زیاد طول کشیده است؟ صفحه بارگذاری را ببندید.

بررسی انواع روش‌های خنک کاری هوای ورودی توربین گاز

0

روش‌های متعددی در راستای سرمایش هوای ورودی به توربین‌های گازی به کار رفته است. به طور کلی روش‌های خنک کاری با دسته‌بندی زیر قابل معرفی می‌باشند:

  • خنک‌کاری تبخیری
  •   – پدهای تبخیری
  •   – سیستم‌های فاگ
  • خنک‌کاری با چیلرهای تراکمی و جذبی
  • سرمایش با سیکل مایسوتسنکو

خنک کاری هوای ورودی توربین گاز به وسیله کولر تبخیری

کولر تبخیری یکی از کم‌هزینه‌ترین روش‌های کاهش دمای هوای ورودی در فصل گرم و برای مناطق با رطوبت نسبی پایین می‌باشد. عملکرد کولر تبخیری به شدت متأثر از اختلاف دمای تر و دمای هوای ورودی می‌باشد هر چه این اختلاف بیشتر باشد پتانسیل خنک‌کاری بیشتر خواهد بود. همچنین بسته به میزان رطوبت هوا حداقل دمای کولرهای تبخیری می‌تواند ۱۰ -۱۶ درجه باشد.

پایین‌تر از این دماها امکان تشکیل یخ در ورودی‌های مرطوب وجود دارد. کولرهای تبخیری که در زمینه تولید قدرت استفاده می‌شوند عموما عملکرد بین ۶۰ تا ۸۵ درصدی دارد. محاسبه عملکرد کولر از رابطه زیر می‌توان کمک گرفت:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازاستفاده از کولر تبخیری زمانی توجیه‌پذیر است که ارزش توان تولیدی از هزینه اولی و هزینه‌های تعمیر و نگهداری کولر بیشتر شود. آب مورد استفاده در کولرهای تبخیری باید تصفیه ‌شده باشد و از لحاظ آلاینده‌های نمکی و یون‌های مختلف که امکان ایجاد رسوب دارند در شرایط کنترل‌شده و استانداردی قرار داشته باشند. وجود یون‌های مختلف در آب باعث ایجاد الکترولیت و رسوب در داخل کولر می‌شود بعلاوه یون‌هایی که بخار با خود حمل می‌کنند می‌تواند باعث ایجاد رسوب روی پره‌های کمپرسور شود. که در صورت زیاد بودن یون‌های مضر باید از ورود آب به کمپرسور جلوگیری به عمل آید.

خنک کاری هوای ورودی توربین گاز به وسیله سیستم فاگ

در این ‌روش با اسپری آب به ورودی کمپرسور توسط نازل‌های مخصوصی درجه حرارت هوای ورودی را به طور محسوس پایین می‌آوریم که باعث افزایش قدرت می‌شود. با خنک‌کاری هوا، چگالی هوا بیشتر می‌شود که در نتیجه قدرت خروجی بالاتر می‌رود. خنک‌کاری با روش پاشش آب به دو طریق انتقال حرارت و جرم می‌باشد یعنی هوا و آب در تماس با یکدیگر به علت اختلاف درجه حرارت و فشار با یکدیگر تبادل جرم و حرارت می‌نمایند. در این پروسه حرارت از هوا به آب در حال تبخیر (انتقال حرارت) و بخار آب به هوا (انتقال جرم) منتقل می‌گردد. این ‌روش در رطوبت‌های بالا غیر قابل استفاده است و تأثیر چندانی بر عملکرد توربین گاز ندارد زیرا با این ‌روش هوا در یک فرآیند آنتالپی ثابت به دمای مرطوب محيط نزدیک می‌شود. بنابراین اگر دمای مرطوب محیط بالا باشد این ‌روش بازده لازم را دارا نیست.

