1-1 تاريخچه توربين گاز

از حدود 70 سال قبل توربين هاي گازي جهت توليد برق مورد استفاده قرار مي گرفته اند، اما در بيست سال اخير توليد اين نوع توربين ها بيست برابر افزايش يافته است.

اولين طرح توربين گازي مشابه توربين هاي گازي امروزي در سال 1791 به وسيله «جان پاير» پايه گذاري شد كه پس از مطالعات زيادي بالاخره در اوايل قرن بيستم اولين توربين گازي كه از يك توربين چند طبقه عكس العملي و يك كمپرسور محوري چندطبقه تشكيل شده بود، توليد گرديد.

اولين دستگاه توربين گازي در سال 1933 در يك كارخانه فولادريزي در كشور آلمان مورد بهره برداري قرار گرفت و آخرين توربين گازي با قدرت 2/212 مگاوات در فرانسه نصب و مورد بهره برداري مي گردد. [1]

در صنعت برق ايران اولين توربين گازي در سال 1343 در نيروگاه شهر فيروزه (طرشت) مورد استفاده قرار گرفته است كه شامل دو دستگاه بوده و هر كدام 5/12 مگاوات قدرت داشته است. در حال حاضر كوچكترين توربين گازي موجود در ايران توربين گاز سيار «كاتلزبرگ» با قدرت اسمي يك مگاوات و بزرگترين آن توربين گازي 49-7 شركت زيمنس با قدرت 150 مگاوات مي باشد. [1]

1-2- نقش توربين گاز در صنعت برق

توربين هاي گاز جدا از توليد برق به خاطر خصوصيات ويژه اي كه دارند مي تواند در موارد ديگري مثل موتورهاي جت در هواپيماها براي تأمين نيروي محركه هواپيما و نيروي جلوبرندگي به كار رود يا مثلاً جهت به گردش درآوردن يك پمپ قوي به كار رود.

اما چون بحث ما پيرامون توربين هاي گازي است كه در صنعت برق وجود دارد. لذا مطالب خود را بر اساس همين موضوع پيگيري مي كنيم.

با توجه به آمار و ارقام مشخص مي شود كه ميزان مصرف برق در ساعات مختلف شبانه روز متفاوت است مثلاً در بعضي از ساعات شبانه روز (فاصله ساعت 10:00 تا 12:00 صبح و از تاريك شدن هوا به مدت تقريباً دو ساعت در شب) مصرف برق خيلي زياد است و به ميزان حداكثر خود مي رسد (پيك بار) و در بعضي ساعات مثل ساعات بين نيمه شب تا بامداد مصرف برق خيلي پايين است و در بقيه اوقات يك مقدار متعادل را دارد.

************************************************************

شكل (1-1) تغييرات بار به ازاء شبانه روز (منفي بار)

همانطوري كه در شكل 1-1 ديده مي شود [1] يك مقدار از بار مصرف تقريباً در تمام ساعات شبانه روز ثابت است كه به آن بار پايه مي گوييم و يك مقدار بار نيز تنها در ساعات محدودي از شبانه روز اتفاق مي افتد و مقدار آن بيشتر از بار در بقيه ساعات شبانه روز مي باشد. اين بار را بار حداكثر يا پيك مي گوييم. نوسانات بين بار پايه و بار پيك را نيز بنام بار متوسط يا مياني مي گوييم و براي تأمين بار پايه به نوعي نيروگاه احتياج داريم كه مخارج جاري آن پايين باشد. اين نيروگاه ها شامل نيروگاه هاي بخار (به خاطر سوخت ارزان- چون سوخت مصرفي آنها معمولاً سوخت هاي سنگين مثل ماژوت است) نيروگاه هاي هسته اي و نيروگاه هاي آبي مي باشد. اما براي تأمين بار پيك به نوعي نيروگاه احتياج داريم كه مخارج نصب پايين و سرعت راه اندازي و باردهي بالا داشته باشد. [حتي اگر مخارج جاري آن بالا باشد و در رابطه با تأمين بار پيك توربين هاي گازي مطرح مي شوند، زيرا خصوصيات تقاضا شده فوق را دارا مي باشند.

توربين هاي بخار به خاطر آنكه براي راه اندازي و رسيدن به مرحله باردهي چندين ساعت وقت لازم دارند و استفاده از آنها به صورت رزرو به صرفه نيست در اين مورد استفاده نمي شوند.

بار مياني نيز توسط تركيبي از نيروگاه هاي مختلف كه اقتصادي تر باشد، تأمين مي شود. بنابراين يكي از بارزترين موارد استفاده توربين هاي گاز در صنعت برق، تأمين بار پيك توسط اين واحدهاست البته در كشورهايي مثل ايران كه مسأله سوخت حتي گاز و گازوئيل مسأله مهمي را ايجاد نمي كند از واحدهاي گازي براي تأمين بار پايه نيز استفاده مي شود.

از ويژگي هاي ديگر واحدهاي گازي كه با ديزل استارت مي شود قادرند با استفاده از باتري ها موجود در باتري خانه كه همواره شارژ كامل هستند بدون وابستگي به شبكه استارت شده و به مرحله باردهي برسند لذا از واحدهاي گازي مي توان براي مناطقي كه به شبكه سراسري متصل نيستند و نيز براي شروع برقراركردن شبكه پس از خاموشي كامل شبكه استفاده كرد. در بعضي از واحدهاي گازي كلاچ مخصوص بين محور توربين و محور ژنراتور وجود دارد كه مي توان اين دو محور را از هم جدا كند و در واحدهايي كه به اين نوع كلاچ مجهز هستند مي توان در حالي كه ژنراتور به شبكه متصل است با خاموش كردن توربين و باز شدن كلاچ موردنظر كه با افت دور توربين نسبت به ژنراتور صورت مي گيرد ژنراتور را به صورت موتور درآورد و به اين وسيله عمل تنظيم ولتاژ شبكه را انجام داد. اين كار معمولاً در شبهايي كه بخاطر پايين بودن مصرف در شبكه ولتاژ بالا مي رود انجام مي شود به اين نوع استفاده از ژنراتور اصطلاحاً كندانسور كردن گويند.

1-3-1- مزاياي توربين گازي

الف) واحدهاي گازي بخاطر جمع كوچك و ساده بودن نصب خيلي سريع نصب مي شود.

ب) واحدهاي گازي بعد از استارت، در عرض چند دقيقه (معمولاً كمتر از ده دقيقه) به مرحله بازدهي مي رسند كه در اين زمان كوتاه، توربين هاي گازي را قادر ساخته است كه براي منظورهاي اضطراري و در مواقعي كه ماكزيمم مصرف برق را در سيستم قدرت داريم مورد استفاده قرار گيرد. در ضمن تغيير بار (قدرت توليد) در اين واحد، سريع صورت مي گيرد.

ج) قيمت و هزينه نصب واحدهاي گازي پايين است (حدود  واحدهاي بخار براي قدرت برابر)

د) به علت سادگي ساختمان و كم بودن قسمت هاي كمكي و نوعي در توربين گاز بهره برداري از آن آسان مي باشد. در ضمن در واحدهاي گازي امكان كنترل و بهره برداري در محل و از راه دور وجود دارد.

هـ ) در توربين هاي گازي، امكان استفاده از سوخت هاي مختلف و تعويض نوع سوخت در حال كار واحد به هنگام باردهي، قدرت مانور خوبي به واحد مي دهد.

1-3-2- معايب توربين گازي

الف) راندمان يا بازدهي واحدهاي گازي به خاطر دفع مقدار زيادي انرژي، به صورت گرما از اگزوز، (براي يك واحد گازي با قدرت 25 مگاوات دماي خروجي اگزوز، بيش از Cْ500 مي باشد) و تشعشع مقداري گرما از جدار اتاق احتراق، پايين تر مي باشد (ماكزيمم تا حدود 27% براي سيكل ساده)

ب) چون در واحدهاي گازي، معمولاً از گاز طبيعي يا سوخت هاي سبك استفاده مي كنند، لذا مخارج جاري آنها بالا مي باشد (به علت گراني اينگونه سوختها)، ولي در عوض ميزان آلودگي محيط زيست نسبت به ساير نيروگاه هاي حرارتي ديگر با قدرت مشابه كمتر است.

فص دوم

تئوري فرايندهاي توربين گازي در افزايش قدرت و راندمان

2-1- مقدمه

با منبسط شدن گازهاي حاصل از احتراق (كه داراي دما و فشار بالايي مي باشند) در چندين طبقه از پره هاي ثابت و متحرك قدرت در توربين گاز توليد مي شود.

براي توليد بالا جهت محفظه احتراق (حدود 4 تا 13 اتمسفر) از كمپرسورهاي محوري با چندين طبقه استفاده مي شود. در هر طبقه بر ميزان فشار هواي مكيده شده توسط كمپرسور افزوده مي شود. كمپرسور توسط توربين به گردش در مي آيد به همين منظور محور كمپرسور و توربين به هم متصل است. اگر همه چيز را ايده آل فرض كنيم يعني اصطكاك و تلفات ترموديناميكي سيال صفحه فرض شوند. همه فرآيندها در تمام طبقات كمپرسور و توربين ايده آل است و افت فشار در محفظه احتراق نيز صفر است. بعد از راه اندازي توربين گاز اگر كل سيستم را به حالت خود رها كنيم (بدون اينكه سوختي مصرف كنيم) قاعدتاً بايد قدرت توليد شده در توربين مساوي قدرت مصرف شده در كمپرسور باشد. اما اين از لحاظ علمي غيرممكن است. در توربين گاز حدود   قدرت توليد شده در توربين صرف به گردش آوردن كمپرسور شده و  آن به عنوان كار خروجي جهت توليد برق (يا هر مصرف ديگر) مصرف مي شود. بنابراين لازم است كه قدرت توليدي در توربين بيشتر از قدرت مصرفي در كمپرسور باشد. براي اين منظور مي توان با اضافه كردن حجم سيال عامل در فشار ثابت يا افزايش فشار آن در حجم ثابت قدرت توليدي توربين را افزايش داد. هر يك از دو روش فوق را مي توان با بالا بردن دماي سيال عامل پس از متراكم ساختن آن به كار برد. براي افزايش دماي سيال عامل يك محفظه احتراق لازم است تا با احتراق سوخت دماي هوا بالا رود. به اين ترتيب يك سيكل ساده توربين گاز شامل قسمت هاي زير است:

1- كمپرسور

2- اتاق احتراق

3- توربين

در توربين هاي گاز ممكن است يكي از دو نوع سوخت گازوئيل يا گاز طبيعي استفاده شود. توربين هاي گازي را از روي عمل انبساط گازها (مانند توربين بخار) تقسيم بندي مي كنند كه عبارتند از:

1- توربين هاي ضربه اي

2- توربين هاي ضربه اي- عكس العملي

توربين هاي گاز را از روي سيو سيال عامل نيز طبقه بندي مي كنند كه عبارتند از:

1- توربين هاي گازي با سيكل باز (سيال عامل از هواي بيرون موتور وارد و به داخل هواي محيط تلمبه مي گردد.)

2- توربين هاي گاز با سيكل بسته (سيال عامل از هواي بيرون موتور وارد و به داخل هواي محيط تخليه مي گردد.)

3- توربين هاي گاز با سيكل نيمه بسته (مقداري از سيال عامل در داخل دستگاه گردش مي كند و مقدار ديگر به داخل هواي محيط تخليه مي گردد.)

2-2- سيكل استاندارد هوايي

*******************************************

شكل (2-1) توربين گاز با سيكل ساده

در شكل (2-1) علائم زير استفاده شده است:

C= كمپرسور

B= اتاق احتراق

T= توربين

P= كوپلينگ بين توربين و دستگاه مصرف كننده

S= راه انداز

**************************************************

شكل (2-2): نمودار 7-P سيكل برايتون

همانطور كه در شكل (2-2) پيدا است هواي محيط در داخل كمپرسور از فشار ₁P تا ₂P طي يك فرآيند آيزونتروپيك متراكم مي گردد و بعد در اتاق احتراق توسط سوخت پاشيده شده احتراق صورت مي گيرد.

فرآيند احتراق تقريباً در فشار ثابت انجام مي شود. در اثر احتراق دماي سيال عامل زياد مي شود و از T₂ به T₃ مي رسد محصولات احتراق از اتاق احتراق خارج شده و در داخل توربين از P₃ تا فشار جو منبسط مي گردد و به داخل هواي محيط تخليه مي شود. توربين و كمپرسور به طور مكانيكي به هم متصل شده اند. بنابراين كار خالص برابر است با اختلاف بين كار انجام شده توسط توربين و كار مصرف شده توسط كمپرسور. براي آغاز كار كمپرسور يك راه انداز (استاتور) لازم خواهد بود، وقتي توربين شروع به كار كرد، راه انداز قطع مي شود.

نمودار سيكل آرماني (نظر) برايتون روي نمودار P-V يا T-S در شكل هاي شماره (2-2) و (2-3) نشان داده شده است.

فرآيند 2-1: تراكم ايزونتروبيك در كمپرسور

فرآيند 3-2: افزودن حرارت در فشار ثابت در اتاق احتراق

فرآيند 4-3: انبساط آيزونتروبيك در توربين

فرآيند 1-4: بس دادن حرارت در فشار ثابت

************************************************

شكل (2-3): نمودار T-S سيكل برايتون

با مراجعه به شكل (2-2) مي توان بازده حرارتي سيكل را بر مبناي يك كيلوگرم از سيال عامل پيدا نمود.

(2-1)                                حرارت افزوده شده

و چون گرماي ويژة فشار ثابت C_P در كل فرآيند 3-2 ثابت است:

(2-2)                                = حرارت پس داده شده

حرارت پس داده شده – حرارت افزوده شده = Wnet= كار خالص

(2-3)                                =

اين مقدار كار را مي توان از راه محاسبه كار توربين و كمپرسور نيز به دست آورد.

(2-4)                                كار انجام شده به وسيله توربين

(2-5)                                كار مصرف شده به وسيله كمپرسور

كار مصرف شده به وسيله كمپرسور- كار توليد شده به وسيله توربين= Wnet

(2-6)                               = Wnet

بازده حرارتي عبارت است از نسبت كار خالص سيكل به هزينة انجام شده

و به طور خلاصه:

(2-7)                              

مي دانيم كه در يك فرايند آيزونتروبيك بين فشار، دما و حجم گاز در رابطه زير برقرار است:

نظر به اينكه P₂=P₃ و P₁=P₄ مي توان نوشت:

با قرار دادن مقدار  از معادله فوق در معادله (2-7) خواهيم داشت:

(2-8)                              

نسبت فشار  را به r_p نشان مي دهيم، بنابراين:

(2-9)                              

***********************************************

شكل (2-4): منحني تغييرات بازده حرارتي سيكل نظري بر حسب تغييرات فشار

حال اگر راندمان حرارتي را بر حسب نسبتهاي فشار متفاوت رسم كنيم نمودار شكل (2-4) به دست مي آيد. [2]

همانطور كه از شكل (2-4) پيداست راندمان حرارتي با افزايش نسبت فشار افزايش مي يابد. اما همانطور كه از اين نمودار پيداست اين افزايش يكنواخت و خطي نيست، بلكه از نسبت فشار 1 تا 4 داراي شيب تند خطي مي باشد و از آن به بعد نرخ آن كاسته مي شود. از نسبت فشار 16 به بعد تغييرات راندمان حرارتي بر حسب نسبت فشار خيلي محسوس نيست، بنابراين مي توان پيشنهاد كرد كه براي راندمان حرارتي ماكزيمم يك نسبت فشار بهينه بايد وجود داشته باشد.

2-3- نسبت فشار براي حداكثر كار خالص ويژه سيكل نظري برايتون

اگر شرايط سيكل را ايده آل فرض كنيم، براي تغيير قدرت خروجي، تنها عامل متغير نسبت فشار مي باشد. حداقل نسبت فشار، يك است كه به ازاء آن قدرت خروجي صفر مي شود، در اين صورت:

(2-10)                            

اگر دماي خورجي كمپرسور به دماي ورودي توربين يعني T₃ برسد حرارت افزوده شده در اتاق احتراق صفر خواهد بود. در نتيجه مقدار كار كمپرسور و توربين با هم برابر مي شود. و كار خروجي (خالص) در اين حالت هم صفر مي شود. اين نسبت فشار ماكزيمم برابر است با:

(2-11)                            

بنابراين هيچ كدام از دو روش فوق الذكر عملي نيست و بايد يك نسبت فشار مياني وجود داشته باشد كه به ازاء آن قدرت خروجي يا بازده (با توجه به محدوده دمايي كه توربين با آن مواجه است) حداكثر بشود. شكل (2-5) دياگرام T-S اين سيكل با مقادير حداقل، حداكثر و مياني نسبت فشار نشان مي دهد. براي به دست آوردن نسبت فشاري كه به ازاء آن قدرت خروجي حداكثر شود (قدرت خروجي به ازاء يك كيلوگرم سيال عامل) به روش زير عمل مي كنيم با توجه به شكل (2-5):

(2-12)                            

از طرفي داريم

                  و                 

با توجه به اينكه دوطرف راست معادله فوق با هم برابر است مي توان نوشت:

بنابراين معادله (2-12) به صورت زير در مي آيد:

(2-13)                                      

*****************************************

شكل (2-5) حداكثر و حداقل فشار در سيكل برايتون

در معادله (2-13) T₃ , T₁ حداقل و حداكثر دماي سيال مي باشند، r و C_P مقادير ثابت محسوب مي شوند. براي به دست آوردن فشاري كه به ازاء آن قدرت خروجي حداكثر مي شود از معادله (2-13) بر حسب r_P مشتق مي گيريم و آن را مساوي صفر قرار مي دهيم:

طرفين معادله فوق را بر  تقسيم مي كنيم در نتيجه معادله به صورت زير در مي آيد:

(2-14)                   

(2-15)                   

2-4- سيكل عملي برايتون:

سيكل عملي (واقعي) توربين گاز از نقطه نظرهاي زير با سيكل نظري برايتون تفاوت دارد:

1- به علت وجود تلفات اصطكاكي در كمپرسور و توربين، فرآيند تراكم و انبساط بدون اصطكاك نيست و با مقداري افزايش در انتروپي همراه مي باشد (اين فرآيندها آدياباتيك برگشت ناپذير مي باشند) در حالت ايده آل بازده كمپرسور و توربين 100% مي باشد اما در عمل كمتر است.

2- در اتاق احتراق افت فشار مختصري وجود دارد. اين افت فشار (تلفات) به قدري كم است كه به منظور ساده شدن مسأله هرجا كه لازم باشد مي توان از آن صرفنظر نمود.

3- جرم گازي كه از داخل توربين عبور مي كند (1+f) برابر جرم هوايي است كه از داخل كمپرسور عبور مي كند كه f نشان دهنده نسبت جرم سوخت به جرم هوا مي باشد.

4- گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق كمي بيشتر از گرماي ويژه هوا مي باشد. البته اين افزايش به قدري كم است كه گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق را مي توان براي ساده شدن مسأله هرجا كه لازم است با گرماي ويژه هوا مساوي فرض كرد.

****************************************************

شكل (2-16) نمودار T-S سيكل واقعي برايتون

در شكل شماره (2-6) نمودار T-S براي يك سيكل واقعي برايتون نشان داده شده است.

تلفات فشار در اتاق احتراق بصورت P2-P3 نشان داده مي شود. در اين سيكل:

فرآيند َ1-2 تراكم آيزوتروبيك.

فرآيند 2-1: تراكم واقعي.

فرآيند َ3-4: انبساط آيزوتروبيك

فرآيند 4-3: انبساط واقعي.

