یکی از راهکارهای بالا بردن توان تولیدی سیکل توربین‌های گازی، کاهش کار مصرفی کمپرسور آن است. بدین منظور تا کنون روش‌های متعددی پیشنهاد شده است. تراکم مرطوب یکی از ساده ترین و مؤثرترین روش‌های افزایش توان سیکل توربین‌های گازی است که علاوه بر نیاز به سرمایه گذاری اولیه کم، عملکرد آن تا حدودی از شرایط محیطی مستقل است اما نیاز به بررسی دقیقتری نسبت به سایر روش‌ها دارد. در مطالعه حاضر بدون توجه به آثار آیرودینامیکی تزریق آب به کمپرسور، این جریان دوفازی بررسی و با در نظر گرفتن شرایط واقعی و فرض‌های معقول برای تبخیر یعنی شرایط تبخیر غیر ایده‌ال، آثار نرخ تراکم، قطر اولیه قطرات و میزان آب تزریق شده بررسی و با حالت تبخیر ایده‌آل مقایسه می‌شود.
واژه‌های کلیدی: تراکم مرطوب- کمپرسور- پاشش- تزریق مِه- توربین گاز
یکی از موثرترین راه‌های افزایش توان خروجی سیکل توربین گازی، کاهش مقدار کار تراکم کمپرسور آن میباشد؛ چرا که کمپرسور، تقریباً 2/1 تا 3/2 کار تولیدی به وسیله‌ی توربین را مصرف می‌کند[1]. میزان کار مصرفی کمپرسور با افزایش دمای هوای ورودی به آن افزایش می‌یابد[2]. افزایش دما از یک جهت دیگر هم می‌تواند باعث افت توان تولیدی توسط سیکل توربین گازی گردد؛ در دور ثابت (که توسط فرکانس برق تولیدی دیکته می‌شود)، دبی حجمی هوای تقریباً ثابتی در کمپرسور جریان دارد. افزایش دمای هوای ورودی که با کاهش چگالی هوا همراه است، باعث جریان جرمی کمتر سیال کاری در واحد زمان در داخل سیکل می‌شود و این منجر یه تولید توان کمتر می‌گردد. لذا به نظر می‌رسد که خنک‌کاری هوای ورودی روش مناسبی برای غلبه بر مشکل کاهش توان در فصول گرم باشد.
در طول زمان، روش‌های متفاوتی برای خنک‌کاری هوای ورودی بکار گرفته شده‌اند که می‌توان آنها را به روش‌های مستقیم و غیرمستقیم تقسیم‌بندی کرد. در روش‌های مستقیم، سیال خنک‌کن (که عمدتاً آب است)، با جریان هوای ورودی مخلوط شده، با تبخیر در آن و گرفتن گرمای نهان تبخیر مورد نیاز از جریان هوا، باعث خنک‌کاری آن می‌گردد. این روش، به سرمایه گذاری اولیه کمی نیاز دارد ولی برای بکارگیری آن در شرایط آب و هوایی متفاوت محدودیت وجود دارد چرا که حد اقل دمایی که هوا پس از خنک‌کاری در ورودی کمپرسور می‌تواند به آن برسد، دمای حبابِ تر هوا در آن شرایط است. لذا اگر رطوبت هوای ورودی زیاد باشد، علیرغم زیاد بودن دمای آن، بکار گیری روش مستقیم مقرون به صرفه نخواهد بود.
از طرف دیگر، خنک‌کاری غیر مستقیم، به شرایط هوای محیط وابسته نبوده و می‌توان دمای هوا را صرف‌نظر از شرایط ورودی به حد دلخواه نزدیک کرد. در این روش، سیال خنک‌کن با جریان هوای ورودی مخلوط نمی‌شود. خنک‌کاری ورودی را می‌توان به طور ساده با نصب یک سیستم تبرید صنعتی در مسیر هوای ورودی سیکل انجام داد. شایان ذکر است که نصب این تجهیزات مستلزم سرمایه گذاری اولیه زیاد است و پیچیدگی سیستم را بالا می‌برد.
