اندازه‌گیری بخار مرطوب در توربینها

بخار مرطوب باعث خوردگی و ساییدگی پره‌های توربین و قطعات دیگر می‌شود و بازده توربین را كم می‌كند. از نظر اطمینان و عملكرد اقتصادی نیروگاه، باید به اندازه‌گیری بخار مرطوب توجه شود. برمبنای مفهوم پراكندگی نور، روشی ارائه می‌شود كه در اندازه‌گیری رطوبت، قطر متوسط قطرات آب و توزیع آنها بسیار تواناست. یك پروب نوری به قطر ۱۰ تا ۴۰ میلیمتر ساخته شده است كه می‌تواند در توربینهای در حال كار نیز استفاده شود. این پروب در انتهای مرحله فشار پایین توربین قرار گرفته و می‌تواند میزان رطوبت، قطر متوسط و توزیع قطرات آب را در كل فضا اندازه‌گیری كند. در این مقاله پس از بیان روش كار،‌ نتایج عملی استفاده از این دستگاه در یك توربین در حال كار با ظرفیتهای مختلف بیان می‌شود.
وجود رطوبت به صورت قطرات ریز آب در توربین بخار فشار پایین (LP)، باعث ساییدگی پره‌ها و كاهش بازده حرارتی آن می‌شود. این اثرات منفی فقط به پره‌های مرحله آخر توربین محدود می‌شود. با لزوم افزایش بازده نیروگاهها، سازندگان مجبورند توربینهایی با عملكرد عالی بسازند و اطلاعات كاملی از بازده هر یك از مراحل توربین داشته باشند. به خاطر پیچیده بودن فرایند تقطیر بخار و آئرودینامیك جریان دوفازی مایع – بخار در مراحل آخر توربین LP، روشهای محاسباتی آنچنان كارآ نیستند. اگر چه بازده توربینهای فشار بالا (HP) و فشار متوسط (IP) را می‌توان از آزمایشهایی با دقت قابل قبولی به دست آورد. ولی بازده توربین LP را نمی‌توان با این روش حساب كرد. این مشكل از اینجا ناشی می‌شود كه نمی‌توان كسر رطوبت و انتالپی بخار اشباع خروجی را فقط با اندازه‌گیری دما و فشار به دست آورد. بنابراین باید روشهایی توسعه یابد كه بتوان به طور مستقیم كسر رطوبت را اندازه‌گیری كرد.
در سالهای متمادی روشهای مختلفی برای اندازه‌گیری كسر رطوبت و انتالپی بخار تقطیر شده در خروجی توربینها توسعه یافته است. تا سال ۱۹۶۰ پروبهای كالریمتری گوناگونی توسعه یافته بودند پروبهای كالریمتری بر پایه اصول ترمودینامیك كار می‌كنند. مقدار كمی از بخار مرطوب استخراج شده و روی آن تحلیل انجام می‌گیرد. برای تحلیل دقیق در این روش باید فرآیند نمونه‌گیری با تشابه سینماتیكی باشد. یعنی مشخصه‌های آئرودینامیكی نمونه‌ها یكسان باشد. به خاطر جریان غیردایم و سه بعدی در پره‌ها، نمونه‌گیری با تشابه سینماتیكی در توربینهای در حال كار بسیار مشكل است. علاوه بر اینها، پارامترهای موضعی ترمودینامیكی و آئرودینامیكی نیز در فضا توزیع یافته‌اند. بنابراین، انجام نمونه‌گیری با تشابه سینماتیكی كامل، غیرممكن است. برای یافتن نتایج دقیق، پروب باید كاملاً عایق شده باشد. این امر ساختمان پروب را پیچیده می‌كند. پروبهای كالریمتری فقط كسر رطوبت را می‌توانند اندازه‌گیری كنند و هیچ اطلاعاتی درباره اندازه قطرات آب داده نمی‌شود. دانستن اندازه قطرات در ارزیابی مكانیزم افتهای ناشی از رطوبت مهم است. زیرا بخارهای مرطوب با كسر رطوبت یكسان ولی قطر قطرات آب متفاوت، اثرات منفی متفاوتی ایجاد می‌كنند. چون در روش اندازه‌گیری كالریمتری پروب باید به تعادل حرارتی كامل برسد و این مدت زمان تعادل در شرایط كاری مختلف فرق می‌كند. از این رو هر اندازه‌گیری با این روش ساعتها طول خواهد كشید. در اكثر حالات، پروبهای كالریمتری اندازه نسبتاً بزرگی دارند. پس آنها فقط برای اندازه‌گیری در بعد از آخرین مرحله توربین مناسبند و در بین ردیف پره‌ها نمی‌توان از آنها استفاده كرد.