 بازده كمپرسور

چون C_P ثابت است:

 (بازده كمپرسور)

   بازده توربين

اگر گرماي ويژه گازهاي حاصل از سوخت با گرماي ويژه هوا با هم برابر فرض شود:

(2-17)                            

بازده حرارتي سيكل بصورت زير محاسبه مي گردد:

كار مصرفي كمپرسور- كار واقعي توربين = W_net= كار خالص واقعي

= حرارت افزوده شده

بنابراين بازده حرارتي سيكل برابر است با:

(2-18)                            

اگر بجاي  مقدار آنها را از معادله (2-16) و (2-17) در معادله (2-18) قرار دهيم خواهيم داشت:

(2-19)                            

از روي معادله (2-19) واضح است كه بازده حراتي واقعي سيكل با اصلاح  يا هر دو افزايش مي يابد.

2-5- راههاي اصلاح بازده و كار خروجي ويژه سيكل ساده

براي اصلاح كار يك مولد قدرت با سيكل ساده مي توان از روشهاي زير استفاده نمود.

2-5-1- بازيابي حرارت

با گرم كردن اوليه هوا با استفاده از گرماي گاز خروجي توربين در مصرف سوخت صرفه جويي مي شود. اين روش را بازياب حرارتي گويند.

***********************************************

شكل (2-7) نمودار جريان و T-S براي يك چرخه بسته غير ايده آل برايتون با مبادله گرما.

به دليل اينكه بازده سيكل توربين گازي با بازياب بيشتر از بازده سيكل ساده توربين گازي است، مصرف سوخت در اين سيكل تا 30 درصد و حتي بيشتر كاهش مي يابد.

2-5-2- اصلاح قدرت خروجي واحد توربين

اين عمل به روشهاي زير انجام مي شود:

الف) گرم كردن مجدد انبساط كامل در توربين در دو يا چند طبقه حاصل مي شود و پس از هر مرحله از انبساط گرم كردن مجدد صورت مي گيرد.

ب) بالا بردن حداكثر دماي سيكل (دماي گاز ورودي توربين) اين عمل به روشهاي زير انجام مي شود:

1- استفاده از سوختي با كيفيت بهتر

2- استفاده از مولد بهتر براي پره هاي توربين كه بتواند دماي زيادتري را تحمل كند.

3- استفاده از روشهاي خنك كردن پره ها

4- اصلاح بازده توربين كه بستگي به اصلاح طرح آن دارد.

2-5-3- كاستن از قدرت مصرفي كمپرسور

اين عمل به راههاي زير انجام مي گيرد.

الف) خنك كردن مياني: كار مصرفي كمپرسور با خنك كردن هوا در فاصله بين طبقات كمپرسور كاهش مي يابد.

ب) بالا بردن بازده كمپرسور: اين عمل با اصلاح طرح كمپرسور قابل اجرا است.

ج) تزريق آب: با تزريق آب در دهانه ورودي كمپرسور، كار خروجي و بازده در اثر جرم اضافي آب تزريق شده و افزايش دانسيته هوا و خشك كردن هوا زياد مي شود.

***************************************************

شكل (2-8) نمودار جريان و T-S يك سيكل بسته ايده آل برايتون با دو مرحله خنك كردن مياني و يك مرحله باز گرمايش و يك دستگاه مبادله گرما

مقدار كار در دستگاه هايي مانند كمپرسور يا توربين با استفاده از معادله زير است:

اين معادله براي گاز كامل با توجه به اينكه براي آن pv=Mrt است بصورت زير در مي آيد:

بنابراين به ازاء  معين مقدار كار مستقيماً با دما متناسب است، لذا كمپرسور كه بين حالت 1 و 2 كار مي كند با افزايش دما كار بيشتري مصرف خواهد كرد از آنجا كه كار كمپرسور منفي است افزايش آن كار خالص سيكل را كاهش مي دهد، بهتر است در حالي كه مي خواهيم به فشار P₂ برسيم T=T₂-T₁ را در حد پايين نگاه داريم، اين كار را از لحاظ نظري مي توان با خنك كردن متوالي گاز متراكم و نگهداشتن دماي آن در حد T₁ انجام داد. اين روش با استفاده از خط بريده پاييني در شكل (2-8) نشان داده شده است. اما اين كار از لحاظ فيزيكي امكان پذير نيست و خنك كردن گاز را بين دو مرحله تراكمي مي توان انجام داد. در شكل (2-8) براي سادگي كار فرآيند تراكمي و انبساطي بصورت ايده آل (آيزونتروپيك) نشان داده شده اند و در آن دو مرحله خنك كن مياني ديده مي شوند. گاز پس از تراكم نسبي از 1 تا 2 خنك مي شود و دماي آن در حالي كه فشارش ثابت است (در فرآيند ايده آل) به دماي نقطه َ1 مي رسد. مجدداً گاز تا َ2 متراكم مي شود و پس از آن دوباره تا ً1 خنك مي شود و سرانجام تا ً2 متراكم مي شود. در فرآيند ايده آل  و  است تحت اين شرايط كمپرسور از سه قسمت تشكيل مي شود كه كار مصرفي هر قسمت يكسان است.

با توجه به معادله  مي توان نتيجه گرفت كه با بالا نگهداشتن دماي گاز در توربين مي توان كار توربين را افزايش داد. اين فرآيند به وسيله خط بريده افقي شكل (2-8) نشان داده شده است.

در شكل (2-8) دو دستگاه توربين نشان داده شده است كه بين آنها يك مرحله بازگرمايشي قرار دارد. گاز در قسمت فشار بالاي توربين از 3 تا 4 منبسط مي شود و آنگاه در ضمن يك فرآيند فشار ثابت (در حالت ايده آل) تا حالت َ3 باز گرم مي شود و بالاخره در قسمت فشار پايين توربين تا َ4 انبساط پيدا مي كند. مساحت  مقدار افزايش كار در سيكل را نشان مي دهد در حالي كه مقدار گرماي داده شده به سيكل به اندازه  مي باشد.

از عمليات خنك سازي مياني، بازگرمايش و بازيابي مي توان توأماً در يك سيكل مطابق شكل (2-8) استفاده كرد.

****************************************

شكل (2-9) نمودار جريان T-S يك سيكل دو محوري توربين گازي با تزريق آب و مبادله گرما

تزريق آب به سيكل توربين گازي روشي است كه به وسيله آن مي توان قدرت خروجي سيكل را به طور محسوسي و بازده آن را به طور جزئي افزايش داد. در بعضي از هواپيماها و در بعضي از واحدهاي ثابت، آب به داخل كمپرسور تزريق مي شود و ضمن افزايش دماي هوا در فرآيند تراكمي به صورت بخار در مي آيد از اين رو گرماي تبخير موجب كاهش دماي هواي متراكم مي شود و در نتيجه آن كار كمپرسور كاهش مي يابد. اين اثر در واقع مشابه اثر خنك كن مياني است (كه قبلاً مورد بررسي قرار گرفت.)

تزريق آب به سيكل توربين گازي كه داراي مبادله گرما است در صورتي كه آب بين كمپرسور و مبادله گرما تزريق شود سودمندتر است[2]. اين روش را مي توان به وسيله پاشش براي سيكل هاي تك محوري و دو محوري به كار برد. اين روش در شكل (2-9) آب بين كمپرسور و مبادله گرما نشان داده شده است. در نمودار T-S، 1-2-4-5-7-َ9-1 سيكل بدون تزريق آب را نشان مي دهد. كه در آن 4 و َ9 به ترتيب عبارتند از هواي متراكم خروجي و گازهاي خروجي از مبادله ي گرما. دماي هواي متراكم در نقطه 2 در نتيجه تزريق آب ضمن يك فرآيند تقريباً با فشار ثابت به دليل تبخير آب از مقدار مربوط به 2 تا دماي 3 كاهش مي يابد (فشار به اندازه كمي از 2 تا 3 افزايش پيدا مي كند) آنگاه هواي متراكم خنك شده با حالت 3 وارد مبادله گرما مي شود و در آن تا دمايي تقريباً برابر با دماي 4 پويش گرم مي شود. (عملاً دما به مقدار جزئي كمتر از دماي 4 است). گرماي اضافي لازم براي گرم كردن هواي مرطوب از 3 تا 2 از گازهاي خروجي و ضمن فرآيند َ9 تا 9 تأمين مي شود. كه در غير اين صورت اين انرژي از دست مي رفت از اين رو دماي نقطه 9 دماي جديد گازهاي خروجي محسوب مي شود. آب ورودي ممكن است پيش از تزريق به وسيله گاز در نقطه 9 پينس گرم شود مطابق شكل (2-9) و همچنين ممكن است اين عمل صورت نگيرد.

آب به اندازه اي مي توانند تزريق شود كه هواي متراكم در دماي T₃ به صورت اشباع درآيد. بيش از اين مقدار آب موجب مي شود كه مايع آب توسط هوا حمل شود و با اين عمل هر چند كه كار تا حدي افزايش مي يابد ولي بازده در مقايسه با حالت هواي اشباع كاهش پيدا مي كند و مشكلاتي مانند پركار كردن مبادله كن گرما، اختلاف دماي شديد موضعي و تنش هاي گرمايي ناشي از آن بوجود مي آيد.

افزايش كار نيروگاه در نتيجه تزريق آب تا حدي در نتيجه افزايش كار توربين به علت افزايش آهنگ جرمي جريان هوا و بخار آب از توربين است، بدون اينكه كار كمپرسور افزايش يافته باشد. مقدار افزايش جرم عبارت است از تفاضل جرم بخار اشباع در نقطه 3 شكل (2-9) و جرم بخار آبي كه از اول در هوا در نقطه 1 موجود بود.

2-6- تأثير متغيرهاي كار روي بازده

بازده حرارتي سيكل ساده واقعي يك توربين گاز بستگي به متغيرهاي زير دارد:

1- نسبت فشار

2- بازده توربين

3- دماي ورودي توربين T₃

4- دماي ورودي كمپرسور T₁

5- بازده كمپرسور

2-6-1- تأثيرات دماي ورودي توربين و فشار آن

در شكل شماره (2-10) نشان مي دهد كه افزايش دماي ورودي توربين بازده حرارتي را با ثابت نگهداشتن عوامل ديگر، افزايش مي دهد. به ازاء هر دماي ورودي توربين يك نسبت فشار عالي براي حداكثر بازده حرارتي وجود دارد.

***************************************************

شكل (2-10) تغييرات بازده حرارتي سيكل ساده توربين گاز بر حسب تغييرات ثبت فشار براي دماهاي مختلف گاز ورودي

2-6-2- تأثير بازده توربين و كمپرسور

شكل شماره (2-11) نشان مي دهد كه بازده حرارتي در برابر تغييرات بازده توربين و كمپرسور بسيار حساس است منحني خط چين بازده حرارتي سيكل ايده آل (سيكل ساده آرماني) را نشان مي دهد. وقتي بازده توربين و كمپرسور زياد مي شود. بازده حرارتي سيكل هم زياد مي شود. به ازاء هر بازده توربين و كمپرسور يك حد اعلاي فشار وجود دارد كه به ازاء آن بازده حرارتي سيكل حداكثر مي شود.

شكل (2-11) تغييرات بازده حرارتي سيكل بر حسب نسبت فشار براي مقادير مختلف بازده توربين و كمپرسور

(اعداد روي منفي ها نشانه بازده توربين و كمپرسور بر حسب درصد مي باشند.)

2-6-3- تأثير تغييرات دماي هواي ورودي به كمپرسور

همانطور كه در شكل شماره (2-12) نشان داده شده است با كاهش دماي هواي ورودي كمپرسور (هواي محيط) بازده سيكل افزايش مي يابد. نقاط حد اعلا در نسبت فشار بالاتر بوجود مي آيد و هرچه انحناي منحني كمتر بشود حدود وسيعتري براي بهترين نسبت فشار وجود دارد.

******************************************

شكل (2-12)" تغييرات بازده حرارتي سيكل ساده بر حسب نسبت فشار براي دماهاي مختلف ورودي كمپرسور

(دماي هواي ورودي روي هر يك از منحني ها نوشته شده است)

فصل سوم

خنك كاري هوا

3-1- ضرورت خنك كردن هواي ورودي كمپرسور

با افزايش دماي محيط و ارتفاع، بازده و قدرت خروجي توربين هاي گازي و سيكل هاي تركيبي به شدت پايين مي آيد. با توجه به اينكه در اثر مناطق داراي توربين گازي يا سيكل تركيبي نصب شده در كشور دماي محيط بالا مي باشد، بنابراين اين واحدها به علت كاهش بازدهي، سوخت بيشترري مصرف خواهد نمود.

همچنين با توجه به اوج مصرف انرژي الكتريكي در تابستان، كم شدن قدرت خروجي ممكن است مشكلاتي را در تأمين انرژي الكتريكي لازم در كشور ايجاد كند و موجب خساراتي بر اقتصاد كشور گردد. در واقع سرمايه هاي ملي در اثر اين مسأله از دست مي رود.

توليد كار در توربين هاي گازي يك فرآيند حجم ثابت است با افزايش دماي محيط جرم مخصوص هوا كاهش يافته و دبي جرمي عبوري از توربين پايين مي آيد در نتيجه قدرت توليدي توسط توربين كاهش خواهد يافت، با تقريب مي توان گفت كه قدرت خروجي با دبي جرمي در سيكل نسبت مستقيم دارد.

(3-1)                               

به ازاء هر F ْ1 افزايش در دماي محيط 3/0% تا 5/0% از توان خروجي واحد توربين گازي كم مي شود. با بالا رفتن دماي محيط، همانطور كه در دياگرام T-S شكل (3-1) نشان داده شده فرآيند آنتروپي ثابت 2-1 در كمپرسور به فرآيند 1h-2h تبديل مي گردد با توجه به واگرا بودن خطوط فشار ثابت در اين دياگرام ميزان كار انجام شده توسط كمپرسور افزايش خواهد يافت.

از طرفي با بالا رفتن دماي محيط فشار بعد از كمپرسور كم شده و در نتيجه بازدهي حرارتي واحد كاهش مي يابد (شكل 3-2) همچنين به علت كاهش دانسيته هوا نرخ حرارتي و نيز مصرف ويژه سوخت (دبي سوخت مصرفي بر واحد قدرت توليدي) بالا مي رود[3].

*************************************************

شكل (3-1) تحول تراكم در كمپرسور بر روي دياگرام T-S در يك روز گرم و يك روز عادي

كاهش نسبت فشار در شكل (2-3) براي يك روز گرم نشان داده شده است با توجه به محدود بودن دماي گازهاي ورودي به توربين گاز، همانطور كه در شكل ديده مي شود كار انجام شده در توربين گاز كاهش خواهد يافت.

**************************************************

همچنين گزارشها نشان مي دهد كه توليدكنندگان انرژي الكتريكي هزينه بيشتري براي انرژي توليدي در ساعاتي كه تقاضاي مصرف برق زياد است (مانند بعدازظهرهاي گرم تابستان) مي پردازند. اين موضوع انگيزه آنرا ايجاد مي كند كه به طريقي، قدرت خروجي از دست رفته توربين گازي در ساعات گرم را به آن بازگرداند. خلاصه آنكه نيروگاه هاي باريپك نيز احتياج به افزايش قدرت خروجي در ساعات مصرف بالا دارند.

نياز به افزايش توان در ساعات گرم به علاوه ضرورت افزايشي توان با هزينه كم از طرفي و امكان محقق كردن اين موارد در توربين هاي گازي از طرف ديگر باعث شده است تا از روشهاي خنك كردن هواي ورودي به كمپرسور براي اين منظور استفاده گردد.

كاهش دماي هواي ورودي توربين علاوه بر افزايش قدرت خروجي باعث كاهش نرخ حرارتي (HeatRate) آن نيز مي شوند و بازده مجموعه را نيز افزايش مي دهد. در شكل (3-3) تأثير دماي هواي ورودي روي نرخ حرارتي توربين گاز نيز نشان داده شده است.

*******************************************

شكل (3-3): تأثير دماي ورودي كمپرسور روي قدرت خروجي و نرخ حرارتي يك توربين گازي

همانطور كه در مباحث قبلي گفته شد سيال عامل در توربين هاي گازي معمولاً هوا مي باشد. لذا عملكرد سيكل توربين گاز بستگي شديدي به شرايط هواي محيط دارد. هرچه درجه حرارت محيط پايين تر باشد توان خروجي سيكل افزايش مي يابد.

در جدول (3-1) اثرات دماي ورودي به كمپرسور بر عملكرد توربين گازي محل PG65418 نشان داده شده است.

***********************************************

جدول (3-1): اثر دماي ورودي به كمپرسور بر عملكرد توربين

همانطور كه گفته شد خنك كاري هوا در توربين هاي گازي به 4 طريق انجام مي پذيرد:

1- خنك كاري مياني

2- خنك كاري تبخيري

3- خنك كاري به وسيله سيستم ذخيره سرما

4- خنك كاري هواي ورودي به كمپرسور به وسيله چيلر

خنك كردن هواي ورودي به كمپرسور به دليل اينكه يك فرآيند مستقل مي باشد بيشتر در توربين هاي گازي در حال بهره برداري مورد توجه قرار مي گيرد. اين روش بدون هيچگونه تغيير يا اصلاحي در اجزاء اصلي واحد توربين گازي و با رعايت برخي نكات فني بدون هيچگونه اثرات منفي قابل اجرا است. محل نصب تجهيزات مربوط به آن تقريباً مستقل و جدا از اجزاء اصلي سيكل توربين گاز مي باشد و در كل طرح و اجزاء ساده تري دارد.

با اين حال تمام روشهاي خنك كردن هواي ورودي در توربين هاي گازي در حال طرح و برنامه ريزي نيز قابل طراحي و اجراء است.

هر يك از روشهاي خنك كردن هواي ورودي با توجه به هزينه اوليه، هزينه عملياتي و تعميرات و تأثير آن بر مقدار افزايش قدرت خروجي و بازدهي، انتخاب مي شوند. در زمان طراحي به دليل عمر طولاني تر سيكل، مي توان از روشهاي پرهزينه تر و مؤثرتري استفاده نمود.

روشهاي سرمايش هواي ورودي به كمپرسور اساساً به سه دسته اصلي تقسيم مي شود. اول روشهاي تبخيري مي باشد. در اين روش آب در كانال هواي ورودي به كمپرسور تبخير مي گردد. بدين ترتيب گرماي نهان تبخير آب از هوا گرفته شده و هوا خنك مي شود. محدوديت اساسي اين روش كاهش دماي ورودي، حداكثر تا دماي نقطه اشباع بخار يا نقطه شبنم است و مزيت آن هزينه اوليه و عملياتي كمتر مي باشد.

دومين روش، روشهاي تبريد مكانيكي يا جذبي است. در روش تبريد مكانيكي از يك چيلر ضربه اي يا سانتريفيوژ كمك گرفته مي شود تا به وسيله يك كويل خنك كن يا با قرار دادن اوپراتور در مسير هوا، هواي ورودي به كمپرسور را خنك نمود. هزينه اوليه و خصوصاً هزينه عملياتي بالا و مصرف انرژي زياد از معايب اين روش مي باشد و توانايي خنك كردن تا Cْ5 از مزاياي اين روش است.

در روش تبريد جذبي از يك چيلر جذبي براي خنك كردن هواي ورودي به كمپرسور استفاده مي شود. هزينه اوليه بالا، هزينه عملياتي پايين و مصرف انرژي با توجه به اينكه مي توان هوا را تا Cْ7 خنك كرد از ويژگي هاي اين روش مي باشد. سيال *** در چيلر جذبي (آب) خود تا Cْ4 سرد شده و قادر است هوا را فقط تا Cْ7 خنك كند[3].

روش سوم: روش ذخيره سازي انرژي است از اين روش براي تأمين انرژي الكتريكي مورد نياز در زمان پيك مصرف برق استفاده مي شود. در ساعت هايي كه مصرف برق كم است از انرژي الكتريكي توليدي اضافي براي توليد يخ يا خنك كردن آب استفاده مي شود. در ساعت هاي پيك از اين يخ يا آب خنك توليد شده براي سرد كردن هواي ورودي به كمپرسور تا دماي Cْ5 استفاده مي شود و توان خروجي توربين گازي و بازدهي آن را بالا مي برد.

