سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مدل‌سازی سینتیک سوختن نفت‌گاز و اصلاح پارامترهای سیستم کنترل احتراق توربین گاز نیروگاهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده
مهدی عباسی
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده فنی کاسپین، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران،
10.22034/jfnc.2024.449597.1379
چکیده
ن
نفت‌گاز به عنوان یکی از پرکاربردترین سوخت‌های صنعتی، نقش به سزایی در صنعت نیروگاهی در سطح کشور و جهان دارد، که یکی از این موارد کاربرد آن در سیستم توربین‌گاز است. نظر به اینکه فرایند احتراق سوخت نقش کلیدی در سیستم توربین‌گاز دارد، شناخت این فرایند در بهینه‌سازی کل سیستم به لحاظ عملکرد و نیز کاهش اثرات زیست محیطی از اهمیت ویژه برخوردار است. این امر از طریق مدل‌سازی سینتیک، توسعه‌ی مدل جایگزین نفت‌گاز و سپس معرفی ترکیبات جایگزین نفت‌گاز انجام می‌گیرد که محور اصلی پژوهش پیش روست. بدین منظور، از داده‌های اندازه‌گیری زمان تأخیر اشتعال در شرایط مختلف آزمایشگاهی برای شبیه‌سازی و صحّت‌سنجی مدل استفاده می‌شود. قسمت آخر این پژوهش معطوف به تغییر پارامترهای مدل کنترلی واحد توربین‌گاز است که بر مبنای داده‌های خروجی مدل‌سازی سینتیک احتراق، و به طور مشخص اصلاح ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی بر مبنای ترکیب جایگزین به دست آمده برای نفت‌گاز انجام می‌شود. در انتها نیز نتایج حاصل از این تغییرات با حالت پیش از آن مقایسه می‌شود.
 
کلیدواژه‌ها
سیستم کنترل توربین گاز
احتراق نفت‌گاز
‌مدل‌سازی سینتیک احتراق
مدل‌سازی جایگزین

موضوعات

عنوان مقاله English

Development of Kinetic Model for Diesel Combustion and Correction of the Relevant Parameters in Gas Turbine Control System

نویسنده English

Mehdi Abbasi
Department of Mechnical Engineering, Caspian Faculty of Engineering, College of Engineering, University of Tehran
چکیده English

Gasoil is widely known as one of the mostly used industrial fuels which plays a significant role in the power plant industry, particularly in gas turbine systems. Considering that the fuel combustion process plays a key role in the gas turbine system, studying this process is of particular importance in optimizing the entire system in terms of performance and reducing environmental effects. This is done through kinetic modeling and the development of the gasoil surrogate model and formula, which is the focus of the current research. To this aim, the measured ignition delay data at different experimental conditions are used for simulation and validation of the model. The last part of this research is about to changing the input parameters of gas turbine mathematical model, also known as control model. This is done based on the output of the surrogate model of diesel. At the end, the results of these changes are compared with the state before the change.
 

کلیدواژه‌ها English

Control System of Gas Turbine
Diesel Combustion Model
Kinetic Modeling of Combustion
Surrogate Modeling

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.

 

1.Surrogate Models

1.Ignition Delay Time (IDT)

2.Laminar Flame Speed (LFS)

3.Soot Index

4.Thermochemical Properties

5.Transport Properties

6.Surrogate Formula

7.Surrogate Kinetic Model

1.Chemical Reaction Mechanism

2.Thermochemical Properties

3.Transport Properties

4.C0-C3 Chemistry

5.Poly Aromatic Hydrocarbons (PAH)

