بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسي استفاده ازسيستم مه پاشي جهت افزايش راندمان نيروگاههاي گازي (Fogging)
چکيده:
توربين هاي گازي از مهمترين ماشين هاي توليد انرژي بشمار مي آيند. با توجه به جايگاه مهم اين توربين ها در توليد انرژي همواره تلاشهاي زيادي در راستاي افزايش راندمان آنها صورت پذيرفته است .
از مهمترين راهکارهاي افزايش قدرت و راندمان توربين هاي گازي خنک کاري هواي ورودي به کمپرسور است . تاکنون روشهاي مختلفي براي کاهش دماي هواي ورودي پيشنهاد شده است . يکي از روشهاي خنک کاري هواي ورودي به کمپرسور استفاده از سيستم مه پاشي (fogging) مي باشد. سيستم مه پاشي در مناطق گرم و خشک مي تواند بسيار سودمند باشد. تا جايي که با توجه به شرايط آب و هوايي منطقه نيروگاه مي توان کاهش دماي چشمگيري را به مقدار را انتظار داشت که اين کاهش دما باعث افزايش ٣ درصدي راندمان نيروگاه خواهد شد که با توجه به راندمان کاري پايين اين توربين ها ميزان افزايش راندمان بدست آمده قابل ملاحظه بشمار خواهد آمد.
١- مقدمه :
به دليل اهميت و کاربرد بسيار زياد توربين هاي گازي در صنايع مختلف همواره تحقيقات بسياري جهت افزايش قدرت و راندمان اين سيکل ها صورت گرفته است . در اين راستا تلاشهاي زيادي صورت گرفته است که با مراجعه به اين مقالات ميتوان به "معرفي انواع سيکلهاي توربين گازي وميزان راندمان آن "{١}وهمچنين "روشهاي بهبود سيکلهاي توربين گازي "{٢}دست پيدا کرد.باتحقيقات فراوان دراين زمينه موفق به دستيابي به کتابي تحت عنوان "سيکلهاي توربين گازي پيشرفته به تشريح سيکلهاي جديد اين توربين " که توسط يکي از اساتيد دانشگاه کمبريج انگلستان {٣}به نگارش درآمده است شديم .ازينرو ميدانيم که براي دستيابي به افزايش راندمان نيروگاههاي گازي روش هاي متفاوتي از جمله تزريق آب و بخار، خنک کاري هواي ورودي کمپرسور، پيش گرمايش سوخت ، ترکيب با نيروگاههاي بخاري و استفاده از باز گرمايشي وجود دارند که با توجه به شرايط کارکرد و شرايط اقليمي و آب و هوايي مختلف مي توان از هر يک از اين روشها يا ترکيبي از آنها بهره جست . عملکرد توربين هاي گازي به ميزان قابل توجهي به دماي هواي محيط وابسته است به نحويکه افزايش دماي هواي ورودي به کمپرسور باعث افزايش ميزان کار جذب شده توسط آن و کاهش توان خروجي توربين و در نتيجه کاهش راندمان سيکل خواهد شد، لذا کاهش دماي هواي ورودي به سيکل مي تواند يکي از روش هاي مؤثر در بهبود عملکرد توربين هاي گازي باشد.
در اين راستا اقدامات بسيار زيادي صورت گرفته است که ميتوان به مقاله اي تحت عنوان "سيستمهاي سرمايشي هواي ورودي توربينهاي گازي "{٤}اشاره نمود.با توجه به شرايط اقليمي و آب و هوايي مختلف مي توان از روشهاي متفاوتي جهت کاهش دماي هوا استفاده کرد که تزريق آب و بخار، چيلرهاي جذبي و تراکمي و سيستم هاي سرمايش تبخيري شامل کولر تبخيري و سيستم مه پاشي (fogging) از آن جمله اند که دراين مقاله روش مه پاشي (fogging)بصورت انحصاري مورد توجه قرار گرفته است .
واژه هاي کليدي:
توربين گازي، شرايط محيطي ، کاهش دماي هواي ورودي، سيستم مه پاشي (fogging)، افزايش راندمان.
٢ ساختارهاي اصلي توربين گازي
طبق تعاريف ترموديناميکي توربين گازي يک نوع موتور گرمايي است که انـرژي حرارتـي حاصـل از ترکيـب همه نوع سوخت و هوا را به انرژي مکانيکي تبديل مي کند. سوخت مصرفي توربين گازي مي تواند جامـد، مـايع و يـا گاز باشد و صرفنظر از نوع آن چون ترکيب سوخت و هوا در نهايت منجر به توليد گـاز داغ پرفشـار مـي شـود بـه آن توربين گازي مي گويند. مبناي اصلي سيکل توربين گازي بر پايه سيکل براتيون مي باشـد. قسـمتهاي اصـلي تـوربين شامل ٤ بخش کمپرسور، محفظه ي احتراق، توربين و ژنراتور مي باشد که در شـکل زيـر يـک نمـاي شـماتيک از آن
ديده مي شود.
شکل ١: نماي شماتيک توربين
اساس کار توربين گازي در نمودارهاي زير آمده است . همان طور که در اين نمودارها مشخص شده است اين
سيکل شامل موارد زير مي باشد:
٢-١: افزايش فشار آيزونتروپيک (کمپرسور هوا)
٣-٢: افزايش دماي فشار ثابت (محفظه احتراق)
٤-٣: کاهش فشار آيزونتروپيک (توربين )
١-٤: کاهش فشار آيزونتروپيک (تخليله سيال به اتمسفر)
شکل ٢: نمودارهاي فشار- حجم و دما- آنتروپي سيکل برايتون
طبق اين سيکل در توربين گاز ابتدا هواي تصفيه شده محيط وارد کمپرسور هوا شده و متـراکم مـي گـردد و سپس اين هواي پرفشار وارد محفظه ي احتراق شده و با ترکيب با سوخت محترق مـي گـردد. پـس از آن سـيال داغ پرفشار به پرههاي توربين خورده و ضمن از دست دادن فشار خود تبديل به کار مي شود که مقداري از اين کار صرف چرخاندن کمپرسور هوا و مابقي توان براي توليد برق به کار مي رود.
٣- شرايط استاندارد کاري توربين گازي
شرايط استاندارد محيطي و ترموديناميکي يکي از مهمتـرين عوامـل مـؤثر بـر رانـدمان تـوربين هـاي گـازي
مي باشد. سازمان جهاني استاندارد (ISO) شرايط استاندارد مشخصي را براي کارکرد توربين هاي گازي تعريف نمـوده
است که در کتاب "عملکرد توربين هاي گازي"بدانها اشاره {٥}است و مهمترين آنها در زير آمده است :
١) دماي خشک C١٥.
٢) دماي تر C.٧٢.
٣) رطوبت نسبي ٦٠ درصد.
٤) فشار محيط atm١.
٥) عدم افت فشار در قسمتهاي ايزوبار.
تحقيقات بدست آمده بيانگر اين واقعيت است که با دور شدن از شـرايط اسـتاندارد رانـدمان سـيکل کـاهش
مي يابد.
٤- روشهاي مختلف سرمايش هواي ورودي به کمپرسور
جهت خنک کاري هواي ورودي به توربين هاي گازي تکنيکهاي زير وجود دارد:
١) سرمايش بوسيله سيکل تبريد تراکمي
٢) سرمايش بوسيله انرژي حرارتي ذخيره شده
٣) سرمايش بوسيله چيلر جذبي
٤) سرمايش تبخيري که به ٢ روش کولر تبخيري و سيستم مه پاشي (Fogging) تقسيم مي شود.
