بخشی از مقاله
چکیده
صنایع مختلف به جهت تامین نیازهای بشر امروزی منابع بسیار زیادی از انرژی را مورد استفاده قرار میدهند. انرژی مکانیکی تولید شده در توربینها معمولا به صورت دورانی است و لذا در صنعت برای چرخاندن دستگاههای مختلف مورد استفاده قرار میگیرد.
توربینهای گازی در صنایع هوایی و دریایی به عنوان محرک ا ستفاده می شود. بازده توربینهای گازی، واب ستگی شدیدی به دمای هوای ورودی دارد و کار تولیدی توربینهای گازی در شرایط دمای بالا به شدت کاهش مییابد. این اثر منفی از دو جهت باعث افت کارایی و بازده توربین گاز خواهد شد. با افزایش دما، چگالی هوا و در نتیجه دبی جرمی هوا کاهش مییابد و این امر باعث کاهش توان خروجی توربین گازی میگردد.
همچنین با افزایش دمای هوای ورودی، کار مورد نیاز کمپرسور افزا یش یافته و قدرت خروجی توربین باز هم کاهش مییابد. در این پژوهش به تاثیر تغییرات دما، فشار و رطوبت بر عملکرد توربین گازی مورد برر سی قرار گرفته و در نرم افزار EES نتایج ا ستخراج شده ا ست. نتایج ن شان دهندهی این ا ست که با افزایش هر درجه دمای محیط، راندمان 1درصد کاهش مییابد. از طرفی نتایج نشاندهندهی تاثیر جزیی رطوبت و فشار در راندمان توربین است.
مقدمه
توربین گاز مولد نیرویی است که مقدار زیادی انرژی را نسبت به ابعاد و وزنش تولید میکند. امروزه کاربرد توربینهای گازی در بسیاری از صتایع از جمله صنایع دریایی، سکوهای دریایی، ترنها، صنایع فضایی و نیروگاهها و غیره است.
سرعت در نصب و بازدهی، میزان هزینه سرمایهگذاری و تعمیراتی کم، وزن کم و امکان کاربرد سوخت چندگانه از جمله محاسن توربینهای گازی است. در مورد معایب توربینهای گازی میتوان به پایین بودن راندمان و لزوم تعمیرات اساسی بعد از تعداد ساعات کارکرد کمتر و راندمان آن بر اثر تغییرات جوی اشاره نمود.
در ک شور ما حدود %33 کل انرژی الکتریکی تولیدی تو سط این توربینها تامین میگردد. برا ساس آمار تف صیلی صنعت برق تا پایان سال 1388 تعداد 247 واحد نیروگاه گازی با ظرفیت نامی 19203 مگاوات در کشور نصب شده است. آمار ثبت شده در سال 1388 نشان میدهد که بیشترین و کمترین قدرت عملی واحدهای گازی ک شور به ترتیب در زم ستان و برابر 9167 و در تاب ستان به میزان 8006 مگاوات میبا شد.[1] سوالی که در اینجا مطرح میشود این است که علت وجود این اختلاف در قدرت عملی در چیست؟
علت اصلی این اختلاف، وابستگی توان خروجی توربینهای گازی به درجه حرارت محیط است. از آنجا که توربینهای گازی مستقیما از هوای آزاد تغذیه می شوند، لذا بدیهی ا ست که کار کردن آنها تابع شرایط محیطی مانند دمای هوا با شد. حجم هوای ورودی به کمپر سور در شرایط مختلف جوی تقریبا یک سان میبا شد. بنابراین در شرایطی که هوا گرم ا ست و در نتیجه چگالی آن کم ا ست، مقدار جرم هوای کمتری به کمپر سور وارد خواهد شد. ظرفیت قدرت تولیدی در محور توربین با کاهش دبی جرمی کاهش مییابد. کاهش دبی جرمی عبوری بر اثر افزایش دمای هوا از یک سو و صرف انرژی بی شتر برای متراکم کردن هوای گرم در کمپر سور از سوی دیگر، باعث کاهش توان خروجی از توربین گازی و در نتیجه کاهش تولید قدرت میگردد.
