P P. No. F-14-REN-2040 چكيده

Transcript

1 No. F-4-REN-040 گاز ي لوله خطوط در اكسپندر توربو كاربرد گاز ي لوله خطوط در شده مصرف انرژي بازيافت منظور به اكسپندر توربو از استفاده فني-اقتصادي بررسي خوشخو حقيقي رامين صديق احمدي حسين توسعه و تحقيق دفتر ايران موننكو مشاور مهندسين ايران تهران توسعه و تحقيق دفتر كارشناس توسعه و تحقيق دفتر مديريت چكيده مدرني دوار تجهيزات توربواكسپندرها به را گاز يا بخار جريان فشاري انرژي بخار يا گاز انبساط مدل روابط پژوهش اين در ميكنند. تبديل با كه هستند مكانيكي كار توربواكسپندر كاركرد سازي داده شرح گاز صنعت براي ا ن طراحي روش سپس است. شده معرفي به شدهاست. مطالعه يك عنوان كاربرد اقتصادي بحث موردي ي ظرفيت با توربواكسپندر دستگاه يك از بهرهبرداري و نصب سنجي امكان برق توليد جهت فراساحلي سكو در گاز چاه سر بر كيلووات 800 اسمي مطالعات ا ن براي و شدهاست ا ورده ا مين ت خود (حالت سكو نياز مورد گرديده محاسبه سرمايه بازگشت و سود نظير اقتصادي اين از است. توان مي چاه سر در توربواكسپندر يك دادن قرار با كه شد ديده مطالعه مشاهده اقتصادي مطالعهي با و كرد بازيابي را كيلووات 800 نامي توان حدود در سرمايه بازگشت كه شد و سال سال سه در و است ماه 6 گردد. مي باز اوليه سرمايهي از 40 % سال هر ميانگين بهطور نخست اقتصادي و فني تحليل توربواكسپندر كليدي واژههاي. مقدمه بخار يا گاز انبساط با كه هستند مدرني دوار تجهيزات توربواكسپندرها مي تبديل مكانيكي كار به را گاز يا بخار جريان فشاري انرژي كنند. مايعات به گازها تبديل حين در انرژي بازيافت با را كار اين توربواكسپندرها بيش دماهاي در داغ گازهاي يا و محيط دماي (زير پايين بسيار دماهاي در C از ات 00 kw محدوده در كنوني تجاري هاي مدل ميدهند. انجام 000 اهميت به توجه با هستند. موجود فراوان كاربردهاي براي مگاوات چندين پيش قابل كاربردهاي و امروزي صنعت در تجهيز اين است گرفته انجام حاضر پژوهش اخير شكل در. ساليان طي ا ينده بيني يك كلي شماتيك و شده وارد شعاعي شكل به جريان ا ن در كه است شده ا ورده توربواكسپندر شود. مي خارج ا ن از محوري صورت به [] توربواكسپندر يك كلي شماتيك : شكل و گاز چاه سر در توربواكسپندرها از استفاده. انرژي بازيابي براي ها پالايشگاه ورودي در روز به روز نيرو بازيافت كاربردهاي تعداد شد اشاره كه همانطور ساده نسبتا نيرو بازيافت براي استفاده مورد هاي سيكل است. افزايش حال

2 اند. شكل ( يك نمونه از به كارگيري توربو اكسپندر در ايستگاه تقليل فشار گاز مي باشد توان از چند اسب بخار تا هزاران اسب بخار محدوده ي تواني ا ن ها خواهد بود. واحدهايي كه بالاتر از 000 hp هستند بهطور گسترده براي بازيابي انرژي و همين طور فرا وري گاز طبيعي استفاده مي شوند. واحدهاي كوچكتر براي مايع سازي هيدروكربن ها و جداسازي هوا استفاده مي شود. در ب هكارگيري توربواكسپندر در تجهيزات سر چاهي ميادين بايستي ملاحظات زير را درنظر گرفت: گازي حضور ذرات جامد معلق در جريان گاز طبيعي خروجي از چاه شكل : توربواكسپندر در ايستگاه تقليل فشار (بازيافت انرژي [3] ا رايش و تركيب بندي سيكل شامل حذف جامدات و مايعات پيش از ورود جريان به اكسپندر و گاهي پيش رسيدن به نقطه انجماد در جريان خروجي از اكسپندر مي گرمايش جريان ورودي ب هدليل عدم افزايش حرارت همچنين باعث زياد شدن كار توليدي مي گردد. 3.محدوده هاي كاري توربواكسپندرها 3.. فشار توربواكسپندرها مي توانند براي فشار ورودي تا ps باشد. اين ميزان 3000 بسته به شرايط كار كنند. همچنين مي توان نسبت انبساط را در بازه هايي گسترده براي هر پروسه تنظيم نمود. 3.. دما از توربواكسپندرها معمولا براي جريان هاي گازي فرايندي با دماي گسترهي 600 F به پايين و تا نزديكيهاي صفر مطلق ميتوان استفادهكرد. دماي تشكيل هيدرات براساس تركيب درصد گاز خروجي از چاه : هبدليل افت شديد دما در توربواكسپندر بايستي دماي هيدرات براساس تركيب درصد گاز خروجي از چاه مورد قرار بگيرد. با داشتن دماي تشكيل هيدرات مي تشكيل بررسي توان برا وردي از دماي خروجي از توربواكسپندر داشت و بنا به ضرورت از يك هيتر بهمنظور پيش توربواكسپندر استفاد ه حدود 8/ C است. گرمايش جريان گاز پيش از ورود ا ن به شود. اين دما براي براي گاز طبيعي در دماي تشكيل ميعانات گازي: دماي تشكيل ميعانات گازي براي گاز طبيعي بسته به تركيب درصد اجزاي ا ن در حدود 76 C ميباشد. فشار بسيار بالاي جريان گاز طبيعي جريان گاز طبيعي از حد ا كثر ميزان ممكن است : مجاز فشار فشار ورودي به توربواكسپندرها بيشتر باشد. در اين شرايط بايستي قبل از ورود جريان به توربواكسپندر جريان را به ميزان مورد نظر تقليل داد. از طريق يك شير فشار شكن فشار 4. تحليل فني توربواكسپندر بازدهي توربواكسپندرها تابعي از 4 پارامتر اصلي بالاي ميباشد. كه در تا (4 ا مده است. اين پارامترها براي استفاده از نمودارهايي كه جلوتر ا ورده مي شوند كاربرد دارند. N s N Q ( 778 h 0. 7 ( 3.3. ابعاد چرخ بازهي قطر چرخهاي توربواكسپندر از /7 اينچ براي اكسپندرهاي هليم تا اينچ براي ملخ كمپرسور ميباشد.

3 F F برحسب شفت دوران سرعت N در پارامترهاي باشد. مي مخصوص و (rpm گاز خطوط در اكسپندر توربو كاربرد ايران تهران 393 برق بينالمللي كنفرانس نهمين و بيست N s h و Q سرعت سيال حجمي دبي ترتيب به 3 برحسب (ا يزنتروپيك ايدها ل حالت در ا نتالپي كاهش و ( ft /s برحسب هستند. (Btu/lb :30 كامل: مكش نوع از ضربهاي محوري توربين r : كامل: مكش نوع از عكسالعملي محوري توربين r ( 778 h 0. D D s Q ( D و D s ( در پره قطر و بعد بدون مخصوص قطر ترتيب به اين در گردد. مي تعريف (3 ي رابطه طبق رينولدز عدد هستند. (ft برحسب رابطه و U پره نوك سرعت گر بيان ترتيب به v د. باش مي ( ft /s سيال جريان سينماتيك ي ويسكوزيته و (ft/s [] ويژه سرعت از تابعي بصورت توربواكسپندر مختلف انواع بازده 3: شكل U D Re v (3 فشار0F نسبت (4 در فشار بهترتيب RoutR و RnR شدهاست. معرفي ( r باشند. مي ا ن از خروجي و توربواكسپندر به ورودي r out n (4 رينولدز عدد اثرات از است كافي توربواكسپندر بازده ي اوليه تخمين براي (0 كرد نظر صرف 3 شكل در بازده و ويژه سرعت روابط از و ( Re بهترين توربين نوع اين شعاعي توربين اقتصادي مزيت هدليل ب نمود. استفاده محدوده در ويژه سرعت كه است زماني راي ب انتخاب N s 80 در بهينه بازده كه اين به نظر باشد الزامات موارد از بسياري در كه ا ن هبدليل مي همزمان پايين ويژه سرعتهاي مي قرار مدنظر شكل نمودار از گيرند. 