بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
بهینه سازی و افزایش تولید و راندمان توربین های گازی V94.2 با استفاده از کولر تبخیری مدیا در نیروگاه سیکل ترکیبی فارس
چکیده
توربین های گاز نقش بسیار مهمی در تامین برق مورد نیاز کشور مخصوصا در پیک بار شبکه برق بر عهده دارند. از معایب اصلی این توربین ها، تغییرات زیاد تولید آنها بر اثر تغییر شرایط جوی می باشد. از طرفی در زمان پیک مصرف شـبکه بـرق ایران و همزمان با ماههای گرم سال، توان تولیدی توربین های گازی تحـت تـاثیر افـزایش دمـای محـیط، بـه مقـدارقابل ملاحظه ای کاهش می یابد. لذا اتخاذ روشهایی جهت سرمایش هوای ورودی کمپرسور این تـوربین هـا و بازیـابی تـوان از دست رفتهء آنها در امر بهینه سازی ضروری می باشد. در این مقاله روش های مختلف خنک کردن هوای ورودی به توربین های گاز برای شرایط آب و هوایی نیروگاه فارس معرفی شده و در نهایت از بین طر ح های مختلـف بـرای نصـب سیسـتم سرمایش هوای ورودی به توربین های گاز سیکل ترکیبی این نیروگاه، طرح مناسب، سیستم کولر تبخیری مدیا با توجـه بـه ارزیابی فنی و اقتصادی انتخاب گردیده است. طرح اولیه کولر تبخیری مدیا توسـط پیمانکـار خـارجی طراحـی، سـاخته و در نیروگاه مذکور نصب شده است. تست های کارایی انجام شده در سایت، 11مگاوات معادل با 14/5 درصد را برای واحـدهای گازی و 2/1 مگاوات 2/6) درصد) واحد بخار سیکل ترکیبی پس از به مدار آمدن سیستم سرمایش مدیا را در فصل تابسـتان نشان می دهد.
کلمات کلیدی: افزایش توان، توربین گاز، سرمایش هوای ورودی، خنک کاری تبخیری، سیستم مدیا.
.1 مقدمه
توربین های گاز بعلت مزایایی که دارند نقش مهمی در تامین برق مورد نیاز کشور، مخصوصا در ساعات پیک بار شبکه بر عهده دارند. از معایب اصلی این توربین ها، تغییرات زیاد توان تولید و راندمان آنها بر اثر تغییر شرایط محیطی می باشد. بررسی ها و تجربیات نشان می دهد با افزایش دمای محیط به میزان یک درجه سانتیگراد، توان خروجی توربین تا %1 کاهش یافته و راندمان حرارتی آن نیز کم خواهد شد22]،16،8،7 ،6،5،.[4
بنابراین در زمان پیک مصرف شبکه برق و همزمان با افزایش تقاضای انرژی در ماه های گرم سال، توان تولیدی توربین های گازی تحت تاثیر افزایش دمای محیط به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش خواهد یافت، که این همزمانی کاهش تولید با افزایش تقاضای انرژی، تاثیر منفی آن را دوچندان خواهد کرد. لذا اتخاذ روشهای موثری جهت خنک کاری هوای ورودی کمپرسور این توربین ها و بازیابی توان از دست رفتهء آنها جهت بهینه سازی تولید ضروری می باشد. بررسی تغییرات توان تولید و راندمان واحدهای گازی محل مورد مطالعه (نیروگاه فارس) نیز نشانگر تغییرات محسوس توان تولید (نمودار (1 و راندمان (نمودار (2 واحدهای آن در اثر تغییرات جوی در ماه های مختلف سال می باشد، بطوریکه کمترین توان تولید و راندمان این واحدها در گرمترین ماه های سال (تیر و مرداد) و بیشترین توان و راندمان نیز مربوط به سردترین ماه های سال (دی و بهمن) خواهد بود.
نمودار -1 تغییرات توان تولیدی واحدهای گازی نیروگاه فارس نمودار -2 تغییرات راندمان واحدهای گازی نیروگاه فارس
در ماه های مختلف سال1390 در ماه های مختلف سال1390
.2 روش های خنک کاری تبخیری هوای ورودی توربین گاز
حداکثر کاهش دما در این روش، رساندن دمای حباب خشک هوای ورودی، به دمای حباب تر (رطوبت نسبی صد در صد) می باشد، که برای مناطق گرم و خشک بسیار مناسب است. خنک کاری تبخیری خود بر دو نوع است:
الف) روش خنک کننده تبخیری مدیا
صفحات مدیا عموما از سلول هایی شبیه لانه زنبور و به صورت موجدار ساخته می شود و در کنار یکدیگر یک کولر تبخیری مدیا را تشکیل می دهند . با پاشیدن آب بر روی این سلول ها و مرطوب کردن آنها، می توان به کمک روش تبخیر سطحی، هوا را خنک کرد. هرچه سطوح تماس آب و هوا زیادتر باشد، تبخیر سطحی سریعتر و بیشتر صورت خواهد گرفت. انتخاب این سلول ها به صورت مارپیچ و همچنین به شکل لانه زنبور، دقیقا به منظور افزایش سطح تماس آب و هوا صورت گرفته است.
