مقاله توربین گازی (موتور قدرتمند و کارآمد)

در این مقاله به بررسی تاریخچه، ساختار، کاربردها، مزایا و معایب توربین گازی پرداخته شده است. توربین گازی یک موتور درون‌ سوز است که از انرژی گازهای ناشی از احتراق برای تولید قدرت استفاده می‌کند. این موتورها بسیار قدرتمند و کارآمد هستند و کاربردهای متنوعی دارند.

توربین گاز

توربین گاز یک واحد تولید انرژی مکانیکی است که در عملکرد خود شباهت‌های زیادی به موتورهای احتراق داخلی دارد. این شباهت‌ها به وضوح از طریق چهار مرحله اصلی کاری که در هر دو نوع دستگاه اتفاق می‌افتد، به چشم می‌خورد. اولین مرحله مکش، تراکم، احتراق و انبساط (قدرت) و تخلیه است. در توربین‌های گاز، این مراحل نیز در واحد گازی اتفاق می‌افتد، اما با تفاوت اساسی. در حالیکه در موتورهای احتراق داخلی، هر یک از سیلندرها به ترتیب این مراحل را انجام می‌دهند، در توربین‌های گاز، هر مرحله در قسمت خاصی از واحد گازی انجام می‌شود؛ به عنوان مثال، تراکم همواره در یک قسمت و احتراق همواره در یک قسمت دیگر.

در دومین مشابهت، انرژی شیمیایی نهفته در سوخت‌های فسیلی، همچون گازهای گوگردی، نهایتاً به صورت انرژی مکانیکی (گشتاور) در توربین گاز ظاهر می‌شود. این تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی مکانیکی باعث تولید قدرت و حرکت محورهای توربین می‌شود.

سیال عاملی که باعث چرخش محور توربین می‌شود، گاز داغ یا هوای فشرده محترق است. به همین دلیل، توربین‌های گاز به نام توربین‌های گازی شناخته می‌شوند. این گاز داغ، از طریق مراحل مختلف توربین عبور کرده و در نهایت انرژی مکانیکی تولید شده را به حرکت دورانی تبدیل می‌کند. با توضیح اجزاء توربین گاز و ترتیب انجام کار در این واحد، عملکرد و کاربرد این سیستم به وضوح روشن می‌شود.

تاریخچه توربین گاز

تاریخچه توربین گاز به حدود ۷۰ سال پیش باز می‌گردد، زمانی که این دستگاه‌ها برای تولید برق به کار گرفته می‌شدند. اما در دو دهه اخیر، تولید توربین‌های گاز به شدت گسترش یافته و بیست برابر افزایش یافته است. اولین تلاش‌های ساخت توربین گاز به سال ۱۷۹۱ بازمی‌گردد، زمانی که «جان پایر» اولین طرح مشابه توربین‌های گازی امروزی را ارائه کرد. در اوایل قرن بیستم، اولین توربین گازی با ساختار چند طبقه و از ترکیب توربین چندطبقه عکس‌العملی و یک کمپرسور محوری چندطبقه تولید شد.

در سال ۱۹۳۳، اولین دستگاه توربین گازی در یک کارخانه فولادریزی در آلمان به بهره‌برداری رسید و تا آخرین زمان ذکر شده، توربین‌های گاز با قدرت ۲/۲۱۲ مگاوات در فرانسه نیز نصب و بهره‌برداری شدند. در حوزه برق ایران، اولین توربین گازی در سال ۱۳۴۳ در نیروگاه شهر فیروزه (طرشت) به کار گرفته شد و شامل دو دستگاه با قدرت ۵/۱۲ مگاوات بود. در حال حاضر، از توربین‌های گازی سیار «کاتلزبرگ» با قدرت اسمی یک مگاوات تا توربین گازی ۴۹-۷ شرکت زیمنس با قدرت ۱۵۰ مگاوات در صنعت برق ایران استفاده می‌شود.

نقش توربین گاز در صنعت برق

توربین‌های گاز به دلیل خصوصیات خاصی که دارند، قابلیت استفاده در زمینه‌های متنوعی را دارا هستند، جدا از کاربردهای مرتبط با تولید برق. این توربین‌ها به عنوان مثال، به عنوان موتورهای جت در هواپیماها برای تأمین نیروی محرکه هواپیما و نیروی جلوبرندگی به کار می‌روند. همچنین می‌توانند در زمینه‌های مختلفی نظیر به گردش درآوردن یک پمپ قوی نیز به کار روند. این تنوع در کاربردها نشان‌دهنده امکانات گسترده‌ای است که توربین‌های گاز در صنایع مختلف دارند.

با این حال به دلیل تمرکز بحث بر توربین‌های گاز در زمینه تولید برق، تاکید بر این موضوع خاص می‌شود. آمار و ارقام نشان می‌دهند که میزان مصرف برق در ساعات مختلف شبانه‌روز متغیر است. در برخی از ساعات، مصرف برق به حداکثر خود می‌رسد (پیک بار)، مانند ساعاتی از صبح تا ظهر، در حالی که در ساعات دیگر نسبت به بقیه اوقات، به شدت کاهش می‌یابد. این تغییرات در مصرف برق نشانگر نیاز به تنظیم و مدیریت هوشمند تولید و توزیع برق با استفاده از توربین‌های گاز در مقابل نیازهای مختلف زمانی هستند.

مزایای توربین گازی

• الف) واحدهای گازی بخاطر جمع کوچک و ساده بودن نصب خیلی سریع نصب می شود.
• ب) واحدهای گازی بعد از استارت، در عرض چند دقیقه (معمولاً کمتر از ده دقیقه) به مرحله بازدهی می رسند که در این زمان کوتاه، توربین های گازی را قادر ساخته است که برای منظورهای اضطراری و در مواقعی که ماکزیمم مصرف برق را در سیستم قدرت داریم مورد استفاده قرار گیرد. در ضمن تغییر بار (قدرت تولید) در این واحد، سریع صورت می گیرد.
• ج) قیمت و هزینه نصب واحدهای گازی پایین است (حدود واحدهای بخار برای قدرت برابر)
• د) به علت سادگی ساختمان و کم بودن قسمت های کمکی و نوعی در توربین گاز بهره برداری از آن آسان می باشد. در ضمن در واحدهای گازی امکان کنترل و بهره برداری در محل و از راه دور وجود دارد.
• هـ) در توربین های گازی، امکان استفاده از سوخت های مختلف و تعویض نوع سوخت در حال کار واحد به هنگام باردهی، قدرت مانور خوبی به واحد می دهد.

فهرست مطالب

فصل اول
کلیات و اجزاء توربین گاز
۱-۱- توربین گاز
۱-۱-۱- کمپرسور
۱-۱-۲- سیستم احتراق
۱-۱-۲-۱- محفظه احتراق
۱-۱-۲-۲- نازل سوخت
۱-۱-۲-۳- جرقه زن
۱-۱-۲-۴- شعله بین
۱-۱-۲- ۵ – لوله های مرتبطه شعله
۱-۱-۲-۶- قطعه انتقال دهنده گاز داغ
۱-۱-۳- توربین گاز
۱-۲- اجزاء فرعی توربین گاز
۱-۲-۱- اجزاء راه‌انداز
۱-۲-۲- جعبه دنده
۱-۲-۳- کوپلینگ
۱-۲-۴- کلاچ‌ها
۱-۲-۵- یاتاقانها
۱-۱- یاتاقان تراست با بار
۱-۲- یاتاقان تراست بی‌بار
۱-۲-۶- اجزاء دیگر
۱-۳- سیستمهای فرعی توربین گاز
۱-۳-۱- سیستم روغنکاری
۱-۳-۲- سیستم آب خنک کن
۱-۳-۳- سیستم سوخت توربین های گازی
۱-۳-۴- سیستم هوای خنک کن
۱-۴- کنترل و حفاظت توربین گاز
۱-۵- مزایا و معایب توربین گاز
مـراجـع فـصـل اول

فصل دوم
سیکل ترمودینامیکی توربین گاز
۲-۱- ‌نگرش کلی بر توربینهای گاز
۲-۲- مقایسه نیروگاه گازی با نیروگاههای دیگر
۲-۳- فرآیند توربینهای گاز
۳-۳- سیکل استاندارد هوایی (براتیون)
۲-۵- نسبت فشار برای حداکثر کار خالص ویژه سیکل نظری
۲-۶- سیکل عملی براتیون
۲-۷- راندمان محفظه احتراق
۲-۸- بازده پلی تروپیک
۲-۹ـ تعیین معادله راندمان پلی تروپیک
۲-۱۰- نسبت فشار برای حداکثر کار خروجی در سیکل عملی توربین گاز
۲-۱۱- نسبت فشار برای حداکثر راندمان حرارتی سیکل عملی
مـراجـع فـصـل دوم

فصل سوم
روشهای افزایش قدرت و راندمان توربین گاز
۳-۱- توربین گاز با بازیاب
۳-۱-۱- توربین گاز همراه با بازیاب حرارتی (مبدل حرارتی)
۳-۱-۲- روش تولید بخار با استفاده از بویلرهای بازیاب
۳-۲- سیکل توربین گاز با گرم‌کم مجدد
۳-۳- توربین گاز با تزریق بخار
۳-۳-۱ـ توربین گاز با تزریق بخار به ورودی توربین گاز
۳-۴- توربین گاز با خنک‌کاری
۳-۴-۱- خنک‌کاری میانی
۳-۴-۲- خنک‌کاری بوسیله پاشش آب به ورودی کمپرسور
۳-۴-۳- خنک‌کاری هوای ورودی به توربین بوسیله سیستم ذخیره یخ
۳-۴-۴- خنک کاری هوای ورودی به کمپرسور به وسیله چیلر تراکمی
۳-۴-۵- خنک کاری هوای ورودی به کمپرسور به وسیله چیلر جذبی
۳-۵- ‌مقایسه‌کلی روشهای موجود وانتخاب روشهای مفیدبه منظورافزایش قدرت خروجی ازتوربین‌گاز
مـراجـع فـصـل سـوم

فصل چهارم
فعالیتهای انجام شده در زمینه سیستم Fog
۴ـ۱ـ Mee Industries Inc
۴ـ۲ـ Henry Vogt
۴ـ۳ـ Premier Industries Ins

فصل پنجم
اثرات سرمایش هوای ورودی بر روی اجزای سیستم توربین گاز
۵-۱- تاثیر سرمایش هوا بر روی کمپرسور توربین گاز
۵-۱-۱- دمای خروجی از کمپرسور
۵ـ۱ـ۲ـ کار کمپرسور
۵-۱-۳- نسبت فشار
۵-۱-۴- شرایط کارکرد
۵-۱-۵- افت دما در رابطه مافوق صوت
۵-۲- تاثیر سرمایش هوا بر روی اتاق احتراق
۵-۳- تاثیر سرمایش هوا بر روی توربین
۵-۳-۱- دمای خروجی از توربین
۵-۳-۲- کار خالص توربین
۵-۴- تاثیر سرمایش بر روی راندمان کلی توربین گاز
۵-۵- عوارض جانبی و عوامل تاثیر گذار بر تور بین گاز
۵-۵-۱- تاثیر ارتفاع
۵-۵-۲- افت فشار ورودی

فصل ششم
روش Fog
۶-۱-‌ مقاله افزایش قدرت واحد گازی با استفاده از سیستم خنک کننده Fog
۶-۲- معیارهای انتخاب برای سیستم های خنک کن ورودی
۶-۴- تولید Fog
۶-۴-۱- توزیع اندازه ذرات
۶-۵- ملاحظات خوردگی در کمپرسورهای توربین گاز
۶-۶- نحوه توزیع Fog فاکتور موثر بر تبخیر
۶-۷- نازلها، پمپها و سایر تجهیزات
۶-۸- سیستم کنترل
۶-۹- مکان نازلها در توربین گازی
۶-۱۰- کیفیت آب مصرفی
۶-۱۱- لیست نیازها و موارد نگهداری سیستم Fog توربین گازی
۶-۱۲- نمودار رطوبت سنجی پاشش ورودی
۶-۱۳- شرایط محیطی و قابلیت کاربرد پاشش Fog در ورودی
۶-۱۴- بررسی امکان استفاده از سیستم Fog در نواحی مختلف آب و هوایی
۶-۱۵- تخمین کل هزینه‌های سرمایه‌گذاری نخستینی سیستم Fog
۶-۱۶- مطالعات و آزمایشهای انجام شده

فصل هفتم
فشار ضعیفFog
فاگ فشار ضعیف
۷-۱- زمینه اولیه
۷-۲- Fog فشار قوی
۷-۳- نحوه قرار گیری نازلها در فاگ فشار ضعیف
۷-۴- عوامل فیزیکی
۷-۵- انجام عملی
۷-۶- نازلهای فاگ فشار ضعیف
۷-۷- PACT (افزایش قدرت به وسیله تکنولوژی خنک سازی هوای ورودی)
۷-۸- دلایل نصب سیستم خنک کننده در ورودی آن
۷-۹- کاهش NOx
۷-۱۰- سیستم فاکینگ PACT
۷-۱۲- محاسبه نمونه
۷-۱۳- دلایل اقتصادی فاگ فشار ضعیف
۷-۱۴-نمونه ای از میزان بهره (سود) برای ۵ طرح اجرا شده در هلند
مـراجـع فـصـل پنـجـم و شـشـم و هـفتـم
ضمائم و پیوستها