افزایش بازدهی و کاهش آلودگی در توربین های گازی

کارخانه زیمنس از سال 1995 توربین های جدید گازی مدل 3A که دارای راندمان بالا و آلودگی کمتر می باشند را ارائه داده است.    

                                                                        شکل (1) : توربین گازی 3A

اولین نمونه آزمایشی این توربین ها در برلین (Prototype V84.3A ) با فرکانس 60 HZ در بار کامل راندمان 38% را داشته است. این مدل با اصلاحاتی که در سیستم احتراق و توربین آن صورت گرفت بعدا" در وضعیت بهتری به بازار ارائه گردید.

عملکرد کمپرسور مدل 3A با اصلاحاتی که در آیرودینامیک پره ها داده شد بهبود یافت. این اصلاحات شامل استفاده از ایرفویلهای کنترل شده بصورت diffusion و اصلاح لایه مرزی می باشد. در چهار طبقه اول کمپرسور از پره های هادی با گام متغیر استفاده گردید تا رفتار سیال در طول پره ها بهینه شود. در این جهت از پوسته دو جداره استفاده گردید. در سری های بعد بدلائل تجارتی از پوسته یک جداره استفاده شد و فقط در ردیف اول پره های هادی گام متغیر تعبیه گردید.

در مدل 3A آیرودینامیک و خنک کاری پره های توربین و همینطور آلیاژهای استفاده شده در جنس پره ها و پوشش ضدحرارتی بهبود یافته است. آلیاژ استفاده شده از جنس monocrystalline pw 1483 و پوشش TBC می باشد. استفاده از TBC در ردیف اول امکان افزایش دمای گاز ورودی به توربین در نتیجه افزایش قدرت تولید را فراهم کرده است.

محفظه احتراق استوانه ای در اطراف محور(annular) امکان کاهش میزان NOx تولیدی را (با وجود دمای بالای گاز ورودی به توربین) فراهم نموده است. استفاده از قطعات سرامیکی در دیواره اتاق احتراق و ورود به توربین امکان افزایش دما را فراهم کرده است . یکی از مسائل توربین های گازی صدای ایجاد شده در اثر  

                    شکل (2) : خنک کاری فیلم پره های توربین

 

احتراق ناپایدار شعله است که می تواند تشدید صوتی (acoustic resonance) ایجاد کند. این تشدید صوتی بخاطر ایجاد گردابهای جریان در خروجی مشعلها و در امتداد اتاق احتراق می باشد. جهت رفع این موضوع همانطور که در شکل (3) نشان داده شده است با تعبیه سیلندرهائی در خروجی مشعل در گردابه ها سوخت کمتری مخلوط شده و قبل از شعله اصلی مشتعل نخواهد شد که در غیر اینصورت با اشتعال خود موجب تشدید صوتی خواهند شد.

                          شکل (3) : استهلاک صدای ایجاد شده در خروجی مشعلها

 مرجع : شرکت زیمنس

آدرس : http://www.siemens.com

مشخصه های ارتعاشی توربین های گاز صنعتی

 سه ویژگی شاخص توربین های گاز صنعتی بزرگ را از توربوماشین های رایج متمایز می کند :

    1-       روتور توربین های گاز اغلب بصورت چند طبقه با اجزاء پیچ شده با فاصله نسبت به محور دوران ساخته شده اند. بعلت نزدیکی محل احتراق به روتور نسبت به توربوماشین های معمول، توربین های گاز دارای ویژگی جالب توجهی می باشند. در حین استارت توربین از شرایط سرد در 45 دقیقه ابتدائی نوسانات شدید ارتعاشی وجود دارد، که بجهت عبور هوای خروجی از کمپرسور از میان قطعات متصل شده با فاصله نسبت به محور دوران می باشد. در اثر اختلاط این هوا با گرمای احتراق، غیر یکنواختی در این قطعات بوجود آمده باعث خمش قطعات روتور و در نهایت لرزش آنها می گردد. شکل (1) نمونه ای از این رفتار که به گذر حرارتی معروف است را نشان می دهد.

 شکل 1 

    2-   توربین های گاز نوعا" بالای مد دوم رزونانس (تشدید) کار می کنند :

مد اول تشدید اکثر روتور توربین های گاز صنعتی نوعا" بین 1100 تا 1600 RPM و مد دوم بین 2400 تا 2900 RPM می باشد. مد سوم معمولا" بالاتر از سرعت کارکرد توربین است.

این ویژگی در تحلیل های ارتعاشی مدنظر گرفته می شود که در برخی موارد حتی بالانس کردن روتور در دوصفحه نیز بجهت سرعت بالای آن شرائط ارتعاشی مطلوب را ارضاء نمی کند.

    3- روتور توربین های گاز نسبت به سازه نصب آنها بسیار سنگین می باشد.

سختی دینامیکی یاتاقان های این توربین ها بطور قابل ملاحظه ای کمتر از نمونه های مشابه توربوماشین های سنتی می باشد و توسط تکیه گاههای شعاعی بایستی تقویت شوند. هرچه ماشین پیچیده تر باشد سختی دینامیکی درجهت افقی بمراتب کمتر از سختی دینامیکی در جهت عمودیست. درجه حرارت بالا در بخش تخلیه گاز موجب تغییر فرم و خواص ارتعاشی یاتاقانهای این بخش می گردد. جهت کاهش اثرات حرارت روی رفتار ارتعاشی یاتاقانها از تکیه گاههای مماسی مشابه شکل (2) استفاده میشود.

