کنترل دقیق ترکیب سوخت توربین‌های گازی با طیف سنجی رامان

با افزایش تقاضای جهانی برای کاهش آلاینده‌ها و بهینه‌سازی مصرف سوخت، هیدروژن به عنوان یکی از کلیدی‌ترین گزینه‌های جایگزین برای ترکیب با گاز طبیعی در توربین‌های گازی مطرح شده است. اضافه کردن هیدروژن به گاز طبیعی برای تأمین سوخت توربین‌های گازی، یک راهکار مهم و مثبت در جهت کربن‌زدایی شناخته می‌شود. هیدروژن با کاهش غلظت متان و سایر هیدروکربن‌ها، میزان آلاینده‌های خروجی را کم می‌کند.
به همین دلیل است که مصرف کنندگان صنعتی به دنبال این هستند که یک جایگزین مناسب برای توربین‌های گازی خود داشته باشند. این جایگزین باید سیستمی باشد که بتواند سوختی غنی از هیدروژن بسوزاند.
بیشتر تقاضای بازار برای تهیه سوخت‌هایی است که ۵۰-۵% هیدروژن دارند. مسئله این جا است که اضافه کردن هیدروژن با سوخت‌هایی که در توربین‌های گازی قرار دارد، چالش‌هایی به همراه دارد. در ادامه با این چالش‌ها آشنا خواهیم شد.

چالش‌های ترکیب هیدروژن در سوخت توربین‌های گازی

درست است که ترکیب هیدروژن با سوخت گاز طبیعی مزایای زیادی مانند کاهش آلاینده ها دارد، اما در زمان اجرای آن با پیچیدگی‌ها و چالش‌های فراوانی مواجه می‌شوید. البته که در ادامه به شما خواهیم گفت که راه حل غلبه بر این پیچیدگی‌ها چیست.
شما برای این که بتوانید از این سوخت جدید در توربین‌های گازی استفاده کنید، باید بتوانید ترکیب دقیق آن را مشخص کنید. در این میان Heating Value و شاخص Modified Wobbe هم باید مشخص شود. این مقادیر روی عملکرد مشعل‌ها تاثیر می‌گذارند. همچنین این اطلاعات امکان تطبیق سوخت با سیستم احتراق مناسب را هم فراهم می‌کند.
اندازه‌گیری ترکیب سوخت همچنین به محاسبه نقطه شبنم هیدروکربن که یک پارامتر مهم در جلوگیری از تشکیل میعانات است نیز کمک می‌کند. در صورت عدم مدیریت صحیح، این میعانات می‌توانند باعث ایجاد رسوبات کربنی در مشعل شوند. علاوه بر این، سوخت‌های حاوی هیدروژن به دلیل ماهیت احتمال بازگشت شعله را افزایش می‌دهند، مگر اینکه شرایط احتراق متناسب با ویژگی‌های این نوع گاز تنظیم گردد.
اندازه‌گیری ترکیب سوخت به محاسبه نقطه شبنم هیدروکربن (یک پارامتر مهم در جلوگیری از تشکیل میعانات) نیز کمک می‌کند. اگر مدیریت این موارد به درستی انجام نشود، این میعانات موجب رسوبات کربنی در مشعل می‌شود.
علاوه بر این، سوخت‌های حاوی هیدروژن به دلیل ماهیت احتمال بازگشت شعله را افزایش می‌دهند، مگر اینکه شرایط احتراق متناسب با ویژگی‌های این نوع گاز تنظیم گردد.
از طرفی سوخت‌هایی که هیدروژن دارند، احتمال بازگشت شعله را زیاد می‌کنند. توجه کنید که حتما شرایط احتراق متناسب با ویژگی‌های این نوع گاز تنظیم شود.

روش‌ کروماتوگرافی گازی در اندازه گیری ترکیب های سوختی

معمولا در توربین‌های گازی برای سنجش ترکیب سوخت از آنالیزورهای مختلفی مانند کروماتوگرافی گازی (GC) استفاده می‌شود. مشکل این روش این است که سرعت پاسخ دهی پایینی به همراه دارد.
در یک نیروگاه، تغییرات سریع ترکیب سوخت در بازه‌ای سه‌ ساعته بررسی شد. کروماتوگرافی گازی که هر ۱۸۰ ثانیه داده جدیدی ارائه می‌داد، نتوانست تغییرات لحظه‌ای سوخت را شناسایی کند. در واقع دو چرخه کامل (۶ دقیقه) طول کشید تا این تغییر شناسایی شود، که خطرات ایمنی فراوانی را برای عملکرد توربین به دنبال داشت.

