بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبيه سازي و بررسي عملکرد سيستم خنک کن هواي ورودي توربين هاي گازي
چکيده :
توان توربين هاي گازي به طور قابل توجهي در زمانهاي گرم سال کاهش پيدا مي کند. در اين مفاله سيستم خنک کن هواي ورودي نصب شده بر روي واحدهاي گازي -GE 9171Eنيروگاه سيکل ترکيبي يزد با استفاده از مدل سازي فاز گسسته به روش حجم محدود شبيه سازي شده و توزيع سرعت ، درجه حرارت ، رطوبت نسبي و اندازه قطرات در خروج از کانال و کارآمدي سيستم فاگ مورد بررسي قرار گرفته است . بررسيهاي صورت گرفته نشان ميدهد که سيستم مذکور در شرايط طراحي داراي راندمان خنک کنندگي حدود ٨٩ درصدميباشد و از لحاظ ايمني و اطمينان از تبخير قطرات پاششي در شرايط مطلوبي قرار دارد، بصورتيکه اکثر قطرات پاشش شده زمان لازم جهت تبخير را در اختيار دارند. نتايج اندازه گيريهاي صورت گرفته در طي دو دوره بهره برداري نشان مي دهد که در شرايط دمايي 0C ٣٨-٣٤ و رطوبت نسبي ٩-٧ درصد ميزان درصد افزايش توان خروجي توربين گاز ناشي از بکارگيري سيستم فاگ در حدود ١٢ درصد(معادل ١٠-١١ مگاوات ) مي باشد.
١- مقدمه
بطور کلي توان خروجي توربين هاي گاز با افزايش دماي محيط کاهش مي يابد. با افزايش دماي محيط ، جرم مخصوص هوا کاهش يافته و دبي جرمي عبوري از توربين پايين مي آيد، در نتيجه توان توليدي توسط توربين کاهش خواهد يافت . مي توان گفت ، توان خروجي با دبي جرمي هوا نسبت مستقيم دارد. به ازاي هر يک درجۀ سانتيگراد افزايش در دماي محيط ، ٠.٥ تا ٠.٩ درصد از توان خروجي واحد توربين گاز کم مي شود. روش هاي افزايش توان خروجي توربين گاز با استفاده از خنک کاري هواي ورودي به صورت زير دسته بندي مي شوند:
الف - خنک کاري تبخيري مشتمل بر خنک کاري با استفاده از مديا و پاشش مستقيم آب به ورودي کمپرسور
ب - خنک کاري با استفاده از روش ذخيره سازي سرما١ مشتمل بر ذخيره سازي آب سرد و ذخيره سازي يخ ٢
ج - خنک کاري با استفاده از چيلر مشتمل بر خنک کاري تبخيري با استفاده از چيلر تراکمي ٣ و خنک کاري تبخيري با استفاده از چيلر جذبي ٤
براساس مطالعات فني واقتصادي صورت گرفته و بر اساس شرايط اقليمي ايران روشهاي خنک کن تبخيري (فاگ و مديا) براي مناطق مرکزي ايران از جمله استان يزد در مقايسه با روشهاي ديگر از اولويت بالاتري برخوردار ميباشند. با توجه به اينکه نصب سيستم مديا درنيروگاه سيکل ترکيبي يزد مستلزم جابجايي اتاق فيلترميباشد و اين امکان بدليل محدوديت فضاو جانمايي تجهيزات وجود ندارد، لذا روش فاگ بعنوان سيستم خنک کن هواي ورودي توربين گاز انتخاب گرديده است .
در اين مقاله جريان هواي ورودي به توربين گاز آلستوم مدل 9171E-GE نيروگاه سيکل ترکيبي يزد با قدرت نامي ١٢٣.٤ مگاوات که بر روي آن سيستم خنک کن فاگ نصب گرديده است ، شبيه سازي و مورد تجزيه وتحليل قرار گرفته است .
.
٢- روش مدلسازي جريان
طرح هندسي کانال هواي ورودي کمپرسور مطابق شکل ١ ميباشد و ٧٦٧ عدد نازل در ٢٠ رديف با فواصل مساوي از يکديگر در مقطع ورودي کانال نصب گرديده اند. فاصله نازلها در راستاي محور X، ٢٠٣ و در راستاي محور Y، ١٧٣ ميليمتر مي باشد. قدرت خروجي توربين گاز و دبي حجمي هواي ورودي در شرايط ايزو به ترتيب ١٢٣.٤ مگاوات و
٣٢٧.٦ مترمکعب بر ثانيه است . از آنجائيکه توربين گاز در ارتفاع ١١٥٠ متر از سطح دريا نصب گرديده است و ارتفاع تأثير چشمگيري بر روي پارامترهاي مورد بررسي دارد، نتيجتاً در مدلسازي فشار هواي ورودي ٨٧ کيلوپاسکال در نظر گرفته شده است .
