1- نگرش كلي بر توربين‌هاي گاز

دنياي توربين گاز اگر چه دنياي جواني است ليكن با وسعت كاربردي كه از خود نشان داده، خود را در عرصه‌ي تكنيك مطرح كرده است . زمينه‌هاي كاربرد توربين‌هاي گاز در نيروگاه‌ها و به‌خصوص در مواردي كه فوريت در نصب و بارگيري مدنظر است مي‌باشد. همچنين‌ به عنوان پشتيبان واحد بخار و نيز مواقعي كه شبكه سراسري برق از دست مي‌رود يعني در خاموشي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

مضافاً اين‌كه توربوكمپرسورها كه از انرژي حاصله روي محور توربين براي تراكم و بالا بردن فشار گاز استفاده مي‌شود، در سكوهاي دريايي ، هواپيماها و ترن‌ها استفاده مي‌شود .

مختصري از سرگذشت توربين‌هاي گاز از سال 1791 ميلادي تا به امروز به‌شرح زير مي‌باشد .

اولين نمونه توربين گاز در سال 1791 توسط Jonh  Barber ساخته شد . نمونه بعدي در سال 1872 توسط Stolze ساخته شد كه شامل يك كمپرسور جريان محوري چند مرحله‌اي به هم‌راه يك توربين عكس‌العملي چند مرحله‌اي بود كه يك اتاق احتراق نيز در آن قرار داشت . اولين نمونه آمريكايي آن در 24 ژوئن 1895 توسط Charles  G.Guritis  ساخته شد. اما اولين بهره‌برداري و تست واقعي از توربين گاز در سال 1900 م بوسيله Stolz صورت گرفت كه راندمان آن بسيار پايين بود . در همين سال ها در پاريس يك توربين گاز بوسيله برادرانArmangand ساخته شد كه داراي نسبت فشار تقريبي 4 و چرخ كوريتس به ابعاد 5/93 سانتي‌متر قطر با سرعت rpm 4250 بود كه دماي ورودي به توربين حدود 560اندازه‌گيري شد و راندمان آن در حدود 3% بود. H.Holzwarth  اولين توربين گاز با بهره اقتصادي بالا را طراحي كرد، كه در آن از سيكل احتراق بدون پيش‌تراكم استفاده مي‌‌شد و قسمت اصلي يك ماشين دوار با تراكم متناوب بود.

هم‌چنين Stanford  سال 1919 يك توربين گاز كه داراي سوپر شارژر بود، ساخت كه در هواپيما نيز از آن استفاده شد. اولين توربين گازي كه براي توليد قدرت مورد استفاده قرار گرفت به‌وسيله Brown Boveri  ساخته شد. وي از يك توربين گاز براي راندن هواپيما استفاده كرد. هم‌چنين در سال 1939 م، وي يك توربين گاز با خروجي MW 4 ساخت كه بر اساس سيكل ساده طراحي شده بود و كاركرد پاييني داشت. اين توربين تنها به مدت 1200 ساعت مورد بهره‌برداري قرارگرفت و عيوب مكانيكي فراوان داشت . از جمله اصلاحات وي برروي توربين ، بالا بردن راندمان آن به ميزان 18% بود.

در انگلستان گروهي به سرپرستي Whittle در سال‌‌ 1936 ‌م يك كمپرسور سانتريفوژ‌تك مرحله‌اي با ورودي دوطرفه و يك توربين تك‌ مرحله‌اي كوپل شده به ‌آن را به هم‌‌راه يك اتاق طراحي كردند. اما با تست اين موتور نتايج چندان راضي‌كننده‌اي به‌دست نيامد. در سال 1935‌م در آلمان شخصي به‌نام Hans  Von يك توربوجت با كمپرسور سانتريفوژ ساخت كه از مزاياي خوبي نسبت به نمونه‌هاي قبلي برخوردار بود. در آمريكا كمپانيAlis Chalmers اصلاحات فراواني برروي راندمان توربين‌هاي گاز و كمپرسورها انجام داد و راندمان كمپرسور را به 70% - 65% و راندمان توربين را به 65% -60% رسانيد.

در سال 1941‌م كمپاني  British  Wellond يك توربوجت ساخت كه در هواپيما مورد استفاده قرار گرفت . اين توربوجت با آب خنك‌كاري مي‌شد. در سال 1942‌م كمپاني German Jumo يك توربوجت ساخت كه در جنگ جهاني دوم نيز از آن استفاده شد. در اين سال‌ها استفاده از موتور توربوجت براي هواپيماها رشد فزاينده‌اي به خود گرفت و هواپيماهاي جنگي بسياري در آمريكا، آلمان و انگليس ساخته شد. در سال 1941‌م در سوئيس از يك توربين گاز براي راه‌اندازي لوكوموتيو استفاده شد كه داراي قدرت 1700 اسب بخار و راندمان 4/18% به هم‌راه بازياب حرارتي بود.

در سال 1950‌م كمپاني  Rovet Car از توربين گاز در اتومبيل‌ها استفاده كرد كه شامل كمپرسور سانتريفوژ، توربين تك‌مرحله‌اي جهت گرداندن كمپرسور و توربين قدرت جداگانه بود كه از مبدل حرارتي نيز در آن استفاده شد. در سال 1962‌م كمپاني General Motors يك توربين گاز به هم‌اه بازياب ساخت كه مصرف سوخت آن نسبت به نمونه مشابه 36% كاهش داشت .

در سال 1979‌م با توافق بين سازندگان بزرگ توربين گاز، استانداردي جهت كاهش ميزان NO_x وCO دود خروجي ازتوربين گاز نوشته شد . در خلال سال‌هاي بعد تغييرات فراواني در نوع سوخت، متريال[1] روش‌هاي خنك‌كاري و كاهش نويز و سر و صدا به‌وسيله شركت   NASA  صورت گرفت.

در 15 سال گذشته توربين گاز، خدمات فزآينده‌اي را در صنعت و كاربردهاي پتروشيمي در سراسر جهان ارائه داده است. انسجام ، وزن كم و امكان كاربرد سوخت چندگانه موجب استفاده از توربين گاز در سكوهاي دريايي نيز شده‌است .

