همه چیز در مورد خلاء کندانسور

فرزین رضاقلی
نگهداری و تعمیرات, توربین گاز و بخار, مقالات

محتوا نمایش

چرا در کندانسور توربین بخار خلاء ایجاد می کنیم؟

ایجاد خلاء در کندانسور توربین بخار به چند دلیل ضروری است:

افزایش راندمان:

با حفظ فشار کم (خلاء) در کندانسور، بخار خروجی از توربین می تواند به طور کامل تری منبسط شود. این به توربین اجازه می دهد تا انرژی بیشتری از بخار استخراج کند و بازده کلی چرخه را بهبود بخشد.

دمای میعان پایین تر:

خلاء دمای اشباع بخار را کاهش می دهد. این بدان معنی است که بخار می تواند در دماهای پایین تر متراکم شود و به توربین اجازه می دهد تا با اختلاف دمای بیشتری بین بخار ورودی به توربین و میعانات خروجی از کندانسور کار کند.

تسهیل تراکم:

خلاء کمک می کند تا اطمینان حاصل شود که بخار به طور موثر در آب متراکم می شود. در یک محیط خلاء، فشار بخار کمتر از فشار اتمسفر است، که بخار را تشویق می کند تا سریعتر به فاز مایع تبدیل شود.

کاهش فشار برگشتی:

خلاء فشار برگشتی روی توربین را به حداقل می رساند. فشار برگشت کمتر به توربین اجازه می دهد تا به طور موثرتری کار کند و منجر به توان خروجی بالاتر و عملکرد بهتر می شود.

جلوگیری از ورود هوا:

خلاء به جلوگیری از ورود هوا و گازهای غیر قابل تراکم به سیستم کمک می کند که می تواند بازده انتقال حرارت را کاهش دهد و باعث خوردگی یا سایر مسائل در کندانسور شود.

به طور خلاصه، حفظ خلاء در کندانسور توربین بخار با امکان استخراج بهتر انرژی، تسهیل تراکم، و کاهش مسائل عملیاتی مربوط به فشار و گازهای غیر قابل تراکم، کارایی و عملکرد چرخه بخار را افزایش می دهد.

خلاء بیش از حد در کندانسور

خلاء بیش از حد به شرایطی اطلاق می شود که فشار در اگزوز توربین کمتر از سطح خلاء طراحی شده است که اغلب به دلیل تراکم بیش از حد یا جریان ناکافی بخار ایجاد می شود.

اگر خلاء کندانسور بیش از حد قوی شود،خطرات بالقوه ای برای توربین بخار وجود دارد:

افزایش فشار برگشتی:

خلاء بسیار قوی می تواند منجر به افزایش فشار برگشتی بر روی توربین شود. این می تواند باعث شود که توربین کارایی کمتری داشته باشد، زیرا دیفرانسیل فشار در حرکت توربین کاهش می یابد.

تنش مکانیکی:

توربین و لوله های مربوطه به گونه ای طراحی شده اند که در برابر اختلاف فشار خاص مقاومت کنند. شرایط خلاء بیش از حد قوی می تواند تنش های مکانیکی ایجاد کند که ممکن است از حد طراحی فراتر رود و به طور بالقوه منجر به آسیب یا شکست سازه شود.

القای آب:

اگر خلاء بیش از حد قوی باشد، ممکن است باعث ایجاد مشکلاتی در روند تراکم شود. به عنوان مثال، اگر کندانسور در فشار بسیار پایین کار کند، می تواند منجر به تشکیل قطرات آب ناشی از خلاء شود که می تواند به داخل توربین وارد شود و باعث ایجاد چکش آب و آسیب به پره های توربین شود.

خرابی سیل و گسکت:

سیل ها و گسکت ها در سیستم های توربین و کندانسور به گونه ای طراحی شده اند که در محدوده خلاء خاصی کار کنند. خلاء بیش از حد می تواند منجر به خرابی این قطعات و در نتیجه نشت و از بین رفتن یکپارچگی سیستم شود.

کاهش راندمان انتقال حرارت:

یک خلاء بسیار قوی می‌تواند بر ویژگی‌های انتقال حرارت در کندانسور تأثیر بگذارد و به طور بالقوه منجر به کاهش راندمان در تراکم بخار به آب شود. این می تواند بر عملکرد کلی نیروگاه تأثیر بگذارد.

مسائل عملیاتی:

سیستم های کنترل ممکن است برای حفظ شرایط عملیاتی مناسب تحت سطوح خلاء شدید تلاش کنند که منجر به بی ثباتی عملیاتی بالقوه می شود.

به طور خلاصه، در حالی که خلاء برای عملکرد کارآمد توربین ضروری است، شرایط خلاء بیش از حد قوی می تواند منجر به طیف وسیعی از مسائل مکانیکی، عملیاتی و کارایی شود. نظارت و کنترل سطوح خلاء کندانسور برای ماندن در مشخصات طراحی سیستم توربین بسیار مهم است.

علل افزایش ناگهانی خلاء کندانسور

علل رایج افزایش ناگهانی خلاء به شرح زیر می باشد :

افت ناگهانی بار، یعنی از بار کامل به تقریباً بدون بار
خاموش شدن ناگهانی بریکرهای شبکه باشد
کاهش جریان آب خنک کننده،
نشتی در کندانسور
خرابی پمپ خلاء

راهکارهای جلوگیری از بروز خسارت در افزایش ناگهانی خلاء کندانسور

1. شیرهای ایمنی (Safety Valves):

شیرهای ایمنی به گونه ای طراحی شده اند که به طور خودکار باز شده و فشار اضافی در سیستم کندانسور آزاد می شود و در نتیجه از آسیب به تجهیزات جلوگیری می شود.

2. شیرهای فشار شکن (PRV) :

شیرهای فشار شکن مشابه شیرهای اطمینان هستند اما معمولاً در آستانه فشار پایین‌تری باز می‌شوند. آنها یک لایه حفاظتی اضافی در برابر افزایش فشار ناگهانی ایجاد می کنند.

3. گیج های فشار:

از فشارسنج ها برای نظارت بر سطوح فشار در سیستم کندانسور استفاده می شود. با نظارت منظم بر خوانش فشار، اپراتورها می توانند به سرعت هرگونه افزایش ناگهانی را شناسایی کرده و اقدامات مناسب را برای جلوگیری از آسیب انجام دهند.

4. شات آف ولو:

شیرهای قطع به اپراتورها این امکان را می دهند که در صورت افزایش فشار ناگهانی، اجزای خاصی از سیستم کندانسور را جدا کرده و از انتشار فشار به سایر قسمت های سیستم جلوگیری کنند.

5. سیستم های خنک کننده اضطراری:

در صورت افزایش ناگهانی فشار، سیستم های خنک کننده اضطراری را می توان فعال کرد تا به کاهش دما و فشار در سیستم کندانسور کمک کند و خطر آسیب را کاهش دهد.

6. وکیوم بریکر:

یک وکیوم بریکر برای شکستن سریع خلاء کندانسور در مواقع اضطراری برای جلوگیری از سرعت بیش از حد توربین در صورت بروز مشکل در سمت ژنراتور در نظر گرفته شده است.

7. راپچر دیسک :

راپچر دیسک یک دستگاه کاهش فشار غیر بسته (Pressure Relief Device – PRD) هستند که برای محافظت از لوله‌ها، مخازن تحت فشار و سایر اجزای حاوی فشار در برابر فشار بیش از حد و/یا خلاء استفاده می‌شوند.

خلاء کم در کندانسور

خلاء کم زمانی اتفاق می‌افتد که فشار در کندانسور بیشتر از حد مطلوب باشد که اغلب به دلیل سرمایش ناکافی، نشت هوا یا سایر مسائل عملیاتی است.

اثرات:

کاهش راندمان:

خلاء کم باعث افزایش فشار برگشتی روی توربین می شود که افت فشار در سراسر توربین و در نتیجه راندمان سیکل بخار را کاهش می دهد.

توان خروجی کمتر:

توربین به دلیل کاهش توانایی استخراج انرژی از بخار، توان کمتری تولید خواهد کرد.

افزایش نرخ گرما:

خلاء کم می تواند منجر به افزایش نرخ گرما شود، به این معنی که سوخت بیشتری برای تولید همان مقدار نیرو مورد نیاز است و در نتیجه هزینه های عملیاتی بالاتری را به همراه دارد.

خطر گرمای بیش از حد:

خنک کننده ناکافی به دلیل خلاء کم می تواند باعث گرم شدن بیش از حد در توربین و کندانسور شود که به طور بالقوه منجر به خرابی تجهیزات یا کاهش طول عمر می شود.

خوردگی تجهیزات:

فشار بیشتر در کندانسور می تواند منجر به تراکم گازهای غیر قابل تراکم شود که می تواند در طول زمان باعث ایجاد مشکلات خوردگی شود.

خلاء بیش از حد : به طور کلی راندمان و خروجی را بهبود می بخشد، اما اگر بیش از حد شدید باشد، می تواند منجر به مشکلات مکانیکی شود.

خلاء کم: راندمان و توان خروجی را کاهش می دهد، هزینه های عملیاتی را افزایش می دهد و خطر گرم شدن بیش از حد و خوردگی را به همراه دارد.

حفظ سطوح خلاء بهینه برای عملکرد کارآمد و ایمن توربین های بخار و سیستم های متراکم بسیار مهم است.

