دسته: مکانیک از ویژگی های دیگر واحدهای گازی كه با دیزل استارت می شود قادرند با استفاده از باتری ها موجود در باتری خانه كه همواره شارژ كامل هستند بدون وابستگی به شبكه استارت شده و به مرحله باردهی برسند لذا از واحدهای گازی می توان برای مناطقی كه به شبكه سراسری متصل نیستند و نیز برای شروع برقراركردن شبكه پس از خاموشی كامل شبكه استفاده كرد در بعضی از واحدهای گازی
قیمت فایل فقط 6,900 تومان
تاریخچه توربین گاز
-1 تاریخچه توربین گاز
از حدود 70 سال قبل توربین های گازی جهت تولید برق مورد استفاده قرار می گرفته اند، اما در بیست سال اخیر تولید این نوع توربین ها بیست برابر افزایش یافته است.
اولین طرح توربین گازی مشابه توربین های گازی امروزی در سال 1791 به وسیله «جان پایر» پایه گذاری شد كه پس از مطالعات زیادی بالاخره در اوایل قرن بیستم اولین توربین گازی كه از یك توربین چند طبقه عكس العملی و یك كمپرسور محوری چندطبقه تشكیل شده بود، تولید گردید.
اولین دستگاه توربین گازی در سال 1933 در یك كارخانه فولادریزی در كشور آلمان مورد بهره برداری قرار گرفت و آخرین توربین گازی با قدرت 2/212 مگاوات در فرانسه نصب و مورد بهره برداری می گردد. [1]
در صنعت برق ایران اولین توربین گازی در سال 1343 در نیروگاه شهر فیروزه (طرشت) مورد استفاده قرار گرفته است كه شامل دو دستگاه بوده و هر كدام 5/12 مگاوات قدرت داشته است. در حال حاضر كوچكترین توربین گازی موجود در ایران توربین گاز سیار «كاتلزبرگ» با قدرت اسمی یك مگاوات و بزرگترین آن توربین گازی 49-7 شركت زیمنس با قدرت 150 مگاوات می باشد. [1]
1-2- نقش توربین گاز در صنعت برق
توربین های گاز جدا از تولید برق به خاطر خصوصیات ویژه ای كه دارند می تواند در موارد دیگری مثل موتورهای جت در هواپیماها برای تأمین نیروی محركه هواپیما و نیروی جلوبرندگی به كار رود یا مثلاً جهت به گردش درآوردن یك پمپ قوی به كار رود.
اما چون بحث ما پیرامون توربین های گازی است كه در صنعت برق وجود دارد. لذا مطالب خود را بر اساس همین موضوع پیگیری می كنیم.
با توجه به آمار و ارقام مشخص می شود كه میزان مصرف برق در ساعات مختلف شبانه روز متفاوت است مثلاً در بعضی از ساعات شبانه روز (فاصله ساعت 10:00 تا 12:00 صبح و از تاریك شدن هوا به مدت تقریباً دو ساعت در شب) مصرف برق خیلی زیاد است و به میزان حداكثر خود می رسد (پیك بار) و در بعضی ساعات مثل ساعات بین نیمه شب تا بامداد مصرف برق خیلی پایین است و در بقیه اوقات یك مقدار متعادل را دارد.
************************************************************
شكل (1-1) تغییرات بار به ازاء شبانه روز (منفی بار)
همانطوری كه در شكل 1-1 دیده می شود [1] یك مقدار از بار مصرف تقریباً در تمام ساعات شبانه روز ثابت است كه به آن بار پایه می گوییم و یك مقدار بار نیز تنها در ساعات محدودی از شبانه روز اتفاق می افتد و مقدار آن بیشتر از بار در بقیه ساعات شبانه روز می باشد. این بار را بار حداكثر یا پیك می گوییم. نوسانات بین بار پایه و بار پیك را نیز بنام بار متوسط یا میانی می گوییم و برای تأمین بار پایه به نوعی نیروگاه احتیاج داریم كه مخارج جاری آن پایین باشد. این نیروگاه ها شامل نیروگاه های بخار (به خاطر سوخت ارزان- چون سوخت مصرفی آنها معمولاً سوخت های سنگین مثل ماژوت است) نیروگاه های هسته ای و نیروگاه های آبی می باشد. اما برای تأمین بار پیك به نوعی نیروگاه احتیاج داریم كه مخارج نصب پایین و سرعت راه اندازی و باردهی بالا داشته باشد. [حتی اگر مخارج جاری آن بالا باشد و در رابطه با تأمین بار پیك توربین های گازی مطرح می شوند، زیرا خصوصیات تقاضا شده فوق را دارا می باشند.
توربین های بخار به خاطر آنكه برای راه اندازی و رسیدن به مرحله باردهی چندین ساعت وقت لازم دارند و استفاده از آنها به صورت رزرو به صرفه نیست در این مورد استفاده نمی شوند.
بار میانی نیز توسط تركیبی از نیروگاه های مختلف كه اقتصادی تر باشد، تأمین می شود. بنابراین یكی از بارزترین موارد استفاده توربین های گاز در صنعت برق، تأمین بار پیك توسط این واحدهاست البته در كشورهایی مثل ایران كه مسأله سوخت حتی گاز و گازوئیل مسأله مهمی را ایجاد نمی كند از واحدهای گازی برای تأمین بار پایه نیز استفاده می شود.
از ویژگی های دیگر واحدهای گازی كه با دیزل استارت می شود قادرند با استفاده از باتری ها موجود در باتری خانه كه همواره شارژ كامل هستند بدون وابستگی به شبكه استارت شده و به مرحله باردهی برسند لذا از واحدهای گازی می توان برای مناطقی كه به شبكه سراسری متصل نیستند و نیز برای شروع برقراركردن شبكه پس از خاموشی كامل شبكه استفاده كرد. در بعضی از واحدهای گازی كلاچ مخصوص بین محور توربین و محور ژنراتور وجود دارد كه می توان این دو محور را از هم جدا كند و در واحدهایی كه به این نوع كلاچ مجهز هستند می توان در حالی كه ژنراتور به شبكه متصل است با خاموش كردن توربین و باز شدن كلاچ موردنظر كه با افت دور توربین نسبت به ژنراتور صورت می گیرد ژنراتور را به صورت موتور درآورد و به این وسیله عمل تنظیم ولتاژ شبكه را انجام داد. این كار معمولاً در شبهایی كه بخاطر پایین بودن مصرف در شبكه ولتاژ بالا می رود انجام می شود به این نوع استفاده از ژنراتور اصطلاحاً كندانسور كردن گویند.
1-3-1- مزایای توربین گازی
الف) واحدهای گازی بخاطر جمع كوچك و ساده بودن نصب خیلی سریع نصب می شود.
ب) واحدهای گازی بعد از استارت، در عرض چند دقیقه (معمولاً كمتر از ده دقیقه) به مرحله بازدهی می رسند كه در این زمان كوتاه، توربین های گازی را قادر ساخته است كه برای منظورهای اضطراری و در مواقعی كه ماكزیمم مصرف برق را در سیستم قدرت داریم مورد استفاده قرار گیرد. در ضمن تغییر بار (قدرت تولید) در این واحد، سریع صورت می گیرد.
ج) قیمت و هزینه نصب واحدهای گازی پایین است (حدود واحدهای بخار برای قدرت برابر)
د) به علت سادگی ساختمان و كم بودن قسمت های كمكی و نوعی در توربین گاز بهره برداری از آن آسان می باشد. در ضمن در واحدهای گازی امكان كنترل و بهره برداری در محل و از راه دور وجود دارد.
هـ ) در توربین های گازی، امكان استفاده از سوخت های مختلف و تعویض نوع سوخت در حال كار واحد به هنگام باردهی، قدرت مانور خوبی به واحد می دهد.
1-3-2- معایب توربین گازی
الف) راندمان یا بازدهی واحدهای گازی به خاطر دفع مقدار زیادی انرژی، به صورت گرما از اگزوز، (برای یك واحد گازی با قدرت 25 مگاوات دمای خروجی اگزوز، بیش از Cْ500 می باشد) و تشعشع مقداری گرما از جدار اتاق احتراق، پایین تر می باشد (ماكزیمم تا حدود 27% برای سیكل ساده)
ب) چون در واحدهای گازی، معمولاً از گاز طبیعی یا سوخت های سبك استفاده می كنند، لذا مخارج جاری آنها بالا می باشد (به علت گرانی اینگونه سوختها)، ولی در عوض میزان آلودگی محیط زیست نسبت به سایر نیروگاه های حرارتی دیگر با قدرت مشابه كمتر است.
فص دوم
تئوری فرایندهای توربین گازی در افزایش قدرت و راندمان
2-1- مقدمه
با منبسط شدن گازهای حاصل از احتراق (كه دارای دما و فشار بالایی می باشند) در چندین طبقه از پره های ثابت و متحرك قدرت در توربین گاز تولید می شود.
برای تولید بالا جهت محفظه احتراق (حدود 4 تا 13 اتمسفر) از كمپرسورهای محوری با چندین طبقه استفاده می شود. در هر طبقه بر میزان فشار هوای مكیده شده توسط كمپرسور افزوده می شود. كمپرسور توسط توربین به گردش در می آید به همین منظور محور كمپرسور و توربین به هم متصل است. اگر همه چیز را ایده آل فرض كنیم یعنی اصطكاك و تلفات ترمودینامیكی سیال صفحه فرض شوند. همه فرآیندها در تمام طبقات كمپرسور و توربین ایده آل است و افت فشار در محفظه احتراق نیز صفر است. بعد از راه اندازی توربین گاز اگر كل سیستم را به حالت خود رها كنیم (بدون اینكه سوختی مصرف كنیم) قاعدتاً باید قدرت تولید شده در توربین مساوی قدرت مصرف شده در كمپرسور باشد. اما این از لحاظ علمی غیرممكن است. در توربین گاز حدود قدرت تولید شده در توربین صرف به گردش آوردن كمپرسور شده و آن به عنوان كار خروجی جهت تولید برق (یا هر مصرف دیگر) مصرف می شود. بنابراین لازم است كه قدرت تولیدی در توربین بیشتر از قدرت مصرفی در كمپرسور باشد. برای این منظور می توان با اضافه كردن حجم سیال عامل در فشار ثابت یا افزایش فشار آن در حجم ثابت قدرت تولیدی توربین را افزایش داد. هر یك از دو روش فوق را می توان با بالا بردن دمای سیال عامل پس از متراكم ساختن آن به كار برد. برای افزایش دمای سیال عامل یك محفظه احتراق لازم است تا با احتراق سوخت دمای هوا بالا رود. به این ترتیب یك سیكل ساده توربین گاز شامل قسمت های زیر است:
1- كمپرسور
2- اتاق احتراق
3- توربین
در توربین های گاز ممكن است یكی از دو نوع سوخت گازوئیل یا گاز طبیعی استفاده شود. توربین های گازی را از روی عمل انبساط گازها (مانند توربین بخار) تقسیم بندی می كنند كه عبارتند از:
1- توربین های ضربه ای
2- توربین های ضربه ای- عكس العملی
توربین های گاز را از روی سیو سیال عامل نیز طبقه بندی می كنند كه عبارتند از:
1- توربین های گازی با سیكل باز (سیال عامل از هوای بیرون موتور وارد و به داخل هوای محیط تلمبه می گردد.)
2- توربین های گاز با سیكل بسته (سیال عامل از هوای بیرون موتور وارد و به داخل هوای محیط تخلیه می گردد.)
3- توربین های گاز با سیكل نیمه بسته (مقداری از سیال عامل در داخل دستگاه گردش می كند و مقدار دیگر به داخل هوای محیط تخلیه می گردد.)
2-2- سیكل استاندارد هوایی
*******************************************
شكل (2-1) توربین گاز با سیكل ساده
در شكل (2-1) علائم زیر استفاده شده است:
C= كمپرسور
B= اتاق احتراق
T= توربین
P= كوپلینگ بین توربین و دستگاه مصرف كننده
S= راه انداز
**************************************************
شكل (2-2): نمودار 7-P سیكل برایتون
همانطور كه در شكل (2-2) پیدا است هوای محیط در داخل كمپرسور از فشار 1P تا 2P طی یك فرآیند آیزونتروپیك متراكم می گردد و بعد در اتاق احتراق توسط سوخت پاشیده شده احتراق صورت می گیرد.
فرآیند احتراق تقریباً در فشار ثابت انجام می شود. در اثر احتراق دمای سیال عامل زیاد می شود و از T2 به T3 می رسد محصولات احتراق از اتاق احتراق خارج شده و در داخل توربین از P3 تا فشار جو منبسط می گردد و به داخل هوای محیط تخلیه می شود. توربین و كمپرسور به طور مكانیكی به هم متصل شده اند. بنابراین كار خالص برابر است با اختلاف بین كار انجام شده توسط توربین و كار مصرف شده توسط كمپرسور. برای آغاز كار كمپرسور یك راه انداز (استاتور) لازم خواهد بود، وقتی توربین شروع به كار كرد، راه انداز قطع می شود.
نمودار سیكل آرمانی (نظر) برایتون روی نمودار P-V یا T-S در شكل های شماره (2-2) و (2-3) نشان داده شده است.
فرآیند 2-1: تراكم ایزونتروبیك در كمپرسور
فرآیند 3-2: افزودن حرارت در فشار ثابت در اتاق احتراق
فرآیند 4-3: انبساط آیزونتروبیك در توربین
فرآیند 1-4: بس دادن حرارت در فشار ثابت
************************************************
شكل (2-3): نمودار T-S سیكل برایتون
با مراجعه به شكل (2-2) می توان بازده حرارتی سیكل را بر مبنای یك كیلوگرم از سیال عامل پیدا نمود.
(2-1) حرارت افزوده شده
و چون گرمای ویژة فشار ثابت CP در كل فرآیند 3-2 ثابت است:
(2-2) = حرارت پس داده شده
حرارت پس داده شده – حرارت افزوده شده = Wnet= كار خالص
(2-3) =
این مقدار كار را می توان از راه محاسبه كار توربین و كمپرسور نیز به دست آورد.
(2-4) كار انجام شده به وسیله توربین
(2-5) كار مصرف شده به وسیله كمپرسور
كار مصرف شده به وسیله كمپرسور- كار تولید شده به وسیله توربین= Wnet
(2-6) = Wnet
بازده حرارتی عبارت است از نسبت كار خالص سیكل به هزینة انجام شده
و به طور خلاصه:
(2-7)
می دانیم كه در یك فرایند آیزونتروبیك بین فشار، دما و حجم گاز در رابطه زیر برقرار است:
نظر به اینكه P2=P3 و P1=P4 می توان نوشت:
با قرار دادن مقدار از معادله فوق در معادله (2-7) خواهیم داشت:
(2-8)
نسبت فشار را به rp نشان می دهیم، بنابراین:
(2-9)
***********************************************
شكل (2-4): منحنی تغییرات بازده حرارتی سیكل نظری بر حسب تغییرات فشار
حال اگر راندمان حرارتی را بر حسب نسبتهای فشار متفاوت رسم كنیم نمودار شكل (2-4) به دست می آید. [2]
همانطور كه از شكل (2-4) پیداست راندمان حرارتی با افزایش نسبت فشار افزایش می یابد. اما همانطور كه از این نمودار پیداست این افزایش یكنواخت و خطی نیست، بلكه از نسبت فشار 1 تا 4 دارای شیب تند خطی می باشد و از آن به بعد نرخ آن كاسته می شود. از نسبت فشار 16 به بعد تغییرات راندمان حرارتی بر حسب نسبت فشار خیلی محسوس نیست، بنابراین می توان پیشنهاد كرد كه برای راندمان حرارتی ماكزیمم یك نسبت فشار بهینه باید وجود داشته باشد.
2-3- نسبت فشار برای حداكثر كار خالص ویژه سیكل نظری برایتون
اگر شرایط سیكل را ایده آل فرض كنیم، برای تغییر قدرت خروجی، تنها عامل متغیر نسبت فشار می باشد. حداقل نسبت فشار، یك است كه به ازاء آن قدرت خروجی صفر می شود، در این صورت:
(2-10)
اگر دمای خورجی كمپرسور به دمای ورودی توربین یعنی T3 برسد حرارت افزوده شده در اتاق احتراق صفر خواهد بود. در نتیجه مقدار كار كمپرسور و توربین با هم برابر می شود. و كار خروجی (خالص) در این حالت هم صفر می شود. این نسبت فشار ماكزیمم برابر است با:
(2-11)
بنابراین هیچ كدام از دو روش فوق الذكر عملی نیست و باید یك نسبت فشار میانی وجود داشته باشد كه به ازاء آن قدرت خروجی یا بازده (با توجه به محدوده دمایی كه توربین با آن مواجه است) حداكثر بشود. شكل (2-5) دیاگرام T-S این سیكل با مقادیر حداقل، حداكثر و میانی نسبت فشار نشان می دهد. برای به دست آوردن نسبت فشاری كه به ازاء آن قدرت خروجی حداكثر شود (قدرت خروجی به ازاء یك كیلوگرم سیال عامل) به روش زیر عمل می كنیم با توجه به شكل (2-5):
(2-12)
از طرفی داریم
و
با توجه به اینكه دوطرف راست معادله فوق با هم برابر است می توان نوشت:
بنابراین معادله (2-12) به صورت زیر در می آید:
(2-13)
*****************************************
شكل (2-5) حداكثر و حداقل فشار در سیكل برایتون
در معادله (2-13) T3 , T1 حداقل و حداكثر دمای سیال می باشند، r و CP مقادیر ثابت محسوب می شوند. برای به دست آوردن فشاری كه به ازاء آن قدرت خروجی حداكثر می شود از معادله (2-13) بر حسب rP مشتق می گیریم و آن را مساوی صفر قرار می دهیم:
طرفین معادله فوق را بر تقسیم می كنیم در نتیجه معادله به صورت زیر در می آید:
(2-14)
(2-15)
2-4- سیكل عملی برایتون:
سیكل عملی (واقعی) توربین گاز از نقطه نظرهای زیر با سیكل نظری برایتون تفاوت دارد:
1- به علت وجود تلفات اصطكاكی در كمپرسور و توربین، فرآیند تراكم و انبساط بدون اصطكاك نیست و با مقداری افزایش در انتروپی همراه می باشد (این فرآیندها آدیاباتیك برگشت ناپذیر می باشند) در حالت ایده آل بازده كمپرسور و توربین 100% می باشد اما در عمل كمتر است.
2- در اتاق احتراق افت فشار مختصری وجود دارد. این افت فشار (تلفات) به قدری كم است كه به منظور ساده شدن مسأله هرجا كه لازم باشد می توان از آن صرفنظر نمود.
3- جرم گازی كه از داخل توربین عبور می كند (1+f) برابر جرم هوایی است كه از داخل كمپرسور عبور می كند كه f نشان دهنده نسبت جرم سوخت به جرم هوا می باشد.
4- گرمای ویژه گازهای حاصل از احتراق كمی بیشتر از گرمای ویژه هوا می باشد. البته این افزایش به قدری كم است كه گرمای ویژه گازهای حاصل از احتراق را می توان برای ساده شدن مسأله هرجا كه لازم است با گرمای ویژه هوا مساوی فرض كرد.
****************************************************
شكل (2-16) نمودار T-S سیكل واقعی برایتون
در شكل شماره (2-6) نمودار T-S برای یك سیكل واقعی برایتون نشان داده شده است.
تلفات فشار در اتاق احتراق بصورت P2-P3 نشان داده می شود. در این سیكل:
فرآیند َ1-2 تراكم آیزوتروبیك.
فرآیند 2-1: تراكم واقعی.
فرآیند َ3-4: انبساط آیزوتروبیك
فرآیند 4-3: انبساط واقعی.
بازده كمپرسور
چون CP ثابت است:
(بازده كمپرسور)
بازده توربین
اگر گرمای ویژه گازهای حاصل از سوخت با گرمای ویژه هوا با هم برابر فرض شود:
(2-17)
بازده حرارتی سیكل بصورت زیر محاسبه می گردد:
كار مصرفی كمپرسور- كار واقعی توربین = Wnet= كار خالص واقعی
= حرارت افزوده شده
بنابراین بازده حرارتی سیكل برابر است با:
(2-18)
اگر بجای مقدار آنها را از معادله (2-16) و (2-17) در معادله (2-18) قرار دهیم خواهیم داشت:
(2-19)
از روی معادله (2-19) واضح است كه بازده حراتی واقعی سیكل با اصلاح یا هر دو افزایش می یابد.
2-5- راههای اصلاح بازده و كار خروجی ویژه سیكل ساده
برای اصلاح كار یك مولد قدرت با سیكل ساده می توان از روشهای زیر استفاده نمود.
2-5-1- بازیابی حرارت
با گرم كردن اولیه هوا با استفاده از گرمای گاز خروجی توربین در مصرف سوخت صرفه جویی می شود. این روش را بازیاب حرارتی گویند.
***********************************************
شكل (2-7) نمودار جریان و T-S برای یك چرخه بسته غیر ایده آل برایتون با مبادله گرما.
به دلیل اینكه بازده سیكل توربین گازی با بازیاب بیشتر از بازده سیكل ساده توربین گازی است، مصرف سوخت در این سیكل تا 30 درصد و حتی بیشتر كاهش می یابد.
2-5-2- اصلاح قدرت خروجی واحد توربین
این عمل به روشهای زیر انجام می شود:
الف) گرم كردن مجدد انبساط كامل در توربین در دو یا چند طبقه حاصل می شود و پس از هر مرحله از انبساط گرم كردن مجدد صورت می گیرد.
ب) بالا بردن حداكثر دمای سیكل (دمای گاز ورودی توربین) این عمل به روشهای زیر انجام می شود:
1- استفاده از سوختی با كیفیت بهتر
2- استفاده از مولد بهتر برای پره های توربین كه بتواند دمای زیادتری را تحمل كند.
3- استفاده از روشهای خنك كردن پره ها
4- اصلاح بازده توربین كه بستگی به اصلاح طرح آن دارد.
2-5-3- كاستن از قدرت مصرفی كمپرسور
این عمل به راههای زیر انجام می گیرد.
الف) خنك كردن میانی: كار مصرفی كمپرسور با خنك كردن هوا در فاصله بین طبقات كمپرسور كاهش می یابد.
ب) بالا بردن بازده كمپرسور: این عمل با اصلاح طرح كمپرسور قابل اجرا است.
ج) تزریق آب: با تزریق آب در دهانه ورودی كمپرسور، كار خروجی و بازده در اثر جرم اضافی آب تزریق شده و افزایش دانسیته هوا و خشك كردن هوا زیاد می شود.
***************************************************
شكل (2-8) نمودار جریان و T-S یك سیكل بسته ایده آل برایتون با دو مرحله خنك كردن میانی و یك مرحله باز گرمایش و یك دستگاه مبادله گرما
مقدار كار در دستگاه هایی مانند كمپرسور یا توربین با استفاده از معادله زیر است:
این معادله برای گاز كامل با توجه به اینكه برای آن pv=Mrt است بصورت زیر در می آید:
بنابراین به ازاء معین مقدار كار مستقیماً با دما متناسب است، لذا كمپرسور كه بین حالت 1 و 2 كار می كند با افزایش دما كار بیشتری مصرف خواهد كرد از آنجا كه كار كمپرسور منفی است افزایش آن كار خالص سیكل را كاهش می دهد، بهتر است در حالی كه می خواهیم به فشار P2 برسیم T=T2-T1 را در حد پایین نگاه داریم، این كار را از لحاظ نظری می توان با خنك كردن متوالی گاز متراكم و نگهداشتن دمای آن در حد T1 انجام داد. این روش با استفاده از خط بریده پایینی در شكل (2-8) نشان داده شده است. اما این كار از لحاظ فیزیكی امكان پذیر نیست و خنك كردن گاز را بین دو مرحله تراكمی می توان انجام داد. در شكل (2-8) برای سادگی كار فرآیند تراكمی و انبساطی بصورت ایده آل (آیزونتروپیك) نشان داده شده اند و در آن دو مرحله خنك كن میانی دیده می شوند. گاز پس از تراكم نسبی از 1 تا 2 خنك می شود و دمای آن در حالی كه فشارش ثابت است (در فرآیند ایده آل) به دمای نقطه َ1 می رسد. مجدداً گاز تا َ2 متراكم می شود و پس از آن دوباره تا ً1 خنك می شود و سرانجام تا ً2 متراكم می شود. در فرآیند ایده آل و است تحت این شرایط كمپرسور از سه قسمت تشكیل می شود كه كار مصرفی هر قسمت یكسان است.
با توجه به معادله می توان نتیجه گرفت كه با بالا نگهداشتن دمای گاز در توربین می توان كار توربین را افزایش داد. این فرآیند به وسیله خط بریده افقی شكل (2-8) نشان داده شده است.
در شكل (2-8) دو دستگاه توربین نشان داده شده است كه بین آنها یك مرحله بازگرمایشی قرار دارد. گاز در قسمت فشار بالای توربین از 3 تا 4 منبسط می شود و آنگاه در ضمن یك فرآیند فشار ثابت (در حالت ایده آل) تا حالت َ3 باز گرم می شود و بالاخره در قسمت فشار پایین توربین تا َ4 انبساط پیدا می كند. مساحت مقدار افزایش كار در سیكل را نشان می دهد در حالی كه مقدار گرمای داده شده به سیكل به اندازه می باشد.
از عملیات خنك سازی میانی، بازگرمایش و بازیابی می توان توأماً در یك سیكل مطابق شكل (2-8) استفاده كرد.
