Моделювання мікротурбіни, що працює на отриманому в результаті газифікації опалого листя генераторному газі, за допомогою Cycle-Tempo

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.03.014
Журнал Проблеми машинобудування
Видавець Інститут проблем машинобудування ім. А. М. Підгорного Національної академії наук України
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Випуск Том 24, № 3, 2021 (вересень)
Сторінки 14–20

 

Автори

Fajri Vidian, Кафедра машинобудування, інженерний факультет, Університет Шрівіджая (Шосе Палембанг-Прабумуліх км 32, Індралая, Оган Ілір, Південна Суматра, 30662, Індонезія), e-mail: fajri.vidian@unsri.ac.id, ORCID: 0000-0002-7136-7331

Putra Anugrah Peranginangin, Кафедра машинобудування, інженерний факультет, Університет Шрівіджая (Шосе Палембанг-Прабумуліх км 32, Індралая, Оган Ілір, Південна Суматра, 30662, Індонезія), e-mail: ptranugrah2106@gmail.com, ORCID: 0000-0003-2782-0108

Muhamad Yulianto, Науково-дослідний інститут науки і техніки, Департамент прикладної механіки, Університет Васеда (3-4-1, Окубо, Сіндзюку, Токіо, 169-8555, Японія), e-mail: Muhamad_yulianto@yahoo.com, ORCID: 0000-0003-1761-348X

 

Анотація

Опале листя має великий потенціал для перетворення в енергію завдяки його великій доступності в світі, і в Індонезії у тому числі. Газифікація – це технологія для перетворення листя в генераторний газ. Цей газ можна застосовувати для різних цілей, зокрема як паливо для газових турбін, включаючи мікротурбіни, що є на цей час одними з найпопулярніших мікрогенераторів електроенергії. Щоб звести до мінімуму ризик невдачі під час проведення експериментів і пов’язані з ними витрати, використовується моделювання. Для моделювання роботи газової турбіни застосовується інструмент термодинамічного аналізу Cycle-Tempo. У цьому дослідженні за допомогою Cycle-Tempo виконано нульмерне моделювання мікротурбіни, що використовує як паливо генераторний газ. Нашим внеском в дослідження є моделювання газової мікротурбіни з меншою вихідною електричною потужністю, близько 1 кВт, і вивчення можливості використання генераторного газу, отриманого в результаті газифікації опалого листя, як  палива для газової турбіни. Мета моделювання – визначити ступінь впливу співвідношення повітря-паливо на потужність компресора, турбіни, електрогенератора, термічний коефіцієнт корисної дії (ККД), температуру на вході в турбіну і на виході з неї. Моделювання проводилося при постійній витраті палива 0,005 кг/с, максимальній витраті повітря 0,02705 кг/с і співвідношенні повітря-паливо в діапазоні від 1,55 до 5,41. Газифікація листя була змодельована раніше з використанням константи рівноваги для отримання складу генераторного газу. Як паливо використовувався генераторний газ, атомні частки якого становили близько 22,62% CO; 18,98% H2; 3,28% CH4; 10,67% CO2 і 44,4% N2. Результати моделювання показали, що збільшення співвідношення повітря-паливо приводить до збільшення потужності турбіни з 1,23 до 1,94 кВт. Потужність електрогенератора, термічний ККД, температура на вході турбіни і на виході з неї знизилися, відповідно, з 0,89 до 0,77 кВт; з 3,17 до 2,76%; з 782 до 379 ° C і з 705 до 304 ° C. Максимальні потужність електрогенератора і термічний ККД, відповідно, 0,89 кВт і 3,17%, були отримані при співвідношенні повітря-паливо 1,55. Потужність електрогенератора і термічний ККД склали 0,8 кВт і 2,88%, відповідно, при співвідношенні повітря-паливо 4,64 або при надлишку повітря 200%. Результат моделювання аналогічний результату, отриманому в ході експерименту, описаному в літературі.

 

Ключові слова: генераторний газ, газова мікротурбіни, Cycle-Tempo.

 

Література

  1. Tursi A. A review on biomass: Importance, chemistry, classification, and conversion. Biofuel Research Journal. 2019. Vol. 6. Iss. 2. P. 962–979. https://doi.org/10.18331/BRJ2019.6.2.3.
  2. Lestari N. A. Reduction of CO2 emission by integrated biomass gasification-solid oxide fuel cell combined with heat recovery and in-situ CO2 utilization. EVERGREEN Joint Journal of Novel Carbon Resource Sciences & Green Asia Strategy. 2019. Vol. 6. Iss. 3. P. 254–261. https://doi.org/10.5109/2349302.
  3. Furutani Y., Norinaga K., Kudo S., Hayashi J., Watanabe T. Current situation and future scope of biomass gasification in Japan. EVERGREEN Joint Journal of Novel Carbon Resource Sciences & Green Asia Strategy. 2017. Vol. 4. Iss. 4. P. 24–29. https://doi.org/10.5109/1929681.
  4. Shah S. A., Ghodke S. A. Physico-chemical evaluation of leaf litter biomass as feedstock for gasification. International Journal of Engineering Research and Technology. 2017. Vol. 10. No. 1. P. 227–231.
  5. Rao G. A., Vidhisha M., Chowdary M. S. Development of bio mass gasification for thermal applications. International Journal of Civil Engineering and Technology (IJCIET). 2017. Vol. 8. Iss. 6. P. 109–124.
  6. Shone C. M., Jothi T. J. S. Preparation of gasification feedstock from leafy biomass. Environmental Science and Pollution Research. 2016. Vol. 23. P. 9364–9372. https://doi.org/10.1007/s11356-015-5167-2.
  7. Kumar A., Randa R. Experimental analysis of a producer gas generated by a Chir pine needle (leaf) in a downdraft biomass gasifier. International Journal of Engineering Research and Applications, 2014. Vol. 4. Iss. 10. P. 122–130.
  8. Jorapur R. M., Rajvanshi A. K. Development of a sugarcane leaf gasifier for electricity generation. Biomass and Bioenergy. 1995. Vol. 8. Iss. 2. P. 91–98. https://doi.org/10.1016/0961-9534(94)00049-Y.
  9. Jorapur R., Rajvanshi A. K. Sugarcane leaf-bagasse gasifiers for industrial heating applications. Biomass and Bioenergy. 1997. Vol. 13. Iss. 3. P. 141–146. https://doi.org/10.1016/S0961-9534(97)00014-7.
  10. Al-attab K. A., Zainal Z. A. Externally fire gas turbine technology: A review. Applied Energy. 2015. Vol. 138. P. 474–487. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2014.10.049.
  11. Calabria A., Capata R., Di Veroli M., Pepe G. Testing of the ultra-micro gas turbine devices (1–10 kW) for portable power generation at university of Roma 1: First tests results. Engineering. 2013. Vol. 5. No. 5. P. 481–489. https://doi.org/10.4236/eng.2013.55058.
  12. Al-Attab K. A., Zainal Z. A. Performance of a biomass fueled two-stage micro gas turbine (MGT) system with hot air production heat recovery unit. Applied Thermal Engineering. 2014. Vol. 70. Iss. 1. P. 61–70. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2014.04.030.
  13. Sridhar H. V., Sridhar G., Dassapa S., Paul P. J., Mukunda H. S. On the operation of high pressure biomass gasifier with gas turbine. 15th European Biomass Conference and Exhibition, 7–11 May 2007, Berlin, Germany, 2007. P. 964–967.
  14. Kadhim H. T., Jabbar F. A., Rona A., Bagdanaviciu A. Improving the performance of gas turbine power plant by modified axial turbine. International Journal of Mechanical and Mechatronics Engineering. 2018. Vol. 12. No. 6. P. 690–696.
  15. Kishore S., Reddi L. M., Daniel J., Sreekanth M. Thermodynamic study of a 250 MWe combined cycle power plant at full load and part load conditions. International Journal of Mechanical Engineering and Technology (IJMET). 2018. Vol. 9. Iss. 4. P. 870–877.