امروزه توربين‌هاي گازي وجود دارند كه با گاز طبيعي ، سوخت ديزل ، نفت ،متان ، گازهاي حرارتي ارزش پايين ، نفت گاز تقطير‌شده و حتي فضولات كار مي‌كنند و روز به روز تلاش‌ها در جهت تكميل و اصلاح عملكرد آن ادامه دارد.

1-2- مقايسه نيروگاه گازي با نيروگاه‌هاي ديگر

شكل (1-2) مقايسه ميزان حرارت در چهار نمونه سيكل داده شده را نشان مي‌دهد.

باتوجه به شكل (1-2) بديهي است كه هرچه درجه حرارت توربين افزايش مي‌يابد ميزان حرارت بيش‌تر جلب توجه مي‌كند.

بعضي از عوامل قابل ملاحظه در تصميم‌گيري براي انتخاب نوع نيروگاه كه متناسب با نيازهاي موجود باشند، عبارتند از:

1-  هزينه سرمايه‌گذاري

2-  زمان لازم از برنامه‌ريزي و طراحل تا اتمام كار هزينه‌هاي تعميراتي و هزينه‌هاي سوخت.

توربين گاز كم‌ترين هزينه تعميراتي و سرمايه‌گذاري را دارد. هم‌چنين سريع‌تر از هر نوع نيروگاه ديگري اتمام مي‌يابد و به مرحله بهره‌برداري مي‌رسد.

از معايب آن مي‌توان به اتلاف حرارتي زياد اشاره كرد

طراحي هر توربين گاز بايد در برگيرنده معيارهاي اساسي براساس ملاحظات بهره‌برداري باشد. بعضي از معيارهاي عمده عبارتند از :

1- راندمان بالا

2-  قابليت اطمينان بالا و در نتيجه قابليت دسترسي بالا

3-  سهولت سرويس

4- سهولت نصب و تست

5- تطابق با استانداردهاي مربوط به شرايط محيط

6- تركيب سيستم‌هاي كمكي و كنترل كه در نتيجه درجه قابليت اطمينان بالايي را به‌دست مي‌دهند.

7-  قابليت انعطاف در تطابق با سرويس‌ها و نيز سوخت‌هاي مختلف

نگاهي به هريك از اين ملاك‌ها مصرف‌كننده را قادر خواهد ساخت كه درك بهتري از هر يك از لوازم پيدا بنمايد.

1-3 – فرآيند توربين‌هاي گاز

توربين گاز قدرت را از طريق به‌كار بردن انرژي گازهاي سوخته و هوا كه دما و فشار زيادي دارند، با منبسط‌كردن آن در چندين طبقه از پره‌هاي ثابت و متحرك، توليد مي‌كند. براي توليد فشار زياد ( از 4 تا 13 اتمسفر) در سيال عامل كار، كه براي تراكم لازم مي‌باشد، از كمپرسور استفاده مي‌شود. براي توليد قدرت زياد، به‌جريان زيادي از سيال و سرعت زياد آن نياز مي‌شود كه براي اين كار از كمپرسور گريز از مركز يا كمپرسور جريان محوري استفاده مي‌شود. كمپرسور توسط توربين به حركت در مي‌آيد و روي همين اصل محور آن‌ها به‌هم متصل مي‌گردد. اگر پس از عمل تراكم روي سيال عامل كار، سيال فوق در توربين منبسط گردد، با فرض نبودن تلفات در كمپرسور و توربين همان مقدار كار كه صرف تراكم شده است، توسط توربين به‌دست مي‌آيد و در نتيجه كار خالص صفر خواهد بود. ولي كار توليدي توربين را مي‌توان با اضافه‌كردن حجم سيال عامل كار در فشار ثابت، يا افزايش فشار آن در حجم ثابت، افزايش داد. هر يك از از دو روش فوق را مي‌توان با بالا بردن دماي سيال عامل كار، پس از متراكم ساختن آن به‌كار برد. براي بالا بردن دماي سيال عامل كار، يك اتاق احتراق لازم است كه در آن هوا و سوخت محترق گردند تا موجب افزايش دماي سيال عمل كار بشود.

به اين‌ترتيب، يك سيكل ساده توربين گاز شامل كمپرسور، اتاق احتراق و توربين مي‌باشد. نظر به اين‌كه محور كمپرسور به توربين متصل شده است، كمپرسور مقداري از كار توليد شده توسط توربين را جذب مي‌كند، و بازده را پايين مي‌آورد. بنابراين كار خالص، اختلاف بين كارتوربين و كار لازم براي گرداندن كمپرسور خواهد بود.

سوخت عمومي توربين گاز، گاز طبيعي، گازوئيل، نفت و مازوت مي‌‌باشد. توربين گاز براساس فرآيند احتراق به انواع زير طبقه‌بندي مي‌شود:

1 – احتراق پيوسته يا نوع فشار ثابت، اين نوع سيكل را سيكل ژول يا سيكل برايتون نامند.

2- انفجاري يا نوع حجم ثابت، اين نوع سيكل را سيكل آتكينسون مي‌نامند.

توربين‌هاي گاز را از روي مسير سيال عامل كار نيز طبقه‌بندي مي‌كنند كه عبارتند از:

1- توربين‌هاي گاز با سيكل باز (سيال عامل كار از هواي بيرون موتور وارد مي‌شود و به داخل هواي محيط تخليه مي‌گردد).

2- توربين گاز با سيكل نيمه بسته ( مقداري از سيال عامل كار در داخل دستگاه گردش مي‌كند و مقدار ديگر به داخل هواي محيط تخليه مي‌گردد).

1-3-  سيكل استاندارد هوايي (برايتون)

اين سيكل كه سيكل ژول نيز ناميد مي‌شود براي مولد قدرت توربين گاز ساده، مطلوب مي‌باشد. شكل‌هاي (1-3) و (1-4) طرح ساده توربين به همراه اجزاء آن و شكل (1-5) تجهيزات گوناگون يك توربين گاز از نوع    GELM350 را نشان مي‌دهد.

