روش اندازه گیری دمای تصحیح شده خروجی توربین گازی v94.2

نیروگاه‌های گازی نقش بسیار زیادی در تأمین توان، کنترل فرکانس و پایداری شبکه برق ایران دارند. در این میان توربین گاز 2.9۴V ورژن 3 و 5 سهم بالایی را به خود اختصاص داده‌اند. حین عملکرد واحدهای گازی، اجزایی از توربین گاز مانند پره‌های توربین و محفظه احتراق که در معرض گازهای داغ قرار دارند، به سبب دمای بالای محصولات احتراق، دچار تنش‌های حرارتی می‌شوند که این امر، عمر مفید و زمان در سرویس بودن تجهیزات فوق را به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد. از این منظر کنترل دمای پره‌های توربین به منظور حفاظت از تجهیزات در معرض گازهای داغ در برابر افزایش دما، امری ضروری و اجتناب‌ناپذیر است.

اندازه‌گیری مستقیم دمای ورودی پره‌های توربین به دلیل نیاز به ترموکوپل‌های با دمای بسیار بالا، احتمال ایجاد شکستگی در چاهک­دمایی (Thermo-well) و احتمال بروز صدمات شدید بر پره‌های توربین عملی نمی‌باشد. لذا از دمای تصحیح‌شده خروجی توربین به‌عنوان متغیری برای حفاظت از پره‌ها در برابر افزایش دما (توسط کنترلر دمای تصحیح‌شده خروجی توربین (Outlet Temperature Corrected Controller)، همچنین یکی از عوامل تعیین زاویه پره‌های ورودی کمپرسور(IGV) و نیز ابزاری برای پایش واحد توسط بهره‌بردار توربین گاز استفاده می‌گردد. این سیگنال در نسخه ۳ با TETC و در نسخه ۵ با OTC و یا ATK شناخته می‌شود.

فاکتورهای مؤثر در دمای تصحیح­ شده خروجی توربین گازی V94.2

1- میانگین دمای ترموکوپل‌های دیفیوزر (AT1)

که در صورت فالتی‌شدن هر کدام از ترموکوپل‌های دیفیوزر توربین، مقدار میانگین جایگزین آن خواهد شد. در منطق نسخه ۵، در صورت فالتی‌شدن هر ۶ ترموکوپل دیفیوزر، توربین تريپ خواهد کرد.

۲- میانگین دمای ترموکوپل‌های اگزوز (ATD)

که در نسخه 3، ده ترموکوپل اگزوز وجود دارد و از میانگین آن‌ها استفاده می‌شود. مانند مورد قبل، در هر دو نسخه با فالتی‌شدن هر کدام از ترموکوپل‌ها، مقدار میانگین جایگزین آن خواهد شد.

3- میانگین آهسته (Ramped) دمای ورودی کمپرسور (TV)

میانگین دمای ورودی کمپرسور بر نرخ فشار (Pressure Ratio) توربین تأثیر گذاشته و نتیجتاً با تأثیر بر دمای ورودی توربین به‌صورت غیر مستقیم بر دمای خروجی توربین اثرگذار است. بنابراین در محاسبات OTC اثرگذار است. در نسخه ۵، میانگین مذکور پس از محاسبه در DCS ، از طریق باس به گاورنر منتقل می‌شود (TVI)، وارد یک شیب‌ساز (Ramp Generator) می‌گردد تا نرخ تغییرات را به C/min°۱ محدود کند. بدین‌ترتیب از انتقال تغییرات آنی ناشی از پدیده‌های محیطی و سنجشی بر دمای تصحیح‌شده خروجی توربین جلوگیری می‌گردد. این سیگنال آهسته‌شده، که مانع تأثیر تغییرات لحظه‌ای دمای ورودی کمپرسور بر محاسبات OTC می‌گردد، TV نام دارد.

۴- اختلاف سرعت از مقدار نامی هنجارشده (Normalized) در بارگیری (DNN)

سرعت چرخش شفت بر نرخ فشار توربین تأثیر گذاشته و نتیجتاً با تأثیر بر دمای ورودی توربین به‌صورت غیر مستقیم بر دمای خروجی توربین اثرگذار است. بنابراین در محاسبات OTC لحاظ گردیده است. از آنجایی که در فرآیند راه‌اندازی کنترلرهای OTC و IGV عمل نمی‌کنند، از تأثیر سرعت قبل از بستن کلید اصلی ژنراتور صرف‌نظر شده است.

که در آن NTM فرکانس واقعی چرخش شفت و NN فرکانس نامی سیستم (Hz۵۰) می‌باشد. در نسخه ۵، سیگنال سرعت قبل از به کارگیری، از یک فیلتر پایین‌گذر مرتبه اول با فرکانس قطع dB۳ برابر Hz۲۵/0 عبور داده می‌شود. بدین‌ترتیب تأخير زمانی سیگنال سرعت با تأخیر ذاتی اندازه‌گیری دما (۴ ثانیه) منطبق گشته و محاسبات از صحت بالاتری برخوردار خواهد بود.

محاسبه دمای تصحیح‌شده خروجی توربین گازی V94.2

دمای تصحیح‌شده خروجی مطابق رابطه (۵) از مجموع تابع معادل دمای خروجی توربین (TET یا AT) و تابع تصحيح محاسبه می‌شود.

1 –تابع تصحیح

تابع KORR که تصحیح‌کننده دما با توجه به فرکانس چرخش شفت و دمای ورودی کمپرسور می‌باشد، در نسخه ۵ برابر است با رابطه (۶).

بنابراین تصحيح‌گر KORR در هنگام بی‌باری (باز بودن کلید اصلی ژنراتور) تنها از میانگین دمای ورودی کمپرسور و در صورت بارگیری از ژنراتور، هم از میانگین دمای ورودی کمپرسور و هم از اختلاف سرعت از مقدار نامی به‌هنجار شده به‌عنوان ورودی استفاده می‌کند. شکل (۱) بیان‌گر منطق مذکور می‌باشد.

شکل(1): منطق تابع تصحيح دمای OTC

تابع تصحیح در نسخه ۳ توربین گاز 2.9۴V مطابق رابطه (۷) محاسبه می‌گردد.

با در نظر گرفتن شرایط حداکثری، رویه فضایی توابع تصحیح نسخه‌های ۳ و ۵ به کمک مدل‌سازی در نرم‌افزار MATLAB در شکل‌های (۲) و (۳) نمایش داده شده است.

شکل (۲): رویه فضایی تابع تصحيح دمای TETC در نسخه ۳

شکل (3): رویه فضایی تابع تصحيح دمای OTC در نسخه ۵

2- تابع معادل دمای خروجی توربین گازی V94.2

دمای میدانی در نقاط اندازه‌گیری اگزوز توربین همگن‌تر است (ثابت زمانی ترموکوپل‌های MBR تقریباً ۱۵ ثانیه می‌باشد). اندازه‌گیری مستقیم دمای خروجی دیفیوزر توربين نیز با وجود نقاط دمایی (Temperature Spots) گرم و سرد شک‌برانگیز است. دماهای خروجی اگزوز برای اهداف کنترلی مناسب‌تر است؛ از طرف دیگر نقاط اندازه‌گیری دیفیوزر توربین با درنظر گرفتن این واقعیت که ثابت زمانی ترموکوپل‌های MBA تقریباً ۴ ثانیه می‌باشد، قادر به تعیین بسیار سریع‌تر تغییرات دما هستند.

در نسخه ۵، مطابق شکل (۴) به منظور ترکیب مزایای هر دو اندازه‌گیری دما، بدون اعمال تغییر در رفتار دینامیک فرآیند، اختلاف دمای خروجی اگزوز (ATD) و دمای خروجی توربین (AT1) به یک انتگرال‌گیر کُند با ثابت زمانی ۶۰ ثانیه (بسیار بزرگ‌تر از ثابت زمانی ترموکوپل‌های دیفیوزر و اگزوز) داده شده و حاصل با میانگین دمایی دیفیوزر جمع می‌گردد. خروجی انتگرال‌گیر بین C°۵۰ محدود می‌شود تا در صورت وجود نقص در انتگرال­گیر، مانع افزایش بسیار زیاد خروجی گردد. در خلال راه‌اندازی و شات‌دان واحد AT برابر میانگین دمای ترموکوپل‌های دیفیوزر خواهد بود. علت این امر باز بودن ولوهای بلوآف در خلال این دو فرآیند و درنتیجه ترکیب هوای سه مسیر بلوآف با هوای داکت اگزوز گاز قبل از نقاط اندازه‌گیری دمای اگزوز است که منجر به انحراف قابل‌توجهی در مقادیر AT1 و ATD خواهد شد. بدین‌ترتیب به هنگام بی‌باری (راه‌اندازی و شات‌دان) یا فالتی‌شدن بیش از ۴ ترموکوپل اگزوز، مقدار AT برابر میانگین دمای ترموکوپل‌های دیفیوزر توربین خواهد بود. تابع AT مطابق رابطه (۸) محاسبه می‌گردد.

بنابراین AT از یک معادله دیفرانسیل مرتبه اول به دست آمده است. با ساده‌سازی معادله در فضای لاپلاس رابطه (۹) به دست می‌آید.

انتخاب ۶۰ ثانیه، به‌عنوان ثابت زمانی انتگرال‌گیر، نسبت به ثابت زمانی‌های ترموکوپل‌های دیفیوزر و اگزوز، قطب غالب بوده و باعث می‌شود ثابت زمانی تابع AT را نه ترموکوپل‌ها، بلکه انتگرال‌گیر تعیین نماید.

شکل (۴): منطق تابع معادل دمای خروجی توربین در نسخه ۵ [۳]

با توجه به مفاهیم فیلتر و سنتز مدار، در رابطه (۹) جمله اول یک فیلتر بالاگذر (با یک صفر در Hz۰ و یک قطب در Hz۰۱۶۶۶/۰ هرتز) و جمله دوم یک فیلتر پایین‌گذر (با یک قطب در Hz۰۱۶۶۶/۰) می‌باشد. مفهوم شهودی معادله این است که مؤلفه‌های فرکانس بالای میانگین دمای دیفیوزر توربین و مؤلفه‌های فرکانس پایین میانگین دمای اگزوز را به‌عنوان معیاری از دمای خروجی توربین معرفی می‌کند. با کمی اغماض و به زبانی ساده‌تر مقدار DC میانگین MBRها با مقدار ac میانگین MBAها جمع می‌شود. دلیل این امر همگن نبودن دما در خروجی دیفیوزر توربین و همگن شدن نسبی آن در اگزوز می‌باشد. بدین‌ترتیب مؤلفه‌های فرکانس بالای میانگین دمای دیفیوزر که نماینده تغییرات سریع دما هستند، با مؤلفه‌های فرکانس پایین میانگین دمای اگزوز که نسبت به همتای خود با ثبات‌تر و همگن‌تر است جمع می‌شود.

بنابراین اثر همگن‌شدن گازهای خروجی از دیفیوزر تا اگزوز در مقادیر فرکانس پایین بیشتر مشهود است (به علت کندتر بودن پاسخ زمانی MBRها نسبت به MBAها). بنابراین با توجه به همگنی بیشتر میانگین دمای خروجی اگزوز، مؤلفه‌های فرکانس پایین MBRها نماینده خوبی برای مقدار DC دمای خروجی توربین خواهد بود؛ در عین حال تغییرات سریع دمای خروجی توربین را مؤلفه‌های فرکانس بالای MBAها که همگن نشده‌اند، نمایندگی خواهند کرد. محاسبه تابع مذکور (TET) که در نسخه ۳ ساده‌تر می‌باشد، در شکل (۵) به نمایش در آمده است.

مقدار TET قبل از سنکرون همانند نسخه ۵، برابر میانگین دمای ترموکوپل‌های دیفیوزر توربین و پس از باردهی واحد برابر است با مجموع میانگین دمای ترموکوپل‌های توربین به‌علاوه اختلاف محدودشده در مقدار و نرخ تغيير اختلاف میانگین دمای ترموکوپل‌های دیفیوزر توربین از میانگین دمای ترموکوپل‌های اگزوز (رابطه (۱۰)). مقدار محدودیت اختلاف مذکور، C°۵۰ و محدودیت نرخ تغییر آن برابر sec/C°۲ می‌باشد.

شکل (۵): منطق تابع معادل دمای خروجی توربین در نسخه ۳

مقایسه و نتیجه گیری

هر دو نسخه ویژگی‌های مشترک زیادی به‌لحاظ سخت‌افزاری و نرم‌افزاری دارند. نسخه ۳ به‌دلیل به کارگیری ترموکوپل‌های بیشتر در اگزوز، بر نسخه ۵ مزیت سخت‌افزاری دارد. محاسبه دمای تصحیح شده خروج توربین در هر دو نسخه آن در بخش تابع معادل دمای خروجی و تابع تصحیح تشکیل شده است. با مقایسه رویه‌های فضایی توابع تصحيح (شکل‌های (۲) و (۳)) می‌توان دریافت که نسخه ۵ حساسیت بیشتری نسبت به تغییرات فرکانس چرخش شفت و دمای ورودی کمپرسور دارد. تابع معادل دمای خروجی در نسخه ۵، با به‌کارگیری توابع پردازش سیگنال فلسفه به‌کارگیری دو مجموعه ترموکوپل را معنا بخشیده و برتری آشکاری نسبت به همتای خود دارد. در هر دو نسخه میزان اصلاح ترموکوپل‌های دیفیوزر توربین با استفاده از ترموکوپل‌های اگزوز به °C ۵۰ محدود شده است.

پیشنهاد می‌شود به منظور افزایش کارآمدی متغیر فرآیند (OTC) هر دو مزیت سخت‌افزاری و نرم‌افزاری اشاره شده را تجمیع نمود. از آنجائیکه در نسخه ۵ مؤلفه‌های فرکانس پایین (مقدار DC سیگنال دمای تصحیح‌شده خروجی توربین بر مبنای میانگین دمای اگزوزها است با در اختیار داشتن ۱۰ ترموکوپل در خروجی اگزوز مطابق نسخه 3، انتظار می‌رود آثار ناهمگنی دمای گاز داغ بیشتر آشکار شده و میانگین مذکور دقیق‌تر شود تا بدین‌ترتیب کنترل فرآیند کارآمدتر گردد. پیاده‌سازی این امر در نسخه ۳ با ارتقاء نرم‌افزاری به منطق نسخه ۵ به مراتب آسان‌تر از ارتقاء نسخه ۵ خواهد بود؛ به منظور استفاده از مزیت سخت‌افزاری نسخه ۳ در نسخه ۵، مطالعه برای نصب ۴ چاهک‌دمایی و ترموکوپل اضافه در محل نصب ترموکوپل‌های اگزوز، همچنین افزودن سخت‌افزار ورودی خوانش (SIM AI 8TC) و ارتقاء نرم‌افزار به منظور شناساندن ادوات جدید، محاسبه میانگین دمای ترموکوپل‌های اگزوز و منطق جانبی آن مطابق نسخه ۳ پیشنهاد می‌گردد.

پیوست

شکل‌های (۶) تا (۹) نمودارهای OTC و عوامل مؤثر بر آن را در زمان استارت و بارگیری یک توربین گازی V94.2 را نمایش می‌دهند. میانگین دمای ورودی کمپرسور در بازه زمانی مذکور بین C°۳۱ تا C°۳۴ بوده و از نمایش آن به علت تغییرات بسیار کم در بازه‌های ترسیمی صرف‌نظر شده است.

شکل (6): جدول رنگ‌بندی، KKS، توضیح، حداقل و حداکثر OTC و سیگنال‌های مؤثر در ساخت آن

شکل (۷): دمای ترموکوپل‌های اگزوز در هنگام راه‌اندازی به دلیل باز بودن ولوهای بلوآف افت شدید داشته و از محاسبات OTC حذف می‌گردد.

شکل (۸): واحد در بار نامی قرار دارد ( تغییرات سریع OTC ناشی از تغییرات سریع ترموکوپل‌های دیفیوزر توربین است).

منبع:احمد خیاطیان، میثم خیاطیان “شبیه سازی و مقایسه عملگرهای دمای تصحیح شده خروجی توربین گازی v94.2 در نسخه های 3 و  5 به منظور افزایش کارامدی آن”-ششمین کنفرانس نیروگاههای برق