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

توربين هاي گازي

روش هاي جلوگيري از يخ زدگي در توربين هاي گازي

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 روند رو به رشد نصب واحدهاي سيکل ترکيبي در برنامه هاي جاري و آتي وزارت نيرو اين نقش پررنگتر از گذشته خواهد شد.
الف) 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 روند رو به رشد نصب واحدهاي سيکل ترکيبي در برنامه هاي جاري و آتي وزارت نيرو اين نقش پررنگتر از گذشته خواهد شد.
ب) توربين هاي گازي در شرايط محيطي گوناگوني چون مناطق سردسير، مناطق گرمسير، مناطق ساحلي و بياباني بهره برداري مي شوند که هر يک از اين مناطق شرايط بهره برداري اقليمي خاص آن منطقه را به توربين هاي گازي تحميل مي کنند و واضح است که اين شرايط اقليمي در چگونگي بهره برداري اين نوع واحدها تاثير مستقيم دارند.
ج) کشور ايران به لحاظ موقعيت جغرافيايي و شرايط آب و هوايي تقريباً دربر گيرنده تمامي شرايط محيطي فوق الذکر است.
حال با در نظر گرفتن موارد فوق مي توان نتيجه گيري کرد که مطالعه عوامل و شرايط محيطي در بهره برداري واحدهاي گازي يکي از مهمترين موضوعات مطالعه در بهره برداري بهينه از واحدهاي گازي بوده و پيش بيني 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 توربين هاي گازي-يخ زدگي – درمناطق سردسير و کوهستاني پرداخته و روش هاي 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 نيروگاه هاي منطقه شديداً احساس مي شد بروز حادثه يخ زدگي در واحد گازي G۱۲ نيروگاه سيکل ترکيبي خوي مشکلات موجود در شبکه برق را دو چندان کرده، ضرورت مطالعه در بررسي مشکل يخ زدگي در توربين هاي گازي و روش هاي جلوگيري ازآن را بيش از پيش اثبات کرد.
چنانکه در فوق مشاهده شد يکي از مهمترين موضوعاتي که در بهره برداري توربين هاي گازي در مناطق سردسير بايد مدنظر قرار داد جلوگيري از تشکيل يخ درسيستم هاي ورودي اين توربين ها است. تشکيل يخ درتوربين هاي گازي منجر به بروز پديده خفگي در سيستم ورودي، فيلترهاي ورودي و کاهش فشار در ورودي سيستم و درنهايت موجب کاهش عملکرد توربين گازي مي شود. يخ مي تواند در bell mouth يا IGVs تشکيل شود که در بدترين حالت اين خطر ورود جسم خارجي به کمپرسور (FOD) و آسيب به پره هاي آن را بدنبال دارد.
شرايط محيطي که باعث خسارات يخ زدگي درتوربين گاز مي شود درموارد زير اتفاق مي افتد:
- دماي سطح از دماي نقطه شبنم هوا در سيستم مکش پايين تر باشد در اين حالت بخار آب موجود در هوا روي سطح چگاليده خواهد شد (Tsurface- دماي سطح پايين تر 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)
روش هاي مختلفي جهت جلوگيري از تشکيل يخ (Anti-Icing) در ورودي کمپرسورها وجود دارد که با نصب تجهيزاتي از خطر يخ زدگي در سيستم هاي ورودي توربين گاز جلوگيري مي کند. حال به تشريح انواع روش هاي جلوگيري از يخ زدگي در سيستم هاي ورودي توربين گاز مي پردازيم.
● سيستم هاي Anti-icing و De-icing و تفاوت آنها
هدف اوليه سيستم حفاظت يخ زدگي جلوگيري يا محدود کردن تشکيل يخ در طي سيستم مکش توربين گازي است. پيچيدگي هاي سيستم ورودي براي کاربردهاي مختلف توربين گاز ساکن اغلب باعث مي شود که نيل به يک سيستم ورودي عاري از يخ زدگي محدود شود. همواره در بحث سيستم هاي حفاظت يخ زدگي دو مورد مطرح مي شود: Anti-icing و De-icing . سيستم حفاظت Anti-icing شامل همه روشهاي حفاظت يخ زدگي مي شود که از تشکيل يا نفوذ يخ در اجزاي سيستم ورودي هوا جلوگيري مي کند. از طرف ديگر سيستم هاي De-icing روشهايي از حفاظت يخ زدگي را شامل مي شود که اجازه مي دهد يخ تشکيل و سپس قبل ازاينکه به درجه زيان آور و خسارت بار برسد، آن را از بين مي برد. سيستم هاي حفاظت يخ زدگي همچنين با توجه به تکنيک حفاظت يخ زدگي به سيستم هاي زير تقسيم مي شوند:
سيستم حرارتي، سيستم شيميايي، سيستم اينرسي و سيستم مکانيکي
▪ سيستم هاي حرارتي
اين سيستم از يک منبع حرارتي به منظور جلوگيري از تشکيل يخ در سيستم ورودي توربين تشکيل مي شود. حرارت همه سطوح يخ زدگي يا هواي سرد محيط را که به توربين وارد مي شود گرم مي کند تا مانع از تشکيل يخ شود. سيستم هاي حرارتي به دو نوع تقسيم مي شوند: سيستم گرمايش ورودي و سيستم گرمايش اجزا.
▪ سيستم گرمايش ورودي
سيستم هاي گرمايش ورودي به وسيله انتقال حرارت از گاز گرم به عنوان منبع گرما به هواي سرد که از محيط اطراف به سيستم ورودي وارد مي شود، کار مي کند. گاز گرم اغلب هوا است ولي گازهاي گرم اگزوز نيز مي تواند استفاده شود.
▪ سيستم گرمايش ورودي کمپرسور با زيرکش
اين سيستم براي واحدهاي کوچک و سيکل هاي ساده مناسب است. براي گرمايش هواي ورودي از بخشي از هواي خروجي کمپرسور استفاده مي شود. اين هوا به طور متوسط داراي دماي ۳۵ درجه سانتي گراد 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 سيستم ها گران نيست. بزرگترين عيب اين سيستم اين است که بسته به شرايط محيطي کارايي آن تغيير مي کند. اين کاهش کارايي بين ۲ تا ۵ درصد توان خروجي مي تواند باشد.
سيستم هاي گرمايش ورودي کمپرسور با زيرکش ساليان زيادي است که استفاده شده اند و نتايج عالي داشته اند.
▪ سيستم رسيرکولاسيون اگزوز
اين سيستم بر اساس مخلوط کردن بخشي از گاز گرم اگزوز با هواي سرد ورودي کار مي کند. بزرگترين عيب اين سيستم استفاده از گازهاي اگزوز به عنوان منبع گرم است. چرا که شامل گازهاي خورنده بوده و رطوبت موجود مشکل ساز خواهد شد. همچنين زيرکش مستقيم گازهاي اگزوز مي تواند منجر به صدمه به کمپرسور بشود. مقدار اين خسارت بستگي به سوخت مورد استفاده و شرايط احتراق در توربين دارد. سوخت هاي گازي نسبت به سوخت هاي مايع مشکلات کمتري ايجاد مي کنند.
اين سيستم همراه يک کمپرسور که در بار ثابت و دماي اگزوز بالا کار مي کند نسبت به کمپرسوري که در بار متغير با دماي اگزوز پايين کار مي کند 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 مي کند. فلوي هواي محيط از يک نقطه بعد از سيستم فيلتر و به کمک فن به داخل مبدل حرارتي کشيده مي شود. گازهاي اگزوز هواي محيط را بوسيله کنوکسيون حرارتي گرم مي کنند سپس گازهاي خروجي از اگزوز از طريق داک اگزوز ثانويه به محيط فرستاده مي شود و هواي محيط که گرم شده است به ورودي سيستم فيلتر فرستاده مي شود تا هواي ورودي به توربين گاز را گرم کند. سيستم بازيافت حرارتي تاثير نسبتاً کمي بر روي عملکرد توربين گاز دارد که مزيت اين سيستم به حساب مي آيد. با اين همه سيستم Anti-icing بازيافت حرارتي پيچيده تر 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
سيستم هاي پيشين بر اساس حفاظت سيکل ساده توربين گاز از تشکيل يخ در اجزاي سيستم ورودي طراحي شده اند. 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 معقول تر 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 سانتي گراد به مبدل حرارتي وارد و هواي محيط تبادل حرارتي اتفاق مي افتد. اين مبدل حرارتي قبل از سيستم فيلتر در توربين گاز قرار مي گيرد و دماي هواي محيط بوسيله تنظيم دبي جرمي آبگرم در مبدل حرارتي کنترل مي شود.
▪ گرمايش اجزاء
دراين روش به يک ناحيه گرما داده مي شود تا از تشکيل يخ جلوگيري يا يخ زدگي را از بين ببرد. گرما يا موجب تبخير مي شود يا از انجماد قطرات آب جلوگيري مي کند. بسياري از از موتورهاي هوايي با سيستم گرمايش اجزاء تجهيز مي شوند ولي بکارگيري اين سيستم در تجهيزات زميني به ندرت اتفاق مي افتد. در اين سيستم دو نوع منبع حرارتي براي گرم کردن سطوح يخ زدگي استفاده مي شود: الکتريسيته و هواي فشرده کمپرسور.
▪ سيستم الکتروترمال
اين سيستم از تعدادي مقاومت الکتريکي تشکيل مي شود که در داخل پدهاي لاستيکي تعبيه شده اند و روي سطوح يخ زدگي حرکت داده مي شوند. مزيت اين سيستم در اين است که فقط نقاط يخ زدگي را گرم مي کند.
▪ 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 مي شود. هواي گرم از اين کانال ها عبور کرده و سطوح اين اجزاء را گرم مي کند. هواي گرم مي تواند 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 توربين هاي گاز ساکن استفاده مي شود و بيشتر در کاربردهاي هوايي معمول است. براي حفاظت بال هواپيما و ريشه هاي پروانه از اين سيستم استفاده مي شود.
▪ سيستم شيميايي
سيستم شيميايي به عنوان يک سيستم Anti-icing به شمار مي آيد. 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 پايين تر از نقطه انجماد تک تک آنها باشد.
به علت اين که پريود حفاظت توربين گازدر مناطق يخ زدگي زمان زيادي مي برد جهت جلوگيري از صرف هزينه زياد روش شيميايي بندرت استفاده مي شود. سيستم شيميايي معمولاً براي تميزکاري کمپرسور تحت شرايط دماي پايين مورد استفاده قرار مي گيرد.
▪ سيستم مکانيکي
سيستم مکانيکي يک سيستم De-icing است. اين سيستم درتوربين هاي گاز ساکن بفرم دستي يا الکتريکي شبنم يخ زده را از فيلتر بوسيله برس زني پاک مي کند.
▪ سيستم اينرسي
سيستم اينرسي بر اساس جداسازي ذرات از جريان هواي حامل اين ذرات عمل مي کند. بطوري که جريان هوا را تحت فشار قرار مي دهد تا جهتش راتغيير بدهد. جداکننده هاي اينرسي بطور گسترده براي حفاظت توربين هاي گازي از گرد و غبار، شن و تگرگ مورد استفاده قرار مي گيرند.
▪ ساير سيستم ها
در اين بخش دو نوع سيستم ارايه خواهدشد که مي تواند به عنوان يک سيستم Anti-icing استفاده شود. سيستم نخست، سيستم AIMS محصول شرکت Donaldson است. سيستم دوم، سيستم مبدل حرارتي آب است که معمولاً در نيروگاههاي سيکل ترکيبي به عنوان يک سيستم Anti-icing مناسب استفاده مي شود.
▪ 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 پره هاي توخالي است که به گونه اي مرتب شده که جريان هواي مکش وقتي از سيستم AIMS عبور مي کند باعث ايجاد گردابه شود. اين گردابه ها نيروي اينرسي به قطرات آب موجود در جريان هوا وارد کرده و باعث برخورد آنها به پره ها مي شود سپس نيروي وزن، قطرات را به پايين سيستم AIMS مي کشد واز آنجا به خارج سيستم درين مي کند. براي جلوگيري از يخ زدگي و همچنين به خاطر گرمايش هواي مکش، گازهاي اگزوز از داخل پره ها عبور داده مي شود. بنابراين دماي هواي مکش افزايش و همزمان دماي فلوي گاز اگزوز کاهش مي يابد.
● فيلترهاي خود پاک کن پالس جت
▪ اساس
فيلترهاي پالس فيلترهايي هستند که با استفاده از هواي فشرده ذراتي را که در سطح فيلتر جمع مي شوند، تميز مي کنند. علت نامگذاري فيلترهاي پالس اين است که فلوي هوا مابين فيلترها براي مدت کوتاهي به فيلتر ضربه مي زند. فيلتر خود پاک کن در واقع هم داراي مزيت فيلترهاي با قابليت بالا است و هم به کمترين تعميرات و نگهداري نياز دارد. فيلترهاي هواي خود پاک کن پالس جت به دو نوع تقسيم مي شوند:
- 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 مي شود.
● فيلتر هواي خود پاک کن پالس جت کنوکسيوني
اساس اين نوع فيلتر بسيار ساده است. فيلترهاي هواي خود پاک کن پالس جت المانهايي از نوع فيلتر با بازده بالا به شکل کارتريج هاي استوانه اي را شامل مي شود که به شکل عمودي نصب مي شوند.
در بالاي هر فيلتر و در محل تجمع هواي تميز يک نازل ونتوري شکل قرار مي گيرد. در هنگام بهره برداري نرمال هواي پيرامون به طرف ونتوري جريان مي يابد و در نهايت به توربين وارد مي شود. در چنين کارکردي (بهره برداري نرمال) اين نوع فيلتر فقط به عنوان يک فيلتر بازده بالا عمل مي کند. اما وقتي که يخ و برق روي سطح المانهاي اين فيلتر انباشته مي شود، افت فشاردر ميان کارتريج هاي به طور پيوسته کاهش مي يابد تا موقعي که به يک حد معيني برسد که در اين موقع سيستم اتوماتيک پاک کن پالس فعال مي شود. وقتي که افت فشار به مقدار حد بالايي مي رسد، سوئيچ فشار يک سيگنال به منظور باز کردن ولو صادر مي کند و اجازه مي دهد تا جريان هواي فشرده به داخل لوله ها برود. اين هواي فشرده توسط کمپرسور توربين گاز يا يک منبع کمکي ديگر توليد مي شود.
● رويکرد جديد
اين روش جديد براي اولين بار در سال ۱۹۸۵ بر روي توربين هاي گاز استفاده شد و بر همان اساس فيلترهاي هواي خود پاک کن پالس جت کنوکسيوني کار مي کند با اين تفاوت که المان هاي فيلتر به صورت افقي در مقابل يک ديواره جداکننده عمودي هواي تميز از هواي کثيف نصب مي شود. اين نوع فيلتر در مقابل شرايط جوي نيز بوسيله يک پوسته محفظه مانند خارجي محافظت مي شود. اين پوسته در واقع يک مسير از هوا به طرف پايين و به داخل المان هاي فيلتر ايجاد مي کند. جريان هواي محيط اطراف ابتدا از طريق کانال هاي ورودي به فيلتر وارد مي شود. گردوغبار موجود در هواي ورودي توسط فيلتر با بازده بالا جذب شده و روي سطح فيلتر لايه گرد و غبار (Dust cake) تشکيل مي شود. وقتي که مقدار گردوغبار موجود روي المان ها بيشتر بشود، افت فشار به آرامي افزايش مي يابد و باعث مي شود 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 مي بخشد و همچنين به خاطر اينکه داراي اندازه کوچکي است، فضاي کمي را اشغال مي کند. امروزه سيستم فيلتر خود پاک کن جديد در بسياري از توربين هاي گاز مورد استفاده قرار مي گيرد براي اينکه مزاياي آن در مقايسه با فيلترهاي پالس کنوکسيوني بيشتر است.
● انتخاب سيستم
علي رغم اينکه هر يک از اين سيستم ها به تنهايي مي تواند يک توربين گاز را در طول يک زمستان سرد بدون هيچ مشکلي به بهره برداري 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 مناسب ترين و اقتصادي ترين انتخاب است. فاکتور ديگر پيچيدگي سيستم است که به هزينه و قابليت اطمينان نيروگاه ربط پيدا مي کند. سيستم Anti-icing بازيافت حرارتي نسبت به ساير سيستم ها پيچيده تر و پرهزينه است ولي تاثير کمي روي کارکرد توربين گاز دارد بنابراين حتماً بايد مطالعات اقتصادي به منظور انتخاب مناسبت ترين سيستم Anti-icing براي يک کاربرد معين انجام شود. بعد از مطالعه درباره اين سيستم ها استفاده از يک سيستم Anti-icing گرمايش ورودي کمپرسور زيرکش دار (Bleed comp.heating) همراه با يک فيلتر استاتيک توصيه مي شود. اين ترکيب بندي قطعاً توربين گاز را از خسارات تشکيل يخ محافظت مي کند. بسياري از سازندگان، فيلتر پالس را به عنوان يک سيستم Anti-icing ترجيح مي دهند. براي اينکه هم يک راه حل 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 مي شود. 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 مي سازند. سيستم خوپاک کن پالس نمي تواند اين مواد را پاک کند. درنتيجه افت فشار درسيستم ورودي افزايش يافته و بر قدرت خروجي توربين گازتاثير مي گذارد. در مجموع سازندگان فيلتر پالس گارانتي نمي دهند که اين سيستم بتواند يک سيستم ورودي بدون يخ را تضمين کند. براي مناطق سردسير بکارگيري فيلتر استاتيک همراه بايک سيستم
Anti-icing توصيه مي شود. چرا که اين سيستم، توربين گاز را از خسارات يخ زدگي حفاظت مي کند.

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 ...

اين روزها يکي از واژه هايي که در ارتباط با مباحث انرژي هسته اي، به طور مکرر شنيده مي شود دستگا ه هاي «سانتريفوژ» است.در مطلبي که از پي مي آيد، مولف کو ...

خواص بخار و آب در صنعت برق، در طراحي ديگها، توربينها و تجهيزات ديگر و همچنين براي ارزيابي عملكرد تجهيزات نقشي اساسي دارد. در حدود ۷۰ سال قبل پيشتازان ...

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 ...

دانلود نسخه PDF - توربين هاي گازي