منبسط کننده بر کل هزینه سرمایه و LEC.. 183

شکل (4-43) تنوع LEC با دسته گرگ ها.. 186

شکل (4-44) تابش خورشیدی برای روزهای معمولی تابستان و زمستان در مشکین شهر.. 189

شکل (4-45) تغییر دمای سیستم در طی یک روز معمولی در تابستان 190

شکل (4-46) تغییر انرژی حرارتی و الکتریکی برای هر منبع انرژی در طی یک روز معمولی تابستان.. 191

شکل (4-47) تغییر کارایی ETC و مصرف سوخت زیست توده در طی یک روز معمولی در تابستان.. 192

شکل (4-48) تغییر کارایی ORC و بهره وری کلی سیستم در طی یک روز معمولی تابستان.. 193

شکل (4-49) تغییر دمای سیستم در طی یک روز معمولی در زمستان 194

شکل (4-50) تغییر انرژی حرارتی و الکتریکی برای هر منبع انرژی در طی یک روز معمولی در زمستان.. 195

شکل (4-51) تغییر کارایی ETC و مصرف سوخت زیست توده در طی یک روز معمولی در زمستان.. 196

شکل (4-52) تغییر کارایی ORC و کارایی کلی سیستم در طی یک روز معمولی در زمستان.. 197

فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات… 198

فهرست جداول

جدول (2-1) رایج ترین سیالات کارکن که در حال حاضر در نیروگاه های ORC استفاده می شوند.. 29

جدول (2-2) مشخصات تعدادی از سیالات…. 32

جدول (3-1) ثابت های معادله بهره وری برای کلکتورهای خورشیدی لوله تخلیه شده متفاوت…. 81

جدول (3-2) مشخصات مبدل حرارتی صفحه ای… 83

جدول (3-3) شرایط عملیاتی نیروگاه سبلان مورد استفاده در مدل شبیه سازی [Noorollahi et al., 2015] 105

جدول (3-4) مقایسه نتایج مدل شبیه سازی با داده های واقعی نیروگاه سبلان.. 105

جدول (3-5) موارد برآورد هزینه کل سرمایه. 107

جدول (3-6) ثابتهای مورد نیاز برای برآورد هزینه تجهیزات سیستم.. 111

جدول (3-7) حد بالایی و پایین متغیرهای طراحی برای بهینه سازی گرگ های خاکستری… 120

جدول 4-1- رایج ترین سیالات کارکن مورد استفاده در کاربردهای درجه حرارت پایین [Guo et al., 2011 ] 124

جدول 4-2- خصوصیات ترمودینامیکی و محیطی سیالات منتخب [Guo et al., 2011; Shengjun et al., 2011; Yamada et al., 2012] 125

جدول 4.3 پارامترهای عملیاتی و مشخصات سیستم سیکل ارگانیک رانکین ترکیبی… 127

جدول 4-4- مقادیر اساسی و دامنه پارامترهای عملیاتی مورد بررسی… 144

جدول 4-5- تأثیر کارایی ایزوتروپی پمپ بر عملکرد سیستم.. 161

جدول 4-6- موارد برآورد هزینه کل سرمایه. 164

جدول 4-7- ثابت های برآورد هزینه تجهیزات سیستم.. 169

جدول 4-8- تأثیر بازده ایزوتروپی پمپ بر عملکرد اقتصادی… 184

جدول 4-10- مجموعه پارامترهای بهینه عملکرد حاصل از بهینه سازی GWO… 186

جدول 4-11- عملکرد حرارتی- اقتصادی سیستم ترکیبی ORC در شرایط بهینه. 186

پایان نامه مکانیک: بهینه‌سازی سیکل ارگانیک رانکین ترکیبی

دیدگاهتان را بنویسید لغو پاسخ

ورود