طراحی و تحلیل عملکرد یکدیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتسیستم تبرید با استفاده از گرمای اتلافی

از وضعیت تحقیقات گذشته، طراحی و شبیه‌سازی سیستم تولید همزمان توزیع‌شده بسیار ساده است.

۱ طراحی یکپارچه‌سازی سیستم

منطقه مسکونی جزیره انتخاب شده توسط یک ژنراتور دیزلی ۱۶ کیلوواتی تغذیه می‌شود، گاز خروجی موتور دیزلی حاوی انرژی گرمایی زیادی است و چیلر جذبی لیتیوم بروماید، گاز خروجی را به عنوان منبع حرارتی فعال برای خنک‌سازی کاربران استفاده می‌کند. به منظور افزایش محدوده قابل تنظیم بار سرمایشی، از یخچال نوع پس‌سوز استفاده شده است. طراحی کلی سیستم ژنراتور دیزلی ۱۶ کیلوواتی جزیره در شکل ۱ نشان داده شده است.

بر اساس اصل طراحی خنک‌کننده الکتریکی (چیلر منطبق با دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی)، انتخاب چیلر منطبق در این مقاله انجام شده است. منطقه مسکونی دارای مساحت ناخالص حدود ۴۸۵۰ متر مربع و یک دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی با توان نامی ۳۵۰ کیلووات است. دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی گاز خروجی را با دمای حدود ۴۵۰ درجه سانتیگراد تولید می‌کند.°C و انرژی گرمایی موجود برای چیلر حدود ۴۲۰ کیلووات است. چیلر جذبی لیتیوم بروماید موازی دو اثره با ضریب تبرید ۱.۴ و توان ۵۸۲ کیلووات انتخاب شد. میانگین بار سرمایشی کاربران جزیره ۱۲۰ وات بر متر مربع است. طبق بررسی‌ها، ۱۲۰ وات بر متر مربع نیاز کاربران جزیره به بار سرمایشی را برآورده می‌کند. بنابراین، هنگامی که دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی تحت شرایط کاری نامی کار می‌کند، گرمای اتلافی از گاز خروجی می‌تواند نیاز یخچال را برآورده کند. پارامترهای طراحی سیستم تبرید دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی در جدول ۱ نشان داده شده است.

۲. مدل‌سازی ریاضی

سیستم تبرید دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی بسیار پیچیده است و شامل مباحث زیادی مانند دینامیک، ترمودینامیک و انتقال حرارت می‌شود، بنابراین انتخاب یک روش مدل‌سازی مناسب بسیار مهم است. در این مقاله، مدل شبیه‌سازی سیستم تبرید استفاده از گرمای تلف‌شده ۱۶ کیلوواتی با استفاده از روش مدل‌سازی ماژولار ایجاد شده است. سیستم تبرید استفاده از گرمای تلف‌شده دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی یک سیستم ترمودینامیکی معمولی است که ماژول‌ها بر اساس عبور ماده‌ی عامل و انرژی تقسیم‌بندی می‌شوند.

پس از تعیین کل ایده مدل‌سازی، باید یک روش معقول برای شبیه‌سازی دقیق عملکرد سیستم انتخاب کنیم.

این مقاله عمدتاً توان خروجی و انرژی حرارتی اگزوز دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی را تحت بارهای مختلف، بدون در نظر گرفتن فرآیند کار داخلی دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی، مطالعه می‌کند. مدل‌سازی با استفاده از روش میانگین‌گیری، دقت شبیه‌سازی دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی را در سطح یکپارچه‌سازی سیستم تضمین می‌کند.

انواع مختلفی از مبدل‌های حرارتی در سیستم تبرید دیزل ژنراتور ۱۶ کیلووات وجود دارد و بین مبدل‌های حرارتی کوپلینگ فشار-جریان وجود دارد. روش مدل‌سازی سنتی، ماژول را بر اساس مدل فیزیکی تقسیم می‌کند، فشار و جریان هر ماژول را به طور جداگانه بر اساس معادله تعادل محاسبه می‌کند و باید شرط محدودیت برابری مرزی را برآورده کند. بنابراین، محاسبات تکراری اجتناب‌ناپذیر است و زمان محاسبه افزایش می‌یابد. برای حل این مشکل، یک مدل شبیه‌سازی از یک سیستم تبرید دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی با استفاده از گرمای تلف‌شده با روش اینرسی حجمی ایجاد می‌شود.

