توربین های گاز

در انگلستان گروهی به سرپرستی Whittle در سال‌‌ 1936 ‌م یک کمپرسور سانتریفوژ‌تک مرحله‌ای با ورودی دوطرفه و یک توربین تک‌ مرحله‌ای کوپل شده به ‌آن را به هم‌‌راه یک اتاق طراحی کردند. اما با تست این موتور نتایج چندان راضی‌کننده‌ای به‌دست نیامد. در سال 1935‌م در آلمان شخصی به‌نام Hans  Von یک توربوجت با کمپرسور سانتریفوژ ساخت که از مزایای خوبی نسبت به نمونه‌های قبلی برخوردار بود. در آمریکا کمپانیAlis Chalmers اصلاحات فراوانی برروی راندمان توربین‌های گاز و کمپرسورها انجام داد و راندمان کمپرسور را به 70% – 65% و راندمان توربین را به 65% -60% رسانید.

در سال 1941‌م کمپانی  British  Wellond یک توربوجت ساخت که در هواپیما مورد استفاده قرار گرفت . این توربوجت با آب خنک‌کاری می‌شد. در سال 1942‌م کمپانی German Jumo یک توربوجت ساخت که در جنگ جهانی دوم نیز از آن استفاده شد. در این سال‌ها استفاده از موتور توربوجت برای هواپیماها رشد فزاینده‌ای به خود گرفت و هواپیماهای جنگی بسیاری در آمریکا، آلمان و انگلیس ساخته شد. در سال 1941‌م در سوئیس از یک توربین گاز برای راه‌اندازی لوکوموتیو استفاده شد که دارای قدرت 1700 اسب بخار و راندمان 4/18% به هم‌راه بازیاب حرارتی بود.

در سال 1950‌م کمپانی  Rovet Car از توربین گاز در اتومبیل‌ها استفاده کرد که شامل کمپرسور سانتریفوژ، توربین تک‌مرحله‌ای جهت گرداندن کمپرسور و توربین قدرت جداگانه بود که از مبدل حرارتی نیز در آن استفاده شد. در سال 1962‌م کمپانی General Motors یک توربین گاز به هم‌اه بازیاب ساخت که مصرف سوخت آن نسبت به نمونه مشابه 36% کاهش داشت .

در سال 1979‌م با توافق بین سازندگان بزرگ توربین گاز، استانداردی جهت کاهش میزان NO_x  وCO دود خروجی ازتوربین گاز نوشته شد . در خلال سال‌های بعد تغییرات فراوانی در نوع سوخت، متریال[1] روش‌های خنک‌کاری و کاهش نویز و سر و صدا به‌وسیله شرکت   NASA  صورت گرفت.

در 15 سال گذشته توربین گاز، خدمات فزآینده‌ای را در صنعت و کاربردهای پتروشیمی در سراسر جهان ارائه داده است. انسجام ، وزن کم و امکان کاربرد سوخت چندگانه موجب استفاده از توربین گاز در سکوهای دریایی نیز شده‌است .

امروزه توربین‌های گازی وجود دارند که با گاز طبیعی ، سوخت دیزل ، نفت ،متان ، گازهای حرارتی ارزش پایین ، نفت گاز تقطیر‌شده و حتی فضولات کار می‌کنند و روز به روز تلاش‌ها در جهت تکمیل و اصلاح عملکرد آن ادامه دارد.

مقایسه نیروگاه گازی با نیروگاه‌های دیگر

بعضی از عوامل قابل ملاحظه در تصمیم‌گیری برای انتخاب نوع نیروگاه که متناسب با نیازهای موجود باشند، عبارتند از:

• هزینه سرمایه‌گذاری
• زمان لازم از برنامه‌ریزی و طراحل تا اتمام کار هزینه‌های تعمیراتی و هزینه‌های سوخت.

توربین گاز کم‌ترین هزینه تعمیراتی و سرمایه‌گذاری را دارد. هم‌چنین سریع‌تر از هر نوع نیروگاه دیگری اتمام می‌یابد و به مرحله بهره‌برداری می‌رسد.

از معایب آن می‌توان به اتلاف حرارتی زیاد اشاره کرد

طراحی هر توربین گاز باید در برگیرنده معیارهای اساسی براساس ملاحظات بهره‌برداری باشد. بعضی از معیارهای عمده عبارتند از :

• راندمان بالا
• قابلیت اطمینان بالا و در نتیجه قابلیت دسترسی بالا
• سهولت سرویس
• سهولت نصب و تست
• تطابق با استانداردهای مربوط به شرایط محیط
• ترکیب سیستم‌های کمکی و کنترل که در نتیجه درجه قابلیت اطمینان بالایی را به‌دست می‌دهند.
• قابلیت انعطاف در تطابق با سرویس‌ها و نیز سوخت‌های مختلف

نگاهی به هریک از این ملاک‌ها مصرف‌کننده را قادر خواهد ساخت که درک بهتری از هر یک از لوازم پیدا بنماید.

فرآیند توربین‌های گاز

توربین گاز قدرت را از طریق به‌کار بردن انرژی گازهای سوخته و هوا که دما و فشار زیادی دارند، با منبسط‌کردن آن در چندین طبقه از پره‌های ثابت و متحرک، تولید می‌کند. برای تولید فشار زیاد ( از 4 تا 13 اتمسفر) در سیال عامل کار، که برای تراکم لازم می‌باشد، از کمپرسور استفاده می‌شود. برای تولید قدرت زیاد، به‌جریان زیادی از سیال و سرعت زیاد آن نیاز می‌شود که برای این کار از کمپرسور گریز از مرکز یا کمپرسور جریان محوری استفاده می‌شود. کمپرسور توسط توربین به حرکت در می‌آید و روی همین اصل محور آن‌ها به‌هم متصل می‌گردد. اگر پس از عمل تراکم روی سیال عامل کار، سیال فوق در توربین منبسط گردد، با فرض نبودن تلفات در کمپرسور و توربین همان مقدار کار که صرف تراکم شده است، توسط توربین به‌دست می‌آید و در نتیجه کار خالص صفر خواهد بود. ولی کار تولیدی توربین را می‌توان با اضافه‌کردن حجم سیال عامل کار در فشار ثابت، یا افزایش فشار آن در حجم ثابت، افزایش داد. هر یک از از دو روش فوق را می‌توان با بالا بردن دمای سیال عامل کار، پس از متراکم ساختن آن به‌کار برد. برای بالا بردن دمای سیال عامل کار، یک اتاق احتراق لازم است که در آن هوا و سوخت محترق گردند تا موجب افزایش دمای سیال عمل کار بشود.

به این‌ترتیب، یک سیکل ساده توربین گاز شامل کمپرسور، اتاق احتراق و توربین می‌باشد. نظر به این‌که محور کمپرسور به توربین متصل شده است، کمپرسور مقداری از کار تولید شده توسط توربین را جذب می‌کند، و بازده را پایین می‌آورد. بنابراین کار خالص، اختلاف بین کارتوربین و کار لازم برای گرداندن کمپرسور خواهد بود.

سوخت عمومی توربین گاز، گاز طبیعی، گازوئیل، نفت و مازوت می‌‌باشد. توربین گاز براساس فرآیند احتراق به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شود:

1. احتراق پیوسته یا نوع فشار ثابت، این نوع سیکل را سیکل ژول یا سیکل برایتون نامند.
2. انفجاری یا نوع حجم ثابت، این نوع سیکل را سیکل آتکینسون می‌نامند.

توربین‌های گاز را از روی مسیر سیال عامل کار نیز طبقه‌بندی می‌کنند که عبارتند از:

• توربین‌های گاز با سیکل باز (سیال عامل کار از هوای بیرون موتور وارد می‌شود و به داخل هوای محیط تخلیه می‌گردد).
• توربین گاز با سیکل نیمه بسته ( مقداری از سیال عامل کار در داخل دستگاه گردش می‌کند و مقدار دیگر به داخل هوای محیط تخلیه می‌گردد).

با توجه به احتیاج روزافزون برق، لازم می آید که به بررسی راهنمای افزایش قدرت خروجی توربینهای گاز بپردازیم.

مهمترین این روشها عبارتند از :

از بین روشهای ذکر شده برای افزایش قدرت خروجی توربینهای گازی ما به راهنمای ازدیاد این پارامتر به وسیله خنک ‌کردن هوای ورودی به کمپرسور خواهیم پرداخت:

• سیستم ذخیره سازی سرما Thermal  Energy  Storage
• سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری E vaporative Cooling
• سیستم‌های خنک‌کننده برودتی   Refrigerated  Coling

سیستم‌های ذخیره‌سازی سرما

یکی از روش‌های خنک کردن هوای ورودی توربین گاز، استفاده از یخ جهت ذخیره‌سازی سرما می‌باشد. این سیستم‌ها به صورت پریودیک استفاده می‌شوند. بدین شکل که سرما ( یخ ) در ساعات غیر پیک ساخته می‌شود و در ساعات گرم روز که عموماً مقارن با پیک مصرف برق می‌باشد، برای خنک‌کردن هوای ورودی و در نتیجه افزایش ظرفیت توربین، از این سرمای ذخیره شده استفاده می‌شود.

در این روش، از تانک‌های یخ (    ice tank) که درجه حرارت آب خنک شده خروجی آن‌را می‌توان در حدود 45 تا 50 درجه فارن‌هایت نگه داشت، استفاده می‌شود. آب خنک شده، در حین عبور از کویل‌ها ، هوای ورودی توربین را سرد و خود حدود 10 درجه فارن‌هایت گرم می‌شود. البته مقدار دقیق این درجه حرارت، به وضعیت و تعداد کویل‌هایی بستگی دارد که در مسیر هوا قرار گرفته‌اند.

هزینه اولیه ذخیره سرما زیاد است اما مزایای عمده دیگر آن باعث شده است که استفاده از آن علاوه بر خنک کردن هوای ورودی توربین‌های گازی ، در سیستم‌های تهویه منازل نیز رواج یابد.

در روش ذخیره سرما، از چیلرهای کمپرسوری استفاده می‌شود که قادرند سرمای زیر صفر ایجاد کنند و یخ تولید نمایند. به علت مصرف برق زیاد، این چیلرها در ساعات غیر پیک شبکه برق به‌کار گرفته شده ، یخ تولید می‌نمایند و در ساعات پیک شبکه، سرمای تولیدی این یخ‌ها برای خنک‌کردن هوای ورودی توربین گازها استفاده می‌شود.

[1] – Matrial