1- توربين گازي v94.2

مشخصات عملکردی توربین‌های گازی (توان تولیدی، راندمان، نرخ حرارت، مصرف سوخت، دمای گازهای خروجی و …) از عوامل متعددی تاثیر پذیرند. این تاثیر در برخی موارد باعث بهبود مشخصات عملکردی و در برخی دیگر باعث کاهش عملکرد می‌شوند. با توجه به این تاثیرات و جهت داشتن مبنای یکسان، سازندگان توربین گاز مشخصات عملکردی هر توربین گاز را بر اساس شرایط مرجع (استاندارد) ارائه می‌دهند. از طرفی بر اساس شرایط طراحی ساختگاه، منحنی‌های تصحیح ارائه و بدین ترتیب عملکرد متناسب با شرایط طرح را اعلام می‌دارند. با این حال برخی عوامل محیطی و عملیاتی سبب می‌شوند تا توربین گاز خارج از این نقطه کار مورد بهره‌برداری قرار گیرد که این امر باعث تغییر مجدد مشخصات عملکردی خواهد شد. در مقاله حاضر عملکرد یک مدل خاص از توربين گازي v94.2 که مدلی پر تعداد در سطح نیروگاه‌های کشور می‌باشد، به ‌طور موردی مورد بررسی و مطالعه قرار می‌گیرد.

٢. مشخصات توربين گازي v94.2 و روش تحلیل

تحلیل مذکور توسط شبیه‌سازی با نرم‌افزار ترموفلو که یکی از نرم‌افزارهای کاربردی در زمینه‌های نیروگاهی و فرایندی می‌باشد انجام شده است. توربین گاز مورد مطالعه توربين گازي v94.2 از نوع تک محوره و با دور ۳۰۰۰ دور بر دقیقه می‌باشد. در جدول 1 مشخصات نامی توربین گاز مذکور در شرایط استاندارد دمای محیط ۱۵ درجه سانتی‌گراد، فشار محیط bar۰۱۳/۱، رطوبت نسبی ۶۰٪ و با سوخت گاز متان خالص و بدون در نظر گرفتن افت فشار در ورودی هوا و خروجی اگزوز ارائه شده است.

جدول ۱: مشخصات نامی توربين گازي v94.2 مورد بررسی

پس از انجام تنظیمات مورد نیاز جهت تعریف مدل به نرم‌افزار در ماژول GT PRO از نرم‌افزار ترموفلو، مدل مذکور به ماژول GT MASTER ترموفلو انتقال و در آنجا تغییرات مورد نظر بر روی عوامل موثر بر عملکرد که ذیلا به آن‌ها اشاره خواهد شد به مدل اعمال و نتایج آن‌ها اخذ گردید.

3. عوامل موثر بر عملکرد توربين گازيv94.2

عوامل مختلفی مشخصات عملکردی توربین گاز را تحت تاثیر قرار می‌دهند. این عوامل را می‌توان به ‌صورت کلی در دو دسته طبقه‌بندی کرد. دسته اول عوامل اقلیمی و محیطی می‌باشند. دمای محیط، فشار محیط (ارتفاع از سطح دریای محل نصب توربین) و رطوبت محیط از عمده عوامل اقلیمی تاثیرگذار بر عملکرد توربین گاز هستند. دسته دوم عوامل عملیاتی می‌باشند که به شرایط و چگونگی بهره‌برداری از واحد مربوط می‌شوند. ساعت کارکرد واحد، افت فشار مربوط به مسیر هوای ورودی و خروجی که ممکن است ناشی از مواردی مانند گرفتگی فیلترها و سایر تجهیزات نصب شده در مسیر جریان باشد، رسوب‌گرفتگی پره‌های کمپرسور و در حالت کلی افت راندمان توربین و کمپرسور، نشتی‌های موجود در واحد، مد عملیاتی از واحد (به‌ عنوان مثال بار پایه، جزئی و یا اوج)، کیفیت سوخت و … از عواملی می‌باشند که باعث تغییر مشخصات عملکردی توربین گاز می‌شود.