طبق روش اینرسی حجمی، سرعت جریان در هر جزء متعادل نیست و هر جزء بر اساس پیوند اینرسی حجمی در نظر گرفته می‌شود. این روش هر جزء را به عنوان یک ماژول حجمی و لوله رابط بین هر جزء را به عنوان یک ماژول مقاومت در نظر می‌گیرد. برای ماژول حجمی، با صرف نظر از مقاومت داخلی سیال، فشار داخل ماژول حجمی یکنواخت است. فشار در ماژول حجمی را می‌توان بر اساس اختلاف سرعت جریان جرمی در دو انتهای ماژول حجمی و تغییر دما در ماژول حجمی محاسبه کرد. با این حال، اختلاف فشار بین ورودی و خروجی و افت اصطکاک دیواره لوله باعث تغییر شار می‌شود و مقدار دینامیکی شار را می‌توان بر اساس پایستگی مومنتوم محاسبه کرد.

به عنوان مثال، یک لوله به طول l را در نظر بگیرید، آن را به ماژول حجمی و ماژول مقاومتی تقسیم کنید و مدل اینرسی حجمی آن را ایجاد کنید.

۱) ماژول حجمی.

نرخ جریان در واحد زمان به داخل ماژول حجمی M1 و نرخ جریان در واحد زمان به خارج از ماژول حجمی M2 است. طبق قانون پایستگی جرم: جریان ورودی به ماژول حجمی - جریان خروجی از ماژول حجمی = افزایش جرم ماژول حجمی، افزایش جرم ماژول حجمی را می‌توان به صورت زیر محاسبه کرد:

در فرمول: M جرم سیال عامل در ماژول حجمی، کیلوگرم؛ v حجم سیال عامل در ماژول حجمی، M3؛ kg/m3 چگالی سیال عامل در ماژول حجمی؛ M1 و M2 جریان جرمی سیال ورودی و خروجی از ماژول حجمی، کیلوگرم بر ثانیه هستند.

۲) ماژول مقاومتی.

در ماژول مقاومتی، نرخ جریان به دلیل اختلاف فشار و مقاومت اصطکاکی سیال تغییر می‌کند. طبق قانون پایستگی تکانه خطی: تکانه ورودی به ماژول مقاومتی - تکانه خروجی از ماژول مقاومتی + تکانه نیروی خارجی = گام تکانه ماژول مقاومتی، جرم سیالی که از سطح مقطع ماژول مقاومتی عبور می‌کند را می‌توان محاسبه کرد:

pagenumber_ebook=33,pagenumber_book=25

در فرمول: M دبی جرمی سیال عامل از طریق لوله، kg/s؛ v سرعت سیال عامل، m/s؛ a سطح مقطع لوله، m²؛ l طول لوله، m؛ p1 و P2 فشارهای دو طرف ماژول مقاومتی، PA؛ UL مقاومت اصطکاکی سیال روی دیواره لوله است، علامت منفی نشان دهنده مقاومت اصطکاکی در جهت مخالف جریان سیال است، U محیط مرطوب لوله است، U مقاومت اصطکاکی در واحد سطح است، = 1/2 FV²، F ضریب اصطکاک مبدل حرارتی در طول مسیر است که می‌توان آن را طبق فرمول تجربی بدست آورد.

۳ تحلیل عملکرد سیستم

در این مقاله، یک دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی توربوشارژ چهار زمانه به کمپرسور، توربین، روتور توربین، اینترکولر، لوله ورودی و خروجی، گاورنر، سیلندر و ژنراتور تقسیم شده است و یک مدل شبیه‌سازی دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی با استفاده از روش میانگین ساخته شده است.

