میکرو توربین یک تکنولوژی به بلوغ رسیده،قسمت دوم

قسمت اول

میکروتوربینها نیاز اتصال به شبکه های مختلف را پوشش می دهد

بعضی از مناطق جهان اتصال شبکه به ژنراتورهای سنکرون سنتی را به خاطر تزریق خطای جریان آنها در شکبه های توزیع محدود کرده اند. بیشتر میکروتوربینها از قطعات الکترونیک قدرت به همراه کنترل کننده های دیجیتال بهره می گیرند. این روش به آنها اجازه می دهد تا شبکه هایی که توسط رله های حفاظتی پوشش داده شده اند ،از جمله آنها که محدودیت جریان در شرایط خطای آنها وجود دارد، با میکروتوربینها یکپارچه شوند.

بیشتر میکروتوربینها از قطعات الکترونیک قدرت برای تبدیل خروجی با فرکانس بالای خود به فرکانس 50 یا 60 هرتز و ولتاژ 400 تا 489 ولت 3 فاز متناوب،مناسب برای مصرف کننده ها، استفاده می کنند. ولتاژ متناوب فرکانس بالای توربوژنراتورها در ابتدا وارد یک اینورتر می شود و به ولتاژ مستقیم تبدیل می شود. یک اینورتر دوم از ولتاژ این باس جریان مستقیم داخلی استفاده می کند و ولتاژ متناوبی با فرکانس مناسب ایجاد می کند. این خروجی برای رعایت استاندارد IEEE 519 درباره ی هارمونیکها فیلتر می شود.

یکی از مزایای این گونه میکروتوربینها در این است که خروجی اینورتر حفاظت شده  است و بنابراین نیاز چندانی به تجهیزات اضافی حفاظتی برای اتصال به شبکه های محلی نمی باشد.

میکروتوربینها یکپارچه سازی سیستمها را امکان پذیر می کنند

واحدهای متفاوت می توانند به یک میکروشبکه وصل شوند که مزایای زیادی را برای صاحبان آنها به همراه دارد. یک کنترل کننده ی قدرت شبکه می تواند ژنراتورهای مختلف را برای سنکرون کردن خروجی آنها مدیریت کند، توان خروجی آنها را بری رسیدن به بهترین بازده تنظیم کند و یک ژنراتور را آماده بکار نگه دارد تا شبکه بتواند در برابر تغییرات بار ناگهانی واکنش نشان دهد. نتیجه، یک پکیج منفرد "مجازی" است که می تواند مانند یک سیستم یکپارچه با فرکانس واحد و مشخصه های کنترل شده عمل کند.

یکی از مزایای چنین سیستم یکپارچه ای در این است که ماجولهای قدرت می توانند روشن یا خاموش شوند تا بازده بارگذاری پله ای بر روی شبکه بهینه شود. این مشخصه می تواند هنگامی که انتظار می رود بارهای شبکه در طی کارکرد متغیر باشند یا در جایی که شرایط اولیه ی نصب بر اساس رشد بار در آینده لحاظ شده باشد ارزشمند باشد. این گونه شبکه ها همچنین می توانند برای مدیریت اوج بار نیز سودمندباشند. در تصویر4 بازده بارپله ای 5 دستگاه میکروتوربین 200 کیلووات موازی با هم در مقایسه با یک توربین بزرگ به نمایش درآمده است. منطقه ی بین دو منحنی نشانگر سوخت صرفه جویی شده می باشد.

تصویر4- نمودار بازده-توان یک میکروتوربین 200 کیلووات در مقایسه با یک توربین معمولی بزرگ. ناحیه ی بین دو منحنی میزان انرژی صرفه جویی شده را نشان می دهد

همچنین توانایی سنکرون کردن خودکار توان خروجی با یک شبکه یا بین چند میکروتوربین می تواند در کنترل کننده های میکروتوربینها نیز یکپارچه شود. این مشخصه هماهنگی بین نیروگاه ها مختلف را ساده تر می کند و اجازه می دهد تا توان چند دستگاه میکروتوربین در یک پیکیج یکپارچه شود.

