زیاد طول کشیده است؟ صفحه بارگذاری را ببندید.

بررسی سیکل برایتون در توربین گازیV94.2

0

سیکل برایتون در توربین گازی، سیکل ایده‌آل برای توربین گازی ساده به شمار می‌رود. سیال عامل آن هوا بوده که در محفظه احتراق

(Combustion chamber) می‌تواند با سوخت گاز یا مایع مخلوط گردد. یک نمای شماتیک از توربین گازی ساده دارای سیکل باز

در شکل (۱) نشان داده شده است.

شکل (۱): سیکل باز یک توربین گاز

در سیکل باز از فرآیند احتراق داخلی و در سیکل بسته از فرآیند انتقال حرارت استفاده می‌شود.

سیکل برایتون در توربین گازی از چهار فرآیند برگشت‌پذیر داخلی تشکیل می‌شود که این فرآیندها عبارتند از:

۱) تراکم آیزنتروپیک در کمپرسور

۲) انتقال حرارت فشار ثابت در Combustion chamber

۳) انبساط آیزنتروپیک در توربین

۴) انتقال حرارت فشار ثابت در مبدل حرارتی (برای سیکل باز این مرحله وجود ندارد و حرارت از طریق اگزوز تلف می‌شود.)

توربین‌های گاز واقعی، به علت برگشت‌ناپذیری‌های موجود در کمپرسور و توربین و افت فشار سیال در معابر جریان و محفظه احتراق

با توربین‌های گاز ایده‌آل تفاوت دارند. در توربین گازی، هوا بعد از عبور از مسیر air intake (سامانه‌ای جهت فیلتراسیون هوای

ورودی) در نقطه ۱ وارد کمپرسور جریان محوری شده و به فشارهای بالاتر فشرده می‌شود. وجود یک دیفیوزر در انتهای کمپرسور

می‌توان به افزایش بیشتر فشار کمک کند. در سیکل ایده‌آل، برای ثابت ماندن آنتروپی نباید در این مرحله هیچ انتقال حرارتی وجود

داشته باشد. تراکم باعث افزایش دما و فشار و در نتیجه آنتالپی هوا شده و سپس در نقطه ۲ هوا وارد محفظه احتراق می‌گردد. در

محفظه احتراق، سوخت به درون هوا پاشش شده و احتراق رخ می‌دهد.

اگرچه در سیکل ایده‌آل بایستی فرآیند احتراق در فشار ثابت اتفاق بیفتد اما در سیکل واقعی توربین گاز V94.2 بين ۱۵۰ تا ۲۰۰

میلی‌بار افت فشار وجود دارد. محفظه احتراق به گونه‌ای طراحی شده که علاوه بر احتراق، با ایجاد مسیرهای عبور هوای کمپرسور

وظیفه‌ی مخلوط کردن، رقیق‌سازی و خنک‌کاری را نیز انجام می‌دهد. در مرحله بعد، سیال عامل دارای فشار و دمای بالا در نقطه ۳

وارد توربین می‌شود. در بخش توربین، انرژی گازهای داغ به کار تبدیل می‌شود و باقیمانده انرژی از طریق اگزوز دفع می‌شود.

یکی از ویژگی‌های برجسته سیکل برایتون در توربین گازی، بزرگی مقدار کار کمپرسور در مقایسه با کار توربین بوده به طوری که بین

۴۰ تا ۸۰ درصد کار خروجی توربین صرف راندن کمپرسور می‌شود. این موضوع در توربین‌های واقعی اهمیت بیشتری می‌یابد زیرا بر

اثر افت‌ها با کاهش بازده‌های کمپرسور و توربین، بازده کلی به شدت افت می‌کند. در واقع اگر این بازده‌ها به کمتر از ۶۰ درصد برسند،

تمام کار تولید توربین توسط کمپرسور مصرف شده و بازده کلی به صفر می‌رسد. توربین‌های گازی ساده واقعی معمولاً بازدهی کمتر از

۴۰ درصد را دارا می‌باشند و دمای بین ۴۰۰ تا ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد خروجی توربین نشان‌دهنده اتلاف قابل توجه انرژی می‌باشد.