سیستم تبرید دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی دارای تعداد زیادی مبدل حرارتی است و از روش اینرسی حجمی برای ساخت مدل‌های شبیه‌سازی هر جزء استفاده شده است. محیط کاری مایع در سیستم عمدتاً شامل گاز زائد، محلول لیتیوم بروماید، آب، بخار آب و غیره است. به منظور تضمین دقت محاسبه مدل، مدلی برای محاسبه خواص حرارتی محیط کاری طبق فرمول برازش ایجاد شد. مدل‌های شبیه‌سازی چیلرهای جذبی ۱۶ کیلوواتی و لیتیوم بروماید به ترتیب در نرم‌افزار Matlab/Simulink ساخته و اشکال‌زدایی شده‌اند. در نهایت، مدل شبیه‌سازی چیلرهای دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی با استفاده از گرمای زائد مطابق شکل ۴ ترکیب شده است.

در شبیه‌سازی حالت پایدار، با توجه به پارامترهای طراحی، ابتدا شرایط مرزی در نرم‌افزار شبیه‌سازی Matlab/Simulink تنظیم شده و مقادیر اولیه متغیرهای حالت مدل تعیین می‌شوند. از الگوریتم ODE45 با دقت شبیه‌سازی بالا برای تنظیم زمان شبیه‌سازی به میزان ۲۰۰۰ ثانیه استفاده شده است. جدول ۲ مقایسه بین نتایج شبیه‌سازی حالت پایدار و پارامترهای طراحی را نشان می‌دهد.

جدول 2 نشان می‌دهد که خطای نسبی بین مقدار شبیه‌سازی حالت پایدار و پارامترهای طراحی سیستم تبرید دیزل ژنراتور 16 کیلوواتی کمتر از 3٪ است که الزامات دقت شبیه‌سازی سیستم را برآورده می‌کند و صحت و دقت مدل شبیه‌سازی را تأیید می‌کند. پارامترهای حرارتی محیط کار در سیستم با برازش فرمول به دست می‌آیند، فرضیات لازم در مدل‌سازی انجام می‌شود و خطاهای اجزا هنگام مونتاژ افزایش می‌یابد، اینها دلایل خطاهای نسبی هستند.

بر اساس نتایج شبیه‌سازی حالت پایدار، ضریب کل مصرف انرژی سیستم تبرید استفاده از گرمای تلف‌شده دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی ارزیابی شد. روش محاسبه ضریب کل مصرف انرژی سیستم به صورت فرمول است.

X ضریب کل مصرف انرژی سیستم دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی، PG دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی، کیلووات، RC چیلر جذبی لیبر، کیلووات، EC سایر مصرف انرژی سیستم، کیلووات؛ FC مصرف سوخت دیزل ژنراتور، کیلووات؛ PC مصرف برق سیستم، کیلووات است.

تحت شرایط عملیاتی طراحی‌شده، دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی دارای ظرفیت ۳۵۷.۶ کیلووات، چیلر جذبی لیتیوم بروماید دارای ظرفیت ۵۷۹.۷۹ کیلووات، سایر مصارف انرژی سیستم ۱۳۲ کیلووات و مصرف سوخت دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی حدود ۱۲۸۶ کیلووات، توان مصرفی پمپ‌ها و سایر تجهیزات مصرف‌کننده برق در سیستم حدود ۳۰ کیلووات است.

طبق محاسبه فرمول (6)، ضریب کل مصرف انرژی سیستم تبرید دیزل ژنراتور 16 کیلوواتی حدود 0.813 است و راندمان مصرف انرژی تا حد زیادی بهبود یافته است که بیش از 0.8 است و الزامات طراحی را برآورده می‌کند.

بار دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی بر اساس میزان مصرف برق تعیین می‌شود. تغییر بار منجر به تغییر دمای اگزوز و دبی دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی می‌شود که بر ظرفیت خنک‌کنندگی چیلر جذبی لیتیوم بروماید در پایین‌دست سیستم تأثیر می‌گذارد.