0 N s 40 ا يد. مي هبدست طراحي با بالا فشارهاي نسبت توربين تنها شود شعاعي جريان هاي سرعت داشتن با توان مي 3 كاري ي محدوده نمود. پيدا را ا ن ي بازده و انتخابي توربين نوع مخصوص بود: خواهند زير صورت به (3 شكل هاي توربين از يك هر :40 جزيي: مكش نوع از محوري توربين شفت براي استفاده قابل هاي ياتاقان كه اين به توجه با حال به شفت انتقالي توان به توجه با را سرعت از اي محدوده چه توربواكسپندر نمودار شكل از نمايند تحمل توانند مي ژنراتور شكل به سپس و برگزيد توان مي را دوراني سرعت 4 را توربواكسپندر ي بازده و بازگشت 3 از كه دانست را شفت انتقالي توان يافتن روش بايد ابتدا يافت. ود: ش مي پيدا SH η.4 m h turb. ( رابطه اين در و h m برحسب سيال جرمي دبي ترتيب به η turb. برحسب (ا يزنتروپيك ا ل ايده ا نتالپي اختلاف (lb/s مقدار فرض پيش (با توربواكسپندر ا يزنتروپيك يكاي است. hp به Btu يكاي تبديل براي /4 ضريب د. باش مي hp شده انتخاب قبلا سرعت حدا كثر چنانچه ي بازده و (Btu/lb د. باشن مي ا ن براي 0/8 SH حسب بر مخصوص سرعت و است جزيي مكش ع نو از محوري دستگاه بايستي باشد 0 از كوچكتر انتخاب كاهش بايستي سرعت باشد 40 از بيشتر مخصوص سرعت چنانچه شود. نوع از محوري طراحي يا و يابد كامل مكش بود. خواهد مناسب شعاعي توربين براي شرايط موارد اغلب در بگيرد. قرار نظر مد r artal Admsson Axal 3 Full Admsson Axal ressure Rato :30 شعاعي: توربين r 3

4 4F 3F ft/s از جنس تيتانيوم ريختهگريشده ا ورد. مي توان سرعت 000 ر ا ب هدست شكل 4: سرعت شفت بصورت تابعي از نيرو بر اساس تكنولوژي كنوني [] براي محاسبات ابتدايي اندازه توربواكسپندر از روابط زير استفاده ميكنيم. دقت كنيم كه روش طراحي سايز كه در اينجا معرفي ميگردد يك روش سادهسازيشده است. U N D s s C 4 0 C 0 (6 در (6 U سرعت نوك پره و سرعت حركت سيال از نازل به سمت چرخ اكسپندر است كه طبق 7 ب ه دس ت مي ا ي د. در اينرابطه h اختلاف ا نتالپي ايدها ل (ا يزنتروپيك برحسب (Btu/lb براي سيال ميباشد. شكل : U/CR0R و R (درجهي عكسالعمل براي توربواكسپندرهاي جريان با داشتن مقدار شعاعي[ ] دور (N قطر پره (D توسط 8 به دست ميا يد. در اين رابطه قطر پره برحسب اينچ (n ب ه دس ت ميا ي د. به اين ترتيب اندازه ي پره ها و سايز توريواكسپندر به طور تقريبي به دست مي ا يد. U D 9 N (8.