۴. روابط حاکم بر مشخصات عملکردی توربين گازي v94.2

توان تولیدی، راندمان حرارتی و مصرف سوخت از مشخصات عملکردی اصلی واحدهای گازی می‌باشند. با توجه به کارکرد توربین گاز در چرخه ترمودینامیکی برایتون و روابط حاکم بر این چرخه توان تولیدی توسط توربوکمپرسور (توان تولیدی توسط توربين منهای توان مصرفی توسط کمپرسور) از رابطه زیر قابل محاسبه است:

که در این رابطه P₁ فشار ورودی، W_t کار توربین، R_a ضریب گاز کامل برای هوا،  دبی حجمی، T₁ دمای ورودی به کمپرسور، 𝜂_cis راندمان ایزنتروپیک کمپرسور، K_a نسبت گرماهای ویژه برای هوا، C_pa گرمای ویژه فشار ثابت هوا و P_rc نسبت تراکم کمپرسور می‌باشد.

راندمان حرارتی توربین گاز با رابطه زیر قابل بیان می‌باشد:

که در آن C_pg ضریب گرمای ویژه فشار ثابت محصولات احتراق، TIT دمای ورودی به توربین، _tis𝜂 راندمان ایزنتروپیک توربین، P_rt نسبت فشار توربین، K_g نسبت حرارت ویژه گازهای احتراق، C_pb متوسط گرمای ویژه فشار ثابت در اتاق احتراق و 𝜂_b راندمان احتراق می‌باشد. از طرفی مطابق تعریف راندمان حرارتی عبارتست از نسبت کار اخذ شده از سیکل به انرژی داده شده (حرارت) به سیکل و بنابراین:

در عبارت فوق LHV ارزش حرارتی پائین سوخت و F دبی جرمی سوخت می‌باشد. بنابراین نرخ مصرف سوخت عبارت خواهد بود از:

عوامل موثر بر عملکرد باعث تغییر پارامترهای روابط فوق شده و در نتیجه مشخصات عملکردی تغییر خواهد کرد. به‌ عنوان مثال افزایش دمای محیط باعث افزایش پارامتر T₁ در رابطه ۱ شده و در نتیجه توان تولیدی (N) کاهش خواهد یافت.

۵. تاثیر عوامل محیطی بر عملکرد توربين گازي v94.2

در شکل ۱ تاثیر دمای محیط بر توان خروجی و راندمان واحد مورد مطالعه در بارهای مختلف نشان داده شده است. همانطوریکه در این منحنی مشخص است تغییرات دما تاثیرات شدیدی بر این دو مشخصه عملکردی دارد شدت تاثیرات در مورد راندمان تقریبا برای تمامی بارهای واحد یکسان اما در مورد تاثیر توان شدت تاثیرات در بارهای بالا به ‌مراتب بیشتر می‌باشد.

شکل 1: تاثیر تغییرات دمای محیط بر توان خروجی و راندمان توربين گازي v94.2 در بارهای مختلف

 در شکل ۲ تاثیر دمای محیط بر مصرف سوخت و نرخ حرارتی واحد ملاحظه می‌شود. در درصد بار ثابت با افزایش دمای محیط مصرف سوخت کاهش می‌یابد که علت آن کاهش توان تولیدی واحد می‌باشد که تاثیری منفی تلقی می‌شود لذا معیار مناسب‌تر برای مصرف سوخت پارامتر نرخ حرارت می‌باشد که نشان‌دهنده سوخت مورد نیاز به ازای تولید واحد انرژی می‌باشد. همانطوریکه در نمودارهای شکل ۲ مشاهده می‌شود با افزایش دمای محیط در بار ثابت نرخ حرارت افزایش می‌یابد و بنابراین برای تولید واحد انرژی سوخت بیشتری مصرف خواهد شد و باعث بهینه نبودن تولید خواهد گردید.

