Siemens Gas Turbine -SGT 750

Siemens Gas Turbine -SGT 750

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها بخش 9

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 9

 لینک بخش 8

مواردی که می بایست  هنگام انتخاب توربین بخار چک شوند

بعد از کنترل مقدار مصرف بخار موارد دیگری نیز هستند که می بایست برای اطمینان از عملکرد رضایت بخش توربین بخار کنترل گردند.

سایز فلنج ورودی: برای یک اندازه توربین یک مرحله ای ممکن است چندین اندازه فلنج ورودی ممکن باشد. با دقت شود که بر اساس استاندارد NEMA SM-23 (1991) مقدار سرعت ورودی می بایست حداکثر(53.3 m/s) 175 ft/s باشد.

 اندازه خروجی: مقدار سرعت در خروجی توربین بخار نیز دارای محدودیت می باشد. بر اساس استاندارد NEMA SM-23 (1991) مقدار سرعت مجاز بخار در فلنج خروجی توربین بخار  برای توربین های Backpressure معادل  250 ft/s (76.2 m/s)و برای توربین های Condensing  معادل 450 ft/s (137.2 m/s) می باشد.

·        مقدار سرعت ها از معادله زیر می توان به دست آورد:

مقدار گشتاور محور: توربین ها بر اساس طراحی خود قطر محور مشخصی دارند که می تواند مقدار توان مشخصی از توان را در سرعت مشخص انتقال دهد. در توربین های دور پایین این موضوع می بایست کنترل گردد. ( به عنوان مثال توربین هایی با دور 1500 دور بر دقیقه که مستقیما به پمپ متصل می شوند.)

بارهای بر روی پره ها: سرعت  و جریان بخار بر روی پره های در حال دوران ایجاد تنش می کند. از روی نمودار Goodman می توان مقدار بارهای مجاز بر روی پره را با توجه به سرعت، طراحی مکانیکی پره، جنس و دما به دست آورد.

رزنانس پره ها: برخورد بخار به پره ها می تواند موجب پدیده تشدید در پره های شود. این موضوع می تواند موجب شکست ناشی از خستگی بر اثر بارهای تناوبی بشود.

بارهای یاتاقان: نیروهای محوری که بر روی محور اعمال می شود می بایست توسط یاتاقان ها مهار شوند. برای توربین های ضربه ای (Impulse) یک طبقه نیروهای محوری به راحتی می توانند توسط یاتاقان های ساچمه ای جذب گردند. از یاتاقان های ساچمه ای دو ردیفه خود تنظیم در موارد که لازم است می توان استفاده کرد.

محدودیت های سرعت: پره ها، Shrouds، دیسکی که بر روی آن پره ها نصب می گردند و محور که دیسک بر روی آن نصب می گردد همگی دارای محدودیت سرعت هستند. سرعت تمامی این موارد می بایست کنترل گردد تا از رعایت محدوده های سرعت مجاز اطمینان حاصل گردد. همچنین سرعت بحرانی مجموعه روتور نیز باید کنترل گردد تا در محدوده مجاز باشد. برای دورهای بالا، هنگامی که طراحی معمول توربین در محدوده های مجاز قرار نمی گیرد،  استفاده از چیدمان های متفاوت پره ها، Shroud و روتور یکپارچه می توانند به عنوان راه حل هایی برای رسیدن به محدوده های مجاز باشند.

محدودیت نازل ها: هر پوسته توربین چیدمان مشخصی از نازل ها را با توجه به نوع و اندازه، تعداد نازل هاو مقدار نسبت قطر گلویی نازل، محل قرارگیری Hand valve، دوران و در دسترس بودن،  دارا می باشد. تمامی این متغییر ها می بایست در حالت کارکرد نرمال و همچنین شرایط کارکرد خارج از حالت نرمال بررسی گردند.

این مطلب ادامه دارد

ترجمه آزاد از: 

Selecting Steam Turbines For Pump Drives  by Michael A. Cerce and Vinod P. Patel

Proceedings Of The Twentieth International Pump Users Symposium • 2003

3D animation of industrial gas turbine working principle

3D animation of industrial gas turbine working principle

 

How a gas turbine work

چگونگی کارکرد توربین گاز

 

 

 

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها بخش 8

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 8

لینک بخش 7

مصرف بخار

مصرف بخار معمولا بر اساس مقدار وزن بخاری که در واحد زمان مورد نیاز است تا توربین توان لازم را با درنظر گرفتن شرایط بخار تولید کند، بیان می شود. مصرف بخار معمولا بر اساس پوند بر ساعت اسب بخار(lb/hp-hr) و یا کیلوگرم بر ساعت کیلووات(kg/kW-hr) می باشد.

