پارامتر های موثر بر سیستم خلا کندانسور

۱- سیستم خلا کندانسور

به طور کلی سیستم خلا کندانسور مولد بخار سیکل ترکیبی متاثر از عملکرد برج خنک‌کن، کارایی اجکتورها و مشخصات بخار ورودی به توربین و نهایتا ورود به کندانسور می‌باشد که در بیشتر مواقع مانورهای زیادی در زمینه کنترل و مدیریت مصرف آب دیلوج برج، گاز برنرها و مصرف داخلی کلی نیروگاه از طرف اپراتورهای سیکل انجام می‌گیرد و از آنجایی که یکی از مهم‌ترین مشکلات شهرهای کویری تاثیرپذیری برج هلر از تغییرات شرایط محیطی نظیر سرعت و جهت وزش باد می‌باشد اولویت انجام مانور در شرایط و مقادیر مختلف سیستم خلا کندانسور بسیار حایز اهمیت می‌باشد.

۲- روش تهیه این مقاله

در این مقاله با بررسی و محاسبات روی بالغ بر 100 هزار دیتاهای مختلف واحد بخار در شرایط مختلف میزان وابستگی تولیدی مولد بخار به پارامترهای مختلفی چون فشار، دما و دبی بخار HP ورودی به توربین بخار و فشار، دما و دبی بخار LP ورودی به توربین و سیستم خلا کندانسور مورد بررسی قرار گرفت و میزان بار هر کدام از پارامترها مشخص گردید و در نهایت روش‌های مختلف کنترل سیستم خلا کندانسور در شرایط مختلف مورد تجزیه تحلیل و مقایسه قرار گرفت که به شرح زیر می‌باشد.

1-2- میزان وابستگی تولیدی به سیستم خلا کندانسور

طبق تجربه و مقادیر ثبت شده در مولدهای نیروگاه سیکل ترکیبی تقریبا به ازای کاهش هر ده میلی‌بار خلا کندانسور، تولیدی مولد بخار یک مگاوات کاهش می‌یابد یعنی اگر ما بتوانیم با حفظ شرایط قبلی سیستم خلا کندانسور را ده میلی‌بار با روش‌ها و راه‌حل‌های مختلف افزایش دهیم یک مگاوات به تولیدی واحد اضافه کرده‌ایم ولی توجه به این نکته بسیار حائز اهمیت است که مگاوات تولیدی مولد بخار رابطه غیرخطی با خلا کندانسور دارد به طوریکه هر چه خلا کندانسور از ۱۴۰ میلی‌بار بیشتر شود به صورت تصاعدی روی مگاوات اثر منفی خواهد گذاشت یعنی اگر خلاء از ۱۵۰ به ۲۰۰ میلی‌بار افزایش یابد تولیدی ۴ تا ۵ مگاوات کاهش می‌یابد ولی اگر خلاء از ۲۵۰ به ۳۰۰ میلی‌بار افزایش یابد مگاوات ۶ تا ۷ مگاوات کاهش می‌یابد.

ولی دو سوال در این زمینه پیش می‌آید:

١-با کدام روش و با چه هزینه‌ای یک مگاوات را بازگشت داده‌ایم؟

۲- با روش‌های عملی چقدر مگاوات تصحیح‌شده از مگاوات نامی فاصله گرفته است و یا به عبارت دیگر تا چه میزان هیت‌بالانس توربین را رعایت نموده‌ایم ؟

زیرا طبق مدارک و جداول شرکت زیمنس تولیدی مولد بخار به پارامترهای فشار، دما، و دبی بخار HP و LP و همچنین سیستم خلا کندانسور بستگی دارد که هر کدام از پارامترهای فوق در شرایط عملی ضریب تصحیحی را طبق فرمول‌های بخش ۲-۲ منتج می‌کند که می‌توان با استفاده از آنها ضریب تصحیح‌شده نهایی تولیدی مولد بخار را به دست آورد و با مگاوات عملی مقایسه نمود که فرمول‌های آن در بخش بعدی اشاره خواهد گردید.