6.Semi-Detailed Mechanism

[1]
B. N. Ghilchi, Theoritical and Practical Effect of Hight on theOperation and Pollution Emission Parameters of Diesel Engines, Master Thesis, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran, 2017 (in Persian).
[2]
Abbasi, M., and Slavinskaya, N. A., “Development of the Basis Naphthene Oxidation Kinetic Model for Simulation of the Practical Fuel Combustion,” HiSST: International Conference on High-Speed Vehicle Science Technology, 26-29 November, Moscow, Russian Federation, 2018.
[3]
Curran, H. J, Gaffuri, P., Pitz, W.J., and Westbrook, C. K., “A Comprehensive Modeling Study of n-Heptane Oxidation,” Combustion and Flame,  vol., pp. 149-177, 1998.
[4]
Battin-Leclerc, F., Prog. Energy Combust. Sci.,  vol. 34, pp. 440–498, 2008.
[5]
Hernandez, J. J., Sanz-Argent, J., Benajes, J., Molina, S., Fuel,  vol. 87 no. 6, pp. 655-665, 2008.
[6]
Kolaitis, D. I., Founti, M. A. , Proc. Combust. Inst.,  vol. 32, no.2, pp. 3197–3205, 2009.
[7]
Luo, J., Yao, M., Liu, H., Yang, B., , Fuel ,  vol. 97, pp. 621–629, 2012.
[8]
Weber, J., Won, H. W., Peters, N., SAE Paper 2007-01-1842,2007.
[9]
Bai, Y., Wang, Y., Wang, X., and Wang, P., “Development of a skeletal mechanism for tri-component diesel surrogate fuel: N-hexadecane/iso-cetane/1-methylnaphthalene,” Fuel, vol. 259, p. 116217, 2020.
[10]
Natelson, R. H., Kurman, M. S., Cernansky, N. P., and Miller, D. L., “Experimental investigation of surrogates for jet and diesel fuels,” Fuel,  vol. 87, pp. 2339–2342, 2008.
[11]
Bergman, M. and Golovitchev, V. I., “Modification of a Diesel Oil Surrogate Model for 3D CFD Simulation of Conventional and HCCI Combustion,” SAE Paper 2008-01-2410, 2008.
[12]
Chen, W., Shuai, S., and Wang, J., “Effect of the Cetane Number on the Combustion and Emissions of Diesel Engines by Chemical Kinetics Modeling,” Energy Fuels,  vol. 24, pp. 856–862, 2010.
[13]
Liang, L., Naik, C. V., Puduppakkam, K., Wang, C., Modak, A.,and Meeks, E., “Efficient Simulation of Diesel Engine Combustion Using Realistic Chemical Kinetics in CFD,” SAE Paper 2010-01-0178, 2010.
[14]
Yoshikawa, T., and Reitz, R. D., “Validation of a grid independent spray model and fuel chemistry mechanism for low temperature diesel combustion,” International Journal of Spray and Combustion Dynamics, vol. 1 no.3, pp. 283-316, 2009.
[15]
Ramirez L., Hadj-Ali, K., Dievart, P., Moreac, G., and Dagaut, P., “Kinetics of Oxidation of Commercial and Surrogate Diesel Fuels in a Jet-Stirred Reactor: Experimental and Modeling Studies,” Energy Fuels,  vol.24, pp. 1668–1676, 2010.
[16]
Ra, Y., and Reitz, R., “A combustion model for IC engine combustion simulations with multi-component fuels,” Combustion and Flame , vol. 158, pp.69-90, 2011.
[17]
Chang, Y., Ming, J., Liu, Y., Li, Y., Xie, M., Wang, H., and Reitz, R. D., “Development of a skeletal mechanism for diesel surrogate fuel by using a decoupling methodology,” Combust and Flame, vol. 162, no.10, pp. 3785-3802, 2015.
[18]
Yu, W., Zhao, F., Yang, W., Tay, K., and Xu, H., “Development of an optimization methodology for formulating both jet fuel and diesel fuel surrogates and their associated skeletal oxidation mechanism,” Fuel, vol. 231, p. 361–372, 2018.
[19]
Naik, C. V., Puduppakkam, K., Wang, C., Kottalam, J., Liang, L., Hodgson, D., and Meeks, E., SAE Paper 2010-01-0541, 2010.
[20]
Slavinskaya, N.A.,and Zizin, A., “On surrogate fuel formulation,” Proc. of GT2009, ASME Turbo Expo 2009: Power for Land, Sea and Air, 2009, Orlando, USA, GT2009-60012, 2009.
[21]
M. Abbasi, Kinetic Modelling of Cyclohexane Oxidation with the PAH Precursor Formation, Stuttgart, Germany: Ph.D. thesis, Institute of Combustion Technology for Aerospace Engineering (IVLR), Universität Stuttgart, 2019.
[22]
Pitz, W. J., and Mueller, C. J., “ Recent progress in the development of diesel surrogate fuels,,” Prog. Energy Combust. Sci.,  vol. 37, pp. 330-350, 2011.
[23]
A. Shrestha, Jp-8 Surrogates For Diesel Engine Application: Development, Validation, And CFD Simulation, Wayne State University Dissertations. Paper 1024.
[24]
Kook, S., Pickett.,and  L. M., “Soot volume fraction and morphology of conventional, Fischer-Tropsch Coal-Derived, and Surrogate Fuel at Diesel Conditions,” SAE Technical Paper 2012–01-0678, 2012.
[25]
Lemaire R, Faccinetto A, Therssen E, Ziskind M, Focsa C, and Desgroux P, “Experimental comparison of soot formation in turbulent flames of Diesel and surrogate Diesel fuels,” Proceedings of the Combustion Institute,  vol. 32, no.1, pp, 737-744, 2009.
[26]
Tat, M. E., Wang, P. S., Van Gerpen, J.H., and Clemente, T. E. , “Exhaust emissions from an engine fueled with biodiesel from high-oleic soybeans,”  J Am Oil Chem Soc 2007;84:865–9..
[27]
Yu, W., Tay, K., Zhao, F., Yang, W., Li, H., and Xu, H., “Development of a new jet fuel surrogate and its associated reaction mechanism coupled with a multistep soot model for diesel engine combustion,” Applied Energy, vol. 228, pp. 42-56, 2018.
[28]
Yu, W.,and Zhao, F., “Formulating of model-based surrogates of jet fuel and diesel fuel by an intelligent methodology with uncertainties analysis,” Fuel,  vol. 268, p. 117393, 2020.
[29]
Eckel, G., Grohmann, J., Cantu, L., Slavinskaya, N. A., Kathrotia, T., Rachner, M., Le Clercq, P., Meier, W., and Aigner, M., “LES of a swirl-stabilized kerosene spray flame with a multi-component vaporization model and detailed chemistry,” Proc. Combustion and Flame (2019) 1–19.
[30]
Kathrotia, T., Richter, S, C. Naumann, Slavinskaya, N., Methling, T., Braun-Unkhoff, M.,and Riedel, U., “Reaction Model Development for Synthetic Jet Fuels – Surrogate Fuels as a Flexible Tool to Predict Their Performance,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2018, Turbomachinery Technical Conference and Exposition, GT 2018, June 11-15, 2018, Oslo, Norway.
[31]
N. Slavinskaya, A. Zizin and U. Riedel, “Towards Kerosene Reaction Model Development: Propylcyclohexane, cyC9H18, n-Dodecane, C12H26, and Hexadecane C16H34 Combustion,” 48th AIAA ASM, Orlando, Florida, 2010.
[32]
Slavinskaya, N., Riedel, U., Saibov, E., Herzler, J., Naumann, C., Saffaripour, M., and Thomas, L., “Kinetic Surrogate Model for GTL Kerosene,”  52nd  Aerospace Sciences Meeting AIAA SciTech, National Harbor, Maryland, U.S., 2014.
[33]
Slavinskaya, N. A., Abbasi, M., Starcke, J. H., Whitside, R., Mirzayeva, A., Riedel, U., Li, W., Oreluk, J., Hegde, A., Packard, A., Frenklach, M., Gerasimov, G., and Shatalov, O., “Development of an UQ-Predictive Chemical Reaction Model for Syngas Combustion ”.Energy&Fuels 2016, Energy Fuels, 2017, 31 (3), pp 2274-2297.
[34]
N. A. Slavinskaya, M. Abbasi, J. H. Starcke, and O.J. Haidn, “Methane Skeletal Mechanism for Space Propulsion Applications,” 52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, AIAA Propulsion and Energy Forum, (AIAA 2016-4781) , Salt Lake City, USA..
[35]
Richter, S., Braun-Unkhoff, M., Kathrotia, T., Naumann, C., Kick, T., Slavinskaya, N., and Riedel, U. , “Methods and tools for the characterisation of a generic jet fuel,” CEAS Aeronautical Journal volume, vol.10, https://doi.org/10.1007/s13272-019-00364-7, p. 925–935, 2019.
[36]
Slavinskaya, N., Mirzayeva, A., Whitside, R., Starke, J. H., Abbasi, M., Auyelkhankyzy, M., and Chernov, V., “A modelling study of acetylene oxidation and pyrolysis,”  Combustion and Flame,  vol. 210, pp. 25-42, 2019.
[37]
Abbasi, M. and Slavinskaya, N., “Development of a 4-Component Surrogate Model for Combustion of Gasoil, including investigation of PAH Formation,” 10th International Seminar on Flame Structure (10th ISFS), Novosibirsk, Russian Federation, 9-13 October 2023 .
[38]
ANSYS, 2017. ANSYS Chemkin-Pro: Combustion Simulation Software,
http://www.ansys.com/en-gb/products/fluids/ansys-chemkin-pr. [Accessed: 31.03.2024]
[39]
Wang, S., Mao, Y., Raza, M., Yu, L., and Lu, X., “Autoignition of diesel/oxygen/nitrogen mixture under elevated temperature in a heated shock tube,” Fuel,  vol.254, p. 115635, 2019.
[40]
Kukkadapu, G., and Sung, C.J., “Autoignition study of ULSD#2 and FD9A diesel blends,” Combust. Flame, vol. 166, pp. 45-54, 2016.
[41]
Yu, L., Mao, Y., Li, A., Wang, S., Qiu, Y., Qian, Y., Han, D., Zhu, L., and Lu, X., “Experimental and modeling validation of a large diesel surrogate: Autoignition in heated rapid compression machine and oxidation in flow reactor,” Combustion and Flame, vol.202, pp. 195-207, 2019
[42]
Amirkhani, S., Chaibakhsh, A., Ghaffari, A., “Nonlinear robust fault diagnosis of power plant gas turbine using Monte Carlo-based adaptive threshold approach,” ISA Transaction, vol. 100, pp. 171-184, May 2020.
[43]
"Operation Test of G12 Power Unit of Guilan Powerplant after Overhauling", Technical Report by Pars Power Control Company, 2011, Tehran, Iran (in Persian).
[44]
ESSOM CO., LTD., “Heating Values of Hydrogen and Fuels,”: https://pdf4pro.com/cdn/heating-values-of-hydrogen-and-fuels-67a6e6.pdf [Accessed: 26.04.2024]