در انتخاب سیستم مدیا باید نکات مهم زیر در نظر گرفته شود:
افت فشار این سیستم نسبت به سایر سیستم های خنک کن تبخیری بیشتر است. هر چند که این افت فشار اثر محسوسی روی کاهش توان خروجی توربین گاز ندارد.
مصرف برق کمتری نسبت به سایر سیستم ها دارد.
آب با کیفیت بسیار بالا مورد نیاز نیست و می توان از آب چاه استفاده نمایند، هر چند مصرف آب مقطر ترجیح دارد. به واسطه نیاز به تعویض سلول ها به صورت دوره ای هر 3) الی 4 سال) عملیات نگهداری زیادی لازم دارد.
هزینه نصب سیستم نسبت به سایر سیستم های تبخیری بیشتر است. زمان توقف کار واحد در صورتیکه سیستم در اتاق فیلتر نصب شود، قابل تعمق است.
ب ) روش فاگ
در روش فاگ آب توسط نازل ها، با فشار بالا در هوای ورودی کمپرسور اسپری می شود. این نازل ها، قطر ذرات آب را عموما به کمتر از بیست میکرون می رسانند تا عموم قطرات تا رسیدن به پره های کمپرسور تبخیر گردند و سایش پره های کمپرسور حاصل نگردد. این قطرات با قطر بسیار کم، به دلیل بزرگی نسبت سطح به حجم ذره، سریع تبخیر شده و سبب افزایش رطوبت هوای ورودی و کاهش دمای آن می گردند. در این روش، میزان رطوبت هوای ورودی می تواند به حد اشباع یا حتی فوق اشباع برسد، همچنین میزان افت فشار این سیستم نیز بسیار ناچیز و قابل صرف نظر است. از مزایای این روش، توانایی رساندن حباب خشک هوا به دمای حباب تر و همچنین افت فشار کم سیستم و هزینه اولیه پایین تر آن در مقایسه با روش های خنک کاری به کمک تبرید تراکمی و جذب ( سرمایش کویلی) می باشد. هر چند این روش نیاز به تصفیه آب برای جلوگیری از خوردگی مجراهای نازل پاشش آب و عدم تشکیل رسوب روی پره های کمپرسور و هزینه برق مربوط به پمپ کردن آب به نازل ها در فشار زیاد دارد، اما می تواند روش مناسبی برای کاهش دمای هوای ورودی به کمپرسور باشد. البته به شرط آنکه سیستم پاشش آب به طور صحیح طراحی شود، زیرا در غیر این صورت می تواند بر روی پره های ردیف اول کمپرسور اثرات مخرب داشته باشد.
.3 بررسی تاثیر دما بر پارامترهای تولید توربین گاز
با تغییر دمای هوای محیط، چگالی هوا نیز تغییر می کند. با توجه به اینکه در سیکل توربین گاز، هوا گاز کامل فرض می شود. (در درجه حرارت معمول محیط و تا فشار 10 Mpa ضریب تراکم پذیری در معادله حالت برای هوا در حدود (1) خواهد بود.) در صورتی که دمای هوا از Ti1 به Ti2 کاهش یابد می توان معادله حالت را برای هوا به صورت زیر نوشت :[1]
(1) چون توربین های گازی در سرعت ثابت کار می کنند و شکل مسیر هوای ورودی به کمپرسور صلب و حجم ثابت می باشد.
(فشار هوا در حالت i1 و i2 یکسان می باشد.) لذا تغییر دبی جرمی هوای ورودی، تابع تغییر چگالی آن می باشد و با کاهش دمای هوای ورودی به کمپرسور، چگالی آن افزایش یافته و دبی جرمی هوای عبوری به صورت زیر افزایش خواهد یافت:
(2) افزایش دبی جرمی هوای ورودی به محفظه احتراق به ما امکان تزریق سوخت بیشتری را خواهد داد و این باعث افزایش
دبی جرمی محصولات احتراق عبوری از توربین خواهد شد. چون دبی جرمی گاز داغ عبوری از توربین گاز، تاثیر مستقیمی
بر توان تولید توربین دارد، لذا کاهش دما و افزایش دبی جرمی هوای ورودی کمپرسور، باعث افزایش توان تولیدی توربین طبق رابطه زیر خواهد شد :[1]
(3) در واحدهای سیکل ترکیبی، افزایش دبی جرمی گازهای خروجی از توربین گاز، به ما امکان تولید بخار بیشتر در بویلر را خواهد داد و از این طریق توان تولید توربین بخار را نیز افزایش خواهد داد 16]،.[9
کاهش دمای هوای ورودی کمپرسور باعث کاهش کار مصرفی کمپرسور جهت فشرده کردن هوای ورودی (برای نسبت فشار معین ) به صورت زیر خواهد شد:
:1 ورودی کمپرسور :2 خروجی کمپرسور
(4) کاهش کار مصرفی کمپرسور، باعث افزایش کار خالص سیکل شده و به تبع آن راندمان نیز افزایش خواهد یافت:[1]
(5) راندمان حرارتی سیکل توربین گاز که به صورت رابطه زیر بیان می شود، نشان می دهد که با کاهش دمای هوای ورودی
به کمپرسور و نیز افزایش نسبت فشار کمپرسور، راندمان حرارتی سیکل افزایش خواهد یافت :[1]
(6)
.4 سیستم خنک کن Media
این سیستم که از یک ماده مدیا برای تبخیر آب استفاده می کند. بطور گسترده ای در توربین های گازی به ویژه در مناطق خشک وگرم مورد استفاده قرار می گیرد. کار کرد این سیستم براین اساس است که آب برای تبخیر حدود 2698 Kj/Kg انرژی گرمایی مصرف می کند. (گرمای نهان تبخیر) و این فرآیند دمای هوای محیط اطراف را خشک می کند.
تجهیزات سیستم مدیا
صفحات مدیا: صفحات مدیا از جنس فیبر سلولزی بوده و بصورت موج دار ساخته می شوند. یک مجموعه از این صفحات در کنار یکدیگر همانند شکل (1)، تشکیل یک کولر تبخیری مدیا که بصورت لانه زنبوری است می دهند. این سطوح خاصیتی مشابه خاصیت فتیله در مکش سیالات دارند و آب در سطح مدیا پخش می شود و باعث می شود که نسبت سطح تبخیر در واحد حجم مدیا بیشتر شده و خنک کاری هوا بهتر انجام شود. همچنین جهت جلوگیری از پوسیدگی این صفحات آنها را توسط مواد شیمیایی مخصوصی آغشته می کنند، باید توجه شود که به این دلیل صفحات مدیایی سلولوزی بسیار اشتعال زا هستند. (دقت شود صفحات مدیایی که از فایبرگلاس ساخته شده اند به این صورت نمی باشند.)
شکل :(1) یک مجموعه از صفحات سلولوزی در کنار یکدیگر
تک تک این صفحات با زوایای مشخص و معینی در کنار یکدیگر یک کولر مدیا را تشکیل می دهند، این صفحات به صورت یکی در میان با زوایای 15 و 45 درجه نسبت به افق کنار هم متصل می شوند تا سطح تماس هوا با آب موجود در صفحات را بیشتر کنند. در این شکل جهت جریان هوا به صورت موازی با سطح افق نشان داده می شود.
شکل :(2) قرارگرفتن صفحات مدیا به صورت یک در میان با زاویه مشخص شده جهت افزایش حداکثری سطح تماس هوا با آب
جاذب رطوبت یا قطره گیر (Mist Eliminator)عموماً: در قسمت بعد از صفحات مدیا قرار می گیرد. این وسیله، قطرات آب همراه هوا را در خروج از خنک کن جدا می کند. قطره گیرها باید قطراتی با قطر بزرگتر از 100 میکرون را حذف کند، یعنی راندمان جدا سازی آنها برای قطرات 100 میکرون و بالاتر باید 99/9 درصد باشد. [3]
شکل :(3) نمونه ای از یک جاذب رطوبت یا قطره گیر
نمایشگر جریان آب :یک دستگاه هشدار دهنده جهت جلو گیری از قطعی آب مصرفی صفحات مدیا تعبیه شده است و در صورتیکه در پیوستگی جریان آب خنک کن مشکلی ایجاد شود، به اپراتور اخطار می دهد. چگونگی تاثیر کولر تبخیری مدیا بر میزان خنک کاری هوای ورودی به کمپرسور و افزایش توان توربین گاز با کاهش دمای هوای ورودی از طریق سیستم خنک کن مدیا می توان به صورت زیر باعث افزایش توان خروجی شد:
.1 کاهش دمای هوای ورودی به کمپرسور باعث افزایش چگالی هوا شده و دبی جرمی به توربین گاز را زیاد کرده و از این طریق قدرت خروجی افزایش می یابد.
کاهش دمای هوای ورودی باعث افت توان مورد نیاز کمپرسور جهت فشرده سازی هوا شده و توان مورد نیاز کمپرسور با دمای هوای ورودی رابطه مستقیم دارد. از این جهت توان خالص دریافتی از توربین گاز افزایش می یابد. کاهش دمای هوای ورودی موجب کاهش دمای اگزوز توربین گاز می شود به همین علت سیستم کنترل توربین به منظور کاهش سیگنال خطای ایجاد شده ناشی از دمای اگزوز و set point آن، وارد عمل شده و دبی سوخت مصرفی را زیاد می کند. افزایش دبی سوخت، افزایش توان خروجی توربین گاز را به همراه خواهد داشت. میزان افزایش دقیق توان خروجی توربین گاز با این روش، بستگی به نوع توربین گاز، ارتفاع سایت و شرایط هوای محیط دارد. در سیستم تبخیری، با توجه به نمودار (3) اصلی ترین عامل محدود کننده در کاهش دما، میزان رطوبت موجود در هوا می باشد. بطوریکه این سیستم ها در هوای با رطوبت بسیار بالاتقریباً کارآیی خود را از دست می دهند. بطور معمول سیستم مدیا در هوای گرم با رطوبت پایین، خروجی توربین را حدود 15 تا 20 درصد و در رطوبت بالا حدود 10 درصد افزایش می دهد.
نمودار :(3) اصلی ترین عامل محدود کننده در کاهش دما، میزان رطوبت موجود در هوا ست.
میزان آب مصرفی: سازندگان خنک کن های تبخیری برای نصب سیستم های خنک کن با ارتفاع بیشتر از 1/5 متر، نرخ جریان آبی بین 1-2 Gal/min به ازا هر فوت مربع از مساحت بالشتک توزیع و برای خنک کن های با ارتفاع بالاتر از4 متر، 1/25-3 Gal/minرا توصیه می کنند. تجربه نشان داده است که دبی جریان در حدود یک گالن بر دقیقه بر واحد سطح بالشتک توزیع برای سیستم های خنک کن بلندتر از 1/5 متر به طور رضایت بخشی کار می کند. به همین ترتیب دبی 1/25 برای خنک کن های2 تا 3/5 متری پیشنهاد می شود. دبی جریان بالاتر، این امتیاز را دارد که میزان تشکیل رسوب بر روی سطح مدیا را حداقل می کند ( نمودار (4، اما نرخ جریان پایین تر احتمال حمل آب (Carry Over) را حداقل می کند. در عمل باید با در نظر گرفتن دو اثر فوق، نرخ جریان را بهینه کرد. به طور معمول برای چنین، توربین های گازی با دبی جرمی هوای 90/9 Kg/s نسبت آب تبخیرشده حدود 200 تا 800 گالن بر ساعت (که تابعی از رطوبت هوای محیط است) می باشد.
نمودار :(4) تاثیر خلوص آب مصرفی بر دما
کیفیت آب مورد نیاز در سیستم مدیا: همان طور که ذکر شد بطور معمول برای توربین های گازی صنعتی با دبی جرمی هوای حدود 90/9 Kg/s ، آب تبخیر شده حدود 200 تا 800 گالن بر ساعت می باشد. از این جهت کیفیت آب بسیار مهم است. بنابراین بطور پیوسته، درصدی از آب بصورت بلودان (Blow Down) از تانک ذخیره آب گرفته شده و غلظت مواد موجود در آن کنترل می شود. برای بررسی کیفیت آب مورد نیاز پارامترهایی ازقبیل میزان سختی، قلیایی بودن، میزان مواد نامحلول و میزان PH آن باید بررسی شود تا در محدوده مشخصی باشد. اگر در رابطه با میزان کیفیت آب دقت کافی نشود، روی صفحات مدیا لایه هایی از رسوب تشکیل خواهد شد، (که البته این امر در دراز مدت و حدود2سال اتفاق می افتد)، در نتیجه خرابی، از کارافتادگی سطوح مدیا، امکان نفوذ ذرات رسوب به هوا و آسیب رساندن به قطعات دوار توربین و کمپرسور و کاهش راندمان سیستم را به همراه خواهد داشت. [6]
کیفیت این آب بر اساس مطالعات انجام شده به شرح زیرمی باشد:[6]
محل نصب سیستم مدیا: محل نصب کولرهای تبخیری مدیا نیز از اهمیت ویژه ای برخوردار است. این محل با توجه به طراحی شرکت سازنده در قبل و یا بعد از فیلتر خشک می باشد.
شکل :(4) شبیه سازی سیستم تبخیری مدیا پس از نصب اجزاء
