سیستم کنترل و حفاظت توربین گاز
هدف نهایی سیستم کنترل توربین گاز، تحویل توان لازم برای مصرف‌کننده در ولتاژ و فرکانس مشخص است. در سیستم‌های نیروگاهی چون فرکانس برق تولید شده با دور روتور ارتباط مستقیم دارد، کنترل دور که همواره باید مقدار مشخصی باشد، اهمیت ویژه‌ای دارد.
این تنها با طراحی سیستم کنترلی مناسب و نظارت اپراتورها امکان‌پذیر است.
آنچه در حلقه های کنترلی تمامی توربین‌ها مدنظر است، سرعت روتور و درجه حرارت توربین می‌باشد. کنترل دور و درجه حرارت با استفاده از متغیرهای کنترلی ولو سوخت و پره‌های هادی ورودی انجام میشود. پره‌های هادی ورودی، دبی هوا را با یک کنترل حلقه بسته کنترل می‌کنند.
قسمت اول مربوط به مرحله راه‌اندازی می‌باشد که در این مرحله باید مسائلی از جمله سِرج، حداکثر درجه حرارت مجاز، دور روتور، تشکیل شعله و غیره در نظر گرفته شود. در مرحله دوم، در حین کارکرد در نقطه کاری مشخص، دور و درجه حرارت کنترل می‌شوند.
سیستم گاورنر توربین گاز
آنچه در این مقاله خواهید خواند :
- 1 سیستم گاورنر توربین گاز
- 2 سیستم سوخت گاز در توربین گاز
- 3 سیستم سوخت مایع در توربین گاز
- 4 سیستم کنترل موقعیت دریچه هوا (IGV)
- 5 سیستم توربین (کمپرسور-محفظه احتراق و توربین)
- 6 6 حلقه کنترلی در توربین گاز
- 6.1 کنترل دما (Temprature)
- 6.2 کنترل سرعت (Speed)
- 6.3 کنترل استارت (Start)
- 6.4 کنترل شتابگیری (Acceleration)
- 6.5 کنترل شات دان (Shut down)
- 6.6 کنترل دستی (Manual)
- 6.7 حفاظت سرعت بالا (Over Speed)
- 6.8 حفاظت دما بالا (Over Temprature)
- 6.9 حفاظت از دست رفتن شعله ها (Loss of Flame)
- 6.10 حفاظت ویبره بالا (Vibration)
- 6.11 حفاظت محفظه احتراق یا اسپرد (Combustion Monitor)
کنترل دور توربین با گاورنر انجام میشود.
از آنجایی که ساخت گاورنر به صورت سخت‌افزاری پرهزینه است، در توربین‌های امروزی از گاورنرهای نرم‌افزاری استفاده میشود. در بخش گاورنر، سیگنال‌های دور روتور، درجه حرارت اگزوز، فشار خروجی کمپرسور، دمای محیط و درصد انتخاب شده برای سوخت گاز یا مایع به عنوان ورودی
گاورنر دریافت شده و با توجه به این مقادیر سیگنال‌های فرمان سوخت، فرمان موقعیت دریچه هوا و فشار گاز دلخواه ساخته می‌شوند. سیگنال خروجی گاورنر (فرمان سوخت و فرمان موقعیت دریچه هوا) ورودی‌های توربین محسوب می‌شوند.
شکل زیر نحوه ارتباط بین سیگنال‌های خروجی گاورنر با سیگنال‌های ورودی و خروجی توربین را نمایش می‌دهد.
محدودیت های توربین گاز
از آنجا که دمای پره‌های توربین نباید از حد مجاز بیشتر شود و اندازه‌گیری مستقیم درجه حرارت پره‌ها مشکل و پرهزینه است، دمای اگزوز بعنوان نماینده دمای پره‌ها، اندازه‌گیری میشود تا چنانچه از حد مجاز بیشتر شود، میزان سوخت کم شود.
علاوه بر درجه حرارت، شتاب روتور نیز نباید از حد مجاز تجاوز کند. سیگنال شتاب با مشتق‌گیری از سیگنال دور در گاورنر تولید میشود. مسئولیت اصلی گاورنر، کنترل بار-فرکانس همراه با کنترل شتاب و درجه حرارت است. به عبارت دیگر، سه سیگنال مختلف یعنی سرعت روتور، شتاب روتور و درجه حرارت با ورودی میزان سوخت کنترل می‌گردند.
سه سیگنال اشاره شده، ابتدا با مقدار مرجع مقایسه و سیگنال خطا محاسبه میشود. سیگنال خطا، پس از عبور از کنترل کننده (عموماً PI) به سیستم انتخاب‌کننده حداقل وارد شده و حداقل این سه سیگنال به عنوان سیگنال کنترل غالب انتخاب می‌شوند.
با اضافه کردن بار به سیستم و آرام گرفتن در نقطه کاری جدید، برای بازگرداندن فرکانس به محدوده قابل قبول و محدود کردن دامنه تغییر فرکانس شبکه در اثر تغییر بار از سیستم کنترل بار- فرکانس استفاده میشود.
در سیستم کنترل بار-فرکانس، یک سیگنال کنترل ساخته میشود که از طریق گاورنر نیروگاه به واحد اعمال میشود.
سیستم کنترل گاورنر را برای کنترل فرکانس به دو نوع ایزوکرونوس و شیب افتی تقسیم‌بندی می‌کنند. در حالت ایزوکرونوس، خطای فرکانس به یک انتگرال‌گیر خالص وارد میشود.
وجود انتگرال‌گیر خالص باعث میشود سیستم در حالت مانا و آرامش نباشد و باعث ناپایداری کل شبکه میشود.
در واحدهایی که سیستم کنترل بار-فرکانس به صورت شیب افتی باشد، یک حلقه فیدبک با بهره R روی انتگرال‌گیر بسته میشود که توسط اپراتور نیروگاه قابل تنظیم است. اگر مقدار بهره R ، صفر انتخاب شود، گاورنر به حالت ایزوکرونوس در می‌آید و واحد به هیچ عنوان خطای فرکانس را نمی‌پذیرد.
ولی اگر صفر نباشد، واحد کمی خطا را می‌پذیرد.
سیستم سوخت گاز در توربین گاز
قسمت اصلی سوخت‌رسانی این سیستم، شیر کنترل گاز است که باید متناسب با فرمان سوخت گاز، باز یا بسته شود که این کار با یک حلقه کنترلی ساده صورت میگیرد. موقعیت واقعی شیر کنترل گاز با سیگنال فرمان مقایسه و سیگنال‌های خطای تقویت‌شده، باعث باز یا بسته شدن شیر میشود تا خطا (تقریبا) صفر گردد. موقعیت شیر با ترانسفورمر خطی دیفرانسیل اندازه‌گیری میشود که در واقع یک ترانسفورماتور است که هسته آن به موقعیت شیر متصل است و ولتاژ خارجی متناسب با تغییر موقعیت شیر گاز تغییر می‌نماید.
با توجه به توضیحات بالا، بلوک دیاگرام شکل زیر برای حلقه کنترلی شیر کنترل گاز پیشنهاد میگردد.
کنترل فشار گاز در توربین گاز
از آنجا که میزان فلوی گاز متناسب با حاصل‌ضرب موقعیت شیر کنترل گاز و فشار گاز است، حلقه کنترلی دیگری برای کنترل فشار گاز با شیر کنترلی دیگر به نام شیر کنترلی تناسبی – توقفی وجود دارد.
برای کنترل فشار، ابتدا فشار گاز دلخواه که متناسب با دور روتور است، با فشار گاز اندازه‌گیری‌شده مقایسه میگردد. این سیگنال خطا، پس از عبور از یک کنترل‌کننده تناسبی انتگرالی، سیگنال موقعیت شیر دلخواه را تولید می‌کند.
این سیگنال نیز با موقعیت شیر اندازه‌گیری شده مقایسه و سیگنال خطا باعث باز یا بسته شدن موقعیت شیر تناسبی- توقفی میشود.
این شیر را از آن جهت تناسبی- توقفی می‌نامند که متناسب با مقدار فشار دلخواه باز یا بسته و در صورت صدور فرمان تریپ، یکباره بسته میشود. با توجه به توضیحات بالا، بلوک دیاگرام شکل زیر برای سیستم کنترل فشار گاز پیشنهاد میشود.
در بلوک دیاگرام شکل قبل، اثر موقعیت شیر کنترل گاز روی تغییرات فشار گاز نیز در نظر گرفته شده است. میزان فلوی گاز متناسب با حاصل‌ضرب موقعیت شیر کنترل گاز و فشار گاز است؛
لذا برای کل سیستم سوخت‌رسانی گاز، بلوک دیاگرام شکل زیر بدست می‌آید.
سیستم سوخت مایع در توربین گاز
سیستم کنترل سوخت‌رسانی مایع کمی با سیستم سوخت‌رسانی گاز متفاوت است. سیگنال فرمان سوخت مایع با مقدار فلوی مایع اندازه‌گیری‌شده مقایسه میشود و پس از عبور از یک کنترل‌کننده تناسبی، انتگرال سیگنال موقعیت شیر دلخواه را می‌سازد.
این سیگنال نیز در یک مقایسه‌کننده با موقعیت شیر اندازه‌گیری شده مقایسه و سیگنال خطا باعث باز یا بسته شدن شیر کنترل سوخت مایع میشود.
با توجه به توضیحات بالا، بلوک دیاگرام شکل زیر برای سیستم سوخت‌رسانی مایع پیشنهاد میشود.
سیستم کنترل موقعیت دریچه هوا (IGV)
سیگنال فرمان موقعیت دریچه هوا، که گاورنر تولید می‌کند، بعد از عبور از یک مبدل دیجیتال به آنالوگ وارد یک مقایسه‌کننده و با موقعیت دریچه اندازه‌گیری‌شده مقایسه میشود. سیگنال خطا با یک شیر هیدرولیکی باعث باز یا بسته شدن دریچه میشود.
سیستم توربین (کمپرسور-محفظه احتراق و توربین)
6 حلقه کنترلی در توربین گاز
- Temprature
- Speed
- Start up
- Acceleration
- Shut Down
- Manual
کنترل دما (Temprature)
در زمانی که دمای رفرنس اگزوز و دمای میانگین اگزوز با هم برابر باشند و گایدون کاملا باز باشد (بار BASE) ، توربین در این حلقه کنترل قرار میگیرد. در این صورت محدودیت دما اجازه بارگیری بیشتر به توربین و در نتیجه ژنراتور را نمیدهد.
کنترل سرعت (Speed)
در زمانی که توربین گاز در بار کمتر از مقدار نامی (BASE) باشد ، این حلقه کنترل فعال است . در زمان بار پارت لود یا پری سلکت حلقه کنترل سرعت فعال میشود.
کنترل استارت (Start)
فقط در زمان راه اندازی توربین گاز این حلقه کنترلی فعال شده و کنترل سوخت در مراحل استارت را زیر نظر میگیرد.
کنترل شتابگیری (Acceleration)
در واقع این حلقه کنترل داخل حلقه کنترل استارت قرار دارد و فقط در زمان شتابگیری توربین گاز یعنی بعد از وارم آپ تا دور نهایی ، فعال میگردد.
کنترل شات دان (Shut down)
در زمان خروج واحد از مدار با فرمان SHUT DOWN این حلقه کنترلی فعال شده و تا دور خنک کاری (ONCD) ، کنترل واحد را در اختیار دارد.
کنترل دستی (Manual)
هر زمان که مقدار تنظیم دستی رفرنس سوخت ، کمترین مقدار را در بین حلقه های کنترلی داشته باشد ، این حلقه کنترل فعال میشود و عملا کنترل مقدار سوخت و در نتیجه بارگیری به صورت دستی و در اختیار اپراتور قرار میگیرد. لازم به ذکر است که کنترل دستی همیشه در مقدار 100% یعنی ماکزیمم مقدار قرار دارد تا توربین در این حلقه کنترل قرار نگیرد.
پنج حفاظت اصلی برای توربین های گازی شرکت جنرال الکتریک (GE) طراحی شده است که عبارتند از :
- OVER SPEED
- OVER TEMPRATURE
- LOSS OF FLAME
- HI VIBRATION
- COMBUSTION MONITOR
با توجه به نمودار هر کدام از پنج مورد ذکر شده به طور مستقل به کامپیوتر های پردازشگر اطلاعات وصل هستند و میتوانند فرمان تریپ را صادر کنند که در این صورت مسیر های سوخت قطع میگردد و واحد خارج می گردد.
حفاظت سرعت بالا (Over Speed)
در این حفاظت سرعت توربین تحت نظر است و اگر از 110% سرعت نامی تجاوز کند به صورت الکتریکی و اگر از 111% سرعت نامی تجاوز کند به صورت مکانیک باعث تریپ توربین گاز میشود.
حفاظت دما بالا (Over Temprature)
اگر میانگین دمای اگزوز از مقدار رفرنس به میزان 22.2 درجه سانتی گراد اافزایش یابد یا به 650 درجه سانتی گراد برسد ، باعث تریپ توربین گاز میشود.
حفاظت از دست رفتن شعله ها (Loss of Flame)
اگر 3 از 4 شعله بین ، وجود شعله در محفظه احراق را تشخیص ندهند باعث تریپ توربین گاز میشود.
حفاظت ویبره بالا (Vibration)
اگر هر کدام از سنسور های ویبره نصب شده در یاتاقان های توربین گاز یا ژنراتور به عدد 25.4 میلی متر بر ثانیه برسد باعث تریپ توربین گاز میشود .
حفاظت محفظه احتراق یا اسپرد (Combustion Monitor)
اگر اختلاف بیشترین و کمترین مقدار در ترموکوپل های نصب شده در اگزوز واحد گازی از میزان رفرنس مشخص شده بیشتر گردد باعث تریپ توربین گاز میشود .
برای کسب اطلاعات بیشتر مقاله های توربین گاز را مطالعه کنید.
