توربین های گازی

توربین های گازی

 

تاریخچه توربین های گازی

  • نخستین باردرسال ۱۷۹۱ میلادي جان باربرشیوه اي به کاربردکه باآن روش میشدازهواجهت ایجادحرکت استفاده کرد که میتوان گفت نقطه شروع توربین گازی یا بخار بود.
  • درسال ۱۹۰۳ یک محقق نروژي نخستین توربین گازي رابصورت موفقیت آمیزساخت. دراین توربین ، یک کمپرسور دوار/دینامیک وتعدادي توربین به کاررفته بود. این توربین قادربه تولید(۱۱hp) 8kW انرژي بود.
  • درسال ۱۹۰۴ الینگ طراحی خودرا بهترکردوباکاهش دماي گازخروجی از ۵۰۰درجه سانتیگرادبه ۴۰۰ درجه توانست به تولید(۴۴hp) 33kW انرژي دست یابد. این موتور بادور موتور ۲۰۰۰۰RPM کار می کرد.
  • توربین گازي الینگ بسیارمشابه موتور جت ویتل بودکه درسال ۱۹۳۰ درانگلستان ساخته شد. این موتورجت داراي یک کمپرسور گریزازمرکز ویک توربین محوري بود.
  • درسال ۱۹۳۶ در آلمان ، اوهاین و هاهن اقدام به طراحی توربینی کردندکه درآن نیزیک کمپرسور گریزازمرکز ویک توربین بافاصله نزدیک بهم به کاررفته بود.
  • درنهایت کار ویتل و اوهاین منجر به ایجاد صنعت توربین سازي شد.

تعریف توربین

دستگاهی است که درآن انرژي جنبشی سیال متحرك بعدازبرخورد سیال با پره به انرژي مکانیکی تبدیل می شود.
از انرژي مکانیکی تولید شده درکارهاي زیراستفاده می شود:

  • بحرکت درآوردن ژنراتورها جهت تولید جریان الکتریسیته
  • چرخاندن پمپ ها
  • به کار انداختن کمپرسورها
  • استفاده درکارهاي صنعتی ، عمرانی ، نظامی و …

سیالات مورد استفاده در توربین ها

  • هوا ← در توربین بادي در نیروگاه هاي بادي
  • آب ← در توربین آبی در نیروگاه هاي آبی
  • بخارات قابل میعان ← در توربین بخار در نیروگاه هاي سوخت فسیلی مانند نیروگاه گازي، و نیروگاه هاي انرژي هاي نو مانند نیروگاه اتمی و …
  • گاز (هوا،گاز طبیعی، هلیوم و…) ← در توربین هاي گازي

 

توربین-توربین آبی- توربین بادی-turbine-انرژی

توربین هاي مورد استفاده در صنایع نفت و گاز

۱- توربین هاي بخار(steam turbines)

  • این نوع توربین ها از قدیمی ترین توربین هاي مورد استفاده در صنعت می باشند.
  • در این نوع توربین ها، از نیروي بخار (که در دیگ بخار تولید می شود) جهت بحرکت درآوردن توربین هااستفاده می شود.
  • این توربین هابه دلایل زیرکمتر مورد استفاده اند:
    ۱- به دیگ بخار و وسایل دیگر نیاز دارند.
    ۲- هزینه نگهداري بالایی دارند.

۲- توربین های گازی (gas turbines)

  • در این نوع توربین ها مقداري سوخت(عمدتا گاز طبیعی) و هواي فشرده در محفظه احتراق می سوزد.
  • در اثر سوختن و ایجاد حرارت حجم گاز افزایش می یابد. گاز باحجم زیاد وفشار ودماي معین به تیغه هاي توربین برخورد می کند و سبب چرخش توربین می شود.

به دلیل اهمیت بالاي توربین هاي گازي در صنعت نفت و گاز ، در ادامه به طور عمده این نوع توربین هابررسی می شوند.

