همانطور که می‌دانیم یکی از قطعات مصرفی مهم و پرهزینه در توربین‌های گازی فیلتر هوای کمپرسور می‌باشد که جهت حفظ سلامت کمپرسور و قطعات داغ در توربین گازی تعبیه شده است. در عین حال این قطعات مهم به دلیل مقاومتی که در مسیر هوای ورودی به کمپرسور ایجاد می‌کنند باعث افت فشار در ورودی کمپرسور و در نتیجه کاهش توان تولیدی و راندمان می‌گردد.
در چه اختلاف فشاری فیلتر تعویض گردد تا ضمن کاهش هزینه خرید و تعویض فیلتر از حداکثر ظرفیت واحد هم استفاده شود؟
واقعیت این است که این دو مطلب در تضاد با یکدیگر می‌باشند یعنی اگر بخواهیم توان تولیدی و راندمان را به حداکثر برسانیم باید فیلترها را در کمترین اختلاف فشار تعویض کنیم که در این صورت هزینه زیادی صرف خرید و تعویض فیلترها می‌شود و اگر بخواهیم از فیلتر کمال استفاده را ببریم باید اجازه دهیم که فیلتر تا حداکثر مجاز اختلاف فشار کار کند لذا در این مقاله در نظر داریم که اختلاف فشار بهینه را با توجه به شرایط مختلف محاسبه کنیم.
رابطه اختلاف فشار فیلتر هوای توربین گازی با توان و راندمان
می‌دانیم که با افزایش اختلاف فشار طرفین فیلتر هوای کمپرسور (ΔP) توان تولیدی و راندمان واحد کاهش می‌یابد. محاسبه تئوریک این کاهش‌ها بدلیل نیاز به مقادیر دقیق طراحی پارامترهای توربوکمپرسور و عدم ارائه این اطلاعات از طرف سازنده امکان‌پذیر نمی‌باشد. اما از آنجا که سازندگان توربین گاز جهت تحویل واحدها به کارفرما می‌بایست مطابق مشخصات فنی قرارداد عمل نمایند و اختلاف فشار فیلتر هم یکی از پارامترهای موثر در این امر می‌باشد.
بنابراین منحنی افت توان و راندمان توربین بر حسب افزایش اختلاف فشار فیلتر معمولا در مدارک تست کارایی (که از وظایف سازنده توربین است) ارائه می‌شود و ما در این مقاله از آن استفاده می‌کنیم. در مورد واحدهای V94.2 این منحنی به شکل ۱ می‌باشد:
شکل ۱- نمودار تغییرات توان و راندمان بر حسب اختلاف فشار
برای استفاده از این منحنی در محاسبات بعدی نیاز به فرموله کردن آن می‌باشد. لذا فرمول منطبق با آن نیز که یک چندجمله‌ای است از مدارک سازنده استخراج گردید که به شرح ذیل و جدول ۱ می‌باشد:
جدول ۱- ضرایب چندجمله‌ای
برای محاسبه دقیق میزان افت توان و راندمان با افزایش (ΔP) این فرمول وارد کامپیوتر گردید و محاسبات آن انجام شد که ضریب کاهش توان تولیدی و راندمان به ازای افزاش اختلاف فشار فیلتر در جدول ۲ خلاصه شده است.
جدول ۲- ضریب کاهش توان تولیدی و راندمان
چنانچه از جدول ۲ ملاحظه می‌گردد در اختلاف فشار ۱۰۰ میلیمتر آب توان تولیدی بالغ بر 1.5 درصد کاهش می‌یابد و همزمان راندمان هم بالغ بر 0.5 درصد کاهش می‌یابد و این به معنی افزایش مصرف سوخت می‌باشد که علاوه بر مسائل اقتصادی از نظر زیست‌محیطی هم قابل بررسی می‌باشد.
شایان ذکر است که فیلتر نو به‌صورت طبیعی اختلاف فشار اولیه‌ای بین 30 تا 45 میلیمتر آب دارد (این میزان بستگی به نوع مدیای فیلتر و کارخانه سازنده دارد) و طبق مدارک فنی توربین حداکثر اختلاف فشار قابل قبول در این واحدها 140 میلیمتر آب می‌باشد. ضمن اینکه سیستم کنترل توربين هم به گونه‌ای تنظیم شده که اجازه کارکرد واحد بیش از این مقدار هم داده نمی‌شود.
