مقایسه کاربرد الکتروموتور آسنکرون قفسه سنجابی و توربین گازی در مراکز انتقال نفت

بدضعیفمتوسطخوبعالی (4٫00 از 5)
Loading...

تهيه كننده : علي جعفر آقايي
رئيس تعميرات ابزار دقيق منطقه شمال

چکیده
مقایسه  صورت گرفته میان استفاده از الکترو موتور القائی قفسه سنجابی و توربین گازی از منظر میزان بازدهی و تلفات هر کدام ، بعنوان محرکه های اصلی مورد استفاده جهت پمپاژ نفت خام یا فرآورده های نفتی در مراکز انتقال نفت ، ارجحیت توربین نسبت به بهره برداری از الکتروموتور را نشان می دهد . بطوریکه بازدهی توربین گازی علی رغم تصور عامه در این کاربرد خاص بطور قابل ملاحظه ای بیشتر از حالت بکارگیری الکتروموتورهای آسنکرون قفسه سنجابی است و این مساله از آنجا ناشی می شود که سرعت این نوع الکتروموتور ثابت بوده و برای تنظیم فشار سیال خروجی پمپ ، ناگزیر از شیر فشار شکن استفاده می شود، همچنین استفاده از الکتروموتور مستلزم تبدیل وانتقال انرژی تولیدی نیروگاهها به محل مراکز انتقال نفت و چندین مرحله اتلاف آن در پستهای فوق توزیع ، توزیع و خطوط انتقال انرژی الکتریکی می باشد. علاوه بر آن مساله ی Over Design الکتروپمپها عارضه ای است که بشدت در ازدیاد تلفات انرژی تاثیر داشته و مادامی که الکتروپمپ کار می کند اثر سوء آن پابرجاست. و همه اینها در سایه بکارگیری شیر فشار شکن پنهان بوده و علی الظاهر الکتروپمپ که اصلی ترین تجهیز در مراکز انتقال نفت بشمار میرود، بازدهی خیلی خوبی را مستند به منحنی های کارکرد پمپ نشان می دهد.
واژه های کلیدی: موتور آسنکرون قفسه سنجابی ، شیر فشارشکن ، توربین گازی

مقدمه
تا به امروز کوششهای زیادی برای بهبود و افزایش بازدهی سیکلهای تولید قدرت نیروگاهی صورت گرفته است. استفاده از تکنیکهای مختلف( پری هیت ، ری هیت ، عایق کاری و…..) و محاسبات دقیق در خصوص طراحی صحیح سیکلها و تجهیزات آنها برای جلوگیری از اتلاف انرژی و سعی در جذب حداکثری حرارت ، اقداماتی است که از سالها پیش تا بحال کانون توجه طراحان نیروگاه بوده است.
همانگونه که می دانیم بازدهی هر سیستم از حاصل ضرب بازدهی هر یک از اجزای متوالی آن سیستم بدست می آید.
فرض کنیم بازدهی یک سیکل بخار 36% وژنراتور متصل به توربین بازدهی برابر 97% و ترانس قدرت متصل به ژنراتور بازدهی 98% داشته باشد. ملاحظه می شود که بازدهی این مجموعه 34% خواهد بود.(البته به شرطی که در بار کامل کار کنند، در غیر اینصورت بازدهی پائین تر می باشد).
حال اگر برق خروجی ترانسفورمر قدرت را برای تولید حرارت ومصارف گرمایشی استفاده کنیم در واقع 34% از انرژی و ارزش حرارتی سوخت مصرفی در نیروگاه را مورد مصرف قرار داده و 66% آنرا بطور کامل هدر داده ایم مضافا” اینکه سرمایه گذاری اولیه در نیروگاه و هزینه های جاری آن بسیار بالاست.
سهولت انتقال مقادیر عظیم انرژی الکتریکی و تبدیل آن به صور دیگر انرژی ، بهره برداری از آنرا در همه نقاط روز افزون کرده است .
= (بازدهی مجموعه)η
(نوع مصرف 0تا 10 %)η ×(ترانس وتجهیزات پست98%)η ×(خطوط انتقالHV97%)η×(ژنراتور98%)η×(سیکل تولید36%)η
در نگاه اول ممکن است η تخصیص داده شده به نوع مصرف، اغراق آمیز به نظر برسد اما متاسفانه بخش عمده ای از انرژی مصرفی در کشور ما به همین ترتیب مصرف / تلف می شود وبخش عمده تدابیر بکار رفته برای افزایش بازدهی سیستمهای تولید و توزیع قربانی سوء مصرف می گردد که ظاهرا چاره اساسی آن اصولی شدن قیمت انرژی است.
عمده برق و انرژی الکتریکی تولیدی به عهده نیروگاههای حرارتی که با پایه سوخت فسیلی کار می کنند قرار دارد و این نیروگاهها یکی از 3 ساختار بخاری ، گازی ، سیکل ترکیبی را دارا می باشند.