توربین گازي

  • شرط اساسی جهت تولید انرژي در یکتوربین این است که فشار ورودي آن(inlet pressure) ازفشار خروجی آن(outlet pressure) بالاتر باشد. جهت افزایش چنین فشاري در توربین به طور عمده ازکمپرسور استفاده می شود. بنابراین در توربین ، کمپرسور قبل از توربین قرار داده می شود.
  • اگر سیال مورد استفاده در توربین تنها هوا باشددر اینصورت سیال خروجی از کمپرسور در توربین منبسط شده و بدلیل اتلاف انرژي در کمپرسور وتوربین، انرژي خروجی ازتوربین کمتر از انرژي مصرفی در کمپرسور خواهد بود و در این صورت سیستم متوقف خواهد شد.
  • اگر مقداري گاز به عنوان سوخت جهت جبران اتلاف انرژي به هواي مورد استفاده در توربین اضافه کنیم دراین صورت پس از سوختن گاز، سیستم به کار خود ادامه می دهد ولی هیچ انرژي اضافی تولید نخواهد کرد.
  • جهت تولید انرژي در توربین های گازی میبایست مقدار بیشتري گاز به آنها اضافه کرد. این انرژي در محفظه احتراق (combustion chamber or combustor) که بین کمپرسور و توربین قرار دارد سوزانده می شود.
  • انرژي خروجی از توربین گازي به بازده اجزاي زیر بستگی دارد:
    * کمپرسور
    * محفظه احتراق
    * توربین
    هرچه این اجزا بازده بالاتري داشته باشند، توربین بازده گرمایی بالاتري داشته و انرژي بالاتري تولید خواهد کرد.
  • توربین های گازی در طول ۵۰ سال گذشته کاملا توسعه یافته اند و امروزه توربین هاي پیشرفته اي که طی فرآیندهاي پلی تروپیک عمل می کنند بازده اي بالاتر از % ۹۰ دارند!
  • توربین گازي با چرخه ساده که داراي اجزاي زیر است:
    * کمپرسور
    * محفظه احتراق
    * توربین
  • توربین گازي با چرخه پیچیده که علاوه بر اجزاي فوق داراي اجزاي زیر نیز است:
    * سرد کننده میانی جهت کاهش انرژي مصرفی در هنگام فشرده سازي در کمپرسور
    * دوباره گرم کن جهت افزایش توان خروجی توربین
    * مبدل گرمایی جهت تبادل گرماي توربین با محیط و ثابت نگه داشتن دماي سیستم

چینش اجزاي توربین هاي گازي(gas turbine layouts)

  • در طی سال هاي اخیر چینش هاي مختلفی براي اجزاي توربین هاي گازي بدست آمده است. برخی ازاین چینش ها براي مقاصدي مانند تولیدنیرو مناسبندکه درآن سرعت قسمت بار (که دراینجاکمپرسور) متغیر است کاربرددارند.
  • در حالت کلی چینش اجزاي توربین به صورت هاي زیر است:
    ۱- توربین گازي تک محوري
    ۲- توربین گازي دو محوري به همراه یک توربین قدرت
    ۳- توربین گازي سه محوري به همراه یک توربین قدرت
    ۴- توربین گازي دو محوري

در ادامه هریک از چینش هاي فوق بررسی می شوند و مزایا و معایب آن ها بیان می شود.

توربین گازي تک محوري(single shaft gas turbine)

  • یک توربین گازي تک محوري همانطور که در شکل دیده می شود داراي یک کمپرسور، یک محفظه احتراق و یک توربین است.
  • کمپرسور هوا را فشرده کرده و فشار آن را افزایش می دهد. در ادامه این هواي فشرده وارد یک محفظه احتراق می شود و درآنجا توسط سوختی که در حال سوختن است گرم می شود. در ادامه گاز پرفشار و داغ در توربین منبسط می شودو مقداري انرژي رابه توربین منتقل می کند.
  • قسمتی از انرژي خروجی توربین توسط محوري که توربین را به کمپرسور متصل می کند ، به کمپرسورمنتقل می شود و مجددا در فرآیند فشرده سازي هوا مورد استفاده قرار می گیرد. قسمتی از انرژي خروجی توربین نیز که باقی می ماند جهت چرخاندن بار(مانند ژنراتور) مورد استفاده قرار می گیرد.
  • توربین هاي گازي تک محوري بیشتر براي فرآیند هایی مناسب اند که در آن سرعت ثابت است(مانندتولید الکتریسیته توسط ژنراتور).
  • توربین هاي گازي تک محوري داراي این مزیت اند که به دلیل استفاده زیاد از انرژي در کمپرسور ازافزایش بیش از حد سرعت و در نتیجه جدا شدن ژنراتور از محور جلوگیري می کنند.