****************************************
شكل (2-9) نمودار جریان T-S یك سیكل دو محوری توربین گازی با تزریق آب و مبادله گرما
تزریق آب به سیكل توربین گازی روشی است كه به وسیله آن می توان قدرت خروجی سیكل را به طور محسوسی و بازده آن را به طور جزئی افزایش داد. در بعضی از هواپیماها و در بعضی از واحدهای ثابت، آب به داخل كمپرسور تزریق می شود و ضمن افزایش دمای هوا در فرآیند تراكمی به صورت بخار در می آید از این رو گرمای تبخیر موجب كاهش دمای هوای متراكم می شود و در نتیجه آن كار كمپرسور كاهش می یابد. این اثر در واقع مشابه اثر خنك كن میانی است (كه قبلاً مورد بررسی قرار گرفت.)
تزریق آب به سیكل توربین گازی كه دارای مبادله گرما است در صورتی كه آب بین كمپرسور و مبادله گرما تزریق شود سودمندتر است[2]. این روش را می توان به وسیله پاشش برای سیكل های تك محوری و دو محوری به كار برد. این روش در شكل (2-9) آب بین كمپرسور و مبادله گرما نشان داده شده است. در نمودار T-S، 1-2-4-5-7-َ9-1 سیكل بدون تزریق آب را نشان می دهد. كه در آن 4 و َ9 به ترتیب عبارتند از هوای متراكم خروجی و گازهای خروجی از مبادله ی گرما. دمای هوای متراكم در نقطه 2 در نتیجه تزریق آب ضمن یك فرآیند تقریباً با فشار ثابت به دلیل تبخیر آب از مقدار مربوط به 2 تا دمای 3 كاهش می یابد (فشار به اندازه كمی از 2 تا 3 افزایش پیدا می كند) آنگاه هوای متراكم خنك شده با حالت 3 وارد مبادله گرما می شود و در آن تا دمایی تقریباً برابر با دمای 4 پویش گرم می شود. (عملاً دما به مقدار جزئی كمتر از دمای 4 است). گرمای اضافی لازم برای گرم كردن هوای مرطوب از 3 تا 2 از گازهای خروجی و ضمن فرآیند َ9 تا 9 تأمین می شود. كه در غیر این صورت این انرژی از دست می رفت از این رو دمای نقطه 9 دمای جدید گازهای خروجی محسوب می شود. آب ورودی ممكن است پیش از تزریق به وسیله گاز در نقطه 9 پینس گرم شود مطابق شكل (2-9) و همچنین ممكن است این عمل صورت نگیرد.
آب به اندازه ای می توانند تزریق شود كه هوای متراكم در دمای T3 به صورت اشباع درآید. بیش از این مقدار آب موجب می شود كه مایع آب توسط هوا حمل شود و با این عمل هر چند كه كار تا حدی افزایش می یابد ولی بازده در مقایسه با حالت هوای اشباع كاهش پیدا می كند و مشكلاتی مانند پركار كردن مبادله كن گرما، اختلاف دمای شدید موضعی و تنش های گرمایی ناشی از آن بوجود می آید.
افزایش كار نیروگاه در نتیجه تزریق آب تا حدی در نتیجه افزایش كار توربین به علت افزایش آهنگ جرمی جریان هوا و بخار آب از توربین است، بدون اینكه كار كمپرسور افزایش یافته باشد. مقدار افزایش جرم عبارت است از تفاضل جرم بخار اشباع در نقطه 3 شكل (2-9) و جرم بخار آبی كه از اول در هوا در نقطه 1 موجود بود.
2-6- تأثیر متغیرهای كار روی بازده
بازده حرارتی سیكل ساده واقعی یك توربین گاز بستگی به متغیرهای زیر دارد:
1- نسبت فشار
2- بازده توربین
3- دمای ورودی توربین T3
4- دمای ورودی كمپرسور T1
5- بازده كمپرسور
2-6-1- تأثیرات دمای ورودی توربین و فشار آن
در شكل شماره (2-10) نشان می دهد كه افزایش دمای ورودی توربین بازده حرارتی را با ثابت نگهداشتن عوامل دیگر، افزایش می دهد. به ازاء هر دمای ورودی توربین یك نسبت فشار عالی برای حداكثر بازده حرارتی وجود دارد.
***************************************************
شكل (2-10) تغییرات بازده حرارتی سیكل ساده توربین گاز بر حسب تغییرات ثبت فشار برای دماهای مختلف گاز ورودی
2-6-2- تأثیر بازده توربین و كمپرسور
شكل شماره (2-11) نشان می دهد كه بازده حرارتی در برابر تغییرات بازده توربین و كمپرسور بسیار حساس است منحنی خط چین بازده حرارتی سیكل ایده آل (سیكل ساده آرمانی) را نشان می دهد. وقتی بازده توربین و كمپرسور زیاد می شود. بازده حرارتی سیكل هم زیاد می شود. به ازاء هر بازده توربین و كمپرسور یك حد اعلای فشار وجود دارد كه به ازاء آن بازده حرارتی سیكل حداكثر می شود.
شكل (2-11) تغییرات بازده حرارتی سیكل بر حسب نسبت فشار برای مقادیر مختلف بازده توربین و كمپرسور
(اعداد روی منفی ها نشانه بازده توربین و كمپرسور بر حسب درصد می باشند.)
2-6-3- تأثیر تغییرات دمای هوای ورودی به كمپرسور
همانطور كه در شكل شماره (2-12) نشان داده شده است با كاهش دمای هوای ورودی كمپرسور (هوای محیط) بازده سیكل افزایش می یابد. نقاط حد اعلا در نسبت فشار بالاتر بوجود می آید و هرچه انحنای منحنی كمتر بشود حدود وسیعتری برای بهترین نسبت فشار وجود دارد.
******************************************
شكل (2-12)" تغییرات بازده حرارتی سیكل ساده بر حسب نسبت فشار برای دماهای مختلف ورودی كمپرسور
(دمای هوای ورودی روی هر یك از منحنی ها نوشته شده است)
فصل سوم
خنك كاری هوا
3-1- ضرورت خنك كردن هوای ورودی كمپرسور
با افزایش دمای محیط و ارتفاع، بازده و قدرت خروجی توربین های گازی و سیكل های تركیبی به شدت پایین می آید. با توجه به اینكه در اثر مناطق دارای توربین گازی یا سیكل تركیبی نصب شده در كشور دمای محیط بالا می باشد، بنابراین این واحدها به علت كاهش بازدهی، سوخت بیشترری مصرف خواهد نمود.
همچنین با توجه به اوج مصرف انرژی الكتریكی در تابستان، كم شدن قدرت خروجی ممكن است مشكلاتی را در تأمین انرژی الكتریكی لازم در كشور ایجاد كند و موجب خساراتی بر اقتصاد كشور گردد. در واقع سرمایه های ملی در اثر این مسأله از دست می رود.
تولید كار در توربین های گازی یك فرآیند حجم ثابت است با افزایش دمای محیط جرم مخصوص هوا كاهش یافته و دبی جرمی عبوری از توربین پایین می آید در نتیجه قدرت تولیدی توسط توربین كاهش خواهد یافت، با تقریب می توان گفت كه قدرت خروجی با دبی جرمی در سیكل نسبت مستقیم دارد.
(3-1)
به ازاء هر F ْ1 افزایش در دمای محیط 3/0% تا 5/0% از توان خروجی واحد توربین گازی كم می شود. با بالا رفتن دمای محیط، همانطور كه در دیاگرام T-S شكل (3-1) نشان داده شده فرآیند آنتروپی ثابت 2-1 در كمپرسور به فرآیند 1h-2h تبدیل می گردد با توجه به واگرا بودن خطوط فشار ثابت در این دیاگرام میزان كار انجام شده توسط كمپرسور افزایش خواهد یافت.
از طرفی با بالا رفتن دمای محیط فشار بعد از كمپرسور كم شده و در نتیجه بازدهی حرارتی واحد كاهش می یابد (شكل 3-2) همچنین به علت كاهش دانسیته هوا نرخ حرارتی و نیز مصرف ویژه سوخت (دبی سوخت مصرفی بر واحد قدرت تولیدی) بالا می رود[3].
*************************************************
شكل (3-1) تحول تراكم در كمپرسور بر روی دیاگرام T-S در یك روز گرم و یك روز عادی
كاهش نسبت فشار در شكل (2-3) برای یك روز گرم نشان داده شده است با توجه به محدود بودن دمای گازهای ورودی به توربین گاز، همانطور كه در شكل دیده می شود كار انجام شده در توربین گاز كاهش خواهد یافت
قیمت فایل فقط 6,900 تومان
برچسب ها : تاریخچه توربین گاز , طرح توجیهی تاریخچه توربین گاز , دانلود تاریخچه توربین گاز , مکانیک , توربین , توربین گاز , توربین های گاز با سیكل بسته , معایب توربین گازی , بازده حرارتی , نقش توربین گاز در صنعت برق , مزایای توربین گازی , دانلود طرح توجیهی , پروژه دانشجویی , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , پایان نامه , دانلود پروژه
