بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بررسی پدیده کاهش توان توربوکمپرسورهای ایستگاه های تقویت فشار گاز به کمک مدلسازی سیکل توربین گاز همراه با خنک کاری هوای ورودی
چکیده
توربینهای گاز در سالهای اخیر کاربردهای گستردهای در بخش تولید انرﮊی الکتریکی، افزایش فشار خط در ایستگاههای انتقال گاز و... دارند. از معایب این توربین ها تحت تأثیر قرار گرفتن راندمان و توان خروجی توسط شرایط جوی و محیطی میباشد. به طوری که با افزایش دما و در نتیجه کاهش چگالی هوای ورودی، توان خروجی توربین به میزان قابل توجهی افت میکند که این عامل در مسیر خطوط انتقال گاز با کاهش فشار خط لوله همراه خواهد بود. در این مقاله ابتدا سیکل توربین گاز همراه با سیستم خنککن هوای ورودی به آن مدلسازی شده و با عملکرد واقعی توربین مقایسه میگردد و سپس اثر شرایط محیطی بر توان خروجی توربین بررسی میگردد. نتایج مدل برای یک نمونه واقعی از توربین گاز (واقع در ایستگاه تقویت فشار گاز نیزار–شهر قم )، تطابق خوبی با عملکرد واقعی توربین نشان میدهد. توان خروجی توربین گاز در فصول گرم سال هم در حالت واقعی و هم در حالت وجود سیستم خنککن نشان داده شده است. میزان بار سرمایش توسط مدل کامپیوتری با توجه به شرایط محیط و منطقه محاسبه میگردد. به عنوان یک شرایط کارکرد بهینه، افزایش توان خروجی به میزان %12 با مشخص بودن یک شرایط طراحی معین، مشاهده گردید.
واﮊههای کلیدی: توربین گاز، خنککاری هوای ورودی، بار سرمایش، ایستگاه تقویت فشار گاز
-1 مقدمه
در فصول گرم سال با افزایش دما، دانسیته هوا کم شده و درنتیجه دبی جرمی هوای ورودی به کمپرسور کاهش مییابد. از آنجا که قدرت خروجی توربین گاز رابطه مستقیم با دبی جرمی هوای ورودی دارد، توان خروجی هم کاهش خواهد یافت1]،.[2 توربینهای گاز ماشینهای حجم ثابت هستند، بنابراین در یک دور ثابت، هوای ورودی بدون توجه به شرایط هوای محیط به یک حجم ثابت محدود میشود. با افزایش دمای هوا طبق رابطه گاز کامل دانسیته آن کم میشود:
از آنجا که توان بیشتری برای متراکم نمودن هوای گرم لازم است، راندمان توربین گاز نیز کاهش مییابد. کار کمپرسور بر واحد جرم هوا نیز برابر است با:
بنابراین با استفاده از یک سیستم خنککن میتوان هوای گرم محیط را قبل از ورود به کمپرسور خنک نمودتقریباً. به ازای هر 1C خنک کاری، توان خروجی به میزان 0.5 تا 1 درصد افزایش خواهد یافت3]و.[6
-2 شرایط آب و هوایی محیط (Site Condition)
براساس اطلاعات آب و هوایی منطقه نیزار، 8 ماه از سال به عنوان گرمترین ماههای سال در نظر گرفته میشود. ماکزیمم دمای منطقه 43C است و با توجه به بالا بودن دما روش خنککاری هوای ورودی به کمپرسور توربین گاز به منظور افزایش توان خروجی میتواند انتخاب مناسبی باشد. مطابق شکل 1 ناحیه پیک دما از ساعت 9 صبح تا 5 بعد از ظهر میباشد.
شکل-1 نمودار تغییرات متوسط دمای ماهیانه هر ساعت از روز
به کمک استاندارد ASHRAE و با رتبه بندی 5% دماهای حباب تر و خشک شرایط طرح تابستانی بیرون، بصورت برای 8 ماه خنک کاری در ساعات پیک 9)صبح تا 5 بعد از ظهر) در نظر گرفته میشود.
-3 عملکرد توربین های گازی ایستگاه تقویت فشار نیزار قم
جدول 1 مشخصات فنی مربوط به توربینهای گاز ایستگاه تقویت فشار نیزار قم را نشان میدهد. رابطه واقعی بین دمای هوای ورودی و عملکرد توربین گاز بسته به نوع و مدل توربین گاز متغیر بوده و معمولاٌ به صورت تابعی از درجه حرارت توسط سازندگان توربین ارائه شده و بستگی به نوع و مدل توربین گاز مورد استفاده میباشد. با توجه به موقعیت جغرافیایی منطقه و ارتفاع 1373متر از سطح دریا و شرایط کارکرد واقعی توربینها، منحنی عملکرد واقعی توربین و همچنین مصرف واقعی سوخت آن با اعمال ضرایب اصلاح توان و اصلاح مصرف سوخت، به صورت زیر تصحیح و عملکرد واقعی توربین گاز بصورت زیر خواهد بود1]و:[7
با توجه به شکل، قدرت خروجی توربین گاز در دمای استاندارد برابر با24Mw میباشد. در دمای 43C این مقدار به 19.4Mw کاهش مییابد . روابط (4) تا (7) عملکرد توربین گاز را مطابق با اطلاعات بدست آمده از data bookهای موجود در ایستگاه نشان میدهد. در قسمت بعد نتایج حاصل از اجرای برنامه کامپیوتری مورد بحث و بررسی قرار میگیرد و عملکرد توربین گاز که بکمک برنامه شبیه سازی بدست آمده است با عملکرد واقعی توربین گاز مقایسه میگردد.
-4 آنالیز سیکل توربینگازی همراه با سیستم خنککن هوای ورودی
در مدلسازی ترمودینامیکی سیکل توربین گاز، چهار فرایند خنککاری تبریدی هوا در کانال ورودی، تراکم، احتراق و انبساط در توربین مورد بررسی قرارگرفته است (مطابق شکل.(3
شکل-3 شماتیک سیکل توربین گاز همراه با خنک کن هوای ورودی جهت شبیه سازی
-1 -4 فرایند خنک کاری ورودی به کمپرسور توربین گاز
حالت هوای جو در یک فشار خاص بوسیله دو خاصیت متمرکز مستقل معین میگردد. بقیه خاصیتها میتواند از روابط موجود بین خواص (رطوبت نسبی φ ، رطوبت مطلق ω ، دمای خشک Tdb ، دمای مرطوب Twb ، حجم مخصوص v و آنتالپی ( h محاسبه شوند، وابستگی این پارامترها به هم به صورت زیر بیان شده است:
که در روابط بالا θ T(Kelvin)/1000 ، P فشار مخصوص بخار-هوا (Kpa)، Pgفشار بخار آب در حالت اشباع (Kpa)، Tدمای خشک (C)، Ra ثابت گاز برای هوا، Cpa گرمای ویژه هوای خشک و Cpw گرمای ویژه بخار آب میباشد. Pg فشار بخار اشباع برحسب psia و دما برحسب رانکین است. مقادیر ثابتها در روابط فوق در جدول2 آمده است3]و.[7
در سرمایش تبریدی، هوا با عبور از روی یک کویل سرد، خنک می شود. بنابراین خواهیم داشت:
باید توجه داشت که جریان ورودی شامل هوا و بخار آب همراه با آن میباشد. فشارهای جزئی بخار و هوا بصورت زیر محاسبه خواهد شد:
در روابط فوق P فشار محیط(مجموع فشار بخار آب و فشار هوا) و نرخ جرمی بخار آب در هوا و نرخ جرمی هوای ورودی در حالت واقعی به کمپرسور میباشد که داریم:
مطابق حجم کنترل در نظر گرفته شده در شکل 4، معادله پیوستگی برای هوا و آب بکار برده می شود.