  16. Aravind P. V., Schilta C., Türker B., Woudstra T. Thermodynamic model of a very high efficiency power plant based on a biomass gasifier, SOFCs, and a gas turbine. International Journal of Renewable Energy Development. 2012. Vol. 1. No. 2. P. 51–55. https://doi.org/10.14710/ijred.1.2.51-55.
  17. Azami V., Yari M. Comparison between conventional design and cathode gas recirculation design of a direct-syngas solid oxide fuel cell– gas turbine hybrid systems Part I: Design performance. International Journal of Renewable Energy Development. 2017. Vol. 6. No. 2. P. 127–136. https://doi.org/10.14710/ijred.6.2.127-136.
  18. Ozgoli H. A. Simulation of integrated biomass gasification – gas turbine – air bottoming cycle as an energy efficient system. International Journal of Renewable Energy Research – IJRER. 2017. Vol. 7. No. 1 (2017). P. 275–284.
  19. Utomo B., Widodo K., Fathoni R. Thermodynamic study on a combined cycle power plant of 500 MW under various loads using cycle-tempo. AIP Conf. Proc. 2016. 1778. P. 030021-1–030021-6.
  20. Amirantea R., De Palmaa P., Distasoa E., La Scalab M., Tamburranoa P. Experimental prototype development and performance analysis of a small-scale combined cycle for energy generation from biomass. Energy Procedia. 2017. Vol. 126. P. 659–666. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2017.08.294.
  21. El-Sattar H. A., Kamel S., Tawfik M. A., Vera D., Jurado F. Modeling and simulation of corn stover gasifier and micro-turbine for power generation. Waste and Biomass Valorization. 2019. Vol. 10. P. 3101–3114. https://doi.org/10.1007/s12649-018-0284-z.
  22. Altafini C. R., Wander P. R. Modeling of wood waste fuel cell/gas turbine for small power generation. 18th International Congress of Mechanical Engineering, Ouro Preto, MG. 2005.
  23. El-Sattar H. A., Kamel S., Tawfik M. A., Vera D. Modeling of a downdraft gasifier combined with externally fired gas turbine using rice straw for generating electricity in Egypt. Eighteenth International Middle East Power Systems Conference (MEPCON), Cairo, Egypt. 2016. https://doi.org/10.1109/MEPCON.2016.7836977.
  24. Vera D., Jurado F., de Mena B., Schories G. Comparison between externally fired gas turbine and gasifier-gas turbine system for the olive oil industry. Energy. 2011. Vol. 36. Iss. 12. P. 6720–6730. https://doi.org/10.1016/j.energy.2011.10.036.
  25. Vidian F., Sahputra Y. A. Simulasi secara termodinamika gasifikasi limbah daun pada downdraft gasifier menggunakan model konstanta kesetimbangan: Penggaruh equivalent ratio. Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XV (SNTTM XV), 5–6 October 2016, Bandung. 2016. P. 258–264.
  26. Vidian F., Basri H., Alian H., Zhafran E., Aziad T. Preliminary study on single stage micro gas turbine integrated with South Sumatera Indonesia low rank coal gasification. Ecology, Environment and Conservation. 2018. Vol. 24. Iss. 4. P. 1529–1533.
  27. Rahman M. M., Ibrahim T. K., Abdalla A. N. Thermodynamic performance analysis of gas-turbine power plant. International Journal of the Physical Sciences. 2011. Vol. 6. No. 14. P. 3539–3550.
  28. Kumar A., Singhania A., Sharma A. K., Roy R., Mandal B. K. Thermodynamic analysis of gas turbine power plant. International Journal of Innovative Research in Engineering & Management (IJIREM). 2017. Vol. 4. Iss. 3. P. 648–654. https://doi.org/10.21276/ijirem.2017.4.3.2.
  29. Martínez F. R., Martínez A. R., Velázquez M. T., Diez P. Q., Eslava G. T., Francis J. A. Evaluation of the gas turbine inlet temperature with relation to the excess air. Energy and Power Engineering. 2011. Vol. 3. No. 4. P. 517–524. https://doi.org/10.4236/epe.2011.34063.

 

Надійшла до редакції 25 травня 2021 р.