پنجشنبه, ۹ فروردین, ۱۴۰۳ / 28 March, 2024
مجله ویستا
بازسازی جداول بخار
خواص بخار و آب در صنعتبرق، در طراحی دیگها، توربینها و تجهیزات دیگر و همچنین برای ارزیابی عملكرد تجهیزات نقشی اساسی دارد. در حدود ۷۰ سال قبل پیشتازان صنعت قدرت الكتریكی، كه سریعاً در حال رشد بود، پی بردند كه داشتن جداول پذیرفته شده بینالمللی برای خواص آب و بخار یك امر حیاتی است.
گردهماییهای بینالمللی در این زمینه به سازمانی كه امروزه انجمن بینالمللی برای خواص آب و بخار (LAPWS) نامیده میشود، تكامل یافتند. كمیسیون فرمولسازی بینالمللی در سال ۱۹۶۷، فرمولسازی ۶۷-IFC را برای استفاده صنعت تهیه كرد. دراوایل دهه ۱۹۹۰ LAPWS اطلاعات مربوط به استفاده صنعت از
۶۷-IFC را جمعآوری و كمبودهای آن را شناسایی كرد، تا اینكه در سال ۱۹۹۷ فرمولسازی ۹۷IF به طور رسمی برای استفادههای بینالمللی پذیرفته و ثبت شد. در این مقاله مزایای ۹۷IF، اختلافهای مهم آن با ۶۷-IFC و قراردادهای صنعتبرق تشریح شده است.
خواص بخار و آب نقش مهمی در صنعتبرق ایفا میكنند. به طوری كه نه تنها در طراحی دیگها و توربینها و دیگر تجیهزات، بلكه برای ارزیابی عملكرد تجهیزات نیز نقش مركزی دارند. برای تولید قدرت در مقیاسهای بزرگ، تفاوتهای نسبتاً كوچك در محاسبه خواص كلیدی از قبیل گرمای نهان تبخیر، میتواند به صورت یك اختلاف صدها هزار دلاری در قیمتهای ارزیابی شده برای عملكرد دیگها و توربینها تعبیر شود.
این قبیل ملاحظات باعث میشوند كه نمایشهای خواص ترمودینامیكی آب ابزارهایی اساسی برای مهندسان فرایند باشند. این خواص معمولاً به صورت جداول بخار ارایه شدهاند، اگر چه امروزه اغلب به شكل رایانهای هستند.
در حدود ۷۰ سال قبل پیشتازان صنعت قدرت الكتریكی، كه سریعاً در حال رشد بود، دریافتند كه داشتن جداول پذیرفته شده بینالمللی برای خواص آب و بخار امری حیاتی است. این جداول مبنایی عمومی برای طراحیها، عقد قرارداد ارزیابی عملكرد تجهیزات خریداری شده فراهم میكردند.
بعدد از چندین گردهمایی جامعه بینالمللی در سال ۱۹۳۴ بر روی طرح كلی جداول برای حجم و انتالپی در یك محدوده دما و فشار، به توافق رسیدند. این جداول مبنایی برای جداول كنان و كیز كه در سال ۱۹۳۶ منتشر شد، بودند. جداول كنان و كیز به طور وسیعی مورد استفاده قرار گرفتند و برای سالیان دراز اساس محاسبات مهندسی را تشكیل میداد.
گردهماییهای بینالمللی به سازمانی كه امروزه انجمن بینالمللی برای خواص آب و بخار (LAPWS) نامیده میشود، تكامل یافت. در حال حاضر ۱۱ كشور عضو LAPWS هستند. نمایندگی آمریكا بر عهده یكی از كمیتههای فرعی انجمن مهندسی مكانیك آمریكاست. در حوالی دهه ۱۹۶۰ روشن شد كه جداول بخار جدیدی به خاطر نتایج تجربی جدیدوشرایط كاری نیروگاهها در دما و فشارهای بالاتر مورد نیاز است. به علاوه پیدایش كامپیوتر، انعطافپذیری و دقت بیشتری را در توسعه دادن معادلات برای مرتبط كردن روابط تجربی امكانپذیر ساخت. یك كمیسیون فرمولسازی بینالمللی تاسیس شد و فرمولسازی ۱۹۶۷ را برای استفاده صنعت، كه به صورت ۶۷-IFC شناخته شده است، ارایه كرد. این فرمولسازی پذیرفته شده بینالمللی، كه نزد مهندسین آمریكا به جداول بخار انجمن مهندسین مكانیك آمریكا شناخته شده است، اساس محاسبات را در صنعت برق برای ۳۰ سال گذشته تشكیل داده است. در صورتی كه۶۷-IFC یك موفقیت بوده اما جا برای اصلاح در دقت، سرعت و سازگاری داخلی داشته است. در اوایل دهه ۱۹۹۰، LAPWS اطلاعات مربوط به استفاده صنعت از ۶۷-IFC را جمعآوری و كمبودهای آن راشناسایی كرد. بهطور همزمان LAPWS یك فرمولسازی جدید در سال ۱۹۹۵ ارایه كرد كه مورد قبول برای استفادههای علمی و عمومی است. این فرمولسازی یك نمایش دقیق و جدید از خواص ترمودینامیكی آب و بخار فراهم كرد كه برای استفادههای تحقیقی و عمومی خارج از صنعتبرق جایی كه سرعت محاسبات مساله مهمی نیست. توصیه شده است. در همان وقت تصمیم گرفته شد كه فرمول سازیهای صنعتی باید ۹۵-LAPWS درمحدوده تغییرات معینی مطابقت داشته باشد. این محدوده تغییرات مجاز موازنهای میان دقت فیزیكی قابل دسترس حدود دقت مورد نیاز در استفاده صنعتی و نیاز قوی صنعتی برای سرعت محاسبات برقرار میكند. در سال ۱۹۹۷، فرمولسازی صنعتی ۱۹۹۷ مربوط به LAPWS رسماٌ برای استفادههای بینالمللی پذیرفته شد.
به هر حال ۶۷-IFC برای مدت زمان طولانی درتعداد زیادی از برنامههای استفاده شده به وسیله سازندههای دیگها، توربینها، مبدلهای حرارتی وپمپها نتیجه داده و به وسیله صنعت برق و گردانندههای نیروگاههای صنعتی خصوصی استفاده شده است. از این رو، تغییرات از ۶۷-IFC به ۹۷-LAPWS-IF لزوماً ساده و ارزان نیست.
برای تهیه یك الگوریتم سریع، سطوح ترمودینامیكی در ۹۷IF مانند موردی كه در ۶۷-IFC بود، به چند ناحیه تقسیم شده است. تمام پنج ناحیه موجود در ۶۷-IFC در ۹۷IF با چهار ناحیه پوشانده میشود. به علاوه ۹۷IF دارای ناحیه پنجم اضافی است كه دماهای بالا (تا K۱۵/۲۲۷۳ (۳۶۳۲ درجه فارنهایت) و فشارهای پایین (تا MPa۱۰ (psia۱۴۵۰)) را كه مناسب برای كار توربین است میپوشاند. اگر چه تقسیم كردن فرمولها به چند ناحیه، انجام محاسبات را سریعتر میكند اما میتواند سبب ناهماهنگیهایی در مرزهای نواحی شود. البته این ناپیوستگیها واقعیت فیزیكی ندارند اما محصول مصنوعی روشهای فرمولسازیاند. در حالی كه معمولاً وقتی شخصی سعی میكند كه در نزدیكی مرز ناحیه جوابی برای مساله پیدا كند. همین پرشهای كوچك میتوانند دردسرهای زیادی ایجاد كنند. فرمولسازی ۹۷IF طوری طراحی شده است كه ناپیوستگیها در مرز نواحی به اندازه كافی كوچك باشند تا تاثیر معكوس بر روی محاسبات نمونه چرخه قدرت نداشته باشند.
●مزایای ۹۷IF
در حالی كه ۹۷-LAPWS مزایای متعددی نسبت به ۶۷-IFC عرضه میكند. اما چهار مزیت مهم قابل توجه است. این مزایا عبارتاند از: سازگاری داخلی، دقت، سرعت وپوشش دماهای بالا سازگاری داخلی به ناپیوستگیهای بسیار كوچكتر فرمول سازیهای جدید در مرزهای ناحیه برمیگردد. بسته به خاصیت و مرز مورد نظر، اصلاح سازگاری در مرزهای بین ناحیهای ۹۷LAPWS-IF نسبت به ۶۷-IFC دارای ضرایب دو تا ده و بیشتر است. این سازگاری اصلاح شده تكرار محاسبات در نزدیكی مرز ناحیه را به مقدار زیادی آسان خواهد كرد. با وجود این هنوز هم استفادهكنندهها جهت اطمینان از اینكه همه خواص برای یك نقطه معین به وسیله معادلات همان ناحیه محاسبه شده باشد (مخصوصاً وقتی كه از توابع پسرو استفاده میشود) نیازمند تهیه برنامههای دقیق هستند. دقت در نمایش اخیر خواص بخار یا به عبارت دیگر در فرمولسازی ۹۷LAPWS-IF كه به صورتی طراحی شده است كه داخل تلرانس بسته
۹۵-LAPWS باشد، اصلاح شده است. بسته به ناحیه این تلرانسها برای حجم مخصوص از ۰۱/۰ درصد تا ۳۰/ درصد برای انتالپی مخصوص از ۱/۰ درصد تا ۳ درصد برای فشار اشباع ۲۵ درصد و برای ظرفیت گرمایی ویژه فشار ثابت و سرعت صوت ۱ درصد تغییر میكند.
۹۷IF به طور وسیعی آزمایش شده است و این تلرانسها در تمام نقاط پیدا شدهاند. اغلب دقت برنامه بهتر از این حدود است. در مقابل ۶۷-IFC اختلافات عمدهای با فرمول سازی اخیر دارد. یك فرمول سازی كه خواص بخار واقعی را بهتر نمایش دهد مسلماً باعث بهبود طراحی و عملكرد سیستم میشود.۹۷IF جهت سرعت محاسبات برای انواع محاسبات كه در صنعت زیاد انجام می شود، به صورت نقشه در آمده است. آزمایشهای گسترده نشان داده است كه اگر چه افزایش سرعت مورد نظر (نسبت به ۶۷-IFC) سه برابر بوده است اما نتایج آزمایش واقعی برای ناحیهای كه شامل نقطه بحرانی نباشد. ۱/۵ برابر سریعتر بودهاند. بیشتر این اصلاح به خاطر كاهش زمان مصرفی مورد نیاز برای تكرارها، به وسیله استفاده از توابع پسرو مثل دما برحسب تابعی از فشارو انتالپی، است. برای ناحیهای كه شامل نقطه بحرانی است هیچگونه تمهیداتی برای افزایش سرعت به كار گرفته نشده است. اما نتایج آزمایشها نشان داده است كه محاسبات ۹/۲ برابر سریعتر بودهاند. معمولاً كاربر افزایش سرعت واقعی را بر اساس محاسبات ویژهای كه انجام میشود تجربه خواهد كرد. این سرعت افزایش یافته اجازه خواهد داد كه محاسبات مفصلتری با همان قدرت محاسباتی انجام شود،مخصوصاً در كارهای محاسباتی فشرده از قبیل تجزیه و تحلیل اجزای محدود، مفید خواهد بود. در دماهای بالا، ناحیه جدید پنجم ۹۷IF خواص بخار را در توربین گازكه از تزریق آب یا بخار استفاده میكند محاسبه میكند. این بخصوص برای طراحان سیكل رانكین و برایتون پیشرفته (توربین گاز) جالب است.
شایسته است كه اشاره كوتاهی به مزایای دیگر فرمولسازی جدید بكنیم. سرعت صوت به صورت یك مجموعه توابع فراخواندنی برای هر ناحیه به حساب آورده میشود. ولی از طرف دیگر ۶۷-IFC یك تابع فراخواندنی به طور مستقیم عرضه نمیكند. سرعت صورت برای محاسبات مختلفی، مثلاً برای سرعت خفگی، مفید است.
۹۷IF بر اساس آخرین استاندارد دما،۹۰-ITS كه یك پیشرفت كوچك در جهت نمایش بهتر واقعیتهای فیزیكی است. استوار است. استفاده از ۹۷IF برای ارایه كردن چگالی به صورت تابعی از دما و فشار امكان محاسبه لزجت و هدایت حرارتی را فراهم میكند و نتایج سازگاری خوبی با آخرین فرمولسازی LAPWS برای این خواص دارند. استفاده از۶۷-IFC خطاهای متوسطی برای خواص انتقالی ارایه میدهد.
●تفاوتهای مهم
این مزایایی كه صحبت شد بدون پرداختها به دست نمیآیند. برنامههای كامپیوتری شامل ۶۷-IFC باید تبدیل به روز شوند. بخشی از این تغییرات ساده است. برای بیشتر قسمتها، استفادهكننده به راحتی میتواند كارهای عادی ۹۷IF را جایگزین كارهای عادی ۶۷-IFC كند. با وجود این استفادهكننده باید تشخیص دهد كه برنامهها تا اندازهای نتایج مختلفی میدهند. به هر صورت مهم بودن این تفاوتها بستگی به دقت مورد نیاز و قضاوت مهندسی دارد. بعضی اوقات تشخیص اثر خواص جدید بر روی نتایج، تمام چیزی است كه مورد نیاز خواهد بود.
در حالات دیگر، برنامههای صنعتی ممكن است شامل ضرایب تحریف داخلی باشند كه برای جور كردن نتایج مربوط به۶۷-IFC با عملكرد واقعی تجهیزات اضافه میشوند این ضرایب ممكن است اجباراً تنظیم شوند.
مقادیر محاسبه شده به وسیله ۹۷LAPWS-IF برای گرمای نهان تبخیر ممكن است به مقدار قابل ملاحظهای با مقادیر محاسبه شده به وسیله ۶۷-IFC فرق داشته باشند. تغییر در گرمای نهان میتواند سبب تغییر قابل ملاحظهای درنرخ گرما شود. چون هرواحد راندمان برای هر Btu/kwh دهها هزار دلار ارزش دارد، تغییر در نرخ گرمامیتواند مهم باشد.
اختلاف انتالپی بین ۶۷-IFC و ۹۷LAPWS-IF در دمای سوپرهیت بالا ممكن است قابل توجه باشد (معمولاً در حدود (Btu/lb۱) kj/kg۳/۲)
همچنین انتالپی در مرزهای ناحیه، ناپیوستگیهای زیادی دارد. وقتی تفاوت بین مقادیر بر روی خطوط دما ثابت مختلف بررسی شود، تغییرات در افت انتالپی محاسبه شده از یك نقطه به نقطه دیگر میتوانند بزرگ باشند. دقت اصلاح شده سرانجام باید تجهیزاتی را كه برای استفاده از این فرمولها طراحی شدهاند اصلاح كنند.
در هنگام محاسبات با استفاده از۶۷-IFC فرمولهایی كه در ناحیه بخار خشك مورد استفاده قرار گرفتهاند به سمت ناحیه معمولاً مرطوب زیر خط اشباع برونیابی میشوند. این فرایند یك روش محاسباتی سازگار فراهم كرد اما روشی كه از نظر علمی اصولی نیست.
هنگام توسعه ۹۷-LAPWS-IF یك معادله انرژی گیبس مخصوص این ناحیه بیثبات به دست آمد. این معادله به صورت موفقیتآمیزی به طور عمقیتر از برونیابی ۶۷-IFC به سمت ناحیه زیر سرد توسعه داده شده است و تصور میشود كه بهترین نتیجه، قابل دسترس را برای ناحیه بیثبات ارایه كند. این اختلافات ممكن است تغییرات كوچكی در بعضی محاسبات توربین فراهم كند. هماینك دادههای تجربی وجود ندارند كه به طور قطع مشخص كنند كه كدام فرمول سازی دراین ناحیه صحیح است.
احتمالاً مهمترین جنبه خاصیت جدید فرمول سازی برای صنعتبرق، تاثیری بر روی نرخ گرمای محاسبه شده است. در حالی كه فرمول سازی جدید خیلی دقیقتر و بهتر از روشهای دیگر است. اما اینكه صنعت، اختلافات از استاندارد قدیمی را به رسمیت بشناسد امری اساسی است. مخصوصاً تغییرات درگرمای نهان و انتالپی بخار فوق گرم كه سبب اختلاف در محاسبه حرارت تولید شده در دیگ و محاسبه گرمای ورودی به سیكل توربین میشوند.
برای یك نیروگاه نمونه با سوخت فسیلی، حرارتی كلی ورودی محاسبه شده به وسیله فرمول سازی ۹۷IF بدون تغییری در قدرت الكتریكی خروجی، افزایش مییابد و به این ترتیب گرمای آزمون را Btu/kwh۱۵-۱۲ بالا میبرد. همچنین فرمول سازی جدیددیگ بخار را خیلی كارآمدتر نشان میدهد (به ازای یك مقدار سوخت مصرف شده انتالپی بیشتری به سیكل توربین اضافه میكند)
محاسبات طراحی (پیشبینی گرما) نیز در جهت مخالف تحت تاثیر قرار میگیرد. یك كاهش ظاهری نمونه در نرخ گرمای طراحی ممكن است Btu/kwh ۱۰-۷ باشد. بنابراین تغییر خالص از طراحی تا آزمایش یك واحد ممكن است در حدود Btu/kwh ۲۵-۲۰ باشد. كه معادل میلیونها دلار میشود.
●قراردادهای صنعتبرق
جداول بخار ASME براساس ۶۷-IFC از سال ۱۹۶۸ به بعد اساس قراردادهای صنعت برق بودهاند. در حال حاضر كه آزمایش قدرت ۶-PTC مربوط به ASME از جداول بخار ASME استفاده میكند. اما به طرفین معادله اجازه میدهد كه جداول خواص بخاری را كه آنها ترجیح میدهند ۶۷-IFC تا زمانی كه بر اساس آن استاندارد باشند ادامه خواهند داشت. قراردادها برای كارخانههای مشابه چنانچه فروشنده و خریدار موافق باشند میتواند بر اساس ۶۷-IFC موافق باشند میتواند بر اساس ۶۷IFC باشد. احتمال دارد كه بعضی از ضمانتهای جدید نیز بر اساس ۶۷-IFC باشند.
برای محاسبات طراحی، استفادهكننده آزاد است كه از هر فرمول سازی بخار كه مناسب است استفاده كند. حالاتی وجود دارد كه محدودیتهایی بر روی متغیرها، فرمولسازی سریعتری را تجویز میكنند. در بسیاری از حالات از قبیل دینامیك سیالات محاسباتی سرعت مهم است.
باید به خاطر داشت كه اگر محاسبات برای یك نیروگاه بااستفاده از ۶۷-IFC و ۹۷IF انجام شود. مقادیر مختلفی برای حرارت ورودی به دیگ و راندمانهای بخش توربین به دست خواهد آمد. گرچه سوخت مصرفی و قدرت خروجی تغییر نمیكنند. كسانی كه بر اساس این طراحیها و محاسبات آزمایشی قرارداد میبندند بایددقت كنند كه این تغییرات را كه كاملاً ناشی از خاصیت فرمولسازی است به عملكرد فیزیكی تجهیزات نسبت ندهند.
طراحان، فروشندهها و خریداران باید از اختلاط نتایج حساب شده به وسیله دو روش فرمول سازی اجتنابكنند و باید معیینكنند كه كدام فرمول سازی مورد استفاده قرار گرفته است.
این سختگیریها وقتی كه تغییراتی در یك كارخانه موجود داده میشود باید اعمال شوند (به عنوان مثال اگر یك بخشی از توربین نوسازی شود). آنها همچنین به خرید یا فروش یك واحد جدید اعمال میشوند. از یك واحد طراحی شده به وسیله خواص ۹۷IF نباید انتظار داشت كه ضمانتها و یا مشخصات حساب شده به وسیله ۶۷-IFC را برآورد كند.
برگردان و تلخیص: مهندس افراسیاب رئیسی
منبع : ماهنامه صنعت برق
همچنین مشاهده کنید