میکروتوربینها یک منبع توان مطمئن را فراهم می کنند

میکروتوربینها می توانند به صورت دائم برای مدتی طولانی و با کمترین قطعی برای تعمیرات کاربکنند. آنها همچنین کاملا قابل اعتمادند و مناسب برای مشتریانی که نیاز به یک منبع همیشه در دسترس و مطمئن توان دارند. کپستون در رسیدن به این خصوصیات پیشتاز است و همراه با توانایی که در زمینه الکترونیک قدرت و ساخت یو.پی.اس دارد سیستم تولید انرژی خود را "یو.پی.اس دورگه" نامیده است.

این سیستم شامل دو اینورتر جداگانه است که ال.سی.ام-1 و ال.سی.ام-2 نام دارد. ال.سی.ام-2 به عنوان یک اینورتر اتصا به شبکه عمل می کند و شامل رله های حفاظتی یکپارچه است که برای اتصال میکروتوربین به شبکه مورد نیازهستند. همچنین ال.سی.ام-1 یک اینورتر دو طرفه است که به اجازه می دهد توان از شبکه کشیده شده یا به شبکه تزریق شود. ال.سی.ام-2 یک اینورتور مستقل است، بدین معنی که علی رغم اینکه ولتاژ باس شبکه چه باشد ولتاژ لازم برای بارهای حیاتی را تهیه می کند. در داخل یو.پی.اس دورگه یک باس جریان مستقیم وجود دارد که ال.سی.ام-1 و ال.سی.ام-2 را به هم وصل می کند و اجازه می دهد که توان از میکروتوربین و باتریهای خارجی سیستم ذخیره وارد شود.

در وضعیت یو.پی.اس توان از شبکه کشیده شده و توسط ال.سی.ام-1 به باس دی.سی تزریق شده و از طریق ال.سی.ام-2 به بارهای حیاتی تحویل داده می شود. این روش همانی است که در یک یو.پی.اس سنتی دو طرفه اعمال می شود. به هرحال، یو.پی.اس دورگه وضعیت بهره برداری اضافه ای نیز دارد که به نام "وضعیت بازده بالا" معروف است. در این وضعیت بهره برداری میکروتوربین روشن بوده و توان باس AC را از طریق ال.سی.ام-2 تأمین می کند. نوعا، این میکروتوربین قسمتی از یک سیستم CHP یا CCHP نیز می باشد که توانی با بازده بالا ایجاد می کند که می تواند نیازهای مصرف کننده به انرژی حرارتی را کاهش دهد. این سیستمها به بالاترین بازده می رسند و بنابراین هنگامی که نیازهای حرارتی یک سیستم CHP یا CCHP را تأمین می کنند، بهترین جبران کننده ی اقتصادی هستند.

طرح یو.پی.اس دو رگه تأمین بارهای حرارتی را اجازه می دهد و نیاز ندارد که میکروتوربین همان حجم توان مورد نیاز بارهای حیاتی شبکه را تولید کند. این امر بدین خاطر است که ال.سی.ام-1 به توان اجازه می دهد که از قسمتهای غیرحیاتی شبکه ی توزیع برداشته بشود و یا توان را به گونه ای که برای تأمین نیازمندی های بارهای حیاتی لازم است به سمت خود بکشد.

سومین وضعیت بهره برداری"وضعیت اضطراری" است که در آن میکروتوربین یا باتری های ذخیره ی خارجی می توانند بارهای حیاتی را در زمانی که شبکه از دست می رود تأمین کنند. تغییر وضعیت بین تمامی وضعیت های ذکر شده بدون وقفه است، بنابراین بارهای حیاتی نوسانی در ولتاژ ،که به مراکز حساس ذخیره ی اطلاعات یا تجهیزات مخابراتی آسیب می زنند، نخواهند داشت.

کنترل ولتاژ محورها؛ قسمت دوم

جیمز اس. بوثول

15 می 2007

رضاکیانی موحد

باتری هایی که به حساب نمی آیند

آیا توربین ژنراتور شما مانند باتری عمل می کند؟ احتمالا نه، اما یک "باتری متناوب" یا به عبارت دیگر یک پتانسیل متناوب بر روی محور بین ژنراتور و اکسایترهای بدون زغال توربینهای کوچک یا تمامی محور اکسایتر های بدون زغال توربینهای بزرگ وجود دارد.

یک مورد تاریخی دیگر را درنظر بگیرید. ولتاژ متناوب بر روی پایه بیرینگ یک ژنراتور 800مگاواتی توسط یک اهم متر دستی 40 ولت اندازه گیری شده است. در زمان نصب، یک ذغال متحرک به انتهای محور بسته شد و یک آمپرمتر جریان پایه بیرینگ به زمین را اندازه گیری کرد. زمانی که ذغال به پایه بیرینگ می چسبید 150 آمپر جریان نشان داده می شد. این جریان می تواند هر فیوزی را ذوب کند.

به عنوان یک موضوع عملی، از اندازی گیری جریان اکسایترهای بدون زغال پرهیز کیند. همچنین، سعی نکنید که محور را در فاصله بین ژنراتور و اکسایتر یا محور اکسایتر را زمین کنید. عایق سازی بین بیرینگ ها و بدنه دستگاه و عایقسازی کوپلینگ ها تنها را حل مشکل "باتری های متناوب" هستند.

وی.اف.دی ها؛ یک مورد ویژه

پایین بیرینگها و چرخدنده های بعضی تجهیزات دوار می توانند خراب و بدشکل شوند حتی اگر آنها قسمتی از قطعات متحرک نباشند. در واحدهای جدید وی.اف.دی (variable-frequency-drive) ،که از کنترلهای حالت جامد برای کاهش نویز در زمان کلید زنی و گرفتن بر روی محور استفاده می کنند، سیگنالهای سوزنی می توانند مسیرشان را به سمت زمین از طریق بیرینگهای محور ببندند. تولید کنندگان موتور اولین کسانی بودند که این پدیده را کشف کردند و با عایق کردن هر دو بیرینگ به این مشکل پاسخ گفتند. تولید کننده های گیربوکس در مرحله بعد متوجه مشکل شدند اما زمان بیشتری طول کشید تا آن را اصلاح کنند.

در یک مورد، لرزش بر روی توربینی که کمتر از شش ماه کار کرده زیاد شده است. این مجموعه شامل یک توربین بخار، یک کوپلینگ عایق شده، یک گیربوکس، یک کوپلینگ عایق شده دیگر، یک کمپرسور چند مرحله ای و یک ژنراتور با اکسایتر بدون زغال بود. زمانی که لرزش محور زیاد شد مجموعه برای بررسی وتعمیر متوقف شد. گزارش شد که بیرینگهای توربین دچار خوردگی شده و ناچار شدند که آن را عوض کنند. زمانی که واحد دوباره راه اندازی شد گزارش شد که وضع دستگاه اتصال به زمین محور به سرعت خراب شده و نمی تواند ولتاژ محور را نزدیک صفر نگه دارد. نصب یک زمین ساز تسمه ای الکتریسیته ساکن روی محور را تا 0.01 ولت پایین آورد.

ظاهرا تولیدکنندگان گیربوکس یا کوپلینگهای عایق شده را در هر دو محور ورودی و خروجی گیربوکسها نصب کرده اند یا بر نصب آن در زمان تعمیرات اصرار می ورزند. در این صورت، الکتریسیته ساکن توربین بخار ناشی از زمین شدن ناقص مسیرش را به بدنه توربین از طریق بیرینگهای توربین می بندند و از میان بیرینگها یا چرخدنده های گیربوکس عبور نمی کند.

کوپلینگ عایق شد باید بین محور چرخنده توسط واحد وی.اف.دی و اجزای پایین تر ، به علاوه بین واحد تولید کننده الکتریسیته ساکن و اجزای پایین تر نصب شود. این امر به ویژه برای گیربوکسهای مخصوص یا تجهیزاتی که از رول بیرینگ یا بال بیرینگ استفاده می کنند لازم است.

بعضی استفاده کنندگان از وسیله زمین کننده بر روی محور که توسط واحد وی.اف.دی به حرکت درمی آید استفاده می کنند تا از آسیب دیدن بیرینگهای پس از آن جلوگیری کنند. در هر صورت، این وسیله از آسیب دیدن بیرینگ های قبل از آن جلوگیری نمی کند. می دانیم که خواه تجهیزات زمین کردن خواه تجهیزات اندازه گیری ولتاژ محور درست عمل نکنند عملکرد نهایی مورد تأیید نخواهد بود.

روشهای دیگری برای تولید یک ولتاژ در محور یا جریان محور به زمین شناخته شده اند. این راه ها عبارتند از: مدارهای نامتعادل در موتورهای یا ژنراتورها (که توسط جریانهای گردابی در استاتور ایجاد می شوند)، میدان های مغناطیسی نامتعادل در روتور ژنراتورها (که توسط جریانهای گردابی در روتور ایجاد می شوند) و سوختن دیودهای اکسایترهای بدون زغال یا اکسایترهای ساکن. راه های مقابله با این موارد را باید خود جستجو کنید.

زمین شدن مناسب

اگرچه دو واژه "زغالهای زمین کردن" و "وسایل زمین کردن" به یکی معنی به کار می روند در حقیقت نامهایی بی مسما هستند. هر کدام از آنها به یک منظور استفاده می شوند. رساندن الکتریسیته ساکن از محور توربین به بدنه توربین و نه زمین نیروگاه.

مواردی هست که افراد در یک نیروگاه سیمهای زغالهای زمین کردن توربینهای بخارشان را به زمین نیروگاه وصل کرده اند. دوستی آنها دوستی خاله خرسه بوده است. به این دلیل که زمانی که جرقه یا قوس الکتریکی بین روتور و بیرینگها یا نشدبندها زده می شود جریان باید مستقیما از محور به بدنه توربین برود. وسیله زمین کردن در اتصال با روتور باید اول به بدنه متصل شود. در قدم بعدی این اتصال باید به زمین نیروگاه متصل گردد.

چند وسیله زمین کردن به صورت تجاری در دسترس هستند:

·        زغالهای کربنی (Carbon brushes)

·        زغالهای مسی اشباع شده با کربن(Copper-impregnated carbon brushes)

·        تسمه مسی به هم تابیده شده(Braided copper straps)

·        تسمه مسی به هم تابیده شده فنردار(Braided copper straps with spring assists)

·   تسمه مسی به هم تابیده شده به همراه وزنه در یک انتها(Braided copper straps with weights on one end)

·        زغال مویی(Bristle brushes)

·        کابل جوشکاری بافته شده(Braided welding cables)

·        تسمه مسی زمین(Copper ground straps)

هر کدام از این ابزار نقاط ضعف و قوت خود را داراست و قیمت آنها از چند دلار تا چند هزار دلار متغیر است. تمام تجهیزات زمین کردن ،فارغ از نوع آنها یا کارخانه سازنده شان، نیاز به مراقبت و اندازه گیری ولتاژ محور برای اطمینان از هم پتانسیل بودن روتور و بدنه دارند. کاملا آشکار نیست که یک وسیله زمین کردن بتواند در تمام تجهیزات و یا تمام شرایط بکارگرفته شود. خدمه هر نیروگاهی باید خودشان کارایی آنها را بسنجند و بر اساس کارایی آنها، یکی را انتخاب کنند. به همین دلیل، قیمت بالا دلیل نمی شود که تجهیز در نیروگاه شما خوب جواب دهد.

نیازهای تعمیرات و نگهداری تجهیزات زمین کردن محور و سنسورهای ولتاژ آن شبیه نیازهای نیروگاه و تجهیزات خاص آن هستند. در یک نیروگاه ،جایی که خدمه هر روز 4 زغال مویی نصب شده بر روی توربین را باز کرده و تمیز می کردند، ولتاژ محور ،که توسط ولتمترهای دستی خوانده می شد، زیر 1 ولت باقی می ماند. در نیروگاه دیگری خدمه تسمه های زمین را هر هفته آزمایش می کردند اما دوره آزمایش را به دو هفته یکبار و بعدتر به ماهی یکبار و دست آخر به 6 ماه یکبار افزایش داند. اگرچه آنها بر روی محور تجهیزات اندازه گیری ولتاژ نصب کردند که ولتاژ خوانده شده را در اتاق فرمان نمایش می داد اما خودشان هر از گاهی آن را با ولتمترهای دستی اندازه گیری می کردند.

من زمانی که برای آزمایش ولتاژ محور روی قطعات چرخان می روم با خودم تسمه های زمین کردن برمی دارم. در بیشتر موارد می بینم که ولتاژ محور زیاد شده که نشانگر این مطلب است که یا تجهیزات زمین کردن محور درست کار نمی کنند یا بکلی خراب شده اند. اگر به چنین وضعی برخوردکردم تسمه زمین کردن را به محور وصل می کنم. این امر همیشه ولتاژ محور را تا زیر 0.001 ولت کاهش می دهد و فرصت می دهد تا مشکل را پیدا کرده و رفع کنم. درهر صورت، مشتری اجازه می دهد تا تسمه های من بر روی محور باقی بماند تا ولتاژ نزدیک 0.01 ولت باقی بماند.

نصب تجهیزات زمین کردن

تجهیزات زمین کردن بر روی بیشتر توربین ژنراتورها بر روی پوشش آن بیرینگهای توربین که به ژنراتور نزدیک تر هستند نصب می شود. در بعضی موارد تجهیزات زمین کردن بر روی پایه گاورنر نصب می شوند. از آنجا که محور توربین ژنراتور شامل پیچهای ثابت کوپلینگ است، یک، دو یا چند تجهیز زمین کردن می تواند بر روی یک نقطه نصب شود تا پایه گاورنر را به محور (بین توربین و ژنراتور) به هم وصل کند. همین امر می تواند برای توربین کمپرسورها با پیچهای ثابت کوپلینگ هم روی دهد. من توصیه می کنم که تجهیزات زمین کردن را بر روی توربین ژنراتورها نزدیک توربین کم فشار و در توربین کمپرسورها و توربین پمپها نزدیک توربین نصب کنید.

همین وضعیت برای دستگاه های شامل گیربوکس هم پیش می آید. در بعضی موارد، یک توربین باید ژنراتور را از طریق یک گیربوکس بچرخاند که تجهیزات زمین کردن بین گیربوکس و ژنراتور یا به پوسته انتهایی ژنراتور نصب شده اند. الکتریسیته ساکن بر روی محور توربین باید از میان دندانه چرخدنده های گیربوکس عبور کند تا از به تجهیزات زمین کردن و بدنه توربین برسد. این چیدمان ،که قسمتی از طراحی کل واحد است، آشکار است که شامل مسیرهای الکتریکی نیست. نصب تجهیزات زمین کردن بر روی محور توربین اجازه می دهد تا الکتریسیته ساکن از محورتوربین به بدنه توربین منتقل شود بدون اینکه بخواهد از چرخدنده ها عبور کند.

نمونه هایی از تسمه های تابیده شده زمین کردن وجود دارد که آنها را بر روی پایه گاورنر توربین ژنراتور نصب کرده اند تا الکتریسیته ساکن را از روتور خارج کند. الکتریسیته ساکن از دندانه های چرخدنده عبور کرده و خود را به بدنه توربین رسانده است. در نتیجه سوراخ های ایجاد شده چرخدنده ها سوراخ های ایجاد شده چرخدنده ها غیرقابل استفاده شده اند. در وضعیت درست تسمه های باید جابجا شوند تا مستقیما به روتور متصل شوند.

 منبع:

http://www.powermag.com/issues/features/Controlling-shaft-voltages_352_p2.html