هواي محيط در داخل كمپرسور از فشار ₁   P تا ₂ P متراكم مي‌گردد و بعد به اتاق احتراق فرستاده مي‌شود كه در آنجا سوخت پاشيده شده محترق مي‌گردد. فرآيند احتراق در فشار ثابت صورت مي‌گيرد. در اثر احتراق، دماي سيال عامل كار زياد مي‌شود و از ₂T   و₃ T مي‌رسد. محصولات احتراق از اتاق احتراق خارج مي‌شود و در داخل توربين از ₃  P تا فشار جو منبسط مي‌گردد و به داخل هواي محيط تخليه مي‌شود. توربين و كمپرسور به طور مكانيكي به‌ هم متصل شده‌اند، بنابراين، كار خالص برابر است با اختلاف بين كار انجام شده توسط توربين و كار مصرف شده به‌وسيله كمپرسور . براي آغاز كار كمپرسور ، يك راه‌انداز لازم خواهد بود. وقتي توربين شروع به كار كرد، راه انداز قطع مي‌شود.

فرآيند 2-1 تراكم ايزنتروپيك در كمپرسور مي‌باشد.

فرآيند 3-2 افزودن حرارت در فشار ثابت در اتاق احتراق است.

فرآيند4-3  انبساط ايزنتروپيك در توربين مي‌باشد.

فرآيند 1-4 پس دادن حرارت در فشار ثابت مي‌باشد.

با توجه به شكل‌هاي (1-6) و (1-7)، حرارت افزوده شده به سيكل برابر است1   با ]1[

1)

كه در صورتي صحيح است كه مقدار    C_pدر فرآيند 3-2 ثابت باشد.

حرارت پس داده شده برابر است با :

2)

كه در صورتي صحيح است كه مقدار C_p   در فرآيند 1-4 ثابت باشد.

كار خالص سيكل برابر است با:

3)

اين مقدار كار را مي‌توان از راه محاسبه كار توربين و كمپرسور نيز به‌دست آورد:

4)

5)

6)

بنابراين كار خالص برابر است با

7)

8)

راندمان حرارتي سيكل برابر است با نسبت كار خالص سيكل به حرارت افزوده شده به سيكل :

9)

10)

11)

مي‌دانيم كه در فرآيند ايزنتروپيك بيان فشار، دما و حجم گاز رابطه (1-12) برقرار مي‌باشد:

12)

13)

نظر به اين‌كه  و  مي توان نوشت:

14)

15)

با قرار دادن  از معادله (1-15) در معادله (1-11) مي توان نوشت:

16)

نسبت فشار  با  نمايش داده مي شود:

17)

18)

بنابراين ، راندمان حرارتي برابر است با :

19)

بايد توجه داشت كه در محاسبه كار توربين و كمپرسور از تغييرات انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل صرف‌نظر شده است. ضمناً فرض شده كه گرماي ويژه در فشار ثابت (C_p) در طول سيكل ثابت بماند. هم‌چنين از جرم سوخت به علت كم بودن آن نسبت به جرم هوا صرف‌نظر شده است. در شكل (1-8) منحني تغييرات راندمان حرارتي بر حسب تغييرات نسبت فشار نشان داده شده است. از روي اين منحني مشاهده مي‌شود كه راندمان حرارتي به طور پيوسته با افزايش مقدار نسبت فشار زياد مي‌شود.

1-4-نسبت فشار براي حداكثر كار خالص ويژه سيكل نظري

هنگامي كه دو حد دما در سيكل ايده‌آل برايتون مشخص باشد، براي تغيير قدرت خروجي‌، تنها عامل متغير نسبت فشار مي‌باشد. حداقل مقدار نسبت فشار‌، واحد مي‌باشد كه به ازاء آن قدرت خروجي صفر مي‌شود. در اين صورت:

20)

اگر دماي خروجي كمپرسور به ₃ T يعني حداكثر دماي قابل قبول توربين برسد، حرارت افزوده شده در اتاق احتراق صفر خواهد بود. در نتيجه مقدار كار كمپرسور و توربين با هم برابر مي‌شود وكار خالص خروجي صفر خواهد شد. اين نسبت فشار ماكزيمم برابر است با:

21)

بنابراين هيچكدام از دو نسبت فشار ماكزيمم و مينيمم عملي نيست و يك نسبت فشار مياني وجود دارد كه به ازاي آن قدرت خروجي يا راندمان حداكثر شود. ماكزيمم كار خالص هنگامي اتفاق مي‌افتد كه :

22)

نسبت فشار مياني به ازاي ماكزيمم كار خالص برابر است با:

23)

در به ازاي مقادير مختلف نسبت گرماي 4/1 ، 35/1 و 3/1 منحني فشار اپتيموم بر حسب نسبت رسم شده است.

تغييرات كار خالص با نسبت فشار را براي يك توربين با مشخصات زير نشان مي‌دهد.

                                                                            cْ15 = دماي ورودي به كمپرسور

                                                                           cْ1127 = دماي ورودي به توربين

شكل (1-10) دياگرام تغييرات كار خالص نسبت فشار با ثابت آدياباتيك4/1=

اين نمودار نشان مي‌دهد كه كار خالص با افزايش نسبت فشار افزايش مي‌يابد ولي بعد از اين‌كه به نسبت فشار اپتيموم رسيد مقدار آن تقريباً ثابت مي‌ماند.

1-4-  سيكل عملي برايتون

سيكل عملي ( واقعي ) توربين گاز از نقطه‌نظرهاي زير با سيكل ايده‌آل تفاوت دارد:

1- به علت وجود تلفات اصطكاكي در كمپرسور توربين، فرآيند تراكم و انبساط بدون اصطكاك نيست و با مقداري افزايش در انتروپي هم‌راه مي‌باشد. ( اين فرآيندها آدياباتيك برگشت ناپذير مي‌باشند.) در حالت ايده‌آل، بازده كمپرسور و توربين 100 درصد مي‌باشد ولي در عمل از 100 درصد كمتر است.

2- در اتاق احتراق افت فشار مختصري وجود دارد. اين افت فشار بسيار كم است و معمولاً از آن صرفنظر مي‌شود.

