مدل‌سازي ترموديناميكي چرخه هيبريدي پيل سوختي اكسيد جامد/ توربين گازي داراي سيستم جذب اكسيژن غشاي تبادل يوني با كاربرد در صنعت نفت

Thermodynamic Modeling of a Hybrid SOFC/GT Cycle with ITM Technology for the Oil Industry

در اين تحقيق، يك چرخه هيبريدي پيل سوختي اكسيد جامد/توربين گازي با فناوري‌ غشاي تبادل يوني، به‌منظور جذب دي‌اكسيدكربن مورد بررسي و تحليل‌هاي ترموديناميكي قرار گرفته است. اين چرخه با هدف تامين انرژي الكتريكي مورد نياز يك سكوي نفتي كشور طراحي شده و دي‌اكسيدكربن توليدي آن به مخزن نفتي تزريق مي‌شود. بر اين اساس، در ابتدا با معرفي چرخه‌ پيشنهادي و ارايه روش مدل‌سازي، با استفاده از كدنويسي در محيط نرم‌افزار حل‌گر معادلات مهندسي (EES) مدل‌سازي ترموديناميكي انجام شده و معادلات بالانس جرمي، انرژي و الكتروشيمي به‌صورت هم‌زمان حل شده‌اند. نتايج مدل‌سازي نشان مي‌دهد اين چرخه بدون سيستم جذب و متراكم‌سازي دي‌اكسيدكربن داراي بازده الكتريكي 19/79 % است كه با اضافه شدن سيستم جذب و متراكم‌سازي دي‌اكسيدكربن، بازده الكتريكي به 4/75 % كاهش مي‌يابد. سهم پيل سوختي اكسيد جامد، توربين گازي و توربين بخار در توليد توان‌هاي اين چرخه، به‌ترتيب برابر 55/73 %، 79/18 % و 67/7 % هستند. ميزان توليد ويژه دي‌اكسيدكربن اين چرخه در قياس با نيروگاه‌هاي مدرن گازسوز چرخه تركيبي، ميزان 12/24 % كاهش را نشان مي‌دهد. با تزريق دي‌اكسيدكربن توليدي اين چرخه به مخزن نفتي، ميزان 995 بشكه نفت خام در سال، از اين محل قابل استحصال است. تحليل پارامتريك انجام‌شده نشان مي‌دهد فشار كاري چرخه با لحاظ محدوديت عملكردي غشاي تبادل يوني، بايستي تا حد ممكن پايين باشد. با توجه به وضعيت، ساختار مخازن و ضريب برداشت از منابع نفتي كشور، استفاده از اين فناوري، به‌سبب مزاياي ذكرشده در اين تحقيق، در سكوهاي نفتي كشور پيشنهاد شده است.

In this research, a thermodynamic analysis of a hybrid SOFC/ GT cycle system with ITM technology in order to capture CO2 has been performed. The cycle is designed to supply required power of an Iranian oil platform and its CO2 will be injected into an oil reservoir. At first, the proposed cycle and modeling methodology is introduced and by using EES software coding, the thermodynamic model has been developed. Then, mass, energy and electrochemical balance equations are solved simultaneously. The modeling results show that this cycle has an electrical efficiency of 79.19% without the CO2 capture and compression system, and while adding the CO2 capture and compression system, the efficiency reduces to 75.4%. The SOFC, gas turbine and steam turbine shares from power generation of the cycle are 73.55%, 18.79% and 7.67 %, respectively. The specific CO2 production of the cycle is 24.12% lower than the average of modern combined-cycle gas power plants. Injection of the produced CO2 into the oil reservoir results in extracting of 995 barrels per year of crude oil. Parametric analysis show that by considering the performance restriction of the ITM, the cycle’s working pressure should be as low as possible. According to condition, reservoir structure and recovery coefficient of the Iran’s oil fields, and due to the above-mentioned advantages, application of this technology has been suggested in this research.