نكته قابل توجه اين است كه با كاهش دماي هواي ورودي به كمپرسور در حد پايين تر از Cْ5 امكان تشكيل قطرات آب وجود دارد. در ورودي كمپرسور به علت سرعت گرفتن هوا، دماي آن كاهش يافته وباعث ايجاد ذرات كوچكي از يخ مي شود كه به كمپرسور آسيب مي رساند. بنابراين در ايده آل ترين شرايط حداقل دماي ورودي به كمپرسور را مي توان به Cْ5 رساند. توضيحات كاملتر در مورد روش سرد كردن هواي ورودي در ادامه ارائه خواهد شد[3].

(3-2) خنك كاري مياني

كار خالص سيكل توربين گاز را مي توان با كاهش كار كمپرسور افزايش داد. اين كاهش با به كار بردن چند كمپرسور و خنك كردن در بين طبقات عملي مي گردد. هواي كمپرسور مرحله اول در داخل خنك كن مياني، تقريباً تا دماي اوليه خنك مي شود و وارد كمپرسور بعدي مي گردد. با استفاده از خنك كن مياني پرسه تراكم به پرسه ايزوترمال تبديل مي شود. تأثير خنك كن مياني افزايش كار خالص و كاهش راندمان در مقايسه با سيكل ساده آرماني بدون خنك كن مياني مي باشد.

***********************************************

شكل (3-4) شماتيك سيكل توربين گاز با خنك كن مياني و دياگرام T-S

كمپرسور اولي (C₁) هوا را از فشار محيط به فشار مياني P_x مي رساند سپس هوا وارد خنك كن ساده شده و گرماي خود را به محيط پس مي دهد آنگاه كمپرسور دومي هوا را تا فشار P₂ متراكم مي كند در اتاق احتراق گاز تا دماي T₅ گرم مي شود. و پس از آن در توربين از فشار P₂ و دماي T₅ تا فشار P₁ منبسط مي شود.

كار انجام شده به وسيله كمپرسور به سبب وجود خنك كن مياني صرفه جويي شده است و اين همان مقدار كاري است كه به كار خالص سيكل در مقايسه با سيكل اصلي افزوده مي شود (شكل 5-1) اما به حرارت داده شده به سيكل نيز در اتاق احتراق به اندازه (aَh-ha) اضافه شده است، زيرا دماي هواي فشرده شده خروجي از كمپرسور دوم (₄َT) پايين تر از دماي سيكل ساده با نسبت تراكم يكسان (T_a) مي باشد. بنابراين خنك كن مياني راندمان حرارتي را كاهش مي دهد. چون حرارت داده شده از طرف هوا به خنك كن مياني كاملاً تلف مي شود و به كار مفيد تبديل نمي شود. كار توربين، كار كمپرسور، حرارت اضافي و راندمان حرارتي برابرند با:

(3-1)                              

(3-2)                              

(3-3)                              

(3-4)                              

(3-5)                              

فشار مطلوب براي خنك كاري به ازاء مقادير فشار هواي ورودي به كمپرسور (P₁) و فشار هواي خروجي از كمپرسور يا ورودي به اتاق احتراق (P₂) برابر است با:

(3-6)                              

همچنين راندمان (ميزان مؤثر بودن خنك كردن مياني) نيز از رابطه زير تعريف مي شود:

(3-7)                               

اگر راندمان خنك كن 100% باشد دماي هواي ورودي به كمپرسور (C₂) با دماي هواي ورودي كمپرسور اول مساوي مي شود و هواي خارج شده از كمپرسول اول بدون تغيير دما وارد كمپرسور دوم مي شود.

راندمان واقعي سيكل برابر است با:

(3-8)                              

(3-9)                              

بوسيله خنك كاري مياني كار خروجي در حدود 30% افزايش خواهد داشت اما همانگونه كه گفته شده راندمان كلي سيكل كاهش مي يابد. هزينه هاي اوليه نصب كمپرسور و خنك كن مياني مياني بالا مي باشد. استفاده از چندين خنك كن مياني و چندين كمپرسور به جهت هزينه هاي سرمايه گذاري سنگين و هزينه هاي بالاي مصرف انرژي و نگهداري آنها توصيه نمي شود[6].

خنك كردن هواي متراكم شده در طبقات كمپرسور به چهار روش ممكن است:

1- سرمايش سيال با استفاده از مبدل حرارتي سطحي بدون به كارگيري بازياب حرارتي در اين روش تنها گرماي هواي متراكم شده گرفته مي شود.

2- سرمايش سيال با استفاده از مبدل حرارتي سطحي و با به كارگيري بازياب حرارت: در اين روش نه تنها هوا خنك مي شود بلكه از گرماي دريافتي از آن نيز استفاده مي شود.

3- تزريق آب بدون كمپرسور، در اين روش آب در طبقات مختلف به داخل كمپرسور پاشيده مي شود. هرچه مقدار مراحل پاشش آب به درون طبقات كمپرسور بيشتر باشد عمل تراكم به تراكم ايزوترمال نزديك تر مي گردد. اما در عمل داشتن تعداد زياد مراحل تزريق آب نيز غير سودمند است. مسئله اصلي اين روش، اندازه قطرات پاشيده شده به داخل كمپرسور است، قطرات ريزتر نرخ تبخير بالايي دارند و در زمان كوتاهي تبخير مي شوند و برخورد قطعات درشت با پره هاي كمپرسور مي توانند باعث فرسايش آنها گردد.

4- تزريق متيل يا اتيل الكل به داخل كمپرسور به دليل ارزش كالريك پايين اتيل يا متيل الكلها و آنتالپي بسيار بالاي تبخير آنها، تأخير قابل توجهي در سرايش تبخيري داشته و موجب كاهش كار كمپرسور مي گردد. از سوي ديگر با افزايش حجم گاز، كار مصرفي كمپرسور بيشتر مي شود. اما تحقيقات نشانگر آن است كه براي متانول و اتانول تأثير سرمايش غلبه دارد و در مجموع كار مصرفي كمپرسور كمتر مي گردد.

3-3- خنك كاري تبخيري EVAPORATIVE COOLING

در اين روش عمل سرمايش هواي ورودي به كمپرسور با تبخير آب در جريان هواي ورودي صورت مي گيرد، شيوه فوق داراي دو روش عمواسپري مستقيم آب فشار بالا بصورت: High pressure foygrny  و خنك كاري تبخيري مديا (Media Evaportive cooling) پاش آب به دليل سادگي سيستم و تجهيزات به كار رفته در آن به سرعت در حال گسترش مي باشد. به طوريكه امروزه محققان به دنبال راه حلهايي براي استفاده از اين سيستم در مناطق با رطوبت بالا كه امكان تبخير آب بسيار پايين مي باشد هستند.

با توجه به مطالب عنوان شده و اهميت ويژه اين روش هركدام از سيستم هاي اشاره شده توضيح داده مي شوند.

3-3-1- پاش مستقيم آب به هواي ورودي

در اين روش با اسپري آب به ورودي كمپرسور توسط نازلهاي مخصوصي درجه حرارت هواي ورودي را به طور محسوسي پايين آورده مي شود. به طوري كه باعث افزايش قدرت خروجي تا حد 11% در سيكل ساده و تا 7% در سيكل تركيبي مي شود. با خنك كردن هوا چگالي آن بيشتر شده و در نتيجه قدرت خروجي بالاتر مي رود. در شكل (3-5) نمايي كلي از سيستم مه پاش ارائه شده است.

اثر پاش آب به دو طريق انتقال حرارت و جرم مي باشد يعني آب و هوا در تماس با يكديگر به علت اختلاف درجه حرارت و فشار مجاز با يكديگر تبادل حرارت و جرم مي نمايند در اين پروسه حرارت از هوا به آب در حال تبخير (انتقال حرارت) و بخار آب به هوا (انتقال جرم) منتقل مي گردد.

پاشش آب به ورودي كمپرسور توسط نازلها به نحوي مي باشد كه در آن از كويلهاي گرم (Heating coil) براي كنترل رطوبت استفاده مي شود.

عدم توانايي اين سيستم براي مناطق مرطوب به اين دليل است كه اسپري كردن آب سرد يك فرآيند آنتالپي ثابت است.

***********************************************

شكل (3-5) نمايي كلي از سيستم خنك كاري به وسيله توليد مه

3-3-1-1- تشريح سيستم مه پاش

مه با فشار بالا از 10 سال پيش مورد توجه قرار گرفته و به صورت عملي استفاده مي شود.

خنك سازي به وسيله ميليون ها ذره آب توليد شده با اندازه 4 تا 6 ميكرون انجام مي شود. بر اساس آزمايشات انجام شده اين سيستم حتي در رطوبتهاي بالا راندمان 100% دارد. قطرات آب (Foy) در هوا حركت براواني (Brownian) دارند. در هواي ساكن سرعت افتادن قطرات با اندازه 10 ميكرون، حدود يك متر در پنج دقيقه و قطرات با اندازه هاي بالاي 100 ميكرون، حدود يك متر در سه ثانيه مي باشد. اين امر نشاندهنده مدت زمان باقي ماندن در هوا مي باشد كه رابطه مستقيم با قطر آن دارد.

تجهيزات سيستم مه پاش عبارتند از:

1- پمپهاي فشار بالا كه روي skid نصب مي شوند.

2- سيستم كنترل لاجيك programmable logic control (ple) پاشسورهاي مربوط به درجه حرارت و رطوبت محيط

3- نازل توليد كننده Fog كه در داكتاوردي نصب مي شوند.

براي توليد مه از آب مقطر (Demineralized) با فشار بين psi1000 و psi300 و نازلهاي خاص استفاده مي شود. يك نمونه از نازلهاي توليد مه به همراه مه توليدي در شكل (3-6) نشان داده شده است. جنس نازل stain less steel بوده و شامل يك اوريفيس كوچك با قطر 5 تا 7 هزارم اينچ مي باشد. جت خروجي از اين اورفيس توسط يك بين ضربه اي (Impaetron pin) تبديل به ميليونها قطره بسيار ريز (مه) مي شود. ميزان تبخير قطره ها بستگي به سطحي از آب كه در معرض هوا قرار مي گيرد دارد. سطح تبادل حرارتي مه توليدشده در فشار بالا بالاترين ميزان تبخير را ايجاد مي كند.

*************************************************

شكل (3-6) تصويري از يك نازل توليد مه و مه توليدي از آن

*********************************************

شكل (3-7) نمونه نازلهاي مورد استفاده در سيستم Fog

لوله هاي توزيع كننده آب ورودي (Manifold) بايد كمترين افت فشار ممكن را در مسير ايجاد كنند. افت فشار مجاز كمتر از 02/0 اينچ ستون آب مي باشد. اين لوله ها از جنس stainless steel بوده و به گونه اي طراحي و ساخته مي شود كه از ارتعاشات القايي توسط جريان آب جلوگيري كنند سيستم توزيع به گونه اي است كه امكان خنك كاري در چند مرحله را ايجاد مي كند. هر مرحله توسط يك پمپ بالا بصورت مستقل تغذيه مي شود.

شكل (3-8) يك سري لوله هاي توزيع با قطر 2/1 اينچ و تعدادي نازل را نشان مي دهد.

*****************************************

شكل (3-8) لوله هاي توزيع آب ورودي با نازلهاي Fog

- اندازه قطرات مه Fog

با توجه به اهميت اندازه قطرات توليدي در افزايش راندمان تبخير و جلوگيري از ساييدگي در كمپرسور نازلهاي مورد استفاده به دقت طراحي و تست مي گردند، نتايج مربوط به تست يك نازل توليد مه (Fog) با مشخصات زير در شكل (3-9) نشان داده شده است[3]

- فشار كاري psi 1000

- دبي آب GPM 320/0

- قطر اورفيس in 06/0

***********************************************

شكل (3-9) توزيع آماري اندازه قطرات توليدي

شكل (3-10) نمودار اندازه قطرات توليدي بر حسب فشار كاري

با توجه به نمودار 85/0 اندازه قطرات كمتر از 10 ميكرون بوده و تقريباً هيچ قطره اي با اندازه بيش از 20 ميكرون وجود ندارد. با افزايش فشار اتمايزينگ اندازه قطرات كاهش مي يابد نمودار تغييرات اندازه مه بر حسب فشارهاي مختلف در شكل (3-10) نشان داده شده است. اندازه قطرات نسبت معكوس با فشار نازل دارد. به طوري كه با دو برابر كردن فشار اندازه قطره ها حدود 30% كاهش مي يابد.

- فرسايش و رسوب روي پره هاي كمپرسور:

يكي از مسائل اساسي در استفاده از سيستم هاي تبخيري مسأله فرسايش پره هاي كمپرسور مي باشد. اين مشكل در سيستم مه پاش با توجه به مقطر بودن آب و كوچك بودن اندازه قطرات حل شده است. با استفاده از مه فشار بالا هيچ گونه رسوب يا فرسايشي روي پره ها حتي با ذرات بزرگتر هم مشاهده نشده است. لازم به ذكر است يكي از نكات كليدي در طراحي سيستم اين است كه دقت شود ذراتي كه به كمپرسور مي رسند حتماً تبخير شده باشند. زيرا همانطور كه در شكل (4-5) مشخص است ذرات بالاتر از 10 ميكرون مي توانند باعث فرسايش پره هاي كمپرسور شوند.

هنگام استفاده از آب با كيفيت بالا علاوه بر عدم رسوب روي پره ها، شستشوي پره ها نيز انجام شود. اين مسئله باعث كاهش افت قدرت ناشي از كثيفي پره هاي كمپرسور مي شود. ذرات (Fog) آلودگي هاي هواي ورودي را به ميزان قابل توجهي كاهش مي دهند. اين در صورتي است كه نازلها قبل از فيلتر هوا نصب شده و همچنين از يك جذب كننده قطرات براي خارج كردن آنها از سيستم و جلوگيري از رسيدنشان به فيلتر barriea استفاده شود.

اگر نازلها بعد از فيلتر هواي ورودي نصب شوند، محل قرارگيري آنها براي جلوگيري از خيس شدن كف راكت بسيار مهم است. نازل بايد قبل از صداخفه كن با جت مناسب نصب شوند. تا زمان كافي براي تبخير تمام ذرات وجود داشته باشد. در قسمت بعد راجع به موقعيت قرارگيري نازلها صحبت مي شود[3].

- نازل ها و محل قرارگيري آنها

مسأله اساسي در سيتسم مه پاش، طراحي نازلهاي آن مي باشد. اين نازلها از جنس ss716 با چين هاي ضربه اي مخصوص هستند (شكل 3-11). براي جلوگيري از ورود ذرات خارجي به نازل (كه ممكن است باعث صدمه زدن به توربين گازي شود) بايد از فيلتر مخصوص در نازلها استفاده شود.

قطر نازلها در حدود 5 تا 7 هزارم اينچ مي باشد. نازلها به صورت چندمرحله اي نصب شده كه قدرت مانور در مورد ميزان تبخير با توجه به شرايط آب و هوايي را پديد مي آورد.

****************************************

شكل (3-11) اجزاء يك نازل توليد مه

دو محل اصلي براي نصب نازلها در دل مه پاش وجود دارد:

1- قبل از فيلتر

2- بعد از فيلتر

اين دو محل در شكل (3-12) نشان داده شده است.

*********************************************

شكل (3-12) موقعيت نصب نازل هاي توليد مه

ويژگي هاي نصب نازلها قبل از فيلتر:

- زمان نصب بسيار كوتاه

- نياز به نصب جاذب بعد از فيلترها براي جذب قطرات تبخير نشده

- جذب و برگشت حدود نيمي از قطرات آب

- نياز به تعداد نازل بيشتر و آب بيشتر

- نصب و بهره برداري گرانتر

ويژگي هاي نصب نازلها بعد از فيلتر:

- زمان نصب حدود يك الي دو روز

- نياز به تعميرات بسيار كم در ساختار توربين

- وجود زمان كافي براي تبخير شدن قطرات

با توجه به موارد بيان شده معمولاً نازل ها را بعد از فيلتر هوا و قبل از صداخفه كن نصب مي كنند.

- پمپ ها و سيستم كنترل

پمپهاي مورد استفاده فشار psi2000 تا psi3000 را تأمين كرده و از نوع جابجايي مثبت positive pisplacment (انژكتوري) مي باشند. قسمت هايي كه در تماس با آب هستند، بايد از جنس سراميك يا stainless steel باشند هر پمپ فقط به تعداد مشخصي نازل وصل مي شود. Skid پمپها بايد تا حد امكان به آخرين لوله هاي توزيع نزديك باشد.

سيستم كنترل از نوع plc مي باشند. اين سيستم با اندازه گيري رطوبت و دماي خشك هوا توسط برنامه اي مخصوص دماي مرطوب هوا را محاسبه كرده و سپس ميزان تبخير مورد نياز جهت رسيدن به دماي مناسب را تعيين مي كنند. اين سيستم با فعال و غيرفعال كردن هر مرحله از پاشش مه، ميزان تبخير لازم را با شرايط محيط تنظيم مي كند. اين سيستم پارامترهاي پمپ نظير دبي آب، فشار و... را اندازه گيري كرده و در صورت خارج شدن هريك از اين پارامترها از محدوده موردنظر آلارم خواهد داد.

- خواص آب مصرفي

- آب مصرفي نبايد ذراتي بزرگتر از 20 ميكرون داشته باشد. مجموع ناخالصي آب بايد حداكثر ppm5 مواد نامحلول آن حداكثر ppm3، سيدوم و باسيم ppm1/0 آسيدسيليس ppm1/0 كلريدها ppm5/0 و سولفاتها ppm5/0 آب مقطر براي استفاده در اين سيستم نياز به يك تصفيه اضافي دارد. چرا كه مقطر كردن آب فقط يونهاي آن را جذب مي كند و مواد كلوئيدي در آن باقي مي مانند. آب رودخانه ها، درياچه ها و باقي آب چاه داراي ذرات سيليس بصورت كلوئيدي هستند[3].

سيليس يك عنصر بسيار سخت بوده و باعث صدمه زدن به نازل ها و يا حتي پره هاي توربين مي شود. براي اين منظور بايد فيلترهاي آبي sub micron را جهت جذب سيليس از آب به كار برد.

- تعمير و نگهداري

تعميرات اساسي سيستم مه (Fog) در حدود 15 الي 20 ساعت در طور يكسال مي باشد. در اين مدت موارد زير بررسي مي شوند.

- بازرسي رديف هاي نازل و تميزكاري و يا تعويض آسيب ديده توليد مه

- تعويض روغن پمپ هاي فشار بالا

- تعويض فيلترهاي آب ورودي نازلها

- بررسي خواص آب تصفيه شده و انجام تستهاي متناوب كيفيت آب

- كاليبراسيون تجهيزات

- شرايط آب و هوايي:

كارآيي اين سيستم رابطه معكوس با رطوبت هوا دارد. رطوبت نسبي هوا در اوايل صبح و هنگام غروب بالاترين مقدار و در اواسط روز كمترين مقدار را دارد. بنابراين سيستم مي تواند در طول روز كارآيي بسيار خوبي در خنك سازي هوا داشته باشد.

با توجه به مطالب ارائه شده مي توان بطور خلاصه معايب و مزاياي سيستم مه پايين را به صورت زير بيان نمود.

