همه چیز درباره توربین گازی

چقدر با توربین های گازی آشنایی دارید؟ در این مقاله به طور کامل همه چیز درباره توربین گازی را توضیح خواهیم داد. تا انتهای مقاله همراه ما باشید.

توربین گازی چیست:

توربین‌های گازی نوعی موتور احتراق داخلی محسوب می‌شوند که پیوسته نیز هستند. این توربین به جای حرکت رفت و برگشتی با حرکت دورانی کار می کند.

توربین های احتراق (گاز) که در بسیاری از نیروگاه های امروزی با سوخت گاز طبیعی نصب می شوند، ماشین های پیچیده ای هستند، اما اساساً شامل سه بخش اصلی می شوند:

• کمپرسور: که هوا را به داخل موتور می‌کشد، آن را تحت فشار قرار داده و با سرعت صدها مایل در ساعت به محفظه احتراق می‌رساند.
• سیستم احتراق: معمولاً از حلقه‌ای از انژکتورهای سوخت تشکیل شده است که جریان ثابتی از سوخت را به داخل محفظه‌های احتراق تزریق می کند، جایی که با هوا مخلوط می‌شود. این مخلوط در دمای بیش از ۲۰۰۰ درجه فارنهایت می‌سوزد. احتراق یک جریان گاز با دمای بالا و فشار بالا ایجاد می‌کند که وارد بخش توربین شده و منبسط می‌شود.
• توربین قدرت (Power Turbine)
  
   

توربین آرایه پیچیده‌ای از پره‌های متناوب ثابت و دوار مقطع ایروفویل است. همانطور که گاز احتراق داغ از طریق توربین منبسط می‌شود، پره‌های دوار را می‌چرخاند.

پره‌های چرخان عملکرد دوگانه‌ای دارند: کمپرسور را به حرکت در می‌آورند تا هوای تحت فشار بیشتری را به قسمت احتراق بکشد و ژنراتور را برای تولید برق می‌چرخانند.توربین‌های گازی زمینی بر دو نوع هستند: (۱) موتورهای قاب سنگین و (۲) موتورهای مشتق از هوا. موتورهای فریم سنگین با نسبت فشار کمتر (معمولاً زیر ۲۰) مشخص می شوند و از نظر فیزیکی بزرگ هستند. نسبت فشار،  نسبت فشار تخلیه کمپرسور به فشار هوای ورودی است. موتورهای مشتق از هوا همانطور که از نامش پیداست از موتورهای جت مشتق شده‌اند و با نسبت تراکم بسیار بالا (معمولاً بیش از ۳۰) کار می‌کنند. موتورهای مشتق از هوا، بسیار فشرده هستند و در جاهایی که به توان خروجی کمتری نیاز است مفید هستند. از آنجایی که توربین‌های فریم بزرگ خروجی توان بالاتری دارند، می‌توانند مقادیر بیشتری از گازهای گلخانه‌ای تولید کنند و باید طوری طراحی شوند که انتشار آلاینده‌هایی مانند NOx کمتری را داشته باشند.

یکی از کلیدهای راندمان سوخت به نیرو توربین دمایی است که در آن کار می‌کند. دماهای بالاتر به طور کلی به معنای بازده بالاتر است که به نوبه خود می‌تواند منجر به عملکرد اقتصادی‌تر شود. گازی که در یک توربین معمولی نیروگاه جریان دارد می‌تواند تا دمای ۲۳۰۰ درجه فارنهایت گرم باشد، اما برخی از فلزات حیاتی در توربین می‌توانند دمایی بین ۱۵۰۰ تا ۱۷۰۰ درجه فارنهایت را تحمل کنند. بنابراین، هوای کمپرسور ممکن است برای خنک‌سازی اجزای کلیدی توربین، کاهش بازده حرارتی نهایی استفاده شود.

یکی از دستاوردهای مهم برنامه توربین پیشرفته وزارت انرژی، شکستن محدودیت‌های قبلی در دمای توربین، با استفاده از ترکیبی از فن‌آوری‌های خنک کننده نوآورانه و مواد پیشرفته بود. توربین‌های پیشرفته‌ای که از برنامه تحقیقاتی این وزارتخانه پدید آمدند توانستند دمای ورودی توربین را تا ۲۶۰۰ درجه فارنهایت افزایش دهند، تقریباً ۳۰۰ درجه گرمتر از توربین‌های قبلی، و بازدهی تا ۶۰ درصد را به دست آورند.

یکی دیگر از راه‌های افزایش کارایی، نصب یک ریکاوراتور یا مولد بخار بازیابی حرارت HRSG) ) برای بازیابی انرژی از خروجی توربین است. یک رکوپاتور گرمای اتلاف را در سیستم خروجی توربین جذب می‌کند تا هوای تخلیه کمپرسور را قبل از ورود به محفظه احتراق پیش گرم کند. HRSG با جذب گرما از خروجی توربین، بخار تولید می‌کند. این بویلرها به عنوان مولد بخار بازیابی حرارت نیز شناخته می شوند. بخار پرفشار از این بویلرها می‌تواند برای تولید نیروی الکتریکی اضافی با توربین‌های بخار استفاده شود، پیکربندی به نام سیکل ترکیبی.

یک توربین گازی چرخه ساده می‌تواند بازده تبدیل انرژی را بین ۲۰ تا ۳۵ درصد به دست آورد. با دمای بالاتری که در برنامه توربین وزارت انرژی به دست می‌آید، نیروگاه‌های سیکل ترکیبی توربین گاز هیدروژن و گاز سنتز آینده احتمالاً بازدهی ۶۰ درصد یا بیشتر را خواهند داشت. هنگامی که گرمای هدر رفته از این سیستم‌ها برای مقاصد گرمایشی یا صنعتی گرفته می‌شود، بازده کلی چرخه انرژی می تواند به ۸۰ درصد برسد.

اجزای توربین گاز

سه عنصر اصلی وجود دارد که در طراحی تمام موتورهای توربین گاز مشترک هستند. این عناصر عبارتند از:

• کمپرسور (یک کمپرسور چرخان بالادست)
• احتراق
• توربین قدرت (یک پایین دست)

توربین قدرت پایین دست روی همان شفت کمپرسور قرار دارد. برخی از توربین‌ها همچنین حاوی عنصر چهارم برای افزایش راندمان، افزایش فشار محوری به سهم وزنی و همچنین تبدیل نیرو به اشکال دیگر (مکانیکی یا الکتریکی) هستند.

اصل کار توربین گاز و چرخه توربین گاز

عملکرد اصلی این نوع توربین ریشه در چرخه توربین گاز دارد که به چرخه برایتون نیز معروف است. چرخه توربین گاز به صورت زیر عمل می کند:

اگرچه این چرخه برای توربین‌های گازی چرخه باز ایده‌آل نیست، اما با یک تغییر کوچک در مراحل، هنوز برای آنها استفاده می‌شود. آنها برای توربین گازی چرخه بسته عالی هستند. این چرخه شامل چهار مرحله است:

 ۱.     فشرده سازی ایزنتروپیک(Isentropic)  در کمپرسور

۲.     فشار دما – اضافه شدن در محفظه احتراق متراکم کننده

۳.     انبساط ایزنتروپیک در توربین قدرت

۴.     دفع حرارت تحت فشار

 قسمت کمپرسور توربین گاز به گونه‌ای طراحی شده است که جریان هوای اتمسفر را دریافت می‌کند که باعث افزایش فشار می‌شود. هوا در این فرآیند تا ۳۰ برابر بیشتر از فشار محیط فشرده می شود. هنگامی که هوا از این عنصر عبور می کند، سوخت به هوا پاشیده می شود. سپس احتراق این سوخت با هوا باعث افزایش انرژی می شود و احتراق منجر به ایجاد جریان با دمای بالا می‌شود.

متراکم کننده‌ها که در چرخه توربین گاز استفاده می شوند یا سیلو، حلقوی یا قوطی حلقوی هستند. محفظه احتراق متراکم کننده‌های حلقوی، به شکل دونات و محفظه‌های احتراق قوطی حلقوی، قوطی شکل است و برخلاف حلقوی که فقط یک محفظه دارد، دارای چندین محفظه احتراق است. متراکم کننده‌های سیلو می‌توانند یک یا چند محفظه احتراق داشته باشند و از نظر اندازه بزرگتر از دو محفظه دیگر باشند. سیلوها برای عملیات در مقیاس بزرگ استفاده می‌شوند در حالی که دو سیلو دیگر برای کاربردهای مقیاس کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند.

خروجی محفظه احتراق، یک گاز تحت فشار با دمای بالا است که وارد یک توربین می شود تا خروجی شفت تولید کند و کمپرسور را به حرکت در آورد. انرژی اضافی در گازهای خروجی اگزوز خارج می‌شود و برای کارهای خارجی استفاده می شود یا برای استفاده‌های دیگر مانند چرخاندن یک توربین قدرت دوم استفاده می‌شود.

در یک توربین گازی چرخه باز که دارای سیستم های باز است، مرحله چهارم چرخه توربین گاز (چرخه برایتون) حذف می شود زیرا این توربین های گازی از هوای یکسان برای خنک کردن سیال کار استفاده مجدد نمی کنند (این خنک سازی آخرین مرحله از چرخه ذکر شده است.) توربین های بسته دارای این چرخه چهارم هستند.

این عناصر همگی به کمک یک یا چند شفت به یکدیگر متصل می شوند و به همه آنها توربین گاز یا ژنراتور گاز می گویند.

کاربرد سیکل توربین گازی

چرخه توربین گاز این توربین ها را قادر می سازد تا سیستم های مختلفی مانند ژنراتورهای الکتریکی، کمپرسورهای گاز، پمپ ها، هواپیماها، کشتی ها، تانک‌ها و قطارها را تامین کنند.

تفاوت اصلی این دو توربین گازی در این است که سیکل باز گازهای خروجی از توربین را به اتمسفر آزاد می‌کند و این گازها دوباره به گردش در نمی‌آیند. همانطور که قبلاً در مراحل چرخه توربین گاز ذکر کردیم، مرحله چهارم فقط برای توربین گازی چرخه بسته اتفاق می‌افتد که از همان هوا برای خنک کردن سیال کار، مجدد استفاده می‌کند.  

مزایا و معایب توربین گازی

یکی از مزایای بزرگ موتورهای توربین گازی کوچک‌تر بودن آنها از بسیاری از موتورهای رفت و برگشتی است که دارای قدرت یکسانی هستند. آنها همچنین دارای قطعات متحرک کمی در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی هستند که در نتیجه نیاز به تعمیر و نگهداری کمتر و همچنین هزینه‌های نگهداری کمتری دارد.

توربین‌های گازی دارای معایبی نیز هستند. موتور هسته یک توربین گاز می‌تواند گران باشد زیرا از مواد عجیب و غریب استفاده می‌کند که می‌تواند هزینه زیادی داشته باشد. یکی دیگر از معایب توربین‌های گازی این است که در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی، نسبت به تغییراتی که در تقاضای نیرو رخ می‌دهد کمتر پاسخ می‌دهند. یکی از مهم‌ترین چیزها این است که موتورهای رفت و برگشتی در دور آرام بسیار کارآمدتر از توربین‌های گازی هستند. اما فراموش نکنید که آنها می‌توانند با طیف گسترده‌ای از سوخت کار کنند و فشار احتراق کمتری نسبت به این موتورها دارند.

توربین‌های گازی در جایی که نیاز به توان خروجی پایدار دارید بسیار قابل اعتماد هستند. نکته خوبی که در مورد توربین‌های گازی باید به خاطر بسپارید این است که در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی، نسبت قدرت به وزن بسیار بالایی دارند. به علاوه، گرمای اتلاف تولید شده در چرخه توربین گاز تقریباً به طور کامل در خروجی پخش می شود. ناگفته نماند که چرخش نرم شفت اصلی دلیلی است که توربین گاز نسبت به موتور رفت و برگشتی لرزش کمتری دارد.

در مجموع، این که بدانید به مرحله چهارم چرخه توربین گازی نیاز است یا خیر و اینکه هنگام خرید توربین کدام موتور را انتخاب کنید، بسیار به کاربرد شما و مکانی که می خواهید توربین را نصب کنید بستگی دارد.