تجزیه و تحلیل بهینه سازی یک سیستم ترکیبی و جدید گرمایش و قدرت براساس تبدیل به گاز (تبخیرشدگی) جزئی زیست توده و پمپ حرارتی منبع زمین

چکیده

کلمات کلیدی

1.مقدمه

2- شرح سیستم

2-1- سیستم قدرت و گرمایش ترکیبی پیشنهاد شده

شکل 1- طرح کلی یک سیستم CHP همراه با تبخیرشدگی جزئی زیست توده و GSHP.

شکل 2- پیکربندی یک سیستم CHP ساده  سازی شده.

شکل 3- رابطه بین نسبت تبدیل کربن و بهره  وری تبخیرشدگی.

شکل 4- تغییر COP تحت نسبت  های مختلف تبدیل کربن و دمای آب گرم.

2-2- سیستم تولید جدا شده

3- فرآیند بهینه  سازی سیستم

3-1- تابع هدف

شکل 5- شماتیک سیستم تولید جدا شده.

شکل 6- فرآیند بهینه  سازی سیستم پیشنهادی در GA.

3-2- روش بهینه  سازی

4- نتایج عملکرد و تجزیه و تحلیل

4-1- اطلاعات ساختمان و تقاضاهای انرژی

جدول 1- توصیف کلی ساختمان فرضیa.

شکل 7- بار الکتریکی و گرمایشی ساعتی ساختمان.

4-2- پارامترهای سیستم و شبیه  سازی

4-3- نتیجه بهینه  سازی

5- بحث

5-1- تجزیه و تحلیل اعتبارسنجی

شکل 8- باز برق و بار گرمایشی ماهانه، و نسبت گرما به توان برقی (HPR) ساختمان.

جدول 2- پارامترهای ورودی سیستم CHP پیشنهادی و سیستم SP [24، 43-41].

جدول 3- مقدار قیمت تجهیزات و سوخت در سیستم CHP پیشنهادی و سیستم SP [30، 44، 45].

جدول 4- ضریب تبدیل انتشار CO2 سوخت [27، 36].

جدول 5- پارامترهای GA.

شکل 9- فرآیند بهینه  سازی تابع هدف در الگوریتم ژنتیک.

جدول 6- ظرفیت اجزای سیستم CHP پیشنهادی.

جدول 7- مقدار عملکرد سالانه سیستم CHP پیشنهادی.

شکل 10- تغییر عملکرد سیستم تحت ظرفیت  های مختلف PGU.

شکل 11- تغییر عملکرد سیستم تحت دماهای مختلف آب گرم.

5-2- تجزیه و تحلیل عملکرد سالانه

5-3- تجزیه و تحلیل حساسیت

شکل 12- تغییر عملکرد سیستم تحت نسبت  های مختلف تبدیل کربن.

شکل 13- تغییر عملکرد ماهانه سیستم پیشنهادی.

شکل 14- تغییر عملکرد سیستم تحت قیمت  های مختلف زیست توده.

شکل 15- تغییر عملکرد سیستم تحت قیمت  های مختلف گاز طبیعی.

شکل 16- تغییر ظرفیت تجهیزات تحت قیمت  های مختلف برق.

شکل 17- تغییر عملکرد سیستم تحت قیمت  های مختلف برق.