توربین تک محوری-توربین-محور- کمپرسور-سوخت-single shaft gas turbine

توربین گازي دو محوري به همراه یک توربین قدرت(two shaft gas turbine with a power turbine)

  • فرایند انبساط در توربین تک محوري(شکل قبل) را می توان به صورت مجزا به دو توربین تخصیص داد.به گونه اي که یک توربین را جهت چرخاندن کمپرسور و دیگري جهت به حرکت درآوردن بار به کاربرد.
  • در این حالت توربین مستقلی را که جهت به حرکت درآوردن ژنراتور استفاده می شود را توربین قدرت می گویند. اجزاي دیگر توربین یعنی کمپرسور ،محفظه احتراق و توربین با فشاربالا نیز ژنراتور گاز نامیده می شوند.
  • شکل زیر نمونه اي از توربین گازي دو محوري به همراه یک توربین قدرت را نشان می دهد.
  • وظیفه ژنراتور گاز تولید گاز با فشار و دماي بالا جهت استفاده در توربین قدرت است.
  • در شرایطی که تغییر قابل توجهی در سرعت با توان مورد نیاز وجود دارد (زمانی که بار پمپ یا کمپرسور است ) می توان از توربین گازي دو محوري استفاده کرد.
    در اینحالت یک محور کمپرسور و توربین پرفشار را به هم وصل می کند و دیگري جهت اتصال توربین کم فشار به بار به کار می رود.
  • ممکن است شرایط عملیاتی به گونه اي باشد که بار در سرعت پاینی بچرخد اما کمپرسور نیاز به جذب توان بالایی داشته باشد. در چنین حالتی توربین قدرت می تواند با سرعتی مساوي با سرعت بار بچرخد وژنراتورگاز نیز با حداکثر سرعت به حرکت درآید.
  • مزیت اصلی این نوع توربین ها، نیاز داشتن به توان آغازین کم است، به گونه اي که تنها ژنراتور گازدر هنگام شروع نیاز به چرخاندن دارد و توربین قدرت نیاز به چرخاندن ندارد. همچنین این نوع توربین ها از نظر عملکرد طراحی بهتراند.
  • عیب اصلی این توربین ها نیز، افزایش بیش از حد سرعت توربین قدرت است، در صورتی قسمت ژنراتور به خوبی به محور متصل نباشد.

توربین گازی دومحوری-همراه توربین قدرت-two shaft gas turbine

توربین گازي سه محوري به همراه یک توربین قدرت(three shaft gas turbine with a power turbine)

  • همانطور که در بخش قبل بررسی شد، ژنراتور گاز(GG) را می توان جداگانه به کاربرد. زمانی که این کار صورت گرفت، توربین پرفشار در بخشGG کمپرسور پرفشار در آن بخش را می چرخاند و می توان کمپرسور کم فشاري قرار داد که توربین کم فشار در بخشGG آن را بچرخاند.
  • شکل زیر نمونه اي از توربین گازي سه محوري به همراه یک توربین قدرت را نشان می دهد.
  • همانطور که در این شکل دیده می شود، توربین قدرت همچنان از نظر مکانیکی ازGG مستقل است.
  • با چنین چینشی می توان به نسبت هاي فشاري و بازده گرمایی بالاتري دست یافت.
  • از آنجایی که در توربین هاي گازي سه محوري در هنگام شروع ،در قسمت GG تنها نیاز به چرخاندن کمپرسور پرفشار و توربین ها است ، لذا نیاز به توان آغازین کمتري دارند.
  • سوخت موتورهایی که داراي چنین چینشی هستند به طورعمده توسط گازهاي مورد استفاده در صنایع هوایی تامین می شود.

توربین گازی سه محوری به همراه یک توربین قدرت-three shaft gas turbine with a power turbine

توربین گازي دو محوري(two shaft gas turbine)

  • همانطور که در دو بخش قبل بررسی شد، در صورت استفاده از چینش هاي توربین گازي دو محوري به همراه یک توربین قدرت و توربین گازي سه محوري به همراه یک توربین قدرت، در صورتی که ژنراتور به خوبی به محور متصل نباشد، سرعت توربین قدرت شدیدا افزایش می یابد.
  • در توربین گازي دو محوري جهت مقابله با این مشکل، همانطورکه در شکل روبرو دیده می شود، توربین قدرت و توربین کم فشار یکی هستند، به گونه اي که محورتوربین کم فشار که به بارمتصل است،به توربین پر فشار نیز متصل شده است.
  • این نوع توربین ها همچنان نسبت به توربین هاي تک محوري به انرژي آغازین کمتري نیاز دارند.

توربین گازی دومحوری-two shaft gas turbine

توربین هاي گازي با چرخه بسته(closed cycle gas turbine)

  • یکی ازنقاط ضعف توربین هاي گازي، عملکردآنهادرهنگامیست که توان عملیاتی کم باشد. درواقع دراین حالت بدلیل عملکردتوربین درتوان عملیاتی پایین، دماي ورودي توربین ونسبت فشاري کاهش می یابدکه این موضوع منجر به کاهش بازده حرارتی توربین می شود.
  • برخلاف توربین هاي گازي باچرخه بازکه تااینجا بحث شد، درتوربین هاي گازي باچرخه بسته ، فشارسیستم قابلیت تغییرداردبه گونه اي که می تواندتوان خروجی ازتوربین گازي راتغییردهد. بعبارت دیگرچرخه به گونه اي طراحی می شودکه بتوانددماي ورودي توربین ونسبت فشاري راثابت نگه داردودرنتیجه مانع ازکاهش بازده حرارتی توربین شود.
  • شکل زیرنمونه اي ازتوربین هاي گازي باچرخه بسته رانشان می دهد.
    * دراین چرخه می توان بابازکردن شیرفوران گیروکاهش دبی جرمی ورودي به موتور، فشارعملیاتی راکاهش داد. این کارمنجربه کاهش توان خروجی توربین می شود.
    * مبدل گرمایی نیزگرماي تولید شده درمحفظه احتراق راجذب کرده و آنرابه توربین گازي منتقل می کند.

توربین های گازی با چرخه بسته -closed cycle gas turbine

  • از مزایاي توربین هاي گازي باچرخه بسته می توان به مواردزیراشاره کرد:
    * ازنظرعملکردطراحی بهترند.
    * می توان ازگازهایی به جزهوا مانند هلیوم دراین چرخه هااستفاده کرد.
    * استفاده از گازهلیوم دراین چرخه به دلیل دارا بودن ضریب انتقال حرارت بالاترمناسب تراست. درصورت استفاده ازاین گاز، به موتوربااندازه کوچکترنیازاست ومی توان بازده گرمایی راافزایش داد.
    * به دلیل اینکه دراین چرخه ها سیال درچرخه ثابت می ماند ، این توربین ها را می توان در فرایند تولیدانرژي در نیروگاه هاي اتمی به کار برد.
  • از معایب این چرخه ها نیز داشتن بازده گرمایی پایین تر نسبت به چرخه هاي باز است.
    دلیل افت بازده دراین چرخه هانیزتاثیرمبدل گرمایی است. درواقع مبدل گرمایی نمی تواندتمامی گرماي تولیدشده درمحفظه احتراق رابه توربین گازي منتقل کند.
  • جهت بهبودفرایند انتقال حرارت توسط مبدل گرمایی دراین توربین هامیتوان فشارعملیاتی راافزایش داد.