در حال بررسی...توربین گاز ۵ مگاواتی M5A
تحت توافق‌نامه پاریس که چارچوبی برای کاهش گرمایش جهانی است، سامانه تولید همزمان به‌طور فزاینده‌ای برای تحقق جامعه‌ای کم‌کربن بکار گرفته می‌شود، به این دلیل که ارزش آن به‌عنوان یک سامانه انرژی توزیع‌شده نه‌تنها از نظر صرفه‌جویی در مصرف انرژی و کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن، بلکه از نظر تامین پایدار برق نیز موردتوجه قرار گرفته‌است. علاوه بر این، بازار با اصلاحات نهادی مانند آزادسازی بازارهای خرده‌فروشی برق و گاز و همچنین بهبود سودآوری از طریق توسعه فناوری‌های نوین فعال‌تر شده‌است. به‌ویژه، سامانه تولید همزمان با توربین گاز که امکان استفاده از بخار با دمای بالا را فراهم می‌کند، عمدتا در مناطق صنعتی به‌طور گسترده‌ای بکار گرفته شده و انتظار می‌رود بازده آن بیش از پیش افزایش یابد.
پیش‌زمینه
از زمان عرضه سامانه تولید همزمان کلاس یک مگاواتی در سال ۱۹۸۳ که از توربین گاز اختصاصی کاوازاکی استفاده شده، مجموعه‌ای از مدل‌ها از جمله مدل‌های کلاس ۳۰ مگاوات برای پاسخگویی به نیازهای متنوع بازار توسط این شرکت توسعه یافت. شرکت کاوازاکی سامانه تولید همزمان GPB50D را توسعه داده که عمدتا از توربین گاز کلاس ۵ مگاواتی M5A و واحد اصلی آن تشکیل شده‌است. توربین گاز M5A با ترکیب فناوری‌های توسعه توربین گاز صنعتی که طی سال‌ها جمع‌آوری شده و فناوری‌های پیشرفته روز، در عین تضمین قابلیت اطمینان بر پایه تجربه، عملکردی بی‌نظیر از نظر بازدهی و زیست‌محیطی ارائه می‌دهد.
مفهوم توسعه
توربین گاز M5A به‌عنوان مدلی جدید توسعه داده شده تا فاصله بین نمونه M1A و مدل متوسط M7A در مجموعه محصولات شرکت کاوازکی پر شود. شکل ۱ نمایی از بالا و مشخصات اصلی این نمونه را نشان می‌دهد.
عملکرد چشمگیر در سامانه تولید همزمان
بازدهی حرارتی این توربین گاز در میان توربین‌های گاز کلاس ۵ مگاواتی بی‌نظیر است و حتی از روند تعیین‌شده توسط جدیدترین نمونه‌های با بازدهی بالا نیز فراتر می‌رود. در عین حال، دمای گاز خروجی به‌گونه‌ای تنظیم شده که برای بازیافت حرارت خروجی مناسب باشد تا بازده کلی بالایی حاصل شود.
برای اطمینان از دوام بخش‌های داغ، دمای ورودی توربین در حد متعادلی تنظیم شده‌است. میزان هوای خنک‌کاری کاهش یافته تا هدرفت توان نیز کاهش یابد. علاوه بر این، شرکت کاوازاکی مشکلات ناشی از ابعاد کوچک را برطرف کرده و موفق به دستیابی همزمان به دامنه عملکرد وسیع و بازدهی بالا شده‌است. این هدف با به‌کارگیری فناوری طراحی بهینه‌سازی با استفاده از پیشرفته‌ترین تحلیل‌های جریان برای تمام اجزای آیرودینامیکی و همچنین استفاده از پره منحنی به‌عنوان پره ثابت در مرحله انتهایی کمپرسور محقق شده‌است.
عملکرد زیست‌محیطی برتر (ناکس پایین)
این توربین گاز به نازل‌های سوخت اختصاصی شرکت کاوازاکی شامل نازل پایلوت، نازل اصلی و نازل کمکی مجهز شده‌است. همچنین دارای محفظه احتراق کم‌آلاینده موسوم به DLE است. این توربین گاز با کنترل جریان سوخت به هر نازل سوخت بر اساس وضعیت عملیاتی، وضعیت احتراق را در حالت بهینه نگه می‌دارد و بدین ترتیب بالاترین سطح عملکرد زیست‌محیطی ناکس پایین را در کلاس ۵ مگاوات در یک دامنه عملکردی گسترده محقق می‌سازد.