تشکر و سپاسگزاری

عملکرد ترمودینامیکی یک سیستم ترکیبی و جدید گرمایشی و قدرت که با تبخیرشدگی جزئی زیست توده و پمپ حرارتی منبع زمین یکپارچه شده است، قبلاً مورد بررسی قرار گرفته است، در حالی که عملکرد سیستم به شدت به ظرفیت جزء سیستم و استراتژی عملیات وابسته است. در این مقاله، یک مدل بهینه سازی چند هدفه سیستم ادغام پیشنهادی ارائه می شود، که عملکرد انرژی، اقتصادی و محیطی را در نظر می گیرد. پارامترهای بهینه عمدتاً شامل سه بخش هستند: توان اسمی واحد تولید توان برقی، نسبت تبدیل کربن و دمای آب گرم. برای بهینه سازی ظرفیت جزء و استراتژی عملیات سیستم پیشنهادی، الگوریتم ژنتیک اتخاذ می شود. به منظور نشان دادن مدل بهینه، یک مطالعه موردی پذیرفته می شود. نتایج بهینه نشان می دهد که نسبت اولیه صرفه جویی در انرژی، نسبت هزینه صرفه جویی سالانه در کل انرژی، نسبت کاهش انتشار دی اکسید کربن، و شاخص عملکرد، به ترتیب، 61/7%، 62/23%، 52/66%، 58/32% هستند. علاوه بر این، اثرات عوامل اقتصادی مرتبط بر عملکرد سیستم پیشنهادی نیز مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند. در نهایت، این تحقیق نشان می دهد که مدل بهینه سازی چند هدفه، راه جدیدی برای طراحی بهینه سازی سیستم ادغام یا یکپارچه سازی ارائه می کند.