این تبخیر، باعث خنک شدن هوای داخل کمپرسور شده، به علاوه این فرآیند منجر به کاهش دمای هوای خروجی از کمپرسور می‌شود لذا برای جبران آن سوخت بیشتری در محفظه احتراق مصرف می‌شود ولی در نهایت به خاطر افزایش دبی جرمی عبوری از توربین کار خالص افزایش می‌یابد. میزان آب تزریقی وابسته به نقطه سرج کمپرسور و نقطه استال و راندمان احتراق است و بر اساس پارامترهای عملکردی کمپرسور و محفظه احتراق تنظیم می‌شود. نشستن ذرات ریز آب روی پره کمپرسور سبب تغییر هندسه پره‌ها می‌شود و این مسئله خط سرج کمپرسور را می‌تواند تحت‌الشعاع قرار دهد. لذا آب تزریقی باید با فشار و دمای مناسب تزریق شود تا امکان باقی ماندن ذرات آب روی پره‌های کمپرسور به حداقل برسد. یکی از مسائل مهم پیرامون تزریق آب داخل کمپرسور مسئله تشکیل یخ در روزهای سرد سال است لذا استفاده از فیلترهای هوایی مناسب می‌تواند از ورود ذرات یخ به داخل کمپرسور جلوگیری کند.

خنک کاری هوای ورودی توربین گاز به وسیله چیلر تراکمی

در این ‌روش با استفاده از چیلر تراکمی هوای ورودی به کمپرسور خنک می‌شود. چیلر تراکمی از کمپرسور تبخیرکننده تقطیرکننده و شیر انبساط تشکیل شده است. در این سیستم مایع مبرد در تبخیرکننده گرما را از منبع سرد گرفته و به بخار تبدیل می‌شود بخار حاصل به کمپرسور وارد شده و در آنجا متراکم می‌شود و سپس در تقطیرکننده حرارت را دفع می‌نماید و پس از افت فشار در شیر انبساط به تبخیرکننده بازمی‌گردد. ورودی چیلر تراکمی از انرژی الکتریکی تولیدی توربین گاز استفاده می‌نماید از معایب این سیستم مصرف بالای انرژی الکتریکی می‌باشد همان‌طور که گفته شد روش پاشش آب به ورودی کمپرسور برای مناطق گرم و خشک کاربرد دارد و در مناطق با رطوبت بالا پاسخگو نیست. همچنین در این ‌روش مصرف سوخت سیکل افزایش می‌یابد. عمده‌ترین اشکال در این سیکل خوردگی در ورودی کمپرسور می‌باشد.

خنک کاری هوای ورودی توربین گاز به وسیله چیلر جذبی

در این ‌روش با وارد کردن گاز خروجی توربین دز یک بویلر بازیاب بخار تولید می‌شود و بخار تولیدی به مصرف چیلر جذبی می‌رسد. آب سرد شده در چیلر جذبی از درون مبدل حرارتی عبور کرده و جریان هوای ورودی به کمپرسور را خنک می‌نماید با توجه به این‌که انرژی موردنیاز از سیکل جذبی از انرژی گاز خروجی توربین تامین می‌گردد و این سیستم از تولید توان توربین استفاده نمی‌نماید پس از نظر اقتصادی دارای بیشترین راندمان است.

سرمایش با سیکل مایسوتسنکو

سیکل مایسوتسنکو از ساختاری شبیه کولرهای تبخیری غیرمستقیم بهره می‌برند اما تفاوت‌های فراوان بین آن‌ها سبب می‌شود که سیکل ترمودینامیکی جدیدی خلق بشود. این سیکل اجازه می‌دهد که دمای محصول تا دمایی پایین‌تر از دمای حباب ‌تر و حتی نزدیک به دمای نقطه شبنم جریان هوای کاری خنک شود. سیکل مایسوتسنکو از پتانسیل موجود در گرمای نهان‌ تبخیر گازها بهره می‌برد.