روش طیف سنجی رامان در اندازه گیری ترکیب های سوختی

طیف سنجی رامان در مقایسه با روش‌های دیگر تحلیل گاز مانند طیف‌ سنجی جرمی (MS) و کروماتوگرافی گازی (GC)، سادگی و کارایی بیشتری دارد. پروب‌هایی که سیستم های رامان آنلاین دارند، می‌توانند در محیط‌های با شرایط محیطی نامناسب و با فشار بالای گاز نصب شوند. شما می‌توانید روی خطوط تولید خود از این سیستم‌ها استفاده کنید.
علاوه بر این شما هیچ گونه نیازی به آماده سازی نمونه ندارید. همه این موارد باعث می‌شود تا زمان پاسخگویی سیستم طیف سنجی کاهش پیدا کند که برای پایش سریع تغییرات رخ داده در ترکیب سوخت و تنظیم دقیق اجزای آن و در نتیجه حفظ ایمنی توربین فرآیند بسیار مهمی است.
این مزایا را برای شما آورده‌ایم تا با آن بیشتر آشنا شوید.

پاسخ دهی سریع: این فناوری می‌تواند هر ۱۳ ثانیه یک‌بار ترکیب جدید سوخت را ثبت کند، درحالی‌که GC به حداقل ۱۸۰ ثانیه نیاز دارد.
عدم نیاز به آماده سازی پیچیده نمونه: برخلاف روش‌های دیگر، طیف‌سنجی رامان نیازی به آماده سازی نمونه و گازهای حامل ندارد.
دقت بالا: این سیستم‌ها حتی در شرایط فشار بالا بدون افت کیفیت داده، ترکیب سوخت‌ها را به دقت تحلیل می‌کند.
داشتن صرفه اقتصادی: به دلیل عدم نیاز به گازهای حامل و تجهیزات جانبی، هزینه‌های عملیاتی و نگهداری به شدت کاهش پیدا می‌کند.
سازگاری با سوخت‌های آینده: استفاده از طیف سنجی رامان می‌تواند برای اندازه‌گیری ترکیبات جدید سوخت، به ویژه سوخت‌هایی که هیدروژن و متان دارند، استفاده شود.
سیستم رامان آنلاین شرکت تکسان را می‌توانید در تصویر زیر مشاهده کنید.

با کارشناسان ما حتما در ارتباط باشید.

روش آزمایش در توربین های گازی

در یک بررسی دقیق، عملکرد آنالیزور گازی رامان برای پایش ترکیب سوخت در توربین‌های گازی مورد ارزیابی قرار گرفته است. هر توربین معمولا به چهار نوع سیستم آنالیز شامل کالری‌متر، دو کروماتوگرافی گازی (GC)، آنالیزور اکسیژن و آنالیزور Co_۲ مجهز بوده است.
هدف اصلی این ارزیابی، مقایسه طیف ‌سنجی جرمی (MS) و طیف ‌سنجی رامان برای اندازه‌گیری تغییرات سریع در ترکیب سوخت، مانند ترکیب هیدروژن و اتان در گاز طبیعی بود. هدف بعدی بررسی این مورد بود که آیا می‌توان برای این اندازه‌گیری یک آنالیزور واحد را جایگزین چهار سیستم موجود کرد یا خیر؟

نصب و عملکرد آنالیزورها

همان طور که در تصویر مشخص است آنالیزور رامان از طریق یک مسیر فرعی (Bypass) متصل به پروب فیبر نوری در مسیر خط سوخت توربین قرار گرفته است. در حالی که طیف سنج رامان برای دسترسی به نمونه‌های آزمایش به هیچ تجهیزات دیگری نیاز ندارد، طیف ‌سنج جرمی (MS) نیازمند خطوط انتقال و سیستم آماده‌ سازی نمونه قبل از ورود به درگاه تزریق است. اندازه‌گیری‌های این آزمایش در حالی صورت گرفته که فشار در خط سوخت توربین ۳۵۰psia بوده است. در این بررسی اندازه‌گیری تغییرات و ترکیبات سوخت به صورت همزمان توسط هردوی این آنالیزورها انجام شده است.

مانیتور تغییرات ناگهانی ترکیب سوخت

برای مقایسه عملکرد این دو سیستم‌ طیف سنجی، هیدروژن با غلظتی بین ۲۵٪ تا ۷۰٪ طی ۴۰ ثانیه به جریان گاز طبیعی اضافه شد و سپس طی ۴۰ ثانیه دیگر، این غلظت به ۲۴٪ کاهش یافت. شکل زیر نتایج آنالیز صورت گرفته توسط طیف ‌سنج جرمی (MS) و رامان را در این آزمایش نشان می‌دهد. طیف ‌سنج رامان هر ۱۳ ثانیه یک ‌بار داده‌ جدیدی در دسترس گذاشت و توانست رویداد تغییر ترکیبات سوخت را با دقت بالایی دنبال کند. این در حالی است که طیف ‌سنج جرمی هر دو ثانیه نتیجه جدیدی از آزمایش گزارش کرد. اگرچه این چرخه در طیف سنج جرمی سریع‌تر است اما به دلیل پیچیدگی سیستم آماده‌ سازی نمونه، می‌توان تاخیر قابل توجهی در تشخیص تغییرات توسط آن مشاهده کرد.

در آزمایشی دیگر، به مدت یک ساعت اتان به گاز طبیعی تزریق شده است. شکل ۲ نتایج اندازه‌گیری طیف ‌سنج جرمی (MS) و رامان را نشان می‌دهد که در مقایسه با الگوریتم جریان ارائه شده توسط آزمایشگاه (به عنوان مقدار مرجع) مورد بررسی قرار گرفته است. همانطور که نتایج نشان می‌دهد رامان عملکرد بهتری نسبت به طیف ‌سنج جرمی داشته و تغییرات ترکیب سوخت را با دقت بالاتری دنبال کرده‌ است. در طول این آزمایش، سیستم طیف سنج جرمی تنها ۶۷٪ زمان در دسترس بوده است، در حالی‌ که رامان توانسته ۱۰۰٪ زمان آماده ‌به ‌کار باشد.
در طول ۸ هفته آزمایش، آنالیزور رامان نیازی به کالیبراسیون مجدد نداشته و همچنان داده‌های سریع و دقیقی ارائه کرده است. در پایان این ارزیابی، مشخص شد که رامان یک فناوری دقیق، پایدار و قابل ‌اعتماد برای پایش ترکیب سوخت توربین‌های گازی در هر دو حالت شرایط پایدار و تغییرات ناگهانی است. نتیجه این بررسی، سبب شد که مدیران نیروگاه تایید کنند که آنالیزور رامان می‌تواند جایگزینی مناسب برای کروماتوگرافی گازی (GC) در اندازه‌گیری ترکیب سوخت توربین‌های گازی باشد.

جمع‌بندی

مطالعه حاضر نشان می‌دهد که آنالیزورهای رامان ابزارهای بسیار مؤثری برای تحلیل ترکیب سوخت توربین‌های گازی هستند. طیف‌سنجی رامان، یک فناوری‌ آینده‌نگرانه محسوب می‌شود و می‌تواند به ‌راحتی برای بررسی و آنالیز سوخت‌های جدید همچون ترکیبات هیدروژنی، سازگار شود.
سیستم‌های طیف‌ سنجی رامان ارائه‌ شده توسط شرکت تکسان قابلیت سفارشی ‌سازی دارند و می‌توانند بر اساس نیازهای خاص برای اندازه‌گیری ترکیبات مختلف سوخت تنظیم شوند. به‌ طور معمول، برای تحلیل یک سوخت جدید یا ترکیب جدیدی از سوخت‌ها، تنها کافی است که روش نرم‌افزاری یا مدل اندازه‌گیری بروزرسانی و آنالیزور مجددا کالیبره شود. به این منظور نیازی به تغییر یا جایگزینی قطعات و تجهیزات سخت‌افزاری نیست. این ویژگی باعث افزایش انعطاف ‌پذیری و کاهش هزینه‌های عملیاتی می‌شود.