نمودار کاهش توان و راندمان با افزایش اختلاف فشار فیلتر که از فرمول ذکر شده بدست آمده است به شکل ۳ می‌باشد.
شکل ۳- نمودار توان و راندمان بر حسب اختلاف فشار
از این نمودار و جدول در محاسبات بعدی استفاده خواهد شد.
عملکرد فیلتر هوای توربین گازی V94.2
همانگونه که عنوان گردید فیلتر نو از ابتدای زمان نصب اختلاف فشار اولیه‌ای بین 30 تا 45 میلیمتر آب دارد و پس از آن با کارکرد واحد اختلاف فشار به تدریج افزایش می‌یابد. نمودار واقعی افزایش با زمان برای چهار توربین گاز V94.2 طی یک سال اخیر در شکل 4 نشان داده شده است.
روند افزایش به عوامل زیر بستگی دارد و با این شرایط ممکن است زمان رسیدن به حداکثر مجاز از چند ماه تا دو سال (و در مواردی حتی بیشتر) متغیر باشد.
– ساختار فیلتر (نوع، جنس و کیفیت مدیا، نحوه چین‌دهی و تا زدن کاغذ فیلتر)
– شرایط آب و هوایی منطقه (رطوبت و گردوخاک)
– ساختار Air intake واحد (وجود یا عدم وجود پیش‌فيلتر)
– نحوه عملکرد سیستم پالس جت (سیستم تمیزکننده فیلتر با فشار هوای کمپرسور)
شكل 4- نمودار واقعی افزایش اختلاف فشار بر حسب زمان
اختلاف فشار لحظه‌ای طرفین فیلتر هوای کمپرسور از طریق فرمول ذیل قابل محاسبه می‌باشد:
که در آن
K = coefficient
ρ = fluid density
m = fluid mass flow rate
V = fluid velocity
A = area of the duct section
طبق این فرمول ملاحظه می‌گردد که مقدار اختلاف فشار به توان تولیدی (بار) واحد هم بستگی دارد (بدلیل تغییرات m و V با بار) و در شرایط یکسان به ازای بارهای بالاتر هم بیشتر می‌شود بنابراین برای ثبت روند افزایش باید واحد در بار حداکثر باشد و بهتر است این کار در زمان پیک شب شبکه (که بیشترین بار از واحد اخذ می‌گردد) صورت پذیرد تا اطلاعات ثبت شده قابل تفسیر بوده به تصمیم‌گیری صحیح منجر شود.
محاسبه هزینه‌های ناشی از افزایش ΔP فیلتر هوای توربین گازی
برای محاسبه نقطه بهینه تعویض فیلترها بهترین روش بررسی موضوع از منظر مالی و حداقل کردن هزینه‌هاست. چنانچه ملاحظه کردید، با افزایش ΔP توان تولیدی و همچنین راندمان واحد کاهش می‌یابد بنابراین می‌بایست هزینه‌های مرتبط با این دو پارامتر محاسبه گردد.
با توجه به تاثیر متقابل این پارامترها روی هم و جهت جلوگیری از پیچیده شدن محاسبات از اصل جمع آثار (super position) استفاده می‌شود بدین‌صورت که ابتدا هزینه‌های ناشی از افت توان بدون در نظر گرفتن راندمان محاسبه می‌شود و پس از آن هزینه‌های ناشی از کاهش راندمان به تنهایی محاسبه و سپس نتیجه محاسبات با هم جمع می‌شود.
ضمنا از آنجا که اختلاف فشار اولیه فیلتر حداقل ۳۰ و حداکثر اختلاف فشار قابل تحمل واحد 140 میلیمتر آب می‌باشد محاسبات بعدی در این محدوده انجام خواهد شد.
برای محاسبه هزینه‌های مرتبط با افت توان تولیدی درصد کاهش توان در ΔPهای مختلف را محاسبه می‌کنیم و پس از محاسبه هزینه فروش برق (بدون هزینه سوخت مصرفی) هزینه خالص افت توان تولیدی بدست آید.