در جدول ١ شرايط طراحي و مشخصات سيستم خنک کن فاگ نصب شده بر روي واحدهاي نيروگاه سيکل ترکيبي يزد ارائه شده است . نازلهاي به کار گرفته شده در اين سيستم از نوع پيچشي بوده و هر يک توانايي تزريق ١١.٩ کيلوگرم در ساعت آب در فشار ١٤٠ بار را دارند. در شرايط طراحي ، نازلها به کار گرفته شده قادر به تزريق ٩١٢٧ کيلوگرم بر ساعت آب به داخل هواي ورودي توربين گاز خواهند بود. قطر قطرات آب در خروجي نازلها برابر با ٢٨ ميکرون در نظر گرفته شده است . اين قطر طبق تعريف معادل قطري است که ٩٠ درصد حجمي قطرات خروجي نازل کمتر از اين قطر را دارند.
در اين مقاله جهت مدلسازي عددي از نرم افزار فلونت استفاده شده است [٦]. روش حل به کار گرفته شده در اين مسئله ، روش گسسته بوده که از طرح تصحيح فشار ضمني استفاده مي کند. جهت حل تؤام سرعت و فشار، الگوريتم SIMPLE بکار گرفته شده است . به منظور گسسته سازي فضاي ترمهاي جابجايي از طرح اختلاف بالادست مرتبه يک و ترم نفوذ بصورت اختلاف مرکزي با دقت مرتبه دو در نظر گرفته شده است . اثر قطرات بر روي فاز پيوسته بصورت ترم چشمه در معادلات حاکم در نظر گرفته مي شود. پس از بدست آمدن يک ميدان جريان مناسب از فاز پيوسته که در اين مسئله جريان هوا مي باشد اثرات قطرات که انتقال حرارت و جرم مي باشد در نظر گرفته مي شود.
٣- معادلات حاکم
فاز پيوسته (هوا)
با در نظر گرفتن اينکه جريان حالت دائمي است ، معادلات پيوستگي جرم ، مومنتوم و انرژي به ترتيب با نمايش تانسوري مطابق ذيل مي باشند:
در معادلات بالا Sm،Fj و Sh به کار گرفته شدند تا اثر فاز پخش شده در نظر گرفته شود. تانسور تنش متقارن بوده و مطابق ذيل بيان مي شود:
اتلاف حرارت و هدايت حرارت مؤثر مي باشد.
eff
زمانيکه اثر اغتشاش درنظر گرفته مي شود، لازم است که هر دو مدل شود.
مدل استاندارد جهت مدل سازي جريان مغشوش به کار گرفته شده است و دليل اين انتخاب به اين جهت بوده است که خطوط جريان انحناء، گردابه و چرخش زيادي نداشته اند. مدل استاندارد ساده ترين مدل دو معادله اي بوده و ثابت شده است که براي محاسبات کامپيوتري به صرفه و قوي مي باشد و براي محدوده وسيعي از جريانهاي مغشوش دقيق مي باشد [٢]. اين مدل شامل محدوده وسيعي از جريانها با کاربردهاي مهندسي صنعتي مي شود، که اين مسئله عموميت آن را نشان مي دهد. معادلات انتقال انرژي جنبشي آشفته (k) و نرخ استهلاک انرژي جنبشي آشفته در اين مسئله ، با در نظر گرفتن اين نکات که حالت دائمي بوده و درمختصات کارتزين تعريف مي شوند، مطابق معادلات ذيل مي باشند:
که بيانگر توليد انرژي مغشوش ناشي از تغييرات سرعت متوسط مي باشد. لزجت از ترکيب k و مطابق معادله ذيل بدست مي آيد:
و هدايت حرارت مؤثر مطابق فرمول ذيل بدست مي آيد:
در مدل استاندارد بکار گرفته شده مقدار عدد پرانتل جريان آشفته تعيين گرديده است [٣].
درمعادلات پنج ثابت قابل تنظيم وجود دارند که مطابق فرمول ذيل مقادير اختصاص داده شده به آنها در
محدوده وسيعي از جريان هاي آشفته کاربرد دارند:
معادلات جريان مغشوش ممکن است شامل ترم هاي چشمه ديگري نظير انرژي جنبشي ناشي از شناوري باشند و چون در اين مسئله کاربرد ندارند، بيان نگرديده اند.
