بهنام خدا
سرکار خانم مهندس محدثه معینیان دانشجوی دکتری دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران، از رساله خود با عنوان « شبیهسازی تجمیعی خط انتقال گاز و ایستگاه به منظور بهینهسازی چیدمان توربین گاز ارتقایافته » به راهنمایی جناب آقای دکتر مرتضی منتظری در تاریخ 1404/11/27 ساعت 15:30 دفاع خواهد نمود.
استاد راهنما: دکتر مرتضی منتظری
اساتید داور داخلی: دکتر اسماعیل خان میرزا / دکتر رضا تقوی زنور
اساتید داور خارجی: دکتر حسن صیادی / دکتر عباس نعیمی
چکیده رساله:
شبکه انتقال گاز طبیعی نقش بسیار مهمی در تأمین گاز مصرفکنندگان خانگی و صنعتی ایفا میکند. در طراحی و اجرای چنین شبکهای بایستی جوانب متعددی از جمله هزینه بالای سرمایهگذاری اولیه برای توربوکمپرسورها (اقتصادی)، مصرف سوخت توسط توربینهای گازی (انرژی) و میزان انتشار آلایندهها از این توربینها (محیط زیستی) مد نظر گرفته شود. یکی از چالشهای سیستمهای انتقال گاز، کاهش توان خروجی توربینهای گاز در ارتفاعات یا دماهای محیطی بالا است. این مسئله را میتوان با اعمال تغییرات در طراحی فعلی توربین و ارائه طرحهای ارتقا برای بهبود عملکرد آنها برطرف نمود. در این رابطه، چیدمان توربینهای اولیه (پایه) و توربینهای ارتقایافته در ایستگاههای تقویت فشار انتقال گاز از اهمیت ویژهای برخوردار خواهد شد.
مطالعات علمسنجی نشان میدهد که تاکنون هیچ تحقیقی جهت مطالعه چیدمان توربینهای گازی پایه و ارتقایافته در ایستگاههای شبکه انتقال گاز با در نظر گرفتن جنبههای اقتصادی، انرژی و محیط زیست گزارش نشده است.
در این رساله، مدلسازی و شبیهسازی تجمیعی خط انتقال گاز و ایستگاه به منظور بهینهسازی چیدمان توربینهای گاز ارتقایافته ارائه شده است. مطالعه چیدمان توربینها در ایستگاههای شبکه، نیازمند مدلسازی و شبیهسازی همزمان همه اجزای سیستم انتقال گاز شامل خطوط لوله، کمپرسور و توربین گاز میباشد که در این تحقیق اصطلاح مدلسازی تجمیعی برای آن پیشنهاد شده است. در این تحقیق، به منظور مدلسازی خط لوله، با استفاده از رویکرد آنالوژی الکتریکی، سه مدار الکتریکی برای لوله شامل یک مدار برای حالت پایا و دو مدار برای حالت گذرا پیشنهاد شده است. ایده استفاده از دو مدار در حالت گذرا با هدف در نظر گرفتن شرایط مرزی مختلف شامل خطوط اصلی و شاخههای تقاضا (انشعابات) مطرح شده است. در مدلسازی کمپرسور گاز، توربین گاز و طرحهای ارتقا، از منحنیهای مشخصه مدل واقعی و معادلات ترمودینامیکی به همراه نتایج تجربی استفاده شده است. در ادامه، نتایج شبیهسازی تجمیعی برای یک نمونه خط انتقال گاز کشور با در نظر گرفتن توربین گاز ملی ۲۵ مگاوات ارائه شده و تاثیر استفاده از طرحهای ارتقای این توربین شامل ارتقا برای هوای گرم (HAS ) و ارتقای توان (PC ) با هدف تامین نیاز مصرفکننده به عنوان راهحل مورد مطالعه قرار گرفته است.
سپس، رویکردی یکپارچه برای بهینهسازی چیدمان توربینهای پایه و ارتقایافته در ایستگاههای تقویت فشار سیستم انتقال گاز ارائه شده است. اهداف این بهینهسازی شامل کاهش هزینه تمامشده (اقتصادی)، مصرف سوخت (انرژی) و آلایندههای منتشر شده (محیط زیست) میباشد. نتایج نشان میدهد که با استفاده از ترکیب توربینهای پایه و HAS در مناطق گرم میتوان از نظر اقتصادی 9/10 درصد، از نظر مصرف انرژی 47/1 درصد و از نظر کاهش آلایندهها ۹/۹ درصد بهبود نسبت به چیدمان توربینهای پایه به تنهایی مشاهده نمود. همچنین طرح ارتقای PC در تمامی جنبهها نسبت به توربین پایه برتری دارد و در تمامی ایستگاهها پیشنهاد شده است.
