Investigating the transient performance of the combined cycle and steam injected gas turbine during frequency dips

Transcript

1 6 مجله صص 8- ماهنامه علمی پژوهشی مهندسی مکانیک مدرس mme.modares.a.ir بررسی عملکرد گذراي سیکل ترکیبی و توربین گازي با تزریق بخار در زمان افت فرکانس 4 * علی غفاري سعید بهرامی سید حسین ساداتی مارکوس ترن - استاد دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی تهران - دانشجوي دکترا دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی تهران - استادیار دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی تهران 4- دانشیار دانشکده علوم انرژي دانشگاه لوند لوند * تهران ghaffari@knu.a.ir اطلاعات مقاله مقاله پژوهشی کامل دریافت: آذر 9 پذیرش: 06 اسفند 9 اراي ه در سایت: 08 شهریور 9 کلید واژگان: توربین گازي تک محوره سیکل ترکیبی توربین گازي با تزریق بخار کنترل فرکانس چکیده توربین گازي تک محوره و سیکلهاي وابسته به آن به افت فرکانس حساس بوده و تغییر بار ناگهانی و یا افت فرکانسهاي شدید میتواند منجر به ناپایداري آنها شود. علت این پدیده به کاهش دبی هواي عبوري از توربین گازي با کاهش سرعت دورانی آن و در نتیجه تداخل میان حلقه- هاي کنترل کننده دما و گاورنر باز میگردد. این تداخل مانع از افزایش توان توربین و در نتیجه ناپایداري آن میشود. در این مقاله عملکرد سیکل ترکیبی و توربین گازي با تزریق بخار سیکل استیگ) که از مهمترین سیکلهاي تولید توان بر پایه توربین گازي میباشند در زمان افت فرکانس و مانورهاي گذرا مورد بررسی قرار گرفته است. براي این منظور دو واحد مشابه بر اساس این دو سیکل توسعه داده شده است و عملکرد آنها در سناریوهاي مختلف مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. نتایج شبیه سازيها نشان میدهد که توربین گازي با تزریق بخار از عملکرد بهتري نسبت به سیکل ترکیبی در زمان افت فرکانس برخوردار است و میتواند تغییر بارهاي ناگهانی بزرگتري را تحمل نماید. این عملکرد بهتر توربین گازي با تزریق بخار در برخی از نقاط کاري دو برابر بهتر از سیکل ترکیبی مشابه است. Invesigaing he ransien performane of he ombined yle and seam injeed gas urbine during frequeny dips Ali Ghaffari *, Saeed Bahrami, Seyed Hossein Sadai, Marus Thern - Deparmen of Mehanial Engineering, K. N. Toosi Universiy of Tehnology, Tehran, Iran - Deparmen of Energy Siene, Lund Universiy, Lund, Sweden * P.O.B Tehran, Iran, ghaffari@knu.a.ir ARTICLE INFORMATION Original Researh Paper Reeived 4 Deember 0 Aeped 5 February 04 Available Online 0 Augus 04 Keywords: Single shaf gas urbine Combined-yle Seam injeed gas urbine Frequeny onrol ABSTRACT Single shaf gas urbine and he yles based on i are sensiive o frequeny drops and sudden hange loads or large frequeny dips migh affe heir sabiliy. This phenomenon is relaed o reduion of air mass flow rae hrough he gas urbine during frequeny dips, whih migh lead o ineraion beween he governor and emperaure onrol loop. This ineraion will preven he gas urbine from being loaded furher and migh affe is sabiliy. In his paper, he performane of he wo well-known power generaion yles based on he gas urbine -ombined yle and seam injeed gas urbine STIG yle)- are invesigaed during frequeny dips and ransien maneuvers. For his purpose, wo similar unis are developed based on hese yles and heir performane are sudied and ompared in differen senarios. The simulaion resuls show ha he seam injeed gas urbine has a beer performane during frequeny drops and i an handle larger sep hange loads. This superior performane of he seam injeed gas urbine uni is almos wie as good as he similar ombined yle uni in some of he operaing ondiions. - مقدمه افزایش بازده کارایی و قابلیت اطمینان توربین گازي در دو دهه اخیر سبب گردیده که شاهد سیر صعودي استفاده از سیکلهاي تولید توان بر پایه توربین گازي در شبکه برق کشورهاي مختلف باشیم. رفتار توربین گازي در زمان افت فرکانس شبکه با عملکرد سایر تولیدکننده رایج در شبکههاي برق نظیر توربین بخار و آبی متفاوت است. علت این تفاوت به این نکته بازمیگردد که توان تولیدي توربین گازي به سرعت دورانی آن وابسته بوده و با کاهش فرکانس شبکه توان تولیدي توربین گازي نیز کاهش مییابد. این کاهش توان تولیدي میتواند سبب کاهش بیشتر فرکانس شبکه و نهایتا منجر به ناپایداري آن شود []. این مسي له در زمان استفاده از توربین گازي به صورت جزیرهاي و یا در شبکههاي هوشمند با ظرفیت بالاي انرژي تجدید پذیر داراي اهمیت بیشتري است. زیرا در این شبکهها هیچگونه کنترلی بر روي میزان توان تولیدي واحدهاي خورشیدي و یا بادي وجود ندارد و کنترل فرکانس در این شبکهها بر عهده واحدهاي بر پایه سوختهاي فسیلی است []. به همین Please ie his arile using: براي ارجاع به این مقاله از عبارت ذیل استفاده نمایید: A. Ghaffari, S. Bahrami, S.H. Sadai, M. Thern, Invesigaing he ransien performane of he ombined yle and seam injeed gas urbine during frequeny dips, Modares Mehanial Engineering, Vol. 4, No. 8, pp. 8-6, 04 In Persian)

2 ب بررسی عملکرد گذراي سیکل ترکیبی و توربین گازي با تزریق بخار در زمان افت فرکانس دلیل حساسیت عملکرد توربین گازي و سیکلهاي وابسته به آن به افت فرکانس میتواند کنترل فرکانس در این شبکهها را با مشکل مواجه نماید. در نتیجه تحلیل رفتار توربین گازي و سیکلهاي وابسته به آن در زمان افت فرکانس از اهمیت ویژهاي برخوردار است. اگرچه عملکرد توربین گازي در زمان افت فرکانس در برخی از مراجع مورد بررسی قرار گرفته است [4 ] اما عملکرد سیکلهاي بر پایه توربین گازي کمتر مورد توجه محققین قرار گرفته و نیازمند پژوهش بیشتري است. توربینهاي گازي تک محوره به علت سادگی قیمت پایینتر و بازیابی بهتر انرژي اگزوز کاربرد بیشتري در واحدهاي تولید توان دارند. در توربینهاي گازي تک محوره کمپرسور توربین و ژنراتور بر روي یک محور قرار دارند و در نتیجه با کاهش فرکانس شبکه سرعت دورانی توربین و کمپرسور نیز کاهش مییابد. این کاهش سرعت سبب میگردد که دبی هواي عبوري از توربین گازي کاهش یابد و در نتیجه مقدار سوخت قابل تزریق به محفظه احتراق براي حفاظت قطعات توربین از دماي بالا محدود خواهد شد. این در حالی است که براي بازیابی فرکانس اضافه سوخت بیشتري باید به محفظه احتراق وارد شود و محدودیت در مقدار سوخت قابل تزریق به محفظه احتراق میتواند سبب افت بیشتر فرکانس و ناپایداري توربین گردد. این مسي له در بارهاي نزدیک به حالت تمام بار به علت بالا بودن دماي کاري قطعات توربین و یا در تغییر بار ناگهانی توربین به علت نیاز به تزریق مقدار زیادي اضافه سوخت به محفظه احتراق از اهمیت بیشتري برخوردار است [6 5]. اساس کار توربین گازي سیکل برایتون است که بازده آن به تنهایی پایین است. سیکلهاي متعددي به منظور بهبود عملکرد و بازده توربین گازي در تولید توان اراي ه شدهاند. از مهمترین این سیکلها که به صورت تجاري موجود میباشند میتوان به سیکل ترکیبی و توربین گازي با تزریق بخار نظیر سیکل مرطوب استیگ اشاره کرد. ایده اصلی این سیکلها بازیابی انرژي هدررفته از اگزوز توربین گازي است. در سیکل ترکیبی انرژي اگزوز در بویلر بازیاب به بخار آب منتقل شده و سپس این انرژي در توربین بخار به انرژي الکتریکی تبدیل میشود. اما در سیکل مرطوب استیگ بخار تولیدشده در بویلر بازیاب به درون محفظه احتراق توربین گازي تزریق میگردد و سبب افزایش بازده و توان تولیدي توربین گازي میشود شکل ). ویژگیهاي مختلف عملکردي سیکل ترکیبی و سیکل مرطوب در منابع مختلف مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است [9-7]. براي مثال سیکل ترکیبی داراي بازده بالاتري نسبت به سیکلهاي مرطوب است اما در عوض سیکل استیگ نیاز به سرمایهگذاري کمتري دارد و سادهتر است. عملکرد این سیکلها در زمان افت فرکانس شبکه کمتر مورد توجه محققین قرار گرفته است و نیاز به بررسی و توجه بیشتري دارد. این موضوع از آن جهت حاي ز اهمیت است که این اطلاعات به بهرهبرداران کمک خواهد کرد که با توجه به تغییرات فرکانس مورد انتظار از شبکه نسبت به خرید و نصب واحدهاي مناسب که پاسخ گوي نیازهاي آنها باشد اقدام نمایند. در مقاله حاضر رفتار گذراي سیکل ترکیبی و سیکل مرطوب استیگ در زمان افت فرکانس شبکه مورد مقایسه و بررسی قرار گرفته است. براي این منظور دو واحد با توان تولیدي برابر بر اساس سیکل ترکیبی و سیکل مرطوب استیگ انتخاب شدهاند و رفتار آنها در سناریوهاي مختلف در زمان افت فرکانس مورد بررسی قرار گرفته است. تمامی شبیهسازيها در حالت بهرهبرداري جزیرهاي از این سیکلها انجام شده است که دشوارترین حالت براي کنترل فرکانس در یک شبکه برق است. فلا شکل دایاگرام شماتیک سیکل ترکیبی تزریق بخار) ب) الف و سیکل مرطوب استیگ توربین با شکل دیاگرام کنترلی توربین گازي در حالت جزیرهاي - کنترلکننده توربین گازي توربینهاي گازي معمولا به کنترلکنندههاي نسبتا پیچیدهاي مجهز میباشند که شامل حلقههاي مختلف کنترلی نظیر گاورنر کنترلکننده دما کنترلکننده شتاب و غیره است [0]. رفتار توربین گازي در زمان افت فرکانس به حلقههاي کنترل دما و گاورنر وابسته است و به همین دلیل فقط این دو حلقه کنترلی در این قسمت مرور خواهند شد. گاورنر معمولا حلقه اصلی کنترلکنندهي توربینگاز در زمان عملکرد عادي آن است. این حلقه کنترلی مقدار سوخت ورودي به محفظه احتراق را به گونهاي تنظیم میکند که توربینگازي بتواند توان و فرکانس مورد نظر شبکه و یا کاربر را تا مین - Governor - STIG Seam Injeed Gas Turbine) - Hea Reovery Seam Generaor HRSG) 9

3 نماید. از طرف دیگر براي بازیابی بهتر انرژي موجود در گازهاي خروجی اگزوز دماي این گازها باید در بالاترین حد ممکن نگه داشته شود. به همین منظور الگوریتم کنترل دما پرههاي ردیف اول کمپرسوريا جیويها را در حالت نیمه بار میبندد و با کاهش دبی هواي عبوري از توربین دماي اگزوز را تا جایی که امکان دارد بالا نگه میدارد. همچنین براي افزایش عمر مفید اجزا مختلف توربین دماي این قطعات باید در تمام نقاط کاري در محدوده طراحی آنها قرار گیرد. براي این منظور الگوریتم کنترل دما مقدار سوخت قابل تزریق به درون محفظه احتراق را محدود مینماید تا از آسیب به قطعات توربین بر اثر دماي بالا جلوگیري نماید. این حلقه کنترلی معمولا در زمان عادي عملکرد توربین غیرفعال است و تنها در زمان تغییر بار ناگهانی توربین و یا تغییر بار در نزدیکی حالت تمام بار فعال میگردد و با محدود کردن سوخت ورودي به محفظه احتراق مانع از افزایش بار توربین میگردد. شکل شماتیک مدار کنترلی توربین گازي در شکل آمده است. این ساختار کنترلی در اکثر مواقع از عملکرد مطلوبی برخوردار است و تنها در زمان بارگذاري سریع توربین ممکن است نتواند فرکانس را به خوبی کنترل نماید و سبب ناپایداري توربین شود. علت این مسي له را میتوان اینگونه توضیح داد. با افزایش بار توربین سرعت توربین کاهش خواهد یافت و هرچه افزایش بار بیشتر باشد سرعت توربین بیشتر افت خواهد کرد. با کاهش سرعت توربین دبی هواي عبوري از توربین کاهش یافته و در نتیجه دماي گازهاي حاصل از احتراق افزایش خواهد یافت. از سویی دیگر گاورنر براي پاسخ به افزایش بار و همچنین جبران افت فرکانس مقدار سوخت بیشتري را وارد محفظه احتراق خواهد کرد و سبب افزایش بیشتر دما خواهد شد. در این زمان الگوریتم کنترل دما باید با باز کردن بیشتر پرههاي ردیف اول کمپرسور و افزایش دبی هوا نسبت به کنترل دما در محدوده مجاز اقدام نماید. اما به علت کند بودن دینامیک هوا به علت اینرسی آن و نیز کند بودن عملگرهاي ايجیويها در صورتی که تغییر بار ناگهانی و بزرگ باشد این روش کار ساز نیست. در نتیجه الگوریتم کنترل دما با محدود کردن مقدار سوخت ورودي به محفظه احتراق دما را کنترل خواهد کرد. با محدود شدن مقدار سوخت ورودي توان مورد نیاز براي تقاضاي جدید و جبران افت فرکانس تا مین نخواهد شد و سرعت توربین مرتبا کاهش خواهد یافت. در نتیجه کنترل فرکانس امکانپذیر نبوده و توربین ناپایدار خواهد شد. همچنین زمانی که توربین در نزدیکی حالت تمام بار خود قرار دارد به علت بالاتر بودن دماي کاري قطعات توربین و نیز باز بودن ايجیويها در حد نهایی خود الگوریتم کنترل دما سریعتر فعال شده و کنترل فرکانس با دشواري بیشتري همراه است. جزي یات بیشتر در مورد این الگوریتم کنترلی و مشکلات آن در مراجع [ ] موجود است. - تفاوتهاي سیکل ترکیبی و مرطوب در کنترل فرکانس تفاوت در پارامترهاي عملکردي و ساختاري سیکل مرطوب و ترکیبی سبب میگردد که این دو سیکل در زمان افت فرکانس رفتار متفاوتی از خود نشان دهند. مهمترین این پارامترها را میتوان اینگونه خلاصه کرد. -- میزان توان قابل دسترس در مانورهاي گذرا در سیکل ترکیبی حدود دو سوم توان خروجی توسط توربین گازي و یک سوم آن توسط توربین بخار تا مین میگردد. در اکثر سیکلهاي ترکیبی مدرن براي بازده بالاتر توربین بخار و بویلر بازیاب بر اساس منطق کنترلی فشار لغزنده مورد بهرهبرداري قرار میگیرند. در این منطق کنترلی شیر ورودي به توربین بخار در اکثر مواقع در حالت تمام باز قرار دارد. در نتیجه در درون درام ذخیره بخار ناچیز است. به همین دلیل یک تا خیر ذاتی حدود 0 ثانیه) بین افزایش تزریق سوخت به محفظه احتراق توربین گازي و افزایش دبی بخار ورودي به توربین بخار وجود دارد. این تا خیر سبب میگردد که رفتار گذراي سیکل ترکیبی در زمان تغییر بار ناگهانی توربین و یا افت فرکانس شبکه فقط به رفتار توربین گازي وابسته باشد [5]. به عبارت سادهتر تنها حدود دو سوم از توان تولیدي سیکل ترکیبی که مربوط به توربین گازي است در مانورهاي گذرا قابل بهرهبرداري است. در نتیجه در تمام شبیه- سازيهاي این مقاله توان خروجی توربین بخار در طول مانورهاي گذرا ثابت و برابر با حالت قبل از افت فرکانس در نظر گرفته شده است. از طرف دیگر در سیکل مرطوب استیگ معمولا تزریق بخار با فشار ثابت صورت میگیرد و تا خیر موجود در تغییر در دبی و دماي بخار تولیدي در این سیکل نیز وجود دارد. در نتیجه در مانورهاي گذرا در زمان افت فرکانس اگرچه دبی و دماي بخار تزریقی تقریبا ثابت است اما میتوان از تمامی ظرفیت واحد براي کنترل فرکانس استفاده کرد. در شبیهسازيهاي تحقیق حاضر نیز دبی و دماي بخار تزریقی در طول مانور گذرا ثابت و برابر با مقدار قبل از افت فرکانس در نظر گرفته شده است. به طور خلاصه در سیکل ترکیبی حدود دو سوم از ظرفیت واحد و در سیکل مرطوب تقریبا تمام ظرفیت واحد در مانورهاي گذرا قابل استفاده است. به همین دلیل از نظر توان قابل استفاده در زمان افت فرکانس سیکل مرطوب داراي مزیت بیشتري نسبت به سیکل ترکیبی است. -- دماي کاري توربین بالاترین دما در قطعات توربین مربوط به گازهاي خروجی از محفظه احتراق و 4 ورودي به پرههاي ردیف اول توربین میشود. در نتیجه الگوریتم کنترل دما معمولا این دما را براي حفاظت از توربین کنترل مینماید. دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین براي سیکل مرطوب استیگ و سیکل ترکیبی مشابه در حالت پایا و در بارهاي مختلف در شکل آمده است. همان- طور که در شکل نیز مشخص است در یک بار معین دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول سیکل مرطوب استیگ بالاتر از سیکل ترکیبی قرار دارد. این تفاوت در بارهاي پایین بیشتر بوده و با نزدیک شدن به حالت تمام بار کاهش مییابد. بالاتر بودن دماي کاري سیکل مرطوب سبب میگردد که الگوریتم کنترل دما سریعتر فعال گردیده و باعث محدود شدن توان خروجی توربین و در نتیجه ناپایداري آن در زمان افت فرکانس میگردد. ⁰C) شکل دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین گازي براي سیکل ترکیبی و سیکل مرطوب استیگ در بارهاي مختلف و در حالت پایا - Drum 4- Turbine Inle Temperaure TIT) - Inle Guide Vanes IGVs) - Sliding pressure 0

4 -- سیال کاري بخار آب ظرفیت گرماي ویژه بالاتري نسبت به هوا و سایر محصولات احتراق دارد. در نتیجه سیالکاري سیکل مرطوب که حاوي مقدار آب بیشتري است داراي ظرفیت گرماي ویژه بالاتري خواهد بود. این مسي له از آن جهت حاي ز اهمیت است که هر چه ظرفیت گرماي ویژه سیالکاري توربین بالاتر باشد به ازاي مقدار مشخصی اضافه سوخت دماي سیال کمتر افزایش پیدا خواهد کرد. در نتیجه در زمان افت فرکانس که گاورنر سوخت بیشتري را وارد محفظه احتراق مینماید هر چه قدر ظرفیت گرماي ویژه سیال کاري توربین بالاتر باشد احتمال این که حلقه کنترل دماي توربین فعال شود و مانع از افزایش بار توربین گردد کمتر است. به همین دلیل از نظر خواص سیالکاري توربین سیکل مرطوب وضعیت بهتري نسبت به سیکلترکیبی دارد. 4-- اینرسی دورانی در سیکل ترکیبی معمولا از یک ژنراتور مشترك براي توربین بخار و توربین گازي استفاده مینمایند. در نتیجه در سیکل ترکیبی اینرسی دورانی مجموعه شامل اینرسی ژنراتور توربین گازي و توربین بخار است. درحالیکه اینرسی دورانی در سیکل مرطوب تنها شامل اینرسی توربین گازي و ژنراتور است. به همین دلیل براي دو واحد با توان مساوي سیکل ترکیبی اینرسی دورانی بالاتري نسبت به سیکل مرطوب دارد. یا به عبارت دیگر به ازاي تغییر بار برابر سیکل مرطوب افت فرکانس بیشتري را تجربه خواهد کرد. 4- مدل سازي واحدهاي نمونه براي مقایسه عملکرد سیکل ترکیبی و سیکل مرطوب استیگ در زمان افت فرکانس دو واحد با توان تولیدي برابر در نظر گرفته شدهاند. این دو واحد که بر مبناي اطلاعات موجود از توربین گازي جیاي 6 بی طراحی شدهاند داراي توان خروجی 64 مگاوات در شرایط ایزو میباشند. به علت سطح تکنولوژي قابل دسترس براي طراحی کمپرسور و مواد مورد استفاده در پرههاي ردیف اول توربین نسبت فشار کمپرسور و دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین در حالت تمام بار براي هر دو سیکل برابر در نظر گرفته شده است. سایر متغیرهاي طراحی این دو سیکل در حالت تمام بار در جدول نشان داده شده است. براي شبیهسازي عملکرد این دو سیکل مدل ریاضی لازم بر اساس قوانین فیزیکی نظیر بقاي جرم و انرژي و مشخصات اجزا مختلف نظیر نگاشت توربین و کمپرسور توسعه داده شده است. این مدل فیزیکی به همراه مدارهاي کنترلی لازم در نرمافزار متلب/ سیمولینک تهیه و اجرا شده است. مجموعه مدلهاي مورد استفاده براي این منظور را میتوان اینگونه خلاصه کرد: -4- مدل توربین گازي مدل توربین گازي از دو زیر سیستم مدار کنترلی و توربین گازي تشکیل شده است. براي شبیه سازي مدار کنترلی از مدل اراي ه شده در مرجع [0] استفاده شده است و عملکرد توربین گازي با استفاده از محاسبات خارج از طراحی شبیه سازي شده است. محاسبات خارج از طراحی از پرکاربردترین مدلهاي مورد استفاده در شبیهسازي عملکرد توربین گازي است. توربین گازي معمولا براي شرایط تمام بار ترکیب سوخت معین و شرایط محیطی مشخص طراحی میگردد. جدول مشخصات طراحی واحدهاي نمونه پارامترهاي طراحی سیکل ترکیبی سیکل استیگ 6/9 دبی هواي کمپرسور [kg/s] 8 / / نسبت فشار کمپرسور دماي خروجی کمپرسور [⁰C] 88/5 88/ 5 بازده کمپرسور [%] /9 / 6 دبی سوخت [kg/s] دماي گازهاي ورودي به توربین [⁰C] بازده توربین [%] دماي اگزوز [⁰C] 44/ 40/ 68 دبی گازهاي اگزوز [kg/s] 64/ 4/ 8 توان خروجی توربین گاز [MW] 4/4 8/ 7 دبی بخار [kg/s] 4 45/ 8 فشار درام [bar] ورودي سوپرهیتر دماي بویلر بازیاب سمت گاز[ ⁰C ] دماي بویلر بازیاب سمت بخار[ ⁰C ] ورودي اواپراتور ورودي اکونومایزر 4 59 خروجی اکونومایزر خروجی سوپرهیتر ورودي سوپرهیتر 9 54 ورودي اواپراتور ورودي اکونومایزر / توان خروجی توربین بخار [MW] 64/ 64/ توان خروجی [MW] بازده سیکل [%] اینرسی توربین گاز[ [kg.m اینرسی ژنراتور ] [kg.m - 75 اینرسی توربین گاز ] [kg.m هرگونه تغییر در هر یک از عوامل فوق سبب میگردد که رفتار توربین گازي از مقدار طراحی آن منحرف میگردد. به مجموعه محاسباتی که به شبیه سازي پایاي عملکرد توربین گازي در حالتی غیر از نقطه طراحی توربین میپردازد محاسبات خارج از طراحی میگویند. این محاسبات بر پایه قوانین ساده فیزیکی نظیر بقاي جرم و انرژي براي اجزا مختلف توربین و در نظر گرفتن مشخصات این اجزا نظیر نگاشت توربین و کمپرسور است. جزي یات این روش در مراجع مختلفی آمده است [6] و به همین دلیل در این بخش تنها به صورت خلاصه این روش را مرور خواهیم کرد. با در نظر گرفتن این معادلات براي توربین گازي و انجام ساده سازيهاي لازم نهایتا به یک دسته معادله جبري غیرخطی می- رسیم که تعداد این معادلات به نوع توربین و میزان جزي یات در نظر گرفته شده توربین بازمیگردد. در این تحقیق براي توربین گازي نمونه این معادلات پس از سادهسازي به یک سیستم معادله جبري غیرخطی با ده معادله میرسد. مجموعه این معادلات را میتوان اینگونه خلاصه کرد نگاشت کمپرسور نگاشت کمپرسور در واقع رابطه استاتیکی میان دبی جرمی ) m نسبت فشار بازده η) و سرعت دورانی توربین کمپرسور N ) است. این رابطه Pr ) معمولا به صورت یک یا چند نمودار اراي ه میگردد به طوري که با مشخص بودن دو پارامتر دو پارامتر دیگر بدست میآیند. 4- superheaer 5- evaporaor 6- eonomizer - GE6B - Malab/Simulink - Off-design alulaions

5 * * N سرعت اصلاح شده m دبی جرمی اصلاح شده توربین و که در آن توربین میباشند. این نگاشتها معمولا شکل 4 شکل شماتیک نگاشت کمپرسور مجزاي آزمون توسط مختلف شرایط در کمپرسور عملکردي و اندازهگیري تمام پارامترهاي فوق توسط سازنده کمپرسور بدست میآید. همچنین براي اینکه نگاشتها مستقل از دما و فشار محیط و سیال کاري کمپرسور باشند معمولا به جاي بیان شدن برحسب متغیرهاي فوق برحسب گروههاي بیبعد بیان میشوند. یعنی نمودارها به جاي چهار متغیر * N نسبت ) سرعت اصلاح شده m فوق بر حسب دبی جرمی اصلاح شده ) فشار Pr) و بازده η) بیان میگردند و پس از بدست آوردن این گروههاي بی بعد متغیرهاي اصلی از روي این گروههاي بیبعد محاسبه میگردند. یک نمونه نگاشت کمپرسور به صورت شماتیک در شکل 4 آمده است. با توجه به این که با مشخص بودن دو پارامتر از چهار پارامتر نگاشت کمپرسور میتوان دو پارامتر دیگر را محاسبه کرد در نتیجه میتوان این نگاشت را به وسیله دو معادله در محاسبات خارج از طراحی وارد کرد. اما از آنجا که براي یک مقدار مشخص از نسبت فشار محاسبه دبی جرمی و بازده توربین از روي نگاشت کمپرسور با دشواري همراه است معمولا یک سیستم مختصات کمکی براي نگاشت توربین در نظر میگیرند. این مختصات کمکی که خطوط بتا نامیده میشوند موازي خط سرج رسم میگردد و محاسبات مربوط به نگاشتها را سادهتر مینماید. با اضافه شدن این مختصات کمکی به نگاشت کمپرسور یک معادله به مجموعه معادلات خارج از طراحی اضافه شده و میتوان نگاشت کمپرسور را با سه معادله ) تا ) وارد محاسبات کرد. N * * *,, 0 map ) m m N IGV Pr * Prmap N,, IGV 0 ) * map,, IGV 0 ) که در آن اندیس به کمپرسور و اندیس map به اینکه این مقدار از روي نگاشت محاسبه شده است بازمیگردد نگاشت توربین مشخصات عملکردي توربین نیز همانند کمپرسور معمولا به وسیله یک نگاشت اراي ه میگردد که به بیان رابطه میان متغیرهاي مختلف توربین می- پردازد. از آنجا که نگاشت توربین نیازمند معرفی مختصات کمکی نیست در نتیجه میتوان نگاشت توربین را به وسیله معادلات 4) و 5) در محاسبات خارج از طراحی در نظر گرفت معادله کار توربین گازي توان خروجی توربین گازي ) w با استفاده از رابطه 6) قابل محاسبه است. w w w 6) m m بازده مکانیکی توربین w کار توربین و w کار کمپرسور که در آن گازي است. با جایگذاري کار کمپرسور و کار توربین در معادله فوق معادله 7) را داریم. p p m w m ΔT m ΔT 7) که در آن ΔT و ΔT تغییر دماي سیال کاري در کمپرسور و توربین و ضریب گرماي ویژه سیال کاري در کمپرسور و توربین میباشد بازده توربین و کمپرسور تغییر دماي سیال کاري توربین و کمپرسور را میتوان با استفاده از رابطه ایزنتروپیک گازهاي ایده براي این اجزا محاسبه کرد. داریم: طبق معادلات 8) و 9) Tin ΔT Pr 8) ΔT T in Pr 9) که در آن نسبت ضرایب ویژه سیال کاري توربین است و اندیس inدر آن نشان دهنده ویژگی سیال در ورودي توربین یا کمپرسور است معادله انرژي براي محفظه احتراق دبی سوخت با استفاده از معادله انرژي براي محفظه احتراق وارد محاسبات میشود. اما از آنجا که این معادله به شدت غیرخطی است میتواند باعث کندي همگرایی الگوریتم حل دستگاه معادلات شود. یک روش موثر براي حل این مشکل استفاده از جدول افزایش دما براي محفظه احتراق به جاي حل کامل معادله انرژي است. در نتیجه معادله انرژي براي محفظه احتراق به صورت رابطه 0) خواهد شد. Tin T Tin ΔT ΔTomb fuel, m 0) مقدار افزایش دما در طول محفظه احتراق است که تابع که در آن ΔT دبی هواي کمپرسور و دبی سوخت fuel) است. پس از معرفی معادلات فوق و وارد کردن جزي یات براي توربین گازي مورد نظر این دسته معادلات باید حل شوند. براي حل این معادلات نیازمند شرایط مرزي هستیم که این شروط مرزي از شرایط محیطی P0 ),T0 شبکه برق N) و کنترل کننده زاویهاي جی وي ها و سوخت) تعیین میگردد. از آنجا که این معادلات یک دسته معادله جبري غیرخطی میباشند باید به وسیله روشهاي عددي مناسب نظیر نیوتن- رافسون حل شوند. نکته مهمی که در حل این معادلات باید در نظر گرفته شود این است که تمام این معادلات پیش از حل باید اسکیل شوند و این مسي له تا ثیر به سزایی در سرعت و دقت حل این معادلات دارد. همچنین استفاده از شرط اولیه مناسب میتواند سرعت حل این الگوریتم را بهبود بخشد. همچنین از آنجا که این معادلات غیرخطی است حل آنها به صورت برخط سرعت شبیه سازيها را به شدت تحت تا ثیر قرار خواهد داد. در پژوهش حاضر این معادلات براي تعداد کافی از شرایط مرزي مختلف حل شده و سپس نتایج بدست آمده به - Newon-Raphson - sale * * map, 0 Pr Pr N m 4) * * map N, m 0 - Bea line 5)

6 وسیله شبکه عصبی در مدل دینامیکی قرار گرفته است. در این روش اگرچه باید در ابتدا وقت کافی براي حل معادلات براي شرایط مرزي مختلف صرف شود اما در عوض زمان شبیه سازي براي مدل دینامیکی به شدت پایین خواهد آمد. -4- مدل سازي تزریق بخار در تزریق بخار به توربین گازي را میتوان در نقاط مختلف آن نظیر خروجی کمپرسور پشت نازلهاي تزریق سوخت و تزریق در هواي رقیق سازي انجام داد. انتخاب نقطه مناسب براي تزریق به هدف تزریق بخار بازمیگردد. براي مثال اگر هدف از تزریق بخار کاهش آلایندهي اکسیدهاي نیتروژن باشد تزریق بخار باید در خروجی کمپرسور و یا پشت نازلهاي سوخت صورت گیرد تا بخار آب با کاهش دماي بیشینه شعله سبب کاهش این آلاینده شود. اما اگر هدف از تزریق بخار افزایش توان خروجی و خنک کاري پرههاي ردیف اول توربین باشد بهتر است بخار آب را با هواي رقیق سازي مخلوط کرد. زیرا این صورت میتوان حجم بیشتري از بخار را بدون تا ثیر در پایداري احتراق وارد توربین گازي کرد. علت این امر به این نکته بازمیگردد که تزریق حجم زیادي از بخار در خروجی کمپرسور و یا پشت نازلهاي سوخت در محفظه احتراقهاي رقیق سوز میتواند باعث ناپایداري احتراق و تضعیف شعله گردد. از آنجا که در این پژوهش هدف اصلی از تزریق بخار افزایش توان و کاهش دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین است بخار آب تزریقی با هواي خنک کاري مخلوط شده است. مخلوط کردن بخار با هواي خنک کاري با نصب نازلهاي تزریق بخار در پایین دست محفظه احتراق صورت میگیرد. این نازلها معمولا براي اختلاط بهتر بخار با گازهاي حاصل از احتراق و رسیدن به مخلوط همگن تر از نظر دمایی بخار را در خلاف جهت جریان هوا تزریق مینمایند. با مخلوط کردن بخار آب با هواي رقیق سازي وارد کردن اثر تزریق بخار به مجموعه محاسبات خارج از طراحی بسیار ساده است. براي این منظور کافی است که دماي گازهاي خروجی از محفظه احتراق با استفاده از معادله انرژي و اثر تزریق بخار مجددا محاسبه گردد. طبق معادله ) داریم: m airh TIT old m sh T s m air m s h TIT old ) که در آن TIT دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین h آنتالپی سیال کاري در دماي مشخص و اندیسهاي old و new به ترتیب به شرایط سیال کاري توربین قبل و بعد از مخلوط شدن با بخار بازمیگردد. همچنین علاوه بر محاسبه دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین خواص سیال کاري نیز براي اجزا پایین دست براي مخلوط محاسبه میشود. براي مثال براي ضریب گرماي ویژه مخلوط ) ) طبق معادله ) داریم: pmix m air pair m s ps m m ) -4- مدل سازي بویلر بازیاب air s همانطور که اشاره شد با توجه به کند بودن دینامیک بویلر بازیاب در مقایسه با توربین گازي میتوان از رفتار دینامیکی آن در زمان افت فرکانس صرف نظر کرد. به همین دلیل در این پژوهش تنها رفتار پایاي بویلر بازیاب مدل و مورد بررسی قرار گرفته است. مدل سازي رفتار بویلر بازیاب با استفاده از قوانین ساده فیزیکی نظیر قانون بقاي جرم و انرژي براي اجزا مختلف توربین ممکن است. به طور کلی بویلر بازیاب را میتوان به سوپرهیتر اواپراتور درام و اکونومایزر تقسیم کرد. در ادامه معادلات پایه مورد استفاده براي هر یک از این بخشها به اختصار توضیح داده شده است. شکل 5 شکل شماتیک بویلر بازیاب- نحوه شمارهگذاري سمت آب) - خروجی بویلر - خروجی اواپراتور - خروجی اکونومایزر 4- ورودي اکونومایزر براي جزي یات بیشتر در مورد مدل سازي بویلر بازیاب و نحوه محاسبه پارامترهاي مربوطه میتوان به مرجع [8] مراجعه کرد سوپر هیتر سوپرهیتر SH ) یک مبدل حرارتی است که بخار آب اشباع خروجی از درام را به بخار فوق گرم تبدیل میکند. معادله بقاي انرژي و انتقال حرارت براي این مبدل را میتوان با توجه به شماره گذاري شکل 5 به صورت روابط ) و 4) نوشت. که در آن اندیس w به ویژگی سیال در سمت بخار یا آب و ویژگی سیال در سمت گاز بازمیگردد. همچنین g اندیس LMTD و UA به به ترتیب تفاضل دماي لگاریتمی و ضریب انتقال حرارت مبدل است و نحوه محاسبه آن در شرایط مختلف کاري بویلر در مرجع [8] آمده است مجموعه اواپراتور و درام این مجموعه آب اشباع به صورت تقریبی) تولید شده در اکونومایزر را به بخار آب اشباع تبدیل مینماید. در حالت پایا و با فرض این که سطح آب درام ثابت باشد روابط ترمودینامیکی حاکم بر این مجموعه را میتوان به صورت روابط 5) تا 7) خلاصه کرد. m h h m h h 5) w w w eva r d,,, m h h m h h 6) w g g eva r d m h h UA LMTD T T T T 7) که در آن اندیس g g g eva g eva g eva d و r اواپراتور eva ) بازمیگردد اکونومایزر اکونومایزر,,, m h h m h h ) eo) به ترتیب به لولههاي پایین رونده در و بالارونده یک مبدل حرارتی است که آب خروجی کندانسور را تا حدود دماي آب اشباع گرم میکند. در نتیجه مدل آن بسیار شبیه به مدل سوپرهیتر است. طبق روابط 8) و 9) داریم: g g g w w w m h h UA LMTD T T T T 4) g g g SH g w g w,,, m h h m h h 8) g g g4 w w w4 m h h UA LMTD T T T T 9) g g g4 eo g w g4 w4 اگر هدف مدل سازي بویلر به صورت جداگانه و براي کاربردهایی نظیر تزریق بخار باشد مجموعه معادلات بویلر بازیاب به صورت جداگانه و با مشخص شدن شرایط مرزي آن فشار درام دماي آب و گازهاي ورودي به بویلر) قابل حل است. اما اگر هدف بهکارگیري بویلر در سیکل ترکیبی باشد از آنجا که فشار درام به نقطه کاري توربین بخار وابسته است مجموعه معادلات فوق باید به همراه معادلات توربین بخار حل شوند. - Down-omer - Riser

7 ب ج ب ج بررسی عملکرد گذراي سیکل ترکیبی و توربین گازي با تزریق بخار در زمان افت فرکانس 4-4- مدل سازي توربین بخار m w از توربین بخار از رابطه مخروط براي مدل سازي دبی بخار عبوري ) استودلا استفاده شده است. طبق معادله 0) داریم: Pin Pou m w C v in P in فشار بخار ورودي و خروجی از توربین vin حجم 0) که در آن Pin و Pou مخصوص بخار ورودي و C ثابت توربین است. همچنین براي محاسبه توان خروجی توربین بخار از رابطه ) استفاده شده است. w s m ws hin hou ) که در آن η بازده ایزنتروپیک توربین است و با توجه به میزان رطوبت موجود در بخار خروجی از توربین و در یک روند تکراري محاسبه میگردد. براي جزي یات بیشتر در زمینه مدل سازي توربین بخار و نیز نحوه محاسبه بازده ایزنتروپیک آن میتوان به مرجع [8] مراجعه کرد. در زمان بهره برداري توربین بخار بر اساس منطق کنترلی فشار لغزنده فشار درام بویلر به نقطه کاري توربین وابسته خواهد بود. به همین دلیل مجموعه معادلات توربین بخار و بویلر بازیاب ) معادلات تا ) باید به صورت همزمان و در نظر گرفتن شرایط مرزي لازم حل شوند. 5- نتایج شبیه سازيها براي بررسی و مقایسه عملکرد سیکل مرطوب استیگ و سیکل ترکیبی دو سناریوي مختلف در نظر گرفته شده است. در سناریوي اول واحدها در زمان بهرهبرداري جزیرهاي تحت تغییر بار پله قرارگرفتهاند. نحوه پاسخگویی این دو سیکل و پارامترهاي مختلف عملکردي آنها براي تغییر بارهاي متفاوت در شکلهاي 8-6 آمده است. نتایج مهم این شبیه سازي را میتوان اینگونه خلاصه کرد. به ازاي تغییر بار کوچک افت فرکانس سیکل ترکیبی کمی کمتر از افت فرکانس سیکل مرطوب استیگ است. زیرا در تغییر بارهاي کوچک اینرسی واحد تا ثیرگذارتر است و سیکل ترکیبی اینرسی بالاتري در مقایسه با سیکل مرطوب دارد. اما به ازاي تغییر بارهاي متوسط و بزرگ افت فرکانس سیکل مرطوب کوچکتر از سیکل ترکیبی است. علت این موضوع به این نکته بازمیگردد که در تغییر بارهاي متوسط و بزرگ افت فرکانس بیش از اینرسی واحد به سرعت پاسخ واحد وابسته است و سرعت پاسخ سیکل استیگ از سیکل ترکیبی سریعتر است. از طرف دیگر اگرچه دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین در سیکل مرطوب بالاتر از سیکل ترکیبی است ولی به ازاء تغییر بار معین افزایش دماي گازهاي ورودي به پره- هاي ردیف اول توربین براي سیکل ترکیبی بیشتر در نتیجه نهایتا است. الگوریتم کنترل دما براي سیکل ترکیبی زودتر فعال شده و مانع از افزایش بار توربین میگردد که نتیجه آن ناپایداري واحد سیکل ترکیبی خواهد بود. دو علت اصلی را میتوان براي این پدیده در نظر گرفت. اولا سیال کاري سیکل مرطوب از ضریب گرماي ویژه بالاتري برخوردار است. در نتیجه به ازاي اضافه سوخت برابر دماي سیال کاري سیکل ترکیبی بیشتر بالا خواهد رفت. ثانیا از آنجا که تنها حدود دو سوم ظرفیت سیکل ترکیبی براي مانورهاي گذرا قابلدسترسی است در نتیجه براي جبران یک سوم باقیمانده توربین گازي باید توان بیشتري نسبت به حالت پایاي عملکردي خود تولید نماید فلا فلا سیکل ترکیبی سیکل استیگ زمان se) شکل 6 تغییر بار از % 87/5 بار نامی به % 90 بار نامی الف) توان خروجی نرمال شده ب) سرعت نرمال شده ج) دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین شکل 7 تغییر بار از % 87/5 بار نامی به % 9 بار نامی الف) توان خروجی نرمال شده ب) سرعت نرمال شده ج) دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین - Sodola

8 ب ج بررسی عملکرد گذراي سیکل ترکیبی و توربین گازي با تزریق بخار در زمان افت فرکانس فلا شکل 8 تغییر بار از % 87/5 بار نامی به % 9/5 بار نامیشروع ناپایداري سیکل ترکیبی) الف) توان خروجی نرمال شده ب) سرعت نرمال شده ج) دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین شکل 9 حداکثر تغییر بار قابل تحمل توسط واحدهاي سیکل ترکیبی و سیکل مرطوب استیگ در بارهاي مختلف به همین دلیل دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین بالاتر از حالت پایاي خود قرار خواهد گرفت. در سناریوي دوم حداکثر تغییر بار پله قابل تحمل توسط سیکل ترکیبی و سیکل مرطوب استیگ در بهرهبرداري جزیرهاي محاسبه شده است. نتایج این محاسبات در بارهاي مختلف در شکل 9 خلاصه شده است. همان طور که در شکل نیز مشخص است سیکل مرطوب استیگ عملکرد بهتري نسبت به سیکل ترکیبی در تغییر بارهاي ناگهانی دارد. این عملکرد بهتر براي سیکل مرطوب در برخی از بارها حدود دو برابر بهتر از سیکل ترکیبی است که بسیار جالب توجه است. علت اصلی این پدیده به این نکته بازمیگردد که در سیکل مرطوب تمام ظرفیت واحد در مانورهاي گذرا قابل استفاده است و ضریب گرماي ویژه سیال کاري در آن بالاتر است. 6- نتیجه گیري عملکرد توربین گازي و سیکلهاي وابسته به آن در زمان افت فرکانس با سایر تولیدکنندههاي رایج تولید توان متفاوت بوده و کاهش حداکثر توان تولیدي آن در زمان افت فرکانس میتواند روي پایداري شبکه تا ثیرگذار باشند. به همین دلیل عملکرد توربین گازي و سیکلهاي وابسته به آن در زمان افت فرکانس باید پیش از انتخاب واحد مناسب مورد بررسی قرار گیرد. در این مقاله عملکرد سیکل ترکیبی و توربین گازي با تزریق بخار سیکل استیگ) که از مهمترین سیکلهاي بر پایه توربین گازي میباشند در زمان افت فرکانس و مانورهاي گذرا مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. براي این منظور دو واحد مشابه بر اساس این دو سیکل طراحی شده و عملکرد آنها در سناریوهاي مختلف مورد بررسی قرار گرفته است که نتایج آن را میتوان به صورت زیر خلاصه کرد: - - براي تغییر بارهاي کوچک افت فرکانس سیکل ترکیبی کوچکتر از سیکل مرطوب است. اما براي تغییر بارهاي متوسط و بزرگ افت فرکانس سیکل ترکیبی بزرگتر است. سیکل مرطوب استیگ عملکرد بهتري نسبت به سیکل ترکیبی در زمان افت فرکانس دارد. مهمترین علل این مسي له به تفاوت در مقدار توان قابل دسترس در مانورهاي گذرا و ضریب گرماي ویژه سیال کاري دو سیکل بازمیگردد. - دماي سیال کاري سیکل مرطوب بالاتر از سیکل ترکیبی است اما به ازاي تغییر بار برابر تغییر دماي سیال کاري در سیکل ترکیبی بزرگتر از سیکل مرطوب است. 7- فهرست علاي م ضریب گرماي ویژه ) -.K kj.kg - p kg.s - ) دبی سوخت fuel IGV زوایه پرههاي ردیف اول کمپرسور kg.s - ) دبی m سرعت دورانی ) - rad.s N فشار ) -.s kg.m - p نسبت فشار Pr دما K) T K دماي گازهاي ورودي به پرههاي ردیف اول توربین TIT WK - ) ضریب انتقال حرارت UA W) توان w علاي م یونانی بالانویسها مختصات کمکی تغییر بازده * اصلاح شده نسبت ضرایب گرماي ویژه

9 8- مراجع [] Dynami models for ombined yle plans in power sysem sudies, IEEE Transaions on Power Sysems, Vol. 9, No., pp , 994. [] E. F. Camaho, T. Samad, M. Garia-Sanz, I. Hiskens, Conrol for Renewable Energy and Smar Grids. In The Impa of Conrol Tehnology, IEEE Conrol Sysems Soiey, pp , 0. [] N. Kakimoo, K. Baba, Performane of gas urbine-based plans during frequeny drops, IEEE Transaions on Power Sysems, Vol. 8, No., pp. 0-5, 00. [4] G. Lalor, M. O'Malley, Frequeny onrol on an island power sysem wih inreasing proporions of ombined yle gas urbines, In Proeeding of Power Teh Conferene, Bologna, Ialy, June 00,. [5] G. Lalor, J. Rihie, D. Flynn, M. J. O'Malley, The Impa of Combined-Cyle Gas Turbine Shor-Term Dynamis on Frequeny Conrol, IEEE Transaions on Power Sysems, Vol. 0, No., pp , 005. [6] P. P. Walsh, P. Fleher, Gas Turbine Performane, nd ed., Oxford, UK: Blakwell Siene Ld, 006. [7] I. G. Rie, Seam-Injeed Gas Turbine Analysis: Seam Raes, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 7, No., pp. 47-5, 995. [8] R. Kehlhofer, B. Rukes, F. Hannemann, F. Sirnimann, Combined - Cyle Gas & Seam Turbine Power Plans, rd ed., Oklahoma, USA: pennwell Corporaion, 009. [9] M. Jonsson, J. Yan, Humidified gas urbines: a review of proposed and implemened yles, Energy, Vol. 0, No. 7, pp , 005. [0] W. I. Rowen, Simplified Mahemaial Represenaions of Heavy-Duy Gas Turbines, Journal for Engineering for Power, Vol. 05, No. 4, pp , 98. [] S. Bahrami, A. Ghaffari, M. Thern, Improving he Transien Performane of he Gas Turbine by Seam Injeion during Frequeny Dips, Energies, Vol. 6, No. 0, pp زیرنویسها محیط 0 هوا air کمپرسور اکونومایزر اواپراتور پایین رونده گاز ورودي مکانیکی مخلوط جدید قبلی خروجی بالارونده سوپرهیتر بخار آب یا بخار eo eva d g in m mix new old ou r SH s w 6