از آنجا که شرایط مختلفی در نرخ فروش برق وجود دارد (مثلا از دید شرکت‌های برق منطقه‌ای، بازار برق یا از دید شرکت‌های مدیریت تولید) در ابتدا محاسبات به‌صورت درصدی و به‌صورت ضرایب خام انجام می‌شود. سپس با توجه به حالت‌های مختلف محاسبه هزینه‌ها به‌صورت ریالی انجام خواهد شد.
برای محاسبه هزینه ناشی از کاهش راندمان با توجه به اینکه کاهش راندمان موجب افزایش مصرف سوخت می‌شود این افزایش از فرمول راندمان قابل محاسبه می‌باشد. فرمول ساده شده راندمان به شرح ذیل می‌باشد:
که در آن ضریب a حاصل تمام ضرایب است و به LHV گاز بستگی دارد و به‌صورت دوره‌ای به روز می‌گردد. طبق آخرین آنالیز گاز مصرفی مقدار آن 103.15 می‌باشد.
لذا با توجه به فرمول فوق و با لحاظ تولید ثابت با این میزان افزایش سوخت مقداری برق قابل تولید می‌باشد که عدم تولید آن به‌صورت تلفات تولید لحاظ می‌گردد. لذا با این دیدگاه هزینه ناشی از افت راندمان در ΔPهای مختلف را محاسبه می‌کنیم.
بدین منظور با استفاده از فرمول چندجمله‌ای و جدول قبل محاسبات لازم انجام شد و نتیجه آن به‌صورت ضریب افزایش هزینه تولید برق ناشی از افت توان و راندمان در جدول ۳ خلاصه شده است.
جدول ۳ – ضرایب افزایش هزینه تولید برق
منحنی ضریب کلی افزایش هزینه‌ها بر حسب به شکل 5 می‌باشد:
شكل 5 – نمودار ضریب کلی افزایش هزینه‌ها
به‌منظور محاسبه ریالی هزینه‌های فوق‌الذکر این ضریب در نرخ فروش برق و مقدار تولید واحد در یک روز اعمال می‌شود.
محاسبه هزینه تعویض فیلتر هوای توربین گازی
تعویض هر سری فیلتر توربین گازی V94.2 که تعداد آن ۱۲۰۰ عدد می‌باشد هزینه‌های ذیل را در بر دارد:
قیمت ها در سال 1390 اخذ شده است.
- هزینه خرید فیلتر که با توجه به مشخصات و سازنده حدودا بین 400 تا 600 میلیون ریال می‌باشد و در محاسبات بعدی ۵۰۰ میلیون ریال در نظر گرفته می‌شود.
- هزینه تعویض فیلتر که با توجه به شرایط مختلف بین 20 تا 40 میلیون ریال می‌باشد و در محاسبات بعدی 30 میلیون ریال در نظر گرفته می‌شود.
- هزینه عدم تولید واحد که به شرایط مختلفی بستکی دارد از جمله مدت زمان توقف واحد، نوع توقف (با برنامه یا بدون برنامه)
مدت زمان تعویض فیلتر معمولا 2 تا 3 روز می‌باشد و در حالت عادی به گونه‌ای برنامه‌ریزی می‌شود که تعویض فیلتر در زمان توقف واحد جهت تعمیرات انجام می‌شود اما در اینجا چون ما می‌خواهیم نقطه بهینه تعویض فیلتر را بیابیم و دقیقا در همان زمان اقدام کنیم هزینه عدم تولید را هم باید حساب می‌کنیم. در اینجا مدت زمان تعویض فیلتر را 2 روز خروج با هماهنگی (بدون جریمه بازار برق) در نظر می‌گیریم.
ضمنا برای محاسبه هزینه‌های خرید و تعویض فیلتر باید روند افزایش اختلاف فشار و زمان کارکرد فیلتر را در نظر گرفت و بر حسب هزینه در روز نرمالایز کرد در این مورد به دو روش می‌توان عمل نمود.
روش اول ثبت اختلاف فشار فیلترها در فواصل زمانی مشخص مثلا هفتگی و ورود اطلاعات به‌صورت پیوسته در کامپیوتر و انجام محاسبات Online
روش دوم محاسبه زمان متوسط کارکرد فیلترهای نصب شده قبلی. که در این مقاله از این روش استفاده می‌کنیم و 14ماه می‌باشد. البته همانگونه که ذکر شد در نیروگاه‌های مختلف این مدت متفاوت است. نمودار هزینه خرید و تعویض فیلترها بر حسب اختلاف فشار به شکل 6 می‌باشد.
