up
Search      menu
صنعت و مکانیک :: مقاله توربينهاي گازي PDF
QR code - توربينهاي گازي

توربينهاي گازي

روشهاي جلوگيري از يخزدگي در توربينهاي گازي

الف) امروزه توربينهاي گازي چه در سيکلهاي ساده و چه در سيکلهاي ترکيبي نقش بسزايي در توليدانرژي الکتريکي موردنياز کشور بر عهده دارند و با در نظر گرفتن روند رو به رشد نصب واحدهاي سيکل ترکيبي در برنامههاي جاري و آتي وزارت نيرو اين نقش پررنگتر از گذشته خواهد شد.
ب) توربينهاي گازي در شرايط محيطي گوناگوني چون مناطق سردسير،مناطق گرمسير،مناطق ساحلي و بياباني بهرهبرداري ميشوند که هر يک از اين مناطق شرايط بهرهبرداري اقليمي خاص آن منطقه را به توربينهاي گازي تحميل ميکنند و واضح است که اين شرايط اقليمي در چگونگي بهرهبرداري اين نوع واحدها تاثير مستقيم دارند.
ج) کشور ايران به لحاظ موقعيت جغرافيايي و شرايط آب و هوايي تقريباً دربر گيرنده تمامي شرايط محيطي فوقالذکر است.
حال با در نظر گرفتن موارد فوق ميتوان نتيجهگيري کرد که مطالعه عوامل و شرايط محيطي در بهرهبرداري واحدهاي گازي يکي از مهمترين موضوعات مطالعه در بهرهبرداري بهينه از واحدهاي گازي بوده و پيشبيني مشکلات موجود در هر يک از شرايط آب و هوايي مناطق اشاره شد جهت جلوگيري از بروز مشکلات اساسي در زمينه توليدپايدار انرژي الکتريکي داراي اهميت بالايي است. ما در اين مقاله به مشکل شايع توربينهاي گازي-يخزدگي – درمناطق سردسير و کوهستاني پرداخته و روشهاي جلوگيري از بروز اين مشکل راارايه خواهيم داد.
زمينه آغاز براي بررسي موضوع فوق در پاييز سال ۱۳۸۵ با ايجاد مشکل براي واحد يک نيروگاه حرارتي تبريز در اثر حادثه قطع روغن توربين اين واحد آسيب جدي به يکي از روتورهاي LP اين واحد بدين شرح بوجود آمد که در اثر اين حادثه مذکور نياز به تعميرات اساسي يافته و مقرر شد که ساير واحدهاي منطقه با توليد حداکثر به جبران کمبود انرژي توليدي ناشي از اين حادثه مبادرت ورزند. درچنين شرايطي با وجوداينکه نياز شديد به توليد هر يک از نيروگاههاي منطقه شديداً احساس ميشد بروز حادثه يخزدگي در واحد گازي G۱۲ نيروگاه سيکل ترکيبي خوي مشکلات موجود در شبکه برق را دو چندان کرده،ضرورت مطالعه در بررسي مشکل يخزدگي در توربينهاي گازي و روشهاي جلوگيري ازآن را بيش از پيش اثبات کرد.
چنانکه در فوق مشاهده شد يکي از مهمترين موضوعاتي که در بهرهبرداري توربينهاي گازي در مناطق سردسير بايد مدنظر قرار داد جلوگيري از تشکيل يخ درسيستمهاي ورودي اين توربينها است. تشکيل يخ درتوربينهاي گازي منجر به بروز پديده خفگي در سيستم ورودي، فيلترهاي ورودي و کاهش فشار در ورودي سيستم و درنهايت موجب کاهش عملکرد توربين گازي ميشود. يخ ميتواند در bell mouth يا IGVs تشکيل شود که در بدترين حالت اين خطر ورود جسم خارجي به کمپرسور (FOD) و آسيب به پرههاي آن را بدنبال دارد.
شرايط محيطي که باعث خسارات يخزدگي درتوربين گاز ميشود درموارد زير اتفاق ميافتد:
- دماي سطح از دماي نقطه شبنم هوا در سيستم مکش پايينتر باشد در اين حالت بخار آب موجود در هوا روي سطح چگاليده خواهد شد (Tsurface- دماي سطح پايينتر از دماي نقطه انجماد باشد. در اين حالت آبي که روي سطح چگاليده شده است به حالت جامد در آمده و تشکيل يخ خواهد داد. (Tsurface?O)
روشهاي مختلفي جهت جلوگيري از تشکيل يخ (Anti-Icing) در ورودي کمپرسورها وجود دارد که با نصب تجهيزاتي از خطر يخزدگي در سيستمهاي ورودي توربين گاز جلوگيري ميکند. حال به تشريح انواع روشهاي جلوگيري از يخزدگي در سيستمهاي ورودي توربين گاز ميپردازيم.
● سيستمهاي Anti-icing و De-icing و تفاوت آنها
هدف اوليه سيستم حفاظت يخزدگي جلوگيري يا محدود کردن تشکيل يخ در طي سيستم مکش توربين گازي است. پيچيدگيهاي سيستم ورودي براي کاربردهاي مختلف توربين گاز ساکن اغلب باعث ميشود که نيل به يک سيستم ورودي عاري از يخزدگي محدود شود. همواره در بحث سيستمهاي حفاظت يخزدگي دو مورد مطرح ميشود: Anti-icing و De-icing . سيستم حفاظت Anti-icing شامل همه روشهاي حفاظت يخزدگي ميشود که از تشکيل يا نفوذ يخ در اجزاي سيستم ورودي هوا جلوگيري ميکند. از طرف ديگر سيستمهاي De-icing روشهايي از حفاظت يخزدگي را شامل ميشود که اجازه ميدهد يخ تشکيل و سپس قبل ازاينکه به درجه زيانآور و خسارت بار برسد،آن را از بين ميبرد. سيستمهاي حفاظت يخزدگي همچنين با توجه به تکنيک حفاظت يخزدگي به سيستمهاي زير تقسيم ميشوند:
سيستم حرارتي، سيستم شيميايي، سيستم اينرسي و سيستم مکانيکي
▪ سيستمهاي حرارتي
اين سيستم از يک منبع حرارتي به منظور جلوگيري از تشکيل يخ در سيستم ورودي توربين تشکيل ميشود. حرارت همه سطوح يخزدگي يا هواي سرد محيط را که به توربين وارد ميشود گرم ميکند تا مانع از تشکيل يخ شود. سيستمهاي حرارتي به دو نوع تقسيم ميشوند: سيستم گرمايش ورودي و سيستم گرمايش اجزا.
▪ سيستم گرمايش ورودي
سيستمهاي گرمايش ورودي به وسيله انتقال حرارت از گاز گرم به عنوان منبع گرما به هواي سرد که از محيط اطراف به سيستم ورودي وارد ميشود،کار ميکند. گاز گرم اغلب هوا است ولي گازهاي گرم اگزوز نيز ميتواند استفاده شود.
▪ سيستم گرمايش ورودي کمپرسور با زيرکش
اين سيستم براي واحدهاي کوچک و سيکلهاي ساده مناسب است. براي گرمايش هواي ورودي از بخشي از هواي خروجي کمپرسور استفاده ميشود. اين هوا به طور متوسط داراي دماي ۳۵ درجه سانتيگراد است که بستگي به شرايط محيط و مدل توربين دارد.
اساس اين سيستم ساده بوده و فقط به يک شير کنترل نياز دارد. اين سيستم يک تکنولوژي تست شده، قابل اطمينان و قابل کنترل است و در مقايسه با ساير سيستمها گران نيست. بزرگترين عيب اين سيستم اين است که بسته به شرايط محيطي کارايي آن تغيير ميکند. اين کاهش کارايي بين ۲ تا ۵ درصد توان خروجي ميتواند باشد.
سيستمهاي گرمايش ورودي کمپرسور با زيرکش ساليان زيادي است که استفاده شدهاند و نتايج عالي داشتهاند.
▪ سيستم رسيرکولاسيون اگزوز
اين سيستم بر اساس مخلوط کردن بخشي از گاز گرم اگزوز با هواي سرد ورودي کار ميکند. بزرگترين عيب اين سيستم استفاده از گازهاي اگزوز به عنوان منبع گرم است. چرا که شامل گازهاي خورنده بوده و رطوبت موجود مشکلساز خواهد شد. همچنين زيرکش مستقيم گازهاي اگزوز ميتواند منجر به صدمه به کمپرسور بشود. مقدار اين خسارت بستگي به سوخت مورد استفاده و شرايط احتراق در توربين دارد. سوختهاي گازي نسبت به سوختهاي مايع مشکلات کمتري ايجاد ميکنند.
اين سيستم همراه يک کمپرسور که در بار ثابت و دماي اگزوز بالا کار ميکند نسبت به کمپرسوري که در بار متغير با دماي اگزوز پايين کار ميکند کارکرد بهتر و موثرتري دارد.
▪ سيستم بازيافت حرارتي
سيستم Anti-icing بازيافت حرارتي براي گرمايش خشک طراحي شده است و کارکرد آن نسبت به سيستم گرمايش ورودي کمپرسور با زيرکش ضعيف است. اين سيستم بوسيله عبور دادن گازهاي خروجي اگزوز توربين از يک مبدل حرارتي که در داکت اگزوز تعبيه شده است کار ميکند. فلوي هواي محيط از يک نقطه بعد از سيستم فيلتر و به کمک فن به داخل مبدل حرارتي کشيده ميشود. گازهاي اگزوز هواي محيط را بوسيله کنوکسيون حرارتي گرم ميکنند سپس گازهاي خروجي از اگزوز از طريق داک اگزوز ثانويه به محيط فرستاده ميشود و هواي محيط که گرم شده است به ورودي سيستم فيلتر فرستاده ميشود تا هواي ورودي به توربين گاز را گرم کند. سيستم بازيافت حرارتي تاثير نسبتاًکمي بر روي عملکرد توربين گاز دارد که مزيت اين سيستم به حساب ميآيد. با اين همه سيستم Anti-icing بازيافت حرارتي پيچيدهتر و گرانتر از سيستم گرمايش ورودي کمپرسور با زيرکش است. در مجموع اين سيستم فضاي بزرگي براي نصب در سايت نياز دارد.
▪ مبدل حرارتي آب گرم
سيستمهاي پيشين بر اساس حفاظت سيکل ساده توربين گاز از تشکيل يخ در اجزاي سيستم ورودي طراحي شدهاند. اما در موردتوربين گاز در يک نيروگاه سيکل ترکيبي ديگر دليلي وجود ندارد تا هواي زيرکش از کمپرسور گرفته شود که بر کارکرد توربين تاثير بگذارد. خيلي معقولتر است که آب گرم موجود در سيکل توليد بخار به عنوان منبع حرارتي استفاده بشود. اين سيستم در واقع يک مبدل حرارتي ساده آب- هوا است. آبگرم با دماي حدود ۸۰ درجه سانتيگراد به مبدل حرارتي وارد و هواي محيط تبادل حرارتي اتفاق ميافتد. اين مبدل حرارتي قبل از سيستم فيلتر در توربين گاز قرار ميگيرد و دماي هواي محيط بوسيله تنظيم دبي جرمي آبگرم در مبدل حرارتي کنترل ميشود.
▪ گرمايش اجزاء
دراين روش به يک ناحيه گرما داده ميشود تا از تشکيل يخ جلوگيري يا يخزدگي را از بين ببرد. گرما يا موجب تبخير ميشود يا از انجماد قطرات آب جلوگيري ميکند. بسياري از از موتورهاي هوايي با سيستم گرمايش اجزاء تجهيز ميشوند ولي بکارگيري اين سيستم در تجهيزات زميني به ندرت اتفاق ميافتد. در اين سيستم دو نوع منبع حرارتي براي گرم کردن سطوح يخزدگي استفاده ميشود: الکتريسيته و هواي فشرده کمپرسور.
▪ سيستم الکتروترمال
اين سيستم از تعدادي مقاومت الکتريکي تشکيل ميشود که در داخل پدهاي لاستيکي تعبيه شدهاند و روي سطوح يخزدگي حرکت داده مي شوند. مزيت اين سيستم در اين است که فقط نقاط يخزدگي را گرم ميکند.
▪ هواي فشرده کمپرسور
در اين روش تعدادي کانال درداخل تجهيزاتي که خطر نفوذ يخ در آنها بيشتر است مثل strut, Bellmouth, IGV و Plenum ايجاد ميشود. هواي گرم از اين کانالها عبور کرده و سطوح اين اجزاء را گرم ميکند. هواي گرم ميتواند از کمپرسور يا گازهاي اگزوز زيرکش بشود. اين سيستم به علت پيچيدگي و پروسه دقيق ساخت، خيلي گران است. سيستم گرمايش کمپرسور به ندرت در توربينهاي گاز ساکن استفاده ميشود و بيشتر در کاربردهاي هوايي معمول است. براي حفاظت بال هواپيما و ريشههاي پروانه از اين سيستم استفاده ميشود.
▪ سيستم شيميايي
سيستم شيميايي به عنوان يک سيستم Anti-icing به شمار ميآيد. اين سيستم در واقع مخلوط کردن آب با مواد کاهش دهنده نقطه انجماد مثل اتيلن گليکول و الکل ايزوپروپيل است. بصورتي که وقتي دو ماده شيميايي با يکديگر مخلوط مي شوند نقطه انجماد مخلوط حاصل پايينتر از نقطه انجماد تکتک آنها باشد.
به علت اين که پريود حفاظت توربين گازدر مناطق يخزدگي زمان زيادي ميبرد جهت جلوگيري از صرف هزينه زياد روش شيميايي بندرت استفاده ميشود. سيستم شيميايي معمولاً براي تميزکاري کمپرسور تحت شرايط دماي پايين مورد استفاده قرار ميگيرد.
▪ سيستم مکانيکي
سيستم مکانيکي يک سيستم De-icing است. اين سيستم درتوربينهاي گاز ساکن بفرم دستي يا الکتريکي شبنم يخزده را از فيلتر بوسيله برسزني پاک ميکند.
▪ سيستم اينرسي
سيستم اينرسي بر اساس جداسازي ذرات از جريان هواي حامل اين ذرات عمل ميکند. بطوري که جريان هوا را تحت فشار قرار ميدهد تا جهتش راتغيير بدهد. جداکنندههاي اينرسي بطور گسترده براي حفاظت توربينهاي گازي از گرد و غبار، شن و تگرگ مورد استفاده قرار ميگيرند.
▪ ساير سيستمها
در اين بخش دو نوع سيستم ارايه خواهدشد که ميتواند به عنوان يک سيستم Anti-icing استفاده شود. سيستم نخست، سيستم AIMS محصول شرکت Donaldson است. سيستم دوم، سيستم مبدل حرارتي آب است که معمولاًدر نيروگاههاي سيکل ترکيبي به عنوان يک سيستم Anti-icing مناسب استفاده ميشود.
▪ سيستم AIMS
سيستم AIMS در واقع يک مبدل حرارتي- جداکننده رطوبت است. سيستم جديدشامل يک مبدل حرارتي با بکارگيري گازهاي اگزوز حاصل از احتراق بعنوان منبع حرارتي و يک جداکننده رطوبت است. اساس سيستم AIMS خيلي ساده است.
اين سيستم متشکل از چند سري از پرههاي توخالي است که به گونهاي مرتب شده که جريان هواي مکش وقتي از سيستم AIMS عبور ميکند باعث ايجاد گردابه شود. اين گردابهها نيروي اينرسي به قطرات آب موجود در جريان هوا وارد کرده و باعث برخورد آنها به پرهها ميشود سپس نيروي وزن، قطرات را به پايين سيستم AIMS ميکشد واز آنجا به خارج سيستم درين ميکند. براي جلوگيري از يخزدگي و همچنين به خاطر گرمايش هواي مکش،گازهاي اگزوز از داخل پرهها عبور داده ميشود. بنابراين دماي هواي مکش افزايش و همزمان دماي فلوي گاز اگزوز کاهش مييابد.
● فيلترهاي خود پاک کن پالس جت
▪ اساس
فيلترهاي پالس فيلترهايي هستند که با استفاده از هواي فشرده ذراتي را که در سطح فيلتر جمع ميشوند،تميز ميکنند. علت نامگذاري فيلترهاي پالس اين است که فلوي هوا مابين فيلترها براي مدت کوتاهي به فيلتر ضربه ميزند. فيلتر خود پاککن در واقع هم داراي مزيت فيلترهاي با قابليت بالا است و هم به کمترين تعميرات و نگهداري نياز دارد. فيلترهاي هواي خود پاککن پالس جت به دو نوع تقسيم ميشوند:
- انواع کنوکسيوني يا فيلترهاي پالس عمومي
- رويکرد جديد يا فيلترهاي پالس افقي
تفاوت مابين اين دو نوع فيلتر يکي از نحوه آرايش فيلتر و ديگري جهت جريان هواي ورودي ناشي ميشود.
● فيلتر هواي خود پاک کن پالس جت کنوکسيوني
اساس اين نوع فيلتر بسيار ساده است. فيلترهاي هواي خود پاککن پالس جت المانهايي از نوع فيلتر با بازده بالا به شکل کارتريجهاي استوانهاي را شامل ميشود که به شکل عمودي نصب ميشوند.
در بالاي هر فيلتر و در محل تجمع هواي تميز يک نازل ونتوري شکل قرار ميگيرد. در هنگام بهرهبرداري نرمال هواي پيرامون به طرف ونتوري جريان مييابد و در نهايت به توربين وارد ميشود. در چنين کارکردي (بهرهبرداري نرمال) اين نوع فيلتر فقط به عنوان يک فيلتر بازده بالا عمل ميکند. اما وقتي که يخ و برق روي سطح المانهاي اين فيلتر انباشته ميشود، افت فشاردر ميان کارتريجهاي به طور پيوسته کاهش مييابد تا موقعي که به يک حد معيني برسد که در اين موقع سيستم اتوماتيک پاککن پالس فعال ميشود. وقتي که افت فشار به مقدار حد بالايي ميرسد، سوئيچ فشار يک سيگنال به منظور باز کردن ولو صادر ميکند و اجازه ميدهد تا جريان هواي فشرده به داخل لولهها برود. اين هواي فشرده توسط کمپرسور توربين گاز يا يک منبع کمکي ديگر توليد ميشود.
● رويکرد جديد
اين روش جديد براي اولين بار در سال ۱۹۸۵ بر روي توربينهاي گاز استفاده شد و بر همان اساس فيلترهاي هواي خود پاککن پالس جت کنوکسيوني کار ميکند با اين تفاوت که المانهاي فيلتر به صورت افقي در مقابل يک ديواره جداکننده عمودي هواي تميز از هواي کثيف نصب ميشود. اين نوع فيلتر در مقابل شرايط جوي نيز بوسيله يک پوسته محفظه مانند خارجي محافظت ميشود. اين پوسته در واقع يک مسير از هوا به طرف پايين و به داخل المانهاي فيلتر ايجاد ميکند. جريان هواي محيط اطراف ابتدا از طريق کانالهاي ورودي به فيلتر وارد ميشود. گردوغبار موجود در هواي ورودي توسط فيلتر با بازده بالا جذب شده و روي سطح فيلتر لايه گرد و غبار (Dust cake) تشکيل ميشود. وقتي که مقدار گردوغبار موجود روي المانها بيشتر بشود، افت فشار به آرامي افزايش مييابد و باعث ميشود تا سوئيچ فشار فرمان آزاد شدن هواي فشرده را به منظور تميز کردن فيلتر بدهد. از مزاياي اين روش جديد اين است که حفاظت توربين را بهبود ميبخشد و همچنين به خاطر اينکه داراي اندازه کوچکي است، فضاي کمي را اشغال ميکند. امروزه سيستم فيلتر خود پاککن جديد در بسياري از توربينهاي گاز مورد استفاده قرار ميگيرد براي اينکه مزاياي آن در مقايسه با فيلترهاي پالس کنوکسيوني بيشتر است.
● انتخاب سيستم
عليرغم اينکه هر يک از اين سيستمها به تنهايي ميتواند يک توربين گاز را در طول يک زمستان سرد بدون هيچ مشکلي به بهرهبرداري برساند بايد ملاحظات بسياري براي يک انتخاب مناسب در نظر گرفته شود. فاکتور اول نحوه کاربرد توربين گاز است. اگر توربين گاز جزيي از يک سيکل ترکيبي است سيستم مبدل حرارتي آب مناسبترين و اقتصاديترين انتخاب است. فاکتور ديگر پيچيدگي سيستم است که به هزينه و قابليت اطمينان نيروگاه ربط پيدا ميکند. سيستم Anti-icing بازيافت حرارتي نسبت به ساير سيستمها پيچيدهتر و پرهزينه است ولي تاثير کمي روي کارکرد توربين گاز دارد بنابراين حتماً بايد مطالعات اقتصادي به منظور انتخاب مناسبتترين سيستم Anti-icing براي يک کاربرد معين انجام شود. بعد از مطالعه درباره اين سيستمها استفاده از يک سيستم Anti-icing گرمايش ورودي کمپرسور زيرکشدار (Bleed comp.heating) همراه با يک فيلتر استاتيک توصيه ميشود. اين ترکيببندي قطعاًتوربين گاز را از خسارات تشکيل يخ محافظت ميکند. بسياري از سازندگان، فيلتر پالس را به عنوان يک سيستم Anti-icing ترجيح ميدهند. براي اينکه هم يک راهحل ارزان است و هم مجبور نيستند تا از يک سيستم Anti-icing جداگانه استفاده کنند. استفاده از سيستم پالس فقط براي استفاده در محيط خارج، بياباني و خشک توصيه ميشود. فيلتر پالس داراي يک اشکال مهم است که در مقابل ذرات کوچک بازده پاييني دارد. علاوه بر اين، فيلتر پالس در محيطهاي مرطوب غيرموثر است. آب، رطوبت و گرد و غبار،توده نرم و چسبناکي ميسازند. سيستم خوپاککن پالس نميتواند اين مواد را پاک کند. درنتيجه افت فشار درسيستم ورودي افزايش يافته و بر قدرت خروجي توربين گازتاثير ميگذارد. در مجموع سازندگان فيلتر پالس گارانتي نميدهند که اين سيستم بتواند يک سيستم ورودي بدون يخ را تضمين کند. براي مناطق سردسير بکارگيري فيلتر استاتيک همراه بايک سيستم
Anti-icing توصيه ميشود. چرا که اين سيستم، توربين گاز را از خسارات يخزدگي حفاظت ميکند.

دنياي ما پر از شگفتيهاست به هر طرف که نگاه کنيم يک چيز تازه و جالب در کمين نشسته است تا خود را به ما بشناساند. اما خيلي از موضوعاتي که ساده به نظر مير ...

مقدمه : از زمان تولد توربينهاي گازي امروزي در مقايسه با ساير تجهيزات توليد قدرت , زمان زيادي نمي گذرد . با اين وجود امروزه اين تجهيزات به عنوان سامانه ...

دنياي ما پر از شگفتي هاست به هر طرف که نگاه کنيم يک چيز تازه و جالب در کمين نشسته است تا خود را به ما بشناساند. اما خيلي از موضوعاتي که ساده به نظر مي ...

کولر گازي در صنعت تهويه و تبريد از جايگاه خاصي برخوردار است زيرا به سرعت از گرماي محيط مي‌کاهد. برخلاف کولرهاي آبي ، رطوبت را افزايش نمي دهد. ازاين جه ...

انجام يک عمليات نمودارگيري موفق به چندين فاکتور مهم بستگي دارد. مهمترين آنها نمونه گرفته شده از سيال سازند، بدون هيچ آلودگي و مخلوط شدگي با مواد ديگر، ...

آب بندي در توربو ماشينها در فصل مشترک قطعات ثابت و متحرک به منظور کنترل جريانات نشتي و خنک کننده لازم و ضروري است. کنترل لقي موجود در بين قطعات متحرک ...

امروزه توربين هاي گازي چه در سيکل هاي ساده و چه در سيکل هاي ترکيبي نقش بسزايي در توليدانرژي الکتريکي موردنياز کشور بر عهده دارند و با در نظر گرفتن رون ...

ريخته گري ريخته گري يکي از مهمترين فرآيند هاي توليد است ، به طوري که مثلا در ايالات متحده آمريکا که يک کشور توسعه يافته صنعتي مي باشد، ريخته گري از نظ ...

دانلود نسخه PDF - توربينهاي گازي