Turbomachinery analysis and design for hybrid SOFC-GT systems optimized performance

Abstract

Μεγάλη προσπάθεια γίνεται τα τελευταία χρόνια για την ανάπτυξη αποδοτικών μηχανών μετατροπής ενέργειας. Τα κίνητρα για αυτή την προσπάθεια είναι κυρίως η ολοένα αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια, η εξάντληση των κοιτασμάτων ορυκτών καυσίμων καθώς και η μόλυνση του περιβάλλοντος από εκπομπές αέριων ρύπων. Μια τεχνολογία που φαίνεται ότι θα συμβάλει σημαντικά στην διαμόρφωση του ενεργειακού τομέα στο μέλλον, είναι οι μικροστρόβιλοι. Οι μικροστρόβιλοι λόγω των πλεονεκτημάτων που παρουσιάζουν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές κατανεμημένης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, smart grids, υβριδικά συστήματα και συστήματα συμπαραγωγής.Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη εφαρμογών μικροστροβίλων, τόσο υπολογιστικά όσο και πειραματικά. Οι υπολογιστικές δραστηριότητες περιλαμβάνουν κυρίως την μελέτη υβριδικών συστημάτων τύπου SOFC-GT (Solid Oxide Fuel Cell – Gas Turbine). Στα συστήματα αυτά γίνεται συνδυασμός ενός μικροστροβίλου και μιας γεννήτριας τύπου SOFC, η οποία λειτουργεί σε συνθήκες υπερπίεσης (υπετροφοδοτείται). Το καύσιμο αντιδρά ηλεκτροχημικά στις κυψέλες καυσίμου SOFC (που υποκαθιστούν το θάλαμο καύσης του μικροστροβίλου) και παράγει ηλεκτρική ενέργεια μαζί με θερμότητα. Η θερμότητα χρησιμοποιείται από το μικροστρόβιλο για την παραγωγή επιπλέον ηλεκτρικής ενέργειας. Τα συστήματα αυτά έχουν υψηλούς βαθμούς απόδοσης και θεωρούνται ως μια εναλλακτική επιλογή των συμβατικών συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής.Για την μοντελοποίηση των υβριδικών συστημάτων χρησιμοποιήθηκε ένα λογισμικό γενικής χρήσης (AspenPlus). Ξεκινώντας με μια προτεινόμενη μέθοδο από την διαθέσιμη βιβλιογραφία, έγιναν προσθήκες νέων στοιχείων με σκοπό την δημιουργία ενός βελτιωμένου μοντέλου. Επιπλέον, αναπτύχθηκαν μοντέλα για την προσομοίωση των στροβιλομηχανών στο λογισμικό γενικής χρήσης, ιδιαίτερα σε μερικό φορτίο, για πρώτη φορά σε αυτό το περιβάλλον. Στην παρούσα διατριβή εξετάζονται σχεδιασμοί υβριδικών συστημάτων βασιζόμενοι σε εμπορικά διαθέσιμους μικροστροβίλους και σε μια επιτυχημένη γεννήτρια τύπου SOFC η οποία δοκιμάστηκε σε αρκετά πιλοτικά προγράμματα διεθνώς. Αναπτύχθηκαν μοντέλα και βαθμονομήθηκαν με βάση πειραματικά δεδομένα από την βιβλιογραφία. Μελετήθηκε η συμπεριφορά σε συνθήκες πλήρους και μερικού φορτίου καθώς και η επίδραση σημαντικών λειτουργικών παραμέτρων στις επιδόσεις των υβριδικών συστημάτων. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα συστήματα αυτά μπορεί να οδηγήσουν σε υψηλούς βαθμούς απόδοσης, εφόσον γίνει κατάλληλη βελτιστοποίηση στο σχεδιασμό του συστήματος καθώς και στο μέγεθος του μικροστροβίλου. Η προηγούμενη εμπειρία που αποκτήθηκε οδήγησε σε μια μεθοδολογία για την βελτιστοποίηση των στροβιλομηχανών σε υβριδικά συστήματα SOFC-GT. Η μεθοδολογία περιλαμβάνει δυο βήματα. Στο πρώτο γίνεται μια παραμετρική ανάλυση για να αποτιμηθεί το λειτουργικό πεδίο του συστήματος και στο δεύτερο, λαμβάνοντας υπόψη τις πληροφορίες του πρώτου βήματος, υπολογίζονται οι βέλτιστες γεωμετρίες για τον συμπιεστή και τον στρόβιλο χρησιμοποιώντας in-house κώδικες που αναπτύχθηκαν για αυτό τον σκοπό. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική βελτίωση των επιδόσεων του συστήματος σε όλο το εύρος λειτουργίας του. Η υποδομή που δημιουργήθηκε επιτρέπει τη μελέτη επιπλέον σχεδιαστικών επιλογών, με χωριστή επιλογή συμπιεστή και στροβίλου, διαφορετικού τύπου συμπιεστή κτλ, όπως και διαφορετικών επιλογών στο σύστημα ελέγχου. Οι πειραματικές δραστηριότητες που έγιναν στα πλαίσια αυτής της διατριβής, αφορούν ένα μικροστρόβιλο τύπου turbojet. Παρουσιάζεται η εμπειρία που αποκτήθηκε από την ανάπτυξη ενός μοντέλου για την προσομοίωση της συμπεριφοράς του σε μόνιμες συνθήκες λειτουργίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι κάποιες μετρήσεις που λαμβάνονται από την λειτουργία της μηχανής δεν είναι αντιπροσωπευτικές της μέσης τιμής που επικρατεί σε κάθε διατομή. Ωστόσο η απόκλιση είναι συστηματική και επαναλήψιμη με αποτέλεσμα να μπορούν να υιοθετηθούν διαδικασίες διόρθωσης των μετρήσεων. Εκτός από την μελέτη σε μόνιμες συνθήκες λειτουργίας, μελετήθηκε και η μεταβατική λειτουργίας της μηχανής μέσω ενός μοντέλου που αναπτύχθηκε για αυτό το σκοπό. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων είναι σε αρκετά καλή συμφωνία με τα πειραματικά δεδομένα. Η εμπειρία που αποκτήθηκε από το μεταβατικό μοντέλο λειτουργίας αναμένεται να αξιοποιηθεί για την ανάπτυξη μεταβατικού μοντέλου λειτουργίας για τα συστήματα SOFC-GT, προκειμένου να μελετηθεί καλύτερα το σύστημα ελέγχου για προστασία της συστοιχίας SOFC από αιχμές πίεσης, surge, αποσυσμπίεση κτλ.