تراکم مرطوب به عنوان گزینه‌ای که مزیت‌های هر دو سیستم را دارا میباشد، یکی از بهترین و جدیدترین روش‌های به کار گرفته شده میباشد. با این توضیح که اگر قطرات تولید شده بوسیله افشانه‌ها به درون کمپرسور راه یابند، از آنجایی که با تراکم هوا در داخل کمپرسور دمای آن نیز بالا می‌رود، ظرفیت آن برای تبخیر مقدار بیشتری آب در داخل آن بالا رفته و قطرات ضمن تبخیر در داخل کمپرسور، باعث خنک‌کاری هوا می‌گردند و این وابستگی این سیستم را به شرایط ورودی کاهش می‌دهد. در عین حال که همچون روش‌های مستقیم به سرمایه گذاری اولیه زیادی نیاز ندارد.
در کل مزیت‌های این سیستم به موارد بالا محدود نشده و می‌توان آنها را بطور خلاصه این گونه بیان کرد:
- افزایش دبی جرمی هوای ورودی
همانطور که گفته شد کاهش دمای ناشی از تبخیر قطرات، چگالی هوا را بالا برده دبی جرمی سیال کاری افزوده می‌شود، از طرفی جرم خود آب اضافه شده، (که معمولاً تا %2 جرم هوای ورودی است) به جرم سیال کاری اضافه می‌شود. در نهایت از آنجایی که دمای هوای ورودی به محفظه احتراق کاهش یافته است، مقدار بیشتری سوخت نیاز خواهد بود تا دمای ورودی به توربین، (که حد بالای آن توسط جنس پره‌ها تعیین می‌شود) ثابت باشد. این سوخت اضافی با جریان یافتن در داخل توربین باعث تولید مقدار بیشتری توان خواهد شد.
- کاهش کار کمپرسور
کار مصرفی کمپرسور به دو روش کاهش می‌یابد: یکی از طریق کاهش دمای هوای ورودی به آن و دیگری از طریق خنک‌کاری میانی و نزدیک کردن فرایند داخل کمپرسور به فرایند همدما که یکی از فرایندهای ایده‌آل برای تراکم کمپرسور توربین‌های گازی است[2].
- بهبود ظرفیت گرمایی ویژه ترکیب سیال کاری
از آنجایی که ظرفیت گرمایی بخار آب از ظرفیت گرمایی هوا بیشتر است با تزریق آب به آن، ظرفیت گرمایی کل مخلوط بالا می‌رود.
- افزایش عمر اجزای داغ
اگر قرار است حجم خاصی از هوای داخل کمپرسور برای خنک‌کاری پره‌های توربین زیرکش شود، این هوا به واسطه داشتن چگالی بیشتر، جرم و البته خواص انتقال حرارتی بیشتر داشته و این باعث خنک‌کاری بهتر می‌شود.
- کاهش تولید Nox در محفظه احتراق
هم از طریق کاهش دمای هوای خروجی از کمپرسور و کاهش تولید Nox های حرارتی و هم به دلیل مرطوب شدن هوا.
- شست و شوی پره‌های کمپرسور به وسیله آب تزریق شده قبل از تبخیر قطرات
- بهبود ناپایداری‌های سیستم
نتایج بررسی‌ها نشان داده است که تراکم مرطوب علاوه بر افزایش توان خروجی و بازده، ناپایداری‌های سیستم را نیز بهبود می‌بخشد[3] و [4]. در سال‌های اخیر پژوهشگران متعددی به بررسی موضوع تراکم مرطوب در کمپرسور پرداخته‌اند. بارگاوا[5] و همکارانش در سال 2003 با بکارگیری ضریبی به نام ضریب تأخیر، مدل ساده شده‌ای از تراکم مرطوب ارائه دادند. در این مدل‌سازی، کمپرسور به صورت بی دررو در نظر گرفته شده بود. در گزارش آنان اینگونه فرض شده که فاز مایع بدون تبخیر در طول کمپرسور تا آنجا پیش می‌رود تا دما به حدی برسد که شرایط برای تبخیرِ یکباره همه قطرات، بطور همزمان فراهم شود، لذا هیچگونه مدل‌سازی برای تبخیر قطرات در طول کمپرسور انجام نشده است. در این بررسی فشاری که در آن تبخیر اتفاق می‌افتد، فشار تبخیر نامیده شده و استدلال شده از آنجایی که تغییر در قطر اولیه‌ی قطرات باعث تغییر مقدار این فشار خواهد شد، بجا است که ضریبی به نام ضریب تأخیر در نظر گرفته شود.