3- جرم گازي كه از داخل توربين عبور ميكند، ((1 + fبرابر جرم هوايي است كه از داخل كمپرسور عبور مي‌كند، كه  f نشان‌دهنده‌ي نسبت جرم سوخت به جرم هوا مي‌باشد .

4-  گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق، كمي بيش‌تر از گرماي ويژه هوا مي‌باشد. البته اين فزوني به قدري كم است كه گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق را مي‌توان براي ساده شدن مسأله هر جا كه لازم باشد، با گرماي ويژه هوا مساوي فرض كردديا گرام  T-  S

فرآيند َ2-1 عبارتست از تراكم ايزنتروپيك

فرآيند 2-1 عبارتست از تراكم واقعي

فرآيند َ 4 -3 عبارتست از انبساط ايزنتروپيك

فرآيند 4-3  عبارتست از انبساط واقعي

بازده كمپرسور برابر است با:

24)

25)

26)

بازده توربين عبارتست از :

27)

كار توربين واقعي برابر است با:

28)

اگر گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق(  (C_pgو هوا با هم برابر فرض شوند، خواهيم داشت

29) كار واقعي توربين

30)

بنابراين راندمان توربين برابر است با:

31)

32)

راندمان حرارتي سيكل به صورت زير محاسبه مي‌شود.

(1-33)كار مصرفي كمپرسور-كار واقعي توربين=W neta = كار خالص واقعي  

34)

كه در آن f نسبت سوخت به هوا است. ضمناً اين مقدار كار به ازاء      kg 1 هواي مصرف شده در كمپرسور به‌دست مي‌آيد.

حرارت افزوده شده به سيكل عملي برابر است با:

35)

بنابراين راندمان حرارتي سيكل برابر است با:

36)

37)

كه در آن  C   _pg گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق و  C _pa گرماي ويژه هوا مي‌باشد. اگر از جرم سوخت در مقايسه با جرم هواي مصرف شده صرفنظر شود، خواهيم داشت:

38)

و اگر گرماي ويژه گاز حاصل از احتراق و هوا با هم برابر باشد، مي‌تواند نوشت:

39)

40)

اگر به‌جاي  ₁T -₂ T و ₂T -₃ T مقدار آنها را از معادله (1-26) و (1-32) را در معادله (1-40) قرار دهيم خواهيم داشت:

41)

و با توجه به تصحيح معادله‌ي (1-14) خواهيم داشت:

1-42)

و با توجه به معادله‌ي (1-26) داريم:

1-43)

و با فرض اين‌كه:

1-44)

و نتيجتاً خواهيم داشت:

1-45)

1-6-نسبت فشار براي حداكثر كار خروجي در سيكل عملي توربين گاز

با توجه به مي‌توان نوشت:

1-46)

كار واقعي كمپرسور برابر است با:

1-47)

كار واقعي توربين برابر است با:

1-48)

بنابراين كار خالص خروجي برابر است با:

1-49)

1-50)

بنابراين نسبت فشار براي حداكثر كار خروجي برابر است با:

1-51)

1-10- نسبت فشار براي حداكثر راندمان حرارتي سيكل عملي

حرارت افزوده شده به سيكل برابر است با:

1-52)

با توجه به معادله‌ي (1-41) راندمان حرارتي واقعي سيكل برابر است با:

1-53)

بنابراين نسبت فشار اپتيموم براي حداكثر راندمان حرارتي برابر است با:

1-54)

دياگرام تغييرات  r p )  _opt  ) براي ماكزيمم شدن راندمان حرارتي سيكل عملي برايتون بر حست حداكثر دماي سيكل به ازاي مقادير مختلف راندمان كمپرسور و توربين را با فرضيات زير نشان مي‌دهد:

شكل (1-12): تغييرات  براي ماكزيمم شدن راندمان حرارتي سيكل عملي برايتون برحسب دماي حداكثر سيكل به ازاي مقادير مختلف راندمان كمپرسور و توربين

با توجه به، با بالا رفتن حداكثر دماي سيكل و بالا رفتن راندمان كمپرسور و توربين،  rp ) _opt ) هم افزايش مي‌يابد. با زياد شدن اين نسبت فشار‌‌‌، حداكثر راندمان حرارتي سيكل نيز طبق معادله راندمان سيكل عملي افزايش مي‌يابد.

نيز تغييرات راندمان حرارتي سيكل ساده توربين گاز برحسب تغييرات نسب فشار براي دماهاي مختلف ورودي به توربين را با فرضيات زير

نشان مي‌دهد:

 تغييرات رانمان حرارتي سيكل ساده توربين گاز برحسب تغييرات نسبت فشار براي دماهاي مختلف ورودي توربين

نشان مي‌دهد كه يك نسبت فشار اپتيموم وجود دارد كه راندمان حرارتي در آن حداكثر مي شود.

تغييرات راندمان حرارتي سيكل بر حسب نسبت فشار براي مقادير مختلف راندمان توربين و كمپرسور با فرضيات زير را نشان داده است.

تغييرات (1-14): تغييرات راندمان حرارتي سيكل برحسب نسبت فشار براي مقادير مختلف راندمان كمپرسور و توربين

نشان مي‌دهد كه داندمان حرارتي در برابر تغييرات راندمان كمپرسور و توربين بسيار حساس است. منحني خط‌چين راندمان حرارتي سيكل ساده ايده‌آل را نشان مي‌دهد. وقتي راندمان توربين و كمپرسور زياد شود راندمان حرارتي سيكل نيز زياد مي‌شود. به ازاء هر راندمان توربين و كمپرسور ، يك نسبت فشار اپتيموم وجود دارد كه به ازاء آن راندمان حرارتي سيكل حداكثر مي‌شود. تغييرات راندمان حرارتي بر حسب نسبت فشار براي دماهاي مختلف ورودي كمپرسور با فرضيات زير را نشان مي‌دهد.

دماي₁T بر حسب درجه كلوين روي هر منحني نوشته شده است.

نشان مي‌دهد كه با كاهش دماي هواي ورودي به كمپرسور، راندمان سيكل افزايش مي‌يابد. هرچه انحناء منحني‌ها كمتر شود، حد وسيع‌تر براي به‌ترين نسبت فشار وجود خواهد داشت.

فصل دوم

با توجه به احتياج روزافزون برق، لازم مي آيد كه به بررسي راهنماي افزايش قدرت خروجي توربينهاي گاز بپردازيم.

مهمترين اين روشها عبارتند از :

از بين روشهاي ذكر شده براي افزايش قدرت خروجي توربينهاي گازي ما به راهنماي ازدياد اين پارامتر به وسيله خنك ‌كردن هواي ورودي به كمپرسور خواهيم پرداخت:

1- سيستم ذخيره سازي سرما  Thermal  Energy  Storage ))

2- سيستم‌هاي خنك‌كننده تبخيري( E vaporative  Cooling )

3- سيستم‌هاي خنك‌كننده برودتي   Refrigerated  Coling))

1-سيستم‌هاي ذخيره‌سازي سرما

يكي از روش‌هاي خنك كردن هواي ورودي توربين گاز، استفاده از يخ جهت ذخيره‌سازي سرما مي‌باشد. اين سيستم‌ها به صورت پريوديك استفاده مي‌شوند. بدين شكل كه سرما ( يخ ) در ساعات غير پيك ساخته مي‌شود و در ساعات گرم روز كه عموماً مقارن با پيك مصرف برق مي‌باشد، براي خنك‌كردن هواي ورودي و در نتيجه افزايش ظرفيت توربين، از اين سرماي ذخيره شده استفاده مي‌شود.

در اين روش، از تانك‌هاي يخ (    ice tank) كه درجه حرارت آب خنك شده خروجي آن‌را مي‌توان در حدود 45 تا 50 درجه فارن‌هايت نگه داشت، استفاده مي‌شود. آب خنك شده، در حين عبور از كويل‌ها ، هواي ورودي توربين را سرد و خود حدود 10 درجه فارن‌هايت گرم مي‌شود. البته مقدار دقيق اين درجه حرارت، به وضعيت و تعداد كويل‌هايي بستگي دارد كه در مسير هوا قرار گرفته‌اند.

هزينه اوليه ذخيره سرما زياد است اما مزاياي عمده ديگر آن باعث شده است كه استفاده از آن علاوه بر خنك كردن هواي ورودي توربين‌هاي گازي ، در سيستم‌هاي تهويه منازل نيز رواج يابد.

در روش ذخيره سرما، از چيلرهاي كمپرسوري استفاده مي‌شود كه قادرند سرماي زير صفر ايجاد كنند و يخ توليد نمايند. به علت مصرف برق زياد، اين چيلرها در ساعات غير پيك شبكه برق به‌كار گرفته شده ، يخ توليد مي‌نمايند و در ساعات پيك شبكه، سرماي توليدي اين يخ‌ها براي خنك‌كردن هواي ورودي توربين گازها استفاده مي‌شود.

مزايا :

-         استفاده از كل ظرفيت توربين در تمامي ساعات

-          امكان استفاده‌ي مجدد از آب استفاده شده براي توليد يخ

-          از بين بردن قلّه پيك و داشتن ظرفيت كافي در هنگام پيك

-         خلوص آب مصرفي براي توليد يخ مهم نمي‌باشد و از آب با سختي زياد نيز مي‌توان استفاده كرد، زيرا آب به علت داشتن سختي زياد و عناصر محلول در درجه‌ي حرارت پايين‌تري يخ مي‌زند كه اين امر باعث افزايش قابليت سرد سازي مي‌شود.

معايب :

-         حجم تانك ذخيره‌ي يخ بسيار بزرگ مي‌باشد.

-          هزينه‌ي اوليه‌ي زياد سيستم

-         هزينه‌هاي راه‌بري و نگه‌داري مناسب سيستم

-         سيستم براي استفاده از يخ در خنك‌سازي هواي ورودي به كمپرسور بسيار حجيم است.

2- سيستم‌هاي خنك‌كننده تبخيري :

در كليه روش‌هاي تبخيري، از تبخير آب كه يك فرآيند طبيعي است براي خنك‌كردن استفاده مي‌شود. هنگامي كه آب مي‌خواهد تغيير فاز دهد ( تبخير شود )، از محيط اطرافش گرما مي‌گيرد. به عنوان مثال هنگامي كه يك پوند آب مي‌خواهد تبخير شود، حدود 1160 BTU گرما لازم دارد.

در سيستم‌هاي تبخيري ، آب مورد نياز جهت خنك‌كردن هوا، به طرق مختلفي در معرض تماس با هوا قرار گرفته ، انرژي مورد نياز جهت تبخير را از هواي ورودي توربين مي‌گيرد و آن را خنك مي‌سازد.

قبل از تشريح بيش‌تر سيستم تبخيري ، لازم است تا اصطلاحاتي را در اين زمينه توضيح دهيم:

1- دماي خشك  Dry  Bulb : درجه حرارتي است كه توسط دماسنج و به روش معمول اندازه‌گيري مي‌شود.

2- دماي تر Wet  Bulb : درجه حرارتي است كه با توجه به ميزان رطوبت نسبي هوا و در نتيجه قدرت تبخيركنندگي آن اندازه‌گيري مي‌شود.

3-  رطوبت نسبي Relative  Humidity : نسبت وزن آب موجود در هوا به وزن آبي كه هوا را در درجه حرارت ثابت، از نظر رطوبت اشباع كند را درصد رطوبت نسبي مي‌گويند.

4- راندمان اشباع Sat . eff : راندمان سيستم خنك‌كننده در نزديك كردن درجه حرارت خشك به درجه حرارت تر محيط را راندمان اشباع مي‌گويند. به عنوان مثال اگر بتوان توسط يك سيستم خنك‌كننده ، درجه حرارت خشك محيط را به درجه حرارت تر تقليل داد، راندمان اشباع 100% است.

