فیلتراسیون و بررسی اثرات آن در توربین های گازی case study @ university

سلام

این موضوع و کارکردن من در این سالها در بحث فیلتراسیون مخصوصا در اتاقهای تمیز cleanroom باعث شد تا این موضوع را در دانشگاه برای یکی از ارائه هایم انتخاب کنم.

مطالب زیر از منابع مختلفی تهیه شده اما اصول آن و آنچه که ذکر می شود در تمام جاهایی که کیفیت هوا برای آنها مهم ااست قابل کاربرد است

 

امروزه آگـاهی در رابـطه با بهبـود سیستـم پـاکسـازی و تصفیه هـوای ورودی بـه توربین گـاز( Gas Turbine Air Filtration)  رشد فزایندهای یافته است.به طورساده میتوان گفت که فیلتر و تمیز کردن هوای ورودی به کمپرسور، نقش بسیار مـهمی در عمـلکرد توربینهای گازی ایفا میکند.

هنگامی که هوای ورودی به کمپرسور کاملاً تصفیه و پاک باشد، کمک زیادی به تولید برق باراندمان بالا، کرده و برای شرایط ارایه شده هر قدر هوا تمیزتر باشد، قدرت تولیدی گاز بیشتر خواهد بود.

 

سه مشکل اساسی و مهم که هوای کثیف میتواند برای توربینهای گاز به وجود آورد عبارتند از :

ساییدگی( Erosion)  پره ها، کثیف شدن (Fouling) کمپرسور و گرفتگی راهگاههای خنککنندگی در پره ها.

شرایط فوق باعث میشود که راندمان توربین گاز، کاهش یابد که نتیجه آن کاهش تولید برق و در انتها کاهش در سود نیروگاه، است. علاوه بر آن، صدمات و خسارات مالی نیز به قسمتهای دوار مخصوصاً پره های توربین، کمپرسور و ... وارد میشود.

 

بخش اول

مصرف انرژی و اثر فیلتراسیون

طراحی فیلترهای هوای ورودی به توربینهای گاز باید به صورتی انجام شود که دو اصل مهم راندمان فیلتراسیون و کمترین مقدار افت فشار را در حال تعادل نگاه دارد.توربینهای گاز باید طوری طراحی شوند که کمترین انرژی برای مکیدن هوا از بیرون، توسط توربین گاز مصرف شود. بنابراین در حالی که فیلترهای توربین گاز بیشترین ناخالصیهای موجود در هوا را باید تصفیه کنند (راندمان بالای فیلتراسیون) کمترین افت فشار در مرحله مکش هوا باید وجود داشته باشد.کاهش در افت فشار سیستم فیلتر هوای ورودی باعث میشود که توربین گاز، انرژی کمتری برای مکیدن هوا مصرف کند که نتیجه آن، انرژی زیادتر تولیدی، خواهد بود.نیاز به متعادل کردن دو عامل فوق، زمانی قابل درک است که در دو حد نهایی عمل فیلتراسیون حرکت کنیم.

 

 


ذرات کوچک ولی با صدمات زیاد

 

هرچند که گردوغبار و سایر ذرات موجود در هوا، ابعاد کوچکی دارند ولی میتوانند صدمات زیادی به توربین گازوارد کنند.پره های کمپرسور و توربین گاز طوری طراحی و ساخته شدهاند که یک گذرگاه جریان هوای آیرودینامیکی بسیار دقیق و حساس بوجود بیاورند. هر عاملی که در جریان یافتن هوا به صورت آیرودینامیکی دخالت کند، میتواند باعث کارکرد بیشتر توربین گاز برای حرکت گاز شود که موجب افت راندمان میشود.

 

محورهای توربین گاز قطور است (بطور معمول ۱ تا ۵/۱ متر قطر دارند) ضمن آنکه این محورها در دورهای بالا (چند هزار دور در دقیقه) کار میکنند.با در نظر گرفتن عوامل فوق، میتوان دید که اصابت مداوم ذرات موجود در هوا به پره های کمپرسور و توربین در حالی که با سرعت زیاد در حال حرکت است باعث وارد آمدن صدمات زیادی به پره ها میشود.

 

بنابراین میتوان نتیجه گیری کرد که عمل فیلتراسیون از نظر نگهداری کمپرسور و توربین و از دیدگاه راندمان، بسیار مهم است.ساییدگی Erosion مشکلی است که بر اثر برخورد ذرات بزرگ (ذراتی که از اندازه ۱۰ میکرون و بزرگتر ساخته شدهاند) با پره های کمپرسور و توربین به وجود آمده و باعث تخریب پره های کمپرسور و توربین میشود.

 

به عنوان مورد حاد، میتوان از ساییدگیهای زیاد در پره ها، نام برد، به عنوان مثال در یک مورد در اواخر دهه ۱۹۷۰ میلادی در رابطه با سیستم فیلتراسیون استائیک با درب کنارگذر (by pass door) میتوان یاد کرد که در این حادثه درب کنارگذر بر روی هوای فیلتر نشده که از کویر در هنگام طوفان میآمد باز شده بود که بر اثر آن تمام پره های توربین گاز کاملاً از بین رفتند.

 

حادثه فوق گویای این مطلب است که بر اثر فیلتر نکردن هوا میتوان پره های توربین را کاملاً از بین برد. امروز با استفاده از سیستمهای پیشرفته فیلتراسیون میتوان خطر ساییدگی را از بین برد. هم اکنون سازندگان فیلتر در حال مطالعه و تحقیق بر روی اثرات مخرب ذرات بسیار ریز (۵ میکرون و کوچکتر) بر روی پره ها هستند.

 

ذرات کوچک، باعث خوردگی پره ها، کثیف شدن کمپرسور و گرفتگی راهگاههای خنککننده پره های توربین میشود.خوردگی در محلهایی که ذرات همراه با مواد یا بخارات شیمیایی معلق در هوا با فلز پره توربین گاز ترکیب شود باعث خسارت به پره ها میشود.

 

کثیف شدن کمپرسور بر اثر جمع شدن اجسام ریز بر روی پره در قسمت پایین دست کمپرسور به وجود میآید که باعث کاهش شدید راندمان سیستم توربین و افزایش نرخ حرارتی (Heat Rate) توربین گاز و در نتیجه افزایش مصرف سوخت میشود.

 

گرفتگی در راهگاههای خنک کننده پره های توربین یکی دیگر از مشکلات فیلتراسیون است که باید مورد بررسی قرار گرفته و برطرف شود. پره های توربین گاز در محیطی قرار دارند که بسیار داغ است. هوای فشرده پس از ورود به اطاق احتراق و ترکیب با سوخت و انجام عمل احتراق بصورت دود با درجه حرارت بسیار بالا از منطقه احتراق خارج شده و به پره های توربین برخورد میکند. بنابراین محیطی که پره های توربین گاز در آن قرار دارد بسیار گرم است.

 

برای خنک کردن پره های توربین گاز از هوای فشرده برگرفته از کمپرسور توربین گاز استفاده میشود. پره های قسمت توربین طوری طراحی شدهاند که راهگاههای بسیار ریزی در داخل آنها تعبیه شده که هوای خنک از داخل آنها عبور کرده و پره را خنک میکند. بدون یک سیستم فیلتراسیون مناسب، ذرات ریز موجود در هوا میتواند راهگاههای خنک کننده را بسته و باعث گرم شدن بیش از حد پره ها شود که خسارتهای بسیار سنگینی به پره ها وارد خواهد شد. هرچند که اکثر توربینهای گاز، دارای حسگرهایی است که هنگام بالا رفتن درجه حرارت پره ها به حد خطرناک باعث تریپ (ایست ناگهانی) توربین گاز میشود ولی ادامه این عمل باعث کاهش عمر توربین گاز میشود.

 

 

 

نوع و طبیعت ناخالصی­ها

 

انواع زیادی ناخالصی در هوا وجود دارد که باعث صدمه زدن به سیستمهای توربین گاز میشود، این ناخالصیها توسط چشم غیرمسلح، قابل دیدن نیست.به عنوان مثال، اجسام معلق در دود حاصل از احتراق هیدروکربنها (سوختهای فسیلی) در موتورهای احتراق داخلی در طیف اجسام زیرمیکرون و جزو کوچکترین اجسام آلوده کننده محیط است. خاصیت و طبیعت چسبندگی این اجسام باعث میشود که این اجسام در طبقه بندی از نوع بسیار آسیب دهنده قرار گیرند. دیگر اجسام معمول آلوده کننده که باعث اثرات منفی بر روی توربین گاز میشود شامل غبار،رطوبت (مه)، ذرات ریز یخ (Frost) و دود است.

 

 

 

دود حاصل از سوخت هیدروکربنها

در مناطق صنعتی و در بعضی از مناطق کشاورزی، یعنی مناطقی که کشاورزان تفالههای حاصل از فعالیتهای خود مانند نی و برگ نیشکر را میسوزانند عمل فیلتراسیون یکی از مشکلترین مسائل توربین گاز است.

ذرات دود معمولاً بسیار ریز و در بسیاری از موارد چسبنده است. در مناطق صنعتی و مناطق پرترافیک، به دلیل وجود دود حاصل از احتراق سوخت اتومبیلها و کارخانجات، عمل فیلتراسیون باید با دقت خاص انجام شود.

هر چند که مطالعات برای فیلتراسیون هوای ورودی به توربین گاز در بعضی از موارد باید بصورت خاص انجام شود.به عنوان مثال در یک نیروگاه واقع در نزدیکی شهر نیویورک آمریکا سیستم هوای ورودی توربینهای گاز در نزدیکی راهآهن و قسمت تعویض لوکوموتیوها قرار داشت. لوکوموتیوهای دیزلی در بسیاری از مواقع در فاصله یکصدمتری از فیلتر هوای ورودی توربین گاز، پارک میکردند که در نتیجه دود حاصل از کار موتور دیزل لوکوموتیوها وارد فیلتر هوای ورودی به توربین گاز میشد.

در چین نیز در یکی از موارد، مشکل بسیار بزرگی برای فیلتر توربین گاز به وجود آمد. به این صورت که محل نصب توربینهای گاز در منطقهای قرار داشت که حجم زیادی زغال سنگ و سوخت مایع برای گرمکردن منازل و صنایع موجود در منطقه سوزانده میشد و دود حاصل از این سوخت اثرات بسیار شدیدی بر روی فیلتراسیون توربین گاز داشت.

در صورتی که فیلترهایهای هوای توربین گاز راندمان و یا قابلیت لازم برای فیلتر کردن اجسام ریز را نداشته باشند و این اجسام از میان فیلتر عبور کنند در صورت چسبنده بودن، بر روی پره های توربین گاز چسبیده و لایهای از آلودگی بر روی پره باقی میگذارند.

چسبیدن اجسام ریز بر روی پره های کمپرسور و توربین گاز مهمترین دلیل کثیفی (Fouling) پره هاست. با افزایش ضخامت لایه های اجسام معلق در هوا که بر روی پره ها میچسبند، راهگاه آیرودینامیک مابین پره ها تغییر پیدا میکندکه باعث کاهش راندمان توربین گاز میشود.از نظر دیگر به دلیل طبیعت چسبناک بعضی از مواد معلق در هوا، مواد و اجسام ریز از فیلتر گذشته و وارد راهگاههای بسیار ریز و نازک پره ها که برای  خنک کردن پره ها ایجاد شده، میشوند که باعث گرفتگی آنها خواهد شد. نتیجه این عمل افزایش درجه حرارت پره و افت فشار بالا در جریان هوای خنککن است که هر دوی این عوامل برای توربین گاز، اثرات منفی دارند.بنابراین و با توجه به مثالهای فوق، انتخاب فیلتر مناسب برای شرایط خاص، از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است.

فیلترهای طراحی شده از ۱۰۰ درصد مواد و الیاف مصنوعیSynthetic Media Filters با ساختار الیافی بسیار نازک، برای فیلتراسیون با راندمان بالا و افت فشار کم در بسیاری از موارد و شرایط حتی در محیطهایی با مقدار هیدروکربن سوخته با درصد زیاد در هوا مناسب است.

گرد و غبار

در مناطق کویری و صحراهای شنی مانند قسمتهایی از خاورمیانه و هندوستان، هوا از ذرات و غبار ساییده (Silica Dust) اشباع شده و مناطقی که طوفانهای شن در آن وجود دارد، طراحی فیلتر از مسائل بسیار حساس و مهم است.

البته باید در نظر داشت که حرارت هوای محیط بر روی قدرت تولیدی توربین، اثر بسیار مهمی دارد. با افزایش درجه حرارت هوای محیط به دلیل کاهش چگالی هوا، قدرت تولیدی توربین گاز کاهش پیدا میکند. برای مناطق کویری، یکی از طرحهای قابل قبول، استفاده از فیلترهای خودتمیزکن

(Self-Cleaning Filter)است که یک نوع آن فیلترهای ضربهایPulse-cleaning Filter)) است.

در فیلترهای ضربهای به دلیل آنکه در زمانهای معین به طور خودکار، تمیز میشوند، افت فشار همواره در حد پایین نگهداشته میشود که نتیجه آن بهبود در راندمان توربین گاز است.

 رطوبت / مه

یکی دیگر از عواملی که بر روی عملکرد فیلترها اثر دارد، وجود رطوبت و مه است.مناطق ساحلی به دلیل نزدیکی به دریا و یا اقیانوس در طول سال، دارای هوای مرطوب بوده و در بسیاری از موارد مهآلود است. رطوبت، تاثیر منفی بر روی سطوح فیلترهای هوا دارد و در مناطقی مانند شمال غرب اقیانوس پاسیفیک.، مناطق با مه و رطوبت بالا مانند سواحل خلیجفارس (نیروگاههای گازی چابهار، بوشهر، بندرعباس) و سواحل شمال دریای خزر (مانند نیروگاه نکا) و نیز در آمریکا و مناطقی مانند خاورمیانه، هندوستان و انگلستان اثرات رطوبت بر روی فیلترها بسیار محسوس است.

معمولاً بسیاری از طراحان فیلترهای هوای ورودی به توربین گاز برای کاهش رطوبت در هوا از یک سیستم پیش فیلتراسیون استفاده میکنند. توسط این سیستم، مقداری از رطوبت هوا، گرفته میشود تا فیلتر اصلی هوا بتواند ذرات موجود در هوا را تصفیه کند.

در چه زمانی فیلتر را عوض کنیم تا اقتصادی باشد؟

تعویض فیلتر در نیروگاههای گازی میتواند بسیار هزینهساز باشد خصوصاً در مورد توربینهای گاز بزرگ که صدها فیلتر باید عوض شود. هزینه تعویض فیلتر در رابطه و مقایسه با هزینه تعویض پره ها و از دست دادن درآمد تولید برق میتواند توجیه پذیر باشد.افت فشار هوای ورودی (که به صورت میلیمتر آب اندازهگیری میشود) نشانگر عملکرد نامناسب فیلتر است. با افزایش افت فشار در فیلترهای هوای ورودی، قدرت زیادتری توسط توربین باید صرف مکش هوا شود. به طور کلی و بر اساس تجربیات سازندگان برای هر۱۰۰ میلیمتر آب، افت در فشار بین یک تا یک و نیم درصد افت در قدرت تولیدی را به همراه دارد.

بر این اساس در صورتی که توربین گازی در بار پایه، کار کند و افت فشار ۲۵ میلیمتر آب باشد، مقدار افت در قدرت تولیدی ۲۵/۰ درصد خواهد بود.بنابراین با استفاده از افت فشار در فیلترهای هوای ورودی به توربین گاز میتوان درصد افت در تولید را محاسبه کرد و با استفاده از قیمت برق، میزان خسارت ناشی از تعویض نکردن فیلترها را میتوان به دست آورد.

مطالعه موردی و ملاحظات اقتصادی

نیروگاهAuburndale  یک توربین گازی واقع در مرکز فلوریدا در آمریکا است. این نیروگاه در سال 1994 با ظرفیت 117 مگاوات راه اندازی شد. میران هوای مکنده توربین به میزان 650 هزار فوت مکعب در دقیقه است. فیلتر بانک ورودی حاوی 860 فیلتر می باشد.  شرایط آب و هوایی منطقه بصورت دو فصلی است. تابستانهای منطقه با دمای بالاتر از 32 درجه سانتیگراد است. میانگین بارش 1290 میلیمتر در سال است که از ماهای ژوئن تا سپتامبر ریزش عمده است.

مشکل این نیروگاه تجربه افزایش افت فشار فیلترها و عمر کوتاه فیلترها بود. این عمده گرفتگی حاصل از رطوبت بالا و دمای بالای هوا بود. این شرایط باعث تغییر شکل ظاهری فیلترها می گردید.

شرکت Camfill  با پیشنهاد فیلترهای HemiPleat  که فیلترهای راندمان بالا با تکنولوژی روز و استفاده از چین خوردگی های عمیق و چسب گرم نفوذی به چین ها، که چین های را در حداکثر سطح در مسیر هوا قرارد می داد، در سیستم نصب کرد. این فیلترها طبق استاندارد ASHRAE  از نوع MERV 15 و یا مطابق استاندارد EN779 از طبقه F9 و مقاوم در برابر رسوبت است. این فیلترها در مقایسه با سیستم فیلتراسیون قبلی دارای ویژگیهای افت فشار کمتر در شرایط کار عادی ، مقاوم در برابر رطوبت بالا، افزایش دفع کنندگی ذرات چسبنده در هنگام تمیز کنندگی پالس هوای فشرده و عمر بالاتر ماده سازنده المان فیلتر برخوردار بود.

بعد از سه سال نصب این فیلتر میزان برگشت سزمایه بیشتر از هزینه شرکت برای خرید و نصب این فیلتر با راندمان بالا بود. در پی افزایش قدرت نیروگاه در مدت سه سال 395000 دلار شرکت صرفه جویی کرد. تعداد تعویض فیلترها کاهش یافت و همچنین نفر ساعت کار تعویض فیلترها.

جدول 1-جدول مقایسه اس فیلترهای قدیمی و جدید

 

جدول 2-میزان ارزش حاصل از تعویض فیلتر قدیم با جدید

  
نویسنده : حامد پیمان خواه/ Hamed Peymankhah ; ساعت ٧:۳٤ ‎ق.ظ روز چهارشنبه ۱۳٩٦/٤/٢۸