روش‌های جلوگیری از یخ‌زدگی در توربین‌های گازی

الف) امروزه توربین‌های گازی چه در سیکل‌های ساده و چه در سیکل‌های ترکیبی نقش بسزایی در تولیدانرژی الکتریکی موردنیاز کشور بر عهده دارند و با در نظر گرفتن روند رو به رشد نصب واحدهای سیکل ترکیبی در برنامه‌های جاری و آتی وزارت نیرو این نقش پررنگتر از گذشته خواهد شد.
ب) توربین‌های گازی در شرایط محیطی گوناگونی چون مناطق سردسیر،‌مناطق گرمسیر،‌مناطق ساحلی و بیابانی بهره‌برداری می‌شوند که هر یک از این مناطق شرایط بهره‌برداری اقلیمی خاص آن منطقه را به توربین‌های گازی تحمیل می‌کنند و واضح است که این شرایط اقلیمی در چگونگی بهره‌برداری این نوع واحدها تاثیر مستقیم دارند.
ج) کشور ایران به لحاظ موقعیت جغرافیایی و شرایط آب و هوایی تقریباً دربر گیرنده تمامی شرایط محیطی فوق‌الذکر است.
حال با در نظر گرفتن موارد فوق می‌توان نتیجه‌گیری کرد که مطالعه عوامل و شرایط محیطی در بهره‌برداری واحدهای گازی یکی از مهمترین موضوعات مطالعه در بهره‌برداری بهینه از واحدهای گازی بوده و پیش‌بینی مشکلات موجود در هر یک از شرایط آب و هوایی مناطق اشاره شد جهت جلوگیری از بروز مشکلات اساسی در زمینه تولیدپایدار انرژی الکتریکی دارای اهمیت بالایی است. ما در این مقاله به مشکل شایع توربین‌‌های گازی-یخ‌زدگی – درمناطق سردسیر و کوهستانی پرداخته و روش‌های جلوگیری از بروز این مشکل راارایه خواهیم داد.
زمینه آغاز برای بررسی موضوع فوق در پاییز سال ۱۳۸۵ با ایجاد مشکل برای واحد یک نیروگاه حرارتی تبریز در اثر حادثه قطع روغن توربین این واحد آسیب جدی به یکی از روتورهای LP این واحد بدین شرح بوجود آمد که در اثر این حادثه مذکور نیاز به تعمیرات اساسی یافته و مقرر شد که سایر واحدهای منطقه با تولید حداکثر به جبران کمبود انرژی تولیدی ناشی از این حادثه مبادرت ورزند. درچنین شرایطی با وجوداینکه نیاز شدید به تولید هر یک از نیروگاه‌های منطقه شدیداً احساس می‌شد بروز حادثه یخ‌زدگی در واحد گازی G۱۲ نیروگاه سیکل ترکیبی خوی مشکلات موجود در شبکه برق را دو چندان کرده،‌ضرورت مطالعه در بررسی مشکل یخ‌زدگی در توربین‌های گازی و روش‌های جلوگیری ازآن را بیش از پیش اثبات کرد.
چنانکه در فوق مشاهده شد یکی از مهمترین موضوعاتی که در بهره‌برداری توربین‌های گازی در مناطق سردسیر باید مدنظر قرار داد جلوگیری از تشکیل یخ درسیستم‌های ورودی این توربین‌ها است. تشکیل یخ درتوربین‌های گازی منجر به بروز پدیده خفگی در سیستم ورودی،‌ فیلترهای ورودی و کاهش فشار در ورودی سیستم و درنهایت موجب کاهش عملکرد توربین گازی می‌شود. یخ می‌تواند در bell mouth یا IGVs تشکیل شود که در بدترین حالت این خطر ورود جسم خارجی به کمپرسور (FOD) و آسیب به پره‌های آن را بدنبال دارد.
شرایط محیطی که باعث خسارات یخ‌زدگی درتوربین گاز می‌شود درموارد زیر اتفاق می‌افتد:
- دمای سطح از دمای نقطه شبنم هوا در سیستم مکش پایین‌تر باشد در این حالت بخار آب موجود در هوا روی سطح چگالیده خواهد شد (Tsurface- دمای سطح پایین‌تر از دمای نقطه انجماد باشد. در این حالت آبی که روی سطح چگالیده شده است به حالت جامد در آمده و تشکیل یخ خواهد داد. (Tsurface?O)
روش‌های مختلفی جهت جلوگیری از تشکیل یخ (Anti-Icing) در ورودی کمپرسورها وجود دارد که با نصب تجهیزاتی از خطر یخ‌زدگی در سیستم‌های ورودی توربین گاز جلوگیری می‌کند. حال به تشریح انواع روش‌های جلوگیری از یخ‌زدگی در سیستم‌های ورودی توربین گاز می‌پردازیم.
● سیستم‌های Anti-icing و De-icing و تفاوت آنها
هدف اولیه سیستم حفاظت یخ‌زدگی جلوگیری یا محدود کردن تشکیل یخ در طی سیستم مکش توربین گازی است. پیچیدگی‌های سیستم ورودی برای کاربردهای مختلف توربین گاز ساکن اغلب باعث می‌شود که نیل به یک سیستم ورودی عاری از یخ‌زدگی محدود شود. همواره در بحث سیستم‌های حفاظت یخ‌زدگی دو مورد مطرح می‌شود: Anti-icing و De-icing . سیستم حفاظت Anti-icing شامل همه روشهای حفاظت یخ‌زدگی می‌شود که از تشکیل یا نفوذ یخ در اجزای سیستم ورودی هوا جلوگیری می‌کند. از طرف دیگر سیستم‌های De-icing روشهایی از حفاظت یخ‌زدگی را شامل می‌شود که اجازه می‌دهد یخ تشکیل و سپس قبل ازاینکه به درجه زیان‌آور و خسارت بار برسد،‌آن را از بین می‌برد. سیستم‌های حفاظت یخ‌زدگی همچنین با توجه به تکنیک حفاظت یخ‌زدگی به سیستم‌های زیر تقسیم می‌شوند:
سیستم حرارتی، سیستم شیمیایی، سیستم اینرسی و سیستم مکانیکی
▪ سیستم‌های حرارتی
این سیستم از یک منبع حرارتی به منظور جلوگیری از تشکیل یخ در سیستم ورودی توربین تشکیل می‌شود. حرارت همه سطوح یخ‌زدگی یا هوای سرد محیط را که به توربین وارد می‌شود گرم می‌کند تا مانع از تشکیل یخ شود. سیستم‌های حرارتی به دو نوع تقسیم می‌شوند: سیستم گرمایش ورودی و سیستم گرمایش اجزا.
▪ سیستم گرمایش ورودی
سیستم‌های گرمایش ورودی به وسیله انتقال حرارت از گاز گرم به عنوان منبع گرما به هوای سرد که از محیط اطراف به سیستم ورودی وارد می‌شود،‌کار می‌کند. گاز گرم اغلب هوا است ولی گازهای گرم اگزوز نیز می‌تواند استفاده شود.
▪ سیستم گرمایش ورودی کمپرسور با زیرکش
این سیستم برای واحدهای کوچک و سیکل‌های ساده مناسب است. برای گرمایش هوای ورودی از بخشی از هوای خروجی کمپرسور استفاده می‌شود. این هوا به طور متوسط دارای دمای ۳۵ درجه سانتی‌گراد است که بستگی به شرایط محیط و مدل توربین دارد.
اساس این سیستم ساده بوده و فقط به یک شیر کنترل نیاز دارد. این سیستم یک تکنولوژی تست شده، قابل اطمینان و قابل کنترل است و در مقایسه با سایر سیستم‌ها گران نیست. بزرگترین عیب این سیستم این است که بسته به شرایط محیطی کارایی آن تغییر می‌کند. این کاهش کارایی بین ۲ تا ۵ درصد توان خروجی می‌تواند باشد.
سیستم‌های گرمایش ورودی کمپرسور با زیرکش سالیان زیادی است که استفاده شده‌اند و نتایج عالی داشته‌اند.
▪ سیستم رسیرکولاسیون اگزوز
این سیستم بر اساس مخلوط کردن بخشی از گاز گرم اگزوز با هوای سرد ورودی کار می‌کند. بزرگترین عیب این سیستم استفاده از گازهای اگزوز به عنوان منبع گرم است. چرا که شامل گازهای خورنده بوده و رطوبت موجود مشکل‌ساز خواهد شد. همچنین زیرکش مستقیم گازهای اگزوز می‌تواند منجر به صدمه به کمپرسور بشود. مقدار این خسارت بستگی به سوخت مورد استفاده و شرایط احتراق در توربین دارد. سوخت‌های گازی نسبت به سوخت‌های مایع مشکلات کمتری ایجاد می‌کنند.
این سیستم همراه یک کمپرسور که در بار ثابت و دمای اگزوز بالا کار می‌کند نسبت به کمپرسوری که در بار متغیر با دمای اگزوز پایین کار می‌کند کارکرد بهتر و موثرتری دارد.
▪ سیستم بازیافت حرارتی
سیستم Anti-icing بازیافت حرارتی برای گرمایش خشک طراحی شده است و کارکرد آن نسبت به سیستم گرمایش ورودی کمپرسور با زیرکش ضعیف است. این سیستم بوسیله عبور دادن گازهای خروجی اگزوز توربین از یک مبدل حرارتی که در داکت اگزوز تعبیه شده است کار می‌کند. فلوی هوای محیط از یک نقطه بعد از سیستم فیلتر و به کمک فن به داخل مبدل حرارتی کشیده می‌شود. گازهای اگزوز هوای محیط را بوسیله کنوکسیون حرارتی گرم می‌کنند سپس گازهای خروجی از اگزوز از طریق داک اگزوز ثانویه به محیط فرستاده می‌شود و هوای محیط که گرم شده است به ورودی سیستم فیلتر فرستاده می‌شود تا هوای ورودی به توربین گاز را گرم کند. سیستم بازیافت حرارتی تاثیر نسبتاً‌کمی بر روی عملکرد توربین گاز دارد که مزیت این سیستم به حساب می‌آید. با این همه سیستم Anti-icing بازیافت حرارتی پیچیده‌تر و گرانتر از سیستم گرمایش ورودی کمپرسور با زیرکش است. در مجموع این سیستم فضای بزرگی برای نصب در سایت نیاز دارد.
▪ مبدل حرارتی آب گرم
سیستم‌های پیشین بر اساس حفاظت سیکل ساده توربین گاز از تشکیل یخ در اجزای سیستم ورودی طراحی شده‌اند. اما در موردتوربین گاز در یک نیروگاه سیکل ترکیبی دیگر دلیلی وجود ندارد تا هوای زیرکش از کمپرسور گرفته شود که بر کارکرد توربین تاثیر بگذارد. خیلی معقول‌تر است که آب گرم موجود در سیکل تولید بخار به عنوان منبع حرارتی استفاده بشود. این سیستم در واقع یک مبدل حرارتی ساده آب- هوا است. آبگرم با دمای حدود ۸۰ درجه سانتی‌گراد به مبدل حرارتی وارد و هوای محیط تبادل حرارتی اتفاق می‌افتد. این مبدل حرارتی قبل از سیستم فیلتر در توربین گاز قرار می‌گیرد و دمای هوای محیط بوسیله تنظیم دبی جرمی آبگرم در مبدل حرارتی کنترل می‌شود.
▪ گرمایش اجزاء
دراین روش به یک ناحیه گرما داده می‌شود تا از تشکیل یخ جلوگیری یا یخ‌زدگی را از بین ببرد. گرما یا موجب تبخیر می‌شود یا از انجماد قطرات آب جلوگیری می‌کند. بسیاری از از موتورهای هوایی با سیستم گرمایش اجزاء تجهیز می‌شوند ولی بکارگیری این سیستم در تجهیزات زمینی به ندرت اتفاق می‌افتد. در این سیستم دو نوع منبع حرارتی برای گرم کردن سطوح یخ‌زدگی استفاده می‌شود: الکتریسیته و هوای فشرده کمپرسور.
