پدیده موج دار شدن (Surging)

موج Surge چیست؟

   در شکل، منحنی مشخصه یک کمپرسور گریز از مرکز به همراه یک سیستم کنترلی نشان داده شده است. همانطوری که از شکل پیداست منحنی در سمت چپ تا مقدار Q=0 رسم نشده و بلکه دارای بریدگی می باشد. حداقل دبی رسم شده در این شکل دارای عنوان Surge Limit می باشد یا به عبارت دیگر اگر مقدار دبی از حد فوق کمتر باشد، سیستم با پدیده ای مواجه خواهد شد که آن را اصطلاحاً موج دارشدن می نامند. اولین علامت مشخصه این پدیده بروز یک حالت رفت و برگشت در جریان گاز در کمپرسور می باشد که با سر و صدای زیادی توأم می باشد.

منحنی مشخصه یک کمپرسور گریز از مرکزبه همراه سیستم کنترل سرج

    فشار دهش دارای نوسانات شدیدی بوده و دمای گاز افزایش می یابد. بدیهی است به لحاظ نوسان فشار، روتور دائماً تحت معرض فشار در جهت های روبه جلو و عقب بوده وهمین امر موجب وارد شدن بار اضافی بر روی یاطاقان بار محوری (Thrust Bearing) می گردد. بر حسب سرعت دورانی کمپرسور و کیفیت یاطاقان، پدیده موج دار شدن می تواند بعد از 2000-100 مرتبه تکرار باعث خرابی یاطاقان بار محوری شود. کمپرسورهایی که در سرعت کم کار می کنند نسبت به پدیده موج کمتر حساس می باشند. به عنوان مثال کمپرسورهایی که در سرعت دورانی کمتر از 3000 دور در دقیقه کار می کنند در مقابل این پدیده کاملاً ایمن بوده و این در حالی است که کمپرسورهای با سرعت دورانی 10000 دور در دقیقه شدیداً نسبت به این پدیده حساس بوده و در صورت مساعد بودن شرایط در معرض پدیده موج قرار می گیرند. قبل از ورود به بحث پدیده موج (Surge) ذکر این نکته ضروری است که کمپرسورهای گریز از مرکز ماشین هایی هستند که قادرند ارتفاع پولی تروپیک ثابتی را که تابعی از مشخصه های مکانیکی کمپرسور، دبی گاز و سرعت آن باشند ایجاد نمایند و این مقدار مستقل از خواص فیزیکی گاز مورد تراکم است. از نظر مهندسین فرایند آنچه که مهم به نظر می رسد، دانستن این امر است که کمپرسور می تواند به ازاء فشار مکش معین، فشار دهش مشخصی را در قسمت خروجی کمپرسور ایجاد کند در این صورت ارتفاع پولی تروپیک در یک کمپرسور برابراست با:

 

ادامه مطلب ...

بررسی فنی NOX- تولید و کاهش

بررسی فنی – اقتصادی سیستم های متعارف کاهش NOX در نیروگاه های گازی و سیکل ترکیبی

   اکسیدهای نیتروژن یکی از آلاینده های اصلی توربین های گازی هستند از این رو با رشد نیروگاه های گازی و سیکل ترکیبی در کشور و با توجه به استانداردهای جدید جهانی، نگرانی های زیست محیطی درباره تولید و انتشار این آلاینده رو به افزایش است. از آنجاکه درجه حرارت گاز ورودی به توربین، فاکتور اصلی اثرگذار بر بازده سیستم است و بالا بودن آن باعث تولید NOx بیشتری می شود، تکنیک کاهش و کنترل انتشار باید بگونه ای اتخاذ شود که بر عملکرد توربین تاثیر نامطلوب نداشته باشد.

   انتشار NOx علاوه بر تشکیل باران های اسیدی و تخریب لایه ازن، سبب تشکیل ازن در لایه های پایینی جو شده که خود عامل اولیه و اصلی آلودگی هوای شهرها است. با توجه به اثرات مخرب انتشار NOx بر سلامت انسان و سایر موجودات و همچنین کارکرد مناسب و با راندمان بالای توربین های گاز، بررسی روش های مختلف کاهش NOx مورد توجه متخصصان قرار گرفته است. از جمله روش های مرسوم می توان به استفاده از مشعل های احتراق با NOx پایین، پاشش آب یا بخار، بازگشت گاز دودکش (FGR)، کاهش با کاتالیست انتخابی (SCR)، احتراق مجدد سوخت، بهینه سازی احتراق و احتراق کاتالیستی اشاره کرد که به بررسی طرح های بهینه پرداخته می شود.

