بخشی از مقاله
چکیده
یکی از عواملی که تاثیر مستقیم بر راندمان و توان خروجی توربین گازدارد، دمای هوای ورودی به کمپرسور توربین گاز می باشد، به طوریکه با افزایش دمای هوای ورودی، با توجه به کاهش دانسیته آن توان خروجی توربین گاز کاهش مییابد. روشهای مختلفی جهت افزایش توان توربین در این شرایط وجود دارد که یکی از سادهترین و ارزانترین آنها خنککاری هوای ورودی به توربین به روش کولر تبخیری مدیا می باشد.
در این پژوهش، پس از مدل سازی سیستم خنککاری تبخیری مدیا برای توربینهای 16 مگاوات زاریا در ایستگاه تقویت فشار نورآباد، با استفاده از نرم افزار متلب و کد نویسی، توان خروجی و راندمان توربین، قبل و بعد از افزودن کولر تبخیری مدیا محاسبه شده است. نتایج نشان میدهند در صورت استفاده از کولر تبخیری با ضریب سرمایشی مختلف، با توجه به شرایط آب و هوایی و جغرافیایی نورآباد، توان این نوع توربینها افزایش قابل قبولی مییابد که این مقدار افزایش توان، مشکل محدودیت افزایش دور توربین در فصول گرم را برطرف مینماید.
مقدمه
با توجه به پایین بودن بازده سیکل برایتون توربین[1] تاکنون مطالعات زیادی جهت افزایش توان و راندمان توربینهای گازی با استفاده از خنککاری هوای ورودی صورت پذیرفته است که به مختصری از آنها اشاره می گردد:
چاکر و همکارانش[2] در سال 2001، ضمن بیان اینکه افزایش هر 1 درجه فارنهایت دما، باعث کاهش 0/3تا 0/5 درصد توان توربین می گردد، اعلام کرده در توربین های با توان بالا در دمای 95 درجه فارنهایت - 35 درجه سانتیگراد - توان توربین تا %20کاهش می یابد.همچنین ایشان پس از محاسبه میزان اثر بخشی کولرهای تبخیری به محاسبه دمای خروجی از کولر تبخیری پرداخته است.
Johncle و [3] Mast در سال 2002، در مقاله ای گزارش کرده اند که کولرهای تبخیری رطوبت نسبی هوای ورودی را تا حدود %90 و توان توربین را 5-10 درصد و بازدهی توربین را 1/5-2/5 درصد افزایش داده و انتشار گازهای را تا10 درصد کاهش می دهد.
نجار و همکارش [4] در سال 2004، به بررسی افزایش کارآیی توربین های گازی نیروگاه به وسیله خنک کاری هوای ورودی پرداخته اند. ایشان با مقایسه بین دو روش کویل های سرمایشی1 و روش اسپری آب2 به ورودی هوای توربین به این نتیجه رسیده اند که اگرچه استفاده از روش کویل های سرمایشی راندمان بیشتری دارد و بستگی زیادی به دمای محیط ندارد اما استفاده از روش تبخیری بسیار ارزانتر بوده و مخصوصا در هوای گرم و خشک راندمان قابل قبولی دارد.
ایشان به اثر بکارگیری سیستم خنک کاری آب-آمونیاک پرداخته و بیان کردهاند که با استفاده از این روش توان خروجی تا %21/5نسبت به حالت بدون خنک کاری افزایش خواهد یافت. نتایج تحقیق ایشان نشان داد که با استفاده از روش تبخیری با کاهش3-15 درجه سانتیگراد دمای هوای ورودی به توربین، بازدهی آن %3 و توان آن 1-7 درصد افزایش می یابد. تنها چالش روش تبخیری تامین آب مورد نیاز در مناطق خشک و کم آب می باشد.
کمال عبداالله و همکارش[5]در سال 2006، درمقاله خود، توجیه اقتصادی و فنی استفاده از خنک کاری هوای ورودی توربین ها و تاثیر آن بر عملکرد آنها در منطقه خارطوم سودان را بررسی نموده اند. بر پایه این بررسی ها روش خنک کاری تبخیری در این منطقه توجیه اقتصادی بیشتری داشته بنابراین استفاده از روش ذکر شده توصیه شده است. همچنین با توجه به وجود گرد و خاک در منطقه، روش تبخیری مدیا جهت به حداقل رساندن این گرد و خاک به ورودی توربین و اثرات مخرب آن بر روی بلیدهای کمپرسور توربین انتخاب درستی می باشد.
حسینی و همکارانش[6] در سال 2007، استفاده از سیستم خنک کاری تبخیری مدیا3 را جهت بهبود عملکرد توربین های گازی نیروگاه سیکل ترکیبی فارس بررسی نموده اند. نتایج این تحقیق نشان می دهد در شرایط محیطی 38 درجه سانتیگراد ورطوبت نسبی %8، در نتیجه 19 درجه کاهش دمای هوای ورودی با استفاده از روش فوق، توان هر واحد از این نیروگاه %14/6 معادل 11/2 مگاوات افزایش می یابد.
آقایان محمود فرزانه گرد استاد یار گروه مکانیک دانشگاه صنعتی شاهرود و مهدی دیمی دشت بیاض[7] در سال 1388، در مقاله ای به بررسی سیکل توربین گازی پالایشگاه گاز خانگیران و تاثیر شرایط محیطی بر آن پرداخته و با مقایسه دو روش خنک کاری به روش مه پاشی و چیلر جذبی اثبات نموده اند که با روش مه پاشی دمای هوای ورودی تا حداکثر 20 کاهش وبازده توربین 3 درصد افزایش یافته و در روش چیلر جذبی دمای ورودی تا 30 کاهش و بازده توربین تا 3/5 درصد افزایش می یابدکه با توجه به راندمان کاری پایین این توربین ها میزان افزایش راندمان بدست آمده قابل ملاحظه بهشمار خواهد آمد.
S.O.Oyedepo و همکارش[8]در سال 2014، در مقاله ای در مورد افزایش کارآیی توربین های گازی با استفاده از کولر تبخیری بیان نموده است که به ازای کاهش 5 درجه ای دمای هوای ورودی به توربین، توان آن5-10 درصد و راندمان آن 2-5 درصد افزایش می یابد.
Tao Zhang و همکارانش[9]درسال 2014، با تحلیل تئوری دو روش خنک کاری هوای توربین - تبخیری و چیلری - به نتایج زیر اشاره کرد:
-1 انتخاب روش مناسب خنک کاری، توان و راندمان توربین را افزایش می دهد.
-2 دما و رطوبت هوای محیط مهمترین مشخصه انتخاب روش مناسب خنک کاری می باشد. روش تبخیری مناسب برای توربین هایی است که نیازمند کاهش دمای هوای ورودی به میزان کم می باشند.
-3 چیلر های جذبی مناسب برای بازه وسیعی از دما میباشند که در هر شرایط آب و هوایی کارکرد مناسبی دارند.
ضرورت خنک کاری هوای ورودی به توربین های ایستگاه نورآباد تاثیر مخرب افزایش دمای محیط بر روی کارآیی توربین به دو صورت است:
با افزایش دما، دانسیته هوا کاهش یافته و جرم حجمی آن نیز کاهش مییابد. کاهش جرم حجمی خود باعث تولید کار کمتر توسط کمپرسور می شود.
از سوی دیگر در دمای هوای ورودی بالاتر، کمپرسور باید کار بیشتری انجام نماید که این خود باعث توان کمتر در توربین می شود. توان نامی توربین گازی در شرایط محیط استاندارد تعیین می شود که این شرایط عبارت است از: دمای هوای خشک برابر 15درجه سانتیگراد، دمای هوای مرطوب برابر 10/8 درجه سانتیگراد، رطوبت نسبی هوا برابر%60 و فشار هوا 1بار یا ارتفاع صفر از سطح دریا.
با افزایش دمای محیط و ارتفاع، با توجه به کاهش دانسیته هوا بازده و قدرت خروجی توربین های گازی و سیکل های ترکیبی به شدت پایین میآید. باتوجه به اینکه توربین های مورد استفاده در ایستگاه تقویت فشار گاز نورآباد خود دارای توان نسبتا پایینی می باشند، دمای بالای محیط در فصول گرم توان این توربینها را به شدت پایین آورده طوریکه جوابگوی نیاز بهرهبرداری نمیباشند. لذا اتخاذ روش مناسب خنک کاری هوای ورودی توربین ضروری مینماید.
تاثیر دمای محیط بر راندمان و توان توربین
از آنجا که هوای ورودی توربینهای گازیمستقیماً از هوای آزاد محیط تامین میشود، لذا هر عاملی که باعث تغییر شرایط هوای ورودی آنها گردد، موجب تغییر عملکرد توربین خواهد شد. یکی از این عوامل، افزایش دمای هوای ورودی به کمپرسور میباشد.
در توربین های گازی چون پرههای واقع شده در ورودی کمپرسورها اغلب در یک زاویه ثابت هستند، حجم هوای ورودی به کمپرسور در شرایط مختلف آب وهوایی یکسان است، در نتیجه تولید توان توسط این ماشین ها رابطه مستقیم با دبی جرمی عبوری از آنها دارد و به همین علت در شرایطی که هوا گرم شده و دانسیته آن کاهش مییابد، جرم هوای کمتری وارد مجموعه شده و قدرت خروجی توربین افت پیدا میکند. این مسأله از بعد دیگری نیز قابل بررسی است و آن اینکه فشردن هوای گرم، احتیاج به انرژی بیشتری دارد. بنابراین در روزهای گرم سال، کمپرسور بخش بیشتری از انرژی تولیدی توربین را صرف فشردن هوا مینماید و به همین خاطر مقدار انرژی کمتری در محور توربین جهت تبدیل به انرژی مکانیکی باقی خواهد ماند.
در صورتی که هوا را گاز کامل فرض نماییم با افزایش دمای هوا طبق رابطه - - 1 دانسیته آن کم میشود:
از آنجا که توان بیشتری برای متراکم نمودن هوای گرم لازم است، راندمان توربین گاز نیز کاهش می یابد .کار کمپرسور بر واحد جرم هوا نیز از رابطه - - 2 محاسبه می شود
