۱- عمر مفید توربین گازی
اجزای توربین گاز، همواره تحت تاثیر تنشهای بالای مکانیکی ناشی از دوران و تنشهای بالای حرارتی ناشی از احتراق گازها هستند.
هر دو عامل فوق، منجر به فعال شدن مکانیزمهای مختلف تخریب و آسیب اجزای ماشین میگردند.
در واقع نحوه بهرهبرداری از ماشین تاثیر زیادی بر واماندگی قطعات ماشین و بالطبع، هزینههای تعمیر و نگهداری آن دارد.
خستگی واماندگی عمده در ماشینهایی است که به تعداد دفعات زیاد روشن و خاموش میشوند، در حالیکه خزش و خوردگی به عنوان عوامل اصلی در ماشینهای با کارکرد پیوسته شناخته میشود.
در چرخه عمر بهرهبرداری از یک نیروگاه گازی، بعد از هزینههای سوخت، هزینههای نگهداری و تعمیرات توربین، بیشترین هزینه یک نیروگاه گازی است که حدود ۴۰ تا ۷۰ درصد از این هزینهها، صرف تعمیر یا تعویض قطعات داغ توربین میگردد.
این قطعات شامل اجزای محفظه احتراق، پرههای ثابت و دوار توربین و … میشوند که در معرض گاز داغ قرار دارند.
انجام این هزینهها یک اجبار در برنامه نگهداری و تعمیرات توربین است و هدف آن افزایش قابلیت اطمینان و در دسترس بودن توربین میباشد.
منتهی این هزینهها، متاثر از شرایط بهرهبرداری و مکانیزمهای تخریب قطعات ناشی از آن، تغییرات زیادی دارد.
در واقع مالک و بهرهبردار نیروگاه گازی در برنامه نگهداری و تعمیر توربین خود، از یکسو بدنبال کاهش هزینههای تعمیراتی و از سوی دیگر بیشینه کردن در دسترس بودن ماشین میباشند.
از اینرو تمرکز بر شرایط بهرهبرداری از توربین، آگاهی از مکانیزمهای تخریب قطعات و نیز شناخت اجزای متاثر از فعال شدن این مکانیزمها، بسیار مهم است.
از آنجا که عمر توربین در ارتباط مستقیم با مکانیزمهای تخریب و واماندگی است، ارتباطی نزدیکبین مکانیزمهای تخریب و ساعت معادل وجود دارد.
منتهی معیار ساعت کارکرد معادل که برای پایش وضعیت توربین، عمر قطعات و بدست آوردن بازه تعمیراتی بسیاری از توربینهای گاز مورد استفاده قرار میگیرد، کلی میباشد ولی برای بررسی دقیقتر مکانیزمهای تخریب نیاز به طبقهبندی عوامل و بررسی اثرات آنها میباشد.
در این مطالعه، تلاش شده است که یک معیار جدید پایش وضعیت و ارزیابی سلامت توربین گازی ارایه گردد، به گونهای که هم با چارچوب معیار کلی ساعت کارکرد معادل توربین گازی همخوانی و هماهنگی داشته باشد و هم عوامل تخریب قطعات و اثرات آنها طبقهبندی گردد.
این معیار جدید، رژیم بهرهبرداری از توربینهای گازی میباشد که به عنوان مورد کاوی، روی ناوگان توربینهای گازی V94.2 مورد بررسی قرار گرفته است.
۲- مکانیزمهای تخریب و عمر مفید توربین گازی
همانگونه که اشاره شد، عمده قطعات توربین در دمای بالا و تحت تنشهای بالا هستند.
در چنین شرایطی مکانیزمهای تخریب مختلفی فعال میشوند که در ادامه به برخی از رایجترین این مکانیزمها اشاره میشود:
۱) خزش
خزش تغییر فرم پایدار در دماهای بالا که غالباً به دو طریق در عملکرد ماشین ایجاد اشکال میکند:
الف) در اثر خزش قطعات دچار تغییر شکل میشوند و این تغییر شکل عملکرد قطعه را دچار اشکال میکند یا در اثر تغییر شکل پوشش آن دچار ریختگی میشود.