مزاياي سيستم:

- عدم نياز به فضاي زياد جهت نصب نازلها و ساير تجهيزات

- عدم نياز به تغيير ساختار اطلاق فيلتر

- قابليت خنك كردن سريع هواي ورودي به علت ريز بودن ذرات آب

- ايجاد افت فشار كمتر در هواي ورودي نسبت به ساير سيستم هاي خنك كن

- هزينه سرمايه گذاري و نصب بسيار كمتر نسبت به ساير سيستم ها

- زمان نصب بسيار پايين (در حدود 1 الي 2 روز)

- مصرف آب كمتر نسبت به ساير سيستم هاي تبخيري

- امكان ايجاد رطوبت 100% در هواي ورودي

- افزايش راندمان كمپرسور

- كاهش ميزان Nox توليدي

- قيمت پايين تمام شده براي توليد هر كيلووات حداكثر 30 دلار

معايب اين سيستم عبارتند از:

- نياز به آب مقطر

- تغيير منحني عملكرد كمپرسور و نزديك تر كردن آن به surge

- عدم كارايي لازم در مناطق با رطوبت بسيار بالا

- مصرف آب بيشتر نسبت به ساير روشهاي خنك كاري غير تبخيري

3-3-2- خنك كاري تبخيري مديا

همانطور كه پيشتر گفته شد، يكي از روشهاي مؤثر در افزايش قدرت خروجي توربين گازي خنك كاري هواي ورودي مي باشد. عمل خنك كاري هوا در سيستم تبخيري بر اساس تبخير آب و جذب گرماي هوا مي باشد. براي تبديل يك يوند آب از حالت مايع به بخار حدود BTU1410 انرژي حرارتي مورد نياز است اين حرارت از هواي محيط به آب منتقل خواهد شد.

از مشكلات اساسي روش تبخيري، ارتباط مستقيم هوا با آب مي باشد. در مورد سيستم Fog آب به صورت پودر درآمده و اختلالاط و تبخير آن تقريباً 100% مي باشد اما در روش (Media) نحوه ارتباط آب با هوا متفاوت مي باشد.

**************************************************

شكل (3-13) اجزاء سيستم مديا

شكل (3-13) يك نمونه كولوتبخيري مديا را نشان مي دهد. اين سيستم شامل صفحات مديا، لوله هاي توزيع آب (manifold) پمپ سيستم لوله كني و شيرهاي كنترل تانك ذخيره آب و سيستم جاودان (Blowdown) مي باشد. آب توسط پمپ از تانك پايين كولو به هدر توزيع كننده آب در بالاي كولر پمپاژ مي باشد. سپس بين صفحات Media توزيع مي گردد.

شكل (3-14) نحوه عملكرد سيستم مديا را نشان مي دهد. آب پس از عبور و خيس كردن سطوح مديا در پايين كولر جمع شده و به تانك ذخيره تخليه مي شود. هواي ورودي به كمپرسور نيز از ميان صفحات مديا عبور كرده و تا حد اشباع آب موجود را تبخير مي كند. سرعت هواي عبوري از روي اين صفحات نبايد از حد معيني بالاتر باشد چرا كه ممكن است در سرعت هاي بالا قطرات آب از روي سطوح جدا شده و باعث خرابي پره هاي كمپرسور گردند. البته بعد از سيستم كولر تبخيري هواي سرد از يك جاذب رطوبت عبور مي كند تا قطرات احتمالي آب جذب شوند.

************************************

شكل (3-14) نحوه عملكرد سيستم مديا

نقطه كار كولر تبخيري بر اساس دماي محيط روي كنترل كننده كولر قابل تنظيم مي باشد. كولر در دماي بالاتر از اين نقطه فعال خواهد بود. نقطه كار نبايد در دماي پايين تنظيم گردد. چرا كه اگر سيستم دما را بيش از حد كاهش دهد. امكان تشكيل يخ وجود خواهد داشت اگر دماي محيط به زير صفر برسد كل سيستم تبخيري براي جلوگيري از اثرات يخ زدگي از آب تخليه مي گردد. يخ زدگي باعث ايجاد ترك در سطح مديا مي شود.

صفحات مديا از جنس فيبر سلولزي بوده و به صورت موج دار ساخته مي شود. يك مجموعه از صفحات در كنار يكديگر، تشكيل يك كولر تبخيري مديا كه به صورت لانه زنبوري است مي دهند. شكل (3-15) صفحات مديا را نشان مي دهد. اين سطوح خاصيتي مشابه خاصيت فيتيله در مكش سيالات دارند و آب در سطح مديا پخش مي شود.

******************************************

شكل (3-15) صفحات مديا به همراه قطرات آب

راندمان يك كولر تبخيري مديا به صورت زير تعريف مي شود:

(3-10)                            

در رابطه فوق انديس 1 براي دماهاي ورودي، انديس 2 براي خروجي DB مخفف DuyBulb  و WB مخفف Wetbulb مي باشد.

راندمان سيستم مديا 80 تا 90 درصد است بنابراين ميزان كاهش درجه حرارت محيط توسط كولري با راندمان 90% از رابطه زير به دست مي آيد:

(5-11)                            

شكل (3-16) ميزان افزايش قدرت خروجي را بر حسب دماي هوا و درصد رطوبت براي سيستم Media نشان مي دهد. با توجه به نمودار، افزايش قدرت براي رطوبت هاي نسبي پايين بسيار بالاتر است[3].

****************************************

شكل (3-16) ميزان افزايش قدرت خروجي با استفاده از سيستم مديا

در سيستم هاي تبخيري، اصلي ترين عامل محدودكننده در كاهش دما ميزان رطوبت موجود در *** مي باشد. به طوري كه اين سيستم ها در هواي با رطوبت بسيار بالا تقريباً كارآيي خود را از دست مي دهد به طور معمول سيستم مديا در هواي گرم با رطوبت پايين خروجي توربين را حدود 15 تا 20 درصد و در رطوبت بالا حدود 10 درصد افزايش مي دهند.

بطور متوسط قدرت توربين حدود 4/0 درصد به ازاي هر درجه فارنهايت كاهش در هواي ورودي افزايش مي يابد و حدود 7/0 درصد به ازاي هر درجه سلسيوس افزايش مي يابد. شكل (3-13) چگونگي خنك شدن هواي ورودي از نقطة A تا نقطه B را روي دياگرام سايكومتريك نشان مي دهد.

*******************************************

شكل (3-17) چگونگي خنك شدن هواي ورودي در سيستم مديا بر روي دياگرام سايكومتريك

محل نصب كولرهاي تبخيري مديا نيز از اهميت ويژه اي برخوردار است. اين محل با توجه به طراحي شركت سازنده در قبل و يا بعد از فيلتر خشك مي باشد (شكل 4-14) يك نمونه كولر تبخيري را نشان مي دهد.

*********************************************

شكل (3-18) يك نمونه كولر تبخيري

نصب كولر قبل از فيلتر به دلايل زير توصيه مي شود:

- اين كولرها خود مانند فيلتر عمل كرده و حدود 87% ذرات بافر بالاتر از 10 ميكرون را جذب خواهند نمود. در نتيجه عمر مفيد فيلتر خشك افزايش پيدا كرده و هزينه هاي تعميرات و نگهداري آن كاهش مي يابد.

- نصب تجهيزات مكانيكي و سرمايه گذاري آن پايين تر است. اما از معايب اين روش عدم كنترل سرعت هواي ورودي به سيستم مديا مي باشد.

شركت Donaldsan كه يكي از سازندگان كولرهاي تبخيري است محل مناسب براي نصب اين كولرها را بعد از فيلتر هواي خشك پيشنهاد مي كند دلايل اين شركت بصورت زير است[3].

- نصب آسان طرح خاص و انحصاري اين شركت براي كولرها و عدم نياز به عمليات جوشكاري براي نصب

- افت فشار بسيار كم در هواي ورودي حدود 4/0-3/0 يا 6/0-5/0 اينچ ستون آبي بر حسب نوع مديا مورد استفاده

- استفاده از قطعات و تجهيزات از جنس مواد ضد زنگ (كربن استيل)

- خصوصيات آب مورد استفاده در سيستم:

بيشترين كاربرد سيستم مديا در مناطق گرم و خشك مي باشد در اين نواحي پيدا كردن آب بدون املاح تقريباً غيرممكن است. اگر اين آب مستقيماً جايگزين آب تبخير شده گردد به تدريج غلظت املاح موجود در آب افزايش يافته و امكان رسوب اين املاح بر روي سطوح مديا مي باشد. در نتيجه خرابي و از كار افتادگي سطوح و همچنين امكان نفوذ ذرات رسوب به هوا و آسيب رساندن به قطعات دوار توربين و كمپرسور وجود خواهد داشت.

بنابراين بطور پيوسته، در حدي از آب به عنوان بلودان (BlowDown) از تانك ذخيره آب گرفته شده و غلظت مواد موجود در آن كنترل مي شود. دبي جرمي آب جبراني برابر مجموع دبي آب بلودان و آب تبخير شده در سطوح مديا خواهد بود.

شكل (3-19) ميزان آب تبخير شده در دماهاي مختلف را براي توربين گازي مدل MS8001 نشان مي دهد.

بطور معمول براي توربين هاي گازي صنعتي با دبي جرمي هواي حدود 200 lb/s نسبت آب تبخير شده حدود 200 تا 800 گالن[1] بر ساعت (كه تابعي از رطوبت هواي محيط است) مي باشد[3].

****************************************

شكل (3-19) نرخ آب تبخير شده در دماهاي مختلف

براي بررسي كيفيت آب مومرد نياز ميزان سختي، ميزان قليايي بودن، ميزان نامحلول و PH آن بايد در محدوده مشخص باشد.

اگر در كيفيت آب دقت كافي نشود روي صفحات مديا لايه اي از رسوبات تشكيل خواهد شد كه اين امر در درازمدت (حدود 2 سال) اتفاق مي افتد.

احتمال وجود فلزات سديم و پتاسيم نيز در آب تغذيه وجود دارد. اما هيچ كدام از اين فلزات در صئرتي كه از حد معيني بالاتر نرود توسط هوا منتقل نخواهد شد. بنابراين توجه كافي براي اندازه گيري درصد اين فلزات در حين بهره برداري ضروري است.

در صورتي كه مقدار سديم و پتاسيم بالاتر از ppm133 باشد بهتر است احتمال وجود اين عناصر در ورودي توربين به وسيله بالانس جرمي در تانك ذخيره بررسي شود. هرگونه اختلافي بين نسبت درصد اين عناصر در آب ورودي به تانك (make-up-water) و آب گرفته شده براي بلوداون احتمال حمل و انتقال آنها توسط هوا را افزايش مي دهد.

بررسي دقيق سطوح مديا، عدم وجود مانع يا اشكال در مسير هوا يا آب و توزيع يكنواخت آب روي سطوح مديا و تخليه آب اضافي به تانك براي جلوگيري از ورود ذرات آب به هوا ضروري مي باشد. احتمال ورود ذرات آب به هوا در سه حالت زير ممكن است:

- خرابي و عدم نصب صحيح سطوح مديا: اين حالت بايد اين سطوح را تعويض و بطور صحيح نصب نمود.

- از محل لوله توزيع آب: با نصب صفحاتي بعد از المان هاي اسيدي آب مي توان جلو نفوذ آب را از اين لوله ها به هوا گرفت.

- بالا بودن سرعت هواي عبوري: براي اين مسئله دو راه پيشنهاد شده است. راه حل اول اتصال صفحاتي براي يكنواخت تر كردن جريان و در نتيجه محدود كردن سرعت هوا در ناحيه مجاز مي باشد. راه حل دوم استفاده از پره هاي از بين برنده قطره (شكننده) درست بعد از سطوح مديا مي باشد. هر دو روش قابل دسترسي و مناسب مي باشد.

- معايب و مزاياي سيستم مديا:

در مورد مزاياي سيستم مي توان به موارد زير اشاره نمود:

- افزايش قدرت خروجي توربين

- بهبود راندمان حرارتي

- بازگشت سريع سرما

- قيمت سرمايه گذاري پايين

- هزينه هاي تعمير و نگهداري ساليانه كم

- افزايش عمر فيلتر خشك (در صورت قبل از آن)

- كاهش شديد مقدار Nox توليدي

- سادگي سيستم و تجهيزات

- ميرايي اغتشاشات جريان

اين سيستم داراي معايبي نيز هست كه به صورت زير مي باشند.

- سرعت هوا هنگام عبور سطوح مديا بايد پايين باشد.

- در مناطق با رطوبت بالا، محدوديت افزايش قدرت وجود دارد.

- در سيستم هاي تبخيري متد اول به دليل پايين بودن راندمان و كاهش زياد افت فشار هوا، هرگز حداكثر خنك كاري انجام نمي شود.

3-4- خنك كاري هواي ورودي با ذخيره سازي سرما

تكنولوژي ذخيره سازي سرما معمولاً به منظور انتقال بار از ساعات پيك به غير پيك مورد استفاده قرار مي گيرد در ساعات غير پيك كه هزينه الكتريسيته و تقضاي آن پايين است با بهره برداري از تجهيزات سرمايشي، انرژي سرمايشي ذخيره مي شود. انرژي سرمايشي ذخيره شده جهت تأمين بار سرمايشي مورد نياز ساعات پيك كه هزينه الكتريسيته و تقاضاي آن بالاست مورد استفاده قرار مي گيرد. بسته به نوع ماده واسطه و منابع انرژي اوليه روشهاي مختلفي براي ذخيره سازي سرما وجود دارد.

تجهيزات مورد استفاده در اين روش عبارت از سيستم توليد و ذخيره سرما، مبدل حرارتي جهت خنك كاري هواي ورودي به كمپرسور و سيستم كنترل مي باشد. شكل (3-21) شماي كلي از سيستم سرمايشي هواي ورودي به وسيله ذخيره سازي يخ را نشان مي دهد.

**************************************************

شكل (3-20) شماتيك سيستم ذخيره سازي يخ

آب سرد، يخ و مواد تغيير فازدهنده معمولترين واسطه هاي ذخيره سازي مي باشند. اختلاف آنها در ميزان ذخيره سازي انرژي به ازاء واحد حجم، دماي سرمايش ذخيره شده و تجهيزات فيزيكي براي ذخيره سازي سرما مي باشد.

در ذخيره سازي آب سرد از ظرفيت حرارتي ويژه آب (kg/kg.k 148/4) جهت ذخيره سازي سرما استفاده مي شود. حجم ذخيره سازي به نسبت نهايي يخ به آب در تانك ذخيره بستگي دارد و با توجه به خصوصيات تكنولوژي هاي ذخيره سازي حجم تانك ذخيره يخ بين m³/kwh 03/0-02/0 مي باشد. انرژي حرارتي در يخ در دماي انجماد آب (Cْ0) ذخيره مي شود. براي ذخيره سازي اين انرژي تجهيزات تبريد بايد بتوانند سيال را تا دماي Cْ9 تا 6 سرد نمايند[40].

متداولترين منابع انرژي اوليه در سيستم هاي ذخيره سازي حرارتي، الكتريسيته، گاز طبيعي و بخار مي باشد. همچنين از بازيافت حرارت در سيستم هاي توليد همزمان يا فرآيند گرمايش نيز استفاده مي شود.

در صورتيكه انرژي الكتريكي به صورت مناسب در دسترس باشد از جمليرهاي تراكمي جهت توليد سرمايش مورد نياز استفاده مي شود. در صورت وجود حرارت يا بخار مناسب استفاده از چيلرهاي جذبي براي سيستمهاي ذخيره سازي توصيه مي شود.

روشهاي ذخيره سازي سرما جهت سرمايش را مي توان با مشخصه هايي مانند واسطه هاي ذخيره سازي منابع انرژي اوليه و تكنولوژي هاي ذخيره سازي تقسيم بندي كرد. تكنولوژيهاي توليد و ذخيره سازي سرما شامل سيستم هاي آب سرد (chilledwater) و يخ (Ice Harveshing) مي باشد.

3-4-1- سيستم ذخيره سازي آب سرد Chilled water storge

تكنولوژي ذخيره سازي آب سرد از ظرفيت حرارتي محسوس آب جهت ذخيره سازي سرما استفاده مي نمايد. آب توسط چيلر در ساعت غيرپيك سرد شده و در تانك ذخيره مي شود. مقدار ذخيره انرژي سرمايشي بستگي به اختلاف دماي آب سرد ذخيره شده در تانك و آب گرم برگشتي دارد. اين اختلاف با ماكزيمم شدن دماي آب گرم برگشتي، مينيمم شدن دماي آب سرد ذخيره شده ماكزيمم مي شود.

ذخيره سازي آب سرد بر اساس جداسازي حرارتي بين آب سرد توليدي و آب گرم برگشتي مي باشد. جداسازي حرارتي به يكي از روشهاي زير انجام مي شود:

- تشكيل لايه (Stratification)

- استفاده از چند تانك (Multiple tanke)

- استفاده از غشاء و ديافراگم (Membrance & Diaphragm)

- استفاده از مارپيچ بافل (Labyrinth & Baffle)

روش تشكيل لايه ساده ترين روش از نظر فني و مناسبترين روش از نظر هزينه و داراي بالاترين راندمان مي باشد. بنابراين فقط اين روش تشريح مي گردد.

- تشكيل لايه: دانسيته آب وابسته به دما مي باشد. در دماي Cْ4 آب بالاترين دانسيته را داراست بنابراين اين دما در پايين ترين قسمت تانك ذخيره مي گردد. در قسمت هاي بالاتر آب با دماي حدود 10 تا 18 درجه سانتيگراد ذخيره مي شود. آب گرم و سرد با ايجاد Thermocline بين ناحيه گرم در بالا و ناحيه سرد در پايين از يكديگر جدا مي شوند.

Thermocline يك لايه از سيال است كه به علت اختلاف بالاي دانسيته و دما موجب جدانگهداشتن سيال سرد از سيال گرم مي شود. در طي سيكل شارژ (سيكل ايجاد و ذخيره سرمايش) آب گرم از بالاي تانك خارج مي شود و پس از سرد شدن از انتهاي تانك ذخيره از طريق يكسري باشنده ها در پايين تانك توزيع مي گردد. بدين صورت حجم آب سرد افزايش مي يابد و جايگزين آب گرم موجود در تانك مي شود و در مجموع كل حجم آب داخل تانك ثابت مي ماند در شكل (3-21) دياگرام ذخيره سازي، آب سرد با تشكيل لايه نشان داده شده است.

*************************************************

شكل (3-21) دياگرام ذخيره سازي آب سرد با تشكيل لايه

در طي سيكل تخليه (سيكل استفاده از سرماي ذخيره شده براي خنك كاري هواي ورودي به كمپرسور) كه جريان آب تانك برعكس مي شود، آب سرد از انتهاي تانك خارج مي گردد و آب گرم برگشتي از مبدل حرارتي از طريق يكسوي پاشنده ها در بالاي تانك توزيع مي شود. ورود و خروج آب به تانك توسط پاشنده ها صورت مي گيرد با طراحي دقيق آنها ورود و خروج آب به تانك به آرامي صورت مي گيرد و باعث عدم آشفتگي در تانك و حفظ ناحيه Thermocline مي شود[3].

در شكل (3-22) شماتيك تانك ذخيره سازي آب سرد با تشكيل لايه نشان داده شده است ظرفيت ذخيره سازي تانك ذخيره در روش تشكيل لايه با كاهش اختلاف دماي بين آب سرد ذخيره شده و آب گرم برگشتي كاهش مي يابد اختلاف دماي زيادتر باعث افزايش اختلاف دانسيته بين آب گرم و سرد مي شود كه موجب تسهيل در تشكيل لايه مي شود.

*******************************************

شكل (3-22) شماتيك تانك ذخيره سازي آب سرد با تشكيل لايه

3-4-1-1- تجهيزات توليد سرما در روش ذخيره سازي آب

سيستم هاي تبريد مورد نياز براي توليد آب سرد معمولاً چيلرها مي باشند، زماني كه اختلاف دماي بين آب سرد و گرم بيشتر از Cْ18 باشد از چيلرهاي گريز از مركز سربي استفاده مي گردد.

چيلرهاي جذبي نيز زماني كه دماي آب سرد مورد نياز حدود Cْ6 باشد استفاده مي شوند. از چيلرهاي جذبي جهت بيش سرمايش نيز مي توان استفاده نمود.

3-4-1-2- تانكهاي ذخيره

در سيستم هاي ذخيره سازي با تشكيل لايه، شكل تانك استوانه اي ته صاف مي باشد. تانكهاي استوانه اي در مقايسه با تانكهاي مستطيل شكل داراي نسبت سطح به حجم كمتر مي باشند. در يك تانك با نسبت سطح به حجم كمتر ميزان اتلاف حرارت و هزينه ساختمان به ازاء ظرفيت سرمايش كمتر است. تانكهاي ذخيره سازي از استيل يا بتن ساخته مي شوند. تانكهاي استيل نمي توانند از اتلاف حرارت ديواره هاي جلوگيري نمايند. هدايت حرارت از ناحيه Thermocline توسط ديواره ها باعث كاهش راندمان ذخيره سازي مي شود. تانكهاي بتني در مقايسه با تانكهاي استيل مقاومت بيشتري در مقابل انتقال حرارت دارند و مي توانند به طور كامل يا جزيي بر روي زمين نصب شوند.

3-4-1-3- مشخصات سيستم شارژ تخليه

تانكهاي ذخيره سازي آب سرد بايد آب را در كمترين دماي ممكن حدود Cْ4 شارژ نمايند آب در اين دما بالاترين دانسيته را دارد و كمترشدن دماي آب باعث كاهش دانسيته آب و بالا رفتن آب سرد توليدي و اختلاط ناخواسته در تانكهاي ذخيره سازي مي شود. بنابراين پايين آوردن دماي شارژ تا زير نقطه Cْ4 براي يك تانك با اختلاف دماي مشخص باعث افزايش حجم ذخيره مي گردد.

براي كمتر شدن تغييرات دانسيته و جلوگيري از ايجاد جريانهاي شناوري در تانك بايد آب سرد ورودي و آب گرم برگشتي در دماي ثابتي وارد شوند. دماي آب سرد ذخيره شده معمولاً 5/0 تا 1 درجه سانتيگراد در تانك ذخيره به علت هدايت حرارتي و اختلاط هاي ناخواسته افزايش مي يابد.

آب بايد در دماي ثابت از تانك خارج شود اما در طول زمان تخليه دماي آن افزايش مي يابد. ميزان افزايش دما در طول زمان تخليه به كيفيت تشكيل لايه در داخل تانك بستگي دارد. اين امر مستقيماً به طراحي پاشنده ها و انتقال حرارت در داخل تانك و ديواره ها بستگي دارد. معمولاً 90% از آب سرد موجود در تانك ذخيره مي توان به منظور تامين بار سرمايش مورد استفاده قرار گيرد[3].

3-4-2- ذخيره سازي يخ Ice Harresting

سيستم Ice Harresting از چهار جزء اصلي تبخير كننده كمپرسور كندانسور و تانك ذخيره يخ تشكيل شده است. در اين روش آب در فشار پايين از تانك ذخيره به خارج پمپ و بر روي صفحات يا لوله هاي تبخير كننده توزيع مي شود و در آنجا به آب سرد يا يخ تبديل مي شود. يخ توليدي بر روي صفحات يا لوله هاي تبخيركننده جدا شده و در داخل تانك ذخيره كه در زير تبخيركننده قرار دارد و محتوي آب و يخ مي باشد ذخيره مي گردد.

در روش توليد يخ بخشي از آب به بالاي صفحات يا لوله هاي تبخيركننده جريان مي يابد و در آنجا منجمد مي شود. لايه هاي يخ تشكيل شده بصورت تناوبي بداخل تانك ذخيره مي ريزند. زمان توليد يخ براي يك تخمين اوليه 10 تا 30 دقيقه مي باشد شكل (3-23) سيكل تشكيل يخ را در سيستم Ice Harresting نشان مي دهد.

**********************************************

شكل (3-23) سيكل تشكيل يخ

همچنين در اين سيستم امكان توليد آب سرد نيز وجود دارد. در روش توليد آب سرد آب گرم برگشتي به بالاي همان صفحات تبخيركننده جريان مي يابد و ضمن سرد شدن به داخل تانك ذخيره مي ريزد انتخاب توليد يخ يا آب سرد به صورت اتوماتيك بوده و وابسته به دماي آب ورودي به تبخيركننده است.

تبخيركننده ها از جنس استيل نوع 304 مي باشند شكل (3-24) يك واحد تبخيركننده را نشان مي دهد.

**************************************************

(3-24) يك واحد تبخيركننده Ice Harresting

در طي سيكل تخليه آب سرد از انتهاي تانك ذخيره جهت تأمين بار سرمايش مورد نياز به سمت مبدل حرارتي جريان مي يابد. دماي آب سرد خروجي در تمام مدت سيكل تخليه تقريباً ثابت باقي مي ماند. آب گرم برگشتي از بالاي تانك بصورت اسيدي به داخل تانك محتوي آب و يخ پاشيده مي شود و باعث انتقال حرارت بين آب گرم برگشتي و يخ مي شود. امكان تخليه با سرعت بالا به علت سطح وسيع قطعات يخ وجود دارد.

3-4-2-1- تجهيزات توليد سرما در روش ذخيره سازي يخ

واحد تبريد سيستم هاي Ice Harresting معمولاً توسط كارخانه سازنده بصورت چكيچ تحويل مي شود. تمام اجزاء پكيچ شامل كمپرسور، كندانسور، تبخيركننده در ظرفيت هاي اسمي توليد يخ حدود 35 تا 550 تن مي باشند تبخيركننده اين سيستم ها به شكل صفحات تخت يا لوله هاي دوجداره مي باشد.

سيال مبرد مورد استفاده از نوع R-ZZ مي باشد زيرا محدوده وسيعي از دماهاي تبخيركننده را توليد مي نمايد. اما براي ظرفيتهاي اسمي توليد 400 تن يخ و بيشتر كه چندين واحد تبخيركننده استفاده مي شود آمونياك مناسبتر است. در اين حالت مي توان براي هر واحد تبخيركننده از يك واحد تبريد جداگانه يا براي تمام تبخيركننده ها از واحد تبريد مركزي استفاده نمود.

تجهيزات تبريد Ice Harresting نسبتاً گران هستند حال آنكه هزينه تانكهاي ذخيره در مقايسه با آنها ارزان مي باشد، بنابراين براي حداقل كردن هزينه هاي سرمايه گذاري بايد از اين تكنولوژي در كاربردهايي كه نياز به احتياج به ظرفيت ذخيره سازي زياد و ظرفيت تبريد كم دارند استفاده نمود.

********************************

شكل (3-25) هزينه هاي سرمايه گذاري اوليه تجهيزات Ice Harresting

3-4-3- مقايسه سيستم هاي ذخيره سازي سرما

در مورد روش هاي ذخيره سازي سرما در ساعت هاي غيرپيك به وسيله آب و يخ مي توان به نكات زير اشاره نمود:

- بار سرمايش موردنياز در نتيجه اندازه تجهيزات هر يك از روشهاي فوق به دبي هواي ورودي دماي حباب خشك، رطوبت نسبي هواي ورودي و ساعتهاي بهره برداري از سيستم ذخيره سازي بستگي دارد.

- زمان بهره برداري از سيستم هاي ذخيره سازي نيز در انتخاب طرح سرمايشي حائز اهميت مي باشد. زيرا زمانهاي بهره برداري طولاني باعث بزرگ شدن ظرفيت ذخيره ساز و در نتيجه افزايش هزينه سرمايه گذاري اوليه مي شود. به عبارت ديگر سيستم هاي ذخيره سازي سرما جهت استفاده مواقعي كه زمان پيك كوتاه است بهترين انتخاب مي باشد.

- روش ذخيره سازي آب قادر است دماي هواي ورودي را تا Fْ45 سرد نمايد. هزينه سرمايه گذاري اوليه آن در مقايسه با ساير تكنولوژي هاي ذخيره سازي سرما پايين تر است. همچنين مصرف برق آن در ساعات پيك كم بوده و بهره برداري از آن ساده مي باشد. اما اين روش به تانك ذخيره بزرگ براي ذخيره آب نيازمند است. همچنين ساعت بهره برداري از آن در روز محدود مي باشد.

- افزايش قدرت خروجي توسط سيستم ذخيره سازي يخ بيشتر از روش ذخيره سازي آب مي باشد اما ميزان برق مصرفي توسط آن از سيستم ذخيره آب سرد بيشتر است. ضمناً هزينه سرمايه گذاري اوليه آن نيز نسبت به روش ذخيره آب بالاتر است.

- روش هاي ذخيره سازي سرما، قدرت خروجي از توربين گاز را حدود 20% افزايش مي دهد[10].

3-5- خنك كاري هواي ورودي با استفاده از چيلر

خنك كاري هواي ورودي به كمپرسور در اين روش از طريق يك مبدل حرارتي كه در مسير هوا نصب مي گردد انجام مي شود. اين سيستم شامل چيلر (توليدكننده آب سرد)، مبدل حرارتي فشرده، سيستم تهيه آب مورد نياز و پمپ هاي انتقال آب مي باشد.

نحوه سرمايش هوا بر روي نمودار سايكومتريك (3-25) نشان داده شده است. در مبدل حرارتي فشرده، هوا در خارج لوله ها و آب سرد در داخل لوله ها جريان دارد. هواي گرم ورودي تا رطوبت 100% گرماي خود را از دست مي دهد (تحويل a-b) پس از اشباع شدن، خنك كاري هوا با تقطير بخار آب موجود در آن صورت مي گيرد. (تحويل b-c) در واقع مهمترين مزيت اين سيستم نسبت به روش هاي تبخيري مسأله فوق مي باشد، به طوري كه سيستم هاي تبخيري فقط تا حد اشباع آب مي توانند آن را خنك نمايند.

*****************************************

(3-25) تحولات سرمايشي هواي ورودي بر روي نمودار سايكومتريك

آب سرد مورد نياز براي خنك كاري مبدل توسط يك چيلر (دستگاه ايجاد برودت) تأمين مي گردد.

چيلرها بر حسب نحوه عملكرد به دو دسته كلي مكانيكي و جذبي تقسيم مي شوند.

3-5-1- خنك كردن هواي ورودي با استفاده از چيلرهاي مكانيكي

در اين روش با استفاده از چيلر تراكمي هواي ورودي به كمپرسور خنك مي شود. چيلر تراكمي از كمپرسور اوپراتور، كندانسور، شير انبساطي تشكيل شده است و داراي مبرد آمونياك مي باشد.

چيلر تراكمي عملي ترين و از ديدگاه صنعتي و تباري مهترين نوع وسيله تبريد مي باشد. در اين سيستم، مبرد در حالت مايع، گرما را از تبخير كننده (اوپراتور) از منبع سرد جذب و به بخار تبديل مي شود. بخار حاصل وارد كمپرسور شده و در آنجا متراكم مي شود و سپس در تقطيركننده (كندانسور) حرارت خود را به خارج دفع كرده و تقطير مي شود. در نتيجه مبرد به طور پيوسته از بخار به مايع و از مايع به بخار تبديل مي شود. در اين نوع سيستم از مبردهاي مانند آمونياك و فوئونها كه دماي جوش پايين در فشار اتمسفر دارند، استفاده مي شود.

با اين روش مي توان دماي هوا را تا Cْ7 كاهش داد. اين روش عمدتاً در سيستم هاي ذخيره سازي يخ استفاده مي شود. روش خنك كاري با استفاده از چيلر فقط در زمانهاي گرم سال (كه پيك مصرف وجود دارد) و قدرت خروجي توربين كاهش مي يابد توصيه مي شود. بنابراين سيستم چيلر مكانيكي براي افزايش قدرت خروجي از توربين توصيه نمي گردد. چرا كه مصرف برق در تجهيزات آن به ويژه كمپرسور بسيار بالا مي باشد. در سيستم ذخيره سازي سرما نيز چيلر در ساعتهاي غير پيك وارد مدار مي شود. معمولاً حدود 30% افزايش ظرفيت توربين گاز سيستم تبريد تراكمي استفاده مي كند[6].

3-5-2- خنك كردن هواي ورودي با استفاده از چيلر انژكتوري

امروزه صنعت تبريد با توجه به كاربردهاي آن و اهميت آن به لحاظ رعايت مسائل زيست محيطي پيش از پيش مورد توجه واقع شده است به گونه اي كه تلاش همه جانبه در جهت بهينه سازي و ابداع روشهاي نوين در آن صورت مي گيرد.

يكي از روشهاي ساده و در عين حال كارآمد استفاده از شيپورهاي بخار (stem ejector) مي باشد و عدم استفاده از قطعات متحرك حذف مبردهاي مضر و گران قيمت شيميايي ضمن صرفه جويي در مصرف انرژي الكتريكي و دفع اثرات زيست محيطي باعث كاهش شديد قيمت لوله دستگاه و هزينه نگهداري آن شده است، اصول كار با چيلرهاي انژكتوري با توجه به اينكه نقطه جوش آب در فشار هاي پايين كم مي شود ايجاد خلاء در يك مخزن و رساندن نقطه جوش آب به يك دماي پائين كه آب در آن تبخير گردد.

وقتي آب و بخار با فشار بالا در دسترس باشد واحد جهت بخار قيمت نسبتاً مناسبي دارد و جهت سرد نمودن آب بسيار مفيد مي باشد. پتهاي بخار (انژكتورها) با توجه به اينكه قطعات گردان مكانيكي ندارند از عمر بالايي برخوردار خواهند بود و نيز به لحاظ زيست محيطي چون بخار و آب داراي كمترين آلودگي مي باشد لذا جهت حفظ محيط زيست بسيار مناسب مي باشد.

تنها وسيله مكانيكي آن در حال دوران مي باشد و بين قطعات اصطكاك ايجاد مي نمايد و عمر دستگاه را كم مي كند پمپ سانتريوفيوژ مي باشدكه جهت *** كوله آب استفاده مي گردد.

3-5-2-1- اجزاء و نحوه عملكرد چيلرهاي انژكتوري

كمپرسورهاي جبران كننده نمي توانند جهت تراكم استفاده شوند و بخار در شرايط فشار پايين حجم زيادي دارد لذا جهت تراكم نياز به يك كمپرسور كه داراي سيلندرهاي بزرگ باشد استفاده نماييم كه اين كمپرسورها بسيار گران خواهد بود لذا از بخار با فشار بالا و نازلها استفاده مي نمايند بدين طريق كه بخار با فشار بالا وارد نازل شده و پس از عبور از نازل سرعت آن زياد مي شود و به سرعت 4000ft/scc مي رسد[5]. اين سرعت زياد باعث مي شود تا بخارات ايجاد شده در تانك كه سريعاً ايجاد مي شود دائماً بيرون كشيده شود و سريعاً وارد بخار شوند.

مخلوط بخار و تبخيرات آن آب مخزن وارد ديفيوزر شده و در آنجا سرعت رفته رفته كاهش مي يابد چون سطح مقطع در ديفيوزر افزايش مي يابد فشار در داخل فلاش تانك به حدود 0.15Psia ميرسد و در داخل كندانسور به 0.95Psia كه دماي آن Fْ45 در داخل فلاش تانك مي بايست در داخل كندانسور دماي مخلوط بخار و تبخيرات آني آب فلاش تانك به Fْ100 برسد تا بخارات كندانس شده و *** را به شكل گرمايي بازگرداند كه يك پمپ سانتريفيوژ ديگر جهت بازگرداندن آبهاي كندانسور به بويلر لازم مي باشد كه جهت كار پمپ بايد انرژي الكتريكي صرف نماييم.

جهت دفع حرارت نهان تبخير در كندانسور، آب برج خنك كن با حداكثر دماي Fْ80 وارد كندانسور مي شود و آب برج خنك كن بايد توسط يك پمپ سانتريفيوژ سيركوله گردد.

مقدراي هوا در آب به صورت محلول هميشه وجود دارد. لذا اين هوا چنانچه در كندانسور باقي بماند باعث مي شود فشار در داخل كندانسور بالا رفته و باعث افت راندمان انژكتور مي گردد و لذا اين هوا بايد از داخل كندانسور خارج شود كه توسط دو عدد انژكتور ثانويه اين عمل انجام مي شود.

اين دو انژكتور به صورت سري با هم مي باشند بدين صورت كه انژكتور ثانويه اولي هوا را از داخل كندانسور اصلي مكش مي نمايد و در كندانسور اصلي ايجاد خلاء مي نمايد و بخارات و هوا وارد كندانسور اين انژكتور مي شود. و انژكتور ثانويه دومي از كندانسور انژكتور ثانويه اولي هوا را مكش نموده و در كندانسور انژكتور اولي ايجاد خلاء مي نمايد و وارد كندانسور اين انژكتور هوا و مقداري بخار شده كه بخارات تقطير شده و به سيكل برمي گردند و هوا به اتمسفر و نت داده مي شوند.

همانطور كه در شكل (3-26) مشاهده مي شود. در نقطه 1 بخار فشار بالا از بويلر مي آيد در نقطه 2 با عبور از ناول سرعتش افزايش يافته و با عبور از ديفيوزر به سمت كندانسور در نقطه 3 مي رود وقتي كه بخار از نازل خارج مي شود به همراه خود بخارات موجود در فلاش تانك را از نقطه 4 مكش نموده و فشار روي سطح آب موجود در فلاش تانك را كاهش مي دهد.

****************************************

شكل (3-26)

بخارات گازهاي غيرقابل كندانس و هواي موجود در كندانسور توسط انژكتور شماره 5 مكش شده و كندانسور نيز تحت فشار پائين قرار مي گيرد و يك انژكتور ديگر كه در نقطه 6 مي باشد هوا و گازهاي غيرقابل كندانس كندانسور انژكتور ثانويه را خارج مي نمايد و پس از كندانس شدن بخارات آب موجود آب موجود در گازهاي غيرقابل كندانس اين گازها به اتمسفر تخليه مي شود.

دو عدد پمپ سانتريفيوژ يكي برگرداندن آب تميز به بويلر و ديگري براي رساندن آب سرد به محل مصرف موجود مي باشد. خروج اين هوا از داخل كندانسور باعث مي شود تا راندمان انژكتور بالا رفته چون فشار داخل كندانسور پائين آمده است.

انژكتورهاي بخار با توجه به برودت مورد نياز خلاء مشخصي را ايجاد مي نمايند كه اين خلاء باعث مي شود تا مقدار معيني آب تبخير شده و جهت كسب حرارت نهان تبخير و دماي آب باقي مانده در فلاش تانك به ميزان لازم كاهش يابد.

براي تبديل هر كيلوگرم آب از حالت مايع به بخار 500 كيلوكالري انرژي حرارتي جذب مي شود. لذا براي ايجاد يك تن تبريد برودت نياز به تبخير 5 كيلوگرم آب داريم تا با تبخير اين ميزان آب و كسب حرارت نهان تبخير از آب موجود در فلاش تانك آب داخل فلاش تانك سرد شده و دماي آن به Fْ55 برسد.

با توجه به دياگرام شكل (3-23) چنانچه فشار مخزن فلاش تانك پايين بيايد ميزان حرارتي كه بايد آب ببيند تا از حالت مايع اشباع به بخار اشباع برسد و توسط انژكتور از داخل مخزن فلاش تانك خارج شود افزايش پيدا مي كند. خط قرمز رنگ كه در فشار 0.1bar رسم شده است محدوده حرارت نهان تبخير را نشان مي دهد كه نسبت به فشار 1 bar رسم شده است محدوده حرارت نهان تبخير را نشان مي دهد كه نسبت به فشار 1 bar خيلي بيشتر شده است پس نتيجه مي شود كه هرچه فشار داخل مخزن فلاش تانك چيلرهاي انژكتوري را كاهش دهيم علاوه بر اينكه نقطه جوش آب را پائين آورده ايم حرارت نهان تبخير را افزايش داده ايم و بدينوسيله مي توانيم حرارت بيشتري از سيستم دفع نماييم و قدرت اين چيلرها را افزايش دهيم.