از دیگر اشکالات مهم توربین گازی، کاهش بیشتر بازده آن در بارهای زیر base–load می‌باشد. به عنوان مثال، در بار ۵۰ درصد و ۳۰

درصد، بازده به ترتیب به حدود ۷۵ درصد و ۵۰ درصد بازده نامی می‌رسد. اصلاحاتی نظیر به کارگیری پره‌های IGV (Inlet guide

vane) می‌تواند بازده توربین گازی را در بارهای جزئی (Part load) بهبود ببخشد. همچنین استفاده از بازیاب، گرمایش مجدد و

سردکن میانی، بازده کلی سیکل برایتون را تا حدی افزایش می‌دهند. از آنجایی که دفع حرارت زیاد از اگزوز توربین راندمان آن را تا

زیر ۳۵ درصد پایین می‌آورد سیکل‌هایی که قابلیت بازیافت گرما از اگزوز را داشته باشند، از قبیل سیکل ترکیبی و …، می‌توانند تا حد

زیادی راندمان و توان تولیدی را بهبود ببخشند. بنابراین روش‌های افزایش راندمان و توان تولیدی از قبیل به کارگیری بازیاب،

گرمایش مجدد و سردکن میانی می‌تواند مورد بررسی قرار گیرد. در حال حاضر، برای تولید توان در مقیاس بالا برتری تکنولوژی سیکل

ترکیبی در مقایسه با سایر تکنولوژی‌های بهینه‌سازی توربین گاز محرز می‌باشد. اما برای تولید توان در مقیاس‌های پایین‌تر از ۵۰

مگاوات، نصب یک نیروگاه با پیچیدگی کمتر صرفه‌ی اقتصادی بهتری دارد. در این بازه‌ی تولیدی، نیروگاه‌های سیکل ترکیبی اگرچه

راندمان بالاتری دارند، معمولاً دارای هزینه‌های سرمایه‌گذاری بیشتر و تولید الکتریکی کمتری هستند.

پره‌های IGV به علت تنظیم هوای ورودی، می‌توانند بازده توربین را در بارهای پایین‌تر از بار base بهبود ببخشند. همچنین یکی از

راه‌های افزایش توان تولیدی و راندمان، اجرای +IGV می‌باشد. این سیستم، با افزایش زاویه پره‌های IGV میزان دبی هوای ورودی را

افزایش داده و در نتیجه توان تولیدی افزایش می‌یابد.

در این مقاله سیکل واقعی و ایده‌آل توربین‌ گازی V94.2 ورژن +MAP2 واحدهای یک و دو در یک نیروگاه سیکل ترکیبی مورد

بررسی قرار می‌گیرد. بدین منظور با استفاده از داده‌های به دست آمده در زمان تست کارایی و نیز بعد از اجرای +IGV، سیکل توربین

گازی شبیه‌سازی شده و پارامترهای ترمودینامیکی موثر بر آن مورد تحلیل قرار می‌گیرد. با فرض سیال عامل به صورت گاز ایده‌آل و با

استفاده از جداول ترمودینامیکی و روابط مربوطه، آنتروپی سیال عامل در چهار نقطه ورودی و خروجی کمپرسور و توربین محاسبه

شده و نمودار دما-آنتروپی (T-S) سیکل توربین گازی در زمان تست کارایی و نیز بعد از اجرای +IGV رسم می‌گردد. سپس با فرض

آیزنتروپیک بودن فرایند تراکم در کمپرسور و انبساط در توربین، دمای خروجی کمپرسور و توربین برای سیکل ایده‌آل برایتون توربین

گازی محاسبه گشته و نمودار دما-آنتروپی آن رسم می‌گردد. سپس در مورد روش‌های افزایش بازده و توان توربین توضیحاتی ارائه می‌شود.

شبیه‌سازی توربین گازی +MAP2/V94.2

در این بخش، سیکل واقعی و ایده‌آل توربین‌ گازی V94.2 ورژن +MAP2 واحدهای یک و دو این نیروگاه سیکل ترکیبی مورد بررسی

قرار می‌گیرد. بدین منظور با استفاده از داده‌های به دست آمده در زمان تست کارایی و بعد از اجرای +IGV، سیکل توربین گازی

شبیه‌سازی شده و پارامترهای ترمودینامیکی موثر بر آن مورد تحلیل قرار می‌گیرد. در این بخش آنتروپی سیال عامل با فرض آن به

صورت گاز ایده‌آل محاسبه شده و نمودار دما-آنتروپی (T-S) سیکل واقعی و ایده‌آل گازی رسم می‌گردد. با فرض سیال عامل به صورت

گاز ایده‌آل هوا و با استفاده از جداول ترمودینامیکی برای گاز ایده‌آل، آنتروپی استاندارد سیال عامل در فشار ۱bar در چهار نقطه

ورودی و خروجی کمپرسور و توربین به دست می‌آید. بدین منظور از روش میان‌یابی استفاده می‌گردد. با استفاده از معادلات گیبز،

رابطه تغییر آنتروپی یک گاز ایده‌آل، به دست می‌آید:

که S آنتروپی، Cp0 گرمای ویژه در فشار ثابت، R ثابت گاز، T دما و P فشار گاز ایده‌آل می‌باشند. با انتگرال‌گیری و جایگزینی آنتروپی

استاندارد به دست آمده از جداول ترمودینامیکی در رابطه (۱)، رابطه‌ای جهت محاسبه آنتروپی سیال عامل به دست می‌آید:

که Sn آنتروپی سیال عامل در نقطه nاُم سیکل در دما و فشار مربوطه بر حسب kJ/kgK، S*n آنتروپی استاندارد سیال عامل در نقطه

nاُم سیکل، R ثابت گاز (سیال عامل) بر حسب kJ/kgK، Pn فشار سیال عامل در نقطه nاُم سیکل بر حسب کیلوپاسکال می‌باشد.

برای بررسی سیکل ایده‌آل توربین گازی، با فرض آیزنتروپیک بودن فرایند تراکم در کمپرسور و انبساط در توربین، دمای خروجی

کمپرسور و توربین برای سیکل ایده‌آل برایتون توربین گازی محاسبه می‌گردد. بدین منظور با برابر قرار دادن آنتروپی سیال عامل در

خروجی کمپرسور با آنتروپی در ورودی کمپرسور و نیز آنتروپی در خروجی توربین با آنتروپی ورودی توربین، و استفاده از رابطه (۳)

آنتروپی استاندارد سیال در فشار ۱bar به دست می‌آید:

سپس با استفاده از جداول ترمودینامیکی و میان‌یابی آنتروپی استاندارد به دست آمده از رابطه (۳)، دمای آیزنتروپیک سیال عامل در

نقاط خروجی کمپرسور و توربین، به ترتیب T2s و T4s، محاسبه می‌گردد.

جدول شماره ۱ پارامترهای ترمودینامیکی مربوط به توربین گازی واحد یک و دو نیروگاه سیکل ترکیبی چادرملو، در زمان تست کارایی،

را نشان می‌دهد. با جایگزینی مقادیر مربوطه در روابط (۲) و (۳)، نمودار دما-آنتروپی سیکل واقعی و ایده‌آل توربین گازی به دست می‌آید.

شکل (۳) و (۴) نمودار دما-آنتروپی سیکل واقعی و ایده‌آل توربین گازی واحد یک و دو این نیروگاه را نشان می‌دهد. برای تحلیل

راحت‌تر مسیر سه به چهار بسته شده هرچند در سیکل‌های باز این مسیر بایستی باز باشد. از آنجایی که در سیکل واقعی فرآیندها به

صورت برگشت‌ناپذیر انجام می‌شوند، موقعیت حالاتی که سیستم از آنها عبور می‌کند، دقیقاً مشخص نیست. بنابراین فرایندهای

برگشت‌ناپذیر با خط‌چین و برگشت‌پذیر با خط پر نمایش داده شده‌اند. بنابراین سطح زیر خطوط خط‌چین، نمایش‌دهنده‌ی کار یا

حرارت نیستند. بنابراین از این نمودارها نمی‌توان کار با بازده را محاسبه کرد اما از آنجایی که نقاط ورودی و خروجی کمپرسور و

توربین به صورت دقیق محاسبه می‌شوند، می‌توان یک شمای کلی از کارکرد صحیح توربین را مدنظر قرار داد. بنابراین افزایش انحراف

سیکل واقعی از سیکل ایده‌آل در بازه‌های زمانی مختلف، نمایش‌دهنده‌ی ایجاد اختلال در کارکرد صحیح توربین می‌باشد که از طریق

بررسی نمودار دما-آنتروپی می‌توان ناحیه ایجادکننده اختلال را مشخص نمود. همانگونه که مشاهده می‌شود فرایند تراکم و انبساط

در کمپرسور و توربین به علت آدیاباتیک نبودن و افزایش آنتروپی از فرایند آیزنتروپیک ایده‌آل فاصله گرفته است. هر مقدار این

فاصله افزایش یابد، نمایش‌دهنده‌ی افزایش تلفات حرارتی و فرار هوای داغ می‌باشد که منجر به کاهش توان و راندمان توربین

می‌گردد. به عنوان مثال اگر سایش بیش از حدی در یکی از مراحل کمپرسور اتفاق افتاده باشد، میزان انحراف در این نمودار بیشتر

خواهد بود. فاصله‌ی ایجاد شده بین دو نمودار در ناحیه محفظه احتراق نشان‌دهنده افت فشار حدود ۱۵۰ تا ۲۰۰ میلی‌بار می‌باشد.

همین موضوع در اگزوز نیز مشاهده می‌شود.

جدول (۲) پارامترهای ترمودینامیکی توربین گازی ۱ و ۲ نیروگاه بعد از اجرای +IGV را نشان می‌دهد. مقدار ثابت گاز به علت تغییرات

ناچیز آن، دمای ورودی توربین محدودیت‌های متریال پره و تغییرات ناچیز برابر با زمان تست کارایی فرض شده است. همچنین فشار

خروجی توربین به علت عدم وجود نمایش‌دهنده‌ی فشار در اگزوز و تغییرات ناچیز آن نسبت به فشار محیط، از رابطه‌ی زیر محاسبه شده است:

که P4 فشار خروجی توربین و P1 فشار ورودی کمپرسور می‌باشد. از اطلاعات تست کارایی P حدوداً برابر ۲۵/۲ کیلوپاسکال فرض

شده است. همچنین فشار ورودی توربین از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

که P3 فشار ورودی توربین، P2 فشار خروجی کمپرسور و Pcombustion chambers افت فشار محفظه احتراق می‌باشد.

شکل (۴) و (۵) نمودار دما-آنتروپی واحد یک و دو گازی قبل و بعد از اجرای +IGV را نشان می‌دهد. همانگونه که مشاهده می‌شود

بعد از اجرای +IGV شیب فرایند تراکم در کمپرسور بیشتر و به فرایند آیزنتروپیک نزدیک‌تر شده است. مساحت داخل نمودار

نشان‌دهنده‌ی میزان کار و توان خروجی می‌باشد. بعد از اجرای +IGV توان تولیدی افزایش می‌یابد و علت کمتر بودن مساحت داخل

نمودار بعد از اجرای +IGV نسبت به قبل از آن، دمای بالاتر محیط در زمان داده‌برداری می‌باشد که منجر به کاهش توان تولیدی شده است.

برای افزایش راندمان و توان تولیدی (مساحت داخل نمودار) از سه روش می‌توان استفاده کرد

  1. افزایش دمای ورودی توربین که توسط متریال پره‌های ردیف اول توربین محدود می‌شود.

۲. افزایش نسبت فشار در کمپرسور که با افزایش تعداد مراحل کمپرسور قابل دسترسی است.

  1. افزایش راندمان توربین و کمپرسور از طریق نزدیک‌تر کردن فرایند آن به فرآیند آیزنتروپیک که با تلرانس دقیق‌تر پره‌ها جهت جلوگیری از فرار هوای داغ و یا اجرای +IGV قابل دسترسی است.

۴. اضافه کردن اصلاحاتی به سیکل اصلی از قبیل بازیاب، سردکن میانی و گرمایش مجدد.

جدول شماره ۱: پارامترهای ترمودینامیکی توربین گازی ۱ و ۲ نیروگاه سیکل ترکیبی در زمان تست کارایی

جدول شماره ۱: پارامترهای ترمودینامیکی توربین گازی ۱ و ۲ نیروگاه بعد از اجرای IGV+

شکل (۲): نمودار دما-آنتروپی سیکل واقعی و ایده‌آل واحد یک گازی نیروگاه

شکل (۳): نمودار دما-آنتروپی سیکل واقعی و ایده‌آل واحد دو گازی نیروگاه

شکل (۴): نمودار دما-آنتروپی واحد یک گازی قبل و بعد از اجرای +IGV

شکل (۵): نمودار دما-آنتروپی واحد یک گازی قبل و بعد از اجرای +IGV

نتیجه‌گیری:

بررسی سیکل برایتون در توربین گازی

این تحقیق، روشی جدید را برای پایش وضعیت توربین‌های گازی ارائه می‌دهد. با رسم نمودار دما-آنتروپی سیکل واقعی و محاسبه

سیکل ایده‌آل توربین و مقایسه آنها، میزان انحراف و نقاط منحرف شده از سیکل ایده‌آل مشخص می‌شود. این روش می‌تواند به

یافتن ناحيه دارای اختلال که منجر به کاهش توان تولیدی شده کمک کند. به عنوان مثال افزایش فاصله‌ی تراکم در کمپرسور از فرایند

آیزنتروپیک، نشان‌دهنده‌ی افزایش فرار گازهای داغ بوده که منجر به کاهش مگاوات تولیدی می‌گردد. همچنین با رسم نمودار دما-

آنتروپی توربین گازی بعد از اجرای +IGV، مشخص می‌گردد که این سیستم، فرایند تراکم را به فرایند آیزنتروپیک نزدیک‌تر و بازده

آیزنتروپیک کمپرسور را افزایش می‌دهد.

 

منبع: امیرحسین اسحاقیه فیروزآبادی، رضا بای “پایش وضعیت توربین گازی v94.2  از طریق برآورد سیکل واقعی و ایده آل”

ششمین همایش کاربران V94.2

 

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.