ب) کرنشهای خزشی افزایش پیدا میکنند به گونهای که منجر به جوانهزنی ترک میگردد. این پدیده در عملکرد پیوسته ماشین فعال است.
۲) خستگی کم چرخه
خستگی کم چرخه منجر به جوانهزنی ترک میگردد. این پدیده در روشن و خاموش کردن ماشین یا زمان تریپ خوردن ماشین اتفاق میافتد.
۳) خستگی پر چرخه
خستگی پر چرخه منجر به جوانهزنی ترک میگردد. این پدیده در عملکرد پیوسته ماشین فعال است.
۴) شوکهای حرارتی
شوکهای حرارتی منجر به تغییر شکلهای الاستیک یا پلاستیک پیشبینی نشده، جوانهزنی و رشد ترک میگردد. این پدیده در روشن و خاموش کردن ماشین یا زمان تریپ خوردن ماشین اتفاق میافتد.
۵) خستگی حرارتی-مکانیکی
خستگی حرارتی-مکانیکی منجر به جوانهزنی ترک میگردد. این پدیده در روشن و خاموش کردن ماشین یا زمان تریپ خوردن ماشین اتفاق میافتد.
۶) خوردگی
خوردگی کیفیت سطح را از بین میبرد. به واسطه خوردگی میزان مادهای که بار تحمل میکند به تدریج کاهش مییابد و نهایتا ترک جوانهزنی و رشد میکند. این پدیده در عملکرد پیوسته ماشین فعال است.
۷) سایشهای ناشی از ارتعاشات حین عملکرد عادی
سایشهای ناشی از ارتعاشات حین عملکرد عادی باعث از بین رفتن ماده و در مواردی جوانهزنی ترک میگردد. این پدیده در عملکرد پیوسته ماشین فعال است.
۸) سایشهای ناشی از استارت-استاپ
سایشهای ناشی از استارت-استاپ باعث از بین رفتن ماده و در مواردی جوانهزنی ترک میگردد. این پدیده در روشن و خاموش کردن ماشین یا زمان تریپ خوردن ماشین اتفاق میافتد.
9) بریتل شدن مواد
بریتل شدن مواد در اثر قرار گرفتن ماده در معرض دمای بالا، ماده به تدریج بریتل میشود. این پدیده در عملکرد پیوسته ماشین فعال است.
3- عوامل بهرهبرداری و عمر مفید توربین گازی
موارد عملکردی که بر عمر مفید توربین گازی تاثیر میگذارند به شرح زیر است
- تعداد استارتها
- تعداد دفعات بارگیری سریع
- تغییرات سریع دما مانند تغییر پلهای بار یا load rejection
- ساعات کاری در بار پایه یا کمتر
- ساعات کاری در بار بیشتر از بار پایه
- نوع و آنالیز سوخت
- پاشش یا عدم پاشش آب
هر یک از موارد عملکردی بالا منجر به فعال شدن یا شتاب گرفتن تعدادی از مکانیزمهای واماندگی اشاره شده میشوند.
با بررسی موارد فوق میتوان به این نتیجه رسید که علاوه بر تعداد دفعات روشن و خاموش شدن ماشین، عواملی مانند بارگیری سریع و تغییرات سریع دما، اثراتی مشابه روشن و خاموش کردن ماشین دارند.
و به عبارت دیگر، منجر به واماندگیهایی مانند خستگی کم چرخه، شوک حرارتی و سایش ناشی از روشن و خاموش کردن ماشین میشود.
۴- معیارهای تعیین عمر مفید توربین گازی
طراحان توربینها و شرکتهای سازنده این توربینها معمولاً دو دیدگاه، برای مشخص کردن تاثیر عوامل بهرهبرداری بر عمر مفید توربین گازی و تعیین برنامه نگهداری و تعمیرات توربین پیش رو گرفتهاند.