از آب سرد ايجاد شده در داخل فلاش تانك اين چيلرها مي توانيم جهت سرمايش هواي ورودي به كمپرسور استفاده نماييم. اين آب را توسط يك پمپ سانتريفيوژ به داخل يك ابركولر كه داخل راكت هوا مي باشد ارسال مي نماييم.

تا اينجا هزينه سرمايش آب با توجه به اينكه بخار كافي نيروگاه در دسترس مي باشد خيلي زياد نبوده و از طرفي نيز هزينه اوليه اين چيلرها چون قطعات مكانيكي زيادي ندارند ارزيان مي باشد.

3-5-2-2- محاسبات مربوط به ابركولر و افت فشارهاي ايجاد شده مسير هوا

با رسوماتي كه توسط اين سيستم مي توانيم داشته باشيم:

آب خروجي از *** انژكتوري با دماي Fْ55 مي باشد.

آب ورودي به چيلر Fْ55 مي باشد كه Fْ10 اختلاف دما در نظر مي گيريم البته اين Fْ10 اختلاف دما بر اساس كار چيلرها در تهويه مطبوع مي باشد.

در اين سيستم بار سرمايي ما نامحدود مي باشد يعني در تابستان كه دماي محيط FْTab=96  در نظر گرفتيم.

چنانچه بتوانيم هوا را تا Fْ60 سرد نماييم براي افزايش راندمان توربين گاز بسيار مفيد مي باشد. رسيدن به چنين دمايي با توجه به اينكه مجاز نمي باشيم در هواي ورودي به كمپرسور افت فشار زيادي ايجاد نماييم بسيار مشكل مي باشد. مبدل طراحي شده بايد بر اساس افت فشار ما باشد.

گرفتن حداقل دمايي Fْ60 براي هوا در روش مبدل با توجه به دماي ورود و خروج آب به داخل مبدل مي باشد و زماني كه هوا براي تبادل حرارت دارد و محدودكننده هاي افت فشار در نظر گرفته شده است.

**************************************

شكل (3-27)

در شكل (3-27) سيستم چيلر انژكتوري با سيكل بسته و يا با سيكل باز نمايش داده شده است.

در شكل (3-27) الف چيلر انژكتوري در يك سيستم بسته (ابركولر) نشان داده شد.

***** سيستم جهت سرمايش هواي ورودي به كمپرسور استفاده نمي كنيم ولي جهت سيستم احياء آب از دودكش HRSG اين سيستم به كار مي رود.

در شكل (3-27) ب تصوير يك چيلر انژكتوري با سيستم باز مي باشد كه از اين سيستم جهت سرمايش تبخيري هواي ورودي به كمپرسور استفاده مي نماييم از اين روش به صورت تركيبي از تبخير و انژكتوري به طور كه توضيح داده شده است استفاده مي نماييم.

چنانچه بخواهيم به Fْ60 برسيم ميزان بار سرمايي برابر است با:

براي اينكه چنين بار سرمايي را توسط كويلهاي ايركولر سرد نمايم نياز به تعداد زيادي كويل مي باشد. كه با توجه به افت فشاري كه در مسير هواي ورودي به كمپرسور ايجاد مي نمايد مقرون به صرفه نمي باشد. پس استفاده از سيستم بسته نمي تواند كارساز باشد بنابراين سيستم باز كه به صورت ايرواش (مه سازي) استفاده مي نماييم بررسي مي شود كه همانند روش ايرواش عمل مي نمايد با اين تفاوت كه آب تزريق شده به هوا نيز از دماي پاييني برخوردار مي باشد، لذا راندمان بالا مي رود. و با توجه به اينكه سيستم كنترل رطوبت در داخل كانال اهميت زيادي دارد. بايد مورد خاص اين **** رعايت شود.

از آب سرد اين روش مي توانيم در سرمايش تبخيري استفاده نماييم كه بدين ترتيب راندمان سيستم تبخيري بسيار بالا مي رود و مي توانيم در تابستان به اختلاف دماي بسيار مطلوبي دست يابيم در اين روش نيز بايد توجه داشت كه گردوغبار موجود در هوا كه جذب آب مي شود بايد همواره از درون سيكل خارج شود. به نظر مي رسد چنانچه از تركيب دو سيستم سرمايش تبخيري توسط آب سرد خروجي از ***** استفاده نماييم بسيار مناسب مي باشد و مي توانيم به نحوه مطلوبي راندمان توربين گاز را افزايش دهيم بدون آنكه افت فشاري بر روي هواي ورودي ايجاد نماييم.

3-5-2-3- محاسبه ظرفيت چيلر انژكتوري

چنانچه دماي آب خروجي از فلاش تانك چيلر را Fْ45 بگوييم كه همان دماي واقعي مي باشد و دماي به فلاش تانك را كه نهايتاً به دماي مرطوب منطقه مي تواند برسد؟ در نظر بگيرم لذا مقدار بار سرمايي از رابطه زير محاسبه مي گردد.

 دبي جرمي آب

Cp=1 گرماي ويژه براي آب

 بار سرمايي

 ظرفيت سرمايي پيلر

جهت محاسبه ظرفيت چيلر بايستي ضريب اطمينان 10% را منظور نماييم، لذا هر 5kg يك تن تبريد ايجاد برودت نمايد اين مقدار سرما بايستي

 مقدار آب تبخير شده در چيلر

بايستي  آب در اين چيلر تبخير شود تا بتوانيم تنها بوسيله آب اين ميزان حرارت را از هوا خارج نماييم.

چنانچه بخواهيم هواي ورودي به كمپرسور را تا دماي Fْ71 و رطوبت نسبي 80% سرد نماييم بار سرمايي سيستم برابر خواهد شد با:

اين مقدار بار سرمايي مقدار  آب توسط چيلر حذف شده است و مابقي كه  بايستي تنها توسط تبخير آب بر روي پوشالها حذف شود.

اين مقدار حرارت در رطوبت نسبي كمتر از 70% ايجاد خواهد شد.

رسيدن به دماي FْTdb=76/4 از دماي Tdb=96F توسط اين سيستم تركيبي ممكن و عملي است و اين اختلاف دما حدود Fْ20 با كمترين هزينه راندمان توربين گاز را به نحوه مطلوبي افزايش خواهد داد.

كنترل رطوبت نسبت در اين روش به راحتي انجام پذير مي باشد و رسيدن به ناحيه اشباع با توجه به فاصله زيادي كه از نقطه اشباع داريم در كمپرسور غيرممكن مي باشد.

علاوه بر اين، با توجه به اينكه فضاي كافي جهت چيدن سكتورهاي تبخير كننده داريم حداقل افت فشار را در هواي ورودي به فيلترها و نهايتاً به كمپرسور خواهيم داشت.

3-5-3- خنك كردن هواي ورودي با استفاده از چيلر جذبي

دياگرام استفاده از چيلر جذبي براي خنك كاري هواي ورودي در شكل (3-28) نشان داده شده است در اين روش با استفاده دود خروجي توربين در يك بويلر بازياب، بخار توليد مي شود و بخار توليدي به مصرف چيلر جذبي مي رسد. آب سرد شده در چيلر جذبي از درون مبدل حرارتي (Air cooler) عبور كرده و جريان هواي ورودي به كمپرسور را خنك مي نمايد.

**************************************************

شكل (3-28) دياگرام خنك كاري هواي ورودي با استفاده از چيلر جذبي

شكل (3-29) يك نمونه مبدل حرارتي مورد استفاده را نشان مي دهد. اين مبدل قادر است هوا را تا Cْ7 خنك كنند افت فشار در هواي ورودي ناشياز نصب اين مبدل بيشتر از افت فشار سيستم هاي تبخيري مي باشد. لوله هاي مبدل از جنس مس با *** هاي آلومينيومي مي باشد. قطرات آب كندانسه شده نيز در ظرف استيل پايين مبدل جمع آوري و به بيرون هدايت مي شوند. از صفحات جاذب رطوبت براي حذف قطرات احتمالي آب در هوا بعد از مبدل استفاده مي شود[3].

********************************************

شكل (3-29) مبدل حرارتي مورد استفاده در چيلر جذبي

چيلرهاي جذبي به دليل داشتن ويژگي هاي خاص خود، د مقام مقايسه با انواع ديگر چيلرها داراي برتريهاي از نقطه نظر اقتصادي و سهولت در نگهداري هستند. چيلر جذبي بهترين و كم هزينه ترين دستگاه براي توليد آب سرد در نوع خود بوده كه در ظرفيت هاي مختلف براي تهيه آب سرد و تهويه مطبوع مورد استفاده قرار مي گيرد.

3-5-3-1- اجزاء و نحوه عملكرد چيلر جذبي

يك سيستم ساده جذبي از چند جزء اصلي و فرعي تشكيل شده است اجزاء اصلي شامل ژنراتور، كندانسور، سيستم خنك كننده، اوپراتور و جاذب (Absorber) مي باشد. اجزاء *** نيز عبارتند از: پمپ سيركولاسيون محلول جاذب، پمپ سيال مبرد، مبدلهاي حرارتي و سيستم تخليه.

شكل (3-30) اساس سيكل جذبي را نشان مي دهد.

نحوه عملكرد يك چيلر جذبي در حالت كلي بصورت زير مي باشد.

مايع مبرد (آب) ابتدا بر روي سطح خارجي لوله ها اوپراتور پاشيده شده و از ميان مجموعه لوله ها اوپراتور مي گذرد. در اين حالت مايع مبرد بر اثر جذب گرما از اين لوله ها تبخير مي گردد. در نتيجه مايع داخل لوله هاي سرد مي شود. سپس بخار سيال مبرد از اوپراتور به منطقه جاذب (Absorber) كشيده شده و توسط مايع جذب (محلول ليتيم برومابر) كه روي لوله هاي جاذب پاشيده مي شود جذب مي گردد.

گرماي نهان تبخير و گرماي واكنش به مايع جذب كننده و سپس به آب داخل لوله هاي جاذب انتقال مي يابد محلول ليتيم برومابر به دليل جذب سيال مبرد (آب) رقيق مي شود و براي تغليظ مجدد و بازيابي مايع مبرد (آب) توسط پمپ به درون ژنراتور منتقل مي گردد. در ژنراتور به محلول رقيق (با بخار يا آب داغ) حرارت داده مي شود. و در نتيجه مايع مبرد (آب) به شكل بخار از مايع جاذب (محلول ليتيم برومايد) جدا مي گردد. و مجدداً بخار مي شود. بخار سيال مبرد از ميان كندانسور عبور كرده و در آنجا ضمن برخورد با لوله هاي آب سرد كننده تقطير مي شود. مايع مبرد (آب) مجدداً به درون اوپراتور منتقل شده و چرخه مذكور از نو آغاز مي گردد. در همين حال محلول جاذب تغليظ شود و مجدداً از ژنراتور به بخش جاذب منتقل مي شود و چرخه جديد آغاز مي شود. كارآيي سيكل از طريق عبور محلول رقيق نسبتاً سرد و محلول غليظ نسبتاً گرم از ميان يك مبدل حرارتي افزايش مي يابد.

***************************************

شكل (3-30) اساس يك واحد تبريد جذبي

اين نوع چيلر كاملاً بسته و يكپارچه بوده و هيچ قطعه متحركي در داخل خود ندارد. مايع مبرد چيلر آب و جاذب آن محلول ليتيوم برومايد و يا آمونياك مي باشد. انرژي موردنياز دستگاه مي تواند آب گرم، آب داغ، بخار و يا شعله مستقيم تأمين شود. مزاياي اين چيلرها نسبت به چيلرهاي تراكمي مصرف برق كمتر، صداي كمتر، نگهداري و تعميرات بسيار آسان به علت استفاده از قطعات مكانيكي سنگين و عدم استفاده از گاز فرئون به عنوان مبرد مي باشد.

چيلرهاي جذبي بر حسب نوع ماده مبرد، جاذب، منبع انرژي به چند دسته تقسيم مي شوند.

3-5-3-2- سيستم جذبي آب- آمونياك

در اين سيستم آمونياك يك سيال مبرد و آب سيال جاذب مي باشد. اين سيستم براي دستيابي به درجه حرارت پايين (حدود Cْ45-) متداول مي باشد. چون در روش خنك كاري هواي ورودي با استفاده از چيلر به درجه حرارتهاي خيلي پايين احتياجي نيست لذا اين سيستم كاربرد چنداني در خنك كاري هواي ورودي ندارد.

4-5-3-3- سيستم جذبي ليتيم برومايد- آب

در اين سيستم آب سيال مبرد و محلول ليتيم برومايد سيال جاذب مي باشد. چيلرهاي جذبي ليتيم برومايد قادر به توليد دماهاي حدود Cْ4/4 مي باشند. انرژي مورد نياز اين سيستم از بخار تأمين مي گردد.

همانطور كه در شكل (3-31) نشان داده شده توسط يك بويلر بازياب و با استنفاده از دود خروجي توربين گاز مي توان بخار موردنياز را تأمين نموده بخار انرژي گرمايي خود را در ژنراتور به محلول رقيق ليتيم برومايد مي دهد.

**********************************************

شكل (3-38) شماتيك سيستم تبريد جذبي

3-5-4-3- چيلر- هيترهاي شعله مستقيم

يكي ديگر از انواع چيلرها- چيلر- هيتر شعله مستقيم مي باشد. سيكل كاري اين چيلر نيز مانند چيلر جذبي دو مرحله اي مي باشد. اين چيلر مي توانند به طور مستقيم در خروجي توربين گاز نصب گردند. در اين حالت نيازي به توليد بخار در بويلر بازياب نخواهد بود[3]. شكل (4-32) سيستم سرمايش هواي ورودي به كمپرسور را با استفاده از چيلر جذبي شعله مستقيم نشان مي دهد. احتمال وجود خورندگي در لوله هاي ژنراتور اين چيلر به علت استفاده از دود وجود دارد و كاربرد آن هنوز رايج نمي باشد.

*********************************************

شكل (3-32) استفاده از چيلر شعله مستقيم براي سرمايش هواي ورودي

فصل چهارم

تزريق آب داغ به كمپرسور

يكي از نقاط ضعف توربين هاي گازي فرآيند آدياباتيك صورت گرفته در كمپرسور مي باشد كه باعث افزايش دما و فشار مي شود. اگر فرآيند تراكم به صورت شبه دما ثابت باشد مقداري انرژي هدر رفته كاهش مي يابد. يك راه ساده براي پايين نگهداشتن دما، تبخير آب در طي اين فرآيند مي باشد. در واقع اين انرژي بصورت انرژي دروني در آب ذخيره شده و در توربين گاز قابل بهره برداري خواهد بود.

قطرات آب بايد از كيفيت بسيار بالايي برخوردار بوده و بسيار ريز باشند بطوريكه در كمتر از 10 ميلي ثانيه تبخير شوند. شركت KEMA جهت اسيدي آب در كمپرسور و خنك كردن هوا روشي ابداع كرده و به ثبت رسانيده كه توانايي توليد قطرات با قطر 2 و كمتر را دارد اين تكنولوژي swirl-flash نام دارد[3]. نكته اساسي در اين روش استفاده از نازلهاي چرخشي مي باشد كه مستقيماً در ورودي يا در طبقات مختلف كمپرسور نصب شده و آب داغ را به درون آن اسپري مي كنند آب گرم بعد از خروج از نازلها طي فرآيند flashing تبخير شده و موجب بالا رفتن رطوبت مي شود بدين ترتيب دماي هواي خروجي از كمپرسور به ميزان قابل ملاحظه اي پايين مي آيد در صورت اعمال اين روش بر روي كمپرسور قبل از انتخاب و نصب سيكل گازي حجم توربين گاز مورد نياز كاهش يافت. همچنين اين روش باعث افزايش قدرت و راندمان و كم شدن هزينه سرمايه گذاري مي شود.

4-1- اصول تكنولوژي TOPHAT

(the Top Hamidified Air Turbine principle)

ايده تكنولوژي TOPHAT از كاهش كار در فرآيند تراكم هوا در كمپرسور سرچشمه مي گيرد اين هدف با خنك كردن هوا طي فرآيند تراكم تحقق مي پذيرد. تراكم هوا در دماي پايين به دليل كاهش حجم، انرژي كمتري نياز دارد.

همانطور كه قبلاً گفته شد كاهش درجه حرارت از طريق خنك كاري مياني كمپرسور نيز انجام مي شود كه با توجه به قيمت بالاي مبدل هاي حرارتي ممكن است به صرفه نباشد. با اسپري آب به داخل كمپرسور و فراهم نمودن شرايط جهت تبخير قطرات نتيجه و اثر مشابه مي تواند حاصل شود.

بايد توجه داشت كه كمتر اتفاق مي افتد آب وارد كمپرسور شود. مگر در شرايط شستشو و تميزكاري و يا در هواپيماها هنگامي كه در ابرها و يا هواي طوفاني پرواز مي كنند.

شكل (4-1) مقايسه بين روش خنك كاري تبخيري و اسپري آبي داغ به كمپرسور را در چند نيروگاه گازي نشان مي دهد‍]3].

براي جلوگيري از مسائلي كه ممكن است در اثر حضور آب در كمپرسور پيش آيد بايد قطرات بسيار ريز باشند (حدود 1 تا 5)

آزمايشات نشان داده كه بهترين روش براي رسيدن به اين منظور از تكنولوژي swirl-Flash مي باشد. ابتدا فشار آب بالا رفته و گرم مي شود و پس از خروج از دهانه swirl Nozzle فرآيند Explosive Flashing اتفاق مي افتد در نتيجه قطرات آب با شرايط موردنظر توليد مي شوند.

****************************************************

شكل (4-1) مقايسه بين قدرت افزايش يافته در روش اسپري آب و خنك كاري تبخيري

كاهش حجم هوا در اثر كاهش دما بيشتر از حجم بخار آب توليدي مي باشد. هنگامي كه دماي خروجي كمپرسور از Cْ500 به Cْ400 كاهش مي يابد، حجم هوا به اندازه 37% كاهش مي يابد و تنها به مقدار 10% تا 15% در اثر تبخير آب به حجم كل افزوده مي شود. يعني در مجموع 25% كاهش حجم وجود نخواهد داشت پس از اسپري آب به درون كمپرسور، مقداري از انرژي در بخار ذخيره مي شود كه مي تواند در حين انبساط در توربين گاز قابل بازيافت مي باشد. اين قابليت باعث افزايش قدرت خروجي توربين گاز و همچنين راندمان مي شود. هواي خنك متراكم شده خروجي از كمپرسور مي تواند به وسيله دود خروجي از توربين گاز گرم شود. همچنين مي توان آب را نيز به وسيله دود خروجي گرم كرد كه باعث حذف بويلر بازيافت و سيستم توليد بخار مي شود.

اگر پس از آنكه دود خروجي حرارت خود را به وسيله آب سرد و هواي ورودي به محفظه احتراق از دست داد، در يك كندانسور، بخار آب موجودش را از دست بدهد، سيكل توليد شده سيكل TOPHAT(The Top Humidified Turbine)  نام دارد كندانسه كردن آب مي تواند در يك مبدل حرارتي جهت بازيافت انرژي بيشتر نيز انجام شود. سيكل تكميل شده هم داراي قيمت تمام شده كمتر و هم داراي راندمان بالاتري مي باشد.

*******************************************

شكل (4-2) شماي ساده سيكل توليد همزمان TOPHAT براي گاز طبيعي

4-2- تكنولوژي اسپري چرخشي (SWLRL-SPRAY)

براي آنكه از اثرات زيان آور قطرات بر روي سطح فلزي كمپرسور جلوگيري شود بايد قطر آنها بين 1 تا 2 باشد. به دنبال تحقيقات بيست و پنج ساله دانشگاه صنعتي داف (Technological university of Delft) جوابي براي اين مساله پيدا شده است كه استفاده از نازلهاي چرخشي ناگهاني (swirl spray Nozzle) مي باشد. با استفاده از اين روش كه تركيبي از اسپري و فلاشينگ آب مي باشد، قطرات تا حدود 1000 برابر كوچكتر در هواي راكد توليد مي شود. در روش swirl-Flash نازلها بين ده هزار ميليون تا صد هزار ميليون قطره در ثانيه توليد مي كنند كه عدد خوبي مي باشد[3].

