[تجهیزات دوار] - گاورنر توربین بخار - steam turbine governing

[P O U R I A]

گاورنینگ توربین بخار (steam turbine governing) روندی است برای کنترل نرخ جریان بخار ورودی به توربین بخار به منظور حفظ سرعت چرخش ثابت آن. تغییر بار در طول بهره‌برداری یک توربین بخار می‌تواند تاثیر قابل توجهی در عملکرد آن داشته باشد. در اغلب شرایط عملی، بار توربین بخار از بار طراحی و یا بار اقتصادی متفاوت است و در نتیجه همیشه انحراف قابل توجهی از عمل‌کرد مطلوب توربین وجود دارد. هدف اولیه در کارکرد توربین بخار حفظ یک سرعت ثابت چرخش با تغییر بارهای متفاوت است. این را می‌توان به وسیله گاورنینگ در توربین بخار به دست آورد.


بر حسب روش خاص مورد قبول برای کنترل نرخ جریان بخار، روش‌های گاورنینگ مختلفی به کار می‌روند. روش‌های اصلی مورد استفاده برای گاورنینگ در ادامه توضیح داده شده‌اند.


گاورنینگ خفقانی

در گاورنینگ خفقانی (throttle governing)، فشار بخار در ورودی توربین کاهش می‌یابد و انرژی در دسترس (availability of energy) را کاهش می‌یابد. در این روش بخار وادار می‌شود که از یک گذرگاه محدود عبور کند و در نتیجه فشار آن در گذر از شیر گاورنینگ کاهش می‌یابد. نرخ جریان با استفاده از یک شیر کنترلی نیمه بسته بخار کنترل می‌شود. کاهش فشار منجر به یک فرآیند خفقان (throttling process) می‌شود که در آن آنتالپی بخار ثابت می‌ماند.




گاورنینگ خفگی در توربین های کوچک

هزینه اولیه پایین و مکانیزم ساده باعث می‌شود گاورنینگ خفگی مناسب‌ترین روش برای توربین های بخار کوچک باشد که مکانیزم آن در شکل زیر نشان داده شده است. ولو با استفاده از یک گاورنر سانتریفوژ (centrifugal governor) که از توپی‌های معلق متصل به بازوی آستینی (sleeve) تشکیل شده است فرمان می‌گیرد. یک مکانیزم چرخ‌دنده، شافت توربین را به شافت دواری که در آن آستین به صورت محوری رفت و برگشت می‌کند متصل می‌کند. با کاهش بار، سرعت شافت توربین افزایش می‌یابد توپی‌های معلق از محور آستین دور می‌شوند. این باعث یک حرکت محوری آستین و پس از آن فعال شدن به یک اهرم می‌شود که به نوبه خود به استاپ ولو (stop valve) اصلی فرمان می‌دهد تا برای کنترل نرخ جریان به موقعیت نیمه باز برود.

 

[P O U R I A]