از آنجا که کشور ما در منطقه گرم واقع شده است، تقریبا تمام توربینهای گازی در ایران با مسالهی کاهش توان در ماههای گرم مواجه هستند. بررسیها نشان میدهد که به ازای هر یک و نیم درجهی سانتیگراد خنک کردن هوای ورودی، قدرت خروجی توربین بین 0.7 تا 1 درصد افزایش میباید.[2] مقدار دقیق این افزایش قدرت بستگی به پارامترهای مختلفی از جمله نوع توربین، عمر، محل قرارگیری و ... دارد.
پارامترهای مختلف توربینهای گازی سریعا تحت تاثیر تغییرات شرایط محیطی قرار میگیرند. مهمترین پارامتر از میان همه پارامترها، راندمان توربینهای گازی است. راندمان یک توربین گازی ارتباط بسیار نزدیکی به تغییرات دمای هوای ورودی توربین دارد.[3] تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی نشان میدهد که بازده و راندمان حرارتی جریان خروجی توربینهای گازی با افزای دمای هوای محیط کاهش مییابد در واقع چون شرایط محیطی مدام در حال تغییر ا ست، بر روی عملکرد و راندمان توربینهای گازی تاثیر میگذارد.
محقق دیگری بیان کرد که با افزایش دمای محیط از 5 تا 25 درجه سانتیگراد در شرایط محیطی راندمان آن% 7 کاهش خواهد یافت و اگر دمای محیط به 35 درجه سانتیگراد افزایش یابد، این درصد کاهش تا % 15 خواهد رسید. با بهبود درجه حرارت و رطوبت نسبی محیط میتوان عملکرد توربینهای گازی را بهبود داد، آلوک ماهابات و همکاران توانستند با بهبود درجه حرارت محیط راندمان را بهبود دهند.
چاکر و همکارانش با بهکارگیری سی ستم فاگ اثر آن را روی یک توربین گازی برر سی نمودند. آنها ضمن تحلیل شرایط محیطی حاکم، نشان دادند وقتی دمای هوای محیط به 35درجه برسد توان خروجی20 درصد کاهش مییابد و در شرایط که دمای محیط 40 درجه باشد به ازای هر 12درجه سانتیگراد کاهش دمای حاصل از استفاده از سیستم فاگ 10درصد افزایش توان داریم.
صنایع و همکارش در تحقیق خود بهکارگیری سیستمهای تبرید جذبی و تراکمی جهت خنک کاری هوای ورودی توربین گاز را بررسی نموده و از دیدگاه فنی و اقتصادی اثرات ناشی از این سیستمها را بر عملکرد توربین گازی ABB در شرایط آب و هوایی شیراز و بندر امام مورد تحلیل قرار دادهاند. مطابق نتایج ارائه شده، در شرایط اقلیمی بندر امام با دمای 49 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 60 درصد در صورت انتخاب 10 درجه سانتیگراد بهعنوان دمای هوای ورودی به کمپر سور، توان توربین گازی 33.8 در صد افزایش خواهد یافت، درحالیکه در شرایط اقلیمی شیراز با دمای 40 درجه سانتیگراد و رطوبت 40 درصد توان خروجی 24.3 درصد افزایش مییابد.
زکی و الهزمی در سال 2012 یک مدل را بهمنظور بررسی اثر خنککننده هوای ورودی توسط تبرید مکانیکی و خنکسازی اسپری تبخیر آب بر روی عملکرد توربین گاز توسعه دادند و نتایج آنها نشان داد که بهبود و کارآیی توان خروجی توابعی از شرایط محیطی و نسبت فشار میباشند.
نجار و همکارانش در پژوهش خود به روند تغییرات توان خروجی با تغییر دمای محیط و همچنین به کارگیری سیستم چیلر جذبی آب - آمونیاک پرداختند و نشان دادند که میتوان با استفاده از این سیستم خنککاری توان خروجی را تا 21.5 درصد نسبت به حالتی که از هیچ سیستمی برای خنک کاری هوای ورودی استفاده نشود افزایش داد.[8] کوروش مختصر در سال 1380 به بررسی افزایش قدرت توربین گازی با استفاده از خنک کردن هوای ورودی به وسیلهی ذخیرهسازی سرما پرداخته است.