*******************************************

شكل (4-3) مقايسه بين نازلهاي Swirl-flash (الف) و نازلهاي معمولي (ب) با آب سرد در هواي راكد

با استفاده از روش مشاهده جريان توسط ليرز اندازه قطرات توليد شده برآورد شده است.

متوسط اندازه قطرات با آب سرد حداكثر 24 و با نازلهاي swirl flash حداكثر 2/2 مي باشد. اين بدين معناست كه حجم قطرات توليدشده با ضريب يك هزارم كوچكتر شده است. هنگامي كه قطرات بسيار ريز بوده و دماي آنها نيز بالا باشد پديده تبخير بيشتر و سريعتر انجام مي گيرد. تحت اين شرايط در كمتر از دو ثانيه قطرات تبخير مي شوند. البته اين مسأله بستگي به شرايط و رطوبت محيط نيز دارد.

نصب تجهيزات اسپري در كمپرسور يك موتور ديزل kw400 متعلق به دانشگاه نيروي دريايي سلطنتي هلند، تست شده است شكل (5-4) در اين سيستم 14 نازل در كانال ورودي كمپرسور توربر شارژ نصب شده است. با نصب اين نازلها و با دبي آب kj/s14 مقدار Nox به ميزان 30% كاهش يافته است كه بسيار قابل توجه مي باشد. همچنين در اين سيستم آب پاشي توسط دود خروجي تا دماي Cْ250 گرم مي شود.

**********************************************

شكل (4-4) نصب سيستم Swirl-Flash بر روي كمپرسور يك موتور ديزل 400 كيلوواتي

21 نازل در راكت ورودي به يك توربين گاز Centrax نصب شده اند. بيش از 30 تست مختلف در شرايط خشك و مرطوب انجام شده است. نتايج نشان مي دهد كه به ازاي هر درصد آب پاشش شده 25 درجه سانتيگراد دماي هواي خروجي كمپرسور كاهش مي يابد.

همچنين به ازاي 5/1% آب گرم پاششي 10% قدرت و 2% راندمان نسبي افزايش يافته و 25% مقدار Nox كاهش مي يابد.

همچنين تمام آب گرم شده در رديف اول كمپرسور تبخير مي شود سيكل TOPHAT در 35 كشور سراسر دنيا به كار برده شده است[3].

4-3- مثالهاي علمي از تكنولوژي TOPHAT

به عنوان مثال اول اثرات پاشش آب در يك توربين گاز مدل ABB-GT9D بررسي شده است [3] نتايج به دست آمده در جدول (4-1) با توجه به فرضيات زير درج شده اند.

1- محاسبات به ازاي دبي هاي آب پاششي به مقدار 1 و 2 درصد دبي هواي انجام شده است.

2- دماي آب داغ Cْ250 مي باشد.

3- شرايط محيط به صورت So1 شامل دماي Cْ15 و فشار Kpa325/101 و رطوبت نسبي 60% مي باشد.

4- آب درست جلوي كمپرسور پاشش شده است.

***************************************

جدول (4-1) محاسبات براي توربين Betrofit شده با سيستم اسپري

با توجه به جدول مي توان دريافت به ازاي دبي آب پاششي برابر 2% دبي هوا، دماي هواي خروجي كمپرسور Cْ52 كاهش يافته و دبي جرمي عبوري از كمپرسور kj/s9/146 كاهش مي يابد. قدرت خروجي 14% افزايش يافته در حاليكه راندمان پلي تورپيك كمپرسور تغيير نمي كند. اگر قدرت موردنياز كمپرسور كمتر شود راندمان كلي سيستم توربين گاز حدود 1/1% و قدرت خروجي 10% افزايش مي يابد همچنين دماي احتراق (SAFT) از دماي Cْ2192 به Cْ2107 كاهش مي يابد.

اين توربين گاز ABB-GT9D قسمتي از نيروگاه سيكل تركيبي Amer8(هلند) مي باشد كه بويلر آن با سوخت زغال سنگ كار مي كند. توليد كلي اين نيروگاه 645 مي باشد. اين نيروگاه اولين نيروگاهي است كه به تكنولوژي Swirl-Flash مجهز شده است با نصب اين سيستم مقدار Nox توليد از g/Gj247 با كاهش 40% به g/Gj150 رسيده است. در اين مورد به خصوص، آب لازم جهت اسپري از بيش گرمكن فشار بالا تأمين مي شود.

آب مورد نياز جهت پاشش از سيكل توربين بخار تأمين مي گردد. بنابراين راندمان سيكل توربين بخار كاهش مي يابد و در مقابل راندمان سيكل توربين گاز به علت افزايش دبي و همچنين افزايش cp و كاهش دماي هواي خروجي از كمپرسور افزايش مي يابد.

لازم به ذكر است نصب و راه اندازي اين سيستم 15 هفته به طول انجاميده است.

********************************************************

شكل (4-5) جزئيات دو نازل Swirl-Flash و تجهيزات مربوط به اندازه گيره دما و فشار آن

فصل پنجم

تزريق بخار به محفظه احتراق

روش تزريق بخار در سالهاي اخير در موتورهاي رفت و برگشتي و توربين هاي گازي كاربرد پيدا كرده است. در اين روش بخار سوپرهيت توليدي در يك بويلر را با فشار معادل فشار اتاق احتراق توربين گاز به درون آن تزريق مي كنند اين امر موجب افزايش آهنگ جريان جرمي گذرنده از توربين و همچنين افزايش گرماي ويژه محصولات احتراق كه نتيجه آن افزايش توان و بازده سيكل مي باشد.

از نظر ماهيتي سيكل تزريق بخار توربين گاز تركيبي از سيكل برايتون و سيكل رانكين مي باشد كه در آن، بخار و هوا به جاي آنكه در دو توربين مجزا منبسط شوند فقط در يك توربين مشرك انبساط مي يابند. بخار موردنياز معمولاً از بازيافت حرارت دود خروجي توربين گاز در يك بويلر بازيافت توليد مي گردد.

چون درجه حرارت آب پاشيده شده از درجه حرارت داخل محفظه احتراق پايين تر مي باشد، موجب خنك تر شدن محفظه احتراق مي شود. بنابراين بدون افزايش درجه حرارت محفظه احتراق سوخت بيشتري در سيكل سوزانده شده و توان خالص سيكل افزايش مي يابد. تزريق بخار به ورودي توربين گاز يا به خروجي كمپرسور انجام مي گيرد كه در ادامه هر دو روش بررسي مي گردد.

5-1- تزريق بخار به انتهاي اتاق احتراق

در اين روش بخار با فشار حدود 30 بار و بصورت سوپرهيت به ورودي توربين گاز بعد از محفظه احتراق تزريق مي شود. به علت افزايش دبي جرمي گازهاي عبوري از توربين توان خروجي آن بدون افزايش مصرف سوخت افزايش مي يابد. در نتيجه راندمان كلي سيكل افزايش خواهد يافت. همچنين تزريق بخار باعث خنك كاري پره هاي توربين مي شود اين روش ساده بوده و هزينه سرمايه گذاري و نگهداري پاييني دارد و از نظر اقتصادي مقرون به صرفه مي باشد شكل (5-1) دياگرام توليد و تزريق بخار به ورودي توربين گاز را نشان مي دهد.

در سيكل معمولي توربين گازي جهت خنك كاري پره هاي توربين از هواي متراكم قبل از محفظه احتراق استفاده مي گردد. اين مسأله موجب كاهش راندمان سيكل و كار توربين مي گردد ولي در سيكل پاشش بخار چون بخار آب پاشيده شده به توربين داراي درجه حرارت پاييني است (حدود Cْ430) لذا عمل خنك كاري پره هاي توربين را نيز انجام مي دهد و در نتيجه نسبت به حالت معمولي راندمان و توان توليدي توربين افزايش مي يابد.

*******************************************

شكل (5-1) شماتيك توليد و تزريق بخار به ورودي توربين گاز

مطالعات انجام شده نشان مي دهد كه استفاده از سيكل پاشش بخار به ورودي توربين گاز مزاياي زيادي در سيكلهاي توليد همزمان برق و حرارت دارد. راندمان سيكل ساده گازي به همراه پاشش بخار تا حدود 49% و با در نظر گرفتن اثرات خنك كاري پره ها توسط پاشش بخار تا 52% قابل افزايش است[7]

شكل (5-2) اثر پاشش بخار بر روي قدرت خروجي و نرخ حرارتي (Heat Rate) يك توربين گاز مدل MS700IEA نشان مي دهد. اين منحني ها با فرض آنكه بخار مورد نياز از منبع ديگري غير از بويلر بازياب تأمين مي شود رسم شده اند[7].

********************************************

شكل (5-2) اثر پاشش بخار بر روي قدرت خروجي و نرج حرارتي

در جدول (5-1) نمونه هاي علمي توربين با تزريق بخار داده شده است[7].

*******************************************

جدول (5-1) نمونه هاي علمي توربين گاز با تزريق بخار

5-2- توربين گاز با تزريق بخار به خروجي كمپرسور

در اين روش از بخار جهت تزريق به خروجي كمپرسور استفاده مي شود. به اين ترتيب كه بخار در هواي خروجي كمپرسور تزريق شود و در نتيجه دبي جرمي عبوري از توربين افزايش پيدا مي كند. چون بخار بعد از كمپرسور تزريق مي شود لذا كار مورد نياز كمپرسور افزايش نمي يابد.

شكل (5-3) شماتيك توربين گاز به همراه بويلر و تزريق بخار به هواي خروجي كمپرسور را نشان مي دهد.

**************************************************

شكل (5-3) شماتيك سيكل توربين گاز به همراه تزريق بخار به هواي خروجي كمپرسور

بخار بعد از كمپرسور، ولي قبل از مشعل تزريق مي شود و مخلوط مناسبي ايجاد مي كند. بنابراين درجه حرارت اوليه در اتاق احتراق كاهش پيدا كرده و همچنين ميزان Nox خروجي كم مي شود.

5-3- مزايا و معايب روش تزريق بخار

از معايب تزريق بخار به سيكل توربين گاز، هدر رفتن آب يا بخار تزريق شده و مساله خوردگي مي باشد. اين مشكلات با استفاده از سيكل VODOLET قابل حل مي باشد كه در ادامه سيكل فوق بررسي مي شود.

اجزاء اصلي سيكل VODOLET عبارتند از توربين گاز به همراه (FLOW-PART) بويلر بازياب، لوله هاي و تجهيزات مربوط به تزريق بخار توليد شده به توربين مي باشد.

سيكل VODOLET داراي FLOW-PART خاص در توربين مي باشد. يعني سطح جريان به طور خاص تغيير يافته تا مساحت لازم جهت عبور همزمان بخار و محصولات احتراق در توربين گاز فراهم آيد و محفظه احتراق نيز به شكل خاصي طراحي شده است.

مزيت اين سيكل در استفاده از يك كندانسور تماسي آبي نصب شده در خروجي بويلر مي باشد. هدف از كندانسور، كاهش حرارت گازهاي خروجي از بويلر، پايين آوردن نقطه شبنيم كندانسه كردن، كنترل و جمع آوري آب از تركيب بخار و گاز خروجي مي باشد.

مزيت استفاده از سيكل VODOLET آن است كه نه تنها باعث برطرف شدن عيب فوق مي شود بلكه در شرايط خاص آب توليد شده از فرآيند احتراق، رطوبت محيط و همچنين آب حاصل از چگالش بخار تزريقي توسط كندانسور به سيكل اضافه مي شود. همچنين آزمايشات مختلف و مكرر نشان داده است كه خوردگي نيز اتفاق نمي افتد.

از مزاياي روش تزريق بخار به سيكل توربين گازي به شرح زير مي باشد:

1- توليد اكسيدهاي نيتروژن به ميزان كم و ناچيز

2- عدم وابستگي شرايط عملكرد و راندمان سيكل به عوامل محيطي

3- اشغال فضاي كم

4- هزينه پايين تعميرات و نگهداري

هزينه تبديل سيكل توربين گاز با تزريق بخار كم بوده و حدود صد دلار براي هر كيلووات افزايش يافته مي باشد، همچنين پياده كردن اين سيستم نياز به تغييرات اساسي در سيكل ندارد.

فصل ششم

بازيافت حرارت از دود خروجي توربين گاز

يكي از روشهاي افزايش راندمان سيكل هاي گازي استفاده از دود خروجي از توربين گازي مي باشد. بنابر قانون دوم ترموديناميك نمي توان موتور حرارتي ساخت كه تنها با يك منبع سرد يا گرم تبادل حرارت نموده و كار يا توان توليد نمايد. در مورد سيكل گازي به عنوان يك موتور حرارتي، منبع گرم محصولات احتراق حاصل از سوختن مخلوط سوخت و هوا در اطاق احتراق توربين گازي مي باشد. منبع سرد نيز هواي محيط است. با توجه به اختلاف دماي بسيار بالا بين دود خروجي از توربين گازي با هواي محيط حرارت بسيار زيادي با منبع سرد مبادله شده و در واقع تلف مي شود. بنابراين امروزه تلاشهاي بسيار گسترده اي در سراسر دنيا توسط طراحان سازنده براي بهره برداري از اين انرژي اتلافي صورت گرفته است.

واضح است كه بازيابي انرژي باعث افزايش راندمان سيكل گازي و كاهش سوخت مصرفي در سيكل مي گردد. در مورد توربين گاز معمولاً دو نوع بازياب حرارت مطرح مي شود:

1- گرم كردن هواي خروجي از كمپرسور

2- توليد بخار به وسيله بويلر بازياب

در ادامه اين روشها به همراه مزايا و معايب هر يك بررسي مي گردد.

6-1- گرم كردن هواي خروجي كمپرسور

در اين روش هواي خروجي از كمپرسور از داخل يك مبدل حرارتي كه با گازهاي خروجي از توربين گرم مي شود عبور مي كند. سپس هواي گرم وارد اتاق احتراق شده و مقداري از آن براي سوخت مورد استفاده قرار مي گيرد.

با توجه به گرم بودن هوا، عمل اختلاط با سوخت و احتراق بهتر انجام شده و سوخت كمتري براي رسيدن به شرايط مناسب جهت ورود به توربين مورد نياز خواهد بود. بنابراين با كم شدن مصرف سوخت بازده حرارتي افزايش مي يابد. با اضافه كردن بازياب حرارتي به سيكل، توربين، كمپرسور و كار خالص توليدي تحت تأثير قرار نمي گيرند.

**********************************************

شكل (6-1) مسير جريان هوا و دود در توربين گاز با بازياب حرارتي

دياگرام هاي (P-V) و (T-S) سيكل توربين گاز با بازياب حرارت در شكل (6-2) نشان داده شده است.

*******************************************

شكل (6-2) دياگرام هاي (p-r) و (T-S) سيكل توربين گاز با بازياب حرارتي

با توجه به دياگرام (T-S) هواي فشرده در مرحله 2 وارد مبدل حرارتي مي شود و با فشار ثابت از  تا  گرم مي شود. اين افزايش حرارت از انرژي گازهاي خروجي توربين گاز تأمين مي گردد. دود خروجي توربين با دماي  وارد مبدل حرارتي شده و با دماي  از آن خارج مي گردد. اگر تبادل حرارت به طور كامل انجام گيرد در حالت ايده آل دماي هواي خروجي از مبدل حرارتي () برابر دماي گازهاي ورودي به آن () و همينطور دماي هواي ورودي با دماي دود خروجي برابر خواهد بود هوا پس از عبور از مبدل وارد محفظه احتراق شده و تا دماي  گرم خواهد شد.

مزيت بازيابي انرژي دود خروجي از توربين گاز كاهش حرارت داده شده در اتاق احتراق از مقدار  مي باشد. به اين ترتيب بازده حرارتي افزايش خواهد يافت.

با فرض عبور kj1 هوا از داخل كمپرسور (اگر از جرم سوخت صرف نظر شود)، مساوي بودن گرماي ويژه هوا و گاز خروجي از اتاق احتراق، كار خروجي از كمپرسور به روش زير محاسبه مي گردد:

كار واقعي توربين: (6-1)                         

كار واقعي كمپرسور: (6-2)                     

كار خالص واقعي: (6-3)                         

حرارت افزوده شده: (6-4)                      

بنابراين راندمان حرارتي برابر خواهد شد با:

(6-5)                     

با توجه به اينكه  معادله فوق را مي توان به صورت زير نوشت:

(6-6)                     

در عمل تبادل حرارت كامل در دستگاه مبدل حرارتي امكان پذير نيست به همين سبب ميزان مؤثربودن مبدل حرارتي يا بازياب حرارتي به صورت زير تعريف مي شود:

(6-7)                     

يكي از دلايل متداول نبودن استفاده از اين روش، پايين بودن ضريب انتقال حرارت از يك گاز به گاز ديگر مي باشد. حداكثر ضريب تأثير آن در صورتي كه سطح تبادل حرارت زياد باشد در حدود 75% است[6].

از ديگر معايب اين روش، افت فشار هوا در مبدل حرارتي مي باشد. اين افت فشار با افزايش سطح تبادل حرارتي افزايش مي يابد. افت فشار باعث كاهش كار توليد شده در توربين و در نتيجه كاهش قدرت و راندمان مي گردد.

در شكل (6-3) تأثير بازياب حرارتي بر روي راندمان حرارتي بر حسب نسبت فشارهاي مختلف نشان داده شده است:

******************************************

شكل (6-3) تغييرات راندمان حرارتي توربين گاز بر حسب نسبت فشار براي مقادير مختلف راندمان بازياب

با توجه به شكل تا مقدار معيني از نسبت تراكم با افزايش نسبت تراكم راندمان حرارتي زياد مي شود و پس از مقدار معيني از نسبت فشار يعني موقعي كه دماي هواي فشرده بيشتر از دماي دود خروجي توربين باشد راندمان حرارتي كاهش مي يابد. همچنين راندمان حرارتي در نسبت فشارهاي كم، يعني در جاهايي كه دما هواي متراكم شده پايين باشد حداكثر است.

6-2- توليد بخار به وسيله بويلر بازياب

دماي محصولات احتراق خروجي از توربين گاز حدود Cْ540 مي باشد كه تابعي از بار واحد است. همچنين دبي محصولات احتراق برابر 3 تا 4 كيلوگرم بر ثانيه به ازاي هر مگاوات توليدي مي باشد[6].

با توجه به بالا بودن دما و دبي دود خروجي از توربين انرژي بسيار زيادي در حدود 5/1 برابر توان خروجي توربين به هدر مي رود. در صورت استفاده از اين انرژي اتلافي براي توليد بخار در بويلر بازياب مي توان راندمان سيكل را افزايش داد. البته لازم به ذكر است به علت وجود اكسيدهاي گوگرد در محصولات احتراق نمي توان دماي دود را از نقطه شبنم پايين تر آورد.

بخار توليدي را مي توان جهت توليد برق در يك نيروگاه بخار، مصارف مختلف صنعتي نظير آب شيرين كن ها، صنايع نساجي، سيستم هاي گرمايشي و سرمايشي به كار برد. به عبارت ديگر توان توليد همزمان برق و حرارت (Cogeneration) داشت. همچنين مي توان از بخار توليدي در يك چيلر جذبي براي ايجاد برودت استفاده كرد كه اين سيستم به نام توليد همزمان برق، حرارت و غيره (Trigeneration) معروف است. راندمان توليد همزمان گرما و برق بسيار بالا و در حدود 70% تا 90% مي باشد. بنابراين استفاده از اين روش راندمان كل مجموعه را بسيار بالا خواهد برد.