مبدل ‌های مایسوتسنکو متقاطع

       شکل ۱ چارت سایکرومتریک یک مبدل مایسوتسنکو      |     شکل ۲ برش عرضی از یک مبدل مایسوتسنکو با منافذی در طول مبدل

چارت سایکرومتریک حاکم بر مبدل‌های مایسوتسنکو را می‌توان در شکل ۱ مشاهده نمود. این یکی از انواع مبدل‌های از این نوع می‌باشد که می‌تواند افت فشار درون مبدل را به طور چشمگیری کاهش دهد ایجاد منافذی در طول کانال هوای کاری می‌باشد. با این ‌روش دمای جریان هوای کاری خروجی به اندازه دمای هوای ورودی بوده و در حالت اشباع می‌باشد و هوای محصول نیز به دمای نقطه شبنم خود رسیده است. نمایی از برش عرضی این مبدل را به صورت شماتیک می‌توان در شکل ۲ مشاهده نمود.

میزان ظرفیت سرمایشی برای این حالت به صورت زیر می‌باشد:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازموازنه انرژی برای حالت ایده‌آل به صورت زیر می‌باشد:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازاین نکته قابل توجهی است که عملکرد ترمودینامیکی سیکل اساساً به شدت تحت تأثیر هوای ورودی می‌باشد چرا که پایین‌ترین دمایی که هوای محصول می‌تواند به آن دست یابد دمای نقطه شبنم جریان کاری می‌باشد و بالاترین دمایی که هوای جریان کاری به آن می‌رسد همان دمای ورودی می‌باشد.

معادلات حاکم در خنک کاری هوای ورودی توربین گاز

ابتدا به بررسی و معرفی توربین روابط و فرایندهای توربین گاز می‌پردازیم. سپس به روابط حاکم بر هوا و روابط سایکرومتریک پرداخته می‌شود. در انتها به روابط و فرضیات حاکم برای هر یک از سیستم‌های سرمایش می‌پردازیم.

توربین گاز:

سیکل حاکم بر توربین‌های گازی متشکل از چهار فرایند برگشت‌پذیر زیر می‌باشد:

۱-۲ تراکم آدیاباتیک آیزنتروپیک

۲-۳ احتراق فشار ثابت

۳-۴ انبساط آدیاباتیک آیزنتروپیک

۴-۱ دفع حرارت در فشار ثابت

ذکر آدیاباتیک به طور معمول در توربوماشین‌ها به معنای این است که هیچ اتلاف حرارتی‌ای به محیط اتفاق نمی‌افتد.

با توجه به آشفتگی‌های جریان و همین‌طور اصطکاک فرایندها برگشت‌پذیر نیستند از این‌رو در راستای تبیین مشخصات دقیق خروجی کمپرسور و همین‌طور توربین راندمان آیزنتروپیک معرفی می‌گردد که از روابط زیر به دست می‌آیند:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازدر راستای مدل‌سازی فیزیکی توربین گاز فرضیات و معادلاتی به شرح زیر برقرار می‌باشد:

کمپرسور:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازفشار ورودی به توربین

همان‌طور که در معادلات بالا می‌توان مشاهده کرد در عمل می‌توان این فشار را تقریبی از فشار در نقطه خروجی از کمپرسور دانست در حالی‌که افت فشار محفظه احتراق شامل آن شده است که این میزان cc𝜉 چیزی نزدیک به ۳ درصد می‌باشد.

فشار خروجی از توربین

به عنوان یک قاعده فشار خروجی از توربین از رابطه زیر به دست می‌آید:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازدر رابطه ۱۴، C یک مقدار ثابت بوده که حدود آن را bar۰٫۰۳ در نظر می‌گیرند.

حرارت مخصوص هوا و گازهای حاصل از احتراق

میزان حرارت مخصوص هوا و گازهای حاصل از احتراق در فشار ثابت بر اساس دمای متوسط فرایند تراکم و یا انبساطی که در کمپرسور و توربین اتفاق می‌افتد تعیین می‌گردد. بعد از مشخص کردن Cp خواهیم داشت:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازCp از رابطه ۱۷ تا ۲۰ حاصل می‌شود. و Tg، Ta به دمای متوسط فرایند تراکم یا انبساط برمی‌گردد.

به این ترتیب داریم:

برای Ta کمتر از ۸۰۰ کلوین داریم:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازبرای Ta بزرگ‌تر از ۸۰۰ کلوین داریم:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازمصرف سوخت ویژه به وسیله رابطه زیر مشخص می‌شود.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازراندمان حرارتی توربین گاز نیز از رابطه زیر به دست می‌آید.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازدر این پژوهش فرض بر این بوده است که IGV یا دریچه ورودی هوا ۱۰۰ درصد باز بوده و سیستم‌های کنترلی دمای ورودی به توربین گاز به وسیله‌ی تنظیم دبی سوخت ثابت نگه داشته شده است. خلاصه‌ای از پارامترهای کارکردی توربین در جدول ۱ آمده است: همان‌طور که پیش‌تر گفته شد توربین مورد بررسی از نوع V94.2 زیمنس می‌باشد که دارای توان نامی ۱۵۹ مگاواتی بوده و نسبت فشار ۱:۱/۱۱ داراست.

خنک کاری هوای ورودی توربین گاز V94.2 به وسیله سیستم‌های تبخیری و فاگ

این سیستم‌ها با توجه به این‌که دارای چه راندمان حباب ‌تری هستند و با توجه به این‌که فرایند انجام شده در آن‌ها از نوع حباب ‌تر ثابت بوده وضعیت خصوصیات هوای خروجی مشخص می‌گردد. در این راستا می‌توان از رابطه ۲۴ بهره برد که میزان راندمان حباب ‌تر برای سیستم‌های تبخیری ۰٫۸۵ و میزان این راندمان برای سیستم‌های فاگ به میزان ۰٫۹۵ در نظر گرفته شده است.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازخنک کاری هوای ورودی توربین گاز V94.2 به وسیله سیستم‌های cycleM

این نوع از مبدل‌ها توانمندی این را دارند که هوا را در دمایی پایین‌تر از دمای حباب ‌تر بدون اضافه کردن هیچ‌گونه رطوبتی به کمپرسور تحویل دهند. در حال حاضر این مبدل‌های اتمسفریک از فیبرهای سلولوزی باروکشی از پلی‌اتیلن ساخته شده است.

بر اساس آزمایش که انجام شده راندمان حباب‌ تر این نوع از مبدل‌ها بین ۱۱۰ تا ۱۲۲ درصد بود و راندمان نقطه شبنم نیز بین ۵۵ تا ۸۵ درصد می‌باشد. دمای خروجی از این مبدل را با فرض راندمان نقطه شبنم ۶۵/۰، می‌توان از رابطه زیر با در نظر گرفتن به دست اورد:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازخنک کاری هوای ورودی توربین گاز V94.2 به وسیله چیلرهای جذبی و تراکمی

در این سیکل میزان بار حرارتی که از جریان هوای محیط گرفته می‌شود از طریق قانون اول ترمودینامیک از رابطه زیر به دست می‌آید.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازدر چیلرهای تراکمی از یک مبرد و یا آب در راستای تبرید بهره برده می‌شود. از جمله نقاط منفی استفاده از این سیستم نیاز به میزان توان خروجی بسیار بالا از نوع الکتریسیته جهت راه‌اندازی کمپرسور و همین‌طور پمپ‌ها می‌باشد. روابط بالا برای این نوع از چیلرها نیز کارایی دارد. میزان توان موردنیاز برای چیلرها از رابطه زیر به دست می‌آید:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازکه در رابطه ۲۵، COP ضریب عملکرد چیلرهای می‌باشد که برای چیلرهای تراکمی بین ۳٫۵ تا ۵٫۵ بوده و برای چیلرهای جذبی بین ۰٫۶ تا ۱٫۱ می‌باشد. در این پایان‌نامه با توجه به مقاله‌ها و پژوهش‌های انجام‌شده مقدار ضریب عملکرد چیلرهای جذبی ۰٫۷۵ و این میزان برای چیلرهای تراکمی ۴٫۲۵ در نظر گرفته شده است.

نتایج بررسی انواع روش های خنک کاری هوای ورودی توربین گاز V94.2

در این قسمت به ارائه بررسی‌های انجام‌گرفته درباره شرایط موجود توربین گاز V94.2 با توجه به شرایط آب و هوایی یزد پرداخته شده است. اطلاعات جمع‌آوری شده بر اساس اطلاعات مربوط به تست عملکردی توربین گاز مپنا می‌باشد. اطلاعات و شرایط آب و هوایی برای شهر یزد به صورت میانگین ماهانه برای هر ساعت در نظر گرفته شده است. از این‌رو برای هرماه ۲۴ داده مربوط به شرایط دمایی و رطوبت با توجه به داده‌های هواشناسی در نظر گرفته شده و در مجموع برای ۱۲ ماه ممکن ۲۸۸ داده استخراج شده است که این عمل برای جلوگیری از ازدیاد حجم اطلاعات و انجام کارهای تکراری شده است.

اثر دمای ورودی بر توان خروجی توربین گاز

همان‌طور که در طول این پژوهش بارها اشاره گردید کاهش درجه هوای ورودی میزان توان خروجی و راندمان سیکل را تحت تأثیر قرار می‌دهد چراکه طی فرایند سرمایش هوای ورودی وزن مخصوص هوا کاهش می‌یابد و در نتیجه دبی جرمی عبوری از سیکل افزایش می‌یابد و به دنبال این افزایش دبی جرمی کار کل سیکل نیز افزایش می‌یابد. نمودار زیر نمایی از دمای هوای محیط به صورتی که قبلاً در مقاله ذکر شد در ماه‌های مختلف می‌باشد.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازشكل ۳ دمای ورودی به کمپرسور توربین گاز

همان‌طور که در شکل ۳ نیز مشخص است می‌توان مشاهده کرد که با استفاده از سیستم‌های سرمایشی می‌توان دمای هوای محیط را به طور محسوسی کاهش داد سیستم‌های سرمایش چیلری به طور نسبی بیشترین کاهش دما را دارند بعد از آن‌ها سیستم مایسوتسنکو و بعد از آن سیستم‌های فاگ و تبخیری در این رتبه‌بندی قرار دارند. حال به بررسی اثرات این کاهش دما می‌پردازیم:

خنک کاری هوای ورودی توربین گازشکل ۴ تغییرات توان خروجی توربین گازی

حال به بررسی میزان توان خروجی از توربین گاز در حالت‌های بدون سیستم سرمایش و با استفاده از سیستم‌های سرمایشی می‌پردازیم. برای این منظور به بررسی توان خروجی توربین در حالت نامی و در شرایط مستقر در سایتی در یزد و در حالاتی که از سیستم‌های سرمایشی استفاده شده است می‌پردازیم. نتایج بررسی را می‌توان در شکل ۴ مشاهده نمود. همان‌طور که مشخص است میزان توان خروجی در سیستم‌های چیلری از همه بالاتر و بعد از آن سیستم مایسوتسنکو و فاگ و در انتها سیستم پدهای تبخیری قرار دارند. با توجه به قیمت هر یک از این تجهیزات ابتدا به بازگشت سرمایه آن‌ها در شکل ۵ اشاره می‌نماییم. در این شکل می‌توان مشاهده کرد که هر سیستم چه میزانی هزینه برای نصب و راه‌اندازی دارد و مدت زمان بازگشت سرمایه آن چقدر است.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازشکل ۵ نتایج اقتصادی سیستم‌های مختلف

نتایج شکل ۵ در نتیجه راه‌اندازی سیستم سرمایشی در دمای ۱۵ درجه سانتی‌گراد حاصل شده است. همان‌طور که از جداول بالا مشخص است سیستم‌های تبخیری و سیکل سرمایش مایسوتسنکو از مدت زمان بازگشت سرمایه فوق‌العاده‌ای برخوردار هستند از جمله دلایل این امر می‌توان به شرایط اقلیمی شهر مورد بررسی اشاره نمود. در شکل ۶ میزان افزایش توان و راندمان حرارتی برای سیستم‌های مختلف به نمایش گذاشته شده است همان‌طور که مشخص است چیلرهای جذبی بیشترین درصد افزایش را داشته و بعد از آن بهترین وضعیت به سیستم مایسوتسنکو اختصاص دارد.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازشکل ۶ میزان افزایش راندمان حرارتی و توان در سیستم‌های مختلف

در ادامه روند بررسی‌های مربوط به این پژوهش به بررسی اثر دمای شروع به کار سیستم می‌پردازیم. در این قسمت نتایج مدت زمان بازگشت سرمایه برای دماهای راه‌اندازی در بازه ۱۰ تا ۱۸ درجه سانتی‌گراد استخراج شده است و در شكل ۷ می‌توان آن را مشاهده نمود.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازشکل ۷ اثر دمای شروع به کار سیستم

اثر ظرفیت سرمایشی سیستم‌ها یکی از موارد بسیار مهم در این بررسی می‌باشد چرا که میزان ظرفیت سرمایشی تأثیر مستقیمی در افزایش توان خروجی دارد و همین‌طور با توجه به افزایش قیمت خرید سیستم‌ها میزان بازگشت سرمایه آن‌ها دست‌خوش تغییر شود. لذا در شکل ۸ به بررسی این مورد پرداخته شده است.

خنک کاری هوای ورودی توربین گازشکل ۸ اثر ظرفیت سرمایشی سیستم‌ها

نتیجه ‌گیری

در این مقاله به بررسی استفاده از سیستم‌های سرمایشی مختلف در راستای سرمایش هوای ورودی کمپرسور توربین گاز پرداخته‌شده است. در روش فوق‌الذکر در شرایط آب و هوایی شهر یزد با در نظر گرفتن این‌که سیستم‌های نمونه در دماهای بالای ۱۵ درجه سانتی‌گراد شروع به کار کند داده‌های فوق استخراج گردیده است. استفاده کردن از روش‌های سرمایش هوای ورودی برای کشور ایران از این حیث که بیشتر دارای اقلیم گرم و خشک می‌باشد و همین‌طور این مسئله که فشار و دمای محیط در نقاطی که اکثر توربین‌های گازی نصب شده‌اند با فشار و دمای طراحی در راستای تأمین ظرفیت نامی متفاوت است بسیار ضروری می‌نماید. در ماه‌های گرم سال اختلاف توان تولیدی با توان نامی بسیار محسوس می‌شود. از این‌رو که ما در فصل‌های گرم سال با مشکلات جدی در تأمین برق موردنیاز شبکه داریم و این‌که دمای زمین هرساله رو به گرم‌تر شدن می‌رود، این مسئله می‌تواند راهکاری مناسب در راستای مقابله با مشکلات باشد.

علاوه بر موارد فوق‌الذکر این مسئله که یکی از اهداف و سیاست‌گذاری‌های کشور افزایش راندمان واحدهای موجود و استفاده حداکثری از سوخت طبیعی مصرفی می‌باشد با اقداماتی از این دست می‌توان گام مهمی را در این راستا برداشت. با توجه به داده‌های استخراج شده و با در نظر گرفتن این‌که اقلیم آب و هوایی مورد بررسی گرم و خشک بود و شهر یزد مورد بررسی قرار گرفته بود مطابق انتظار سیستم‌های سرمایش تبخیری از کارایی بهتر و بیشتری برخوردار هستند. اما در این میان با توجه به ظهور سیکل مایسوتسنکو و توانمندی‌های شگفت‌انگیز آن می‌توان گفت که این سیستم قابلیت‌های چشمگیری در افزایش توان خروجی از توربین با هزینه‌ای معقول را داراست. میزان درصد افزایش توان این سیکل ۱۵٫۳۸ درصد بود و با توجه به این امر و قیمت قابل قبول این سیستم مدت بازگشت سرمایه آن نیز در حدود ۰٫۷ سال به دست می‌آید البته این نتایج و این میزان از افزایش توان با توجه به داده‌های آب و هوایی شهر یزد حاصل شده است.

منبع:

یاشار فراستی، علی سوهانی، حسین صیادی “بررسی اثرات استفاده از ستمیس ها هوای یساز خنک مختلف ی ورودی به کمپرسور توربین گاز در شهر یزد” سومین کنفرانس بین المللی یافته های نوین علم و تکنولوژی

ارسال یک پاسخ

آدرس ایمیل شما منتشر نخواهد شد.