تئوری سرمایش هوای ورودی توربین گاز

تئوری سرمایش هوای ورودی توربین گاز    (واحد تحقیق و توسعه شرکت رهاورد انرژی)

در بررسی عملکرد توربین های گاز دو اصل مهم بایستی همواره مد نظر قرار گیرد:
  • توان تولیدی توربین های گاز تابعی از گذر جرمی هوای مصرفی آنها می باشد.
  • بدلیل وجود جریان صوتی  و عدد ماخ یک در نازل های توربین و ایجاد شرایط خفگی جریان، گذر حجـمی هـوای ورودی به توربین همواره دارای مـقداری تقریباً ثابت می باشد.
بررسی تاثیر دما و فشار هوای ورودی بر روی عملکرد توربین های گاز با استفاده از معادله حالت گاز کامل بسادگی میسر می باشد.

در معادله فوق:
P    :           فشار   (Pa)
V   :           حجم  (m3)
m   :           جرم  (kg)
R    :           ثابت گاز  (kJ/kg.K)
T    :           دما  (K)
معادله (۲-۲) نشاندهنده فرم تغییر یافته معادله (۲-۱) جهت بررسی اثرات دما و فشار بر عملکرد توربین های گاز می باشد.

در معادله فوق مقدار گذر حجمی هوای ورودی به علت جریان صوتی موجود در نازل های توربین ثابت می باشد، بنابراین همانطور که مشاهده می شود، گذر جرمی هوای عبوری از توربین با فشار دارای نسبت مستقیم و با دما دارای نسبت عکس می باشد. از سوی دیگر فشار هوای اتمسفر با ارتفاع از سطح دریا نسبت عکس دارد.
با جمع بندی موارد فوق الذکر می توان اذعان داشت که قابلیت تولید توان توربین گاز با افزایش ارتفاع از سطح دریا و افزایش دمای هوا دچار کاهش می شود.

 

شکل ۱:  نمودار عملکرد کمپرسور و توربین

 

در شکل (۱) نمودار شماتیک عملکرد کمپرسور مشاهده می شود. در نمودار مذکور محور افقی گذر جرمی تصحیح شده هوا (بر اساس دما و فشار هوای ورودی به کمپرسور) و محور عمودی نسبت فشار کمپرسور می باشد. منحنی های موجود در شکل نیز نشاندهنده سرعت دورانی تصحیح شده محور توربین (بر اساس دمای هوای ورودی به کمپرسور) می باشند.

شکل ۲ : شماره گذاری نقاط مختلف سیکل برایتون

نقاط شماره ۱ تا ۴ به ترتیب به ورودی کمپرسور، خروجی کمپرسور، ورودی توربین و خروجی توربین اختصاص دارند. نقطه کاری سیستم پیش از به مدار آمدن سیستم سرمایش هوای ورودی به رنگ قرمز نشان داده شده است. با کاهش یافتن دمای هوای ورودی (T) ، با توجه به ثابت ماندن سرعت دورانی کمپرسور مقدار سرعت دورانی تصحیح شده افزایش می یابد، بنابراین نقطه کاری کمپرسور به منحنی سرعت تصحیح شده بزرگتر منتقل می شود. همانطور که در معادله (۲-۲) مشاهده شد گذر جرمی هوای ورودی به کمپرسور با دمای هوا نسبت عکس دارد. بنابراین با کاهش یافتن دمای هوا مقدار گذر جرمی هوا افزایش می یابد و با توجه به اینکه گذر جرمی تصحیح شده متناسب با گذر جرمی هوا و جذر دما می باشد، اثر خالص کاهش دما، افزایش گذر جرمی تصحیح شده و انتقال نقطه کاری روی نمودار کمپرسور به سمت راست خواهد بود. از طرف دیگر با توجه به نمودار عملکرد توربین، از آنجا که توربین در بخش اعظم گستره کاری خود در شرایط Choke قرار دارد، مقدار گذر جرمی تصحیح شده توربین دارای مقداری ثابت خواهد بود و تغییر نقطه کاری فقط در امتداد بخش عمودی نمودار صورت می گیرد. با توجه به اینکه دمای ورودی توربین (T3) دارای مقداری ثابت می باشد، با توجه به ثابت بودن مقدار گذر جرمی تصحیح شده، با افزایش یافتن گذر جرمی، فشار ورودی توربین نیز افزایش خواهد یافت. بنابراین با توجه به اینکه فشار خروجی توربین همواره دارای مقداری ثابت است، نسبت فشار توربین نیز افزایش خواهد یافت و نقطه کاری روی نمودار توربین به سمت بالا جابجا خواهد شد. با افزایش یافتن فشار ورودی توربین (P3) فشار خروجی کمپرسور (P2) نیز افزایش خواهد یافت و در نتیجه نقطه کاری روی نمودار کمپرسور به سمت بالا نیز حرکت خواهد کرد.

شکل ۳  : تاثیر سیستم سرمایش هوای ورودی بر روی سیکل برایتون

در شکل (۳) اثرات سیستم سرمایش هوای ورودی بر روی نمودار دما – آنتروپی قابل مــشـاهـده مـــــی باشد. در شکل مذکور نقطه (۱) نشاندهنده وروی کمپرسور، نقطه (۲) نشاندهنده شرایط خروجی کمپرسور، نقطه (۳) نشاندهنده شرایط ورودی توربین و نقطه (۴) نشاندهنده شرایط خروجی توربین میباشد. در شکل مذکور سیکل کاری عادی توربین گاز با رنگ قرمز و سیکل کاری با سرمایش هوای ورودی با رنگ آبی نشان داده شده است. همانطور که مشاهده می شود، با کاهش یافتن دمای هوای ورودی، نقطـــه (۱) مـی بایست در امتداد خط فشار ثابت به سمت پایین (و چپ جابجا شود). با توجه به اینکه در اثر خنک شدن هوای ورودی نسبت فشار کمپرسور افزایش می یابد، شرایط خروجی کمپرسور به منحنی فشار بالاتری منتقل خواهد شد. پس از طی فرآیند احتراق دمای دود ورودی به توربین به همان مقدار سابق خواهد رسید، با این تفاوت که فشار ورودی توربین قدری بیشتر از مقدار سابق خواهد بود. با توجه به شکل مذکور واضح است که با خنک کردن هوای ورودی به کمپرسور، توان تولیدی به اندازه مساحت بخش های سبز رنگ افزایش و به اندازه مساحت بخش نارنجی رنگ کاهش خواهد داشت که با توجه به غالب بودن بخش های سبز رنگ، افزایش توان خالص حاصله مثبت خواهد بود.
واحد تحقیق و توسعه- شرکت رهاورد انرژی
دانلود فایل مقاله بصورت pdf
مقالات مرتبط:
بررسی تاثير رطوبت توليدی سيستم مدیا بر عملكرد فيلترهای هوای ورودی توربین  

 

مطالب مرتبط