*********************************************

شكل (6-4) يك نمونه بويلر بازياب حرارتي

شكل (6-4) مربوط به يك نمونه بويلر بازياب حرارتي مي باشد. بويلر بازياب يك مبدل حرارتي با جريان متقاطع است كه در آن انتقال حرارت به روش جابجايي صورت مي گيرد بر حسب نياز بويلر شامل سوپرهيتر، اوپراتور، اكوتومايزر خواهد بود. با توجه به مشخصات بخار مصرف و نوع استفاده از آن از بويلرهاي بازياب گوناگون استفاده مي شود. متداولترين بويلرهاي بازياب موجود به صورت زير مي باشد.

- بويلرهاي عمودي

- بويلرهاي افقي

- بويلرهاي بدون مشعل

- بويلرهاي بازياب با مشعل

*************************************

شكل (6-5) يك نمونه بويلر بازياب مشعل دار

6-2-1- استفاده از بخار توليدي در يك سيكل تركيبي

به منظور مقايسه دو سيكل بخار و گاز، تحولات هر دو سيكل در يك دياگرام (T-S) رسم شده است. با توجه به دياگرام (7-6) مي توان به اندازه سطح (6-10-9-8-7-6) از ميزان حرارت تلف شده بازيابي نمود.

********************************************

شكل (6-6) دياگرام T-S در سيكل گازي و بخاري

با توجه به اينكه دماي گازهاي خروجي از توربين گازي در كل تحول خنك شدن آن (1-4) از دماي آب و بخار سيكل بخاري در كل تحول گرم شدن آن در ديگ بخار (6-9) بالاتر مي باشد. بنابراين به راحتي مي توان عمل گرايش آب در ديگ بخار يك نيروگاه بخاري ساده را توسط گازهاي خروجي توربين گازي انجام داد و احتراق در بويلر نيروگاه بخاري را حذف نمود. اين اقدام در واقع يكي از مهمترين و متداولترين روش هاي افزايش راندمان حرارتي بوده و سيكل تركيبي نمايده مي شود.

*************************************

شكل (6-7) دياگرام ساده سيكل تركيبي

در شكل (6-7) دياگرام اجزاء ساده ترين سيكل تركيبي نشان داده شده است با توجه به شكل بويلر بازياب حرارتي جزء ارتباط دهنده دو سيكل گازي و بخاري بوده و از اهميت ويژه اي برخوردار است در حالت ساده راندمان سيكل گازي از معادله زير محاسبه مي شود.

(6-8)                                        

در سيكل تركيبي با توجه به اينكه جهت توليد بخار از هيچ احتراقي اضافه بر احتراق توربين گازي جهت توليد بخار استفاده نشده است، راندمان از معادله زير محاسبه مي شود:

(6-9)                                        

در معادلات فوق  راندمان سيكل گازي،  راندمان سيكل تركيبي، Wnetg كار خالص سيكل گازي Wnets كار خالص سيكل بخاري، QH حرارت داده شده توسط محصولات احتراق در سيكل گازي به هوا (به علاوه خود محصولات احتراق) مي باشد. بررسي معادلات نشان دهنده بزرگتر بودن راندمان سيكل تركيبي نسبت به سيكل گازي مي باشد. چرا كه كار توربين بخار با استفاده از تلفات حرارتي توليد شده است.

از نقاط ضعف سيستم سيكل تركيبي مي توان به هزينه اوليه زياد آن و همچنين مقرون به صرفه بودن فقط براي توربين هاي گازي با ظرفيت بالاتر از 100 مگاوات اشاره نمود.

فصل هفتم

گرمايش مجدد گازها در توربين

درسيكل گازي با گرم كردن مجدد گازها پس از خارج شدن از توربين اول در يك اتاق احتراق مي توان كار بيشتري به دست آورد اين سيكل شامل يك توربين دوطبقه است كه قبل از هر طبقه يك اتاق احتراق قرار دارد و دماي گازي كه در اثر انبساط در توربين اول كاهش يافته، دوباره افزايش مي يابد و تقريباً به دماي اوليه كه هنگام ورود به توربين گاز اولي داشته است رسانده مي شود و وارد توربين دوم مي گردد. با توجه به اينكه گاز خروجي از توربين اولي داراي حدود 85% هوا مي باشد مي توان مقدار ديگري سوخت به داخل آن تزريق و احتراق را بدون نياز به هواي رساني جديد انجام داد. شكل (7-1) دياگرام شماتيك چنين سيستمي را نشان مي دهد.

*****************************************

شكل (7-1) دياگرام توربين گاز با گرمكن مجدد

در سيكل گازي به همراه گرمكن مجدد، كار خالص در مقايسه با سيكل آرماني بدون گرمكن بيشتر است، همچنين راندمان اين سيكل نسبت به سيكل اصلي كمتر مي باشد شكل (7-2) دياگرام (T-S) سيكل توربين گاز با گرمكن مجدد را نشان مي دهد[6].

براي حداكثر شدن قدرت خروجي گرم كردن مجدد بايد در نسبت فشار مناسب صورت گيرد. كار كمپرسور تحت تأثير گرم كردن مجدد گاز قرار نمي گيرد. بنابراين براي حداكثر شدن قدرت خروجي، بايد شرايط را تعيين نمود كه در آن كار توربين حداكثر باشد.

******************************************

شكل (7-2) دياگرام (T-S) سيكل توربين گاز با گرمكن مجدد

شكل (7-3) دياگرام اثر نسبت فشار و درجه حرارت ورودي توربين گاز در سيكل با گرمايش مجدد را نشان مي دهد. مطابق اين شكل راندمان سيكل گرمايش مجدد كمتر از راندمان سيكل ساده است ولي به ميزان 35% قدرت خروجي بيشتر توليد مي شود.

اين سيستم در سيكل گازي در حال بهره برداري قابل اجراء نمي باشد، با توجه به افزايش سوخت مصرفي، كاهش راندمان سيكل و هزينه بالاي سرمايه گذاري آن روش مذكور در نيروگاه ها معمول نمي باشد، گرماي مجدد گازها در توربوجت ها مي تواند كاربرد داشته باشد.

*************************************

شكل (7-3) دياگرام ثر نسبت فشار و درجه حرارت ورودي توربين گاز در سيكل با گرمايش مجدد

فصل هشتم

نتيجه گيري

روش هاي بهينه سازي بازدهي و قدرت خروجي توربين گازي را مي توان بر حسب مورد به دو دسته تقسيم بندي نمود:

1- واحدهاي گازي در حال بهره برداري با تغييرات جزيي

2- واحدهاي گازي در دست برنامه ريزي و طراحي با تغييرات اساسي

ويژگي هاي متمايز اين دو نوع حالت، باعث كارايي و امكان اعمال روش هاي خاص براي هر يك مي شود. به عنوان مثال از ويژگي هاي واحدهاي در حال بهره برداري مي توان به موارد زير اشاره نمود.

- بسياري از شرايط اساسي واحد كه بستگي به اجزاء اصلي نظير توربين و كمپرسوردار دارد تعيين شده اند.

- تغييرات اساسي پرهزينه است.

- تغيير هر يك از پارامترها مي تواند بر بقيه تأثير بگذارد و بايد اين تأثيرات بررسي شوند.

- شرايط آب و هوايي، ارتفاع، نوع توربين و مكان و فضاي مورد نياز براي نصب هر سيستم بهبود و توان خروجي، محدوديت هاي را اعمال مي نمايند.

و از ويژگي هاي واحد در دست طراحي و برنامه ريزي را مي توان به شرح زير در نظر گرفت.

- شرايط اساسي و كلي واحد و نيز پارامترهاي طراحي در اختيار ماست

- هرگونه طراحي از محدوديت هايي كه در شرايط بهره برداري وجود دارد قابل بررسي و طراحي است.

روش هاي بررسي شده در فصل هاي قبلي بر روي توربين هاي گازي مختلف در سراسر دنيا نصب شده اند با توجه به موقعيت محل توربين گاز، شرايط آب و هوايي منطقه، نوع توربين، ميزان كاركرد آن و ميزان توانايي سرمايه گذاري يكي از روش هاي مذكور را انتخاب و اجرا مي گردد. برخي از اين روشها موجب افزايش قدرت و برخي ديگر موجب افزايش راندمان كلي سيكل مي شوند.

خنك كاري مياني هوا در كمپرسور باعث افزايش قدرت خروجي از توربين مي شود اما اجراي اين روش نيازمند اصلاحات بر روي كمپرسور توسط شركت سازنده مي باشد و براي توربين هاي در حال بهره برداري توصيه نمي گردد. ضمن اينكه اين سيكل راندمان كلي را كاهش مي دهد.

سرمايه گذاري اوليه براي نصب كمپرسور و خنك كن مياني، ميزان مصرف انرژي و هزينه هاي نگهداري بسيار بالا مي باشد.

روش پاشش آب به ورودي كمپرسور به طريق مه (Fog) نيز براي مناطق گرم و خشك كاربرد دارد و در مناطق با رطوبت بالا جواب نمي دهد. خنك كاري هوا فقط با نقطه اشباع آن مي تواند صورت گيرد و راندمان سيستم توليد مه در كاهش دماي هوا تا حد اشباع حدود 100% مي باشد. فضاي موردنياز براي نصب تجهيزات اين سيستم بسيار كم بوده و نيازي به تغيير ساختار اتاق فيلتر نمي باشد. زمان لازم براي نصب در حد يك الي دو روز مي باشد. مصرف آب آن كمتر از ساير روش هاي خنك كاري تبخيري و هزينه سرمايه گذاري، افت فشار در هواي ورودي در اين روش كمتر از ساير روش هاي خنك كاري مي باشد. معمولاً هزينه تمام شده كل سيستم حدود 30 دلار براي هر كيلووات توليدي مي باشد.

از ديگر روش هاي تبخيري روش مديا مي باشد. اين سيستم نيز فقط در مناطق گرم و خشك كاربرد دارد. راندمان عملكرد آن حدود 85% مي باشد. هزينه سرمايه گذاري و تعمير و نگهداري ساليانه پايين مي باشد. هزينه تمام شده كل سيستم مديا، تقريباً با هزينه تمام شده سيستم مه پاش مساوي است سيستم فوق باعث افزايش قدرت خروجي از توربين، افزايش عمر مفيد، فيلتر خشك كاهش مقدار Nox توليدي، ميراي اغتشاشات جريان مي گردد. اما در اين روش سرعت هوا هنگام عبور از سطوح مديا بايد پايين باشد. در سيستم هاي تبخيري متداول به دليل پايين بودن راندمان و كاهش زياد افت فشار هوا، هرگز حداثكر خنك كاري انجام نمي شود.

ذخيره سازي سرما با آب يا يخ از ديگر روش هاي افزايش قدرت خروجي مي باشد كه در زمان هاي پيك مورد استفاده قرار مي گيرد. اين روش در مناطق گرم كاربرد دارد و رطوبت هوا تأثيري بر عملكرد آن ندارد. مزيت اصلي اين روش استفاده از برق در زمان هاي غيرپيك و افزايش توليد برق در ساعت هاي پيك مي باشد. البته اين سيستم با توجه به اندازه تجهيزات آن، قادر است ساعت هاي محدودي خنك كاري هوا را انجام دهد. هزينه سرمايه گذاري اوليه و هزينه هاي تعمير و نگهداري آن در مقايسه با ساير سيستم ها بالا مي باشد.

استفاده از چيلر جذبي به همراه مبدل حرارتي براي افزايش قدرت خروجي (در تابستان و در ساعت هاي گرم روز كه معمولاً ساعت هاي پيك مصرف برق نيز مي باشند) استفاده مي شود.

محدوديتي براي استفاده از اين روش در مناطق مرطوب وجود ندارد. بنابراين اين سيستم در نواحي جنوبي ايران بهترين عملكرد را دارد. استفاده از چيلر جذبي به همراه بويلر بازياب حرارتي بسيار مناسب مي باشد. زيرا علاوه بر استفاده از بخار بويلر در چيلر، باقيمانده آن را مي توان جهت مصارف، نظير توليد آب شيرين، توليد سرمايشي سردخانه و... استفاده نمود البته هزينه سرمايه گذاري اوليه و هزينه هاي تعمير و نگهداري آن پايين تر از سيستم ذخيره سازي سرما و بالاتر از روش هاي تبخيري مي باشد.

روش تزريق آب داغ به داخل كمپرسور با تبديل فرآيند آدياباتيك صورت گرفته در كمپرسور به فرآيند شبه دما ثابت (Quasi-isothermal) مقداري انرژي هدر رفته در كمپرسور را كاهش مي دهد. اين روش باعث افزايش راندمان سيكل و قدرت خروجي از توربين مي گردد.

محدوديتي براي استفاده از سيستم فوق در شرايط آب و هوايي متفاوت وجود ندارد. هزينه سرمايه گذاري آن در مقايسه با افزايش قدرت خروجي از توربين مناسب مي باشد. از مسائل اساسي اين سيستم اين است كه قطرات آب بايد از كيفيت بسيار بالايي برخوردار بوده و بسيار ريز باشند. به طوري كه در كمتر از 10 ميلي ثانيه تبخير شوند البته مشكل فوق امروزه با استفاده از نازلهاي چرخشي تا حدودي رفع شده است، با استفاده از اين روش ميزان Nox توليدي حدود 40% كاهش مي يابد.

سيستم تزريق بخار به محفظه احتراق براي افزايش راندمان و قدرت خروجي از توربين استفاده مي شود. با اعمال اين روش توليد اكسيدهاي نيتروژن بسيار پايين مي آيد. تجهيزات آن فضاي بسيار كمي را اشغال مي كنند. عملكرد سيستم به شرايط و عوامل محيطي وابسته نمي باشد. هزينه تبديل سيكل ساده توربين گاز ساده به سيكل تتوربين گاز با تزريق بخار نسبتاً پايين بوده و حدود صد دلار براي هر كيلووات افزايش يافته مي باشد. اما براي اجراي طرح بايد فضاي عبوري از توربين با اصلاح پره ها افزايش يابد. هدر رفتن بخار تزريقي يكي از معايب آن مي باشد كه در سيستم هاي جديد اين مشكل با بازياب آب برطرف شده است وليكن هزينه سيستم كامل با بازياب آب نسبتاً بالا مي باشد.

تركيب سرمايش تبخيري با استفاده از آب سرد چيلر انژكتوري براي افزايش قدرت خروجي و راندمان مي شود و در تابستان به اختلاف دماي بسيار مطلوبي دست مي يابيم در اين روش نيز بايد توجه داشت كه گرد و غبار موجود در هوا كه جذب آب مي شود بايد همواره از درون سيكل خارج شود و به نظر مي رسد چنانچه از تركيب دو سيستم سرمايش تبخيري توسط آب سرد خروجي از چيلر انژكتوري استفاده نماييم بسيار مناسب مي باشد و مي توانيم به نحوه مطلوبي راندمان توربين گاز را افزايش دهيم بدون آنكه افت فشاري بر روي هواي ورودي ايجاد نماييم.

جهت هاي بخار (انژكتورها) با توجه به اينكه قطعات مكانيكي گردان ندارد از عمر بالايي برخودار خواهند بود و نيز از لحاظ زيست محيطي چون بخار آب داراي كمترين آلودگي مي باشد لذا جهت حفظ محيط زيست بسيار مناسب مي باشد.

هزينه سرمايه گذاري و تعمير و نگهداري آن نسبت به ساير روش هاي خنك كنندگي چيلري كمتر بوده ولي نياز به بخار كافي مي باشد كه مورد استفاده در واحدهاي نيروگاهي سيكل تركيبي را ملزم مي نمايد.

يكي از راه هاي افزايش راندمان سيكل هاي گازي استفاده از حرارت گازهاي خروجي آن مي باشد اين حرارت را با گرم كردن هواي خروجي از كمپرسور يا توليد بخار در يك بويلر، بازياب نمود. گرمايش هواي خروجي از كمپرسور به دليل پايين بودن ضريب انتقال حرارت از يك گاز به يك گاز ديگر، افت فشار هوا در مبدل حرارتي و عدم استفاده از كل انرژي دود خروجي رايج نمي باشد.

استفاده از بويلر بازياب در سيكل هاي تركيبي بسيار معمول مي باشد. بخار توليدي مي تواند در يك توربين بخار استفاده گردد با اين كار راندمان سيكل حاصل حداكثر تا 45% خواهد بود. بويلر بازياب مي تواند در كنار ساير سيستم هاي افزايش قدرت و توان نظير ذخيره سازي سرما، چيلر جذبي، تزريق بخار به كمپرسور و محفظه احتراق استفاده شود. بخار را مي توان براي ساير كاربردهاي صنعتي به كار برد، با توليد همزمان برق و حرارت (Cogemeration) و يا توليد همزمان برق و حرارت و سرما (Trigeneration) راندمان كل مجموعه توربين گازي و سيستم بازيافت بسيار بالا خواهد بود. اين راندمان حدود 70% تا 90% مي باشد.

براي افزايش قدرت خروجي از توربين روش گرمايشي مجدد وجود دارد. در سيكل گازي با گرم كردن مجدد گازها پس از خارج شدن از توربين اول در يك اتاق احتراق با سوخت تركيب و سوزانده مي شود و سپس وارد توربين دوم مي شوند. در اين سيستم به صورت دوطبقه مي باشد.

راندمان سيكل گرمايش مجدد كمتر از راندمان سيكل ساده است ولي حدود 35% قدرت خروجي بيشتر توليد مي شود. ميزان سوخت نيز افزايش مي يابد. هزينه سرمايه گذاري آن بالا بوده و براي توربين هاي در حال بهره برداري قابل اجرا نمي باشد. بنابراين سيستم فوق براي افزاي قدرت واحدهاي گازي نيروگاه ها توصيه نمي شود.

براي افزايش قدرت و راندمان سيكل هاي تركيبي (Combined cycle) از سيستم هاي فوق نيز مي توان استفاده نمود وليكن بايد به اين نكته توجه نمود كه عموماً ميزان افزايش قدرت خروجي و راندمان در اين نوع نيروگاه ها در مقايسه با سيكل توربين گازي ساده كمي كمتر خواهد بود.

مراجع

1- مهندس مهدي گلزاري اسكويي، توربين هاي گازي

2- محمد محمد الوكيل، ترجمه كاظم سرابچي، نيروگاه هاي حرارتي

3- دكتر عامري، افزايش راندمان توربين گازي با كاهش دماي هوا

4- كوروش مختصر، اماكن سنجي افزايش قدرت خروجي توربين گازي با استفاده از خنك كردن هواي ورودي با استفاده از ذخيره سازي سرما، پايان نامه كارشناسي ارشد، دانشگاه صنعت آب و برق 1380

5- دكتر علوي، افزايش راندمان توربين گازي با سرد كردن هواي ورودي به كمپرسور و احياء آب محصولات احتراق خروجي از دودكش

6- احمد اكبري رحيم آبادي، مهدي صادق قلعه بالا، افزايش توان توليدي توربين هاي گازي نوشان و چابهار با استفاده از سيستم چيلر جذبي، پايان نامه كارشناسي، دانشكده صنعت آب و برق، 1381

7- عليرضا افراد، ابراهيم محمدي، بررسي افزايش قدرت و راندمان توربين گازي سري GE-F5 نيروگاه مشهد با تزريق بخار، پايان نامه كارشناسي، دانشكده صنعت آب و برق

8- نخستين همايش علمي تخصصي افزايش قدرت خروجي توربين هاي گازي دفتر بهينه سازي مصرف انرژي وزارت نيرو، شركت سهامي خدمات مهندسي برق، مشاهير، تهران خرداد 1381

 

منبع : سايت علمی و پژوهشي آسمان--صفحه اینستاگرام ما را دنبال کنید
اين مطلب در تاريخ: چهارشنبه 13 اسفند 1393 ساعت: 9:19 منتشر شده است
برچسب ها : تحقیق درباره توربين گاز,تاريخچه توربين گاز,نقش توربين گاز در صنعت برق,