مدل سازی دینامیکی توربین گازی V94.2

توربین‌های گازی V94.2 با دو سوخت گازوئیل به صورت مایع و گاز طبیعی می‌توانند کار کنند. در این مقاله تخمینی از پارامترهای توربین گازی V94.2 در حالت استفاده از سوخت گاز، با استفاده از مدارک موجود و روش‌های ترمودینامیکی انجام شده است و بدین ترتیب مدل دینامیکی توربین V94.2 بدست آمده است.

در این مقاله با توجه به دیتاهای عملکردی و نیروگاهی برای یک نمونه توربین گازی V94.2 تخمین پارامترها انجام شده است و مدل تکمیل‌شده‌ی روون برای توربین V94.2 بدست آمده است. به علت در اختیار داشتن مدارک معتبر بیشتر، دقت مدل نسبت به سایر مدل‌های موجود بالاتر است. همچنین در این مقاله حد آستانه‌ی دمای خروجی توربین، که به واسطه‌ی رسیدن به آن کنترل‌کننده دما فعال می‌شود و پاسخ خروجی‌های مدل در سناریوهای مختلف تغییر سرعت ورودی نمایش داده شده است.

1- توربین‌های گازی مخصوص کار سنگین

توربین‌های گازی مخصوص (Heavy Duty) کار سنگین صنعتی نظير V94.2، توربین‌های گازی هستند که به منظور تولید توان (Power) طراحی شده‌اند. و به دلیل فراوانی و عمر طولانی و کارایی بالا معروف می‌باشند. توربین‌های گازی V94.2 تک محوره هستند و از سه جزء اصلی تشکیل شده‌اند. این سه جزء شامل کمپرسورهای جریان محوری (Axial flow) ۱۶ مرحله‌ای، محفظه‌ی احتراق و توربین جریان محوری ۴ مرحله‌ای است، که در مورد هر قسمت به اختصار توضیحاتی می‌دهیم.

1-1- کمپرسور

کمپرسورهای محوری شامل بخش‌های روتور و استاتور می‌باشند که بر روی آن‌ها پره‌هایی وجود دارد. در کنار هر ردیف از پره‌های متحرک، یک ردیف از پره‌های ثابت وجود دارد. به مجموع یک ردیف از پره‌های متحرک و یک ردیف از پره‌های ثابت، یک مرحله‌ی کمپرسور می‌گوییم. در هر مرحله هوای ورودی ابتدا با پره‌های متحرک برخورد می‌کند. پره‌های متحرک ضمن به جلو راندن هوا و دادن شتاب به آن، باعث افزایش سرعت هوا می‌گردند. هوای خروجی پس از عبور از پره‌های متحرک، از پره‌های ثابت می‌گذرد. پره‌های ثابت دارای شکل واگرا بوده و باعث تصحيح مسیر حرکت هوا و افزایش فشار آن می‌شوند.

۲-1- محفظه‌ی احتراق

واکنش احتراق و آزادسازی انرژی نهفته در سوخت، در محفظه‌ی احتراق انجام می‌شود. در این فرایند که در فشار ثابت انجام می‌پذیرد، انرژی آزاد شده به شکل انرژی گرمایی از محفظه‌ی احتراق خارج می‌شود. به طور کلی محفظه‌ی احتراق از سه قسمت تشکیل شده است:

نازل‌های سوخت‌پاش که برای پاشش سوخت به درون محفظه‌ی احتراق در نظر گرفته شده‌اند.

اتاق احتراق که به منظور تشکیل و برقراری شعله و تأمین هم‌زمان دما و تلاطم مناسب برای رسیدن به احتراق کامل مخلوط سوخت و هوا در نظر گرفته شده است.

قطعه‌ی انتقال‌دهنده‌ی گازهای داغ که برای انتقال گازهای داغ حاصل به توربین می‌باشد. در این منطقه مقدار زیادی از هوای خروجی کمپرسور وارد اتاق احتراق شده و دمای گازهای داغ را تا حد قابل تحمل پره‌های ثابت و متحرک مرحله‌ی اول توربین پایین می‌آورد.

در حالت کلی یک سوم هوای تخلیه شده از کمپرسور برای انجام عمل احتراق با سوخت ترکیب می‌شود و بقیه‌ی هوا با محصولات حاصل از احتراق برای ورود به توربین، ترکیب می‌شود.

۳-1- توربین

توربین‌های محوری از دو قسمت پره‌های ثابت و پره‌های متحرک تشکیل شده‌اند که همانند به هر ردیف از پره‌های ثابت و متحرک یک مرحله می‌گوییم. مجموع مراحل توربین تمامی انرژی فشاری و درصدی از انرژی گرمایی گازهای حاصل را به انرژی دورانی و کار تبدیل می‌کند. پره‌های توربین به نوعی طراحی شده‌اند که سبب کاهش فشار و افزایش سرعت جریان گاز می‌گردند.

سوخت مورد استفاده در توربین گازی V94.2 گازوئیل و گاز طبیعی است که در این مقاله مدل توربین را برای عملکرد با سوخت گاز طبیعی و برای توربین با توان نامی 162.1 مگاوات بدست می‌آوریم. علاوه بر دینامیک‌های سوخت و هوا که از قسمت‌های اصلی توربین گازی عبور می‌کنند، تجهیزات دیگری نظیر ترموکوپل برای اندازه‌گیری دمای خروجی توربین و محافظ تشعشع دور آن، سیستم انتقال سوخت و موقعیت شیر سوخت نیز مورد توجه است.

2- تخمین پارامترها و مدل‌سازی سیستم توربین گازی

تخمین پارامترهای مدل تکمیلی روون توربین گازی V94.2، یک نمونه‌ی 162.1 مگاواتی را با در نظر گرفتن دیتاهای عملکردی مورد مطالعه و بررسی قرار می‌دهیم. مدل روون توربین گازی، نمایش ریاضی ساده شده‌ی توربین‌های گازی مخصوص کار سنگین است، که برای مطالعات دینامیکی مناسب می‌باشد. مدل روون تکمیل شده برای توربین گازی V94.2 در شکل ۱ نمایش داده شده است.

دیتاهای عملکردی در شرایط سازمان استاندارد بین‌المللی (ISO) یعنی فشار محیط ۱ اتمسفر، دمای محیط ۱۵ درجه‌ی سانتی‌گراد و رطوبت ۶۰٪ هوا داده شده‌اند. همچنین از تلفات فشار در فیلترهای هوای ورودی و محفظه‌ی احتراق صرف‌نظر شده است. در این مدل بر اساس، پره‌های راهنمای ورودی متغیر در کمپرسور مدل نشده‌اند.

شکل ۱- مدل روون تکمیل شده برای توربین گازیV94.2

داده‌های نامی برای توربین گازی V94.2، در جدول ۱ نمایش داده شده‌اند. فرض شده است که مدل باید طوری طراحی شود که توربین گازی V94.2 را در بار نامی نمایش دهد.

جدول ۱: دیتاهای نامی

۱-2- تخمین پارامترهای مربوط به محاسبه‌ی گشتاور و دمای خروجی

برای توربین گازی مربوطه، یک نقطه‌ی کار نمونه (typical) در نظر گرفته‌ایم. جدول ۲ مقادیر پارامترهای مربوط به این نقطه را نمایش می‌دهد.

همان‌طور که از شکل ۱ پیداست، گشتاور خروجی و دمای خروجی توربین گازی از روابط زیر بدست می‌آیند.

در این روابط، Tmech گشتاور مکانیکی خروجی توربین به صورت پریونیت و Tx دمای خروجی توربین بر حسب درجه‌ی سانتی‌گراد می‌باشد. ورودی بلوک‌های محاسبه‌ی این دو خروجی دبی سوخت ورودی  و سرعت توربین N به صورت پریونیت می‌باشند. TR دمای نامی توربین است. واضح است که در اینجا هدف تخمین پارامترهای D، C، B، A و E می‌باشد.

جدول ۲: دیتاهای عملکردی برای یک نقطه کار توربین گازی V94.2

بر اساس تحلیل‌های ترمودینامیکی، و با توجه به مقادیر پارامترها در جداول ۱ و ۲، مقادیر محاسبه شده برای بازدهی توربین و کمپرسور به صورت زیر می‌باشد:

 بازدهی توربین = 92.47%

 بازدهی کمپرسور= 86.33%

لازم به ذکر است مقدار بازده‌ی محفظه‌ی احتراق، نزدیک به ۱ در نظر گرفته شده است.

و بنابراین مقادیر پارامترهای مربوط به محاسبه‌ی گشتاور و دمای خروجی بر اساس این دو جدول به صورت زیر بدست آمده‌اند.

           A = -0.1117

           B = 1.1117

           C = 0.5

           D = 408.5135

           E = 311.34

ضریب C، بین ۰٫۵ تا ۰٫۶۷ می‌تواند تغییر کند.

ضریب E، بین ۰٫۵۵ تا ۰٫۶۵ دمای خروجی نامی، می‌تواند تغییر کند.

لازم به ذکر است تمامی مقادیر بالا در صورتی که در ناحیه‌ی خطی پاسخ توربین نسبت به تغییرات سرعت هستیم، معتبر می‌باشند، یعنی داشتن تغییرات سرعتی بین ۹۵٪ تا ۱۰۷٪ سرعت نامی.

2-۲- سیگنال درخواست سوخت

بیشترین مقدار محدودکننده‌ی سیگنال درخواست سوخت، در هنگام کارکرد عادی سیستم، حاصل نخواهد شد و ممکن است به عنوان یک پشتیبان برای کنترل‌کننده دما عمل کند. به این معنا که افزایش دمای توربین از حدی فراتر، منجر به فعال شدن کنترل‌کننده دما و در نتیجه کاهش فلوی سوخت شود. کمترین مقدار محدودکننده‌ی سیگنال درخواست سوخت، یک مقدار منفی است که توانایی توربین گازی را در جذب توان گذرا نشان می‌دهد. کمترین مقدار سطح سوخت، طوری انتخاب می‌شود که مقدار سوخت مورد نیاز برای نگه داشتن شعله در محفظه‌ی احتراق را فراهم کند، لذا از لحاظ دینامیکی بسیار مهم‌تر می‌باشد. مقدار ۱٫۵ پریونیت را برای حد بالا در نظر گرفته و مقدار حد پایین را بر اساس داده‌های عملکردی بدست می‌آوریم.

توربین‌های گازی مخصوص کار سنگین، برای کار حتی در حالت‌های بدون بار نیز نیاز به مصرف سوخت بالایی دارند. به این منظور در مدل روون، ورودی بلوک تعیین موقعیت شیر سوخت در سیستم سوخت‌رسانی، از یک قسمت ثابت KNL، و یک قسمت شامل گین کاهشی 1- KNL، ضرب در سیگنال خروجی بلوک محدودکننده‌ی سوخت حاصل می‌شود.

داده‌های در دسترس برای سیستم سوخت توربین گازی V94.2، در جدول ۳ نمایش داده شده‌اند.

جدول 3: داده‌های مربوط به تخمین کمترین فلوی سوخت و مصرف بی‌باری

با استفاده از جدول ۳ و روابط ارائه شده در [۴]، مقادیر مربوط به KNL و کمترین حد سیگنال درخواست سوخت به صورت زیر بدست آمده‌اند.

           KNL = 0.2308

           minF = -0.0867

3-2- تخمین مقادیر سیستم سوخت‌رسانی

سیستم سوخت‌رسانی در بلوک روون شامل دو بلوک تعیین موقعیت شیر سوخت و خود سیستم سوخت می‌باشد، که در شکل ۱ نیز نمایش داده شده‌اند. مقادیر پارامترهای بلوک تعیین موقعیت شیر سوخت به قرار زیر می‌باشند.

           c=1

           b= 0.04

برای تخمین زمان تأخیر (پس‌افت (lag)) بلوک سیستم سوخت نمایش داده شده در شکل 1، نیاز به مقادیری داریم که در جدول ۴ آمده است.

جدول ۴: دیتاهای عملکردی برای تخمین زمان تأخیر سیستم سوخت

بر اساس جدول  4، مقدار این پارامتر به صورت زیر بدست آمده است.

           T_FS = 0.477s

4-2- تأخیرهای زمانی سیستم و تخلیه‌ی کمپرسور

تأخیر زمانی جزئی بین تزریق سوخت به سیستم و آزاد شدن گرما در محفظه‌ی احتراق وجود دارد، که به تأخیر عکس‌العمل احتراق معروف است. در سیستم‌های مدرن این تأخیر از مرتبه‌ی چند میلی‌ثانیه می‌باشد. این تأخیر در مدل روون، به عنوان یک تأخیر زمانی بعد از سیستم تعیین موقعیت شیر و دینامیک سوخت شبیه‌سازی‌ شده است. بر اساس داده‌های عملکردی، در توربین گازی V94.2، این تأخیر برابر با ۵ میلی‌ثانیه در نظر گرفته شده است.

یک تأخير زمانی بین سوختی که از محفظه‌ی احتراق گذشته و سیستم اندازه‌گیری دمای خروجی توربین وجود دارد. این تأخیر به واسطه‌ی سیستم خروجی و توربین برای انتقال سیال به نقطه‌ی اندازه‌گیری است و از مرتبه‌ی چند ده میلی‌ثانیه می‌باشد، که به اندازه‌ی توربین و سرعت متوسط سیال بستگی دارد. برای توربین گازی V94.2، این تأخیر برابر با ۴۰ میلی‌ثانیه در نظر گرفته شده است.

یک پس‌افت نسبتاً بزرگ‌تر در مسیر تخلیه‌ی کمپرسور به ورودی توربین، وجود دارد، که می‌توان آن را با مقدار ۰٫۱۶ ثانیه تقریب زد.

5-2- ترموکوپل و محافظ تشعشع

کنترل دما در توربین‌های گازی، نیازمند اندازه‌گیری دمای خروجی است، که فرایند اندازه‌گیری شامل تجهیزاتی نظیر ترموکوپل و محافظ تشعشع (Radiation shield) می‌باشد. محافظ تشعشع محفظه‌ای از جنس فولاد ضدزنگ، جلا داده و صیقل شده است که دور ترموکوپل قرار دارد و اکثر تشعشعات را از خودش و ترموکوپل دور می‌کند.

وسیله‌ی اندازه‌گیری دما، ترموکوپل می‌باشد که ثابت زمانی آن بر اساس نوع و طرح ترموکوپل متفاوت می‌باشد.

مقادیر پارامترها در بلوک‌های ترموکوپل و محافظ تشعشع، نشان داده شده در شکل 1، به قرار زیر می‌باشند ۔

GSH= 0.8533

TSH= 12.2560 s

TTR= 1.7s

6-2– گاورنر سرعت و کنترل‌کننده دما

در مدل توربین گازی ارائه شده، سیستم کنترلی شامل کنترل‌کننده سرعت، دما و حدود بالا و پایین سوخت می‌باشد. نمایش گاورنر سرعت ارائه شده برای کنترل دروپ (droop) مناسب می‌باشد و بر خطای سرعت حاصل از تفاضل سرعت واقعی از سرعت مرجع، عمل می‌کند. یک گاورنر دروپ، معادل با کنترل‌کننده سرعت تناسبی می‌باشد که در آن خروجی متناسب با خطای سرعت تغییر می‌کند. برای دروپ ۴٪ مقادیر پارامترهای گاورنر به صورت زیر بدست آمده است.

           W= 25

           Y= 0.05

           Z= 1

کنترل دما به معنای محدود کردن خروجی توربین گازی در دمای احتراق از پیش تعیین شده، مستقل از تغییرات دمای محیط و یا مشخصه‌های سوخت می‌باشد. پارامترهای این کنترل‌کننده که در بلوک کنترل‌کننده دما در شکل ۱ نیز نمایش داده شده است، از روش زیگلر نیکولز بدست می‌آید. مقادیر پارامترها به قرار زیر است.

G1= 3.3

T1= 250

3- شبیه‌سازی

توربین گازی V94.2، با پارامترهای درنظر گرفته شده در قسمت قبل، را در حالت کاری نرمال مورد شبیه‌سازی قرار می‌دهیم. شبیه‌سازی‌ها برای دو سناریو تغییر پله‌ی سرعت به اندازه‌ی ۰٫۱-٪ و ۰٫۳-٪ سرعت نامی می‌باشد.

شکل ۲- توان مکانیکی خروجی توربین گازی V94.2 تحت تغییر پله‌ی سرعت ۰٫۱-٪

پاسخ توان مکانیکی خروجی توربین گازی تحت تغییر پله‌ی سرعت به اندازه‌ی ۰٫۱-٪ در شکل ۲ ترسیم شده است. همان‌طور که از شکل مشخص است، در حالت ماندگار، مقدار نهایی ۱٫۰۲ پریونیت حاصل می‌شود.

شکل ۳ دمای خروجی توربین گازی را تحت تغییر پله‌ی سرعت به اندازه‌ی ۰٫۱-٪ نشان می‌دهد. مقدار حالت ماندگار دما ۵۲۷ درجه‌ی همان سلسیوس بدست می‌آید. در این حالت کنترل‌کننده دما فعال نشده است. زیرا در اثر این تغییر سرعت در ورودی سیستم، دمای خروجی توربین به مقدار حد بالای دمای لازم برای فعال‌سازی کنترل‌کننده دما نرسیده است.

تغییر پله‌ی سرعت به اندازه‌ی ۰٫۳-٪ باعث فعال‌سازی کنترل‌کننده دما می‌شود.

شکل ۳- دمای خروجی توربین گازی V94.2 تحت تغییر پله‌ی سرعت ۰٫۱-٪

در حالت ماندگار، مقدار نهایی ۱٫۰۶ پریونیت توان مکانیکی خروجی توربین گازی، تحت تغییر پله‌ی سرعت به اندازه‌ی ۰٫۳-٪ در شکل ۴ مشاهده می‌شود. همان‌طور که در این شکل پیداست، توان خروجی تا زمان فعال شدن سیستم کنترلی دما در ثانیه‌ی ۷۷، روی مقدار ۱٫۰۶ پریونیت ثابت باقی می‌ماند. از شکل ۵ مشاهده می‌شود که دمای خروجی در این ۷۷ ثانیه از مقدار نامی خود، افزایش یافته، تا به مقدار ۵۴۲ درجه سلسیوس برسد و در این زمان سیستم کنترلی دما فعال شده، و دمای خروجی توربین را وادار به کم شدن تا حد دمای نامی آن یعنی ۵۱۸٫۹ درجه سلسیوس می‌کند. و البته به مقدار نامی رساندن دمای خروجی توربین، با هزینه‌ی کاهش توان خروجی توربین تا ۰٫۹۹۶ پریونیت همراه است.

4- نتیجه‌گیری

در این مقاله، تخمین پارامترهای توربین V94.2 در حالت استفاده از سوخت گاز، برای داشتن مدلی مشابه با مدل روون، با استفاده از دیتاهای عملکردی در دسترس انجام شده است. از آن‌جایی که این نوع توربین در نقاط مختلف جهان و بالاخص ایران به صورت گسترده مورد استفاده قرار گرفته است، نیاز به داشتن مدل دینامیکی ساده ولی با دقت بالا برای این توربین احساس می‌شد. لذا با بدست آوردن مدل دقیق توربین گازی V94.2 بر اساس دیتاهای ساختاری و عملکردی این نوع توربین و بررسی سیستم کنترلی آن، گامی مهم در صنعت توربین گازی کشور برداشته شده و این مدل می‌تواند پایه‌ای ارزشمند برای کارهای آتی پژوهشگران در این زمینه گردد.

منبع: سارا حجتي نیا، علي خاکي صديق، مهدي علياري شوره دلي، ايمان يوسفي “تخمين پارامترها و مدلسازي ديناميكي توربين گازی V94.2 بر اساس ديتاهاي واقعي عملكردي” اولین کنفرانس نفت گاز، پتروشیمی و نیروگاهی – تهران -1391