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

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