در نهایت، با استفاده از مدلسازی تجمیعی، بهکارگیری مخلوط هیدروژن و گاز طبیعی به عنوان سوخت توربینهای گازی ایستگاههای تقویت فشار به عنوان یک طرح ارتقاء جدید مطرح و اثر آن در خط انتقال مورد مطالعه بررسی شده است. با اعمال این روش در مورد مطالعاتی، مصرف سوخت و انتشار دیاکسیدکربن تا ۵۰ درصد کاهش یافته که نیاز به حدود ۱۶۰ هزار تن هیدروژن در سال را نشان میدهد. این ایده با مطالعه جامعتر میتواند راهکاری موثر برای کاهش آلایندگی و همچنین کمک به حل مشکل ناترازی انرژی در شبکههای انتقال گاز به شمار آید.
مطالعات علمسنجی نشان میدهد که تاکنون هیچ تحقیقی جهت مطالعه چیدمان توربینهای گازی پایه و ارتقایافته در ایستگاههای شبکه انتقال گاز با در نظر گرفتن جنبههای اقتصادی، انرژی و محیط زیست گزارش نشده است.
در این رساله، مدلسازی و شبیهسازی تجمیعی خط انتقال گاز و ایستگاه به منظور بهینهسازی چیدمان توربینهای گاز ارتقایافته ارائه شده است. مطالعه چیدمان توربینها در ایستگاههای شبکه، نیازمند مدلسازی و شبیهسازی همزمان همه اجزای سیستم انتقال گاز شامل خطوط لوله، کمپرسور و توربین گاز میباشد که در این تحقیق اصطلاح مدلسازی تجمیعی برای آن پیشنهاد شده است. در این تحقیق، به منظور مدلسازی خط لوله، با استفاده از رویکرد آنالوژی الکتریکی، سه مدار الکتریکی برای لوله شامل یک مدار برای حالت پایا و دو مدار برای حالت گذرا پیشنهاد شده است. ایده استفاده از دو مدار در حالت گذرا با هدف در نظر گرفتن شرایط مرزی مختلف شامل خطوط اصلی و شاخههای تقاضا (انشعابات) مطرح شده است. در مدلسازی کمپرسور گاز، توربین گاز و طرحهای ارتقا، از منحنیهای مشخصه مدل واقعی و معادلات ترمودینامیکی به همراه نتایج تجربی استفاده شده است. در ادامه، نتایج شبیهسازی تجمیعی برای یک نمونه خط انتقال گاز کشور با در نظر گرفتن توربین گاز ملی ۲۵ مگاوات ارائه شده و تاثیر استفاده از طرحهای ارتقای این توربین شامل ارتقا برای هوای گرم (HAS ) و ارتقای توان (PC ) با هدف تامین نیاز مصرفکننده به عنوان راهحل مورد مطالعه قرار گرفته است.
سپس، رویکردی یکپارچه برای بهینهسازی چیدمان توربینهای پایه و ارتقایافته در ایستگاههای تقویت فشار سیستم انتقال گاز ارائه شده است. اهداف این بهینهسازی شامل کاهش هزینه تمامشده (اقتصادی)، مصرف سوخت (انرژی) و آلایندههای منتشر شده (محیط زیست) میباشد. نتایج نشان میدهد که با استفاده از ترکیب توربینهای پایه و HAS در مناطق گرم میتوان از نظر اقتصادی 9/10 درصد، از نظر مصرف انرژی 47/1 درصد و از نظر کاهش آلایندهها ۹/۹ درصد بهبود نسبت به چیدمان توربینهای پایه به تنهایی مشاهده نمود. همچنین طرح ارتقای PC در تمامی جنبهها نسبت به توربین پایه برتری دارد و در تمامی ایستگاهها پیشنهاد شده است.
در نهایت، با استفاده از مدلسازی تجمیعی، بهکارگیری مخلوط هیدروژن و گاز طبیعی به عنوان سوخت توربینهای گازی ایستگاههای تقویت فشار به عنوان یک طرح ارتقاء جدید مطرح و اثر آن در خط انتقال مورد مطالعه بررسی شده است. با اعمال این روش در مورد مطالعاتی، مصرف سوخت و انتشار دیاکسیدکربن تا ۵۰ درصد کاهش یافته که نیاز به حدود ۱۶۰ هزار تن هیدروژن در سال را نشان میدهد. این ایده با مطالعه جامعتر میتواند راهکاری موثر برای کاهش آلایندگی و همچنین کمک به حل مشکل ناترازی انرژی در شبکههای انتقال گاز به شمار آید.
کلمات کلیدی:
خطوط انتقال گاز- توربین گاز-ارتقا -شبیهسازی تجمیعی -بهینهسازی چیدمان-هیدروژن