▪ سیستم الکتروترمال
این سیستم از تعدادی مقاومت الکتریکی تشکیل می‌شود که در داخل پدهای لاستیکی تعبیه شده‌اند و روی سطوح یخ‌زدگی حرکت داده می شوند. مزیت این سیستم در این است که فقط نقاط یخ‌زدگی را گرم می‌کند.
▪ هوای فشرده کمپرسور
در این روش تعدادی کانال درداخل تجهیزاتی که خطر نفوذ یخ در آنها بیشتر است مثل strut, Bellmouth, IGV و Plenum ایجاد می‌شود. هوای گرم از این کانال‌ها عبور کرده و سطوح این اجزاء را گرم می‌کند. هوای گرم می‌تواند از کمپرسور یا گازهای اگزوز زیرکش بشود. این سیستم به علت پیچیدگی و پروسه دقیق ساخت، خیلی گران است. سیستم گرمایش کمپرسور به ندرت در توربین‌های گاز ساکن استفاده می‌شود و بیشتر در کاربردهای هوایی معمول است. برای حفاظت بال هواپیما و ریشه‌های پروانه از این سیستم استفاده می‌شود.
▪ سیستم شیمیایی
سیستم شیمیایی به عنوان یک سیستم Anti-icing به شمار می‌آید. این سیستم در واقع مخلوط کردن آب با مواد کاهش دهنده نقطه انجماد مثل اتیلن گلیکول و الکل ایزوپروپیل است. بصورتی که وقتی دو ماده شیمیایی با یکدیگر مخلوط می شوند نقطه انجماد مخلوط حاصل پایین‌تر از نقطه انجماد تک‌تک آنها باشد.
به علت این که پریود حفاظت توربین گازدر مناطق یخ‌زدگی زمان زیادی می‌برد جهت جلوگیری از صرف هزینه زیاد روش شیمیایی بندرت استفاده می‌شود. سیستم شیمیایی معمولاً برای تمیزکاری کمپرسور تحت شرایط دمای پایین مورد استفاده قرار می‌گیرد.
▪ سیستم مکانیکی
سیستم مکانیکی یک سیستم De-icing است. این سیستم درتوربین‌های گاز ساکن بفرم دستی یا الکتریکی شبنم یخ‌زده را از فیلتر بوسیله برس‌زنی پاک می‌کند.
▪ سیستم اینرسی
سیستم اینرسی بر اساس جداسازی ذرات از جریان هوای حامل این ذرات عمل می‌کند. بطوری که جریان هوا را تحت فشار قرار می‌دهد تا جهتش راتغییر بدهد. جداکننده‌های اینرسی بطور گسترده برای حفاظت توربین‌های گازی از گرد و غبار،‌ شن و تگرگ مورد استفاده قرار می‌گیرند.
▪ سایر سیستم‌ها
در این بخش دو نوع سیستم ارایه خواهدشد که می‌تواند به عنوان یک سیستم Anti-icing استفاده شود. سیستم نخست، سیستم AIMS محصول شرکت Donaldson است. سیستم دوم، سیستم مبدل حرارتی آب است که معمولاً‌در نیروگاههای سیکل ترکیبی به عنوان یک سیستم Anti-icing مناسب استفاده می‌شود.
▪ سیستم AIMS
سیستم AIMS در واقع یک مبدل حرارتی- جداکننده رطوبت است. سیستم جدیدشامل یک مبدل حرارتی با بکارگیری گازهای اگزوز حاصل از احتراق بعنوان منبع حرارتی و یک جداکننده رطوبت است. اساس سیستم AIMS خیلی ساده است.