سيستم‌هاي تبخيري جهت خنك كردن هواي ورودي توربين‌ها خود به سه دسته تقسيم مي‌شوند كه به تفصيل مورد بررسي قرار خواهند گرفت،

2-1- سيستم Air  Washer

در اين روش حجم زيادي آب توسط پمپ‌هاي با دبي بالا، از طريق يك سري نازل‌هايي كه در يك شبكه منظم درون اتاق    Air  Washerقرار گرفته‌اند، به روي هواي ورودي پاشيده مي‌شوند و در نتيجه به‌واسطه خاصيت تبخير آب (كه يك فرآيند گرماگير است )هواي ورودي را خنك مي‌كنند. شماتيك ساده يك Air  Washer كه جهت خنك كردن هواي ورودي يك توربين گاز استفاده شده است، در شكل (2) نمايش داده شده است .

اين روش آب با كيفيت بسيار بالا نياز ندارد، بلكه تنها بايد ذرات ريز را از آب در گردش سيستم حذف كرد تا احتمال گرفتن نازل‌ها از بين برود.

عملكرد اين سيستم به رطوبت هواي محيط وابسته است به‌طوري‌كه هر چه محيط خشك‌تر باشد، قابليت خنك‌كنندگي آن كه بستگي به تفاوت درجه حرارت             

WB   و  DBدارد، بيش‌تر مي‌گردد. در هر حال معمولاً رطوبت نسبي تا حدود 95% مي‌تواند افزايش يابد و نه بيش‌تر .

محفظه Air  Washer را هم درون و هم بيرون اتاق فيلتر مي‌توان قرار داد. البته در بعضي سايت‌هاي خاص ، امكان دارد فضاي موجود درون اتاق فيلتر،  براي نصب Air  Washer  كافي نباشد و به ناچار بايد آن‌را در بيرون و جلوي فيلترها قرار داد.

نصب اتاق Air  Washer در بيرون اتاق فيلتر ، مزايا و معايبي به دنبال دارد كه در اين‌جا به آن‌ها اشاره مي‌شود. اگر اتاق Air  Washer در بيرون اتاق فيلتر قرار گيرد، به علت اين‌كه پاشش آب و عبور هوا از درون آن باعث شسته شدن هواي ورودي مي‌شود، وظيفه فيلترها را سبك‌تر مي‌كند. به عبارت ديگر مي‌تواند عمر فيلترها يا دوره تعويض آن‌ها را افزايش دهد. هم‌چنين نصب 

Air  Washer قبل از فيلترها ، مي‌تواند هرگونه احتمال ورود قطره آب به داخل كمپرسور را حذف كند زيرا هرچند قطره‌گيرها (    Eliminators ) طوري طراحي و ساخته مي‌شوند كه تمام قطرات خروجي از اتاق را مي‌گيرند، ولي در هر حال با فرض عبور مقداري قطره آب از ميان قطره‌گيرها ، فيلترهاي     Inertial هوا، باعث به‌دام افتادن قطعي آن‌ها مي‌شوند.

تنها عيبي كه مي توان براي قراردادن Air  Washer ، قبل از محفظه اتاق فيلتر برشمرد، امكان گرفتگي نازل‌هاي پاشش آب است. زيرا همان‌طور كه قبلاً بيان شد ، گرد و خاك هواي عبوري ، شسته شده و درون تشك Air  Washer ريخته مي‌شود و توسط پمپ‌ها، مجدداً در سيكل به گردش درآمده و از نازل‌ها عبور مي‌كنند كه در صورت درشت بودن ، اين آلودگي‌ها مي‌توانند باعث گرفتگي نازل‌ها شوند.

در صورت قرار گرفتن Air  Washer درون اتاق فيلتر، امكان خروج قطرات آب از Air  Washer و ورود آن‌ها به درون كمپرسور افزايش مي‌يابد. هرچند كه قطره‌گيرهاي تعبيه شده در قسمت انتهايي Air  Washer بايد تمام قطرات آب خروجي را بگيرند. در هر حال قراردادن     A . W . بين پيش‌فيلتر و بك‌فيلتر بهترين راه حل مي‌باشد كه كاملاً مشابه كاركرد توربين در يك فصل باراني مي‌باشد.

ميزان افت فشار مسئله ديگري است كه در طراحي سيستم خنك‌كننده بايد به آن توجه كرد. براي كاهش ميزان افت فشار ايجاد توسط Air  Washer مي‌توان شبكه نازل‌ها را طوري طراحي كرد كه به جاي اين‌كه در خلاف جهت يكديگر ، عمل پاشش آب را انجام دهند (  opposite  flow )، در يك جهت آب را به درون هوا بپاشند ( parailel  flow ) . الته تمهيدات لازم بايد انديشيده شود تا در حالت  parailel  flow)) ، راندمان اشباع دستگاه كاهش نيابد زيرا در صورتي‌كه پاشش نازل‌ها در يك جهت باشد، هواي ورودي فرصت كمتري خواهد داشت تا خنك شود. به عنوان يك مثال،‌ افت فشار حاصل از محفضه Air  Washer ، هنگامي‌كه نازل‌ها در يك جهت عمل پاشيدن آب را انجام مي‌دهند، حدود 14 ميليمتر آب و هنگامي كه در خلاف جهت يكديگر آب را مي‌پاشند، حدود 20 ميليمتر آب است.

مزايا:

-         مصرف انرژي الكتريكي نسبتاً كم سيستم

-          عمليات نگه‌داري پيچيده و طولاني نيست

معايب:

-         موجود بودن فضاي كافي در جلوي اتاق فيلتر توربين جهت نصب سيستم   

Air  Washer

-         امكان تهيه آب مناسب براي سيستم براي جلوگيري از گرفتگي در نازل‌ها

-          ارتفاع اتاق فيلتر توربين از سطح زمين

-          اين سيستم براي مناطق مرطوب مناسب نمي‌باشد

-         افت فشار سيستم ( حدود 0.6  H₂O )

2-2- سيستم خنك‌كننده   Media

اين سيستم يكي ديگر از روش‌هاي خنك كردن هواي ورودي توربين گاز مي‌باشد و عموماً از يك سري سلول‌هاي فايبرگلاس تشكيل مي‌شود ( شبيه شانه عسل ). با پاشيدن آب روي اين سلول‌ها و مرطوب كردن آن‌ها، مي‌توان از روش تبخير سطحي آب ، خنكي ايجاد كرد. مي‌دانيم هرچه سطوح تماس آب و هوا زيادتر باشد،‌ تبخير سطحي سريع‌تر و بيش‌تر صورت خواهد گرفت . انتخاب اين سلول‌ها به‌صورت مارپيچ و به‌صورت شانه عسل ، دقيقاً به منظور افزايش سطح تماس آب و هوا صورت گرفته است.