شكل 6- نمودار هزینه تعویض فیلترها
تعیین نقطه بهینه تعویض فیلتر هوای توربین گازی V94.2
چنانچه عنوان گردید و در منحنی‌های فوق هم مشاهده می‌گردد با افزایش ΔP هزینه‌های بهره‌برداری افزایش می‌یابد و در عوض هزینه خرید و تعویض فیلتر کاهش می‌یابد. بنابراین نقطه بهینه تعویض فیلتر حداقل کردن هزینه‌هاست که از برخورد دو منحنی فوق بدست می‌آید. در ادامه نقطه بهینه را در دو حالت مختلف محاسبه می‌کنیم.
حالت اول – از منظر توانیر (دیدگاه ملی) به عنوان مالک نیروگاه
در این حالت با لحاظ قیمت فروش هر کیلووات ساعت برق 400 ریال و قیمت هر مترمکعب گاز ۸۰۰ ریال (قیمت‌های جدید پس از هدفمندسازی یارانه‌ها) با انجام محاسبات ذکر شده فوق و رسم نمودار هزینه‌های بهره‌برداری و هزینه تعویض فیلتر روی یک محور مختصات مشترک نتیجه به شکل ۷ حاصل می‌گردد.
شكل ۷- نمودار تعیین نقطه بهینه تعویض فیلتر هوای کمپرسور (حالت اول)
چنانچه ملاحظه می‌گردد نقطه برخورد دو منحنی که نقطه بهینه و حداقل هزینه است در اختلاف فشار 75 میلیمتر آب حادث شده است.
حالت دوم- از دید شرکت مدیریت تولید برق (دیدگاه شرکتی) به عنوان بهره‌بردار نیروگاه
در این حالت قیمت فروش برق در شرکت‌های مختلف متفاوت است و برای محاسبه ۱۰ ریال در نظر گرفته می‌شود ضمنا شرکت‌های مدیریت تولید برق بابت مصرف سوخت هزینه‌ای پرداخت نمی‌کنند. نتیجه محاسبات به نمودار شکل ۸ منجر می‌شود.
چنانچه ملاحظه می‌گردد نقطه بهینه تعویض فیلتر در این حالت در اختلاف فشار ۱۳۸ حادث شده است. به عبارت دیگر با توجه به نرخ پایین فروش برق در شرکت‌های مدیریت تولید برای این شرکت‌ها مقرون بصرفه‌ترین حالت استفاده از فیلترها تا آخرین حد قابل تحمل واحد است.
شکل ۸ – نمودار تعیین نقطه بهینه تعویض فیلتر هوای کمپرسور (حالت دوم)
بنابراین نیروگاه‌ها تلاش می‌کنند که فیلترها را در بالاترین اختلاف فشار ممکن تعویض نمایند در حالیکه این موضوع از منظر ملی هزینه‌های زیادی را به کشور تحمیل می‌کند و میزان این هزینه‌ها با توجه به مطالب پیش‌گفته و شرایط خاص هر منطقه در هر نیروگاه به‌صورت خاص قابل محاسبه است.
نتیجه گیری
در این مقاله جهت یافتن نقطه بهینه تعویض فیلترهای هوای کمپرسور از روش هزینه‌یابی و حداقل کردن هزینه استفاده شده است. بدین منظور هزینه‌های بهره‌برداری ناشی از افزایش محاسبه و سپس هزینه‌های خرید، تعویض فیلتر و همچنین توقف واحد محاسبه گردید و منحنی‌های مربوطه روی یک محور مختصات رسم و نقطه برخورد دو منحنی که حداقل هزینه‌هاست تعیین گردید. و ملاحظه گردید که از دید توانير مقرون به‌صرفه‌تر است که فیلترها در اختلاف فشار 75 میلیمتر آب تعویض گردد اما از دید شرکت‌های مدیریت تولید برق بهتر است فیلتر تا حد امکان مورد استفاده قرار گیرد. لذا با عنایت به تعداد قابل توجه واحدهای گازی در کشور تعویض فیلترها در اختلاف فشار بهینه محاسبه شده از لحاظ منافع ملی قابل توجه است.