این سیستم متشکل از چند سری از پره‌های توخالی است که به گونه‌ای مرتب شده که جریان هوای مکش وقتی از سیستم AIMS عبور می‌کند باعث ایجاد گردابه شود. این گردابه‌ها نیروی اینرسی به قطرات آب موجود در جریان هوا وارد کرده و باعث برخورد آنها به پره‌ها می‌شود سپس نیروی وزن، قطرات را به پایین سیستم AIMS می‌کشد واز آنجا به خارج سیستم درین می‌کند. برای جلوگیری از یخ‌زدگی و همچنین به خاطر گرمایش هوای مکش،‌گازهای اگزوز از داخل پره‌ها عبور داده می‌شود. بنابراین دمای هوای مکش افزایش و همزمان دمای فلوی گاز اگزوز کاهش می‌یابد.
● فیلترهای خود پاک‌کن پالس جت
▪ اساس
فیلترهای پالس فیلترهایی هستند که با استفاده از هوای فشرده ذراتی را که در سطح فیلتر جمع می‌شوند،‌تمیز می‌کنند. علت نامگذاری فیلترهای پالس این است که فلوی هوا مابین فیلترها برای مدت کوتاهی به فیلتر ضربه می‌زند. فیلتر خود پاک‌کن در واقع هم دارای مزیت فیلترهای با قابلیت بالا است و هم به کمترین تعمیرات و نگهداری نیاز دارد. فیلترهای هوای خود پاک‌کن پالس جت به دو نوع تقسیم می‌شوند:
- انواع کنوکسیونی یا فیلترهای پالس عمومی
- رویکرد جدید یا فیلترهای پالس افقی
تفاوت مابین این دو نوع فیلتر یکی از نحوه آرایش فیلتر و دیگری جهت جریان هوای ورودی ناشی می‌شود.
● فیلتر هوای خود پاک‌کن پالس جت کنوکسیونی
اساس این نوع فیلتر بسیار ساده است. فیلترهای هوای خود پاک‌کن پالس جت المانهایی از نوع فیلتر با بازده بالا به شکل کارتریج‌های استوانه‌ای را شامل می‌شود که به شکل عمودی نصب می‌شوند.
در بالای هر فیلتر و در محل تجمع هوای تمیز یک نازل ونتوری شکل قرار می‌گیرد. در هنگام بهره‌برداری نرمال هوای پیرامون به طرف ونتوری جریان می‌یابد و در نهایت به توربین وارد می‌شود. در چنین کارکردی (بهره‌برداری نرمال) این نوع فیلتر فقط به عنوان یک فیلتر بازده بالا عمل می‌کند. اما وقتی که یخ و برق روی سطح المانهای این فیلتر انباشته می‌شود، افت فشاردر میان کارتریج‌های به طور پیوسته کاهش می‌یابد تا موقعی که به یک حد معینی برسد که در این موقع سیستم اتوماتیک پاک‌کن پالس فعال می‌شود. وقتی که افت فشار به مقدار حد بالایی می‌رسد، سوئیچ فشار یک سیگنال به منظور باز کردن ولو صادر می‌کند و اجازه می‌دهد تا جریان هوای فشرده به داخل لوله‌ها برود. این هوای فشرده توسط کمپرسور توربین گاز یا یک منبع کمکی دیگر تولید می‌شود.
● رویکرد جدید
این روش جدید برای اولین بار در سال ۱۹۸۵ بر روی توربین‌های گاز استفاده شد و بر همان اساس فیلترهای هوای خود پاک‌کن پالس جت کنوکسیونی کار می‌کند با این تفاوت که المان‌های فیلتر به صورت افقی در مقابل یک دیواره جداکننده عمودی هوای تمیز از هوای کثیف نصب می‌شود. این نوع فیلتر در مقابل شرایط جوی نیز بوسیله یک پوسته محفظه مانند خارجی محافظت می‌شود. این پوسته در واقع یک مسیر از هوا به طرف پایین و به داخل المان‌های فیلتر ایجاد می‌کند. جریان هوای محیط اطراف ابتدا از طریق کانال‌های ورودی به فیلتر وارد می‌شود. گردوغبار موجود در هوای ورودی توسط فیلتر با بازده بالا جذب شده و روی سطح فیلتر لایه گرد و غبار (Dust cake) تشکیل می‌شود. وقتی که مقدار گردوغبار موجود روی المان‌ها بیشتر بشود، افت فشار به آرامی افزایش می‌یابد و باعث می‌شود تا سوئیچ فشار فرمان آزاد شدن هوای فشرده را به منظور تمیز کردن فیلتر بدهد. از مزایای این روش جدید این است که حفاظت توربین را بهبود می‌بخشد و همچنین به خاطر اینکه دارای اندازه کوچکی است،‌ فضای کمی را اشغال می‌کند. امروزه سیستم فیلتر خود پاک‌کن جدید در بسیاری از توربین‌های گاز مورد استفاده قرار می‌گیرد برای اینکه مزایای آن در مقایسه با فیلترهای پالس کنوکسیونی بیشتر است.
● انتخاب سیستم
علی‌رغم اینکه هر یک از این سیستم‌ها به تنهایی می‌تواند یک توربین گاز را در طول یک زمستان سرد بدون هیچ مشکلی به بهره‌برداری برساند باید ملاحظات بسیاری برای یک انتخاب مناسب در نظر گرفته شود. فاکتور اول نحوه کاربرد توربین گاز است. اگر توربین گاز جزیی از یک سیکل ترکیبی است سیستم مبدل حرارتی آب مناسب‌ترین و اقتصادی‌ترین انتخاب است. فاکتور دیگر پیچیدگی سیستم است که به هزینه و قابلیت اطمینان نیروگاه ربط پیدا می‌کند. سیستم Anti-icing بازیافت حرارتی نسبت به سایر سیستم‌ها پیچیده‌تر و پرهزینه‌ است ولی تاثیر کمی روی کارکرد توربین گاز دارد بنابراین حتماً باید مطالعات اقتصادی به منظور انتخاب مناسبت‌ترین سیستم Anti-icing برای یک کاربرد معین انجام شود. بعد از مطالعه درباره این سیستم‌ها استفاده از یک سیستم Anti-icing گرمایش ورودی کمپرسور زیرکش‌دار (Bleed comp.heating) همراه با یک فیلتر استاتیک توصیه می‌شود. این ترکیب‌بندی قطعاً‌توربین گاز را از خسارات تشکیل یخ محافظت می‌کند. بسیاری از سازندگان، فیلتر پالس را به عنوان یک سیستم Anti-icing ترجیح می‌دهند. برای اینکه هم یک راه‌حل ارزان است و هم مجبور نیستند تا از یک سیستم Anti-icing جداگانه استفاده کنند. استفاده از سیستم پالس فقط برای استفاده در محیط خارج، بیابانی و خشک توصیه می‌شود. فیلتر پالس دارای یک اشکال مهم است که در مقابل ذرات کوچک بازده پایینی دارد. علاوه بر این، فیلتر پالس در محیطهای مرطوب غیرموثر است. آب، ‌رطوبت و گرد و غبار،‌توده نرم و چسبناکی می‌سازند. سیستم خوپاک‌کن پالس نمی‌تواند این مواد را پاک کند. درنتیجه افت فشار درسیستم ورودی افزایش یافته و بر قدرت خروجی توربین گازتاثیر می‌گذارد. در مجموع سازندگان فیلتر پالس گارانتی نمی‌دهند که این سیستم بتواند یک سیستم ورودی بدون یخ را تضمین کند. برای مناطق سردسیر بکارگیری فیلتر استاتیک همراه بایک سیستم
Anti-icing توصیه می‌شود. چرا که این سیستم، توربین گاز را از خسارات یخ‌زدگی حفاظت می‌کند.

مهندس مجید پاشایی- مهندس مهدی کوشافر- مهندس جاوید بابایی

منبع : ماهنامه صنعت برق