در کل هرچه انرژی بیشتری در بخار موجود باشد جریان کمتری برای ایجاد یک توان مشخص مورد نیاز است. انرژی موجود در بخار را می توان از نمودار مولیر  (Molier chart)به دست آورد. همچنین می توان از منابعی مانند ASME Publication of Theoretical Steam Rate Tables (1969) نیز استفاده کرد. مصرف بخار تئوری (Theoretical steam rate (TSR)) مقدار بخاری را مشخص می کند که توربین بخار هنگامی که راندمان آن صد در صد است مصرف می کند. به طور حتم این موضوع ممکن نمی باشد به خصوص برای توربین هایی که توان های پایین دارند. در حالی که راندمان توربین های بخار نیروگاه های برق ممکن است تا 90 درصد برسد، راندمان توربین های یک مرحله ای حدود 60 درصد می باشد و توربین هایی با راندمان کمتر از 30 درصد نیز غیر معمول نیستند.

رابطه مابین توان، انرژی، راندمان و جریان بخار بر اساس فرمول زیر می باشد:

راندمان یک توربین یک مرحله ای  از مشخصات کارکردی به دست می آید. معمولا مشخصات عملکردی به صورت منحنی راندمان به نسبت سرعت ( نسبت مابین سرعت پروانه و سرعت خروجی از نازل های توربین) ارایه می گردد.

قطر (D) چرخ توربین بر اساس طراحی توربین بوده و مابین سازندگان توربین متفاوت می باشد. به عنوان مثال بعضی از توربین های یک مرحله ای در پنج قطر 12، 14، 18، 22 و 28 اینچ پیشنهاد داده می شوند.

سرعت توربین(N)  معمولا بر اساس تجهیزی که توسط توربین رانده می شود تعیین می شود ولی گاهی اوقات استفاده از چرخدنده برای بهینه کردن راندمان توربین یا اینکه توربین در سرعتی مطلوب کار کند توصیه می گردد.

به عنوان مثال: توربینی با این مشخصات را در نظر بگیرید 200hp، 3600 rpm، 600 pisg/650°F/25 psig و TSR= 14.377 lb/hp-hr. و قیمت بخار مصرفی آن معادل $5.0/1000 lb می باشد. مقدار انرژی قابل دریافت از بخار 3413/14.377=273 Btu/lb می باشد. انتخاب توربینی با قطر چرخ 14in ممکن است ارزان ترین انتخاب باشد که توان مورد نیاز را تامین می کند. نسبت سرعت مساوی با:

Velocity ratio= p×14×3600/(2×32×778×237)^½ =0.064

بر اساس نمودار شکل 12 مقدار راندمان پایه (Basic efficiency)توربین حدود 30 درصد می گردد. بعد از تصحیح، مقدار مصرف بخار معادل  38 lb/hp-hr می گردد.

در شکل 13 راندمان توربین بر روی نمودار مولیر نشان داده شده است.

·        اولین اتفاقی که می افتد افت هایی است که در Steam chest، شیر قطع و شیر گاورنر رخ می دهد.

·        نقطه دوم راندمان طبقه توربین می باشد. باید توحه کرد که راندمان پایه از توان مستقل می باشد.

·        افت های ناشی از windage، یاتاقان ها و سیستم تخلیه بخار راندمان کلی را ایجاد می کنند.

با با در نظر گرفتن قیمت $5.0/1000lb  برای بخار و 8000 ساعت کارکرد توربین در سال هزینه بخار مصرفی آن معادل عدد زیر خواهد بود:

فرض کنید هزینه اولیه خرید این توربین $25000 باشد. اگر توربین بزرگتر دارای قیمت $35000 باشد و مصرف بخار آن 33 lb/hp-hr باشد هزینه بخار مصرفی آن معادل مقدار زیر خواهد بود:

در نتیجه اضافه کردن $10000 در هزینه خرید می تواند موجب صرفه جویی سالانه $40000 شود.

به همین صورت اگر یک سایز توربین را بزگ تر کنیم قیمت آن $45000 خواهد شد و مقدار مصرف توربین معادل 30 lb/hp-hr خواهد شد که در نتیجه هزینه سالانه بخار مصرفی معادل $240,000 خواهد شد. که در نتیجه اضافه کردن $20000 به هزینه خرید موجب صرفه جویی $64000 در سال خواهد شد.

با در نظر گرفتن بزرگترین توربین (با قطر چرخ 28” ) هزینه خرید آن $55000 خواهد بود و مقدار مصرف بخار آن 27 lb/hp-hr می گردد. هزینه مصرف بخار سالانه $216000 خواهد شد. در نتیجه اضافه کردن $30000 هزینه اضافی در خرید موجب صرفه جویی سالانه $88000 خواهد گردید.

این مطلب ادامه دارد

ترجمه آزاد از: 

Selecting Steam Turbines For Pump Drives  by Michael A. Cerce and Vinod P. Patel

Proceedings Of The Twentieth International Pump Users Symposium • 2003

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها بخش 7

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 7

لینک بخش 6

اطلاعات لازم برای انتخاب توربین بخار

به منظور انتخاب توربین مناسب برای یک سرویس کاری مشخص، لازم است تا اطلاعات خاصی را از مشتری دریافت گردد. توان مورد نیاز تجهیزی که به توربین متصل می گردد و سرعتی که این توان در آن مورد نیاز است از موارد اصلی می باشند. مشتریان معمولا نقطه طراحی یا نرمال و همچنین حداکثر توان و سرعت مورد نیاز را مشخص می کنند. این مقدار می تواند حدود 10 درصد بالاتر از توان نرمال باشد.

اطلاعات دیگری که برای انتخاب توربین مورد نیاز است شرایط بخار موجود در سایت می باشد. فشار و دمای بخار ورودی به توربین بخار و همچنین فشاری که بخار در خروجی توربین می بایست داشته باشد برای انتخاب توربین مورد نیاز می باشد. این مقادیر مقدار انرژی قابل استحصال بخار را مشخص می کند.

داشتن اطلاعات فوق برای انتخاب توربین الزامی می باشد ولی ارایه اطلاعات دیگری که در زیر می آید به صورت اختیاری می باشد:

تجهیزی که به توربین متصل می گردد- در بسیاری از موارد تجهیزی که توسط توربین رانده می شود استفاده بعضی از تجهیزات جانبی را دیکته می کند. به عنوان مثال انتخاب نوع گاورنر،استفاده از جعبه دنده و بازه سرعت گاورنر.

نوع گاورنر – استاندارد کنترل مورد نیاز برای تجهیزی که توسط توربین رانده می شود ممکن است نوع گاورنر را دیکته بکند. به عنوان مثال در پکیج های کمپرسورهای هوا معمولا از گاورنرهای NEAM D با محدوده سرعت بسیار کم استفاده می کنند.

ملاحظات ویژه در عملکرد- بعضی از نیازمندی ها موجب افزایش تجهیزات شده که می بایست در اسناد مناقصه این نیازمندی های ذکر گردند. مانند Auto-startup.

اهمیت مصرف بخار تجهیز و یا هزینه بخار مصرفی در فرآیند ارزیابی پیشنهادات- سازندگان توربین بخار همواره ارزان ترین توربینی را که نیازمندی های پروژه را برآورده سازد پیشنهاد می دهند. معمولا پیشنهادی با راندمان بالاتر و با قیمتی بیشتر موجود می باشد که ممکن است با در نظر گرفتن هزینه های آینده توربین گزینه مناسب تری باشد.

این مطلب ادامه دارد

ترجمه آزاد از: 

Selecting Steam Turbines For Pump Drives  by Michael A. Cerce and Vinod P. Patel

Proceedings Of The Twentieth International Pump Users Symposium • 2003

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها بخش 6

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 6

 

لینک بخش 5

استاندارهای توربین بخار

NEMA SM-23 (1991) عمدتا به عنوان مشخصات فنی (Specification)توربین ها در نظر گرفته می شود و به مطالب آن در دیگر مشخصات فنی ارجاع داده می شود. به ویژه مشخصات NEMA برای تعاریف سیستم کنترل و بارهای مجاز لوله کشی بخار استفاده می گردد.

API 611 که در خصوص توربین های بخار مصارف عمومی صنایع پتروشیمی، شیمیایی و گاز می باشد، مرسوم ترین استاندارد برای استفاده کنندگان صنایع فوق می باشد. نیازمندی های استاندارد API از استاندارد NEMA سختگیرانه تر می باشد.، ولی نیازمندیهای مصرف کنندهای این حوزه بهتر منعکس کرده و پوشش می دهد. کاربرد توربین ها در صنایع فرآورش هیدروکربن ها معمولا شامل تامین توان مورد نیاز پمپ ها و فن ها می باشد. این استاندارد همچنین برای توربین های دیگری که در مصارف عمومی و کمتر مهم مانند محرک کمپرسور هوا و یا ژنراتورها به کار می روند، نیز کاربرد دارد. انطباق با نیازمندی های استاندارد API611 می تواند موجب شود تا توربین5 تا 50 درصد افزایش قیمت نسبت به توربین هایی که بر اساس استاندارد سازنده طراحی می شوند، داشته باشد.

