توربین بخار چگونه کار می کند

توربین بخار چگونه کار می کند

 

 

 

Steam turbine operation

Steam turbine operation

 

 

 

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها بخش 11

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 11

لینک بخش 10

 

راهنمای استفاده از توربین های جند طبقه

کلا در صورتی که توربین یک طبقه پاسخ گوی شرایط کاری می باشد، استفاده از آنها به دلایل قیمتی به توربین های طبقاتی ترجیح داده می شود. قیمت یک توربین چند طبقه حدود 20 برابر قیمت توربین یک طبقه است که همان عملکرد را دارد.

توربین های چند طبقه هنگامی استفاده می شوند که توربین های یک طبقه پاسخگوی شرایط کاری نبوده و یا بهبود راندمان مورد نیاز می باشد. دلایل استفاده از توربین های چند طبقه شامل موارد ذیل می باشد:

- نیاز به خروجی های بزرگتری نسبت به آنچه که در توربین های یک طبقه موجود است مورد نیاز باشد. این حالت معمولا در توربین هایی که دارای خروجی آنها معادل فشار چگالش می باشد رخ می دهد.

- مصرف بخار برای خریدار توربین از اهمیت بالاتری برخوردار می باشد. توربین های چند طبقه معمولا ب مقدار قابل ملاحظه ای دارای راندمان بالاتری می باشند.

- مقدار توان مورد نیاز از مقدار توانی که توربین یک طبقه می تواند با توجه به بار اعمالی بر روی پره تامین کند، بیشتر 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 10

انتخاب توربین بخار برای محرک پمپ ها

بخش 10

لینک بخش 9

استفاده از Hand valve

در بسیاری ازموارد، تجهیزی که به توربین بخار متصل می گردند در محدوده مشخصی از شرایط کاری عمل می کند. با توجه به این موضوع توربین بخار نیز می بایت قابلیت تامین توان و سرعت در این محدوده های عملکرد را داشته باشد. به علاوه شرایط بخار ورودی به توربین ممکن است تغییر کند. این عوامل گاهی باعث می شوند تا توربین بخاری باقابلیت توان بالاتری از توان نقطه نرمال انتخاب شده و در نتیجه عملکرد آن در نقطه نرمال دارای بازده لازم نباشد.Hand valve بر روی توربین های بخار می تواند در تامین شرایط کاری این نقاط کمک کند. (شکل 14)

استفاده از Hand valve این امکان را فراهم می کند تا توربین بتواند شرایط عملکردی مختلفی را بدون تغییر عمده ای در مقدار مصرف بخار، تامین کند.

مثال

سرعت توان و نرمال پمپ: 770 اسب بخار در 3600 دور بر دقیقه

شرایط نرمال بخار: 600 psig/700°F و فشار خروجی 175psig

بر اساس نیازمندی ها توربین می بایست بتواند10 درصد توان بیشتر (847 hp) را تا مین کند. به علاوه شرایط بخار دارای تغییرات زیر می باشد:

Minimum inlet conditions: 550 psig/650°F

Maximum inlet conditions: 625 psig/750°F

Minimum exhaust pressure: 150 psig

Maximum exhaust pressure: 200 psig

توربین انتخاب شده می تواند 9 نازل در قسمت اصلی نازل ها و 2 نازل در هر Hand valve داشته باشد.

بر اساس نیازمندی های API توربین می بایست قابلیت تامین حداکثر توان با حداقل شرایط بخار ورودی و حداکثر شرایط بخار خروجی را داشته باشد. در اینجا اثر انتخاب توربینی که شرایط کارکرد نرمال و ده درصد افزایش توان را دارا می باشد بر طراحی توربین بررسی می کنیم. حالت کاری اصلی در جدول 2 نشان داده شده است. حال می بینیم که برای مصرف بخار توربینی که برای حداقل و حداکثر شرایط طراحی شده است چه رخ می دهد.

همانگونه که دیده می شود که انتخاب بر اساس شرایط حداقل/حداکثر طراحی تعیین می کند که حداکثر سطح  نازل مورد نیاز است. در هنگام کارکرد توربین در شرایط نرمال به دلیل اینکه بخار ورودی برای رسیدن به شرایط کاری نرمال می بایست محدود گردد، مقدار مصرف بخار تحت تاثیر قرار می گیرد. اضافه کردن یک Hand valve دیگر نیز کمکی نخواهد کرد. نه عدد نازل اصلی در نظر گرفته شده نیز نمی توانند توان طراحی را تولید کنند.

نکته دیگر در خصوص hand valve این است که به طراحان توربین این امکان را می دهد که نازل ها را برای عملکرد های مختلف بهینه کنند. اتفاقی در صورت عدم استفاده از Hand valve در حالت حداقل/حداکثر می افتد در جدول 4 نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده می گردد عدم استفاده از Hand valve بیشترین تاثیر را دارا می باشد. استفاده از Hand valve می تواند حدود 200000 دلار درسال صرفه جویی ایجاد کند.

ذکر است Hand valve اتوماتیک نیز وجود دارد که می تواند در نقاط از پیش تعیین شده باز بسته گردد. هزینه Hand valve اتوماتیک نسبت به صرفه جویی که می تواند ایجاد کند بسیار پایین می باشد.

علاوه بر تاثیر بر مصرف بخار، در صورت نبود Hand valve شیر گاورنر به حالت نیمه باز در می آید. در این حالت دو اثر منفی رخ می دهد یکی افزایش سطح صدای تولیدی بوده و دیگر رخ دادن لزرش در شیر گاورنر. این دو مشکل از شکایات اصلی می باشد که معمولا به بخش خدمات پس از فروش توربین ها گفته می شود. معمولا راه حل این مشکل ساده بوده و با بستن Hand valve مشکل حل می گردد.

بدترین حالتی که برای مصرف کننده های نهایی رخ می دهد این است که آنها در خواست تغییر شیر گاورنر و یا رینگ نازل ها را می دهند تا توربین در نقطه کاری واقعی خود کار کند.

نتیجه منفی دیگری که بر اثر مشخص کردن محدوده گسترده عملکرد رخ می دهد اثر آن بر روی اندازه ورودی و خروجی توربین و اندازه پوسته آن می باشد. به منظور بر آورده کردن شرایط قابل قبول سرعت بخار در خروجی توربین اندازه فلنج خروجی مورد قبول ممکن است از اندازه نازل خروجی ارزان ترین پوسته موجود که شرایط کاری را برآوره می سازد بزرگ تر باشد. این موضوع موجب می شود تا سازنده توربین بزرگتری را انتخاب کند. این موضوع نه تنها  موجب افزایش هزینه توربین می گردد، بلکه هزینه های اتصال به لوله کشی، شیر توقف و شیر اطمینان و غیره را نیز افزایش می دهد.

لذا توصیه های زیر در این خصوص انجام می گردد:

- سازندگان پمپ نبایست توان بیش از لزوم را اعلام کنند

- خریداران توربین نبایست از سناریوی بدترین حالت ممکن استفاده کنند مگر اینکه این شرایط فشار و دما واقعا اتفاق بیافتد. در صورت نیاز در استفاده از نیازمندی حداکثر توان در شرایط حداقل شرایط ورودی بخار/حداکثر شرایط خروجی بخار تخفیف اعمال کنند.

- استفاده کنندگان توربین از Hand valve در موارد لازم حتما استفاده کنند.

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