شکل ۲: تاثیر تغییرات دمای محیط بر مصرف سوخت و نرخ حرارت در بارهای مختلف توربين گازي v94.2

منحنی‌های شکل‌های ۳ و ۴ به ترتیب نشان‌دهنده تاثیرات فشار و رطوبت محیط بر توان تولیدی و نرخ حرارت واحد مورد مطالعه می‌باشند. تاثیر فشار بر توان تولیدی به ‌صورت رابطه مستقیم می‌باشد و کاهش آن باعث کاهش توان تولیدی می‌شود این تاثیر در بارهای بالا شدیدتر می‌شود. تاثیر فشار بر نرخ حرارت جزئی بوده و فقط در بارهای پائین خود را نشان می‌دهد. تاثیر رطوبت بر توان تولیدی و نرخ حرارت در بازه مورد مطالعه بسیار جزئی بوده است. این عدم تغییر به ‌واسطه ثابت نگه‌داشتن دما می‌باشد و در صورتیکه رطوبت باعث کاهش دما گردد در این صورت منجر به افزایش توان خواهد شد که از این مکانیزم در کولرهای تبخیری که یکی از روش‌های افزایش توان است استفاده می‌شود.

شکل ۳: تاثیر تغییرات فشار محیط بر توان تولیدی و نرخ حرارت در بارهای مختلف توربين گازي v94.2

شکل ۴: تاثیر تغییرات رطوبت نسبی بر توان تولیدی و نرخ حرارت در بارهای مختلف توربين گازي v94.2

۶. بررسی تاثیر عوامل عملیاتی بر عملکرد توربين گازي v94.2

با توجه به نیاز مصرفی واحدهای گازی در برخی موارد علاوه بر بار پایه ممکن است در بارهای جزئی (میانی) نیز بهره‌برداری شوند. بهره‌برداری در بارهای جزئی باعث کاهش راندمان و افزایش نرخ حرارت واحد خواهد شد. شکل ۵ نشان‌دهنده این تاثیرات است.

شکل ۵: نرخ حرارت و راندمان در درصد بارهای مختلف توربين گازي v94.2

کاهش دبی هوای ورودی به سیکل یکی دیگر از عوامل عملیاتی موثر بر عملکرد می‌باشد. نحوه تاثیر این عامل بر عملکرد در شکل ۶ ارائه شده است.

شکل 6: تاثیر کاهش هوای ورودی بر توان تولیدی و نرخ حرارت توربين گازي v94.2

برخی موارد مانند نشتی هوا، رسوب‌گرفتگی و کثیفی پره‌ها باعث افت راندمان کمپرسور می‌شود. در شكل 7 تاثیر کاهش راندمان کمپرسور بر عملکرد واحد نشان داده شده است. شستشوی کمپرسور طی دوره‌های تعریف شده توسط سازنده باعث بهبود راندمان کمپرسور می‌گردد.

شكل ۷: تاثیر کاهش راندمان کمپرسور بر توان تولیدی و نرخ حرارت توربين گازي v94.2

مقایسه بهترین و بدترین حالت توربين گازي v94.2

در بررسی تاثیرات عوامل ذکر شده در فوق عامل مورد نظر تغییر داده شده و بقیه پارامترها بدون تغییر و در حالت استاندارد ثابت نگه داشته می‌شدند. در این قسمت تمامی عوامل ذکر شده در فوق در بدترین حالت به مدل اعمال و عملکرد حاصل با عملکرد واحد در حالت استاندارد مقایسه می‌شود. در جدول ۲ شرایط عوامل ذکر شده در فوق برای مدل در دو حالت مذکور ارائه شده و در شکل ۸ نتایج حاصل و عملکرد مدل در این دو حالت نشان داده شده است.