همانطور که شناخته شده است، سیستم ترکیبی گرمایشی و برق (CHP)، به دلیل مصرف انرژی بالا، دوستدار محیط زیست بودن، قابلیت اطمینان بالا و مزایای اقتصادی، توجه بیشتری را به خود جلب کرده است [1]. با در نظر گفتن محصولات متنوع، پیکربندی های زیادی برای محقق ساختن الزامات کاربران مختلف حاصل می-شود. Bai و همکاران [2]، یک سیستم تولید همزمان برای تولید متانول و برق پیشنهاد کردند، که در آن سیستم پیشنهادی، انرژی خورشیدی و زیست توده را به عنوان خوراک مشترک می گیرد. Wu و Wang [3]، سیستم های مختلف خنک کننده، گرمایش و قدرت (CCHP)، سیستم های معمولی و پیشرفت ها را خلاصه کردند. Han و همکاران [4]، کاربرد فعلی و چشم انداز سیستم انرژی توزیع شده (DES) در چین، و مقایسه آن با سایر کشورها را ارائه کردند. در سال 2016، کل مصرف انرژی اولیه در جهان، 13267.3 Mtoe - 1% بیشتر از سال 2015 بود، و متوسط رشد در ده سال گذشته 8/1% است [5]. مصرف انرژی اولیه با سوخت-های فسیلی مانند زغال سنگ، نفت و گاز طبیعی، حدود 85 درصد است. بر این اساس، انتشار دی اکسید کربن افزایش می یابد، کل انتشار گاز دی اکسید کربن در جهان که ناشی از مصرف انرژی است، به Mt 0/33432 دی اکسید کربن می رسد، و متوسط رشد در ده سال گذشته 6/1% است. انتشار CO2 حاصل از سوخت های فسیلی در اکثریت است [6]. با افزایش تقاضای انرژی و قوانین سخت انتشار، سیستم ترکیبی گرمایش و قدرت (CHP) مبتنی بر منابع تجدیدپذیر، به تدریج به گزینه ای جایگزین برای استفاده از انرژی تبدیل شده، و به طور گسترده ای مورد بررسی قرار گرفته است. در سال 2015، حدود 4/13 درصد کل تأمین انرژی اولیه جهان از منابع انرژی تجدیدپذیر تولید می شود، که با متوسط نرخ سالانه 0/2 درصد افزایش یافته است [7]. در تمام منابع انرژی تجدیدپذیر، بیوگاز و انرژی زمین گرمایی، به ترتیب، با متوسط نرخ سالانه 6/12% و 1/3% رشد می کنند، که بالاتر از متوسط نرخ منابع تجدیدپذیر، یعنی 0/2%، است [7]. برخی از محققان، سیستم یکپارچه سازی مبتنی بر انرژی زیست توده و زمین گرمایی را از جنبه های مختلفی مورد مطالعه قرار داده اند. Østergaard و همکاران [8]، امکان طرح انرژی 100% تجدیدپذیر برای شهرداری آلبورگ را تجزیه و تحلیل کردند، که در آن منابع انرژی تجدیدپذیر شامل سه بخش است: حرارت زمین گرمایی با دمای پایین، انرژی باد و زیست توده. Moret و همکاران [9]، یک مدل برنامه ریزی خطی عدد صحیح مختلط (MILP) چند دوره ای برای ارزیابی پتانسیل جفتگری انرژی زمین گرمایی عمیق با زیست توده چوب در یک سیستم انرژی شهری ارائه کردند. تحقیقات فوق عمدتاً سیستم مفهومی همراه با انرژی زمین گرمایی و زیست توده را تجزیه و تحلیل می کند، در حالی که برخی از سیستم های یکپارچه مشخص شده مبتنی بر این دو منبع انرژی تجدیدپذیر نیز بررسی می شوند. Seethamraju و همکاران [10]، اشکال مختلف نیروگاه زمین گرمایی موجود را مطالعه کرده، با محفظه احتراق زیست توده یکپارچه شده مقایسه کردند، برای گرم کردن زیاد بخار زمین گرمایی از گرمای احتراق استفاده شد، که توان خروجی زمین گرمایی را بهبود می بخشد. Thain و Dipippo [11] نیز یک نیروگاه ترکیبی زیست توده و زمین گرمایی پیشنهاد کرده، و عملکرد ترمودینامیکی پیکربندی های مختلف را مقایسه کردند. علاوه بر این، Malik و همکاران [12]، یک سیستم تولید همزمان مبتنی بر انرژی زیست توده و انرژی زمین گرمایی را بررسی کردند، که شامل هفت قسمت است: یک چرخه احتراق زیست توده، یک چرخه رانکین آلی، یک چرخه چیلر جذبی، یک چرخه مایع سازی Linde Hampson، یک نیروگاه زمین گرمایی، سیستم گرمایش آب و خشک کن. سیستم پیشنهادی، توان برقی، آب گرم، خنک کننده، گاز مایع شده و هوای خشک کننده گرم شده تولید می کند، که روش جدیدی برای سیستم یکپارچه فراهم می کند. به طور کلی، مطالعات فوق بر سیستم یکپارچه مبتنی بر انرژی زمین گرمایی و احتراق زیست توده متمرکز هستند، در حالی که سیستم یکپارچه سازی ترکیب شده با تبخیرشدگی زیست توده و انرژی زمین گرمایی نسبتاً کمتر مورد مطالعه قرار گرفته شده است. طبق اصل استفاده از آبشار انرژی، یک سیستم جدید CHP همراه با تبخیرشدگی جزئی زیست توده و پمپ حرارتی منبع زمین، توسط نویسندگان در مطالعه قبلی پیشنهاد شد [13]. علاوه بر این، نویسندگان، عملکرد ترمودینامیکی و اگزرژی اقتصادی سیستم پیشنهادی را بررسی کردند [14]. در سیستم پیشنهادی، زیست توده در مقایسه با تبخیرشدگی معمولی کامل، به صورت جزئی به گاز تبدیل می شود، که دو محصول مختلف تولید می کند: گاز زیستی یا بیوگاز، و زغال. این محصولات، به ترتیب، برای تولید برق، به چرخه توربین گازی Brayton، و چرخه توربین بخار Rankine فرستاده می شوند. در عین حال، تلمبه گرمايی منبع زمين (GSHP) براي استفاده از انرژي زمين گرمايي اتخاذ شد، برتري استفاده جديد از انرژي زمين گرمايي در مطالعات قبلي اجرا شده است [15]. دمای آب گرم از طریق دو مرحله افزایش می یابد: ابتدا، آب سرد قبلاً تا دمای متوسط در چگالنده GSHP گرم می شود، و سپس، مجدداً تا دمای مورد نیاز در تبادلگر گرمایی زیر سیستم CHP گرم می شود [16]. این اقدامات، دمای خروجی چگالنده GSHP را کاهش می دهد، در نتیچه، نسبت فشردگی و متراکم سازی را کاهش داده، و بر این اساس، ضریب عملکرد (COP) GSHP را بهبود می بخشد. در سیستم CHP پیشنهادی مبتنی بر تلمبه گرمایی منبع زمین و تبخیرشدگی جزئی زیست توده، آب گرم توسط گاز خروجی حاصل از چرخه توربین گازی Brayton مجدداً گرم می شود.