٥- تشريح سيستم (Fogging) و چگونگي کاربرد آن
سيستم هاي ايجاد توده مه بوسيله پاشش آب با فشار بالا براي خنک کاري هواي ورودي به توربين گـاز و در نتيجه افزايش توان خروجي آن از دهه ١٩٨٠ تا به حال استفاده مي شود. به طور کلي در سيستم خنک کننـده مـه پاشي (Fogging) آب به صورت ذرات بسيار ريز مه (در ابعاد ميکرون) درمي آيد و اين جريـان در معـرض جريـان هوا قرار داده مي شود و هواي گرم حرارتش را به آب مايع مي دهد و آب را به صورت بخـار در مـي آورد. هنگـامي کـه گرماي هوا به آب انتقال مي يابد دماي هوا در طول خط ثابت دماي حباب تر کاهش مـي يابـد (آنتـالپي ثابـت ، بـدون گرفتن يا از دست دادن گرما) و در همين زمان است که رطوبت افزايش مي يابد. اين فرآيند در نمودار سايکرومتريک
زير به صورت جابجايي از نقطه ١ به ٢ مشهود است .
شکل ٣: نمايش کارکرد سيستم مه پاشي در نمودار سايکرومتريک
٤
فرآيند تبديل آب به ذرات مه به وسيله تعداد زيادي نازل و همچنـين چنـدين پمـپ صـورت مـي پـذيرد. در
شکل ٤ نحوه قرارگيري سيستم مه پاشي (Fogging) در سيکل توربين گازي آمده است .
شکل ٤: نحوه استفاده از سيستم مه پاشي (Fogging)
٦- آناليز محاسبات انجام گرفته
٦-١- محاسبات فني سيستم مه پاشي (Fogging)
شرايط طراحي سيستم با توجـه بـه ظرفيـت تـوربين بـا آب و هـواي سـايت مـوردنظر و همچنـين شـرايط جغرافيايي آن نظير ارتفاع از سطح دريا و .... متغير مي باشـد. بـراي محاسـبه ميـزان تـأثير اسـتفاده از سيسـتم مـه پاشي (Fogging) بر بهبود راندمان در مرحله اول با توجه به موجود بودن دماي خشک و رطوبت نسـبي محـيط بـه محاسبه ي دماي تر پرداخته مي شود.
يکي از مهمترين مؤلفه ها در سيستم مه پاشي مقدار ضريب تأثير مي باشد. با معـين بـودن ميـزان اخـتلاف دماي تر و خشک و همچنين استفاده از نمودار با Offset ٢٠ که اکثر کمپانيهاي سازنده سيسـتم مـه پاشـي از آن استفاده مي کنند مي توانيم مقدار ضريب تأثير سيستم (E) را بدست آوريم .
شکل ٥: نمودار ضريب تأثير سيستم مه پاشي (Fogging)
با توجه به رابطه ضريب تأثير براي اين سيستم مي توان دماي هواي خروجي را بدست آوريم :
دماي بدست آمده بيانگر دماي هواي سرد شده بوسيله سيستم مه پاشـي و ورودي بـه کمپرسـور مـي باشـد.
اکنون مي توان با محاسبه راندمان سيکل توربين گازي در ٢ شرايط استفاده از سيستم مه پاشي و بـدون اسـتفاده از اين روش به ميزان بهبود راندمان پي برد.
٦-٢- تحليل اگزرژي حجم کنترل و محاسبه ي راندمان توربين هاي گازي
قبل از شروع تحليل اگزرژي توربين هاي گازي ذکر اين نکته ضروري به نظر مـي رسـد کـه در ايـن تحليـل حالت شروع يعني ورود هوا به کمپرسور نقطه ١، حالت خروج هواي ورودي از کمپرسور ورودي به محفظه ي احتـراق نقطه ٢ حالت خروج از محفظه ي احتراق و ورود به توربين نقطه ٣، حالـت خـروج دود از تـوربين و ورود بـه سـامانه توليد بخار نقطه ي ٤ و حالت خروج دود به هواي محيط نقطه ي ٥ در نظر گرفته مي شود.
٦-٢-١- محاسبه ي کار آيزونتروپيک مورد نياز کمپرسور
براي محاسبه ي کار آيزونتروپيک مورد نياز کمپرسور قـوانين اول و دوم ترموديناميـک را بـين نقـاط ١ و ٢
يعني قبل و بعد کمپرسور مي نويسيم :
با حذف و صرفنظر از انرژي جنبشي و پتانسيل بين ٢ معادله داريم :