حداكثر راندمان اشباعي كه مي‌تواند توسط اين سيستم ايجاد شود، 90% مي‌باشد.

سلول‌هاي  Media را هم در بيرون و هم درون اتاق فيلتر مي‌توان قرار داد. چنانچه سيستم خنك‌كننده Media ، در خارج اتاق فيلتر قرار گيرد ، خاصيت شويندگي هوا را برعهده خواهد داشت و بنابراين هواي تميزتري از فيلترها عبور كرده و باعث افزايش عمر فيلترها مي‌گردد. در عوض شستشوي سلول‌هاي Media و هم‌چنين تعويض آن‌ها ، بايد سريع‌تر انجام گيرد. در هر حال بايد توجه داشت كه غالباً اين سيستم در داخل اتاق فيلتر نصب مي‌گردد.

خطر ورود قطرات آب و هم‌چنين اشياء خارجي به داخل كمپرسور در صورت استفاده از سيستم Media و نصب آن در خارج از اتاق فيلتر ، كاهش مي‌يابد . زيرا اولاً نازل‌هاي پاشش آب به تعداد كم هستند و فشار كاركرد آن‌ها نيز كم است و ثانياً به‌علت اين كه فشار پاشش زياد نيست، قطره آب وجود ندارد و تنها سطوحي از آب درون سلول‌هاي Media تشكيل مي‌شود.

يكي از معايب عمده سيستم خنك‌كننده Media ، افت فشار آن است . زيرا اين سيستم نسبت به ساير سيستم‌هاي تبخيري، افت فشار بيش‌تري در هواي ورودي توربين ايجاد مي‌كند . به اين ترتيب كه سيستم خنك‌كننده Media حدود يك اينچ آب افت فشار در هواي ورودي توربين ايجاد مي‌كند كه در طراحي‌ها بايد سعي شود هر چقدر كه امكان دارد، ميزان اين افت فشار، كاهش يابد.

يكي ديگر از معايب اين سيستم ايجاد تغيير ساختارنسبتاً زياد در اتاق فيلتر و يا داكت خروجي هوااست. علت اين امر اين است كه جهت رسيدن به راندمان اشباع زياد، سرعت عبور هوا كاهش داده شده و به مقدار مورد نظر مي‌رسد. اين گسترش فضا يا تغيير ساختار علاوه برافزايش هزينه، زمان انجام كار را نيز طولاني مي‌كند.

مزايا :  1 – 4-  هزينه و زمان راه‌اندازي سيستم نسبتاً كم مي‌باشد

1- فضاي اشغال شده توسط اين سيستم از Air  Washer كمتر است. پس در صورت نصب در بيرون اتاق فيلتر، در جاهايي استفاده مي‌شود كه فضاي

كمتري در جلوي اتاق فيلتر در دسترس است.

معايب :

2- صرفاً در مناطق خشك بكار برده مي‌شود زيرا وابستگي شديدي به رطوبت نسبي دارد.

3- افت فشار اين سيستم از سيستم‌هاي ديگر نسبتاً زيادتر است.

4- مصرف برق اين سيستم كم است ( به علت عدم نياز به پاشش آب با فشار زياد)

5- آب با كيفيت بالا مورد نياز نيست ولي در هر حال، مصرف آب مقطر ترجيح دارد.

6- عمليات نگه‌داري زيادي لازم دارد ( تعويض سلو‌ل‌ها بصورت دوره‌اي )

7- هزينه نصب سيستم نسبت به ساير سيستم‌هاي تبخيري بيش‌تر است.

8- تغيير ساختار اتاق فيلتر براي نصب اين سيستم زياد است.

2 ـ3 ـ سيستم فشار قوي Fog  (High Pressure Fogging)

در اين روش، آب مورد نياز جهت خك كردن هواي ورودي به صورت قطرات بسيار ريز (مثل ذرات مه) به درون هواي ورودي توربين پاشيده مي‌شود. اين قطرات به علت ريز بودن، سريعاً گرماي نهان تبخير خود را از هوا اخذ كرده و تبخير مي‌شوند و از طرف ديگر هواي عبوري كه گرما از دست داده‌است، خنك مي‌گردد.

مقدار آبي كه براي ايجاد سرما توسط سيستم F og  لازم است، براي شرايط حداكثر گرما محاسبه مي‌شود ( با در نظر گرفتن درجه حرارت تر متناظر با آن).

سيستمFog   هم در توربين‌هاي بارپايه و هم بار پيك كاربرد دارد. در اكثر موارد عمل‌كرد بهينه توربين در صورتي بدست خواهد آمد كه نازل‌ها، پس از فيلتر‌هاي هوا و قبل از Silencer ها قرار گيرند. اين طزيقه نصب عموماً نياز به يك تا دو روز خواب توربين دارد و احتياجي به تغيير ساحتار اتاق فيلتر و يا

اطراف آن ندارد.

در حالتي كه نازل‌ها پس از فيلترهاي هوا و درون اتاق فيلتر قرار مي‌گيرند، دقت ويژه‌اي در كنترل اندازه قطره‌ها بايد صورت گيرد. زيرا قطرات توليد شده مه، فرصت كوتاهي براي تبخير شدن دارند. بنابراين بايد به اندازه‌اي ريز باشند كه در اين فاصله حتماً تبخير شوند. هم‌چنين براي كاهش احتمال ورود اشياء خارجي به كمپرسور، شبكه فشار قوي نازل‌ها بايد داراي ساختار محكمي باشد.