تشکیل اکسیدهای نیتروژن در توربین های گازی

   تشکیل اکسیدهای نیتروژن در پروسه احتراق توربین گاز، در نتیجه تجزیه مولکول های N2 و O2به اتم های نیتروژن و اکسیژن است که واکنش بعد از این تجزیه، سبب به وجود آمدن اکسیدهای نیتروژن( N2O5, N2O4, N2O3, N2O, NO3, NO2, NO) خواهد شد که اکسید نیتروژن و دی اکسید نیتروژن با بالاترین درصد تشکیل، سهم عمده ای در انتشار آلودگی دارند. دو مکانیزم اساسی تشکیل NOX در مشعل توربین های گازی رخ می دهد که عبارتند از:

1- اکسیداسیون نیتروژن موجود در هوای احتراق(NOx حرارتی و سریع)

2-  تبدیلات شیمیایی باندهای نیتروژنی سوخت (NOx سوختی)

 1.مکانیزم تشکیل اکسیدهای نیتروژن حرارتی و سریع

واکنش های شیمیایی که در آن اکسیژن و نیتروژن موجود در هوای احتراق، تشکیل NOx حرارتی می دهند به عنوان مکانیزم Zeldovich شناخته شده اند که در درجه حرارت بالای مشعل توربین گاز، رخ می دهند. با افزایش درجه حرارت و زمان اقامت، تولید NOx به ترتیب به شکل توانی و خطی افزایش پیدا می کند. NOx حرارتی در دمای بالای 1500 درجه سانتی گراد شکل می گیرد و در حدود 95 درصد محصولات واکنش NO و باقیمانده به صورت N2O و NO2 است.

   تشکیل NOx سریع (Prompt) در اثر اکسیداسیون محصولات جانبی احتراق از قبیل NH, HCN و N است، که سهم نسبتا کمی در مشعل های استوکیومتری دارند اما با کاهش نسبت اکی والانی (اگر میزان سوخت کمتر از اکسیژن موجود باشد) سهم NOx های سریع، افزایش می یابد.

2.مکانیزم تشکیل NOx سوختی

در صورت حضور نیتروژن و یا باندهای نیتروژنی در سوخت مصرفی، مکانیزم تشکیل NOx سوخت شکل می گیرد. بالعکس تشکیل NOx حرارتی، در این مکانیزم، درجه حرارت، تاثیر زیادی بر پیشرفت واکنش نداشته و در دمای پایین، اکسیدهای نیتروژن تشکیل می شوند. طی این واکنش، نیتروژن موجود در سوخت سریعا به سیانید هیدروژن و آمونیاک تبدیل می شود و سپس در صورت حضور اکسیژن، این ترکیبات اکسید می شود. NOx حاصل از این مکانیزم به وضعیت استوکیومتری احتراق بسیار حساس بوده و در واقع نسبت میان سوخت و هوا عامل اصلی تاثیر گذار است. اگر مرحله ای که طی آن ترکیبات سیانید هیدروژن و آمونیاک تشکیل شده اند زیر حد استوکیومتری نگه داشته شود یعنی میزان هوای احتراق کاهش یابد، ترکیبات مذکور اساسا به مولکول نیتروژن تبدیل می شوند. بنابراین با اتخاذ تدابیر صحیح در تزریق هوای احتراق به داخل مشعل و در واقع کاهش اکسیژن دریکی از مراحل احتراق، می توان از تشکیل این نوع اکسیدهای نیتروژن جلوگیری کرد

استانداردهای جدید انتشار NOx

ریخته گری با قالب های سرامیکی

ریخته گری با قالب های سرامیکی شبیه به قالب های گچی می باشند با این تفاوت که مواد مورد استفاده از این نوع قالب ها تحمل حرارتهای بالا را دارند و برای کارکرد در دماهای بالا مناسب هستند. دوغاب شامل ترکیبی از ریزدانة زیرکون (ZrSiO₂) اکسید سیلسیوم به همراه رزین می باشد. بعد از گرفتن دوغاب قالب ها)  صفحات سرامیکی  (خشک شده و سوزانده می شود تا مواد تبخیر شدنی آن خارج و قالب نیز پخته شود. مدل می تواند از چوب یا فلز باشد. قالب ها محکم بسته می شود و به عنوان قالب تمام سرامیکی مورد استفاده قرار می گیرد. در فرآیند شاو (Shaw process) وجوه سرامیک برای حصول به استحکام توسط خاک نسوز پخته می شود. سپس این وجوه سرامیکی روی هم سوار و آماده ریخته گری می شود (شکل 1).

 

شکل(1). قالب سرامیکی برای ریخته گری قالب های فولادی فورج

   مقاومت این قالب در دماهای بالا سبب شده است این نوع قالب برای ریخته گری فلزات آهنی و آلیاژهای دما بالا، فولاد زنگ نزن و فولادهای ابزار استفاده شوند. قطعة ریخته گری شده دارای دقت ابعادی بالا و کیفیت سطح خوب می باشد. قطعات ریخته گری شده با این روش می توانند دارای اشکال پیچیده با ابعاد مختلف باشند. این فرآیند یک روش تولید گران قیمت می باشد. قطعاتی که معمولا با این روش تولید می شوند، پره های توربین، ابزار برش ماشینکاری، قالب های مورد استفاده در شکل دهی فلزات و قالب های مورد استفاده برای قطعات پلاستیکی و یا لاستیکی می باشد. با این روش می توان قطعاتی با وزن بیش از 700 kg را نیز تولید کرد.

ریخته گری در قالب های پوسته ای

 

 فرآیند ریخته گری در قالب های پوسته ای برای اولین بار در دهه ١٩٤٠ مطرح و به سبب مزیت این روش ریخته گری در تولید فلزات با دقت ابعادی بالا، کیفیت سطح خوب و قیمت پایین، استفاده از آن به طرز چشمگیری گسترش پیدا کرد. در این روش مدل ساخته شده از آلومینیوم یا فلزات آهنی تا دمای 175-370 حرارت داده شده، سپس توسط موادی مانند سیلیکون پوشش داده می شود و درون یک محفظه یا جعبه قرار داده می شود. این محفظه حاوی ذرات ریز ماسه به همراه 2.5%-4% رزین ترموست (Thermoset) نظیر فنل فرمالدئید که پوشش دهندة ماسه است، می باشد. این محفظه دوران می کند و مخلوط ماسه بر روی مدل ریخته می شود، سپس مجموعه برای مدت اندکی به منظور عمل آمدن رزین در داخل کوره قرار داده می شود، سپس پوستة دور مدل سخت شده و توسط میلة بیرون انداز از روی مدل برداشته می شود.

   با کنترل زمان تماس قالب (پوسته) با مدل می توان ضخامت پوسته را به دقت محاسبه نمود. این پوسته ها سبک و نازک بوده و خواص حرارتی آنها با قالب های ضخیم تفاوت دارد. معمولا کیفیت بالای قطعة ریخته گری با این روش هزینه های مربوط به تمیزکاری، ماشین کاری و عملیات پایانی را کاهش می دهد.

   مزیت روش ریخته گری در قالب های پوسته ای، امکان ساخت اشکال پیچیده بدون نیاز به مهارت زیاد است. این فرآیند را می توان به آسانی به صورت اتوماتیک در آورد. با این روش می توان قطعات مکانیکی نظیر پوستة دنده ها، سرسیلندر، شاتون و … که نیاز به دقت بالا دارند را تولید نمود. با ریخته گری در قالب های پوسته ای امکان تولید دقیق ماهیچه های قالب ها نیز وجود دارد. از معایب این روش هزینه زیاد می باشد.

تحلیل ترمودینامیکی نیروگاه گازی و مقایسه آن با سیکل ایده آل برایتون

معمولاً برای بررسی نیروگاه گازی ساده، سیکل ایده آل برایتون در نظر گرفته می‌شود. فرضیاتی که برای سیکل ایده آل برایتون در نظر گرفته می‌شود عبارتند از:

1. بازگشت پذیر بودن فرآیندهای فشرده سازی در کمپرسور و انبساط در توربین گازی
2. قابل اغماض بودن اختلاف انرژی جنبشی سیال در ورودی و خروجی هریک از تجهیزات
3. عدم وجود افت فشار در محفظه احتراق، فیلترهای هوای کمپرسور، مجراهای مربوط به ورود هوا یا خروج گازهای احتراق
4. عدم تغییر در دبی و ترکیب درصد سیال در مراحل مختلف سیکل

   نقاط 1 و 2 در شکل زیر به ترتیب بیانگر شرایط هوای ورودی و خروجی کمپرسور است. هوای خروجی کمپرسور در یک فرآیند فشار ثابت در محفظه احتراق، محترق شده و در نهایت گازهای احتراق وارد توربین گازی می‌شود. نقاط 3 و 4 شرایط گازهای ورودی و خروجی توربین گازی را نشان می‌دهد.

     

شکل(1). سیکل ایده آل نیروگاه گازی (سیکل برایتون)

پارامترهای کلیدی سیکل برایتون دمای گازهای ورودی به توربین گازی (دما در نقطه 4) و نسبت فشار کمپرسور به توربین گازی است. جنس توربین محدود کننده دمای گازهای ورودی به توربین گازی است و بسته به این دما یک نسبت فشار بهینه برای توربین گازی وجود دارد. برای ترسیم نمودار در منطقه فشار ثابت بر مبنای ایده آل بودن هوا در فشارهای کمتر از 10 بار می‌توان ارتباط دما و انتروپی را توسط رابطه زیر بیان کرد:

از طرفی ...