شکل ۸: مقایسه عملکرد در بدترین حالت مورد مطالعه و حالت استاندارد

جدول ۲: شرایط اعمالی به مدل در دو حالت بدترین و استاندارد

اختلاف موجود بین دو حالت فوق قابل توجه می‌باشد حداکثر اختلاف توان تولید شده در دو حالت ذکر شده حدود ۵۰ مگاوات می‌باشد که رقم قابل توجهی می‌باشد. این بدان معنی است که اگر نیروگاهی دارای ۳ واحد از نوع مورد مطالعه در این مقاله باشد در صورت بهره‌برداری از این واحدها در شرایط ذکر شده عملا معادل دو واحد حالت استاندارد توان تولید خواهد کرد! حداکثر اختلاف نرخ حرارت بین دو حالت نیز در حدود kwh/kj۸۰۰۰ می‌باشد. به عبارت دیگر برای تولید ۱ کیلووات ساعت انرژی، ۸۰۰۰ کیلوژول اختلاف مصرفی بین دو حالت خواهد بود. این اختلاف در حداقل مقدار خود حدود ۱۰۰۰ کیلوژول می‌باشد. با در نظر گرفتن این مقدار حداقل و با فرض اینکه این واحد یک ماه به ‌طور متوسط با توان ۱۰۰ مگاوات کار کند و با در نظر گرفتن قیمت ۸۰ تومان برای هر مترمکعب گاز با یک حساب سرانگشتی رقمی حدود ۱۷۰ میلیون تومان فقط اختلاف هزینه ماهیانه سوخت بین دو حالت خواهد بود.

۷. اعتباردهی به مدلسازی

صحه‌گذاری به مدلسازی انجام شده به ‌وسیله مقایسه نتایج حاصل از مدلسازی با مقادیر واقعی انجام گردید این مقادیر تجربی از مستندات ارائه شده توسط سازنده توربین گاز مذکور و گزارشات آزمون‌های عملکردی واحد مورد مطالعه استخراج شده است. در جدول ۳ مقایسه مذکور ملاحظه می‌شود. همانطوریکه در این جدول ملاحظه می‌شود مقادیر حاصل از شبیه‌سازی و مقادیر مبتنی بر مستندات توربین گاز بسیار نزدیک به هم هستند.

جدول ۳: مقایسه نتایج حاصل از مدلسازی با مستندات توربين گازي v94.2

مورد مطالعه

۸. نتیجه‌گیری

شناسایی عوامل کاهنده عملکرد و نیز عوامل افزاینده مصرف انرژی این واحدها و جلوگیری از این عوامل در این نیروگاه‌ها حائز اهمیت می‌باشد. دما و فشار محیط از عوامل اقلیمی می‌باشند که تاثیر بسزائی در افزایش یا کاهش توان تولیدی و افزایش نرخ حرارت خواهد شد. فشار محیط تاثیر عکس داشته و کاهش آن منجر به کاهش توان تولیدی و افزایش نرخ حرارت خواهد شد. لذا مطالعه در شرایط اقلیمی مناطق مورد نظر جهت نصب این واحدها و مکان‌یابی اقلیمی مناسب جهت نصب توربین گاز از اهمیت ویژه‌ای برخوردار می‌باشد. علاوه بر عوامل محیطی، عوامل عملیاتی نیز بر عملکرد این نیروگاه‌ها تاثیرگذارند. با توجه به بررسی انجام شده بهره‌برداری از این واحدها در بارهای پایه دارای عملکرد بهتری بوده و از نرخ حرارتی آن‌ها می‌کاهد. همچنین با برنامه‌ریزی مناسب تعمیراتی و بازدیدهای دوره‌ای به ‌موقع و با از بین بردن عوامل مضری مانند افت فشار در مسیر هوا و نیز شستشوی به‌ موقع پره‌های کمپرسور می‌توان از کاهش دبی هوای ورودی و نیز افت راندمان کمپرسور که نقش بسزائی در کاهش عملکرد توربین گاز دارند جلوگیری به عمل آورد.

منبع: حسین اصغري فریاد،  منا مسعودي، علیرضا نقی پوران “بررسی تاثیر کارکرد در خارج از نقطه کار بر عملکرد توربین گاز” پنجمین کنفرانس ملی نیروگاه های برق –اهواز – 1391