فرآیند ترمودینامیکی سیستم پیچیده است و دارای تأخیرهای اینرسی می‌باشد. با تنظیم کل زمان شبیه‌سازی روی ۶۰۰۰ ثانیه، از ۲۰۰۰ ثانیه شروع می‌شود و با اضافه کردن تغییر پله، بار دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی از ۱۰۰٪ به ۸۰٪ کاهش می‌یابد و محاسبات شبیه‌سازی دینامیکی انجام می‌شود.

از دهه ۲۰۰۰، بار از ۳۵۲.۳ کیلووات به ۲۸۷.۴۸ کیلووات، جریان اگزوز از ۱.۳۱۸۷ کیلوگرم به ۱.۱۱۹۲ کیلوگرم و دمای اگزوز از ۴۶۲ درجه سانتیگراد کاهش یافت.از °C تا ۴۵۳ °C برای دیزل ژنراتور ۱۶ کیلووات. کل فرآیند پاسخ دینامیکی حدود ۱۰۰ ثانیه است. بار دیزل ۲۰٪ کاهش یافته، سرعت موتور دیزل افزایش یافته، پاسخ سریع گاورنر، کاهش تزریق سوخت برای حفظ پایداری سرعت در نقطه تنظیم شده. کاهش تزریق سوخت در موتور دیزل منجر به کاهش دمای اگزوز و سرعت جریان می‌شود.

ظرفیت سرمایش کمی افزایش یافت و سپس به سرعت به مقدار پایدار دیگری، از ۵۷۹.۷۹ کیلووات به ۵۰۷.۱۵ کیلووات، کاهش یافت. همانطور که از شکل ۹ مشاهده می‌شود، ضریب تبرید کمی افزایش یافت و سپس از ۱.۳۹۴ به ۱.۴۰۲ کاهش یافت. کاهش بار دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی منجر به کاهش انرژی گرمایی ورودی به کل سیستم دیزل ژنراتور ۱۶ کیلوواتی شد که منجر به کاهش ظرفیت تبرید چیلر شد، اما ضریب تبرید کمی افزایش یافت و کل فرآیند دینامیکی حدود ۲۰۰۰ ثانیه تکمیل شد.

۴ نتیجه‌گیری

با در نظر گرفتن یک منطقه مسکونی در یک جزیره به عنوان مثال، یک فناوری جدید تبرید با صرفه‌جویی در انرژی با استفاده از گرمای تلف‌شده از تولید برق دیزلی مورد مطالعه قرار گرفته است.

۱) طراحی یکپارچه سیستم تبرید استفاده از گرمای تلف شده یک ژنراتور دیزلی ۱۶ کیلوواتی انجام شد و پارامترهای طراحی تعیین شدند. از طریق محاسبات شبیه‌سازی استاتیک و دینامیک سیستم، عملکرد سیستم تجزیه و تحلیل شده، سپس سیستم کنترل طراحی و بهینه‌سازی سیستم انجام می‌شود.

۲) شبیه‌سازی حالت پایدار در شرایط طراحی انجام شده است و خطای نسبی کمتر از ۳٪ است که الزامات طراحی را برآورده می‌کند و صحت و درستی مدل را تأیید می‌کند. طبق نتایج شبیه‌سازی حالت پایدار، ضریب کل مصرف انرژی سیستم حدود ۰.۸۱۳ است که الزامات طراحی را برآورده می‌کند.

۳) شبیه‌سازی دینامیکی اختلال بار ۱۶ کیلووات انجام می‌شود که منجر به کاهش بار ۱۶ کیلووات، کاهش تولید برق، کاهش انرژی گرمایی گاز خروجی، کاهش ظرفیت سرمایش و افزایش جزئی ضریب سرمایش می‌شود. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که ظرفیت سرمایش نیروگاه ۱۶ کیلووات کمتر از نیروگاه ۱۶ کیلووات است و خروجی نیروگاه ۱۶ کیلووات کمتر از نیروگاه ۱۶ کیلووات است و انرژی گرمایی گاز خروجی کمتر از ژنراتور دیزلی ۱۶ کیلووات است.