استاندارد API 612  در خصوص توربین های مصارف ویژه در صنایع پتروشیمی، شیمیایی و گاز می باشد. این استاندارد سخت گیرانه ترین استاندارد توربین های بخار می باشد.توبین های تحت این استاندارد به عنوان محرک کمپرسورهای فرآیند ها که به عنوان قلب فرآیند می باشند استفاده می گردند.

استاندارد API 612  هزینه های توربین بخار به طور چشم گیری بین دو تا ده برابر افزایش می دهد. تغییرات ساختاری در این استاندارد شامل محفظه یاتاقان فولادی، حداقل سازی نیروهای محوری بر روی یاتاقان محوری، ساخت روتور به صورت یکپارچه و فورج شده، آزمون های مواد، مدارک فنی، آزمون های گسترده تر با بازه های تلرانسی کمترتر برای مواردی مانند ارتعاشات، استنفاده از شیر توقف و اختناق هیدرولیکی، گاورنر الکترونیکی و جلوگیری کننده الکترونیکی از افزایش سرعت غیر مجاز، هدر از جنس فولاد ضد زنگ، لوله کشی برای تخلیه روغن، چهار ساعت آزمون مکانیکی و از این نوع موارد می باشد.

توربین های بخار تحت استاندارد API612 معمولا دارای توان های بالا بوده لذا به منظور به حداقل رساندن مصرف بخار آنها را به صورت چند طبقه می سازند.

این مطلب ادامه دارد

ترجمه آزاد از: 

Selecting Steam Turbines For Pump Drives  by Michael A. Cerce and Vinod P. Patel

Proceedings Of The Twentieth International Pump Users Symposium • 2003

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها بخش 5

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 5

 لینک بخش 4

کنترل سرعت توربین بخار:

سرعت پمپ توسط گاورنر کنترل می شود. (شکل 11) برای توربین های ساده و کوچک گاورنر مکانیکی/هیدرولیکی بر روی روتور نصب می گردد. در داخل گاورنر حسگر سرعت وجود (جرم دوار (Flyweights))  دارد، بین سرعت توربین سرعت مورد نظر که بر روی گاورنر تنظیم شده است مقایسه انجام شده و یک سرووموتور توان مورد نیاز برای موقعیت دهی شیر گاورنر را ایجاد می کند. با تغییر مقدار باز و بسته بودن شیر گاورنر مقدار بخار ورودی به نازل ها تنظیم شده و در نتیجه سرعت در محدوده مورد نظر نگهداشته می شود. در گاورنرهای الکترونیکی سرعت توسط  Magnet pickup - MPU حس میگردد و تصحیح سرعت توسط یک Actuator  که بر روی شیر گاورنر نصب شده است انجام می گیرد.

استاندارد (NEMA SM-23 (1991 برای گاورنرها بر اساس نیازمندیهای بازه سرعت، تنظیم سرعت، تغییرات سرعت و افزایش سرعت تعاریفی را ارایه کرده است. (جدول 1) امروزه NEMA Aو NEMA D تقریبا مرسوم ترین نوع گاورنرهای الکترونیک و  الکترونیک هیدرولیک هستند.

این مطلب ادامه دارد

ترجمه آزاد از: 

Selecting Steam Turbines For Pump Drives  by Michael A. Cerce and Vinod P. Patel

Proceedings Of The Twentieth International Pump Users Symposium • 2003

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها بخش 4

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 4

 

لینک  بخش 3

آب بندی محور:

در توربین های کوچک معمولا ازرینگ های کربنی برای آب بندی و جلوگیری از نشت بخار به محیط استفاده می شود. در فشارهای بالا ترکیب رینگهای کربنی و Labyrinth استفاده می گردد. در این چیدمان نیاز به یک اتصال خروج نشتی وجود دارد که نشتی بخار را به لوله های تخلیه تاسیسات هدایت کند. (شکل 10)

یکی از ایرادات عمومی توربین های بخار نشت بخار به سیستم آب بندی و ورود آن به سیستم آب بندی محفظه یاتاقان و در نهایت وارد شدن آن به روغن می باشد. برای این مشکل چند  راه حل های وجود دارد.