در ادامه توضیح مختصری از این دو روش که توسط شرکتهای زیمنس آلمان و جنرال الکتریک آمریکا، مورد استفاده قرار گرفته است، ارایه میگردد.
4-1- معیار عمر مفید توربین گازی در شرکت آلمانی زیمنس
این شرکت، از فرمول ساعت کارکرد معادل توربین (EOH) که در استاندارد ISO 3977-9 نیز به آن اشاره شده است، برای معیار عمر مفید توربین گازی و رژیم بهرهبرداری از توربینهای خود استفاده میکند.
در این فرمول کلیه عواملی که بر عمر ماشین تاثیر میگذارند، بدون توجه به نوع آنها، با اعمال ضرایبی با یکدیگر جمع میشوند.
فرمول ساعت معادل در زیر آورده شده است.
علاوه بر آن شرکت زیمنس معیاری برای سقف تعداد استارتهای ماشین در یک دوره دارد.
به عنوان مثال در توربین گازی V94.2 معیار تعمیر توربین ۳۳ هزار ساعت معادل یا ۱۲۵۰ استارت در نظر گرفته شده است.
- teq: ساعت معادل
- nl: تعداد استارتها
- al: ضریب استارت (برابر ۱۰)
- n2: تعداد بارگیری سریع
- a2: ضریب بارگیری سریع (برابر ۱۰)
- ti: ساعت معادل ناشی از تغییرات سریع دما
- n: تعداد تغییرات ناگهانی دما
- t1: ساعت کاری در مقدار بار پایه یا کمتر از آن
- b1: ضریب بار پایه و کمتر (برابر 1)
- t2: ساعت کاری بیش از بار پایه
- b2: ضریب بار بیش از بار پایه (برابر ۴)
- f: ضریب سوخت (بین ۱ تا ۴ متغیر است.)
- w: ضريب تزریق آب یا بخار (مقدار آن بسته به دبی تزریق شده است.)
بر اساس این استاندارد ۷ رژیم بهرهبرداری مختلف تعریف شده است. که این رژیمها در زیر آورده شدهاند:
- A:full-load continuous
- B: utility-base load
- C: Utility intermediate
- D: alternating base and peak
- E: daily cycling
- F: utility-peaking
- G: emergency standby
از مهمترین مشکلات استفاده از این روش میتوان به موارد ذیل اشاره نمود:
- همپوشانی برخی از رژیمهای بهرهبرداری ارایه شده بر اساس تعریف استاندارد آنها
- عدم پوشش کل ناوگان گازی تحت پایش بر اساس طبقهبندی هفتگانه رژیمهای بهرهبرداری استاندارد و قرارگیری تعدادی از توربینهای گازی در خارج از این طبقهبندی
- رژیمهای بهرهبرداری، بر اساس عملکرد سالانه توربین تعریف شدهاند و نمیتوان بر اساس آنها به وضعیت کلی توربین از ابتدا تا زمان بررسی رسید.
- نمیتوان ارتباط مناسبی بین عیوب دیده شده و رژیمهای بهرهبرداری مختلف برقرار کرد. به عنوان مثال تفاوت زیادی بین عیوب مشاهده شده در daily cycling و utility-peaking وجود ندارد یا عیوب مشاهده شده در continuous full-load و utility-base load مشابه هستند.
- در معیار ساعت کارکرد معادل توربین، اگرچه اثر تجمعی کلیه عوامل مخرب دیده شده است اما مکانیزمهای تخریب که با یکدیگر متفاوت هستند، از هم جدا نشدهاند و این عوامل به واسطه ضرایبی با یکدیگر جمع شدهاند.
4-2- معیار عمر مفید توربین در شرکت جنرال الکتریک
روشهای ارائه شده توسط شرکت جنرال الکتریک با روش قبلی متفاوت است و در این معیار، اثر تفکیکی مکانیزمهای تخریب قطعات در آن دیده شده است.
در این مدل ، از دو عامل اصلی استفاده شده است.
عامل اول ساعت کارکرد توربین و عامل دوم تعداد استارتهای توربین میباشد.
مزیت این رویکرد این است که میتوان عواملی که منجر به فعال شدن مکانیزمهای واماندگی مختلف میشوند را به دو دسته تقسیم کرد و ارتباط بهتری بین واماندگیها و عوامل ایجادکننده آنها برقرار نمود.
در واقع در این معیار، روش بررسی وضعیت بهرهبرداری از توربین از حالت تکبعدی ساعت کارکرد معادل به حالت دوبعدی ساعت کارکرد و استارت تغییر ماهیت میدهد.
در نمودار شکل 1، سه رژیم بهرهبرداری به صورت کیفی توسط خطوط آنها نشان داده شدهاند که میتوانند به عنوان یک الگوی مناسب جهت استخراج یک رژیم بهرهبرداری از توربین مورد استفاده قرار گیرند.
شکل 1: مدل ارائه شده توسط جنرال الکتریک برای بازرسی و عمر مفید توربین گازی
۵- معیار رژیم بهرهبرداری توربین گازی
عمر مفید توربین گازی، مطابق معیار ارائه شده در استاندارد ISO 3977-9 مورد پایش و ارزیابی قرار میگیرد.
برنامه نگهداری و تعمیرات توربین نیز مطابق همین استاندارد اجرا و سوابق توربین ثبت و نگهداری میشود.
اما همانطور که اشاره شد، برای مکانیزمهای واماندگی دو منشا کاملاً متفاوت از هم وجود دارد که در صورت تمرکز بر یک معیار کلی مانند EOH، نمیتوان ارتباط خوبی بین مشاهدات مکانیکی و این معیار برقرار کرد.
به منظور دستهبندی مشاهدات و برقراری یک ارتباط بین مشاهدات و شیوه بهرهبرداری توربین، یک معیار جدید در گروه مپنا به عنوان سازنده توربین گازی ارائه شده است که ساختار و شاکله این معیار، تلفیقی از دو معیار ذکر شده میباشد.
در این معیار جدید، سه ناحیه رژیم بهرهبرداری توربین گازی معرفی شده است که مشاهدات و مکانیزمهای واماندگی در هر یک آنها متفاوت است.
فرمول ساعت کارکرد معادل توربین از پنج جزء تشکیل یافته است که سه جزء اول، منجر به رشد آسیبهایی مانند خستگی کم چرخه و شوک حرارتی میشوند که در روشن و خاموش شدن توربین با پدیدههایی مشابه انتظار آنها میرود و جزء چهارم و پنجم، منجر به رشد آسیبهایی مانند خوردگی میشود که در کارکرد پیوسته توربین یا پدیدههایی مشابه انتظار آنها میرود.
بر این اساس، از سه جزء اول فرمول ساعت کارکرد معادل، در معیار جدید رژیم بهرهبرداری توربین گازی به استارت-استاپ اصلاح شده (Mod. S. S)
و از جزء چهارم و پنجم فرمول ساعت کارکرد معادل به ساعت کارکرد اصلاح شده (Mod. OH) تعبیر کرد که به صورت زیر تعریف میشوند:
با توجه به تعاریف فوق، فرمول ساعت کارکرد معادل به صورت زیر بازنویسی میشود:
با این تعریف جدید، دو مکانیزم تخریب تفکیک شده از معیار کلی ساعت کارکرد معادل، ایجاد شد و بدین ترتیب عواملی که اثرات متفاوتی دارند از هم جدا شدهاند.
همچنین در این رژیم بهرهبرداری کل ناوگان گازی تحت پایش نیز در دستهبندی ایجاد شده قرار گرفته و وضعیت بهرهبرداری از این توربینها قابل ارزیابی و تحلیل میباشد.
شکل ۲: رژیمهای بهرهبرداری توربینهای گازی بر اساس مکانیزمهای تخریب.
بر اساس تغییرات فوق میتوان رژیمهای بهرهبرداری را به صورت زیر تعریف کرد:
۱) رژیم بهرهبرداری سیکلیک
رژیم بهرهبرداری سیکلیک چنانچه بیش از ۳۰٪ از عمر سپری شده ماشین به استارت-استاپ اصلاح شده اختصاص داشته باشد، رژیم بهرهبرداری از این ماشین سیکلیک است.
خستگی کم چرخه، شوکهای حرارتی، خستگی حرارتی-مکانیکی و سایشهای ناشی از استارت-استاپ عیوبی هستند که در این رژیم از شدت بیشتری برخوردار هستند و به طور نسبی این عیوب در ساعت کارکردهای پایینتر دیده میشوند.
۲) رژیم بهرهبرداری پیوسته
رژیم بهرهبرداری پیوسته چنانچه کمتر از ۱۰٪ از عمر سپری شده ماشین به استارت-استاپ اصلاح شده اختصاص داشته باشد، رژیم بهرهبرداری از این ماشین پیوسته است.
خزش، خستگی پر چرخه، خوردگی، سایشهای ناشی از ارتعاشات حین عملکرد عادی و بریتل شدن مواد در این رژیم بهرهبرداری به طور نسبی از شدت بیشتری برخوردار هستند.
۳) رژیم بهرهبرداری میانه
رژیم بهرهبرداری میانه بین دو حالت فوق است یعنی چنانچه بین ۱۰٪ تا ۳۰٪ از عمر سپری شده ماشین به استارت-استاپ اصلاح شده اختصاص داشته باشد، رژیم بهرهبرداری از این ماشین میانه است.
هر دو گروه عیب اشاره شده در بالا در این ناحیه قابل مشاهده است با این تفاوت که شدتها در ساعت کارکردهای برابر کمتر هستند.
۶- جمعبندی و نتیجهگیری
معیار ساعت کارکرد معادل توربین گازی، برای پایش، عمر و بدست آوردن بازه تعمیرات بسیاری از توربینهای گاز مورد استفاده قرار میگیرد.
از آنجا که عمر مفید توربین گازی در ارتباط مستقیم با مکانیزمهای تخریب و واماندگی است، بایستی ارتباطی نزدیک بین مکانیزمهای تخریب و ساعت معادل وجود داشته باشد.
گروهی از مکانیزمهای تخریب دارای محرک سیکلیک میباشند یعنی با روشن و خاموش شدن توربین در ارتباط هستند و گروهی دیگر دارای محرک دمایی پیوسته هستند یعنی با کارکرد پیوسته ماشین در ارتباط هستند.
با توجه به اینکه فرمول ساعت کارکرد معادل توربین، دربرگیرنده آثار تجمعی هر دو گروه از مکانیزمهای تخریب را با اعمال ضرایبی در خود دارد، نیاز به ارائه معیاری جدیدی بود که این دو اثر را به صورت مجزا از یکدیگر در نظر بگیرد.
در رژیم بهرهبرداری توربینهای گازی ارائه شده در این مطالعه، پارامترهای فرمول عمر معادل توربین دستهبندی شدهاند و بر اساس آن یک رژیم بهرهبرداری جدید ارائه گردیده است که هم با چارچوب معیار ساعت کارکرد معادل همخوانی و هماهنگی دارد و هم اثر هر دو گروه از مکانیزمهای تخریب را بصورت تفکیک شده نشان میدهد.
منبع: آرش کشاورز، حسین بدر رضایی، حمید رضا محرابی، پرسیا فقیهی، صادق سروی ” تدوین رژیم بهره برداری توربین های گازی V94.2 ساخت گروه مپنا” ششمین کنفرانس صنعت نیروگاه های حرارتی، دانشگاه علم و صنعت ایران
