تازه‌های صنعت برق

● کاویتاسیون در پمپ‌های سانتریفوژ
عملکرد پمپهای سانتریفوژ در حالت بحرانی می تواند موجب اختلال سیستمهای مربوطه شود. از جمله این سیستمها نیروگاههای حرارتی و صنایع پتروشیمی است. در بعضی مواقع تعیین علت دقیق عملکرد ناپایدار پمپ ممکن نیست. جریان توربولان و یا شرایط غیر عادی جریان می تواند موجب لرزشهای شدید و خارج شدن پمپ از مدار شود.
یکی از دلایل اولیه لرزشهای پمپ سانتریفوژ کاویتاسیون است. در این حالت در اثر کاهش فشار مایع و تبخیر صورت گرفته در سمت مکش پروانه توده های حباب تولید و به خروجی پروانه جهت تخلیه ارسال می شوند. در اثر افزایش فشار، حبابهای تولید شده فشرده می شوند فشرده شدن حبابها همراه با صدا (مشابه صدای ضربه به بادکنک) و ایجاد لرزش می شود.
تولید حباب در پروانه وقتی رخ می دهد که NPSH موجود مکش پمپ کمتر از NPSH لازم پمپ شود. این امر می تواند به علت وجود مانع در مسیر مکش، وجود زانوئی در فاصله نزدیک ورودی پمپ و یا شرایط غیر عادی بهره برداری است. عواملی مانند افزایش دما و یا کاهش فشار در سمت مکش نیز می تواند شرایط فوق را ایجاد کند. البته انتخاب پمپ برای سیستمهایی که در دبی های متفاوت و سرعت متغیر کار می کنند بایستی با دقت صورت گیرد تا از پدیده کاویتاسیون جلوگیری شود. با توجه به ملاحظه مراجع مختلف لرزش پمپ ها معلوم شده است یک عامل رایج این لرزشها پدیده کاویتاسیون است و می تواند مخرب نیز باشد.
چنانچه آب به بخار تبدیل شود حجم آن می تواند تا ۵۰۰۰۰ برابر افزایش یابد که موجب تخلیه پروانه از آب شود خسارات پمپ در اثر کاویتاسیون شامل خوردگی پره ها در منطقه ضربه حباب و آسیب دیدگی یاتاقانها باشد.
بعضی نتایج نشان می دهد، ارتعاشات مربوط به کاویتاسیون در فرکانسهای بالای ۲۰۰۰ هرتز تولید یک پیک با طیف پهن می‌کند. گزارش دیگر اثر کاویتاسیون بر فرکانس پاساژ پره (تعداد پره ضربدر فرکانس دوران محور) را شرح می دهد و دیگری اثر دامنه ارتعاشی پیک را در سرعت محور نشان می دهد. البته دلیل تفاوت در فرکانسهای فوق که از طرف متخصصین مختلف پمپ ارائه شده تفاوت در طراحی پمپ، نصب و بهره‌برداری آن است.
حتی اخیرا" لرزش در اثر کاویتاسیون با ظهورPeak با فرکانس۶۰% دور روتور در طیف مشاهده شده است که این در اثر تشدید فرکانس طبیعی پوسته پمپ در اثر برخورد حبابها با آن بوده است. مشخصه دیگر کاویتاسیون تغییرات و نوسان فشار خروجی پمپ است. یک روش سریع جلوگیری ازکاویتاسیون بستن آرام شیرخروجی وکاهش دبی پمپ است تاNPSH لازم کمتر از موجودشود.
● مدیریت عمر پره‌های توربین گازی مدل GE-۷FA,GE-۹FA
یکی از مسائل مهم در توربین های گازی تعیین عمر باقیمانده پره های توربین است که در معرض گاز داغ قرار داشته و در اثر اکسید شدن و تنش های خستگی پس از مدتی قابل استفاده نخواهند بود. هزینه تعویض قطعات در مدلهای جدید توربین گاز بخصوص مدلهائی که با دمای بالاتر گاز کار می کنند یکی از نکات حساس و ضعف این مدلهاست.
هزینه تعویض جایگزینی اجزاء داغ در این توربین ها به تنهائی ۲۵% هزینه کل یک واحد جدید را شامل می شود. بنابراین تعیین عمر باقیمانده پره ها اهمیت بسزایی دارد. در این ارتباط پره های روتور و هادی(blades & vanes) ردیف اول توربین بعلت عمر کوتاه آنها (۲۰۰۰۰ساعت) و قیمت بالای آنها (۲میلیون دلار) بیشتر هستند.
عمر باقیمانده براساس تأثیر پارامترهائی نظیر خزش (باتوجه به دمای بالا)، خستگی حرارتی (در اثر سیکل روشن و خاموش شدن واحد)، سایش و زوال پوشش پره ها در اثر دمای بالا و اکسید شدن پره‌ها پیش بینی و محاسبه می‌شود. بعلاوه لازم است ضمن مشخص شدن عمر باقیمانده زمان پوشش دادن مجدد (recoating) پره‌ها نیز تعیین شود.
مؤسسه EPRI الگوریتم مناسب جهت پیش بینی عمر باقیمانده اجزاء داغ توربین‌‌های گازی ۷FA ,۹FA جنرال الکتریک را ارائه داده است. خواص فیزیکی و مکانیکی سوپر آلیاژ GTD – ۱۱۱ DS که برای پره های ردیف اول توربین استفاده می شود اندازه گیری شده و یک مدل عمر پوشش ارائه شد که براساس آن عمر پوشش پره بصورت تابع درجه حرارت و سیکل دمائی ( Thermal Cycle ) داده شده است. مدل آزمایشگاهی پره ها با توجه به پوشش های مختلف استفاده شده بر روی پره های مدل ۷FA , ۹FA کالیبره شد. EPRI با تحت پوشش قرار دادن توربین های گازی مدل FA اطلاعات فنی لازم را جهت تعیین زمان مناسب پوشش مجدد ردیف اول پره‌های توربین در اختیار دارندگان این توربین قرار می دهد.
● اتوماسیون کنترل بانکهای خازنی در شبکه‌های توزیع
شرکت برق آیداهو واقع در ایالت آیداهوی آمریکا، درسال ۱۹۹۶ برنامه ای را برای تصحیح ناکارایی جبران سازی توان راکتیو که منجر به کاهش ولتاژ در سیستم توزیع شده بود، شروع کرد. ضمن اینکه در پیک مصرف، مشکل نگهداری حاشیه مطمئن توان راکتیو سیستم نیز وجود داشت.
اگرچه جبران سازی بار راکتیو را به شیوه های مختلفی مثلا"در محل تولید انرژی، با استفاده ازکندانسورهای سنکرون و یا در محل پستها و در شبکه توزیع ( با استفاده از بانکهای خازنی ) میتوان انجام داد، اما بهترین شیوه برای جبران سازی بار راکتیو، استفاده ازبانکهای خازنی در محل بار است.
هنگام استفاده از بانک های خازنی توزیع، دراکثراین موارد، عمل کنترل با استفاده ازکلیدهایی صورت میگیرد که بصورت دستی و با لحاظ کردن شرایط فصلی، خازنها را وارد یا از مدارخارج میکنند.
چنین کنترلی، مؤثر وکارا نیست زیرا در شرایط پیک بار، سیستم توزیع دچار کمبود توان راکتیو و در شرایط بارکم، دچار اضافه توان راکتیو می‌شود. اگرچه بانک های خازنی توزیع، تک تک و کوچک هستند اما اثر مجموع آنها بر سیستم قابل ملاحظه است.
هدف از برنامه ای که از سوی اداره طراحی توزیع ارائه شده بود، ابداع سیستمی در دل سیستم مدیریت انرژی موجود بود که در آن بانکهای خازنی در فیدرهای توزیع با توجه به میزان توان راکتیو مورد نیاز درپست ها انتخاب شوند.
ایده اصلی شرکت Stellar Dynamics Inc برای کنترل خازن‌های توزیع، اندازه گیری مقادیرتوان راکتیو و اکتیو در سطح پست‌های توزیع و سپس ارسال دستورات مناسب به تجهیزات کنترلی مخصوص نصب شده روی هر بانک خازنی توزیع است. تجهیزات لازم برای ارتباط کنترل کننده پست با سیستم دیسپاچینگ یعنی الگوریتم کنترل دینامیک بانک های خازنی توزیع DCC (Distribution Capacitor Control) امکان استفاده بهینه سیستم‌های انتقال وتوزیع را فراهم می آورد.
DCC یک دستگاه کنترل است که با حذف یا کاهش جزء راکتیو و بهبود ضریب قدرت، ظرفیت شبکه را بالا می برد.با بهبود ضریب قدرت، جریان سیستم کم شده و سیستم امکان می یابد تا بار بیشتری را تغذیه کند. این مزیت به ویژه در مورد تجهیزاتی که ممکن است تحت تأثیر اضافه بارحرارتی قرار گیرند، اهمیت پیدا میکند. همچنین، بهبود ضریب قدرت به ژنراتور امکان میدهد تا توان اکتیو بیشتری را تولید کند. به علاوه در صورت پیش آمدن شرایط غیرعادی درمحل خازنها، دستگاهDCC هشدارهای لازم راصادر می کند. ترانسفورماتور توزیع، نقطه کنترل طراحی شده در این الگوریتم است.
در سال ۱۹۹۶، نخستین DCC در یک پست ۷/۱۲ کیلوولت سه فیدره در غرب بویس (Boise) در آیداهو که مشکل توان راکتیو و افت ولتاژ داشت نصب شد. به عنوان بخشی از اتوماسیون خازنی، تعداد۱۴ بانک خازنی تحت کنترل قرار گرفتند. بخشی از این بانک ها از قبل وجود داشته وتعدادی دیگر تازه نصب شده بودند تا توان راکتیو اضافی تولید کنند. بعد از نوسانات اولیه، سیستم آنچه را از آن انتظار می رفت، عملی ساخت. جبران‌سازی کامل در پست توزیع دریک محدوده وسیع بار انجام گرفت.
اتوماسیون خازن در سال ۱۹۹۷ در ۱۶پست و در سال ۱۹۹۸ در ۱۴ پست دیگر نیز اجرا شد. پست هایی که در سال ۱۹۹۷، تحت اتوماسیون قرارگرفتند، از مدول ارتباطی Harris D-۱۰ برای ارتباط با RTU استفاده می کردند. این مدول بصورت یک کنترل کننده خازن عمل میکند. درسال ۱۹۹۸ در آیداهو، شرکت برق این ایالت، تصمیم گرفت سیستم مدول ارتباطی Harris D-۲۰ را طوری تغییر دهد که این ترمینالها را قادر سازد تا توسط سیستم مدیریت انرژی برای کارهایی غیر ازکنترل خازن نیز مورد استفاده قرارگیرند. این کار باعث شد تا کنترل خازن با اضافه کردن یک نرم افزار ساده در پست‌هایی که دارای مدول D-۲۰ برای کنترل، نظارت و اخذ داده هستند، انجام پذیرد. شکل (۱) نتیجه عملکرد یک DCC برای کنترل توان راکتیو را در پستی در ناحیه بویس نشان می دهد.
قبل ازنصب DCC ، شکل موج بار راکتیو از تقاضای بار اکتیو پیروی میکرد. بعد ازنصب، الگوریتم کنترل باعث شد تا شکل بار راکتیو نسبت به منحنی بار اکتیو عکس شود که این موضوع باعث کاهش تلفات انتقال و بهبود رگولاسیون ولتاژ سیستم شد. هرچند با نصب خازن های ثابت نیز ممکن است چنین نتیجه ای حاصل شود اما با کار انجام شده، امکان تنظیم و کنترل در محدوده وسیعی از بارهای فصلی به شکل بهتری فراهم میشود. سیستم اتوماسیون خازنی بدون دخالت انسان، توان راکتیو را در هر یک از پست ها با پله های کوچک کنترل می کند به نحوی که راندمان کل سیستم بالا می رود. با نصب کنترل کننده بانک خازنی در یک پست، یک مگاوار توان راکتیو پشتیبان در آن شبکه توزیع (شامل ترانسفورماتور و فیدرهای مربوط به آن) بدست آمد. این کار با استفاده مؤثر از خازن های موجود وبدون نصب خازن های اضافی انجام گرفته است. در بیشتر نواحی روستایی به خصوص آنها که با شبکه های شعاعی تغذیه می شوند، بهبود پروفیل ولتاژ باعث کاهش یا به تأخیر افتادن بازسازی می شود. اتوماسیون خازنی، زمان لازم برای کنترل دستی بانک های خازنی در فیدرهای طولانی را به نحو چشمگیری کاهش داده است.
● ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک
هارمونیک های تولید شده توسط بارهای غیر خطی می توانند مشکلات حرارتی و گرمائی خطرناکی را در ترانسفورماتورهای توزیع استاندارد ایجاد کند . حتی اگر توان بار خیلی کمتر از مقدار نامی آن باشد، هارمونیک ها می توانند باعث گرمای بیش از حد و صدمه دیدن ترانسفورماتورها شوند. جریان های هارمونیکی تلفات فوکو را بشدت افزایش می دهند . بهمین دلیل سازنده‌ها ، ترانسفورماتور های تنومندی را ساخته اند تا اینکه بتوانند تلفات اضافی ناشی از هارمونیک ها را تحمل کنند. سازنده ها برای رعایت استاندارد یک روش سنجش ظرفیت، بنام عامل Kرا ابداع کرده‌اند. در اساس عامل K نشان‌دهنده مقدار افزایش در تلفات فوکو است. بنابراین ترانسفورماتور عامل Kمی تواند باری به اندازه ظرفیت نامی ترانسفورماتور را تغذیه کند مشروط براینکه عاملK بار غیر خطی تغذیه شده برابر با عامل K ترانسفورماتور باشد. مقادیر استاندارد عامل K برابر با ۴ ، ۹ ، ۱۳ ، ۲۰ ، ۳۰ ، ۴۰ ، ۵۰ هستند. این نوع ترانسفورماتورها عملا" هارمونیک را از بین نبرده تنها نسبت به آن مقاوم هستند.
● ترانسفورماتور HMT (Harmonic Mitigating Transformer )
نوع دیگر از ترانسفورماتورهای سازگار با هارمونیک ترانسفورماتورهای HMT هستند که ازصاف شدن بالای موج ولتاژ بواسطه بریده شدن آن جلوگیری می کند. HMT طوری ساخته شده است که اعوجاج ولتاژ سیستم واثرات حرارتی ناشی از جریان های هارمونیک را کاهش می دهد. HMT این کار را از طریق حذف فلوها و جریان های هارمونیکی ایجاد شده توسط بار در سیم پیچی های ترانسفورماتور انجام می دهد.
چنانچه شبکه های توزیع نیروی برق مجهز به ترانسفورماتورهایHMT شوند می‌توانند همه نوع بارهای غیر خطی (با هر درجه از غیر خطی بودن) را بدون اینکه پیامدهای منفی داشته باشند، تغذیه کنند. بهمین دلیل در اماکنی که بارهای غیر خطی زیاد وجود دارد از ترانسفورماتور HMT بصورت گسترده استفاده می شود.
● مزایای ترانسفورماتورHMT :
▪ می توان از عبور جریان مؤلفه صفر هارمونیک ها ( شامل هارمونیک های سوم ، نهم و پانزدهم ) در سیم پیچی اولیه ، از طریق حذف فلوی آنها در سیم پیچی های ثانویه جلوگیری کرد.
▪ ترانسفورماتورهای HMT با یک خروجی در دو مدل با شیفت فازی متفاوت ساخته می‌شوند. وقتی که هر دو مدل با هم بکار می‌روند می توانند جریان‌های هارمونیک پنجم، هفتم، هفدهم و نوزدهم را درقسمت جلوئی شبکه حذف کنند .
▪ ترانسفورماتورهای HMT با دو خروجی می توانند مولفه متعادل جریان‌های هارمونیک پنجم، هفتم ، هفدهم و نوزدهم را در داخل سیم پیچی‌های ثانویه حذف کنند .
▪ تراانسفورماتورهای HMT با سه خروجی می توانند مولفه متعادل جریانهای هارمونیک پنجم، هفتم ، یازدهم و سیزدهم را در داخل سیم پیچی ثانویه حذف کنند.
▪ کاهش جریان های هارمونیکی در سیم پیچی های اولیه HMT باعث کاهش افت ولتاژهای هارمونیکی و اعوجاج مربوطه می‌شود .
▪ کاهش تلفات توان بعلت کاهش جریان‌های هارمونیکی .
به عبارت دیگر ترانسفورماتورHMT باعث ایجاد اعوجاج ولتاژ خیلی کمتری در مقایسه با ترانسفورماتورهای معمولی یا ترانسفورماتور عامل K می شود .

منبع : سایت Energy-tech
موسسه Epri
مجله T&D – آگوست ۱۹۹۹
مجله Power Quality Advisor - فوریه ۲۰۰۰

منبع : ماهنامه صنعت برق