بهينه‌سازي سيكل توربين گاز با مبدل حرارتي صفحه‌اي فين‌دار جهت ارتقاي عملكرد و كاهش آلاينده ها

Optimization of a Gas Turbine Cycle by Plate fin heat exchanger to improve and Polutant Gas Emission(NOx) Reduction

هدف در اين كار ارتقاي راندمان و كاهش آلاينده‌هاي زيست محيطي توربوكمپرسور گازي با بازگردش حرارتي گازهاي حاصل از احتراق است. براي اين منظور دو نوع مبدل حرارتي پوسته لوله اي و صفحه‌اي فين‌دار به صورت مجزا در سيكل قرار داده شد و بهينه گرديد و با مقايسه‌ نتايج آنها بهترين حالت معرفي شده‌‌است. مدلسازي ترموديناميكي با استفاده از تجزيه و تحليل انرژي و اگزرژي انجام شده است. مدل ترموهيدروليكي مبدل‌هاي بازياب با استفاده از تجزيه و تحليل انتقال حرارت بهبود يافته و روش -NTU ? انجام گرفته است. براي بهينه‌سازي سيكل بازياب حرارتي توربين‌گاز از بهينه سازي چند هدفه با اهداف بيشينه سازي راندمان اگزرژي سيكل، كمينه سازي زمان بازگشت‌ سرمايه و ميزان توليد آلودگي NOx استفاده شده ‌است. بهينه سازي چندهدفه با استفاده از الگوريتم ژنتيك و روش NSGAII صورت پذيرفته‌ است. براي هريك از حالات قرارگيري مبدل حرارتي پوسته لوله-اي و صفحه‌اي فين‌دار جبهه بهينه پارتو حاصل مي‌شود و نقطه بهينه نهايي از ميان نقاط موجود بر روي جبهه با استفاده از سه روش تصميم سازي فازي بلمن- زاده، TOPSIS و LINMAP انتخاب شده‌ است كه منجر به انتخاب بهترين مبدل پوسته‌لوله‌اي و بهترين مبدل صفحه‌اي فين‌دار مي‌شود. در پايان با مقايسه مبدل‌هاي حرارتي پوسته لوله اي و صفحه‌اي فين‌دار بهينه نهايي، بهترين مبدل براي بازگردش حرارتي توربوكمپرسورهاي گازي برگزيده شده‌است. در نهايت طرح بهينه نهايي منجر به افزايش 98/4 درصد در راندمان اگزرژي و كاهش 93/17درصد در ميزان آلاينده‌هاي NOx شده ‌است.

Objective of this research is to Efficieny Enhancement and Polutant Gas Emission Reduction in a Benchmark Turbo-Compressor Gas Engine. Using Heat Recirculation of Flue Gas are studied and using a shell&tube and plate finn heat exchanger for simple gas cycle is considered and optimized. Thermodynamic modeling of the cycle is performed using energy and exergy analysis. Thermo-hydraulic modeling of the recuperators is performed using the modified heat transfer analysis and ?-NTU method in order to estimate the heat exchangers area, effectiveness and pressure drop. Optimization is considered as the multi-objective evolutionary algorithm in which one objective is maximizing the cycle exergetic efficiency, the second is minimizing the capital payback time of the recuperator and the other one is minimizing the Polutant Gas Emission for both of heat exchangers. A set of optimal solutions namely as the Pareto frontier are obtained and a final optimal solution are selected using the Bellman-Zadeh fuzzy decision-making approach, TOPSIS and LINMAP methods and the best solutions are reported. In final by comparing the heat exchangers, The best of heat exchanger was selected. Finally, by comparing optimal shell&tube and plate finn heat exchanger, The best heat exchanger has been chosen for Turbo-Compressor. The final improvement Heat Recirculation, Resulted in a 4.98 percent increase in exergy efficiency and reduce NOx emissions rate is 17.93 percent.