Document Type : Original Article
Highlights
بنابر آنچه گذشت، در این پژوهش تلاش شد تا با استفاده از فناوری مدلسازی سینتیک، ایجاد و توسعه مدل احتراقی نفتگاز انجام شود، مدلی که بتواند رفتار کلی احتراق نفتگاز را با دقت و در شرایط مختلف به خوبی پیشبینی کند، تا بر این اساس با تنظیم ترکیب جایگزین نفتگاز، از آن به عنوان ورودی برای مدل کنترلی تجهیزات توربین گاز با کارکرد نفتگاز استفاده شود. برای این منظور میبایست با تنظیم یک ترکیب اولیه که منطبق بر ویژگیهای فیزیکی ترکیبات واقعی نفتگاز باشد، به شروع مدلسازی پرداخت و با گسترش مدل سینتیکی نفتگاز، طی یک فرایند آزمون خطا با مقایسه نتایج شبیهسازی در هر مرحله با دادههای آزمایشگاهی به ترکیب ایدئال دست یافت.
بهدلیل وجود تشابه ساختاری میان سوخت جت و سوخت نفتگاز، از آخرین نسخهی مدل سینتیکی که پیشتر برای سوخت جت توسط نگارنده و سایر همکاران در سازمان هوای فضای آلمان ایجاد شده بود، به عنوان مدل مرجع استفاده شده و این مدل با اعمال تغییراتی برای استفاده شبیهسازی نفتگاز متناسب شده است. دادههای مورد نیاز برای مرحلهی صحّتسنجی مدل و در نهایت تنظیم ترکیب نهایی جایگزین، شامل دادههای تأخیر اشتعال هستند که در تجهیزات لوله شوک و ماشین تراکم سریع در بازهی دمایی، فشاری، و نسبتهای همارزی مختلف سوخت و اکسید کننده ( اغلب هوا) اندازهگیری شدهاند. بر این اساس ترکیب جایگزینی با محتوای 50 درصد دودکان (آلکان خطی)، 15درصد ایزو-اوکتان (ایزو-آلکان)، 20درصد سیکلوهگزان (آلکان حلقوی یا نفتن)، 15درصد تولوئین (آروماتیک) بهعنوان ترکیب جایگزین نفتگاز معرفی شد. نتایج شبیهسازی دادههای آزمایشگاهی به کمک نسخه نهایی مدل سینتیک نفتگاز و با استفاده از این ترکیب جایگزین، با دادههای آزمایشگاهی مقایسه شد، که بر روی مجموعه دادههای زمان تأخیر اشتعال، نتایج تطبیق بالایی را به لحاظ دقت و روند (شیب تغییرات) نشان میدهند، بهخصوص در بازهی دمایی بالای T>1000 K میزان این هماهنگی قابل توجه است (شکل4).
در مورد دادههای زمان تاخیر اشتعال در دمای پایین نیز هماهنگی قابل قبولی بین نتایج شبیهسازی و دادههای اندازهگیری در شرایط مختلف آزمایشگاهی و نسبتهای مختلف همارزی دیده میشود (شکل 5). همچنین دیده شده است که نتایج شبیهسازی وجود NTC را به خوبی نشان میدهند و همچنین وقوع احتراقهای زودرس و شعلهی سرد را نیز به خوبی پیشبینی میکند (شکل6). اهمیت پیشبینی موفق این دست از دادهها در بازهی دمای پائین، در صحّتسنجی مدل است، چرا که چنانکه عنوان شد، مدل موفق جایگزین میباید قابلیت انعکاس و بازتولید پدیدههای احتراقی را داشته باشد. با توجه به رویکرد مقاله در مورد سیستمهای توربین گاز، اهمیت این موضوع در لحظات اولیه شروع به کار توربین، بعد از ایجاد فشار میانی (بسته به نوع توربین و نسبت تراکم اسمی تا P=20 bar) در کمپرسورها تا قبل از ایجاد ساختار شعله است.
در نهایت، با محاسبهی پارامترهای موردنیاز سوخت برای بخش مدل کنترلی توربین گاز، که پیشتر در ] 42[ منتشر شده و توسعه داده شده است، به بررسی تفاوتهای عملکرد شبیهسازی شدهی توربین گاز و توان خروجی، پیش و پس از جاگذاری ترکیب نهایی تعیین شده در قسمت مدلسازی سینتیک پرداخته شده است. ویژگیهای مورد نیاز برای ورودی مدل کنترلی، بیشتر مربوط به ترکیب اولیه سوخت، چگالی استاندارد، و به خصوص HHV , LHV که برای تخمین آنها از نتایج شبیهسازی این ترکیب با استفاده از مدل احتراقی، در رآکتور بمبیبهره گرفته شده است. همان طور که عنوان شد، تفاوت قابل ملاحظهای میان عملکرد شبیهسازی در این دو حالت وجود دارد، و تامین توان خروجی با استفاده از ترکیب جایگزین SRG1 به عملکرد ایدئال توربین گاز (حالت احتراق با گاز طبیعی) همگرا میشود.