تحليل C0 اقتصادي كاربرد توربواكسپندر 3 h (7 همان طور كه مي دانيم U/CR0R تابعي از سرعت مخصوص است كه در شكل ( نمودار تجربي ا ن ا مدهاست. با U/CR0R داده شده U توسط (6 و (7 تخمين زده ميشود. شكل (6 همچنين مقدار تجربي درجه عكسالعمل توربينهاي جريان شعاعي را نشان مي دهد. با وجود اين ا لومينيوم Brazed كه سرعت انتخاب ا لومينيوم ريخته گري شده سرعتهاي تا نوك پره ايا لومينيوم Fabrcated ب ايد به براي چرخ هاي توربين از جنس 900 ft/s محدود شود 600 ft/s قابليت اطمينان مكانيكي استثنايي را براي هبوجود ميا ورد. همچنين با استفاده از چرخ هاي در اين بخش از گزارش فر توربواكسپندر با ظرفيت اسمي ايند مالي نصب و بهره برداري از يك دستگاه 800 كيلووات بر سر چاه گاز در سكو فراساحلي جهت توليد برق مورد نياز سكو (حالت خود تا مين مدل سازي شده است. در واقع ميخواهيم ببينيم كه با شرايط فعلي نصب اين سيستم در ايران ا يا داراي بازدهي اقتصادي مناسبي هست يا خير... پيشفرضها مشخصات پروژه: نصب و راه اندازي يك دستگاه توربواكسپندر حدا كثر 800 كيلوواتي دوره خريد نصب و راه اندازي: ماه Ttanum Forged Alumnum Forged 4

5 دوره بهره برداري: 9 سال.3. تخمين حجم توليد درا مد و برنامه فروش نرخ تنزيل ارزش پول (مورد انتظار: % 8 (نرخ تنزيل براي پروژه بر اساس نرخ هاي بازگشت سرمايه مربوط به صنايع نفت و گاز و پتروشيمي در نظر گرفته شده است و نرخ تنزيل براي سرمايه گذاران با توجه به نرخ بهره بانكي و اوراق مشاركت به فروش رفته معمول در كشور در نظر گرفته شده است. نرخ تورم متناسب با پيشبيني تورم سال 93: % استهلاك: اين تجهيز با توجه به طول عمر ا ن 4 ساله با نرخ 4/7 درصد و ارزش اسقاط 30 درصدي مستهلك ميگردد. قيمت فروش برق: 444/6 تومان در هر كيلووات ساعت براي سال نخست و پس از سال پنچم مطابق قيمت فعلي بازار كه ريال است. (مصوبه هيي ت تنظيم بازار برق ايران در سال براي توليد برق از انرژيهاي نو نرخ برابري ارز مبادله اي مطابق قيمت خرداد ماه دلار ا مريكا : 60 تومان دلار: هر در محاسبات اقتصادي طول دوره بهره برداري از اين دستگاه حدود 9 سال و با فرض استفاده از ا ن در يك چاه گاز مشابه مقادير محاسبه شده در بالا ميباشد. نظر به عمر تجهيز (4 سال ميتوان پس از بهره برداري 9 ساله سر چاه در محل ديگري از ا ن استفاده نمود. همچنين بايد دقت كرد كه قيمت فروش برق در پنج سال اول 4446 ريال و براي چهار سال پاياني 3 ريال مطابق قيمت فعلي بازار است. سال بهره برداري جدول : توليد ساليانه برق از توربواكسپندر توان توليدي( kw (كاهش به دليل استهلاك درا مد سالانه R A, (ريال بدون درنظرگيري نرخ تنزيل درا مد سالانه R A, (ريال با درنظرگيري نرخ تنزيل 8% هزينه هاي ثابت سرمايه گذاري در جدول هزينههاي سرمايه گذاري ثابت براي خريد و نصب و بهرهبرداري از يك دستگاه توربواكسپندر 800 كيلوواتي در سر يك چاه گاز محاسبه شدهاست. جدول : هزينههاي ثابت و نصب توربواكسپندر شرح تجهيز قيمت (دلار ا مريكا توربواكسپندر جعبه دنده 7000 ژنراتور اتصالات خط لوله 0000 هزينه هاي مربوط به مهندسي نصب تجهيزات جمع كل مطابق پيش فرض ها هزينه ي سرمايه گذاري اوليه ي خريد و نصب توربواكسپندر معادل ريال خواهد بود..4. هزينههاي جاري هزينه هاي بهره برداري ساليانه شامل هزينه هاي بازرسي تعميرات و نگهداري برابر با نظارت و % كل هزينه تجهيز در نظر گرفته شده است. در اينصورت هزينهي جاري بازرسي نظارت و تعميرات و نگهداري (بدون درنظر گيري تورم برابر است با: ريال كه در هر سال با توجه به نرخ تورم اين مقدار تغيير مي كند... محاسبهي سود C c هزينه ي اول سرمايه را براي ا ن (خريد در سال پايه مي باش د. اگر هزينه ي خواب ماهي كه نصب و راه اندازي طرح طول مي كشد بخواهيم حساب نماييم بايد نرخ سود بانكي كه عدد % در سال است را

6 به سرمايه ي اوليه اضافه نماييم. در واقع مانند ا ن است كه سرمايه اوليه سرمايه گذاري كرده باشيم. پس داريم: / مقدار C C, Re al Rals (9 براي تحليل اقتصادي در سال پايه از (9 استفاده مي نماييم: ( R C + R p, total CC,Re al A, repar لازم به ذكر است در اين جا در هر سال درا مد با سال ديگر به دليل استهلاك متفاوت خواهد بود پس در رابطه ي بالا براي هر سال بايد درا مد خود ا ن سال را قرار داد. از طرفي بايد هزينه هاي تعمير و نگهداري ساليانه را با درنظرگيري نرخ تورم ساليانه بررسي نماييم. در جدول 3 درا مد هر سال با درنظرگيري مقدار تنزيل پول و نرخ تورم ا ورده شده است (البته فرض شده است كه قيمت برق فروشي با تورم افزايش نيابد و تا ثير تورم تنها بر هزينه هاي جاري باشد همچنين فرض شده است تورم با نرخ % همچنان ثابت بماند درحالي كه عنوان شده است تورم روبه كاهش خواهد گذاشت كه به عنوان يك فرض بسيار مطمي ن در محاسبات مي باشد. قيمت فروش مستهلك شده ي توربين طبق ا نچه گفته شد % 30 قيمت اوليهي ا ن و برابر دلار يا ريال است كه ميتواند طبق 0 به سال پايه بازگردد. turb, p و turb, f بيان گر قيمت فعلي توربين (بازگردانده شده از ا ينده و ا ينده است. (0 پس ارزش پول توربين در سال فعلي عبارت است از: در رابطه به ترتيب turb, p, turb f ( + n turb, p ( در نتيجه مقدار كل سود تبديل يافته به سال پايه مجموع و ريال است كه بايد هزينه ي سرمايهگذاري از ا ن كسر گردد. يعني مطابق تحليلهاي سال پايه U ريالU بهازاي هر توربواكسپندر پس از سود (يا صرفه جويي در نخريدن برق از شبكه و مصرف برق توليدي در داخل مجموعه نصيب سرمايه گذار خواهدشد. 9 سال جدول 3: درا مد و هزينهي هر سال با درنظرگيري مقدار تنزيل پول و تورم سال بهره برداري درا مد سالانه C هزينهي نگهداري m, ساليانه (ريال با درنظرگيري نرخ تنزيل و تورم سود سالانه (تومان ( R C A, repar R A, (ريال با درنظرگيري نرخ تنزيل 8 % با درنظرگيري نرخ تنزيل و تورم جمع.6. محاسبهي نرخ و زمان بازگشت سرمايه براي محاسبه ي نرخ بازگشت سرمايه (ROR از ( استفاده مي كنيم بايد دقت شود با توجه به اعداد بازگشت سرمايه در سال سوم از ا غاز بهره برداري صورت مي گيرد. m ( R C A, m, ROR m CC,Real ( مطابق ( داريم: m ( R C A, m, ROR m CC,Real سال % U اين عدد به اين معنا است كه 40 از سرمايه ي اوليه باز مي بازگشت سرمايه داريم: U در سه سال نخست به طور ميانگين هر گردد. بنابراين براي محاسبه ي دوره ي 6

7 years 00 ayback eroud. 40 اين بدين معناست كه مقدار هزينه اي كه سرمايه گذار جهت خريد نصب و راهاندازي ابتدايي توربواكسپندر داشته است در مدت سال و شش ماه به وي بازمي گردد..7. نتيجهگيري ا ناليز اقتصادي با توجه به دوره ي خوب بازگشت سرمايه بايد گفت كه تا قبل از خريد برق توليدي از اين گونه پلنت ها به قيمت واقعي استفاده از اين تجهيز با قيمتهاي قبلي در مقايسه با طرحهاي با بازدهي اقتصادي بالا داراي ريسك بالاتري بود اما با خريد برق به قيمت 444/6 تومان در هر كيلووات ساعت به نظر مي رسد كه استفاده از اين طرح ها كاملا اقتصادي و به صرفه مي باشد. البته محاسبات منوط به ا ن است كه دلار مبادله اي جهت خريد توربواكسپندر تهيه شود. البته در صورتي كه از توربواكسپندرهاي بزرگتري استفاده شود قطعا زمان بازگشت سرمايه كوتاه تر خواهد شد و سود نهايي نيز افزايش خواهد داشت هرچند در شرايط مذكور در اين قسمت (توربين ديديم كه سود بعد از 800 كيلوواتي 9 سال حتي كمتر از مقدار سرمايه ي اوليه (با خواب سرمايه ي يك ساله خواهد بود چرا كه درست است كه زمان بازگشت سرمايه كوتاه است اما به دليل استهلاك تورم بالا و درنظرگيري قيمت ثابت برق در طي ساليان بعد از سال سوم سود خالص ساليانه كاهش مي يابد. مي توان گفت استفاده از توربو اكسپندرها جهت توليد برق از جنبه اقتصادي داراي محدوديت هايي مي باشد. توربواكسپندرهاي مقياس كوچك بر سر چاه هاي گاز با توجه به قيمت بالاي ا ن ها 300 دلار بر كيلو وات و بازدهي ناچيزشان در شرايط كنوني توجيه اقتصادي نداشته و توصيه نمي گردد اما توربواكسپندرهاي مقياس بزرگ در ميادين گازي به دليل قيمت پايين تر و بازدهي بيشترشان نه تنها داراي توجيه پذيري اقتصادي بوده ه بلك براي ا ن ها حاشيه امنيتي مناسبي نيز اين نوع پروژهها ميباشد. دارند كه نشانگر ت ا كيد بر اجراي منابع "بررسي فني و اقتصادي توليد برق از [] پورشفيع عاطفه و بختياري همايون 390 دو " ا ذر و دي ماه فشار گاز در ايستگاههاي تقليل فشار گاز استان لرستان ما هنامهي اقتصاد انرژي ش 4-46 صص [] Bloch, H.., Clare. S., "Turboexpanders and rocess Applcatons",00, Gulf rofessonal ublshng. [3] "Energy Recovery from Natural Gas Letdown Statons", Catalogue of Langson Energy, Inc., May 0 [4] Cty of Saskatoon Webpage: Uhttp:// [] فرزانهگرد محمود و ديمي مهدي "بررسي فني اقتصادي توليد همزمان توان و سرمايش در پالايشگاه گاز خانگيران" 388 هفتمين همايش ملي انرژي و دي كد D063. [6] Taher Seresht, R., Khodae, H., Rashdan, B., "Retroft of Tehran cty gate staton (CGS NO. by usng Turboexpander",00, 3th Industral Energy Technology Conference, New Orleans, LA, May 9-. [7] Hedman, B. A., Energy and Envronmental analyss, Inc., ICF nternatonal company, "Waste Energy Recovery Opportuntes for nterstate natural gas ppelnes", 008, prepared for Interstate Natural Gas Assocaton of Amerca (INGAA 7