بنابر آنچه گفته شد، امروزه به ندرت در اندازه‌گیریهای بخار مرطوب از پروبهای كالریمتری استفاده می‌شود. اكنون، روشهای نوری، بر مبنای پراكندگی پرتوهای نور،‌ داده‌های دقیقتر و تكرار‌پذیری داده‌اند. مهمترین پیشرفتها به قرار زیراند:
۱) نه تنها كسر رطوبت، بلكه اندازه قطرات آب نیز با اندازه‌گیری به دست می‌آیند.
۲) اندازه‌گیری مستقیماً در توربین انجم می‌گیرد و هیچ نمونه‌گیری لازم نیست.
۳) اندازه‌گیری سریع و مدت آن معمولاً بین ۱ تا ۲ دقیقه است.
۴۰ پروبهای نوری به صورت لوله‌ای بلند با قطر كم ساخته می‌شوند. لذا از آنها می‌توان نه تنها در بعد از آخرین مرحله توربین LP استفاده كرد، بلكه بین ردیفهای پره‌ها نیز كاربرد دارد.
روشهای اندازه‌گیری نوری از سال ۱۹۷۰ مطرح شده‌اند. پروبهای نوری مختلفی توسعه یافته و برای اندازه‌گیری در توربینهای مدل و واقعی استفاده شده‌اند.
● اصول پایه
وقتی یك پرتوی نور با شدتی معلوم از بخار مرطوب، كه شامل قطرات ریز آب است، عبور می‌كند، شدت آن كاهش می‌یابد. با داشتن شدت پرتوی عبور كرده و شدت پرتوی اولیه، می‌توان توزیع تعداد قطرات را با مجموعه‌ای از عملیات ریاضی محاسبه كرد. سپس غلظت حجمی و كسر رطوبت به دست می‌آیند.
● ساختمان پروب نوری
نمای كلی از پروب نوری از ۵ قسمت اصلی تشكیل شده است. بدنه پروب، منبع نور، ‌سیستم تجزیه و آشكارسازی نور، سیستم هوا، سیستم تامین و پردازش داده‌ها، بدنه پروب به قطر ۱۰ تا ۴۰ میلیمتر و طول چند متری برای كاربردهای مختلف ساخته شده است. در انتهای بدنه پروب شكافی وجود دارد كه به عنوان حجم اندازه‌گیری، در مسیر جریان بخار مرطوب قرار می‌گیرد. از یك پرتوی نور سفید، از یك لامپ هالوژن، استفاده می‌شود. وقتی این پرتوی نور از حجم اندازه‌گیری عبور می‌كند، نور با قطرات ریز آ ب تداخل كرده و ضعیف می‌شود. یك آئینه كه درست بعد از شكاف قرار دارد، این نور ضعیف شده را منعكس كرده و نور دوباره مسیر شكاف را طی می‌كند. نور برگشته، كه دوبار توسط قطرات آب ضعیف شده است، از طریق یك كابل نوری به سیستم تجزیه و آشكارسازی منتقل می‌شود.
نور عبور كرده توسط سیستمی به طیف پیوسته‌ای از طول موجها تجزیه می‌شود. شدت این نورها توسط سیستم آشكارساز اندازه‌گیری می‌شود. با داشتن این مقادیر شدت نور در طول موجهای مختلف و انجام عملیات ریاضی توسط كامپیوتر، نتایج نهایی حاصل می‌شوند.
چون این سیستم قسمتهای چرخان یا متحركی ندارد، از نظر ساختمان ساده بوده و به راحتی قابل استفاده است. در این سیستم فقط طول موجهای طیف مرئی از ۴۵/۰ تا ۸/۰ میكرومتر، در نظر گرفته می‌شوند. البته مشكلی با استفاده از نور فرابنفش یا مادون قرمز پیش نمی‌آید. برای افزایش دقت نتایج، اندازه‌گیری سیگنالهای شدت نور در هر طول موج چند بار تكرار می‌شود. این عمل تا ۲۵۶ بار انجام می‌گیرد و مقدار متوسط آن به سیستم پردازش منتقل می‌شود. زمان كل جمع‌آوری داده‌ها در همه طول موجها، كمتر از یك ثانیه است. اگر چه زمان پردازش داده‌ها توسط كامپیوتر در حدود ۱ تا ۲ دقیقه می‌شود.
باید دقت شود كه اجزای نوری این پروب از تماس مستقیم با جریان بخار بر حذر باشد. زیرا ممكن است بخار روی سطوح آن تقطیر شود. این امر باعث اختلال در اندازه‌گیری و ایجاد خطا در نتایج می‌شود. برای رفع این مشكل، از یك جریان كم هوا استفاده می‌شود. این هوا به طور پیوسته و مستقیم روی سطوح این اجزا دمیده می شود.
● مطالعه تجربی در آزمایشگاه
قبل از آنكه پروب در توربین در حال كار استفاده شود در آزمایشگاه قابل استفاده بودن و عملكرد آن بررسی می‌شود. نخست پروب برای اندازه‌گیری در بخار اشباع kpa۱۰۰ و ۰C۱۰۰ كه یك مولد بخار الكتریكی آن را تولید می‌كند. به كار برده شده است.● چند نكته از این آزمایش نتیجه می‌شود:
۱) سیستم آشكارساز و تزریق هوا به خوبی كار می‌كنند.
۲) پروب در محیطی با دمای ۱۰۰ درجه سانتی‌گراد كار كرده است، كه خیلی سریعتر از دما در توربین LP است.
۳) حداقل و حداكثر كسر رطوبت اندازه‌گیری شده در این آزمایش ۲۱ درصد و ۱/۱۱ درصد بود كه در محدوده واقعی در توربینهای بخار است.
۴) قطر متوسط قطرات در حد چند میكرومتر بوده،‌كه بزرگتر از چیزی است كه در توربینهای در حال كار رخ می‌دهد علت، آن است كه در این آزمایش قطرات از روی سطح آب در حال جوش ناشی می‌شوند و با جریانی كه خود به خود تقطیر می‌شود فرق می‌كند.
با انجام آزمایشهایی در تونل بخار دانشگاه اشتوتگارت آلمان اندازه‌گیری در جریانهایی با سرعت زیاد نیز انجام گرفته است. پروب در خروجی نازلی قرار می‌گیرد كه بخار بر اثر انبساط در آن مرطوب شده است. سرعت در این آزمایش از حالت زیر صوت تا مافوق صوت است. نتایج اندازه‌گیری در جریانی با عددد ماخ (نسبت سرعت جریان به سرعت صوت) ۹/۰ را نشان می‌دهد. شكلهای b و a۳ توزیع كسر رطوبت و قطر متوسط قطرات را از خط مركزی تا دیواره نازل نشان می‌دهد. شكل c۳ توزیع اندازه قطرات در مركز نازل را نشان داده است. اندازه قطرات تشكیل شده از تقطیر خود به خودی بخار در جریان با سرعت بالا، تقریباً یكنواخت است. اندازه متوسط قطرات در حدود ۵/۱ میكرومتر است،‌كه ارزیابیهای نظری نیز همین عدد را تخمین می‌زنند.
● اندازه‌گیری در توربین بخار در حال كار
در توربین در حال كار، پروب نوری در بعد از آخرین مرحله پره‌های متحرك توربین قرار می‌گیرد. یك سیستم دستی روی بدنه توربین قرار گرفته و پروب را در امتداد محیط محور می‌چرخاند تا اندازه‌گیری محیطی انجام گیرد. بدنه پروب به راحتی به داخل توربین فرستاده و یا از آن خارج می‌شود، بدون آنكه بر عملكرد توربین اثری بگذارد. این مسئله، فرآیند آزمایش را ساده و زمان آن را كم می‌كند. آزمایش روی یك توربین با ظرفیت اسمی MW۲۰۰ در نیروگاهی در شمال كشور چین انجام گرفته است. توربین در ظرفیتهای مختلف ۱۱۰، ۱۳۰، ۱۵۰، ۱۷۰ مگاوات با فشارهای كندانسور مختلف آزمایش شده است. اندازه‌گیریها در هفت موقعیت مختلف در امتداد بلندی پره (mm۷۱۰) انجام گرفته است. برای حصول اطمینان،‌ اندازه‌گیری ۵ بار،‌با فاصله زمانی یك دقیقه،‌تكرار شده است. زمان داده‌برداری در هر ارتفاع ۵ دقیقه بوده و كل زمان پردازش داده‌ها حدود نیم ساعت به طول انجامیده است.
جریان بخار در توربین LP كاملاً سه بعدی و با اغتشاش زیادی است مقادیر اندازه‌گیری شده در تكرارهای مختلف، تفاوتهای نسبتاً زیادی دارند كه ناشی از این دو عامل، یعنی اثرات سه بعدی و اغتشاش است.
به خاطر فشار بالاتر كسر رطوبت اندازه‌گیری شده در این آزمایش خیلی كمتر از آزمایش انجام گرفته در آزمایشگاه بود.
درباره توزیع كسر رطوبت و اندازه قطرات آب هیچ نظر مشترك و واضحی در مقالات نیامده است. در آزمایش انجام گرفته كسر رطوبت یك مقدار حداكثر در نزدیكی قسمت میانی پره دارد كه به سمت نوك و ریشه پره به شدت كاهش می‌یابد. كسر رطوبت با افزایش بار توربین كم شده و با كاهش فشار كندانسور، زیاد می‌شود.
قطر قطرات آب تشكیل شده از تقطیر خود به خودی بخار در توربینهای در حال كار معمولاً كمتر از ۲ میكرومتر است.
همان‌طور كه انتظار می‌رفت، قطرات آب تشكیل شده تقریباً هم‌اندازه هستند. تقریباً ۹۳ درصد قطرات، قطری بین ۲/۱ تا ۸/۰ میكرومتر دارند و فقط حدود ۷ درصد با قطر ۸/۰-۵/۰ میكرومتر هستند.
با كاهش بار توربین و افزایش فشار كندانسور ناحیه بخار خشك یا سوپرهیت در آخرین مرحله توربین LP به وجود می‌آید. در بار توربین MW۱۷۰ (۸۵ درصد ظرفیت اسمی) و فشار كندانسورزیاد، این ناحیه سوپرهیت در نوك و ریشه پره دیده می‌شود. این مسئله با اندازه‌گیریهای ترمودینامیكی، كه به موازات اندازه‌گیریهای ما انجام گرفته تایید شده است. ناحیه سوپرهیت بیشتر در حوالی ریشه پره‌ (در حدود دو هفتم بلندی پره) گسترش یافته است تا در نوك پره وقتی فشار كندانسور كمتر شود.
● نتیجه‌گیری
بر مبنای روش پراكندگی نور، روشی برای اندازه‌گیری همزمان كسر رطوبت، قطر متوسط قطرات و توزیع آنها ارائه شد. پرتوهای نوری با طول موجهای متفاوتی استفاده شد. یك پروب نوری ساخته شد كه قابلیتهای زیادی دارد. مطالعات تجربی در آزمایشگاه در یك مولد بخار الكتریكی و یك نازل، قابلیت كار و اطمینان این پروب را ثابت كرد. این پروب به طور رضایت‌بخشی در اندازه‌گیری توربینهای در حال كار نیز به كار رفت. اندازه‌گیری در آخرین مرحله توربین LP انجام شد. هیچ مسئله غیرعادی در نتایج اندازه‌گیری شده كسر رطوبت و قطر قطرات آب پیش نیامد. در بعضی شرایط كاری، ناحیه سوپرهیتی در محل آزمایش پیش می‌آید. اندازه قطرات آب اندازه‌گیری شده در توربین در حال كار معمولاً كمتر از ۲ میكرومتر است.

مرجع
Wong. N.N. and et al. “Optical Measurement of Wet Steam in Turbines”. Jounal of Engineeing for Gas Turbines and Power. Vo;. ۱۲۰.۱۹۸۸. pp.۸۶۷.۸۷۱
برگردان و تلخیص: شهرام طالبی

منبع : پایگاه اطلاع رسانی وزارت نیرو