Subjects
سوخت نفتگاز از انواع سوختهای ترکیبی به شمار میرود، که به دلیل کاربرد گسترده در بخشهای مختلف صنعتی، از بخش حملونقل گرفته تا کشاورزی، از اهمیت بالایی برخوردار است] 1[. در صنعت نیروگاهی نیز ، سوخت نفتگاز در هر دو نوع پایه فسیلی و پایه زیستی آن، در کنار گاز طبیعی به عنوان یکی از رایجترین سوختهای مورد استفاده در تجهیزات توربینگاز مورد استفاده قرار میگیرد. امروزه، تجهیزات توربینگاز و نیروگاههای بر پایهی این فناوری به صورت فراگیر درآمده است و اهمیت آنها در سالیان آینده نیز رو به فزونی خواهد گذاشت. به همین علت، کنترل و بهینهسازی فرایند احتراق توربینهای گازی گازوئیلسوز دارای اهمیت ویژه هستند. این امر در وحلهی اول نیازمند شناخت فرایند احتراق نفتگاز است. امروزه مدلسازی سینتیک فرایند احتراق به عنوان یک ضرورت در شناخت و بررسی فرایند پیچیدهی احتراق به شمار میرود، که امکان افزایش راندمان فرایند سوختن و کاهش آلایندههای زیست محیطی را نیز فراهم میآورد.
سوختهای متداول تقطیر شده از نفت خام، مانند نفت سفید، بنزین، نفتگاز و همچنین برخی از سوختهای زیستی از صدها هیدروکربن مختلف تشکیل شدهاند که هر یک از آنها در هنگام احتراق گونههای میانی متفاوتی تولید میکنند. هیدروکربنهای موجود در سوختهای رایج شامل پارافینها، نفتنها و هیدروکربنهای آروماتیک هستند. بهطور معمول مدلهای شیمیایی جایگزین[1] به منظور مدلسازی ترکیبات مختلف مورد استفاده قرار میگیرند. علیرغم سادگی، این مدلها دارای اجزای خاصی هستند که با کمک آنها خصوصیات فیزیکی و شیمیایی سوختهای ترکیبی را میتوان به دقت پیشبینی کرد. ازجمله ویژگیهای فیزیکی میتوان به محتوای انرژی سوخت، گرمای نهان جوش و انجماد، نقطهی اشتعال، هدایت حرارتی، کشش سطح، گرانروی (ویسکوزیته) اشاره کرد] 2[. اصلیترین خصوصیات شیمیایی مربوط به ترکیب شیمیایی سوختها نیز عبارتند از: نسبت تعداد اتمهای کربن به هیدروژن C/H، میزان غلظت گونهها، زمان تأخیر اشتعال[2]، سرعت شعلهی آرام[3] و تمایل به تولید دوده[4]. خصوصیات شیمیایی و فیزیکی سوخت به شدت با یکدیگر ارتباط دارند و به طور معمول با مشخصات استاندارد برای سوخت توربین مشخص میشوند] 2[. با این حال از میان آنها، زمان تاخیر اشتعال در بازههای مختلف دمایی و فشار اولیه، و همچنین سرعت شعلهی آرام دارای اهمیت ویژه هستند، زیرا پیشبینی این دادهها با دقت مناسب، علاوه بر تنظیم دقیق واکنشهای شیمیایی و پارامترهای سینتیک، نیازمند پیشبینی درست ویژگیهای ترموشیمیایی[5] و خواص انتقالی[6] توسط مدل نیز هستند. با این حال، در مورد انواع سوختهای ترکیبی، این ویژگیها میتوانند برای ترکیبات رایج استاندارد، بسیار متفاوت باشند. شکل (1) مقایسهای از ترکیببندی هیدروکربنی دو مخلوط استاندارد دیزل را نمایش میدهد. همانطور که از این نمودار پیداست، توزیع گروههای هیدروکربنی در این دو مخلوط متفاوت است، که این تفاوت موجب بروز اختلاف در سایر ویژگیهای فیزیکی و شیمیایی این دو ترکیب نفتگاز میشود.
بدیهی است که وجود تفاوت در ترکیب سوخت واقعی خود موجب ایجاد تفاوت در مدلهای جایگزین موجود در منابع مختلف است. بهدلیل عدم قطعیت در میزان و تعداد ترکیبات مختلف هیدروکربنی موجود در انواع مختلف نفتگاز، مطالعه و مدلسازی کامل و جزبهجز ترکیب واقعی تقریباً غیرممکن است.
بنابراین، استفاده از مدلهای جایگزین، در شبیهسازیهای عددی که قابلیت باز تولید خواص اصلی فیزیکی و شیمیایی سوخت را در شرایط مختلف، و با دقت مورد نیاز را داشته باشد تنها گزینهی عملی است. مختصراً لازم به ذکر است که مدل جایگزین خود از دو جزء «ترکیب جایگزین[7]» و «مدل سینتیک جایگزین[8]» تشکیل میشود.
|
|
|
Figure 1- Hydrocarbon classes of two different conventional diesel blends, ULSD-2 (right) and Stage-V (left) [19, 41] شکل 1- هیدروکربنهای تشکیلدهندهی دو ترکیب استاندارد نفتگاز با محتوای کم گوگرد ULSD (سمت راست) و Stage-V (سمت چپ) [19, 41] |
مدل سینتیکی نیز به نوبهی خود از سه رکن: «مکانیسم واکنشهای شیمیایی[9]» «دادههای ترمودینامیکی گونهها[10]» و «خواص انتقالی گونهها[11]» تشکیل میشود، که میباید دربرگیرندهی تمامی اطلاعات لازم در مورد گونههای پیشبینی شده و چگونگی و نحوه واکنش گونههای شیمیایی با یکدیگر را منعکس کند. بدیهیاست که در وهلهی اول تعداد اجزای موجود در ترکیب جایگزین، تعیین کننده اندازهی مدل است. در ادامه مروری کوتاه بر مدلهای جایگزین تاکنون منتشر شده خواهیم داشت.
مروری بر مدلهای جایگزین تاکنون منتشر شده
در مطالعات اولیه، هپتان C7H16 به عنوان یکی از موارد جایگزین در نظر گرفته شده بود. دلیل این انتخاب نزدیکی عدد ستان آن نزدیک به مخلوط واقعی انواع دیزل است. از جمله علتهای دیگر، شناخته شده بودن احتراق هپتان و وجود تعداد کافی پژوهشهای نظری و عملی در موضوع شیمی احتراق هپتان است] 3[. با این حال مکانیسم احتراق هپتان نمیتواند فرایند سوختن همه گروههای هیدروکربنی موجود در ترکیب واقعی دیزل یعنی: آلکانها، سیکلوآلکانها و آروماتیکها را دقیق توصیف کند، که خود منجر به بروز خطا در پیشبینی میزان آزادسازی گرما میشود ] 4-7[. علاوه بر این، میزان انتشار آلایندههای هپتان به خصوص در بحث تشکیل دوده با نفتگاز تفاوت مبنایی دارد] 8[. جهت ارائهی راه حل برای مسئلهی ذکر شده، پژوهشهای مختلفی با تمرکز بر مدلسازی دو و چند جزئی به خصوص در سالیان اخیر انجام شده است، که اغلب آنها برمبنای انجام پژوهش آزمایشگاهی به ترکیب جایگزین دیزل دست یافتهاند] 9-15[. تنها بخشی از این مطالعات با محوریت معرفی مدلسازی جایگزین سینتیک نفتگاز انجام گرفتهاند] 16-19[. که تقریباً تمامی مدلهای معرفی شده، اعم از مکانیسمهای جامع و کاهش یافته، با استفاده از مزیت نردبانی بودن ساختار مکانیسم جایگزین، و از برهمنهی زیرمدلهای تاکنون انتشار یافته شکل گرفتهاند. نقطه ضعف اصلی این مکانیسمها، عدم استفاده از زیرمکانیسمهای واکنش شیمیایی دقیق به خصوص در مورد نحوهی اشتعال خودکار در دماهای زیر هزار درجهی کلوین هستند، که از اهمیت ویژه برخوردارند. همچنین مسئله عدم بهرهمندی آنها از جدیدترین تحقیقات انجام شده برای زیر مدل شیمی گونههای کوچک[12]،زیر مدل مربوط به آلکانهای حلقوی، و زیرمدل مربوط به تشکیل هیدروکربنهای آروماتیک مرکب[13] نکته دیگر قابل توجه است، که مستقیماً بر روی پیشبینی دادههای زمان تأخیر اشتعال، سرعت شعله آرام، و تشکیل پیشنیازهای دوده تأثیر منفی میگذارند.
علاوه بر این، مشاهده شده است که اغلب پژوهشهای یاد شده، از مکانیسمهای بسیار کاهش یافته برای معرفی ترکیب جایگزین بهره جستهاند، که این موضوع خود میتواند باعث کاهش شدید دقت مدل، به خصوص روی مدلسازی در سایر شرایط آزمایشگاهی و یا صنعتی پیشبینینشده شود. لذا با توجه به عدم وجود یک مکانیسم جامع نیمهگسترده[14] برای احتراق دیزل، ضرورت توسعه مکانیسم و مدلسازی دقیق، با تمرکز روی مسئله اشتعال خودکار در هر دو منطقه بالایی و پایینی دمایی بیش از پیش مشخص میشود.