یکی از این راه ها استفاده از Ejector می باشد. در این راه حل با استفاده از ایجاد خلاء بخار از طریق اتصال تخلیه موجود بر روی سیستم آب بندی بیرون کشیده می شود. این راه حل هزینه بر بوده و نیاز به آب یا بخار دارد ولیکن عملکرد بسیار خوبی دارد.

راه حل دیگر استفاده از سیستم های آب بندی قوی تر می باشد. بدین منظور از Gas seal face که در کمپرسورها نیز به کار می رود استفاده می شود. عملکرد درست این نوع آب بندی به کیفیت بالای بخار، عدم وجود مایع - حتی در موقع راه اندازی- و در نظر گرفتن انبساط حرارتی مجاز که بر اثر دمای بالای کارکرد توربین رخ می هد، بستگی دارد.

روش دیگر انجام آب بندی کامل محفظه یاتاقان است به طوری که امکان ورود بخار به آن وجود نداشته باشد. تعدادی از شرکت ها “Bearing isolator” برای آب بندی بهتر محفظه یاتاقان تولید می کنند.

-         نمونه ای از Bearing isolator ساخت شرکت SKF

به منظور استفاده موثر از این نوع آب بندی محفظه یاتاقان مواردی مانند دمای کاری توربین و انبساط های مربوطه، سرعت دورانی توربین، فضا و جای گیری آب بند در محفظه یاتاقان و در بعضی موارد مناسب بودن آن برای روانکاری تحت فشار در نظر گرفته شود.

این مطلب ادامه دارد

ترجمه آزاد از: 

Selecting Steam Turbines For Pump Drives  by Michael A. Cerce and Vinod P. Patel

Proceedings Of The Twentieth International Pump Users Symposium • 2003

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها بخش 3

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 3

لینک بخش دوم

روتور و تکیه گاه روتور

در توربین های کوچک روتور معمولا ساختار استانداردی بر مبنای اندازی پوسته توربین دارد و قطر محور، ابعاد انتهای محور، فاصله بین دو یاتاقان و غیره معمولا یکسان می باشد. پره ها به وسیله شیار های T شکل و یا کاجی شکل بر روی دیسک نصب می گردند. پره ها معمولا دارای Shroud بوده که به منظور کاهش تحریک به یکدیگر متصل می گردند.(شکل 7)

دیسک با انطباق انقباضی و خار بر روی محور نصب می گردد.

 

T-slots

شیار های T شکل و یا کاجی شکل

از یاتاقان های ژورنال که معمولا توسط حلقه روغنکاری(Oil ring)  روانکاری می گردند به عنوان تکیه گاه روتور استفاده می گردد. (شکل 8) در محفظه یاتاقان راهگاه هایی برای چرخش آب خنک کاری در نظر گرفته شده تا دمای روغن روانکار پایین نگه داشته شود. (شکل 9)

در صورت وجود موارد ذیل ممکن است استفاده از روانکاری تحت فشار برای توربین بخار لازم گردد:

·        سرعت های بالاتر از 5000 دور بر دقیقه. در این حالت حلقه روغنکاری (Oil ring)کاربرد ندارد.

·        در صورت استفاده از Tilt-pad thrust bearing، این نوع از یاتاقان ها برای توان های بالا و یا بر اساس درخواست مشتری در نظر گرفته می شوند.

·        دما خروجی بخار بالا باشد. دمای خروجی بخار منبع حرارتی است که فاصله کمی با محفظه یاتاقان دارد. بسته به انتقال دمای محور و سیستم خنک کاری دمای بالای محور می تواند موجب کربونیزه شدن روغن بشود.

·        در صورتی که شیر توقف و یا شیر اختناق (Trip and throttle valve) استفاده گردد. اکثر این شیر ها با روغن عمل می کنند، لذا در این صورت نیاز به سیستم روغن می باشد.

·        در صورتی که گیربکس در مجموعه استفاده گردد،  روانکاری تحت فشار می بایست برای گیربکس در نظر گرفته شود. در این صورت هزینه روانکاری توربین حداقل بوده و در حد اتصالات توربین به سیستم روانکاری می باشد.

ادامه مطلب

ترجمه آزاد از: 

Selecting Steam Turbines For Pump Drives  by Michael A. Cerce and Vinod P. Patel

Proceedings Of The Twentieth International Pump Users Symposium • 2003