مطالعه رفتار گذرای بویلر بازیاب حرارت تولید بخار گردش طبیعی با استفاده از مدل یک بعدی سیکل اواپراتور

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشیار، گروه تبدیل انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

چکیده

بویلرهای بازیاب حرارت تولید بخار به عنوان بخش حیاتی واحدهای تولید همزمان نقش مهم و اساسی در بازیابی انرژی فرآیندها ایفا می‌کنند. با توجه به مورد نیاز بودن تحلیل دقیقی از نرخ تغییر پارامترهای بویلر بازیاب برحسب زمان به منظور تصمیم­گیری در مورد فرآیندهای بویلر از جمله راه‌اندازی و خاموشی، پژوهش حاضر به مطالعه و بررسی رفتار گذرای بویلر با استفاده از شبیه‌سازی دینامیکی پرداخته است. بدین منظور مدل یک‌بعدی)مدل نقطه‌ای( سیکل گردش طبیعی اواپراتور همراه با مدل‌های درام و انتقال حرارتی بویلر برای شبیه‌سازی درنظر گرفته شده است. سناریوهای حالت گذرا شامل تغییرات در شار ورودی به دسته لوله‌ها ناشی از تغییر بار توربین گازی)سیکل بالادستی(، دبی آب تغذیه و میزان بخار مورد تقاضا )دبی بخار تولیدی( سیکل پایین دستی است. کد کامپیوتری با هدف حل معادلات گذرای حاکم بر مدل یک‌بعدی بویلر بازیاب و استخراج پاسخ رفتار گذرای)دینامیکی( پارامترهای کلیدی بویلر نسبت به سناریوهای مختلف، توسعه داد ه شده است. نتایج شبیه‌سازی دینامیکی نشان می‌دهد که افزایش 5 درصدی نرخ گرمای ورودی به بویلر، افزایش 15 درصدی فشار درام و با لارفتن حدود 10 درجه‌ای دمای دیواره لوله‌های بویلر را در پی دارد. همچنین افزایش 20 درصدی شار حرارتی به دسته لوله‌ها ناشی از تغییر بار توربی نگازی منجر به بالارفتن حدود 35 درجه‌ای دمای دیواره لوله‌ها می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Study of the Natural Circulation Heat Recovery Steam Generator Unsteady Behavior Using One Dimensional Model for the Evaporator Loop

نویسندگان [English]

  • Omid Mahdavi keshavar 1
  • Ali Jafarian 2
  • Saber Deldar 1
1 Master of Science Graduate, Energy Conversion Department, Mechanical Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
2 Associate Professor, Energy Conversion Department, Mechanical Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Heat recovery steam generators as a vital part of cogeneration plants play a fundamental role in energy recovery processes. According to a necessity of accurate analysis of steam generators’ parameters variation rate to take a decision on steam generators processes such as start-up and shut-down, the present study aims to investigate the unsteady behavior of boilers using the dynamic simulation. In this respect, a one-dimensional model of the evaporator natural circulation loop along with boilers’ drum and heat transfer models are considered for simulation. Unsteady study scenarios include changes in the input heat to tube banks due to the change in the gas turbine load, feedwater flow rate and steam demand of the downstream cycle. A computer code has been developed to solve governing equations of a one- dimensional model and to demonstrate the response of boilers’ key parameters to different scenarios. Dynamic simulation results showed that a 5% increase in heat input to risers leads to an increase of 15% of the drum pressure as well as an increase of about 10 degrees of the tubes wall temperature. In addition, an increase of 20% in the heat input due to the change in the gas turbine load would increase the wall temperature of tubes by 35 degrees.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cogeneration؛Natural Circulation HRSG Unsteady behavior
  • One-Dimensional Model
  • Steam Generation
[1]  A. Chiu, One twelfth of global electricity comes from combined heat and power systems, Vital signs, (2009).
[2]   CHP share of total national power production, Accessed 22 January 2016, Url. http://www. iea.org.
[3] O.M. Keshavar,A. Jafarian, M. Rezaei, S. Deldar, Experimental and analytical investigation of a small scale heat recovery steam generator, in: The 8th International Conference & Workshop, Quest for Energy, Venice, Italy, 2018, pp. 271- 286.
[4]  K.J. Åström, R.D. Bell, Drum-boiler dynamics, Automatica, 36(3) (2000) 363-378.
[5]   C. Lu, N. Rees, S. Donaldson, The use of the Åström-Bell model for the design of drum level controllers in power plant boilers, IFAC Proceedings Volumes, 38(1) (2005) 139-144.
[6]   H. Kim, S. Choi, A model on water level dynamics in natural circulation drum-type boilers, International Communications in Heat and Mass Transfer, 32(6) (2005) 786-796.
[7]   H. Emara-Shabaik, M. Habib, I. Al-Zaharna, Prediction of risers’ tubes temperature in water tube boilers, Applied Mathematical Modelling, 33(3) (2009) 1323-1336.
[8]   P. Sindareh-Esfahani, E. Habibi-Siyahposh, M. Saffar-Avval, A. Ghaffari, F. Bakhtiari-Nejad, Cold start-up condition model for heat recovery steam generators, Applied Thermal Engineering, 65(1-2) (2014) 502-512.
[9]   F. Alobaid, K. Karner, J. Belz, B. Epple, H.-G. Kim, Numerical and experimental study of a heat recovery steam generator during start-up procedure, Energy, 64 (2014) 1057-1070.
[10]  A.L.D. Cheridi, A. Chaker, A. Loubar, Numerical simulation of a 374 tons/h water- tube steam boiler following a feedwater line break, Annals of Nuclear Energy, 97 (2016) 27-35.
[11]    P. Sunil, J. Barve, P. Nataraj, Mathematical modeling, simulation and validation of a boiler drum: Some investigations, Energy, 126 (2017) 312-325.
[12]    O.M. Keshavar, A. Jafarian, M.S. Shekafti, Dynamic simulation of a heat recovery steam generator dedicated to a brine concentration plant, Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 135(3) (2019) 1763-1773.
[13]    N. Zuber, J. Findlay, Average volumetric concentration in two-phase flow systems, Journal of heat transfer, 87(4) (1965) 453-468.
[14]   J.G. Collier, J.R. Thome, Convective boiling and condensation, Clarendon Press, 1994.
[15] V. Chatoorgoon, SPORTS-A simple non- linear thermalhydraulic stability code, Nuclear Engineering and Design, 93(1) (1986) 51-67.
[16] S.E. Haaland, Simple and explicit formulas for the friction factor in turbulent pipe flow, Journal of Fluids Engineering, 105(1) (1983) 89-90.
[17] M. Holmgren, X Steam-Thermodynamic properties of water and steam for Matlab,2006,     Accessed     17      April 2017,  Url.           http://www.X-eng.com.
[18]  S.G. Kandlikar, A general correlation for saturated two-phase flow boiling heat transfer inside horizontal and vertical tubes, Journal of heat transfer, 112(1) (1990) 219-228.