نکته حائز اهمیت بازدهی هر یک از سیکلهای تولید قدرت است که بکارگیری همه تمهیدات در ساختار سیکلها نتوانسته مقادیر بازدهی آنها را از حدود زیر بالاتر ببرد.
بازدهی سیکل بخاری:36% بازدهی سیکل گازی: 25-30% بازدهی سیکل ترکیبی :48%
بازدهی سیکلها با عمر نیروگاها و کیفیت نگهداری آنها مرتبطند و مقادیر فوق مربوط به نیروگاههای نو هستند که بدرستی کار می کنند(درنیروگاههای فرسوده جذب حرارت در داخل بویلر وسایر مسیرها به علل مختلفی از جمله وجود رسوبات رو و داخل تیوب ها و یا از بین رفتن تعدادی از تیوبهای مبدلهای حرارتی و از بین رفتن عایق ها و … ). لذا می توان گفت که این ارقام خوشبینانه هستند.
مثلادر یک نیروگاه بخاری از هر 100 بشکه سوخت (فسیلی مانند نفت) 64 بشکه آن بصورت گرما در نیروگاه هدر می رود و در بهترین حالت معادل 36 بشکه انرژی شیمیائی نهفته در 100 بشکه به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. پس از آن نیز مقادیر قابل توجهی در ژنراتور، ترانسفورمرهای پیاپی، خطوط انتقال HV ، فوق توزیع وشبکه توزیع تلف می شود که تا حدود زیادی اجتناب ناپذیر است.
افرادی که سیکلهای ترمودینامیکی تولید قدرت را مطالعه کرده وبا محاسبات آن آشنایی دارند می دانند که برای نائل شدن به یک درصد افزایش بازدهی چقدر تدابیر وکوشش لازم است، بنحوی که می توان گفت فراتر رفتن از مقادیر فوق تقریبا غیر ممکن می نماید. وقتی با مقادیر عظیم تبدیل انرژی روبرو هستیم هر کوششی برای حفظ بازدهی نیروگاه بسیار ارزنده است ومنشاء اثر بزرگی برای دراز مدت است. پس پیدایش سیکل ترکیبی اقدامی بسیار مؤثر بوده که توسعه آن در نیروگاههای گازی کشورهمچنان باید تداوم یابد.
همانگونه که مشخص است بازدهی سیکل ترکیبی تقریبا نزدیک به دو برابر سیکل گازی می باشد و در همین راستا وزارت نیرو در سالهای اخیر اهتمام خوبی در توسعه سیکل ترکیبی داشته است ، اما خصوصیت سیکل گازی در سرعت ورود به مدار، آن را از دو گونه دیگر متمایز ساخته و نقش مهمی رادر تامین پایداری شبکه در اوقات اوج بار ایفا می کند . بنا بر این علی رغم بازدهی پایین توربین گازی استفاده از آن در آینده نیز منتفی نخواهد بود و در صورت صنعتی شدن کشور و به طبع آن هموار شدن منحنی بار در طول شبانه روز نیز کما کان توربین گاز مورد استفاده قرار خواهد گرفت. وبر همین اساس استفاده از توربین گازی در مراکز انتقال نفت بعنوان محرکه پمپ ها ، میتواند نظیر معادل خود در نیروگاه به شمار رفته و نقصی بر بازدهی آن نیست ودر واقع ما بازای آن در صنعت است.

مطالب فوق ازاین حیث اهمیت دارند که بدانیم :
1-برای افزایش بازدهی سیستم تولید کار چندانی نمی توان انجام داد و سیستم موجود حاصل دهها سال زحمت دانشگاهیان و نخبگان دنیا در زمینه برق و مکانیک است.
2- استفاده از سیکل گاز هر چند رو به کاهش است اما همچنان ادامه خواهد داشت و در این مقاله ما تحلیل های خود را با مرجع بازدهی سیستم الکتریکی مبتنی بر تولید با توربین گاز می سنجیم.
3- هر گونه تلاش در استفاده هوشمندانه از انرژی در مراکز انتقال نفت کمک شایانی به صرفه جویی و یا ذخیره سوخت خواهد بود.
تحقیق انجام شده به نمونه ای از تلفات انرژی در صنعت اشاره دارد که علی رغم تلفات زیاد ، ظاهرا کارکردی مطلوب از خود نشان می دهد و در واقع از نمونه های مستتر اتلاف انرژی در یک سیستم امروزی می باشد.
تحقیق میدانی
شرکت خطوط لوله و مخابرات نفت که رسالت اصلی آن انتقال نفت خام به پالایشگاهها و همچنین انتقال فرآورده های نفتی به نقاط مصرف است بر پایه پمپاژ نفت توسط توربین بصورت عمده و استفاده از الکتروپمپ بصورت جزئی شکل یافته است که در سالهای اخیر مسائلی چون تحریم و دشواری های تامین لوازم یدکی توربین ها تغییر ایستگاههای پمپاژ را بر پایه استفاده از الکتروپمپ سوق داده است. استفاده از موتور آسنکرون قفسه سنجابی علی رغم آنکه متداولترین و پرکاربردترین نوع در صنعت است اما سازگاری چندانی با بکارگیری بعنوان محرکه پمپ در مراکز انتقال نفت ندارد. زیرا اساسا دور ثابتی دارند و فشار مازاد بر نیاز در خروجی پمپ متصل به آنها بایستی در شیر کنترل فشار (Pressure control valve) شکسته و تنظیم شود که عمده تلفات انرژی به همین نقطه مربوط است. واین وضعیت ، مثال خودرویی است که پدال گاز آن گیر کرده و برای کنترل سرعت آن بطور مداوم از ترمز استفاده می شود.
در این تحقیق طرح ” خط 32 اینچ انتقال نفت خام نکا – ری ” بعنوان نمونه ای از کاربرد الکتروموتور القایی قفسه سنجابی مورد بررسی قرار گرفته است.
بطور نمونه مشخصات الکتروپمپ بکار رفته در مرکز انتقال نفت خام ساری بترتیب زیر است:
1-الکتروموتور Voltage= 6 KV – Power= 2 /8 MW – Speed= 2950 RPM – η = %90
2- پمپ H=1050 m Q=828 m^3/h P=2518 KW
این الکتروپمپ درهنگام کار وضعیت زیر را دارد:
فشار خروجی :1410PSI P= دبی : Q=800 m^3/h

در نقطه کار فوق ، طبق منحنی مشخصه پمپ بازدهی آن بیشینه و برابر η=%83 است وبه استناد آن همه چیز مطلوب بنظر می رسد.
تحلیل موضوع
فرض کنیم ؛ بازدهی نیروگاهها(سیکل گاز): مجموعا 25% ، و در خوشبینانه ترین وضعیت : بازدهی خطوط انتقال HV و فوق توزیع منتهی به مرکز انتقال نفت 95% بازدهی پستهای HV و فوق توزیع 98% ، بازدهی الکتروموتور و پست kv6 مجموعا90 % و بازدهی پمپ طبق منحنی 83% باشد.
در اینصورت بازدهی مجموعه برابر خواهد بود با :
0/174=0/83×0/25×0/9×0/95×0/98 بازدهی کل %17 /4= 0/174× 100
ملاحظه می شود با آنکه هریک از اجزائ متوالی سیستم با حد اکثر بازدهی کار می کنند اما تعدد واسطه های انتقال انرژی باعث افت شدید میزان بازدهی می گردد.
در صورتی که بجای استفاده از الکتروموتور از توربین گازی استفاده می کردیم، بازدهی مجموعه بصورت زیر مدل می شد؛
0/83=0/21× 0/25بازدهی مجموعه=بازدهی پمپ × بازدهی توربین %21=0/21× 100
بازدهی به 21 درصد افزایش می یابد، مضافا اینکه نیازی به صرف هزینه های بسیار هنکفت اشغال ظرفیت نیروگاهی کشور- فشار بر سیستم تولید برق در اوقات اوج بار – و هزینه های سرسام آور سرمایه گزاری دراحداث خطوط و پستهای فوق توزیع 63کیلوولت که بصورت اختصاصی برای هر مرکز انتقال نفت در نظر گرفته شده است نبود.
ملاحظه می شود ؛ در وضعیتی که افزایش 1 درصد بازدهی نیروگاهها میسر نیست براحتی در محل مصرف انرژی می توان6/3 درصد افزایش بازدهی داشت. که برای درک بهتر آن می توان گفت در صورت استفاده از توربین گازی ،در واقع توربین گازی را از دهها یا صدها کیلومتر دورتر به محل مصرف انتقال داده ایم تا همه عوامل اتلاف انرژی را حذف کرده باشیم.
اما با کمی دقت متوجه می شویم که عامل مهم دیگری که باعث تلفات سنگین انرژی می شود در مراکز انتقال نفت با ساختار “الکتروموتورآسنکرون قفسه سنجابی + پمپ ” وجود دارد که در ادامه بشرح آن می پردازیم.
فشار نرمال خروجی خط لوله متصل به مرکز انتقال نفت ساری در هنگام بهره برداری ، 1100Psi 1070 – می باشد در حالیکه فشار

خروجی پمپ 1410 Psi است. ولذا بدلیل ثابت بودن سرعت این نوع الکتروموتور برای افت فشار به میزان حدود 310Psi از شیر کنترل فشار درخروجی مرکز انتقال نفت استفاده شده است. تفاضل این دو فشار بر روی شیر کنترل افت می کند واتلاف عمده انرژی در اینجا اتفاق می افتد. البته با ظاهری کاملا فنی و موجه. بدین دلیل که هم شرایط بازدهی حد اکثری پمپ بطور ظاهری تامین شده و هم فشار خروجی مرکز انتقال تنظیم گردیده است.
با توجه به اینکه توان محاسباتی پمپ از فرمول زیر بدست می آید:
P=Q×H/(367 η)
ملاحظه می شود هد پمپ رابطه مستقیمی با توان دارد و همچنین از طرفی هد رابطه مستقیمی با فشار استاتیک دارد P=ρgh
پس برای فلوی ثابت اما با فشارهای متفاوت قدرتهای متفاوتی نیاز است و این مسئله ای قابل لمس است و لذا می توان از پمپی استفاده کرد که هد آن معادل فشاری در نزیکی نقطه کار واقعی خط باشد یعنی 1100PSI
بدین ترتیب درصد تلفات روی شیر کنترل قابل محاسبه است:
0/22×100=%22 1 – (1100/1410) =0/22
ملاحظه می شود که 22 درصد از قدرت جذب شده الکتروموتور از شبکه در شیر کنترل تلف می شود.
پس محاسبات منتج به بازدهی 4/17 درصد که در بالا به آن اشاره شد ناقص بوده و مدل صحیح آن بترتیب زیر است:
1 -0/22=0/78 0/78×0/174 =0/135 0/135 ×100=%13 /5
بازدهی سیستم به دو دلیل عمده فوق الاشاره 5/13 درصد است و این نتیجه ی قابل تاملی است ، و این در شرایطی است که یکی از دلایل انتخاب الکتروموتور بعنوان محرکه را بازدهی بالای آن نسبت به توربین گازی بر میشمرند.

در حالیکه اگر از توربین گازی استفاده می شد بازدهی مجموعه 21 درصد می بود و همانطور که اشاره شد برای ارتقاء یا حفظ بازدهی سیستم های تولید قدرت هزینه های فوق العاده ای پرداخت می شود تا شاید موفق شوند 5/0 درصد افزایش بازدهی را شاهد باشند، و ملاحظه می شود که کمی دقت در نحوه ی استفاده از انرژی ودقت بیشتر در فاز طراحی تا چه میزان می تواند مؤثر باشد. نکته دیگری که به نظر می رسد این است که ؛ در فاز طراحی مراکز انتقال نفت پس از انجام محاسبات هیدرولیک خط برای اجتناب از خطر عدم توانایی پمپها در عملیات انتقال نفت ، ضرائب اطمینانی در نظر گرفته می شود تا از بن بست احتمالی ناشی از عدم دقت در محاسبات جلوگیری شود. در این مورد خاص و نظایر آن نتایج و تبعات ناشی از( Over Design ) بسیار نا مطلوب و زیانبار بوده ، بطوری که برای سالیان متمادی گریبان گیر و از بین برنده سرمایه ملی(انرژی) خواهد بود.
به اعتقاد نگارنده استفاده از ضرائب اطمینان برای انتخاب محرکه هایی که با بار ثابت کار می کنند بسیار مضر است وبصورت درازمدت بازدهی کم و تلفات بالا را موجب می شوند ، و این در مورد توربین گازی هم صدق می کند. بدیهیست برای انتخاب توربین گازی نیز بایستی نقطه کار بهینه دستگاه مد نظر باشد وچنانچه توربین با سرعت نامی و بار کامل در مدار قرار نگیرد بدون تردید از نقطه کار بهینه دور شده است.
لازم بذکر است که نتایج در خصوص بکارگیری الکتروموتورهای با دور متغیر به دلیل عدم نیاز به استفاده از شیر فشار شکن در خروجی خط انتقال نفت بسیار بهتر از الکتروموتورهای آسنکرون قفسه سنجابی است ، اما با توجه به آنکه قریب به اتفاق موتورهای الکتریکی مورد استفاده در مراکز انتقال نفت از نوع آسنکرون قفسه سنجابی است ، در این گفتار به بررسی نوع قفسه سنجابی اکتفا می گردد.
نتیجه گیری:
1- بکارگیری توربین گاز با سایز مناسب و متناسب با دبی و فشار خط در نقطه نصب، بطوریکه در نقطه بهینه کار کند بهترین گزینه است.
2- استفاده از الکتروموتورهای با سرعت متغیر و یا درایورهای کنترل سرعت موتور بدون شیرفشار شکن در مرکز انتقال نفت ، بر استفاده از موتورهای القایی قفسه سنجابی ارجح است.
3- شبیه سازی هیدرولیک خط انتقال بمنظور محاسبه دقیق قدرت پمپ و پرهیز از ( Over Design )در جلوگیری از تلفات انرژی بسیار حائز اهمیت است.
4- انتخاب ” محرکه+ پمپ” با یک سایز پایین تر در صورت محاسبه قدرت پمپ ، مابین دو سایز نرم (Norm) ، مانع از تلفات انرژی به نحو تشریح شده خواهد بود. ( پمپهای سانتریفیوژ در این حالت متحمل اضافه بار نخواهند شد).
5- وجود شیر کنترل فشار در خروجی مراکز انتقال نفت با اختلاف فشار قابل توجه در طرفین آن ، نشانه بارز تلفات انرژی در مقیاس کلان و اشتباه در طراحی می باشد.
6- با توجه به گستردگی استفاده از توربین در وزارت نیرو و ساخت نیروگاههای متعدد در سالیان اخیر، به نظر نمی رسد تامین تعداد معدودی توربین مورد نیاز شرکت خطوط لوله و مخابرات نفت با مشکل بازدارنده ای روبرو باشد. و در مورد توربینهای موجود نیز که بعضا شاید با مسئله لوازم یدکی روبرو باشند می توان با جایگزینی از انواع متداولتر موانع را بر طرف نمود.

مراجع :
موجود در مدارک فنی پروژه خط انتقال نفت خام نکا – ری Ruhrpumpen 1- منحنی های تست پمپهای
2- غفرانی،محمد باقر، دانشگاه صنعتی امیر کبیر، جزوه درس تولید و نیروگاه،1372
3- جعفرآقائی ، علی، اطلاعات جمع آوری شده از مراکز انتقال نفت.1388-1386

نوشته های مرتبط

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *