ساختار یک توربین گازی

توربین گازی، یک موتور درون‌سوز از نوع ماشین‌های دوار است که با استفاده از انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می‌کند.

هر توربین گازی دارای یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق‌کردن آن و یک توربین برای تبدیل انرژی احتراق گازها به انرژی مکانیکی است. بخشی از انرژی مکانیکی تولیدشده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است مولد الکتریکی را بچرخاند (توربوژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) و یا مستقیماً (یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده) به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن).

الگوریتم کنترل

برای كاركرد صحيح و نرمال، در توربين هاي گاز از سيستم هاي كنترل و حفاظتي مختلفي استفاده می شود.
بدون حضور يك سيستم كنترل مناسب در توربين هاي گاز، خطرات زیادی عملکرد مطمئن و امن سیستم را تهدید می کند و ممكن است در يك زمان كوتاه درقسمت كمپرسور واماندگي يا استال به وجود آيد و يا دماي قسمتهایی از توربين از حد مجاز بيشتر شده و يا سرعت محور توربين از سرعت مجاز عبور کند كه همه اين ها به معناي وقوع يك حادثه خطرناك محسوب مي گردد.
از اين رو يك سيستم كنترل بايد از طراحي مطمئن برخوردار بوده و قابليت دسترسي و اطمينان بالايي نيز داشته باشد. ممكن است توربين هاي گازي در كاربردهاي گوناگوني مانند توربوژنراتور، توربوپمپ، توربوكمپرسور و غيره به كار برده شوند. از اين رو بسته به نوع كاربرد توربين گاز، سيستم هاي كنترل بايستي پارامترهاي مختلف و گوناگوني را بررسي كرده و دستورات كنترلي خود را صادر نمايند. سيستم كنترل با تغيير دادن پارامترهايي نظير ميزان سوخت، سرعت دوراني شفت، درجه حرارت هواي ورودي ياخروجي توربين و درجه حرارت هواي ورودي كمپرسور، ميزان توان توربين را كنترل مي كند و سعی در نگه داشتن توربین در محدوده ی ایمن و پر بازده میکند.
علاوه بر بخش های کنترلی، بخش های حفاظتی نیز به صورت موازی و ناظر بر بخش های کنترلی عملیات مربوط به خود را انجام می دهند.
معمولا الگوریتم كنترل سه وظيفه عمده بر عهده دارد:
كنترل راه اندازي و توقف
كنترل هاي متداول در حين كار
حفاظت پارامترهای حیاتی

سیستم کنترل کننده:

توربین های گاز غالباً دارای 4 کنترلر ذیل می باشند:
کنترلر شروع کار
کنترلر سرعت
کنترلر بار
کنترلر بار توربین
سیستم های کنترل کننده، جریان سوخت ورودی به اتاق احتراق را جهت حصول موارد زیر، کنترل می کند:
1. حفظ سرعت ثابت شفت در همه بارها
2. کنترل شتابگیری شفت در حدود مجاز (در حین راه اندازی)
3. کنترل دمای پره ها و پوسته داخلی توربین
4. کنترل میزان بارگیری در حد نیاز واحدهای تولیدی

برای کنترل پارامترهای فوق توربین های گاز غالباً دارای 5 کنترل کننده ذیل می باشند:
کنترل کننده راه اندازی، کنترل کننده سرعت، کنترل کننده شتابگیری، کنترل کننده بار، کنترل کننده دمای توربین
این 5 کنترلر همیشه به صورت موازی محاسبات مربوط به بخش خود را انجام می دهند، ولی همواره خروجی کنترل کننده ای که امن ترین مقدار سوخت را پیشنهاد می دهد به عنوان رفرنس کنترل سوخت اعمال می گردد. به همین دلیل به نوعی در سیستم کنترل نیز بحث های حفاظتی توربین لحاظ می گردد تا در صورت عملکرد نادرست یک کنترلر، بقیه کنترلر ها به صورت پشتیبان مقدار سوخت را در حد مجاز قرار دهند.

سیستم حفاظت:

در کنار کنترل کننده و ناظر بر آنها، واحد های حفاظتی قرار دارند که به طور معمول شامل:
حفاظت دما، حفاظت لرزش، حفاظت Overspeed ، سیستم اعلام حریق
همانطور که قبلاً گفته شد، بخش های حفاظتی همواره در حال رصد پارامتر مورد حفاظت خود به صورت کاملاً مستقل از بخش کنترل می باشند و در صورت تجاوز از حد مجاز، ابتدا هشدار(آلارم) صادر کرده و اپراتور را از عملکرد نادرست سیستم آگاه می کند و در صورتی که نقص برطرف نگردد یا احتمال آسیب دیدن توربین و متعلقات آن وجود داشته باشد، امکان توقف اضطراری توربین توسط حفاظت مربوطه وجود دارد.

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی یا همان توربوژنراتورها، توربین‌های گازی هستند که توان تولید شده به وسیله ی آنها به ژنراتور منتقل شده و در آنجا به انرژی پتانسیل الکتریکی تبدیل می‌شود. این نوع توربین گاز، می‌تواند به صورت سیکل ساده و یا سیکل ترکیبی مورد استفاده قرار گیرند. در حالت سیکل ساده، گازهای داغ خروجی از اگزوز توربین مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقی‌مانده در آنها هدر می‌رود، ولی در حالت سیکل ترکیبی، یک یا دو توربین گاز با یک توربین بخار کوپل می‌شوند و گازهای داغ خروجی از توربین گاز در یک بویلر بازیاب، آب بازگشتی از کندانسور توربین بخار را به بخار آب تبدیل می‌کند در نتیجه بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌شود، بنابراین با استفاده از این روش، راندمان کلی افزایش می‌یابد. توربوژنراتورها همچنین می‌توانند به صورت تولید همزمان برق و گرما برای تولید آب گرم و یا هوای گرم ساختمان‌ها و کارخانجات استفاده شوند.

توربین‌های گاز برای تولید انرژی مکانیکی

این نوع از توربین‌های گاز که شامل توربوکمپرسورها و توربوپمپ‌ها می‌شوند، توربین‌های گازی هستند که در آنها انرژی تولید شده توسط توربین، صرف به گردش درآوردن یک کمپرسور (جهت فشرده‌کردن یک ماده ی گازی) یا پمپ (جهت بالابردن فشار یک مایع) می‌شود.

این سیستم کنترل برای نصب بر روی توربین های گازی طراحی شده است. در این سیستم سعی شده است تا از جدید ترین تکنولوژی کنترلرهای موجود استفاده گردد. در انتخاب سخت افزار، موجودی، استانداردهای انتخاب شده، مرسوم بودن در صنعت ایران و فراوانی خدمات مد نظر بوده است.

هدف اصلی طراحی این کنترلر به منظور جایگزینی با سیستم های قدیمی اسپیدترونیک مارک I و II بوده است. اما پر واضح می باشد که با توجه به ساختار یکسان توربین های گازی امکان سفارشی نمودن آن و جایگزینی سایر کنترلرها وجود دارد.

این سیستم توانایی کنترل توربین های دور ثابت ( برای راه اندازی ژنراتورهای سنکرون ) و همچنین دور متغیر (برای راه اندازی پمپ ها و غیره) را دارا می باشد. همچنین امکان بهره برداری در مدهای Isochronous و Droop برای این کنترلر پیش بینی شده است. بخش کنترل دما دارای مدهای Base ،Peak و Peak reserve می باشد.

تمامی سیستم کنترل به صورت کاملا افزونه شده (Redundant) و بخش های حفاظت به صورت Fail safe طراحی شده است. این سیستم دارای مانیتورینگ محلی و ریموت برای اتاق فرمان مرکزی می باشد. همچنین در آن سیستم های مهندسی و نگهداری نیز پیش بینی شده است. تمامی رویدادها در این سیستم برچسب زمانی خورده و امکان بازیابی آنها در صورت نیاز وجود دارد.

ساختار کلی کنترلر بر پایه خانواده PCS7 زیمنس (SIEMENS) استوار می باشد. از شاخص های این طراحی
می توان به موارد زیر اشاره کرد:

  • استفاده از ساختار DCS
  • کنترلر اصلی از خانواده 400
  • کنترلر کمکی بسیار سریع برای پردازش سیگنال های گاورنر
  • ساختار کاملا افزونه (Redundant) خانواده H
  • طراحی Fail safe برای بخش های حفاظت تا سطح SIL3 بر اساس استاندارد IEC61508
  • بهره بردن از سیستم مانیتورینگ و پردازش اطلاعات بسیار قوی زیمنس (WinCC)

 

مهمترین ویژگی های این سیستم کنترل عبارتند از:

ایجاد مد راه اندازی و خاموشی تمام اتومات توربین
دارای سیستم عیب یاب هوشمند
حذف تنش های حرارتی در راه اندازی اتومات
افزایش سرعت پاسخ دهی سیستم
افزودن سامانه حفاظت در برابر بیشینه سرعت با منطق 2 از 3 مستقل از سخت افزار
امکان کارگزاری برای توربین های دور ثابت (توربوژنراتور) و دور متغیر (توربوکمپرسور)
مدهای کنترل دمای Peak و Base و Peak reserve
افزونگی (Redundancy)
سطح SIL3 استاندارد IEC61508
امکان بهره برداری در مدهای Droop و Isochronous
قابلیت Fail safe
سیستم مانیتورینگ و پردازش اطلاعات زیمنس WinCC
پردازنده ی مجزا جهت سیگنال های گاورنر
ذخیره ی رخدادها و خطاهای محلی بر روی compact flash
مجهز به سیستم های حفاظت سرعت، شعله، لرزش و راه انداز سروو والوها
برقراری ارتباط دیتا با سیستم کنترل بویلر
امکان راه اندازی واحد در هر دو مد توربین پیرو ، بویلر پیرو
افزایش بهره وری و آماده به کار بودن واحد

تیم اجرایی رامیار گازی مشتمل بر 12 نفر از مهندسین برتر شرکت بوده که با دارا بودن تحصیلات عالیه در رشته های مهندسی برق قدرت، مهندسی برق کنترل، مهندسی برق الکترونیک، مهندسی مکانیک و همچنین سابقه کاری بالا در زمینه کنترل توربین ها و نحوه ی عملکردی آنها، موفق به ایجاد سیستم کنترلی بر پایه ی فناوری DCS شده و اولین سیستم کنترل توربین بومی در ایران را پایه گذاری کرده اند.
این واحد تحت مدیریت مستقیم مدیر فنی شرکت فعالیت می کند.

چارت سازمانی این واحد به شکل زیر می باشد.

1. طراحی و نصب سیستم کنترل و حفاظت توربین گازی رامیار بر روی واحد 85 مگاواتی میتسوبیشی نیروگاه ری در سال 1396

موضوع پروژه

طراحی و تعویض سیستم جامع کنترل توربین گازی نیروگاه ری

نام کارفرما مدیریت برق ری
نام واحد میتسوبیشی
تکنولوژی مورد استفاده DCS SIEMENS PCS7
زمان برآورد 6 ماه
ظرفیت واحد 85 مگاوات
محل نصب نیروگاه ری- تهران
 زمان تحویل در دست اقدام
نوع توربین Westinghouse
نوع ژنراتور  
لینک تائیدیه در دست اقدام

 

2. بهینه سازی ضرایب کنترلی و کالیبراسیون واحد 4 نیروگاه تاجی عراق

این پروژه شامل دو فاز می باشد :

فاز اول : کالیبراسیون واحد 4 نیروگاه بود که شرکت آهار توانست با عیب یابی و بهینه سازی ضرایب کنترلی بهره برداری از این سیستم را از 5 مگاوات را به 17 مگاوات برساند .

فاز دوم : بروز رسانی سیستم کنترل توربین GE است که در دست اقدام می باشد .

موضوع پروژه بهینه سازی ضرایب کنترلی و کالیبراسیون واحد 4
نام کارفرما نیروگاه تاجی عراق
نام واحد GE FRAM5 MARK II
زمان براورد 2 هفته
ظرفیت واحد 25 MW
نوع توربین GE FRAM5 MARK II
محل نصب نیروگاه تاجی عراق
زمان تحویل تیرماه 98
نوع توربین GE FRAM5 MARK II
لینک تاییدیه در دست اقدام

 

3. تعویض کامل سیستم کنترل و حفاظت دو واحد توربین گازی میتسوبیشی مدل MW701D نيروگاه سیکل ترکیبی کازرون

موضوع پروژه

طراحی و تعویض سیستم جامع کنترل و حفاظت توربین

نام کارفرما شرکت آینده نگر مهر (مالک نیروگاه کازرون)
نام واحد Mitsubishi
تکنولوژی مورد استفاده DCS Siemens PCS7
زمان برآورد 40 هفته
ظرفیت واحد 127 مگاوات
محل نصب نیروگاه کازرون
 زمان تحویل در دست اقدام
نوع توربین Mitsubishi
نوع ژنراتور  
لینک تائیدیه در دست اقدام