۲-۲- معادلات رياضي هيت‌بالانس توربين بخار

F1: ضریب تصحيح فلوی بخار HP ورودی به توربین

F2: ضریب تصحيح دمای بخار HP

F31: ضریب تصحيح فشار بخار hp ورودی به توربین

البته ضریب تصحيح فشار HP (X) از روش زیر در محاسبات heat balance بدست می‌آید:

حال این عدد در معادله درجه دوم فوق ضرب خواهد شد.

F4: ضریب تصحيح فشار LP ورودی به توربین

F5: ضریب تصحيح دمای بخار LP ورودی به توربین

F6: ضریب تصحيح فلوی LP ورودی به توربین

F7: ضریب تصحيح سیستم خلا کندانسور

۳- روش‌های کنترل سیستم خلا کندانسور

۱: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از اجکتورها

۲: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از کنترل لورهای برج

۳: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از استارت پیک کولر

۴: تنظيم سیستم خلا کندانسور با استفاده از دیلوج کردن برج

۵: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از کاهش فلوی برنرها

۶: تنظيم سیستم خلا کندانسور با استفاده از خارج کردن سیستم فاگ واحدهای گازی

۷: تنظيم سیستم خلا کندانسور با استفاده از کاهش درصد دایورتور دمپر

۸: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از کاهش تولیدی مولد گازی

4- بررسی فنی و اقتصادی روش‌های کنترل سیستم خلا کندانسور

1-4: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از اجکتورها

یکی از مهم‌ترین تجهیزات کندانسورها اجکتورهای هولدینگ و هاگینگ می‌باشند که اجکتور هاگینگ وظیفه تامین خلاء مورد نیاز کندانسور را دارا می‌باشد و اجکتورهای هولدینگ باید خلاء را طبق جداول ترمودینامیکی نگه بدارند که مانور روی این اجکتورها یکی از اصلی‌ترین و پرکاربردترین مانورها می‌باشد ولی توجه به این نکته بسیار مهم می‌باشد که محیط کندانسور یک محیط کاملا اشباعی می‌باشد و تغییرات فشار آن باید متناسب با تغییرات دمای کندانسور باشد در نتیجه زمانیکه سیستم خلا کندانسور کاهش می‌یابد باید دو چیز را چک نمود:

الف: آیا فشار کندانسور با دمای کندانسور طبق جداول اشباع ترمودینامیکی با هم مطابقت دارند یا خیر ؟

ب: آیا اختلاف دمای بین کندانسور و HOTWELL وجود دارد یا خیر ؟

در صورتی که فشار و دمای کندانسور (خلاء) طبق جداول ترمودینامیکی مطابقت داشته باشد سیستم اژكتور صحیح عمل کرده و اگر در این حالت سیستم خلا کندانسور پایین باشد باید به هر طریقی دمای برج و نهایتا دمای کندانسور را پایین آورد زیرا در این حالت مانور تغییر روی اجکتورها کاملا کار بیهوده‌ای می‌باشد.

اگر فشار با دمای کندانسور مطابقت نداشته باشد در این صورت استارت اجکتور هاگینگ و تغییرات و چنج‌اجکتورهای هولدینگ کار مانور اثربخشی است که باید حتما توسط اپراتور انجام گیرد. و حالت سوم زمانی است که سیستم خلا کندانسور پایین باشد و اختلاف دما بین کندانسور و hotwell وجود داشته باشد در این حالت طبق مدارک و بررسی‌های انجام شده مشخص می‌گردد که میزان گازهای محتویات اکسیژن از مقدار مجاز بالاتر رفته و اجکتور کار اصلی خود را کامل انجام نمی‌دهد و لذا با توجه به اینکه این امر بیشتر در زمان بالا بودن دمای آب برگشتی از برج (65<T) اتفاق می‌افتد باید علاوه بر مانورهای لازم روی برج سطح آب کندانس شده در استیج‌های اژکتور را نیز تنظیم نمود تا اختلاف دما حداقل گردد بدیهی است با توجه به اینکه این مانور هیچ‌گونه مصرف انرژی را به دنبال نخواهد داشت در شرایط فوق‌الذکر می‌تواند یکی از اصلی‌ترین مانورها بوده و به بهبود سیستم خلا کندانسور کمک کند.