تداوم قابلیت‌اطمینان توربین‌های گاز M1A و M7A
در مرحله توسعه، تضمین همان سطح از قابلیت‌اطمینان که در توربین‌های گاز آزموده‌شده M1A و M7A وجود دارد، به‌عنوان اولویت اصلی در نظر گرفته شد. همچنین تلاش شرکت کاوازاکی بر این بود عملکرد و سایر ویژگی‌ها را در سطوح بالایی محقق سازد. برای رسیدن به این هدف، از ساختار و مواد اثبات‌شده با کیفیت تاییدشده استفاده شده تا بهینه‌سازی کلی ویژگی‌هایی مانند کارکرد، وزن، ابعاد، نگهداشت‌پذیری و سهولت بهره‌برداری حاصل شود.
وزن سبک و ابعاد مناسب
این شرکت با بهره‌گیری از ساختار ساده بدنه حلقه‌ای مطابق توربین گاز M1A و به‌کارگیری طراحی بهینه‌شده بر پایه پیشرفته‌ترین تحلیل‌های جریان در مسیرهای ورودی و خروجی هوا، توانسته ضمن کنترل افت فشار، به‌طور چشمگیری اندازه را کاهش دهد. نتیجه این کار، محفظه ژنراتور کوچک‌تری بود.
چرخه طولانی عملیات تعمیر، نگهداری و بازرسی
برای اطمینان از عملکرد مداوم، عملیات تعمیر و نگهداری توربین گاز شامل بازرسی بوروسکوپ سالانه و تعمیرات اساسی چهار ساله است. برای تعمیرات اساسی، توربین گاز موجود با یک توربین بازسازی‌شده تعویض می‌شود تا زمان تعمیر و نگهداری کاهش یابد.
این توربین گاز تنها در عرض ۱۰ دقیقه پس از شروع به کار، به بار نامی خود می‌رسد که زمان پیش‌پاکسازی را در نظر نمی‌گیرد. علاوه بر این، توربین گاز با بهره‌گیری از فناوری احتراقی DLE حتی در حالت جزیره‌ای و هنگام قطع ارتباط با شبکه، با آلایندگی کم عمل می‌کند. این ویژگی به شبکه اجازه می‌دهد که حتی در صورت تغییر ناگهانی بار در حین عملیات جزیره‌ای، حداکثر نرخ بار ۵۰ درصد را تحمل کند.
بهبود عملکرد با بهره‌گیری از تلرانس دمای بالاتر
آزمایش تایید طولانی‌مدت قابلیت‌اطمینان با استفاده از چندین توربین گاز تجاری M5A نشان داد که بخش‌های داغ می‌توانند دماهای بالاتری را تحمل کنند. این امر این امکان را داد که با افزایش دمای عملیاتی، بدون انجام تغییرات عمده در طراحی، از پتانسیل بهبود عملکرد برخوردار شد.
برنامه توسعه
با هدف توسعه سریع به منظور دستیابی به اهداف بلندپروازانه، شرکت کاوازاکی پروژه توسعه‌ای را در آوریل ۲۰۱۴ آغاز کرد. برنامه‌ریزی محصول، طراحی توربین گاز و آمادگی‌های تولید به‌طور همزمان انجام شد.
آزمایش عملیاتی توربین گاز در دسامبر ۲۰۱۶ آغاز شد. مجموعه‌ای از تاییدیه‌های لازم، از جمله ارزیابی عملکرد و یکپارچگی و آزمایش خستگی از طریق آزمایش عملیاتی داخلی که مدت‌زمان آن کمتر از یک سال بود، تکمیل شد و توسعه اولیه در اکتبر ۲۰۱۷ به پایان رسید. سپس، پس از انجام آزمایش مقدماتی برای پشتیبانی از دماهای بالاتر و ارزیابی نتایج بازرسی‌های اضافی تعمیر اساسی توربین‌های گاز M5A تجاری و سایر عوامل، پروژه بهبود عملکرد در سال ۲۰۱۹ آغاز شد که دو سال به طول انجامید.
پس از تایید عملکرد و یکپارچگی در طی آزمایش توسعه، توربین‌های گاز تحت شرایط مختلف سخت در آزمایش خستگی راه‌اندازی شدند. سپس بازرسی و بررسی انجام شد. زمانی که طراحی ارتقا لازم بود، آزمایش‌ها و ارزیابی‌ها دوباره انجام شدند.
بخوانید:“رکورد صد هزار ساعت عملیاتی برای توربین گاز پنج مگاواتی کاوازاکی“
برای بررسی قابلیت‌اطمینان، از تمامی توانمندی‌هایی که در طی توسعه توربین گاز L30A کسب شد، مانند فناوری اندازه‌گیری ارتعاش پره بدون تماس برای پره‌های روتور در تمامی مراحل کمپرسور و توربین و فناوری اندازه‌گیری دمای سطح پره با استفاده از پیرومتر برای پره‌های روتور در تمامی مراحل توربین، در آزمایش‌ها و ارزیابی‌ها مورداستفاده قرار گرفت. سپس پردازش و تحلیل آنی برای ارزیابی به موقع انجام شد و داده‌های مربوط به تجهیزات آزمایش عملیاتی جمع‌آوری گردید و بیش از هزار مورد در یک سامانه نظارتی مورد اندازه‌گیری قرار گرفتند. نمونه‌های رایج اندازه‌گیری در زیر توضیح داده شده‌است.
کمپرسور
ارزیابی خستگی سیکل بالا در پره‌ها ضروری است، زیرا آن‌ها تحت تحریک آیرودینامیکی قرار می‌گیرند که ناشی از عواملی همچون گردابه‌هایی است که توسط پره جلویی ایجاد می‌شود. بنابراین، اندازه‌گیری ارتعاش پره بدون تماس به‌صورت نوری برای تمام پره‌های روتور انجام شد. تغییرات ناشی از ارتعاش پره‌ها هنگام عبور از حسگر ثبت و ارتعاشات مورد ارزیابی قرار گرفت و سپس یکپارچگی از طریق آزمایش خستگی تایید شد. علاوه بر این، شرکت کاوازاکی در حال کار بر روی استفاده از پراب‌های اندازه‌گیری ساخته‌شده با استفاده از روش تولید افزایشی است.
محفظه احتراق
با اندازه‌گیری نوسانات فشار با استفاده از ترانسدیوسر فشار نیمه‌هادی، دامنه و فرکانس برای بررسی نوسانات احتراق در طول احتراق با مخلوط پیش‌ترکیب ارزیابی شد. علاوه بر این، از ترموکوپل‌ها و رنگ حرارتی به‌طور همزمان استفاده شد تا میزان دما به منظور دوام قطعات حفظ شود.
توربین
از پیرومتر با دقت دمایی بالا برای ارزیابی دمای پره‌های روتور توربین استفاده شد (شکل ۲). در عین حال، دقت ارزیابی که از ترموکوپل‌ها با استفاده از حلقه لغزشی بهره می‌برد، موردتایید قرار گرفت. همچنین در طول این اندازه‌گیری، ارتعاشات پره‌های روتور با استفاده از گیج اندازه‌گیری شد و خستگی سیکل بالا همراه با اندازه‌گیری ارتعاشات پره بدون تماس که به‌طور جداگانه در شکاف‌های نوک پره‌ها انجام شد، موردارزیابی قرار گرفت.
ساختار
برای مسیرهای ورودی و خروجی هوا که طراحی آن‌ها کوچکتر از نمونه‌های مرسوم است، فشار استاتیک روی سطح دیوار هر بخش و فشار کلی اندازه‌گیری شد که تحلیل جریان نشان داده‌شده در شکل ۳ مورد تایید قرار گرفت.
با وجود دوره کوتاه توسعه، با انجام ارزیابی کمی دقیق همان‌طور که در آزمایش عملیاتی واقعی توربین نشان داده شد، قابلیت اطمینان محصول بهبود یافت. در عین حال، پتانسیل محصول برای بهبود قابلیت فروش و امکان‌های بیشتر برای بهبود عملکرد به‌طور کمی شناسایی شد.
سامانه تولید همزمان GPB50D
جدول ۲ عملکرد سامانه تولید همزمان توربین گاز کاوازاکی GPB50D را توصیف می‌کند که از توربین گاز M5A به‌عنوان هسته اصلی خود به همراه یک ژنراتور بخار بازیافت حرارتی و سایر بخش‌ها بهره می‌برد. بازده حرارتی آن حدود ۳ درصد بیشتر از توربین‌های گاز در همان کلاس (۳۲.۳ درصد) است و بازده کلی آن حدود ۳ درصد بیشتر (۸۵.۳ درصد) بوده که در نتیجه کارایی اقتصادی بالایی را فراهم می‌آورد.
مقدار ناکس این سامانه بهترین عملکرد زیست‌محیطی در کلاس خود را ارائه می‌دهد. به‌عنوان یک مثال معمولی، سامانه GPB50D برای استفاده داخلی می‌تواند مصرف انرژی را نسبت به سامانه‌های معمولی که از برق تجاری و یک بویلر بخار گازی استفاده می‌کنند، حدود ۲۰.۹ درصد کاهش دهد و انتشار دی‌اکسیدکربن را ۱۷.۵ درصد کم کند. علاوه بر این، انتظار می‌رود که هزینه‌های انرژی سالانه نسبت به سامانه‌های معمولی معادل ۲،۴۵ میلیون دلار، تحت شرایطی مانند هزینه خرید برق معادل ۱۴ سنت/ کیلووات ساعت و هزینه گاز شهری معادل ۷۰ سنت/ مترمکعب کاهش یابد.
تجربه عملیاتی
اولین نمونه تحویل‌شده به یک مشتری داخلی، در ژوئیه ۲۰۱۸ وارد بهره‌برداری تجاری شد. در این پروژه، شرکت کاوازاکی، یک سامانه تولید همزمان توربین گاز قدیمی که عملکرد اقتصادی و زیست‌محیطی پایین‌تری داشت، با یک مدل جدید را به‌روز کرد. در این پروژه، تا حد ممکن از سامانه موجود از جمله از پی‌ریزی، لوازم جانبی، دودکش و تجهیزات برقی دوباره استفاده شد.
پس از گذشت حدود سه سال از آغاز بهره‌برداری، یک بازرسی اضافی تعمیر اساسی از توربین گاز انجام شد. توربین گاز از محل بازگردانده شد، کاملا در شاپ شرکت کاوازاکی باز شده و بازرسی بصری، ابعادی و تست غیرمخرب انجام شد. برای ارزیابی دوام بلندمدت، توربین گاز بدون تعویض هیچ قطعه‌ای به جز برخی نمونه‌های گرفته‌شده در طول بازرسی مخرب دوباره مونتاژ شده و به محل مشتری بازگردانده شد تا به بهره‌برداری ادامه دهد.
شکل ۴ تصاویر قطعات محفظه احتراق و پره‌های روتور توربین را در طول بازرسی کارخانه نشان می‌دهد. تمام قطعات در شرایط بسیار خوبی بودند و هیچ نقص مخربی پیدا نشد. این شرکت تایید کرد که ساییدگی در نوک پره‌ها و فاصله قسمت لابیرنت سیل به‌طور معقول و نه بیش از حد بوده و سه سال بهره‌برداری هیچ مشکلی از نظر دوام و پایداری ایجاد نکرده‌است.
پس از این بازرسی اضافی تعمیر اساسی، کاربر، توربین گاز M5A با عملکرد ارتقایافته را معرفی کرد. توربین گاز عملکرد برنامه‌ریزی‌شده را همان‌طور که در شکل ۵ نشان داده شده، به دست آورده و ویژگی‌هایی مانند مصرف سوخت و مقدار بخار در طول بهره‌برداری کاهش نیافت.
شرکت کاوازاکی انتظار دارد که توربین گاز M5A با ویژگی‌های برجسته‌ای همچون بهترین بازدهی و عملکرد زیست‌محیطی در کلاس جهانی، باعث گسترش اجرای سامانه تولید همزمان در راستای حمایت‌های سیاستی برای کاهش انتشار دی‌اکسیدکربن و افزایش آگاهی در خصوص تداوم کسب‌وکار از طریق تامین انرژی در مواقع اضطراری شود.
منبع:
Kawasaki Technical Review No.185, March 2024