فاز گسسته (قطرات آب )
فرمولاسيون فاز گسسته که در نرم افزار فلونت بکار گرفته مي شوند با اين فرض است که فاز ثانويه آنقدر رقيق بوده که تأثير ذرات بر روي يکديگر بسيار کم بوده و همچنين اثر حجم نسبي ذرات بر روي فاز گاز نيز قابل صرفنظر کردن باشد. در عمل وقتي اين فرض صورت مي گيرد که فاز گسسته داراي حجم کمي نسبت به فاز اصلي داشته باشد، که معمولاً مقدار آن بين ١٠ الي ١٢ درصد مي باشد[٦]. در اين بررسي با توجه به ميباشد، اين فرض قابل قبول ميباشد.
اينکه نسبت حجمي آب پاششي به هوا کمتر از٢.٨ درصد اصولاً، قطرات موجود در جريان هوا با نيروهاي پسا، اينرسي و پيوسته گرما را گرفته و يا انتقال دهند. پس از اينکه قطرات هيدروديناميک مواجه مي شوند. اين قطرات مي توانند از فاز تبخير شدند که مي تواند ناشي از درجه حرارت بالا و يا کمي فشار نسبي مرطوب باشد، آنها در جريان اصلي پخش گرديده و با آن به حرکت در مي آيند. نرخ تبخير وابسته به اختلاف مقدار پخش و متناظر با آن نرخ تغييرات جرم قطرات است که
مي تواند مطابق معادله ذيل بيان شود:
که درمعادله ٩، kc ضريب انتقال جرم و Cs تراکم بخار در سطح قطره مي باشد و با فرض اينکه جريان بر روي سطح اشباع مي باشد، تخمين زده مي شود. ∞C تراکم بخار در توده جريان مي باشد و با حل کردن معادلات انتقال بدست مي آيد.
مقدار را مي توان از رابطه تجربي ١٠ که براي تبخير قطرات معتبر است ، محاسبه کرد.
که درمعادله ١٠، Sh عدد شروود، Sc عدد اشميت که مطابق رابطه ١١ بدست مي آيد، Dm ضريب پخش بخار در جريان توده و dp قطر قطرات مي باشد.
به دليل نيروهايي که در يک ميدان جريان وجود دارند، قطرات ممکن است شتاب مثبت و يا منفي گرفته . تغييرات سرعت را مي توان مطابق فرمول ذيل بيان کرد:
که در معادله فوق نيروي پسا سيال بر روي قطرات ، و اثر نيروي جاذبه مي باشد. بيانگر نيروهاي ديگر و
سرعت قطرات مي باشد (بصورت برداري ). نيروهايي که به صورت کلي با نشان داده شده اند.
انتقال حرارت بين قطرات و فاز پيوسته ممکن است باعث تغيير درجه حرارت قطرات گردد. بدون در نظر گرفتن انتقال حرارت تشعشعي ، تغييرات حرارت محسوس وابسته است به انتقال حرارت جابجايي و نهان که مطابق معادله ذيل
مي باشد:
درمعادله ١٣، hfg حرارت نهان ، و h ضريب انتقال حرارت جابجايي که از معادله اي مشابه معادله ١٠، معروف به رابطه رامز و مارشال مطابق ذيل بدست مي آيد.
که درمعادله ٢-٢٣، Pr عدد پرانتل که مطابق رابطه ١٥ بدست مي آيد و هدايت حرارتي فاز پيوسته مي باشد.
ضمناً Red عدد رينولدز بوده که بر اساس قطر ذره و سرعت نسبي بدست مي آيد.
اثرات اغتشاش بر روي پخش ذرات را مي توان بوسيله استفاده از مسيريابي اتفاقي در نظر گرفت [٦]. اصولاً، مسير قطرات بوسيله سرعت آني جريان تا نسبت به سرعت تعيين مي شود. نوسانات سرعت را مي توان
مطابق معادله ذيل در نظر گرفت :
که درمعادله ١٦، بصورت معمول عدد تصادفي توزيع شده مي باشد. اين سرعت در طول عمر مشخص ادي کاربرد دارد، که مقياس زمان توسط معادلات ذيل تعريف مي شود:
که درمعادله ١٨، r عدد تصادفي توزيع شده يکنواخت بين محدوده ٠ تا ١ مي باشد. در حالتيکه سرعت لغزشي قطرات بسيار زياد باشد، زماني که براي برخورد ادي ها وجود دارد از زمان تعريف شده در بالا بسيار کوتاه تر خواهد بود، نتيجتاً زمان برخورد ادي قطرات که مطابق رابطه ١٩ تعريف مي شود به کار گرفته خواهد شد.
که درمعادله فوق tp زمان سستي ذره است که به صورت معادله ذيل بيان مي شود:
درمعادله ٢-٢٨، Le مقياس طول ادي و مقدار سرعت نسبي مي باشد. پس از گذشت اين بازة زماني ، سرعت لحظه اي با توجه به جديد، مقدار جديد به خود مي گيرد تا زمانيکه مسير کاملي بدست آيد. اثر تصادفي اغتشاش بر روي قطرات وقتي از لحاظ منطقي قابل پيش بيني است که تعداد مناسبي از مسيرها حساب شده باشد.
جهت بررسي عملکرد سيستم فاگ ، پارامتر کارآمدي يا راندمان سيستم خنک کن بصورت رابطه زير تعريف مي شود:
که در اين رابطه Tamb درجه حرارت محيط ، Texit درجه حرارت ميانگين در خروج و TWBT درجه حرارت حباب تر محيط در شرايط طراحي مي باشد.
شرايط مرزي
جريان جرمي به عنوان شرايط ورود در نظر گرفته شده است .
درجه حرارت هواي ورودي برابر با درجه حرارت حباب خشک محيط در نظر گرفته شده است . انرژي جنبشي آشفته در ورود، و نرخ استهلاک انرژي جنبشي آشفته ، که معادل شدت اغتشاش ١ درصد است ، در نظر گرفته شده است . مقدار آب موجود در هواي ورودي بر اساس مقدار رطوبت مطلق هوا در شرايط درجه حرارت حباب خشک و رطوبت نسبي معلوم هواي ورودي در نظر گرفته شده است .
جريان خروجي فشار ثابت در نظر گرفته شده است . درجه حرارت جريان برگشتي در خروج ، در صورت وجود، معادل درجه حرارت محيط در نظر گرفته شده است .
شرايط ديواره ها بدون لغزش (سرعت در ديواره ها برابر با صفر) و درجه حرارت ثابت معادل درجه حرارت محيط در نظر گرفته شده است .
شرايط مرزي قطرات در ديواره ها خروج در نظر گرفته شده و به اين معني است که از ميدان محاسباتي خارج مي شوند.
شبکه بندي و همگرايي
در حل مسائل از شبکه هاي سازمان يافته استفاده شده است .
در شبکه بندي ها سعي بر اين بوده است که اندازه و حجم شبکه ها کنار يکديگر تقريباً مشابه بوده و تغييرات اندازه آنها سريع نباشد. ضمناً سعي گرديده تا در شبکه بندي لبه اريب وجود نداشته و همچنين تا حد امکان عمود بودن شبکه ها رعايت شود.
تعداد سلولهاي به کار گرفته شده ٤٣٥٧٣٦ عدد و نتايج همگرا پس از فرآيند تکرار متناوب مابين فازهاي پيوسته و گسسته بدست مي آيد. بين هر دو فرآيند تکرار در فاز گسسته ، ده فرآيند تکرار در فاز پيوسته تعريف شده است . براي بدست آوردن نتايج همگرا در اين مسئله مجموعاً در حدود ٤٠٠٠ فرآيند تکرار مورد نياز بوده که زمان اجرا با استفاده از يک کامپيوتر با پردازنده ٢.٤ گيگاهرتز تقريباً ٧٢ ساعت بوده است .
٤- بررسي نتايج مدلسازي
شکلهاي ٢ و ٣ توزيع سرعت را در کانال هواي ورودي به توربين گاز نشان مي دهد. همانطور که از اين شکل ها پيداست به دليل دو چرخش ٩٠ درجه در جريان اصلي ، سرعت در سمت داخلي کانال در هنگام خروج افزايش بيشتري نسبت به سمت خارجي کانال داشته است . با توجه به اين موضوع انتظار اين است که در زمان تزريق آب در سمت خارجي کانال که سرعت هوا کمتر بوده و قطرات فرصت بيشتري جهت تبخير دارند، کاهش دما نيز بيشتر باشد.
شکل ٤ توزيع دما را در کانال هواي ورودي به توربين گاز در صفحات مياني و خروجي را نشان مي دهد. همانطور که از اين شکل پيداست حداقل درجه حرارت هوا در خروجي کانال حدود ٢٢ درجه سانتيگراد است که يک درجه بيشتر از مقدار درجه حرارت تر هوا به ازاي رطوبت نسبي ٩٥ درصد است .
همچنين همانطور که ملاحظه ميگردد در سمت داخلي کانال که سرعت هوا کمتر است ، کاهش درجه حرارت هوا در حدود ٥-٦ درجه سانتيگراد بيشتر از سمت خارجي کانال ميباشد.که اين موضوع کاملا با مقادير اندازه گيري شده دماي هوا در دو سمت دهانه ورودي کمپرسور در هنگام تست کارايي سيستم فاگ انطباق دارد و مويد صحت نتايج مدلسازي ميباشد.