شرکت خدمات مهندسی برق به بررسی راهای افزایش قدرت خروجی توربین گاز پرداخته است.[10] علی ار شیری توربین گازی ساده مورد مطالعه قرار داده و سپس تاثیر خنک کاری هوای ورودی با کالکتور خور شیدی در سیکل جذب یلیتیوم برماید آب، روی کار و بازده چرخه بررسی کرده است و به تاثیر شرایط محیطی بر راندمان توربین گازی پرداخته است.[11] کریم زرگانی به بررسی اثر تغییرات دمای محیط، بر عملکرد توربین گازی کارخانه بازیابی پتروشیمی مارون در فصول مختلف پرداخته است.
نتایج تجربی ثبت شده در حین عملیات نشان میدهد، در فصل گرما در منطقه اهواز افزایش دمای ورودی به کمپرسور چرخه برایتون، باعث افزایش دمای اگزوز توربین و دمای ویل اسپیس1 و در نتیجه کاهش بازدهی توربین گازی میگردد.
چینش اجزای توربین گازی
در طی سالهای اخیر چینشهای مختلفی برای اجزای توربینهای گازی بهدست آمده است. برخی از این چینیشها برای مقاصدی مانند تولید نیرو مناسباند که در آن سرعت قسمت بار2 ثابت است. برخی دیگر نیز در مواردی که در آن سرعت قسمت بار - پمپ و یا کمپرسور - متغیر است کاربرد دارند.
در حالت کلی چینش اجزای توربین به صورتهای زیر است:
1. توربین گازی تک محوری
2. توربین گازی دو محوری به همراه یک توربین قدرت
3. توربین گازی سه محوری به همراه یک توربین قدرت
4. توربین گازی دو محوری
توربین گازی تک محوری
توربین های گازی تک محوری بیشتر برای فرآیند هایی مناسب اند که در آن سرعت ثابت است - مانند تولید الکتریسیته توسط ژنراتور - . توربین های گازی تک محوری دارای این مزیت اند که به دلیل استفاده زیاد از انرژی در کمپرسور از افزایش بیش از حد سرعت و در نتیجه جدا شدن ژنراتور از محور جلوگیری می کنند.
شکل :1 توربین گازی تک محور
توربین گازی دو محوری به همراه یک توربین قدرت
وظیفه ژنراتور گاز تولید گاز با فشار و دمای بالا جهت استفاده در توربین قدرت است. در شرایطی که تغییر قابل توجهی در سرعت با توان مورد نیاز وجود دارد - زمانی که بار پمپ یا کمپرسور است - می توان از توربین گازی دو محوری استفاده کرد. در این حالت یک محور کمپرسور و توربین پرفشار را به هم وصل می کند و دیگری جهت اتصال توربین کم فشار به بار به کار می رود.
شکل :2 توربین گازی دو محور همراه با یک توربین قدرت
توربین گازی سه محوری به همراه یک توربین قدرت
همانطور که در این شکل دیده می شود، توربین قدرت همچنان از نظر مکانیکی از GG م ستقل ا ست. با چنین چین شی می توان به ن سبت های فشاری و بازده گرمایی بالاتری دست یافت. از آنجایی که در توربین های گازی سه محوری در هنگام شروع ،در قسمت GG تنها نیاز به چرخاندن کمپر سور پرف شارو توربین ها ا ست، لذا نیاز به توان آغازین کمتری دارند. سوخت موتورهایی که دارای چنین چین شی ه ستند به طورعمده تو سط گازهای مورد استفاده در صنایع هوایی تامین می شود.
شکل :3 توربین گازی سه محور به همراه یک توربین قدرت
توربین گازی دو محوری
همانطور که در دو بخش قبل برر سی شد، در صورت ا ستفاده از چینش های توربین گازی دو محوری به همراه یک توربین قدرت و توربین گازی سه محوری به همراه یک توربین قدرت، در صورتی که ژنراتور به خوبی به محور مت صل نبا شد ، سرعت توربین قدرت شدیدا افزایش می یابد. در توربین گازی دو محوری جهت مقابله با این م شکل، همانطور که در شکل روبرو دیده می شود، توربین قدرت و توربین کم ف شار یکی ه ستند، به گونه ای که محورتوربین کم فشار که به بارمتصل است، به توربین پر فشار نیز متصل شده است. این نوع توربین ها همچنان نسبت به توربین های تک محوری به انرژی آغازین کمتری نیاز دارند.
