تبلیغات
آشنایی با رشته مکانیک - تزریق آب و بخار به قسمت های مختلف توربین گاز

آشنایی با رشته مکانیک
 

 

1. مقدمه :

توربین گاز دستگاهی است که مقدار زیادی انرژی را نسبت به ابعاد و وزنش تولید می کند .امروزه کاربرد توربین های گازی در نیروگاه ها و به عنوان مولد برق بسیار با ارزش و حیاتی می باشد . علاوه بر آن در صنایع دیگری مانند صنایع پتروشیمی ، صنایع فضایی ، سکوهای دریایی ، ترن ها و غیره کاربرد گسترده ای پیدا کرده است .

سرعت در نصب و بازدهی ، میزان هزینه سرمایه گذاری و تعمیراتی کم ، وزن کم و امکان کاربرد سوخت چند گانه از جمله محاسن توربین های گازی در مقایسه با سایر مولدهای برق ( مثلاً واحدهای بخاری ) می باشد . توربین های گازی امروزی با گاز طبیعی ، گازوئیل ، نفت ، متان ، سوخت خام ، گازهای با ارزش حرارتی پایین ، نفت گاز تقطیر شده و حتی فضولات کار می کنند .

در مورد معایب توربین های گازی می توان به پایین بودن راندمان و لزوم تعمیرات اساسی بعد از تعداد ساعات کارکرد کمتر و تغییرات قدرت و راندمان آن بر اثر تغییرات جوی اشاره کرد .

راندمان سیکل گازی به متغییرهای زیر بستگی دارد :

1.    نسبت فشار

2.    بازده توربین

3.    دمای ورودی به توربین

4.    دمای ورودی به کمپرسور

5.    بازده کمپرسور

6.    مصرف ویژه سوخت

سیکل اصلی توربین گاز راندمان بسیار پایینی دارد . بنابراین برای افزایش راندمان و قدرت خروجی از توربین گاز پارامترهای مؤثر بر آن را تغییر داد .

عامل اصلی محدود کننده در مورد اغلب توربین های گاز ، درجه حرارت و نسبت فشار می باشد .در این مورد دمای محیط بسیارتعیین کننده و تاثیر گذاراست .به عنوان مثال برای هر C°38 افزایش دما در ورودی توربین گاز (بعد از کمپرسور ) کار خروجی به میزان %10 و راندمان حدود %5/1 افزایش می یابد . همچنین به ازای هر درجه سانتیگراد افزایش دمای محیط (در ورودی به کمپرسور ) حدود %7/0 از بار خروجی توربین گاز کاسته می شود .در نتیجه در ماه های گرم تابستان که پیک شبکه عموماً در آن ماه ها اتفاق می افتد ، ظرفیت واحد های گازی کاهش می یابد . با توجه به موارد بیان شده برای راندمان سیکل گازی ، در این تحقیق می خواهیم تغییراتی در دمای قسمت های مختلف توربین بوجودآوریم .بر این اساس در این پروژه خنک کاری هوا ، تزریق آب داغ به کمپرسور و تزریق بخار به محفظه احتراق مورد بررسی قرار می گیرد . البته موارد دیگری در بالا بردن راندمان مؤثر می باشد که متناسب با این پروژه نبوده و مورد بررسی قرار نمی گیرد . از جمله این موارد بازیافت حرارت از دود خروجی توربین گاز جهت گرم کردن هوای خروجی از کمپرسور و تولید بخاربوسیله بویلر بازیاب و همچنین گرمایش مجدد گازها در توربین می توان نام برد .

2. خنك كاری هوا

همان طوركه می دانیم سیال عامل در توربین های گازی هوا می باشد ، لذا شرایط عملكرد سیكل توربین گاز بستگی شدیدی به هوای محیط دارد .با افزایش دمای محیط و ارتفاع ، بازده و قدرت خروجی توربین های گازی و چرخه های ترکیبی به شدت پایین می آید .

تولید کار در توربین گازی یک فرآیند حجم ثابت است . با افزایش دمای محیط ، جرم مخصوص هوا کاهش یافته و دبی جرمی عبوری از توربین پایین می آید ، در نتیجه قدرت خروجی توسط توربین کاهش خواهد یافت . به ازای هر F°1 افزایش در دمای محیط % 3/0 تا % 5/0 از توان خروجی واحد توربین گازی کم می شود . با بالا رفتن دمای محیط همان طور که از دیاگرام T-s شکل 1 پیداست فرآیند آنتروپی ثابت 1-2 در کمپرسور به فرآیند 1h-2h تبدیل می گردد ، و با توجه به واگرا بودن خطوط  فشار ثابت در این دیاگرام میزان کار انجام شده توست کمپرسور افزایش خواهد یافت .

شکل 1

در چرخه های ترکیبی نیز تقریباً به ازای هر %1 افت توان خروجی توربین گازی %1 نیز جریان بخار تولیدی کاهش می یابد . یا بر حسب دمای گازهای خروجی توربین گاز به ازای هر %5 کاهش در دمای گازهای خروجی از توربین گاز ، جریان بخار تولیدی %1 کاهش می یابد . با کاهش یافتن دبی بخار ، از قدرت خروجی توربین گاز نیز کاسته می شود . همچنین در واحدهای ظرفیت بالا ، به ازای F°10 خنک شدن هوای ورودی توربین گاز ، خروجی چرخه ترکیبی %7/2 افزایش می یابد .

در جدول 1 اثرات دمای ورودی به كمپرسور بر عملكرد توربین گازی مدل PG65418 نشان داده شده است .


جدول 1 اثر دمای ورودی به كمپرسور بر عملكرد توربین گاز

 

درجه حرارت محیط (0 C)

6

19

35

45

دبی هوای ورودی (Kg/S)

5/142

135

5/125

119

نسبت فشار كمپرسور

3/12

7/11

9/10

4/10

دمای هوای خروجی از كمپرسور (0 C)

332

347

364

371

دمای هوای خروجی از توربین (0 C)

525

544

556

564

دبی خروجی از توربین (Kg/S)

145

5/137

8/127

4/121

توان خروجی (MW)

39

36

32

6/29

 

خنك كاری هوا در توربینهای گازی به 4 طریق انجام می پذیرد :

1-   خنك كاری میانی

2-   خنك كاری تبخیری

3-   خنك كاری به وسیله سیستم ذخیره سرما

4-   خنك كاری هوای ورودی به كمپرسور به وسیله چیلر

 

نكته قابل توجه این است كه با كاهش دمای هوای ورودی به كمپرسور در حد پایین تر از C°5، امكان تشكیل قطرات آب وجود دارد . در ورودی كمپرسور به علت سرعت گرفتن هوا ، دمای آن كاهش یافته و باعث ایجاد ذرات كوچكی از یخ می شود كه به كمپرسور آسیب می رساند . بنابراین در ایده آل ترین شرایط ، حداقل دمای هوای ورودی به كمپرسور را می توان به C°5 رساند .

روش خنك كاری تبخیری (Evaporative Cooling) شامل دو قسمت زیر است :

1.     پاشش مستقیم آب (به صورت مه) به ورودی کمپرسور (Fogging System)

2.    مدیا ( میانی یا منطقه ای یا داخلی ) (Media Evaporative Cooling)

در این مبحث در مورد پاشش مستقیم آب به ورودی کمپرسور می پردازیم و سایر قسمت ها مربوط به این پروژه نمی باشد .در این روش عمل سرمایش هوای ورودی به كمپرسور با تبخیر آب در جریان هوای ورودی صورت می گیرد . با اسپری آب به ورودی كمپرسور توسط نازلهای مخصوصی درجه حرارت هوای ورودی به طور محسوسی پایین آورده می شود . به طوری كه باعث افزایش قدرت خروجی تا حد %11 در سیكل ساده و تا %7 در سیكل تركیبی می شود . با خنك كردن هوا ، چگالی آن بیشتر شده و درنتیجه قدرت خروجی بالاتر می رود . در شكل 2 نمایی كلی از سیستم مه پاش ارائه شده است.

شکل 2

 

اثر پاشش آب به دو طریق انتقال حرارت و جرم می باشد ، یعنی آب و هوا در تماس با یكدیگر به علت اختلاف درجه حرارت و فشار مجاز با یكدیگر تبادل حرارت و جرم می نمایند . در این پروسه حرارت از هوا به آب در حال تبخیر (انتقال حرارت) و بخار آب به هوا (انتقال جرم) منتقل می گردد .

پاشش آب به ورودی كمپرسور توسط نازل ها بنحوی می باشد كه در آن از كویلهای گرم (Heating Coil) برای كنترل رطوبت استفاده می شود .

عدم توانایی این سیستم برای مناطق مرطوب به  این دلیل است كه اسپری كردن آب سرد یك فرآیند انتالپی ثابت است .

عمل خنك سازی به وسیله میلیون ها ذره آب تولید شده با اندازه 6 تا 20 میكرون انجام می شود . قطرات آب (Fog) در هوا حركت براونی (Brownian) دارند . در هوای ساكن سرعت افتادن قطرات با اندازه 10 میكرون ، حدود یك متر در پنج دقیقه و قطرات با اندازه های بالای 100 میكرون ، حدود یك متر در سه ثانیه می باشد . این امر نشان دهنده مدت زمان باقی ماندن قطره در هوا كه رابطه مستقیم با قطر آن دارد ، می باشد .

تجهیزات سیستم مه پاش عبارتند از:

1-   پمپهای فشار بالا كه روی اسكید نصب می شوند.

2-   سیستم كنترل لاجیك (PLC) Programmable Logic Control با سنسورهای مربوط به درجه حرارت و رطوبت هوا.

3-   نازل تولیدكننده قطرات آب که در داكت ورودی نصب می شوند .

برای تولید مه از آب مقطر (Demineralized) با فشار بین psi1000 تا psi3000 و نازل های خاص استفاده می شود . جنس نازل Stainless Steel بوده و شامل یک اوریفیس کوچک با قطر 5 تا 7 هزارم اینچ می باشد . جت خروجی از این اوریفیس توسط یک پین ضربه ای (Impaction pin) تبدیل به میلیون ها قطره بسیار ریز (مه) می شود . میزان تبخیر قطره ها بستگی به سطحی از آب که در معرض هوا قرار می گیرد دارد . سطح تبادل حرارتی مه تولید شده در فشار بالا ، بالاترین میزان تبخیر را ایجاد می کند .

لوله های توزیع کننده آب ورودی (Manifold) باید کمترین افت فشار ممکن را در مسیر ایجاد کنند . افت فشار مجاز کمتر از 02/0 اینچ آب می باشد . این لوله ها از جنس Stainless Steel بوده و به گونه طراحی وساخته می شوند که از ارتعاشات القایی توسط جریان آب جلوگیری کنند .

ـ فرسایش و رسوب روی پره های کمرسور:

یکی از مسایل اساسی در استفاده از سیستم های تبخیری ، مسئله فرسایش پره های کمپرسور می باشد . این مشکل در سیستم مه پاش با توجه به مقطر بودن آب و کوچک بودن اندازه قطرات حل شده است . با استفاده از مه فشار بالا هیچ گونه رسوب یا فرسایشی روی پره ها حتی با ذرات بزرگتر هم مشاهده نشده است . لازم به ذکر است که یکی از نکات کلیدی در طراحی سیستم این است که دقت شود ذراتی که به کمپرسور می رسند ، حتماً تبخیر شده باشند .

ـ نازل ها و محل قرار گیری آن ها :

مسئله اساسی  در سیستم مه پاش ، طراحی نازل های آن می باشد .این نازل ها از جنس SS716 با پین های ضربه ای مخصوص هستند (شکل 3). برای جلوگیری از ورود ذرات خارجی به نازل که ممکن است باعث صدمه زدن به توربین گازی شود ، باید از فیلتر مخصوص در نازل ها استفاده شود .

شکل 3 اجزای یک نازل تولید مه

 

قطر نازل ها در حدود 5 تا 7 هزارم اینچ می باشد .نازل ها به صورت چند مرحله ای نصب شده که قدرت مانور در مورد میزان تبخیر با توجه به شرایط آب هوایی را پدید می آورد .

دو محل اصلی برای نازل های ورودی مه پاش وجود دارد :

1.    قبل از فیلتر

2.    بعد از فیلتر

این دو محل در شکل 4 نسان داده شده است .

شکل 4 موقعیت های نصب نازل های تولید مه

 

ویژگی های نصب نازل ها قبل از فیلتر :

-         زمان نصب بسیار کوتاه

-         نیاز به نصب جاذب بعد از فیلترها برای جذب قطرات تبخیر نشده

-         جذب و برگشت حدود نیمی از قطرات آب

-         نیاز به تعداد نازل بیشتر و آب بیشتر

-         نصب و بهره برداری گرانتر

ویژگی های نصب نازل ها بعد از فیلتر :

-         زمان نصب حدود یک الی دو روز

-         نیاز به تغییرات بسیار کم در ساختار توربین

-         وجود زمان کافی برای تبخیر شدن قطرات

با توجه به موارد بیان شده معمولاً نازل ها را بعد از فیلتر هوا و قبل از صدا خفه کن نصب می کنند .

سیستم کنترل از نوع PLC می باشد . این سیستم با اندازه گیری رطوبت و دمای  Dry Bulb توسط برنامه ای مخصوص دمای Web Bulb را محاسبه کرده و سپس میزان تبخیر مورد نیاز جهت رسیدن به دمای مناسب را تعیین می کند . این سیستم با فعال و غیر فعال کردن هر مرحله از پاشش مه ، میزان تبخیر لازم را با شرایط محیط تنظیم می کند . این سیستم پارامترهای پمپ نظیر دبی آب ، فشار و ... را اندازه گیری کرده و در صورت خارج شدن هر یک از این پارامترها از محدوده مورد نظر آلارم خواهد داد .


خواص آب مصرفی :

آب مصرفی نباید ذراتی بزرگتر از 20 میکرون داشته باشد . مجموع ناخالصی آب باید حداکثر ppm 5 ، مواد نامحلول آن حداکثر ppm 3 ، سدیم و پتاسیم ppm 1/0 ، اکسید سیلیس ppm 1/0 ، کلریدها ppm


طبقه بندی: مقاله، 

نوشته شده در تاریخ جمعه 13 مرداد 1385 توسط حسین ده جوریان
قالب وبلاگ