2-4: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از کنترل لورهای برج

برج هلر نیروگاه شامل شش عدد سکتور می‌باشد که در مجموع این سکتورها توسط ۱۰۸ ستون لوور احاطه گردیده است که این لوورها وظیفه حفاظت سکتورها در مقابل عوامل مختلف محیطی را بر عهده دارند در زمان تغییر شرایط محیطی نظیر سرعت و جهت باد و تغییر دمای محیط شرایط تقارن دمایی برج به هم خورده و درصد لوورها نیز متناسب با تغییرات دمای محیط تغییر می‌کند ولی نکته مهم در این زمینه لخت بودن سرعت تغییر درصد باز و بسته شدن لوورها در مقایسه با تغییر دمای آب برگشتی از برج می‌باشد که در نتیجه دمای آب بالا رفته و شرایط سیستم خلا کندانسور به سمت بحرانی، کاهش می‌یابد لذا جهت جلوگیری از این موضوع اپراتور باید قبل از سیستم کنترل درصد لوورها را تغییر داده تا از بالا رفتن دما جلوگیری کند بدیهی است که این مانور هیچ‌گونه ضرر فنی و اقتصادی نداشته لذا یکی از اولین و بدیهی‌ترین مانورهای بهره‌برداری در زمان کاهش سیستم خلا کندانسور می‌باشد طبق تجارب و بررسی‌های به عمل آمده مشاهده گردید که به ازای هر سه درجه کاهش دمای آب برگشتی از برج تقریبا ۳۰ تا ۴۰ میلی‌بار افزایش سیستم خلا کندانسور و در نهایت تقریبا ۲ تا ۳ مگاوات به تولیدی مولد اضافه می‌گردد. البته شرط دمای محیط نیز در این مقوله بسیار حایز اهمیت می‌باشد و به طور مثال اگر در دمای محیط بالای ۴۰ درجه دمای آب برگشتی از برج ۶۷ درجه باشد می‌توان سیستم خلا کندانسور را به میزان ۳۰ تا ۴۰ میلی‌بار افزایش داد ولی در دمای محیط ۳۰ درجه میزان افزایش سیستم خلا کندانسور کمتر خواهد بود ولی در هر صورت این مانورها به خاطر روتین بودن و مصرف نشدن هیچ‌گونه منبع انرژی یکی از مانورهای اصلی با اولویت بالا می‌باشد.

3-4: تنظيم سیستم خلا کندانسور با استفاده از استارت پیک کولر

در داخل برج خنک‌کن دو مجموعه پیک کولر با ۱۲ عدد فن کار گذاشته شده است که در بعضی مواقع مخصوصا در تابستان که سکتورهای برج کارایی لازم در مقابل تغییرات شرایط محیطی را ندارند این فن‌ها استارت شده و دمای آب برگشتی از برج را کاهش می‌دهد ولی نکته حائز اهمیت این است که در زمان استفاده از این فن‌ها به ازای هر فن ۳۷ کیلووات انرژی مصرف می‌کنیم. طبق بررسی‌های به عمل آمده مشاهده گردید که زمانی استفاده از پیک کولرها مقرون به صرفه می‌باشد که دمای محیط بالای ۳۷ درجه بوده و همچنین دمای برگشت از برج تقریبا بالای ۶۸ درجه باشد که در این صورت استارت فن‌های پیک کولرها در جهت نگه‌داشتن سیستم خلا کندانسور و کاهش آن در حدود ۱۰ میلی‌بار کمک می‌کند بنا به توضیحات فوق اولویت انجام این مانور جایگاه چندان بالایی نداشته و حتی‌الامکان باید به همراه سیستم ديلوج که در بخش بعدی به آن پرداخته می‌شود به کار گرفته شود.

4-4: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از دیلوج کردن برج

رادیاتورهای فن‌های پیک کولرها که در بند ۳-۳ به آنها اشاره گردید این قابلیت را دارا می‌باشند که با استفاده از پاشش آب روی رادیاتورها بتوان دمای آب برگشتی از برج را بیش از پیش کاهش داد که با توجه به موقعیت کویری استان و اهمیت بالای منابع آبی از این مانور باید بسیار با احتیاط عمل نمود طبق بررسی‌های به عمل آمده مشاهده گردید که در زمان استفاده از دیلوج تقریبا در هر ساعت ۷۰ الی ۸۰ مترمکعب آب مصرف می‌شود که این میزان مصرف آب در شهرهای کویری باید بسیار با احتیاط مصرف شود لذا با بررسی و محاسبات لازم در استفاده از پیک کولرها و سیستم دیلوج آنها به این نتیجه خواهیم رسید که عملا با در نظر گرفتن اهمیت مصرف آب استفاده از این سیستم در دماهای محیط زیر ۳۷ درجه و همچنین فشارهای زیر ۳۳۰ میلی‌بار کندانسور اصلا منطقی و مقرون به صرفه نمی‌باشد و از استارت آنها باید جلوگیری کرد ولی در شرایط بحرانی‌تر بناچار از آنها استفاده خواهد شد و نتیجه قابل قبولی نیز خواهد داشت.

تبصره ۱: تاثیرات استفاده از دیلوج و فن‌های پیک کولر را به طور کلی باید از جهات و پارامترهای مختلفی از قبیل وضعیت intermittent والوهای خروجی پیک کولرها، دمای خروجی پیک کولرها، استارت فن‌های پیک کولر و دبی آب عبوری از پیک کولر دنبال و پیگیری نمود که موضوع بحث کامل این مقاله نمی‌باشد ولی در یک جمع‌بندی کلی به این نتیجه خواهیم رسید که استفاده از فن‌های پیک کولرها بدون استفاده از دیلوج با توجه به مصرف ۳۷ کیلوواتی انرژی توسط هر کدام از فن‌ها بسیار با احتیاط باید انجام گیرد.

تبصره ۲:تا انجام این مانور که تقریبا مربوط به برج می‌باشد نمی‌توان روی هیت‌بالانس و میزان انحراف از شرایط ایده‌آل محاسبات و بررسی‌هایی انجام داد ولی مانورهای بعدی به دلیل اینکه پارامترهای ورودی به توربین را شدیدا تحت تاثیر قرار می‌دهد میزان انحراف از شرایط ایده‌آل نیز مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

5-4: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از کاهش فلوی برنرها

بویلرهای HRSG سیکل ترکیبی از سیستمADITIONAL-BURNER استفاده می‌کنند که این برنرها قابلیت دارند تا فلوی ۸۴۰ مترمکعب بر ساعت افزایش یابد و در مجموع به ازای افزایش کامل برنرها تقریبا ۲۰ مگاوات به تولیدی واحد بخار اضافه می‌شود.

که به عنوان مثال میزان تاثیر فلوی برنرها در جدول شماره سه آورده شده است همچنان که مشاهده می‌گردد هر مقدار که از میزان برنرها کاسته شود مگاوات تصحیح‌شده نیز از مگاوات نامی فاصله خواهد گرفت.

بدیهی است در شرایط بحرانی سیستم خلا کندانسور می‌توان با کاهش فلوی داکت برنرها شرایط بخار ورودی به توربین را در جهت افزایش سیستم خلا کندانسور تغییر داد ولی یک نکته بسیار مهم در این مانور این است که با تغییر فلوی برنرها فقط تولیدی واحد بخار تغییر می‌کند و هیچ‌گونه تغییری در تولیدی مولدهای گازی ایجاد نمی‌شود که این موضوع می‌تواند این مانور را در اولویت‌های بسیار بالایی قرار دهد یعنی اینکه می‌توان بدون مانور روی تولیدی واحدهای گازی تنها با کاهش درصدی از فلوی برنرها شرایط سیستم خلا کندانسور را بهبود بخشید جهت مقایسه و بررسی بیشتر تاثیرات فلوی برنرها در حالت‌های مختلف نظیر فول‌برنر، بدون برنر، برنر ۳۰۰، برنر ۵۰۰، و تک‌برنر محاسبات هیت‌بالانسی آن از طریق فرمول‌های شرکت زیمنس و بارهای پارامترهای مختلف انجام گرفت که گزیده‌ای از آن در جدول شماره سه آورده شده است لذا علی‌رغم اینکه اولویت انجام این مانور از نظر فنی و اقتصادی بالاتر از سیستم فاگ می‌باشد ولی سرعت انجام این مانور بسیار پایین می‌باشد یعنی مدت زمان کاهش برنرها از ۸۴۰ تا ۱۰۰ مترمکعب بر ساعت تقریبا ۴۵ دقیقه طول می‌کشد و در مواقعی که به دلایل مختلف کاهش ناگهانی سیستم خلا کندانسور را داشته باشیم این مانور به دلیل سرعت پایین واکنش کارساز نبوده که در موارد اضطراری می‌توان به صورت دستی در مدت زمان کوتاهی فلوی برنرها را کاهش داد ولی تنش حرارتی زیادی را به لوله‌های بویلر وارد می‌کند بر همین اساس حتی‌الامکان از انجام دستی این مانور باید خودداری کرد.

6-4: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از خارج کردن سیستم فاگ واحدهای گازی

سیستم فاگ یکی از روش‌های خنک‌کاری هوای ورودی کمپرسور توربین‌های گازی می‌باشد که تقریبا با مصرف ۱۰ مترمکعب بر ساعت ۱۰ مگاوات به تولیدی واحد بخار اضافه می‌کند و بطور کلی در یک بلوک سیکل ترکیبی جمعا ۲۵ مگاوات به تولیدی کل اضافه خواهد شد ولی یک نکته بسیار مهم در این زمینه وجود دارد و آن اینکه تقریبا در ۲۵ مگاوات افزایش تولیدی در بلوک سیکل ترکیبی ۵ تا ۶ مگاوات مربوط به افزایش واحد بخار می‌باشد در نتیجه در زمان کاهش بحرانی سیستم خلا کندانسور می‌توان با خارج کردن سیستم فاگ، تولیدی بخار را کاهش داده و به بهبود سیستم خلا کندانسور کمک نمود ولی همانطور که ذکر گردید جهت کاهش ۵ مگاوات تولیدی واحد بخار در اثر سیستم فاگ مجبوریم ۲۰ مگاوات واحد گازی را نیز از دست بدهیم که طبق محاسبات و بررسی‌های انجام گرفته این مانور از اولویت بالایی برخوردار نبوده زیرا جهت افزایش سیستم خلا کندانسور تولیدی زیادی را از دست خواهیم داد لذا میزان تغییرات پارامترهای مختلف و همچنین میزان انحراف از مگاوات نامی توربین بخار از حالت ایده‌آل و گارانتی در جدول شماره یک آورده شده است و همانطور که در جدول مشاهده می‌گردد در زمان استفاده از سیستم فاگ و زمان خارج بودن آن پارامترهای بخار HP و LP تغییر چندانی نمی‌کنند لذا خارج کردن سیستم فاگ زمانی که برنرها در مدار باشند اصلا مانور منطقی به نظر نمی‌رسد.

7-3: تنظیم سیستم خلا کندانسور با استفاده از کاهش درصد دایورتور دمپر

یکی از مانورهایی که روی پارامترهای بخار ورودی به توربین بسیار اثرگذار می‌باشد تغییر درصد باز بودن دایورتور دمپر می‌باشد که این موضوع یکی از حفاظت‌های سیستم کنترل توربین بخار نیز می‌باشد و در بعضی از شرایط از جمله شرط سیستم خلا کندانسور بویلر Run Back خورده و درصد دایورتور دمپر به روی ۸۰ درصد قرار می‌گیرد دو نکته مهم در انجام این مانور بسیار حائز اهمیت می‌باشد:

1- پایین آمدن قابل توجه ‌ست‌پوینت‌ تریپ توربین به واسطه کاهش فشار LP ورودی به توربین به طور مثال اگر ست‌پوینت تریپ توربین در هنگامی که دایورتور کاملا باز باشد ۵۰۰ میلی‌بار باشد به واسطه پایین آمدن درصد دایورتور دمپر تا ۸۰ درصد تقریبا این ست‌پوینت روی ۳۸۰ میلی‌بار قرار می‌گیرد و در ضمن درصد قابل توجهی از تولیدی را نیز از دست خواهیم داد.

۲- به خاطر هدر رفتن درصدی از گازهای خروجی مولدهای گازی راندمان كل سیکل کاهش می‌یابد.

نتیجتا طبق بررسی‌های انجام گرفته مشخص گردید که انجام این مانور از اولویت بالایی برخوردار نمی‌باشد و در خلاءهای بالای ۳۰۰ میلی‌بار اصلا منطقی نمی‌باشد که از این مانور استفاده کرد.

نتیجه‌گیری

1-در یک نگاه کلی طبق جدول شماره دو زمانی که ما بخواهیم به طور مثال تولیدی مولد را از ۱۳۱ به ۱۴۶ افزایش دهیم متوجه خواهیم شد که تغییرات پارامترهای LP تفاوت چندانی نخواهد کرد ولی باید به تغییرات پارامترهای HP حساس بود و مانورهایی را انجام داد که تاثیر بیشتری روی پارامترهای HP داشته باشد که در این خصوص مانور روی فلوی داکت برنرها بهترین و با اولویت‌ترین مانور می‌باشد.

۲- همانگونه که در جدول شماره یک مشاهده می‌گردد کاهش سیستم فاگ در زمان کاهش سیستم خلا کندانسور تغییر زیادی در پارامترهای بخار ایجاد نمی‌کند و تنها حدود ۴ مگاوات از تولیدی مولد بخار کاسته می‌گردد ولی جمعا ۲۵ مگاوات از تولیدی بلوک سیکل ترکیبی کاسته می‌شود که اصلا با توضیحات داده شده انجام این مانور اولویت نداشته و در زمان اضطرار باید از آن استفاده گردد.

۳-مانور روی لوورهای برج کاملا منطقی و باید در همه زمان‌ها از طرف بهره‌بردار انجام گیرد.

۴- مانور روی اجکتورها باید بر اساس در نظر گرفتن مشخصات دمایی و فشاری داخل کندانسور و مقایسه آنها با جداول ترمودینامیکی انجام گیرد.

۵- در تمامی حالات تولیدی تصحیح‌شده مولد بخار نباید از تولیدی گارانتی سیستم در حالات مختلف فاصله بگیرد.

جدول شماره دو:تاثیرات پارامترهای مختلف بر تولیدی مولد بخار در حالات مختلف

منبع: سيد مصطفي سيد تقي زاده،محسن اميري “مديريت مصرف منابع و توليد انرژي در زمان بحراني خلاء كندانسور نيروگاه سيكل تركيبي” بیست و چهارمین کنفرانس بین المللی برق