نوشتار آموزشی در خصوص توربین های بخار که به عنوان محرک پمپ های تغذیه بویلر استفاده می شوند

نوشتار آموزشی در خصوص توربین های بخار که به عنوان محرک پمپ های تغذیه بویلر استفاده می شوند

Tutorial On Steam Turbine Drivers For Fossil And Nuclear Feed Pump Applications

 

این مقاله برای کسانی تدوین شده است که با طراحی و عملکرد توربین های بخاری که محرک پمپ های تغذیه بویلر هستند، آشنا نیستند. در این مقاله چگونگی دیکته شدن طراحی توربین محرک پمپ  توسط پمپ و توربین اصلی تولید برق ارایه می شود. منبع بخار از بویلر و خروجی واحد توربین اصلی تامین می شود. پارامترهای عملکردی مانند توان و سرعت بر اساس نیازمندی های پمپ تنظیم می گردد.

در این نوشته چیدمان های مختلفی که استفاده می شود و اینکه چگونه می توان بخار از دو منبع متفاوت را به یک ماشین وارد کرد توضیح داده خواهد شد. تشریح خواهد شد که چگونه این منابع استفاده و کنترل می گردند. اجزاء اصلی، روتور و دیافراگم، با جزییات توصیف می گردند. دیگر اجزاء مانند یاتاقان های ژورنال، یاتاقان های کف گرد و دیگر اجزاء مختلف تشریح می گردند.

خواننده در پایان باید به درک خوبی از نحوه عملکرد توربین بخار و عملکرد آن در هنگام اتصال به پمپ و ژنراتور برسد.

Download link:

Tutorial On Steam Turbine Drivers For Fossil And Nuclear Feed Pump Applications
حجم: 4.2 مگابایت

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 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