دلایل افت خلاء توربین بخار

دلایل مختلفی برای افت خلاء توربین بخار وجود دارد، از جمله:

1. نشت هوا در سیستم:

وجود نشتی هوا در کندانسور، محفظه توربین بخار یا سایر اجزا می تواند باعث کاهش سطح خلاء شود. این ممکن است به دلیل آسیب‌دیدگی سیل، گسکت یا اتصالات لوله رخ دهد.

2. فشار برگشت بالا در کندانسور:

اگر کندانسور فشار برگشتی بالایی داشته باشد، می تواند منجر به کاهش سطح خلاء شود. این می تواند ناشی از رسوب لوله های کندانسور، جریان ناکافی آب خنک کننده، یا خرابی پمپ های خلاء کندانسور باشد.

3. نشت بخار:

نشت بخار در محفظه توربین یا لوله های بخار نیز می تواند باعث افت سطح خلاء شود. این می تواند به دلیل خراب شدن یا نصب نادرست تله بخار (استیم ترپ)، ولو ها یا سایر اجزا باشد.

4. گازهای غیر قابل تراکم:

گازهای غیرقابل تراکم مانند هوا، دی اکسید کربن یا هیدروژن می توانند در کندانسور تجمع کرده و سطح خلاء را کاهش دهند. این می تواند به دلیل روش های تهویه نامناسب، آلودگی آب، یا تجهیزات ناکافی گاز زدایی رخ دهد.

5. از دست دادن ظرفیت پمپ خلاء:

اگر ظرفیت پمپ های خلاء کندانسور ناکافی باشد یا در صورت خرابی آنها، می تواند منجر به کاهش سطح خلاء شود. این می تواند ناشی از سایش پمپ، خرابی های مکانیکی یا نگهداری ناکافی باشد.

6. جریان آب خنک کننده ناکافی:

جریان ناکافی آب خنک کننده به کندانسور می تواند منجر به کاهش سطح خلاء شود. این می تواند به دلیل گرفتگی یا آسیب دیدگی لوله های آب خنک کننده، تامین ناکافی آب، یا تصفیه نامناسب آب رخ دهد.

7. شرایط عملکرد توربین بخار:

تغییرات در شرایط عملکرد توربین بخار، مانند سرعت جریان بخار، فشار یا دما نیز می تواند بر سطوح خلاء تأثیر بگذارد. تغییرات در این پارامترها می تواند بر کارایی فرآیند تراکم تأثیر بگذارد و منجر به کاهش سطح خلاء شود.

اگر کندانسور در یک توربین بخار حذف شود چه اتفاقی می افتد؟

حذف کندانسور از سیستم توربین بخار تأثیر منفی قابل توجهی بر عملکرد و کارایی آن خواهد داشت. در اینجا پیامدهای اصلی وجود دارد:

از دست دادن خلاء:

کندانسور خلاء ایجاد می کند که به بخار اجازه می دهد تا با فشار کم از توربین خارج شود. بدون آن، بخار اگزوز باید در برابر فشار اتمسفر منبسط شود و افت آنتالپی را در سراسر توربین کاهش دهد و بازده آن را کاهش دهد.

کاهش راندمان :

راندمان حرارتی چرخه بخار به توانایی متراکم کردن بخار و حفظ فشار کم در کندانسور بستگی دارد. بدون تراکم، بخار در فشار بالاتری باقی می ماند و در نتیجه انرژی کمتری از بخار استخراج می شود و در نتیجه راندمان کلی کمتر می شود.

افزایش فشار برگشتی:

عدم وجود کندانسور منجر به افزایش فشار برگشتی بر روی توربین می شود. این می تواند منجر به دما و فشار بالاتر در داخل توربین شود که به طور بالقوه باعث ایجاد استرس و آسیب مکانیکی می شود.

از دست دادن بازیابی حرارت:

کندانسور اغلب به عنوان یک مبدل حرارتی عمل می کند، گرما را از بخار بازیابی می کند و آن را به یک محیط خنک کننده (معمولا آب) منتقل می کند. بدون آن، توانایی بازیابی و استفاده از گرمای تلف شده از بین می رود.

تاثیر بر گردش آب:

در بسیاری از سیستم ها، کندانسور بخشی از یک سیستم آب حلقه بسته است. حذف آن می تواند گردش آب را مختل کند و منجر به گرمای بیش از حد احتمالی و ناکارآمدی در سیستم کلی شود.

ناپایداری سیستم:

چرخه بخار کلی برای پایداری به کندانسور متکی است. حذف آن می تواند منجر به مشکلات عملیاتی شود، مانند نوسانات فشار و دما، که می تواند عملکرد سایر اجزای سیستم را تحت تاثیر قرار دهد.

به طور خلاصه، حذف کندانسور از یک توربین بخار منجر به کاهش راندمان، افزایش تنش عملیاتی و آسیب احتمالی به توربین و سیستم‌های مرتبط می‌شود. این یک جزء حیاتی برای حفظ عملکرد بهینه در تولید برق بخار است

خلاء در کندانسور چگونه بازده توربین بخار را افزایش می دهد؟ اثبات ریاضی چیست؟

راندمان توربین بخار را می توان با حفظ خلاء در کندانسور به میزان قابل توجهی بهبود بخشید. در اینجا توضیحی در مورد نحوه کار این به همراه یک اثبات ریاضی وجود دارد.

چگونه خلاء کارایی را افزایش می دهد ؟

کم کردن فشار برگشتی:

در یک توربین بخار، بخار منبسط می شود و روی پره های توربین کار می کند. پس از انجام این کار، بخار دوباره به آب در کندانسور متراکم می شود. اگر کندانسور در خلاء کار کند، فشار برگشتی که توربین باید در برابر آن کار کند کاهش می یابد. این اجازه می دهد تا بخار به طور کامل منبسط شود و انرژی بیشتری از بخار استخراج کند.

افت بیشتر آنتالپی :

افت فشار در کندانسور باعث کاهش دمای اشباع بخار می شود. این بدان معنی است که بخار می تواند در دمای پایین تر متراکم شود، که دمای بخار خروجی را کاهش می دهد. هر چه اختلاف دما بین بخار ورودی به توربین و بخار خروجی بیشتر باشد، کار بیشتری می توان استخراج کرد.

بهبود راندمان حرارتی :

راندمان حرارتی یک چرخه بخار با راندمان کارنو تعریف می شود که به اختلاف دمای بین منبع گرما و سینک حرارتی بستگی دارد. با کاهش دمای هیت سینک (کندانسور) راندمان کارنو افزایش می یابد.

اثبات ریاضی

برای نشان دادن این موضوع از نظر ریاضی، می‌توانیم از چرخه رانکین استفاده کنیم که سیکل ایده‌آل برای توربین‌های بخار است. کارایی چرخه رانکین را می توان به صورت زیر بیان کرد:

$η = \frac{W_{n e t}}{Q_{i n}}$

که:
– $η$ = راندمان حرارتی
– $W_{n e t}$ =خروجی خالص کار سیکل
– $Q_{i n}$ = گرمای ورودی به سیکل

خروجی کار: خروجی خالص کار ( $W_{n e t}$ ) با کار انجام شده توسط توربین منهای کار انجام شده توسط پمپ به دست می آید.:

$W_{n e t} = W_{t u r b i n e} - W_{p u m p}$

برای تجزیه و تحلیل ساده، می توان فرض کرد که کار انجام شده توسط پمپ در مقایسه با کار انجام شده توسط توربین کم است. بنابراین

$W_{n e t} \approx W_{t u r b i n e}$

کار انجام شده توسط توربین را می توان بر حسب تغییر آنتالپی بیان کرد

$W_{t u r b i n e} = h_{i n} - h_{o u t}$

که:
– $h_{i n}$ = آنتالپی بخار ورودی به توربین
– $h_{o u t}$ = آنتالپی بخار خروجی از توربین

اثر فشار کندانسور: هنگام کار در شرایط خلاء، آنتالپی بخار خروجی ( $h_{o u t}$ ) به دلیل فشار و دمای پایین در کندانسور کاهش می‌یابد. این را می توان به صورت زیر نشان داد

$h_{o u t, v a c u u m} < h_{o u t, a t m o s p h e r i c}$

گرمای ورودی: گرمای ورودی به چرخه را می توان به صورت آنتالپی بخار پس از خروج از دیگ نشان داد

$Q_{i n} = h_{b o i l e r}$

محاسبه کارایی: با وصل کردن اینها به عبارت کارایی

$η = \frac{h_{i n} - h_{o u t}}{h_{b o i l e r}}$

با خروجی کمتر $h_{o u t}$ به دلیل خلاء:

$η_{v a c u u m} = \frac{h_{i n} - h_{o u t, v a c u u m}}{h_{b o i l e r}} > \frac{h_{i n} - h_{o u t, a t m o s p h e r i c}}{h_{b o i l e r}} = η_{a t m o s p h e r i c}$

نتیجه گیری

به طور خلاصه، حفظ خلاء در کندانسور یک توربین بخار باعث کاهش فشار برگشتی، افزایش افت آنتالپی در سراسر توربین و بهبود بازده حرارتی چرخه بخار می‌شود. این منجر به خروجی خالص کار بیشتر و در نتیجه کارآمدتر توربین بخار می شود.