گاورنینگ خفگی در توربین‌های بزرگ

در توربین های بخار بزرگ‌تر، یک سرو مکانیزم روغنی (oil operated servo mechanism)‌ برای افزایش حساسیت (sensitivity) اهرم استفاده می‌شود. استفاده از یک سیستم رله‌ای (relay system) باعث بزرگ‌نمایی انحرافات کوچک به اهرم متصل به آستین گاورنر می‌شود. دو انتهای اهرم دیفرانسیلی (differential lever) به آستین گاورنر و اسپیندل ولو (valve spindle) متصل می‌شوند. اسپیندل پیلوت ولوها (pilot valves) نیز در یک موقعیت میانی به همان اهرم متصل می‌شود. هر پیلوت ولو یک دریچه (port) را در محفظه روغن پوشش می‌دهد. خروجی محفظه روغن به وسیله لوله به مخزن تخلیه روغن متصل می‌شود. کاهش بار در طول بهره‌برداری توربین باعث افزایش سرعت شافت و در نتیجه بلند کردن آستین گاورنر می‌شود. انحرافی که در اهرم ایجاد می‌شود و باعث می‌شود که اسپیندل شیر پیلوت بالا رود و پورت بالایی را برای ورود روغن و پورت پایینی را برای خروج روغن باز کند. روغن تحت فشار از مخزن روغن وارد سیلندر می‌شود و پیستون رله (relay piston) را به سمت پایین هل می‌دهد. در کنار این که پیستون رله اسپیندل شیر خفقان متصل به آن را حرکت می‌دهد، ولو را به پایین می‌برد و تا حدی دریچه را می‌بندد. به این ترتیب می‌توان نرخ جریان بخار را کنترل نمود. زمانی که بار روی توربین افزایش می‌یابد، انحراف در اهرم به صورتی است که پورت پایینی برای ورود روغن باز و پورت بالایی برای خروج آن باز می‌شوند. پیستون رله به سمت بالا حرکت می‌کند و اسپیندل شیر خفگی به سمت بالا می‌رود و شیر را باز می‌کند. تغییر در میزان مصرف بخار با بار توربین در طول گاورنینگ خفگی به صورت خطی است و توسط خط ویلان (willan’s line) تعیین می‌شود.




معادله خط خط ویلان به صورت زیر است:

m = aL + C​

که در آن a نرخ بخار (steam rate) بر حسب کیلوگرم بر کیلووات‌ساعت، L بار در توربین بر حسب کیلووات و C مصرف بخار بی‌بار است.

 

[P O U R I A]

گاورنینگ نازلی

در گاورنینگ نازلی (nozzle governing) دبی بخار به جای تنظیم به وسیله کاهش فشار، به وسیله باز کردن و بستن یک مجموعه از نازل‌ها تنظیم می‌شود. در این روش، گروه‌های شامل دو، سه یا چند نازل یک مجموعه تشکیل می‌دهند و هر مجموعه توسط یک ولو جداگانه کنترل می‌شود. تحریک (actuation) یک ولو، مجموعه نازل مربوط به آن را می‌بندد و در نتیجه نرخ جریان را کنترل می‌کند. در توربین واقعی، گاورنینگ نازلی تنها به مرحله اول اعمال می‌شود در حالی که مراحل بعدی بدون تاثیر باقی می‌مانند. از آن‌جا که هیچ تنظیم فشاری انجام نمی‌شود، مزیت این روش بهره‌برداری از همه فشار و دمای بخار تولیدی بویلر است. شکل زیر مکانیزم گاورنینگ نازلی اعمال شده بر توربین‌های بخار را نشان می‌دهد. همان طور که در شکل نشان داده شده است، سه مجموعه نازل با استفاده از سه ولو جداگانه کنترل می‌شوند.



گاورنینگ بای‌پسی

گاهی اوقات توربین برای مدت کوتاهی زیر بیش‌باری (overloaded) قرار می‌گیرد. در زمان چنین بهره‌برداری، ولوهای بای‌پس (bypass valves) باز و بخار تازه به مراحل (stages) بعدی توربین فرستاده می‌شود. این باعث تولید انرژی بیش‌تر برای برآورده کردن افزایش بار می‌شود. طرح گاورنینگ بای‌پسی (bypass governing) در شکل زیر نشان داده شده است.




گاورنینگ ترکیبی

گاورنینگ ترکیبی (combination governing) از دو تا از روش‌های گاورنینگ ذکر شده در بالا استفاده می‌کند. معمولا گاورنینگ بای‌پسی و نازلی به صورت هم‌زمان مورد استفاده قرار می‌گیرند.



گاورنینگ اضطراری

هر توربین بخار دارای گاورنرهای اضطراری (emergency governors) نیز هست که تحت شرایط زیر وارد کار می‌شوند:

• سرعت شافت فراتر از 110 درصد افزایش یابد
• بالانس توربین به هم بخورد
• خرابی سیستم روغن‌کاری
• خلاء کندانسور (condenser) کم و یا سیال خنک‌کاری ورودی به کندانسور ناکافی باشد