پایان نامه طراحی سیمولاتور بلادرنگ توربین بخار گاز همراه با سیستم کنترل گستردهDCS

چکیده: 

ساخت سیمولاتور گازی یکی از دغدغه های مهم سازندگان و بهره برداران نیروگاه های گازی بوده و هست که شرکت مپنا نیز به عنوان اولین متولی ساخت نیروگاه های با ظرفیت بالا در کشور نیز از این قاعده مستثنی نبوده است. در این پایان نامه با استفاده از علم شناسایی سیستم ها از روش تحلیلی و همچنین از روش جعبه سیاه به این امر مهم پرداخته می شود. شناسایی شامل مدل گاورنر و مدل پلنت می باشد. مدلسازی گاورنر با استفاده از منطق پیاده شده بر روی سخت افزار و نرم افزار SYMADIN به صورت تحلیلی و مدل مربوط به پلنت با استفاده از علم شناسایی سیستم و روش جعبه سیاه صورت گرفته و نتایج شبیه سازی روی نیروگاه V94.2 به صورت یک شبیه ساز، ساخت زیمنس اجرا شده است. هدف ما در این پایان نامه این است که به جای استفاده از یک مدل پیچیده کلی برای تمام مودهای کاری از جمله مودهای راه اندازی، سرعت و بار، برحسب شرایط آب و هوایی و میزان بار، مودهای کنترل دمای اگزوز، کنترل حد توان مکانیکی توربین و مود کنترل خروج بار با تشخیص صحیح هریک از این مودها به مدلسازی هریک از این مودها به صورت جداگانه پرداخته می شود تا مدل به دست آمده هم ساده تر و هم از دقت بالاتری برخوردار باشد. محدودیت های امنیتی برقرار شده بر روی نیروگاه ها در کشور مانع از این شد تا بتوانیم نمونه گیری خوبی از متغیرهای لازم سیستم انجام بدهیم. لذا شبیه ساز و مدل به دست آمده سیستم گاورنر با گذشت زمان زیادی به نتیجه لازم می رسد. اما در مدل پلنت با توجه به اینکه سیگنال های لازم از نیروگاه نمونه در شهر فورت آلمان در دسترس بود توانستیم مدل سیستم مذکور را با دقت بالایی به وسیله شناسایی سیستم به دست آوریم. 

مقدمه 

در گذشته برای ساخت شبیه ساز از مدل های کوچک ساخته شده استفاده می شد که تمام جوانب و نکات یک نیروگاه را بعضا در بر نمی گرفت اما با پیشرفت علم و تکنولوژی در زمینه شبیه سازی رایانه ای سیستم ها و چه در علم ریاضی روش های قدیمی منسوخ شد. آنچه مسلم است این است که مطالعه رفتار دینامیکی یک سیستم قدرت مستلزم مدلسازی دینامیکی اجزای مختلف آن به ویژه نیروگاه می باشد. 

اخیرا توربین های گازی با بازده بالا و غیر ایزوله که به شبکه سراسری متصل می شوند در شبکه های قدرت توسعه بسیاری پیدا کرده اند. امروزه این نیروگاه ها از این جهت که سریع وارد مدار شده و قادر به جبران اوج بار می شوند بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. همچنین این نیروگاه ها به واسطه سیکل ترکیبی شدن دارای راندمان بالاتری نسبت به حالت سیکل باز شده اند. از آنجا که بخش اعظم تولید نیروگاه های سیکل ترکیبی در قسمت گازی آن می باشد لذا مدلسازی قسمت گازی این نیروگاه ها اهمیت بیشتری پیدا می کنند. نیروگاه های پیشرفته توربین گازی به تغییرات فرکانس بسیار حساس هستند و ممکن است در یک اغتشاش فرکانسی دچار قطع اضطراری شوند. 

همراه با روند توسعه و پیشرفت روش ساخت توربین های گازی با توربین های بخار بازدهی نیروگاه را به حدود 50 درصد می رساند. تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی نشان می دهد که توربین های گازی دارای 30 درصد بازدهی هستند و درجه حرارت گاز خروجی آنها 500 تا 600 درجه سانتیگراد است که برای یک نیروگاه حرارتی دمای مناسبی است. با سرد کردن این گاز در یک بویلر بازیاب حرارت (Heat Recovery Steam Generator) می توان بخار سوپر هیت تولید نمود و به این طریق یک توربین بخار را به کار انداخت. این مجموعه را سیکل ترکیبی گویند. 

نیروگاه های سیکل ترکیبی می توانند در دو مد تک و سیکل ترکیبی کار کنند. در مد تک فقط توربین گاز کار می کند و محصولات احتراق خروجی توربین گاز از طریق میراکننده کنار گذر خارج می شوند. در مد سیکل ترکیبی هر دو توربین گاز و بخار کار می کنند و محصولات احتراق خروجی توربین گاز از طریق میراکننده ورودی به بویلر راه می یابد. لازم به توضیح است که میراکننده ها در طی بهره برداری عادی واحد نقشی در کنترل بار ندارند و در طی بهره برداری عادی واحد، میراکننده ورودی بویلر کاملاً باز می باشد، که این امر به منظور استفاده حداکثر از انرژی حرارتی توربین های گاز می باشد. میراکننده ها فقط در هنگام راه اندازی و توقف یا توقف اضطراری، قابل کنترل بوده و در حفاظت بویلرها نقش اساسی ایفا می کنند. 

یک امتیاز مهم نیروگاه های گازی این است که به سرعت می توان آنها را به شبکه متصل کرد و یا قطع نمود. 

این نوع سیستم ها بعد از اغتشاش شدید سریعا ناپایدار می گردند. علاوه بر آن در اکثر موارد به موتورهای با توان اکتیو بالا وصل می شوند و دائماً در حال تغییر نقطه کار هستند و گاهی ورودی های با تغییر ناگهانی زیاد به آنها اعمال می شود که تمامی این موارد انجام مطالعات دینامیکی و پایداری را که در مرحله بعد از مدلسازی صورت می گیرد، ضروری می سازد. 

با توجه به ضروری بودن حجم بالای مطالعات و کار مورد نیاز برای تهیه شبیه ساز نیروگاه گازی و اینکه برای شناسایی سیستم گاورنر ابتدا در نظر گرفته شد که از روش جعبه سیاه استفاده شود ولی امکان گرفتن نمونه در نیروگاه را پیدا نکردیم و با اطلاعات و نمونه های در دسترس مجبور شدیم مدل گاورنر را به صورت جعبه خاکستری و با استفاده از روابط فیزیکی پیدا کنیم در نهایت با توجه به وسعت کار مجبور به مدلسازی نیروگاه در یک قسمت از ناحیه کنترل بار شدیم که IGV تنها در این بازه در 5 درصد مقدار حداکثر خود قرار دارد. 

در این پروژه ضمن بررسی نحوه عملکرد نیروگاه به ویژه در حالت کنترل بار فرکانس به مدلسازی نیروگاه از نوع V94.2 با سیستم کنترل TELEPERM-XP با ظرفیت 159 مگاوات می پردازیم که توسط شرکت مپنا در بیشتر نیروگاه های در دست احداث از جمله ارومیه – جهرم – عسلویه – دماوند و کرمان و… در حال اجرا است. این نیروگاه ها از نوع تک محوره و قابل کار با دو سوخت گاز و گازوئیل می باشد.