ميزان افت فشار سيستم فشار قوي Fog، از ساير روش‌هاي خنك كننده كمتر است و يكي از مزاياي عمده اين سيستم بهشمار مي‌رود. زيرا عملاً اين سيستم محفظه جداگانه‌اي ندارد و هم‌چنين به علت خروج مه با سرعت زياد از درون نازل‌ها، مقاومت چنداني در برابر عبور هواي ورودي ايجاد نمي‌شود.

براي توليد قطرات ريزمه، از نازل‌هاي پاشش آب مخصوصي استفاده مي‌كنند. زماني كه آب با فشار زياد از اين نازل‌ها عبور مي‌كند، قطرات بسيارريزي توليد مي‌شود كه قطرات سريعاً تبخير شوند. چون پره‌هاي كمپرسور مستقيماً درمعرض هواي مرطوب قرار مي‌گيرند، آب مصرفي در سيستم F   o g عموماً آب مقطر با كيفيت از پيش تعيين شده است. سه نكته مهمي كه در طراحي يك سيستم  F 0 g بايد همواره در نظر قرارگيرند، عبارتند از :

-         فشار عملكرد سيستم

-         نوع نازل‌ها و مشخصه قطرات آن‌ها

-         جايگذاري مناسب نازل‌ها در مسير هواي عبوري توربين

فشار عمل‌كردي سيستم معمولاً بين 70 تا 200 بار انتخاب مي‌شود كه اين فشار توسط پمپ‌هاي پيستوني فشار قوي ايجاد مي‌گردد.

به علت بالابودن فشار، تمام قسمت‌هاي تحت فشار سيستم بايد با دقت كامل طراحي شده و تمهيدات لازم براي پايدار كردن قسمت فشار قوي و جلوگيري از ايجاد  لرزش در قسمت‌هاي مختلف آن انديشيده شود. به علت استفاده از آب مقطر، لوله‌هاي قسمت فشارقوي علاوه برآن‌كه بايد تحمل فشار بالا را داشته باشند بايد از جنس استينلس استيل انتخاب شوند.

نوع نازل‌هاي مورد استفاده در سيستم  Fog جهت بهبود راندمان سيستم داراي اهميت ويژه‌اي مي‌باشد. به علت استفاده از آب مقطر، جنس نازل‌ها بايد استينلس استيل باشد. به خاطر وجود فشار بالا، جهت جلوگيري از سائيدگي سوراخ نازل و بزرگ‌تر شدن آن به مرور زمان، اخيراً شركت‌هايي اقدام به ارائه نازل‌هايي با جنس بدنه استنلس استيل و سوراخ از جنس ياقوت

Rubby Orifice)) كرده‌اند.

طراحي مراحل مختلف خنك كنندگي توربين و چيدمان نازل‌ها در مسير هواي ورودي از ديگر عوامل مهمي هستند كه در بالا بردن راندمان اشباع سيستم و هم‌چنين شكل اتاق هواي ورودي توربين، بايد مورد طراحي نهايي قرار گيرند.

توزيع  نازل‌ها جلوي دريچه وردي هوا وابستگي به شكل اتاق هواي ورودي توربين دارد و بايد دقيقاً مورد مطالع قرار گيرد.

مزايا:

-         راندمان اشباع بالا حتي تا 100%

-         ايجاد افت فشاركم در مسير هواي ورودي توربين

-         ايجاد كم‌ترين ساختار در اتاق فيلتر

-         داشتن هزينه‌ي راه‌اندازي كم اين سيستم

-         بازگشت سريع سرمايه

-         حداقل بودن زمان نصب سيستم

معايب :

-         اين روش تنها در مناطقي عملكرد خوبي دارد كه رطوبت هوا  بسيار كم باشد.

-         آب مصرفي قابل بازيافت نمي‌باشد و لذا آب زيادي مصرف مي‌كند

-         آب مصرفي در اين روش بايد كيفيت بسيار بالايي برخوردار باشد ( به خاطر نگه‌داري از نازل‌ها و جلوگيري از ورود ذرات ريز به كمپرسور )

-         درجه‌ي  حرارت هواي خروجي دقيقاً قابل كنترل نمي‌باشد

-         دشواري در انتخاب ، نصب و تنظيم دوره‌اي نازل‌ها

سيستم ‌هاي خنك كننده‌ي برودتي (چيليري)

در اين سيستم‌هاي از آب سرد ايجاد شده توسط چيلر جهت خنك‌كردن هواي ورودي كمپرسور استفاده مي‌شود. براي اين منظور آب سرد  را از درون كويل‌هاي كه جهت انتقال حرارت، در مسير هواي ورودي قرار گرفته‌اند، عبور مي‌دهند و بدين‌وسيله هوا را خنك مي‌كنند.

سيستم‌هاي چيلري برطبق اين‌كه آب سرد خروجي از آن‌ها چگونه و با چه سيكلي توليد مي‌شود، به دو دسته عمده تقسيم مي‌شوند. كه در ذيل به تفضيل تشريح خواهند شد.

3 – 1 - چيلرهاي تراكمي

در اين روش با استفاده از كمپرسور و گازهاي مبرد               (refrigerant)

نظير آمونياك و لوازم جانبي ديگر، به كمك يك سيكل ترموديناميكي، سرماي لازم را ايجاد مي‌كنند. شماتيك ساده يك سيستم تراكمي نمايش داده شده است. كمپرسور، گاز مبرد را فشرده مي‌كند كه در نتيجه اين فشرده سازي، گاز گرم مي‌شود. سپس گاز گرم شده را به چگالنده) مي‌فرستند تا در آن‌جا گرمايش گرفته شده و خنك گردد كه در نتيجه اين عمل، به مايع تبديل مي‌شود. آن‌گاه اين مايع مبرد را بطور ناگهاني منبسط مي‌كنند كه در نتيجه، افت فشار خواهيم داشت و مايع مبرد در خلاء نسبي، به سرعت تبخير مي‌شود و گرماي مورد نياز جهت
قدمی 09179147053

نظرات شما عزیزان:

نام :

آدرس ایمیل:

وب سایت/بلاگ :

متن پیام:

نظر خصوصی

 کد را وارد نمایید:

 

 

 

عکس شما

آپلود عکس دلخواه: