امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه 370 تا 363 صفحات 1396 سال 2 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه DOI: 10.22060/mej.2016.621 MGT-70 گازي توربين راهاندازي شبيهسازي و مدلسازي 2 عباسي اسحاق 1* اخگري رسول 1 غفاري علي ایران تهران طوسي نصيرالدين خواجه صنعتي دانشگاه مکانيک مهندسي دانشکده 1 ایران مالرد توگا شرکت مالرد کرج مکانيک ارشد کارشناسي 2 ميشود. بررسي آن ويژگيهاي و تحليل راهاندازي مرحلهي در باال توان گازي توربينهاي ديناميکي رفتار مقاله اين در چکیده: گذراي معادالت انتگرالي شکل از گاز توربين رفتار مناسب ارزيابي براي بنابراين است. گذرا شبه فرايند يک گاز توربين راهاندازي عملکرد تحليل براي جديد روش يک ميشود. استفاده کامل گاز حالت معادلهي آنها کنار در و انرژي مومنتوم جرم بقاي عملکرد منحني کدام هر که ميشود تقسيم انتهايي( مياني )جلويي دسته سه به کمپرسور طبقات ميشود. پيشنهاد کمپرسور رفتار نهايت در شد. خواهد بررسي مياني طبقات تخليه شيرهاي از استفاده تأثير همچنين دارند. پايين دورهاي در متفاوتي هدش مقايسه تجربي دادههاي با شبيهسازي نتايج ميشود. شبيهسازي راهاندازي مرحله در مپنا مگاواتي 160 گاز توربين ديناميکي شيرهاي سوخت )ميزان راهاندازي برنامه از دقيق براورد يک مهم نقش پژوهش اين ميشود. ديده آنها ميان خوبي مطابقت و ميدهد. نشان را گاز توربين آن دنبال به و کمپرسور پايدار عملکرد در راهانداز( موتور توان هوا تخليه داوری: تاریخچه 1394 مرداد 12 دریافت: 1394 مهر 22 بازنگری: 1394 آذر 28 پذیرش: 1395 اردیبهشت 12 آنالین: ارائه کليدي: کلمات گذرا رفتار مدلسازي راهاندازي گاز توربين عملکردي مشخصههاي 1-1 مقدمه فرانک توسط ميالدي 1930 سال از قبل گازي توربين نمونه اولين ]1[. شد برده کار به جت موتور در و طراحي بريتانيا در همکارانش و 1 ويتل در که مناسباند فرآيندهايي براي بيشتر محوره تک گازي توربينهاي گازي توربين ژنراتور(. توسط الکتريسيته توليد )مانند است ثابت سرعت آن کمپرسور يک داراي ميشود ديده نيز 1 شکل در که همانطور محوره تک افزايش را هوا فشار کمپرسور است. توربين يک و احتراق محفظه يک توسط آنجا در و ميشود احتراق محفظه وارد فشرده هواي سپس ميدهد. در داغ و پرفشار گاز ادامه در ميشود. گرم است سوختن حال در که سوختي ميکند. منتقل توربين به را خود انرژي از مقداري و ميشود منبسط توربين متصل کمپرسور به را توربين که محوري توسط توربين توليدي کار از قسمتي مورد هوا فشردهسازي فرآيند در مجددا و ميشود منتقل کمپرسور به ميکند بار چرخاندن براي نيز توربين توليدي کار باقيمانده ميگيرد. قرار استفاده ميگيرد. قرار استفاده مورد ژنراتور( )مانند از ايدهآل طور به که ميکند کار ساده برايتون چرخه تحت گازي توربين )محفظه ثابت فشار گرماي انتقال )کمپرسور( آيزنتروپيک تراکم فرايند چهار محيط به ثابت فشار گرماي دفع و )توربين( آيزنتروپيک انبساط احتراق( rakhgari67@gmail.com مکاتبات: عهدهدار نویسنده شده داده نشان 2 شکل در چرخه اين آنتروپي دما- نمودار است. شده تشکيل است. شده مشخص نيز ترموديناميکي فرايندهاي آن در که است در و است صنعتي فرآيندهاي از بسياري جداييناپذير جزء مدلسازي نمايد. مشخص را مسئله حل کيفيت نهايي حد ميتواند مسائل از بسياري تا ميکند ترغيب را محققان صنعت در گازي توربينهاي اساسي نقش پيچيده موتورهاي اين ديناميکي رفتار تحليل براي را جديدي روشهاي و طراحي به شاياني کمک ميتواند مناسب مدل يک بنابراين ]2[. دهند ارائه نمايد. گازي توربين عملکرد شبيهسازي اهدافي با گازي توربين رفتار مدلسازي زمينه در زيادي تحقيقات انجام کنترلر طراحي و بهينهسازي عيبيابي عملکرد پيشبيني همچون براي مثال طور به هستند. زيادي پيچيدگي داراي آنها از برخي است. شده در انرژي و مومنتوم جرم بقاي معادالت ديفرانسيلي صورت از مدلسازي ابر از استفاده نيازمند کار اين که است شده استفاده سيال جريان بعد سه کنترلي کاربرد طرفي از و رفته باال محاسبات حجم زيرا ]3[. است رايانهها حتي و جبري معادالت توسط و بوده ساده مدلها برخي ديگر سوي از ندارد. پارامترهاي تغيير به توجه با مدلها اين اما ]4[. ميشوند توصيف تبديل تابع آن عملکرد روي بر محيطي شرايط تأثير و زمان مرور اثر بر گاز توربين گرفت نظر در خطي را گاز توربين عملکرد ميتوان که نقاطي در فقط فرايندهاي چنين بتواند که نيست رياضي مدل هيچ اگرچه دارد. خوبي کارايي 1 Frank Whittle 363
Fig. 1. A schematic of single shaft gas turbine with inputs and outputs لکششکششماتيکي از توربين گازي تک محوره با اجزا و ورودي و خروجيهاي آن پيچيدهاي را به طور دقيق ارزيابي کند و هميشه کمبودهايي به دليل وجود ديناميک مدلنشده و عدم قطعيتهاي پارامتري وجود دارد. رفتار گذراي يک توربين گازي 150 مگاواتي حين تغييرات بار توسط کيم و همکاران 1 مورد مطالعه قرار گرفت ]5[. مدل رياضي تعميميافته براي تخمين عملکرد توربين گازي حين راهاندازي توسط آگراول و يونيس 2 ارائه شد و زمان راهاندازي در هر دما و ارتفاع از سطح درياي مختلف محاسبه شد ]6[. در اين مقاله با توسعهي فرم انتگرالي و گذراي معادالت بقاي جرم مومنتوم و انرژي در حالت يکبعدي بر روي اجزاي توربين گاز و استفاده از قانون دوم نيوتن براي يک سيستم دوار و ترکيب آنها با معادله حالت گاز کامل ميتوان رفتار ديناميکي توربين گاز را در مرحله راهاندازي ارزيابي نمود. روشي جديد براي تحليل عملکرد کمپرسور پيشنهاد ميشود. طبقات کمپرسور به سه دسته )جلويي مياني انتهايي( تقسيم ميشود که هر کدام منحني عملکرد متفاوتي در دورهاي پايين دارند. همچنين تأثير بهکارگيري شيرهاي تخليه مياني کمپرسور بر روي عملکرد آن بررسي ميشود. سپس نتايج شبيهسازي با دادههاي تجربي مقايسه شده و تطابق قابلقبولي ميان آنها ديده ميشود. در ادامه توضيح مختصري از واحد صنعتي داده ميشود. سپس مدل توربين گازي در مرحله راهاندازي با استفاده از قوانين بقاء و روابط جبري توسعه داده ميشود. بعد از آن مقايسهي نتايج شبيهسازي با دادههاي تجربي ارائه ميشود. در آخر نيز به نتيجهگيري و پيشنهاد براي ادامه اين پژوهش پرداخته ميشود. 2-2 مروري بر راهاندازي توربين گازي مطالعه تجربی حاضر در تونل باد سرعت پایین مدار باز دانراهاندازي يک توربين گازي با چرخش محور آن توسط يک محرک خارجي شروع ميشود. محرک خارجي ميتواند يک موتور الکتريکي توربين هوايي يا موتور هيدروليکي باشد. سرعت کمپرسور بايد کافي باشد )حدود 20%( تا بتواند دبي و فشار الزم براي سيستم احتراق را فراهم کند. جرقهزنها عمل جرقهزني را انجام ميدهند و سوخت به درون محفظه احتراق پاشيده ميشود. سپس افزايش توان توربين سبب شتابگيري محور ميشود. اگرچه به دليل سرعت و بازده پايين کمپرسور موتور راهانداز هنوز درگير است و به سيستم کمک ميکند تا شتاب منفي نگيرد. اگر موتور راهانداز زودتر از مدار خارج شود توربين شتاب منفي ميگيرد و کاهش دور آن سبب وقوع راهاندازي داغ و آسيب به سيستم ميگردد. شيرهاي تخليه طبقات مياني در طي راهاندازي باز ميشوند تا حاشيه سرج 3 مناسبي ايجاد شود. شکل 3 نمودار شماتيک سرعت بر حسب زمان را نشان ميدهد که فازهاي اصلي راهاندازي توربين گازي بر روي آن مشخص شده است. بعد از يک راهاندازي موفق توربين براي يک زمان مشخص در شرايط بيباري و سرعت ثابت کار ميکند تا همهي اجزاي آن به دماي کاري جديد برسند. اين عمل اصطالحا اشباع گرمايي 4 ناميده ميشود. اين کار از به وجود آمدن تنشهاي حرارتي جلوگيري کرده و باعث افزايش عمر موتور ميشود. 3 Surge Margin 4 Thermal Soakage 1 Kim et al. 2 Agrawal & Yunis Fig. 2. Idealized Brayton cycle T-S diagram لکششکشنمودار شماتيک دما- آنتروپي سيکل برايتون ساده 364
محوري است که دماي ايزو ورودي به توربين 1333 کلوين است. ژنراتور آن نيز از سمت کمپرسور به مجموعه توربين گازي متصل ميشود. مشخصات طراحي اين توربين در جدول 1 آورده شده است. لودججدجمشخصات طراحي توربين گازي MGT-70 Table 1. MGT-70 gas turbine design characteristics Fig. 3. Gas turbine start-up process vs. speed لکششکشفازهاي راهاندازي توربين گازي بر حسب سرعت ]7[ سرعت بيباري بايد بيشتر از سرعت بحراني محور باشد و معموال بين 50% تا 70% سرعت طراحي توربين گازي است ]7[. شکل 4 منحني شماتيک گشتاور راهانداز و دماي اگزوز را بر حسب سرعت نشان ميدهد. مالحظه ميشود که در ابتداي راهاندازي به دليل پايين بودن بازده کمپرسور و توربين گشتاور سيستم منفي بوده که اين مقدار منفي به وسيله گشتاور مثبت موتور راهانداز جبران ميشود. نقطهاي که در آن حاصل جمع گشتاور مثبت و منفي صفر ميشود نقطهي خودنگهداري ناميده ميشود. مشخصات دستگاه فرکانس )هرتز( توان خالص خروجي )مگاوات( بازده )%( نرخ حرارتي )کيلو ژول بر کيلووات ساعت( دماي طراحي ورودي توربين )درجه سانتيگراد( دماي خروجي )درجه سانتيگراد( نرخ جريان جرمي )کيلوگرم بر ثانيه( نسبت فشار تعداد طبقات کمپرسور ارتفاع * عرض * طول )متر( مقدار 50 162 34/42 10459 1060 537 535 11/7 16 14 12/5 8/4 4-4 توسعهي مدل توربين گازي با توسعهي شکل انتگرالي و گذراي معادالت بقاي جرم مومنتوم و انرژي در حالت يکبعدي بر روي اجزاي توربين گاز و استفاده از قانون دوم نيوتن براي يک سيستم دوار و ترکيب آنها با معادله حالت گاز کامل ميتوان رفتار ديناميکي توربين گاز را در مرحله راهاندازي مدل کرد ]8[: Fig. 4. Exhaust temperature and net torque vs. speed لکششکشتغييرات دماي خروجي توربين و گشتاور کل بر حسب سرعت ]7[ 3-3 توصيف سيستم توربين گازي 160 مگاواتي مپنا )MGT-70( براي مدلسازي انتخاب ميشود. اجزاي اصلي آن کمپرسور محفظه احتراق و توربين توان است. اين توربين گاز تحت چرخه برايتون ساده و به صورت تک محوره کار ميکند. کمپرسور آن از نوع محوري است و از 16 طبقه تشکيل ميشود. در ورودي 2 آن يک رديف پره راهنماي ورودي 1 وجود دارد و داراي دو شير تخليه هوا در طبقات پنجم و دهم است که براي عمکرد پايدار آن در راهاندازي استفاده ميشوند. محفظه احتراق آن از دو محفظه احتراق سليويي شکل تشکيل ميشود که هر کدام 8 مشعل دارد. توربين توان نيز يک توربين 4 مرحلهاي که در آن. با انتگرالگيري روي حجم کنترل معادالت ديفرانسيل عادي که رفتار گذراي هر يک از اجزاي توربين گاز را نشان ميدهد بهدست ميآيد. فرض شده است که متغيرهاي مربوط به ذخيرهي جرم مومنتوم و انرژي همان مقدار متغيرهاي خروجي را داشته باشند. اين معادالت با استفاده از شرايط اوليه و مرزي قابلحل خواهند بود. معادالت اصلي حاکم بر مسئله به صورت 1 Inlet guide vanes زير است: 2 Blow off valves 365
370 تا 363 صفحه 1396 سال 2 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه W s و F x عبارات ميشوند. ظاهر توربين براي هم و کمپرسور براي هم W s از اجزا مشخصات منحني و طراحي از خارج پاياي حالت مدل از استفاده با ميشوند: محاسبه )8( و )7( روابط شرايط با متناظر پايدار خروجي شرايط )8( و )7( روابط در * عالمت که ميدهد. نشان را ورودي مشخصات از اطالعاتي داشتن اختيار در نيازمند طراحي از خارج محاسبات جريان زاويه ميانگين قطر 1 روتور تيپ سرعت مقطع سطح قبيل از طبقه هر کامل بهطور گاز توربين سازندگان توسط اطالعات اين اگرچه است. غيره و که معقولي فرضيات با که است اين روش بهترين بنابراين نميشود منتشر حدس اطالعات اين ميشود گرفته نظر در طراحي مالحظات با متناسب فشار 288/15 K کمپرسور ورودي دماي از عبارتند فرضيات اين شود. زده سرعت ثابت ميانگين قطر 150 m/s محوري سرعت 101/3 kpa ورودي طبقات بازده درجه 15 جريان زاويه 350 m/s طبقه اولين در روتور تيپ از حرکت طول در طبقات فشار نسبت که است شده فرض همچنين 89%. مييابد. افزايش ماليم طور به کمپرسور انتهاي تا ابتدا 4-44-4 کمپرسور متعددي طبقات داراي باال توان گازي توربينهاي کمپرسور امروزه پره رديف يک و مياني طبقات در هوا تخليه خط چهار يا سه بعضا که هستند شده تعبيه بهرهبرداري مراحل تمامي در پايدار عملکرد براي ورودي در راهنما پيچيده بسيار کمپرسورها نوع اين عملکردي مشخصههاي رو اين از است. محاسبات حجم و ميشود استفاده ساده و جديد روش يک از اينجا در است. عنوان به اول تخليه شير تا ورودي مقطع از روش اين در ميشود. کمتر نيز نهايتا و دوم کنترل حجم عنوان به دوم تا اول تخليه شير از اول کنترل حجم گرفته نظر در سوم کنترل حجم عنوان به خروجي مقطع تا دوم تخليه شير از مييابد. کاهش 9 به مجهوالت تعداد و 12 به متغيرها تعداد بنابراين ميشود. و 51 متغيرها تعداد ميشد استفاده طبقه به طبقه روش از اگر که حالي در بود. عدد 48 مجهوالت خروجي و ورودي در محوري سرعت و فشار دما شامل موجود متغيرهاي زا عبارتاند و مرزياند شرايط آنها از عدد سه که است کنترل حجم هر که کمپرسوري براي بنابراين خروجي. فشار و ورودي فشار خروجي دماي آنها سهتاي که دارد وجود متغير 12 است شده تقسيم کنترل حجم سه به معادله 9 حل نيازمند که ميماند باقي مجهول 9 نتيجه در مرزياند. شرايط و مومنتوم پيوستگي معادلهي سه نوشتن از معادله 9 اين است. ديفرانسيل ميآيد. بهدست کنترل حجم سه براي انرژي و ميشوند لرزش دچار پايين سرعتهاي در پيشرفته کمپرسورهاي اين جريان(. ضريب کاهش و بازده )کاهش مييابد کاهش آنها عملکرد کمپرسور ابتدايي طبقات سيال جريان در پيوستگي عدم از ناشي عملکرد افت منحني تغيير سبب امر اين است. استال پديدهي وقوع آن عامل که است.]9[ ميشود استفاده 2 بنسر ايدهي از اينجا در ميشود. طبقات مشخصههاي و )6( و )5( )4( معادالت در )11( و )10( )9( روابط جايگذاري با ميشود: حاصل )12( معادالت دستگاه آنها از مشتقگيري متغيرهاي x و است مرزي شرايط شامل و مسئله متغيرهاي از تابعي F سطح هر خروجي و ورودي در محوري سرعت و دما )فشار مسئله در موجود است. شده اختيار کنترلهاي حجم تعداد نيز n و متغيرها تعداد N و کنترل( و فشار دما متغيرهاي حسب بر تابعي شده گرفته بهکار معادالت بنابراين بود. خواهند محوري سرعت احتراق 4-44-4 محفظه ميشود گرفته نظر در کنترل حجم يک صورت به نيز احتراق محفظه است. انرژي و مومنتوم پيوستگي معادله سه همان آن بر حاکم معادالت و آن مقدار و ميشود ظاهر انرژي معادله در Q اما صفر برابر W s و F x عبارات 2 Benser معلوم اجزا از يک هر براي W s و Q F x عبارات بايد فوق معادالت در و F x عبارات ولي ميشود ظاهر احتراق محفظه براي فقط Q عبارت باشد. 1 Tip rotor 366
370 تا 363 صفحه 1396 سال 2 شماره 49 دوره امیرکبیر مکانیک مهندسی نشریه ميآيد. دست به )13( رابطه از T 0 مرجع دماي به نسبت T f دماي در سوخت آنتالپي مقدار نيز ΔH T0 T f احتراق محفظه بازده نيز η comb است. شده محاسبه دما آن در LHV که است محفظه به ورودي سوخت دبي ميشود. گرفته نظر در )99%( برابر که است عمل انجام از پس شود. گرفته نظر در پيوستگي معادله در بايد نيز احتراق عامل سيال ترموديناميکي خصوصيات در بهوجودآمده تغييرات بايد احتراق شود. لحاظ نيز 4-44-4 توربين ارزيابي براي که روشي اگرچه است کمپرسور مدل همانند توربين مدل نظر در کمپرسور براي آنچه با ميشود اخذ توربين عملکردي مشخصههاي فشار نسبت ورودي شرايط داشتن با اينجا در است. متفاوت شد گرفته ميآيد: دست به استودال معروف معادله از انبساطي توربين )کارکرد( طراحي نقطه مقادير و مشخصات از K مقدار که ميشود. محاسبه دوار 4-44-4 محور ميتوان گاز توربين محور دوراني حرکت براي انرژي معادلهي نوشتن با رسید. )15( معادله به در که است توربين به شبکه از شده اعمال بار گشتاور G L آن در که دارد. قرار بيباري و راهاندازي مرحله در توربين چون است صفر برابر اينجا نيز G starter و کمپرسور مصرفي گشتاور G comp توربين توليدي گشتاور G turb اعمال گاز توربين به بيرون از راهانداز محرک موتور توسط که است گشتاوري باشد مثبت )15( معادله راست سمت اول عبارت سه مجموع اگر ميشود. پيدا افت توربين دور شود منفي اگر ولي است گرفتن شتاب حال در توربين پرههاي به و ميشود داغ راهاندازي پديدهي وقوع سبب امر اين که ميکند ميرساند. آسيب توربين بحث و شبيهسازي 5-5 نتايج دادههاي از مجموعهاي از استفاده نيازمند گاز توربين راهاندازي مدل تهيه داده تهيه است. عملکردي مختلف شرايط در گاز توربين سيستم از واقعي حالت شرايط در سيستم کردن خارج و پايه بار باردهي راهاندازي شرايط در ساعت 120 زمان حداقل براي نمونهبرداري است. نياز مورد ماندگار و گذرا رد نياز مورد عددي دادههاي است. شده انجام ثانيه 1 نمونهبرداري نرخ با پرهسر )نيروگاه نمونه نيروگاه يک مانيتورينگ سيستم از مدلسازي فرآيند گاز توربينهاي از 1 گسترده صفحات صورت به داده ذخيره توان که گيالن( است. شده تهيه باشد داشته را MGT-70 ميشود. شبيهسازي متلب/سيمولينک نرمافزار توسط گازي توربين مدل شده داده نمايش شبيهسازيشده مدل سيمولينک دياگرام بلوک 5 شکل در بلوک و توربين احتراق محفظه کمپرسور بلوکهاي شکل اين در است. يک هر خروجي و ورودي همراه به گاز توربين محور گشتاور تعادل به مربوط بين مقايسهاي مدل اين صحهگذاري براي است. شده مشخص بلوکها از سرعت تغييرات ميشود. انجام واقعي سيستم پاسخهاي و مدل پاسخهاي زده تخمين خوبي به دوراني سرعت است. شده داده نشان 6 شکل در دوراني سرعت به رسيدن تا گازي توربين راهاندازي براي الزم زمان و است شده در ورودي عنوان به سوخت دبي است. مناسب کافي اندازه به نيز نامي داده ورودي سوخت دبي مقدار نمودار ميشود. گرفته نظر در شبيهسازي 7 شکل در دوراني سرعت درصد حسب بر نيز واقعي سيستم و مدل به شده شبيهسازي مقادير و واقعي مقادير بين اختالف دليل است. شده داده نشان گشتاور تعادل از شبيهسازي در ورودي سوخت دبي که است اين 7 شکل در جداول که ميدهند نشان نتايج اين است. بهدستآمده گاز توربين اجزاي بين تنظيم معقولي صورت به راهانداز گشتاور و سوخت دبي ميزان به مربوط شدهاند. مالحظه ميدهد. نشان را توربين خروجي دماي تغييرات منحني 8 شکل مييابد. افزايش شدت به توربين خروجي دماي جرقهزني از پس که ميشود شيرهاي ترتيب به 2940 rpm و 2280 rpm دورهاي در دما افزايش از پس دبي افزايش و شده هوا دبي افزايش سبب که ميشوند بسته دوم و اول تخليه شدن بسته با که است واضح نيز 8 شکل از ميشود. دما کاهش باعث نيز هوا با نهايت در ميآيد. وجود به منحني روي بحراني نقطه دو تخليه شيرهاي شدن فعال با است 3000 rpm همان که ايدهآل دور به توربين دور رسيدن ميشود. داشته نگه ثابت دوراني سرعت سرعت کنترلر ميدهد. نشان راهاندازي طي را گاز توربين کل گشتاور تغييرات 9 شکل دليل همين به است. منفي مقادير داراي پايين سرعت ناحيه در کل گشتاور با شود. استفاده توربين راهاندازي به کمک براي خارجي محرک يک از بايد شيب با کل گشتاور نامي( دور )16% توربين در توان ايجاد و سوخت پاشش در که ميرسد صفر به کل گشتاور سرانجام ميکند. افزايش به شروع مثبتي توربين بازده افزايش دليل به ميشود. خودنگهدار توربين اصطالحا زمان اين شکل در اثر اين مييابد. افزايش کل گشتاور بعد به نامي دور 16% از توان نقطه که چرا است مناسب کافي حد تا نتايج اين ميشود. داده نشان 10 1 Excel 367
Fig. 5. Simulink block diagram of gas turbine during start-up لکششکشبلوک دياگرام سيمولينک مدل توربين گازی در طی راهاندازی لکششکشتغييرات سرعت دوراني بر حسب زمان در طي راهاندازي خودنگهداري اطراف 25% دور نامي اتفاق ميافتد ]10[. براي ارزيابي عملکرد مدلهاي تخمين و پيشبيني شاخصهاي عملکردي مختلفي وجود دارد که در اين پژوهش شاخصهاي ميانگين قدر مطلق خطا )MAE( و مجذور ميانگين مربعات خطا )RMSE( به کار گرفته ميشود. اين دو کميت ميزان نزديکي مقادير پيشبينيشده به مقادير واقعي را اندازهگيري ميکنند. Fig. 7. Variation of fuel flow vs. percentage of rotational speed during start-up لکششکشمنحني تغييرات ميزان دبي سوخت ورودي در طي راهاندازي بر حسب درصد سرعت دوراني که f مقادير پيشبيني شده و y مقادير واقعي خروجي است. جدول )2( توابع خطا را براي دور محور توربين گاز و دماي خروجي اگزوز نشان ميدهد. لودججدجخطاي مدلسازي براي سرعت دوراني محور و دمای اگزوز Table 2. Modeling error for exhaust temperature and rotational speed Max( e ) Min( e ) MAE RMSE Speed(%) 7/93 0/004 2/14 2/72 TET( C) 39/94 0/0008 3/47 8/73 Fig. 6. Variation of rotational speed vs. time during start-up 368
دليل اختالف بين مقادير واقعي و مقادير حاصل از شبيهسازي عدم قطعيتهاي پارامتري ديناميک مدل نشده و فرضياتي است که براي سادهسازي مدل در نظر گرفته شده است. لکششکشتغييرات دماي خروجي اگزوز بر حسب زمان طي راهاندازي 6-6 نتيجهگيري در اين مقاله رفتار گذراي توربين گازي 160 مگاواتي مپنا )MGT-70( در زمان راهاندازي شبيهسازي شده است. نتايج آن با دادههاي واقعي مقايسه شد و تطابق خوبي ميان آنها وجود داشت. از معادالت گذراي بقاي جرم مومنتوم و انرژي در شکل انتگرالي استفاده شده است. تأثير بهکارگيري شيرهاي تخليه مياني بر روي عملکرد کمپرسور بررسي شده است. زمان خودنگهداري توربين گازي به درستي محاسبه شده و با آنچه در مطالعات مشابه آمده است تطابق داشت. اين پژوهش نقش مهم يک براورد دقيق از ترتيب اجراي راهاندازي )ميزان سوخت شيرهاي تخليه هوا توان موتور راهانداز( در عملکرد پايدار کمپرسور و به دنبال آن توربين گاز را نشان داده است. از اين مدل ميتوان براي طراحي کنترلرهاي غيرخطي مانند کنترلر م د لغزشي و طراحي يک کنترلر شتاب براي دور روتور استفاده کرد. ميتوان در آينده تأثير بهکارگيري پرههاي راهنماي ورودي و شيرهاي تخليه طبقات مياني را به طور همزمان بر روي عملکرد توربين گاز در طي راهاندازي بررسي کرد. Fig. 8. Variation of exhaust temperature vs. time during start-up تشکر و قدردانی اين تحقيق با همکاري و حمايت شرکت توگا انجام شده است. Fig. 9. Variation of net torque vs. percentage of rotational speed during start-up لکششکشتغييرات گشتاور کل بر حسب درصد سرعت دوراني طي راهاندازي فهرست عالئم عالئم التين V x (m/s) U (m/s) سرعت محوري سرعت پره حجم بردار سرعت نرخ حرارت توان انرژي داخلي فشار حجم مخصوص V (m/s) Q (kw) W (kw) u (kj/kg) P (kpa) v (m 3 /kg) ) 2 g (m/s شتاب گرانش z (m) Fig. 10. Variation of turbine and compressor efficiency vs. percentage of rotational speed لکشکشکشتغييرات بازده کمپرسور و توربين بر حسب درصد سرعت دوراني در زمان راهاندازي ارتفاع 369
J.Eng. Gas Turbines Power, 135, pp. 092601-1 092601-7. [3] Litt, J. S., Parker, K. I., Chatterjee, S., 2003. Adaptive Gas Turbine Engine Control for Deterioration Compensation due to Aging, 16th International Symposium on Air breathing Engines, Cleveland, OH. [4] Borguet, S., Kelner, V., Leonard, O., Cycle Optimisation of a Turbine Engine: An Approach Based on Genetic Algorithms, Aerospace and Mechanical Engineering Department, University of Liege, Technical Report. [5] Kim, J. H., Song, T. W., Kim, T. S., Ro, S. T., 2001. Model Development and Simulation of Transient Behavior of Heavy Duty Gas Turbines, ASME J. Eng. Gas Turbines Power, 123, pp. 589 594. [6] Agrawal, R. K., Yunis, M., 1982. A Generalized Mathematical Model To Estimate Gas Turbine Starting Characteristics, Transactions of the ASME, 104, pp. 194-201. [7] Razak, A. M. Y., 2007. Industrial Gas Turbines Performance and Operability, CRC Press: Cambridge, UK. [8] Fox, R. W., McDonald, A. T., Pritchard, P. J., 2004. Introduction to Fluid Mechanics, Sixth Edition, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, NJ, USA. [9] Benser, W. A., 1965. Compressor Operation with One or More Blade Rows Stalled, Aerodynamic Design of Axial-Flow Compressors, I. A. Johnsen and R. O. Bullock, eds., NASA SP-36, pp. 341 364. [10] Walsh, P. P., Fletcher, P., 1998. Gas Turbine Performance, 1st Edition, Blackwell Science Ltd., London. Please cite this article using: عالئم يوناني آنتالپي ظرفيت گرمايي فشار ثابت ظرفيت گرمايي حجم ثابت منابع [1] Kulikov, G. G., Thompson, H. A., 2004. DynamicModeling of Gas Turbines, Springer-Verlag London, Ltd., UK. [2] Asgari, H., Chen, X., Menhaj, M. B., Sainudiin, R., 2013. Artificial Neural Network Based System Identificationfor a Single-Shaft Gas Turbine, ASME دما ثابت گاز گشتاور براى ارجاع به این مقاله از عبارت زیر استفاده کنید: H (kj/kg) C p (kj/ kg.k) C v (kj/ kg.k) T (K) R (kj/ kg.k) G (N.m) ) 2 J (kg.m ممان اينرسي قطبي سرعت دوراني ) 3 ρ (kg/m چگالي بازده زاويه جريان ω (rad/s) η α A. Ghaffari, R. Akhgari, E. Abbasi, Modeling and Simulation of MGT70 Gas Turbine Start-up Procedure Amirkabir J. Mech. Eng., 49(2) (2017) 363-370. DOI: 10.22060/mej.2016.621 370