            شکل (2)

 

  

 شکل (3)

جهت روشن تر شدن رفتار پیچیده ارتعاشی توربین های گاز، یک نیروگاه، که از سیکل ترکیبی استفاده می کرد بررسی شد. بجهت پائین بودن ضریب اطمینان کارکرد توربین (reliability) توربین پس از سه ماه کارکرد خاموش شده بود و پرسنل نیروگاه به بررسی دقیق تر پارامترهای ارتعاشی آن پرداخته بودند. نمودار حلقوی شکل (3) نشاندهنده یک سائیدگی در یاتاقان بخش تخلیه گاز است.

با استفاده از سیستم نمایش داده های AORER اطلاعات ارتعاشی توربین جمع آوری گردید و چندین اصلاح بالانسی در بخش های کمپرسور و روتور انجام گرفت. از بررسی مدهای ارتعاشی سیستم مشاهده شد که مد ارتعاشی دوم درست به زیر نقطه کارکرد، تغییر محل یافته است و در دور rpm 3000 نوسانات بشدت افزایش می یابد و پس از آن از 3200 تا 3600 تغییر فاز داده و کاهش دامنه ارتعاشات رخ می دهد. نمودار شکل (4) رفتار موتور را در سرعت های مختلف نشان میدهد. توجه کنید که خط نزدیک به صاف نمودار حلقوی نشانگر یک حرکت غیر عادی در خط مرکز محور موتور می باشد که باعث قرار گرفتن محور تحت یک پیش بار بزرگ می باشد

  شکل (4)  

   

با رجوع دوباره به سازندگان تجهیزات موتور نظیر سازندگان یاتاقان و مطرح نمودن مشکل ارتعاشی بوجود آمده نتیجه شد که باید فضای لقی (clearance) در نشتی گیرها (seals) تا حد امکان کاهش یابد. با جداسازی قطعات موتور از یکدیگر (disassemble) مشاهده شد که در نشتی گیرها مقادیر زیادی دوده روغن و سوخت وجود دارد که با تعویض آنها و راه اندازی مجدد مشکل نیروگاه حل شد.

منبع : Turbines.com                                                                                  

 آدرس : http://www.turbines.com

بازسازی روتورهای فشار ضعیف توربین بخار تحت شکستگی ریشه پره

مقاله تحقیقی بازسازی روتورهای فشار ضعیف توربین بخار تحت شکستگی ریشه پره به وسیله  مهندس ابراهیم‌زاده کارشناس دفتر تحقیقات و ساخت داخل مدیریت تولید برق شازند ارایه شده است.
توربین‌های بخار فشار ضعیف با افزایش روزافزون، مخصوصاً در واحدهای فوق بحرانی با سوخت فسیلی، پدیده خوردگی تحت تنش را در اجزای پره واقع در نواحی روتورهای فشارضعیف خود تجربه کرده‌اند. رویکردها در برطرف کردن این مشکل از طراحی و ساخت مجدد اجزا و تعویض پره تا جوشکاری در محل را شامل می‌شود؛ صرفنظر از روش انتخاب شده، راه‌حل باید ضمن به حداقل رساندن زمان خروج واحد، به طور کامل عملکرد توربین را به حالت اول برگرداند.
در این مقاله به روش اتخاذ شده در تعمیر و بازسازی یک روتور فشارضعیف تحت تأثیر پدیده خوردگی تحت تنش (SCC) در یک نیروگاه با سوخت فسیلی واقع در غرب ایالت کنتاکی آمریکا پرداخته می‌شود. این نیروگاه با3واحد بین سالهای 1963 تا 1970 با ظرفیت 2273 مگاوات به بهره‌برداری رسید. این پدیده در سال 2007 میلادی در واحد شماره 3 این نیروگاه به وقوع پیوست.
واحد شماره 3 به یک واحد تولید بخار فوق بحرانی بابکوک (Babcock) و ویلوکوکس (Wilcix) با شرایط بهره‌برداری 3500psig و درجه حرارت 1000 درجه فارنهایت تجهیز شده است. توربین بخار با ظرفیت 1150 مگاوات مربوط به شرکت جنرال الکتریک شامل توربین فشارقوی (HP) و ری‌هیت اولیه (IP1) متصل شده به یک ژنراتور 3600rpm ، یک توربین فشار متوسط (double-flow Ip2) و دو عدد توربین فشارضعیف (LP) متصل شده است به یک ژنراتور ثانویه با دور 1800rpm مجهز شده است.

خوردگی تحت تنش
(Stress Corrosion Cracking)
خوردگی تحت تنش پدیده‌ایست که توام با ترک خوردگی بوده و در نتیجه تلفیقی از اثرات خوردگی و تنش (عموماً تنش کششی) اتفاق می‌افتد . مقدار تنشی که شکست در آن اتفاق می‌افتد ممکن است بسیار کمتر از میزانی باشد که بدون حضور خوردگی موجب شکست می‌شود . همچنین محیط نیز به تنهایی آنقدر خورنده نخواهد بود تا بدون حضور تنش بتواند موجب تخریب آن شود. تقریبا برای هر آلیاژی می‌توان محیط خاصی پیدا کرد که آنرا مستعد خوردگی تحت تنش سازد.

بازرسی از توربین بخار
در استانداردهای نیروگاه TVA (Tennessee Valley Authority Paradise Fossil Plant) 
هر 10 سال یکبار را به منظور بازرسی دوره‌ای از توربین بخار پیشنهاد داده بود. لذا در زمان تعمیرات اساسی واحد شماره 3 در بهار 2007 یک تست استاندارد بازرسی‌غیرمخرب به منظور بازرسی روتور باروش آلتراسونیک سه بعدی (Phased Array Utrasonic Test) از محل نگهدارنده دیسکهای پره ردیف سوم و چهارم توربین LP صورت پذیرفت.
نتایج تست نشانه‌هایی از وجود ترک تحت تنش (SCC) را بر روی هر دو روتور  LP نشان می‌داد. ضمناً همه نشانه‌ها محدود به ردیف‌های دوم و سوم می‌شد، اگرچه وسعت و شدت ترک در زبانه‌ها در هر ردیف با یکدیگر متفاوت بودند. 127 پره به اضافه یک پره قفل‌کننده (Notch Blade) در ردیف 3 وجود داشت. همچنین قسمتی از شرود (Shroud) ردیف دوم بر روی روتور B توربین LP نیز به سمت بیرون حرکت کرده و با دیافراگم ثابت برخورد کرده بود.
شرود معیوب شده و نشانه‌های ریشه دیسک اشاره به نیاز یک تعمیرات گسترده در شرایط خروج واحد داشت. تجربه کردن این مشکلات توسط نیروگاه ممکن بود بسیار پرهزینه و برای تعمیرات وقت‌گیر باشد، اما چاره‌ای وجود نداشت. برای کمک از نحوه برخورد با سایر مشکلات مشابه، این موضوع چندین بار آیتم تعمیر را برای هر ردیف مرور کرد. معیارهای تصمیم‌گیری را مورد استفاده قرار داد و راه‌حل انتخاب شد.

تعمیر پره‌های ردیف سوم
(L-3 Stage repair)
آسیب‌پذیری زبانه ریشه‌های پره (Dovetails) ردیف سوم به واسطه پدیده خوردگی تحت تنش (SCC) در شرایط معمول بهره‌برداری محدود است. زیرا حداقل رطوبت دراین قسمتمها بوجود می‌آید. تبدیل فاز بخار از خشک به تر در توربین فشار ضعیف (LP) به طور مشخص خوردگی تحت تنش را وخیم‌تر می‌کند . درموضوع واحد 3، خوردگی تحت تنش در هر دو روتور توربین فشار ضعیف مشخص شد.
برای پره ردیف سوم روتور توربین فشار ضعیف B، نیروگاه (TVA) خارج کردن پره‌های قفل‌کننده (Notch Blades) به منظور تایید نتایج بازرسی تست آلتراسونیک جهت تعیین بهتر موقعیت و وسعت نشانه‌ها را انتخاب کرد. یک تست ذرات مغناطیس (MT) برای تعیین عمق و طول نشانه‌ها بکار برده شد. تنها 2 تا از 8 نشانه‌های گزارش شده در تست آلتراسونیک به وسیله تست ذرات مغناطیس مورد تأیید واقع شد.
از دیدگاه طول عمر باقیمانده، بدترین ترکیب نشانه‌ها همردیف قرار گرفتن بطور محیطی، بالا و پایین شیارهای نگهدارنده (Hook) نزدیک به شکاف ورودی (Notch Entry) بعد از حفره است.
تستهای اضافی آلتراسونیک از پره ردیف سوم روتور توربین فشار ضعیف A نیز در آوریل 2007 انجام گرفت. مهمترین نشانه‌های گزارش شده مربوط به زبانه‌های نگهدارنده پایینی پره ردیف سه بود. بدترین نشانه اندازه‌گیری شده بوسیله تست ذرات مغناطیس پس از سنگ‌زنی ابعادی به اندازه عمق 56/0 اینج و طول 5/2 اینج داشت.

ارزیابی روشها (Evaluating the option)
برای هر دو روتور، هم استراتژیهای کوتاه‌مدت و هم استراتژیهای بلندمدت به منظور رفع مشکل خوردگی تحت تنش در نگهدارنده پره‌ها مدنظر قرار گرفته شد. ترکهای یافته شده بر روی هر دیسک با ورود به ناحیه چاکدار محدود شده بودند. با مرتب کردن همه آیتم‌های تعمیراتی کوتاه‌مدت ‌فهرست‌کوتاهی از استراتژیهایی که زمان تعمیرات خارج از برنامه را به حداقل می‌رساند تحت عناوین زیر تهیه شد.
• هیچ اقدامی انجام نشود.
• کاهش بار در موقعیت‌های ترک مجاور به شکاف بوسیله اتصال مستقیم پره قفل‌کن به دیسک توسط پین انجام شود.
• کاهش بار پره بوسیله استفاده از پره‌های با جنس تیتانیوم که 43 درصد از پره‌های فولادی سبک‌تر هستند، اگرچه تعویض پره‌های فولادی با پره‌های تیتانیومی سبب تولید یک جرم نامیزانی (Mass Imbalance) بر روی روتور می‌شود.
برای تعیین اینکه کدام روش باید انتخاب شود، نیروگاه (TVA) شروع به آنالیز جزییات با جمع‌آوری داده‌های اندازه مربوط به پروفیل زبانه‌های نگهدارنده پره‌ها (Dovetail) کرد و منحنی را به روش المان محدود (FEM) مدل‌سازی کرد. محاسبه نشان می‌دهد تنش‌ها بر مسیر ترک‌های ریشه پره عمود هستند. این تنش‌های توزیع شده بر صفحه ترک دور از شکاف ورودی، در محدوده سرعت 1800rpm عمود هستند. مدل المان محدود ریشه پره (dovetail) همچنین چگونگی انتقال بار از پره به دیسک در نواحی بالا – وسط و پایین زبانه‌ها را شبیه‌سازی کرده است.
تنش‌ها شامل افزایش بار در شکاف‌ورودی شدند این در نرم‌افزار تعیین طول عمر باقیمانده، توربین فشار ضعیف (LPRim Life) به عنوان ضریب شاخص بار محاسبه می‌شد. LPRimLife برنامه‌ای است که عمر باقیمانده روتورها را با مشخص یا مشکوک بودن ترک در اجزای پره تخمین می‌زند. این برنامه بوسیله انجمن واحد سازه تحت حمایت انستیتوی تحقیقاتی تولید برق گسترش یافته است.
نخستین گام در ارزیابی، تخمین درجه حرارت بهره‌برداری ردیف پره و میزان رطوبت (Wetness) بود. میزان رطوبت یک پیش نیاز است، بطوریکه انتظار بروز خوردگی تحت تنش (SCC) برای اجزایی که در مواجه با بخار سوپرهیت در حین بهره‌برداری در حالت پایدار هستند نمی‌رود اما در زمانهای شروع و توقف واحد(start-up and shutdown) شرایط متفاوت است. به هر حال، رطوبت در حین بهره‌برداری، هنگامی که اجزای ریشه پره در حداکثر بار هستند، آنها را برای خوردگی تحت پوشش مستعد می‌سازد.
سه ناحیه اعمال بار در زبانه بیش از حد انتظار بار بهره‌برداری تخمین شد، در سرعت بالا (overspeed) تا 110 درصد، با دو منحنی دمایی شروع مختلف (rotor start-up) و مشابه، همانطوری که برای نرم‌افزار مکانیک شکست روتور لازم بود. نرم‌افزار همچنین برای عمق و طول ترک در نواحی بالا – وسط و پایین شیارها، برپایه مقادیر تستهای بازرسی غیرمخرب تایید شده محاسبه شده بود. یک ترک با عمق 6 درصد اینج و طول از1 درصد اینچ شبیه‌سازی شد. همچنین برخلاف تغییر فاز بخار خشک به تر، پیش‌بینی می‌شد در خلاف جهت جریان در پره ردیف دوم باشد که با کشف وسعت خوردگی تحت تنش در محل ریشه پره ردیف دوم (L-2 Stage) نیز تایید شده بود، انتطار نمی‌رفت پره ردیف سوم (L-3 stage) در زمان نرمال بهره‌برداری در حالت تر (Wet) راه‌اندازی شود. برای محاسبه‌‌تری‌گذار، 1750 ساعت در سال به عنوان زمان تری برای تخمین ریشه پره ردیف سوم شبیه‌سازی شد.

نتایج ارزیابی شبیه‌سازی
نتایج شبیه‌سازی احتمالی از عمر باقیمانده، احتمال تجمعی شکست در برابر زمان بهره‌برداری در سالها برای هر سه روش تعمیراتی را به شرح زیر تخمین زد:
• روش اول (عدم انجام هرگونه اقدام)، احتمال شکست بالایی را برای زباله‌های نگهدارنده ریشه پره پس از یکسال بهره‌برداری نشان می‌داد.
• روش دوم (اتصال مستقیم پره به دیسک توسط پین) احتمال شکست را برای مدت 5 سال بهره‌برداری به زیر یک درصد کاهش می‌داد.
• روش سوم (تعویض گروهی از پره‌ها در شکاف ورودی با پره تیتانیومی) احتمال شکست برای مدت 10 سال بهره‌برداری را زیر 1 درصد و برای 20 سال بهره‌برداری زیر 65/0 درصد تخمین زد.
نیروگاه روش سوم را به عنوان مؤثرترین راه‌حل کوتاه‌مدت برای به حداقل رساندن احتمال شکست ریشه پره در شیار نگهدارنده انتخاب کرد.

بالانس مجدد
برای حداقل رساندن هزینه و زمان تعمیر، نیروگاه TVA نمی‌خواست پره‌های باقیمانده بر روی دیسک را دستکاری کند. اما آنها می‌دانستند که اختلاف جرم حجمی بین پره‌های موجود و پره‌های جدید، سبک وزن بودن پره‌ها، سبب تولید یک نامیزانی جرمی بر روی دیسک کرده که یک تأثیر منفی بر روی ارتعاش روتور خواهد گذاشت. شکافهای ورودی در دو ردیف پره مرحله سوم در دو جهت 180 درجه نسبت به یکدیگر قرار داشتند. این یک نامیزانی دینامیکی بر روی روتور ایجاد می‌کرد که به یک تصحیح جرمی مهم نیاز داشت.
برای انجام این مهم، یک تحلیل انجام شد تا عامل نامیزانی بر روی روتور را تعیین کرده و تغییر دلخواه در ارتعاش روتور را ایجاد کند؛ بدلیل اینکه هر دو ردیف پره مرحله سوم بر روی هر روتور بوسیله پره تیتانیومی اصلاح شده بود، مجموع نامیزانی برای هر دیسک دو برابر ایجاد می‌شد. ظرفیت اصلاح برای صفحات بالانسی موجود بر روی ردیف پره‌های مرحله اول و چهارم برای تصحیح نامیزانی مورد انتظار کفایت می‌کرد. ردیف‌ پره‌های مرحله صفر (L-0) در این مرحله برای تصحیح درنظر گرفته نشد اما بعنوان ذخیره برای بالانس در زمان بهره‌برداری در نظر گرفته شد.
برای اصلاح نامیزانی، دو پره از هر دیسک در موقعیت‌های تقریبا 5 و7ساعت‌برای‌موازنه‌کاهش جرم بواسطه پره‌های تیتانیومی خارج شد. خارج کردن پره‌ها مستلزم این بود که مجموعه شرود
 (Shroud band groupings) ارزیابی شود تا از عدم تغییر فرکانس طبیعی پره‌های اطمینان حاصل شود.
دو پره خارج شده، بطور دقیق هم میزانی با پره‌های تیتانیومی نداشت، بنابراین هر روتور قبل از مونتاژ جهت به حداقل رساندن نامیزانی (Imbalance) در سرعت پایین بالانس شدند . هر دو روتور پس از راه‌اندازی در سرعت بحرانی و سرعت بهره‌برداری ارتعاش قابل قبولی ارایه دادند و هیچ اصلاح نامیزانی بر روی هر دو روتور نیاز نبود.

تعمیر پره‌های ردیف دوم (L-2 stage)
نتایج تست آلتراسونیک برای روتور فشارضعیف B نشانه‌های بیشتری از عیب را نسبت به پره ردیف سوم (L-3) که قبلا بحث شد یافته بود. 98 نشانه بر روی همه نگهدارنده پره (hooks) پراکنده بود و در سرتا سر اطراف دیسک با عمقی بین 04/0 اینج تا 39/0 اینج بر روی انتهای ژنراتور توزیع شده بود. روتور فشارضعیف A (انتهای توربین) نیز با شرایط مشابه یافته شد، 78 نشانه با عمقی بین 04/0 اینج تا 26/0 اینچ بر روی هر سه شعاع نگهدارنده پره (hook) و بر روی دو طرف دیسک مشاهده شد.
نیروگاه (TVA) اظهار داشت که تمایل جدی در انجام تعمیرات مطابق با برنامه خروج توربین و به حداقل رساندن هر کاهش تولید پس از تعمیرات تکمیل‌شده را دارد.شرکت تعمیراتی توربوکار (Turbo Care) ، با مشارکت انجمن سازه، چندین روش تعمیراتی را جهت دستیابی اهداف نیروگاه (TVA) مورد بررسی قرار داد. به طور مشترک تیم بهترین راه‌حل را تغییر طراحی و ساخت پره با ساق بلند (Long Shank) تعیین کرد. به هر حال، تعمیر طراحی و ساخت پره با ساق بلند ممکن بود نیاز به طولانی‌ترین زمان تعمیرات با توجه به برنامه فشرده خروج واحد داشته باشد.
پره ردیف دوم (L-2 Stage) آسیب‌پذیری بیشتری نسبت به پره ردیف سوم (L-3 Stage) در خوردگی تحت تنش (SCC) داشت زیرا هم تنش بیشتری در ریشه وجود داشت و هم میزان رطوبت موجود در بخار بیشتر بود. دیسک‌های ردیف دوم که دارای ترکهای گسترده‌تری در زبانه‌های شیار نگهداری پره داشتند، نیازمند طراحی و ساخت مجدد کامل پره، اصلاح رینگ دیسک و استفاده از تیتانیوم در نواحی شکافهای ورودی در کاهش تنش در ریشه‌های پره بودند. طراحی مجدد همچنین شامل تست فرکانسی پره ردیف دوم و بهینه‌کردن تنظیم‌های فرکانسی پره‌ها به وسیله نصب نوارهای شرود بالا یا پایین به منظور کنترل ارتعاش را دربرمی‌گرفت.
 تعمیر پره ردیف دوم
(L-2 Stage) شامل ماشینکاری فرم ریشه در دیسک بدون تخریب متریال بود. روش معمول این بود که ابتدا تمامی پره‌ها خارج شده و سپس عمیق‌ترین نشانه‌ها جهت تعیین عمق ترک، سنگ‌زنی شوند. فواصل کوتاه نیازمند آماده‌سازی مجدد فرم ریشه پره بوسیله پرکردن حفره‌ها به روش لایه‌گذاری (OverLaying) و ایجاد فرم ریشه داشت. البته این رویکرد زمان خروج واحد را طولانی می‌کرد. با توجه به تجارب شرکت تعمیراتی توربوکار در سایر پروژه‌های استفاده پره با طول سابق بلند (Longshank Blade)، مدت زمان و حجم خارج کردن متریال به منظور اطمینان از خارج شدن همه ترکها برنامه‌ریزی و با حداقل تاخیر ممکن به اجرا درآمد. همزمان طراحی و ساخت پره‌های جایگزین قبل از اینکه پره‌های اصلی از دیسک خارج شوند نیز آغاز شد.
فرآیند طراحی مجدد پره با ساق بلند همچنین این اجازه را می‌داد تا شکل ریشه پره نسبت به فرم‌های موجود بهبود یابد. شیارهای نگهدارنده پره (Dovetail) با شعاع‌های اصلاح شده جهت کاهش شدت تنش‌ها
 (Peak stresses) برای دو منظور ماشینکاری شد : یکی برای تعادل اضافه وزن اصلاحیه پره ساق بلند و دیگری برای کاهش ضریب تمرکز تنش هندسی که در خوردگی تحت تنش (SCC) سهیم هستند . پیش‌بینی می‌شد برای این اصلاحیه کاهش در شدت تنش (Peak Stresses) بین 10 تا 15 درصد بوجود آید.

کنترل فرکانس و ارتعاش
یکی از مهمترین فاکتورها در این فرآیند، طر احی و ساخت پره جایگزین با فرکانس طبیعی دور از سرعت بهره‌برداری بود. تنظیم فرکانس‌ها نیاز به جبران برای تغییر در موقعیت شیارهای نگهدارنده ریشه داشت. معمولا در فرآیند طراحی ، چندین عامل جهت بهینه‌سازی فرکانس از قبیل ساختار شرود، جان پره، طول ساق پره و تعداد پره‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرند. با وجود زمان کوتاه در برنامه‌ریزی و اجرای تعمیر، همه محاسبات در طراحی تسریع شد تا هرگونه تأخیر را به حداقل رساند.
قسمت مهم دیگر طراحی، استفاده از اتصال زنجیری یا نوار بالا یا پایین شرود بود . این طرح، مجموعه شرود تکی اصلی را با یک شرود دو ردیفه جایگزین می‌کرد. شرود داخلی با یک لقی دور تا دور گوه (Tenon) مونتاژ شده و مجموعه خارجی بصورت صلب به قسمت بالایی گوه متصل شده است.
حلقه‌های داخلی و خارجی بصورت محیطی تأمین‌کننده یک کوپل پیوسته در نوک پره‌ها هستند. این ساختار سبب افزایش در میراکنندگی ارتعاش شده و همچنین موجب دوری از ایجاد چندین مدار ارتعاشی اصلی بواسطه تحریک مسیر بخار می‌شود. این طرح یک حاشیه ایمنی از ارتعاش اضافی همراه با توانایی در تنظیمات تکمیلی در فرکانس پره‌ها جهت جلوگیری از تحریک ناگهانی با هر دومد پنج و شش گره (Nodul) قطری ایجاد می‌کند.
برای کاهش احتمال وقوع مجدد خوردگی تحت تنش (SCC) در تعمیر صورت گرفته، طرح، پنچ پره تیتانیومی در شکاف ورودی را بکار برد. تجربه نشان داده بود که خوردگی تحت تنش معمولا ابتدا در این نواحی رخ می‌دهد. تیتانیوم بارگریز از مرکز پره‌ها بر روی دسک در این ناحیه را به دلیل  کاهش 43 درصدی جرم حجمی متریال کاهش می‌داد. برای‌به‌حداقل رساندن پتانسیل جرم نامیزانی (Mass Imbalance) بر روی روتور برای پره‌های تیتانیومی در محل شیار ورودی پره، پنج پره تیتانیومی در 180 درجه مخالف شیار ورودی مونتاژ شد.

برنامه عملیات تکمیل شده (The Complete Treatment Plan)
در پایان به طور خلاصه می‌توان فرآیند عملیات تعمیر را بشرح ذیل مرور کرد:
-خارج کردن قسمتهای معیوب (سنگ‌زنی) در اثر پدیده خوردگی تحت تنش (SCC) 
- طراحی و ساخت پره‌های جایگزین دور از فرکانس تشدید
-کنترل ارتعاش با افزایش میراکنندگی
-بهبود شکل هندسی جهت کاهش احتمال وقوع مجدد خوردگی تحت تنش 
- بالانس روتور در سایت با سرعت پایین
منابع:
- Bruce Ganc, Turbo Care Inc; Jim Olson and Jerry Best, Tennesses Valley Authority; Power Mag October 2008.

مهندس غلامرضا ابراهیمی‌زاده- کارشناس مهندسی مکانیک (طراحی جامدات) شرکت مدیریت تولید برق شازند  

درکشور رومانی Deva ارتقاء عملکرد نیروگاه بخاری

در سال 1999 قراردادی بین شرکت برق رومانی و کنسرسیومی متشکل از چند شرکت ژاپنی، فنلاندی و آلمانی به ارزش 63 میلیون دلار امضاء گردید که بر اساس آن واحد سوم نیروگاه بخاری Deva مدرنیزه گردد. این پروژه که توسط بانک جهانی پشتیبانی می شود قرار است تا سال 2002 تکمیل گردد. هدف پروژه نصب یک توربین جدید و اصلاح سیستم احتراق و کنترل جهت کاهش اکسیدهای نیتروژن خروجی نیروگاه تا سطوح استاندارد اتحادیه اروپائی است. بعلاوه عمر نیروگاه نیز به میزان 100000 ساعت افزایش یافته، میزان قدرت خروجی واحد تا حد طراحی اولیه بالا خواهد رفت. نیروگاه Deva دارای 6 واحد هر کدام به میزان 210 MW می باشد هر واحد دارای 2 بویلر و یک توربین است. سوخت اصلی نیروگاه ذغال سنگ بوده و از گاز طبیعی و سوخت سنگین نیز استفاده می شود. این نیروگاه یک منبع مهم تولید گرما در کشور رومانی است که میزان آن سالیانه 11 TWh می باشد.

در سال 1998 تولید برق رومانی 22600 MW بوده که 70% آن حرارتی و مابقی اکثرا" هیدرولیکی بوده است. 60% ظرفیت تولید برق رومانی بیش از 20 سال عمر دارد و نیاز به جایگزینی یا ارتقاء وضعیت دارد. بهبود وضعیت این نیروگاهها ارزانتر بود و تا 3 میلیارد دلار هزینه خواهد داشت در اینصورت امکان صادرات الکتریسیته ایجاد خواهد شد. در این ارتباط دولت قراردادی جهت ترانزیت برق از طریق بلغارستان به ترکیه امضاء کرده است.

قبل از اینکه عملیات اجرائی در محل آغاز شود لازم است بررسی جامعی از وضعیت حال نیروگاه صورت گیرد. بررسی اطلاعات موجود نیروگاه شامل کتب تعمیرات و بهره برداری و تجربه پرسنل نیروگاه بوده و با مقایسه با طراحی اولیه صورت می گیرد. اطلاعات نیروگاه می تواند با آنالیزها و تستهایNDT  و  DT  تکمیل گردد. مسائل بهره برداری که درگذشته نیروگاه با آن مواجه بوده است لازم است ملحوظ شود. این مسائل می تواند شامل احتراق ناپایدار، خوردگی، افت بالای غیر نسوز

(high noncombustible losses) رسوب و مسئله Overheating  در بویلر باشد.

ترمیم و بهبود (refurbishment) توربین شامل : سیلندر فشارقوی، شیرکنترل فشار قوی و محرک آن، سیلندر فشار متوسط و شیرکنترل و محرک آن، سیلندرفشارضعیف بدون پوسته بیرونی، روتور، شیرتوقف ناگهانی (Stop Valve) فشار قوی و متوسط و محرک آنها و جایگزینی سیستم کنترل توربین و ژنراتور میباشد.

بهبود سیستم احتراق شامل اصلاح سیستم احتراق جهت کاهش NO_x تولیدی، سیستم ضد خوردگی تزریق هوا، جایگزینی پمپ های تخلیه خاکستر (Slurry Pumps) و جایگزینی جزئی سطوح حرارتی بویلر، جایگزینی سیستم جدید دوده شوئی، تأمین یک سیستم کنترل اتوماتیک جدید و بهبود صدها شیرعمل کننده و ابزار دقیق می باشد.

مدرنیزه کردن توربین و ژنراتور توسط شرکت Alstom Power sp.z.o.o که تجربه کافی در ارتقاء توربین های روسی LMZ دارد صورت می گیرد. در این مرحله قسمت فشارقوی و متوسط تقریبا" جایگزین شده و قسمت های دیگر ارتقاء وضعیت می یابند.

طراحی پیشرفته توربین فشار ضعیف تأثیر بسزائی بر روی افزایش راندمان دارد. این موارد پره های روتور بهم متصل شده، طراحی سه بعدی پره های هادی، بهینه کردن پره های نزدیک صوت، بهینه کردن پره های ردیف آخر، طراحی دیفیوزر، محافظت در مقابل خوردگی ردیف آخر را شامل می شود.

   شکل (1) : سیستم پیشرفته کنترل کننده محصولات احتراق در بویلر ذغال سنگی NOx   

از موارد بهبود وضع سیستم، ارتقاء وضعیت احتراق در بویلر است. این کار با استفاده از مشعل تولید کننده NO_x کم که توانایی احتراق سوخت زغالی و مازوت و گاز را دارد صورت گرفته است (شکل1). تعبیه سیستم جدید soot blowing و سیستم کنترل جدید و بهبود وضعیت صدها شیر، محرک و ابزار دقیق راندمان بویلررا افزایش داده است.

بعد از refurbishment قدرت واحد از 210 به 235 مگاوات افزایش یافت و ضمن بهبود پارامترهای دیگر از قبیل راندمان بویلر و میزان در مدار بودن واحد مقدار NO_x تولیدی به کمتر از 170mg/MJ کاهش یافت.

 

منبع :     مجله PEI – Feb. 2001

آدرس : http://www.power-eng-intl.com  

شبیه سازی عملکرد توربین گازی خنک شده

یک دانشجوی مهندسی مکانیک دانشگاه صنعتی شریف در تحقیقات پایان‌نامه‌اش دو نوع مدل ترمودینامیکی پیوسته و طبقه به طبقه برای شبیه سازی عملکرد توربین‌های گازی خنک شده تبیین کرد.

به گزارش پایگاه اطلاع رسانی صبا، آرین تبریزی درباره پایان نامه‌اش آورده است: در این پایان‌نامه مدل‌ها بر مبنای روابط و سایر مدل‌های ارائه شده در مقالات، توسعه یافته‌اند و برای مدل‌سازی توربین گاز، مدل‌سازی کمپرسور، محفظه احتراق و توربین انجام شده و توجه خاصی برای مدل‌سازی توربین خنک شده مبذول شده است.

مدل پیوسته بر مبنای انبساط پیوسته به همراه انتقال حرارت و استخراج کار همزمان تبیین شده، در حالی که در مدل طبقه به طبقه روتور، استاتور، طبقات و دبی خنک کاری هر یک مجزا از هم در نظر گرفته می‌شوند.

در این پایان نامه دبی سیال خنک کننده افت دما و فشار سکون در فرایند اختلاط برای هر دو مدل محاسبه شده است.

این مدل‌ها با استفاده از داده‌های تجربی توربین گازی صنعتی و داده‌های یافت شده در مقالات ارزیابی شده مدرج سازی می‌شوند.

در این پژوهش یک توربین گازی مرجع برای ارزیابی چرخه‌های مختلف انتخاب شده است.

به کمک این مرجع مقایسه‌ای بین نتایج دو مدل پیوسته و طبقه به طبقه با تغییرات نسبت فشار و دمای حداکثر چرخه صورت گرفته و نشان داده شده است، مدل پیوسته با وجود نیاز بسیار کم به داده‌های ورودی، دقت و کارایی مناسبی دارد ولی داده‌های کافی در رابطه با نحوه انبساط ارائه نمی‌دهند، در مقابل، مدل طبقه به طبقه نیاز به مقادیر قابل ملاحظه‌ای داده ورودی دارد ولی دبی سیال خنک کننده و سیر انبساط هر طبقه روتور و استاتور را به صورت مجاز محاسبه می‌کند.

در ادامه این پژوهش شبیه سازی چرخه ساده برای نشان دادن اثر بهبود در فن‌آوری خنک کاری از طریق افزایش تعداد ردیف‌های خنک کاری لایه‌ای و دارای پوشش محافظ حرارتی و بهبود در خواص سیال خنک کننده‌ای انجام شده است.

این مدل‌ها (پیوسته و طبقه به طبقه) به کمک داده‌های سازندگان، مدرج سازی و اعتبار بخشی شدند. ارزیابی این مدل‌ها نشان می‌دهد که مدل پیوسته با وجود سادگی و نیاز اندک به داده‌های ورودی از قابلیت خوبی برای پیش بینی مقادیر توان، بازده و دمای خروجی توربین برخوردار است.

به گزارش ایسنا، چهار آرایش برای مدل طبقه به طبقه در نظر گرفته شده است که پس از فرایند مدرج سازی و اعتبار بخشی، آرایش اول مناسبتر تشخیص داده شد.

گفتنی است، بازار تولید الکتریسته در حال تغییر است. نیروگاه‌های قدیمی که در سال‌های پس از جنگ جهانی دوم ساخته شده‌اند اغلب زغال سوز هستند و به پایان دوره عمر خود رسیده‌اند.با توجه به رشد عظیم در بخش تقاضای الکتریسته، نیاز به جایگزینی و حتی گسترش این نیروگاهها احساس می‌شود و به دلیل ویژگیهایی که توربینهای گاز دارند می‌توانند گزینه مناسب و برتر در زمینه ظرفیت‌های جدید تولید توان به شمار روند.

طرفداران توربین‌های گازی از زمان شروع به کار کوتاه، هزینه نصب و تولید کمتر به عنوان مزایای اقتصادی نسبت به نیروگاههای توربین بخار نام می‌برند، در حالی که توربین‌های گازی مزایای زیست محیطی از قبیل مصرف منابع کمتر، انتشار دی اکسید کربن اندک، انتشار اکسیدهای نیتروژن و دی اکسیدگوگرد بسیار کمتر را نیز دارند.

به دلیل رشد بازارهای بدون تنظیم در کشورهای صنعتی، تقاضا برای نیروگاه‌های کوچکتر با کیفیت و قابلیت اطمینان بیشتر افزایش یافته که در این میان نقش و قابلیت رقابت چرخه های ساده توربین گاز در حال افزایش است.