Моделирование микротурбины, работающей на полученном в результате газификации опавших листьев генераторном газе, с помощью Cycle-Tempo

image_print
DOI https://doi.org/10.15407/pmach2021.03.014
Журнал Проблемы машиностроения
Издатель Институт проблем машиностроения им. А.Н. Подгорного Национальной академии наук Украины
ISSN 2709-2984 (print), 2709-2992 (online)
Выпуск Том 24, № 3, 2021 (сентябрь)
Страницы 14-20

 

Авторы

Fajri Vidian, Кафедра машиностроения, инженерный факультет, Университет Шривиджая (Шоссе Палембанг-Прабумулих км 32, Индралая, Оган Илир, Южная Суматра, 30662, Индонезия), e-mail: fajri.vidian@unsri.ac.id, ORCID: 0000-0002-7136-7331

Putra Anugrah Peranginangin, Кафедра машиностроения, инженерный факультет, Университет Шривиджая (Шоссе Палембанг-Прабумулих км 32, Индралая, Оган Илир, Южная Суматра, 30662, Индонезия), e-mail: ptranugrah2106@gmail.com, ORCID: 0000-0003-2782-0108

Muhamad Yulianto, Научно-исследовательский институт науки и техники, Департамент прикладной механики, Университет Васеда (3-4-1, Окубо, Синдзюку, Токио, 169-8555, Япония), e-mail: Muhamad_yulianto@yahoo.com, ORCID: 0000-0003-1761-348X

 

Аннотация

Опавшие листья имеют большой потенциал для преобразования в энергию благодаря их большой доступности в мире, и в Индонезии в том числе. Газификация – это технология для преобразования листьев в генераторный газ. Этот газ можно применять в различных целях, в частности в качестве топлива для газовых турбин, включая микротурбины, являющиеся в настоящее время одними из самых популярных микрогенераторов электроэнергии. Чтобы свести к минимуму риск неудачи при проведении экспериментов и связанные с ними затраты, используется моделирование. Для моделирования работы газовой турбины применяется инструмент термодинамического анализа Cycle-Tempo. В этом исследовании с помощью Cycle-Tempo проведено нульмерное моделирование микротурбины, использующей в качестве топлива генераторный газ. Нашим вкладом в исследования является моделирование газовой микротурбины с меньшей выходной электрической мощностью, около 1 кВт, и изучение возможности использовать генераторный газ, полученный в результате газификации опавших листьев, в качестве топлива для газовой турбины. Цель моделирования – определить степень влияния соотношения воздух-топливо на мощность компрессора, турбины, электрогенератора, термический коэффициент полезного действия (КПД), температуру на входе в турбину и выходе из нее. Моделирование проводилось при постоянном расходе топлива 0,005 кг/с, максимальном расходе воздуха 0,02705 кг/с и соотношении воздух-топливо в диапазоне от 1,55 до 5,41. Газификация листьев была смоделирована ранее с использованием константы равновесия для получения состава генераторного газа. В качестве топлива использовался генераторный газ, молярные доли которого составляли около 22,62 % CO; 18,98 % H2; 3,28 % CH4; 10,67 % CO2 и 44,4 % N2. Результаты моделирования показали, что увеличение соотношения воздух-топливо приводит к увеличению мощности турбины с 1,23 до 1,94 кВт. Мощность электрогенератора, термический КПД, температура на входе турбины и выходе из нее снизились, соответственно, с 0,89 до 0,77 кВт; с 3,17 до 2,76 %; с 782 до 379 °C и с 705 до 304 °C. Максимальные мощность электрогенератора и термический КПД, соответственно, 0,89 кВт и 3,17 %, были получены при соотношении воздух-топливо 1,55. Мощность электрогенератора и термический КПД составили 0,8 кВт и 2,88 %, соответственно, при соотношении воздух-топливо 4,64 или при избытке воздуха 200 %. Результат моделирования аналогичен результату, полученному в ходе эксперимента, описанного в литературе.

 

Ключевые слова: генераторный газ, газовая микротурбина, Cycle-Tempo.

 

Литература

  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.

 

Поступила в редакцию 25 мая 2021 г.