کارلس هرتل [6] در سال 2003 یک مدل‌سازی ترمودینامیکی تراکم مرطوب را با در نظرگیری بازده پلی‌تروپیک کمپرسور انجام داد. این مدل بر مبنای تبخیر کاملاً ایده‌آل قطرات آب انجام گرفته و در آن فرض می‌شود قطرات آب در هر زمان فرصت این را می‌یابند تا هوا را در حالت کاملاً اشباع نگه دارند. بدیهی است که این مدل کاملاً فرضی بوده و برای بدست آوردن حداکثر کاهش کاری که از تبخیر قطرات در داخل کمپرسور عاید می‌شود به کار می‌رود.
ژنگ و همکارانش [7] در سال 2002 بازده تراکم مرطوب را تعریف کردند و آثار نرخ تبخیر، ابعاد قطره، شکست قطره بر اثر گرادیان فشار موجود در کمپرسور و ... را بررسی کردند. در این کار فرایند تبخیر در دو حالت ایده‌آل (آیزنتروپیک) و واقعی مدل‌سازی شده است. در اینجا نسبت تغییرات میزان بخار آب موجود در هوا به تغییرات دما در طول کمپرسور،dW/dT، بصورت یک متغیر مستقل معرفی شده و با ثابت در نظر گرفتن آن به مدل‌سازی فرایند تبخیر در طول کمپرسور پرداخته شده است. اگر چه با تغییر این پارامتر به نوعی نرخ تبخیرهای متفاوت با زمان در کمپرسور مدل می‌شوند، اما دو مسئله در اینجا قابل طرح کردن است؛ یکی اینکه چه ایده‌ای پشتوانه‌ی ثابت فرض کردن این پارامتر در طول کمپرسور است و دیگر اینکه خود این میزان تبخیر می‌تواند متأثر از متغیرهای مستقل دیگری همچون قطر اولیه‌ی قطرات و نرخ تراکم در طول کمپرسور باشد. لذا به نظر می‌رسد با فرض این متغیرها بعنوان متغیر مستقل بتوان به مدل‌سازی دقیقتری از فرایند دست یافت.
در کارهایی که وانگ [8] در سال 2002 روی کمپرسور سانتریفیوژ دو مرحله‌ای توربین گاز SIA-02 انجام داد و مطالعه‌ی لی و ژنگ [9] در سال 2004 ، تراکم مرطوب علاوه بر افزایش توان خروجی و بازده، ناپایداری‌های سِرج[1] و استال[2] سیستم را نیز بهبود می‌بخشد.
همانگونه که در این مرور اجمالی مشاهده می‌شود، تا کنون مدل‌سازی مدونی با در نظر گرفتن سرعت افزایش فشار به عنوان متغیر مستقل انجام نشده است. این در حالی است که سرعت محوری ثابت در طول کمپرسور، یکی از معیارهای طراحی متداول است که با توجه به آن می توان به رابطه‌ای برای افزایش فشار با زمان رسید. از طرفی بررسی میزان تبخیر قطره بر مبنای معادلات کلی حاکم بر آن به صورت دقیق انجام نگرفته است. در پژوهش حاضر سعی بر آن است تا ضمن اعمال برخی فرض‌های معقول و منطقی، یک چنین مدلسازیی صورت گیرد.
شامل 12 صفحه فایل word قابل ویرایش
دانلود تحقیق بررسی اثر تراکم مرطوب بر کار مصرفی کمپرسور توربین‌های گازی
