توربین گاز

دسته بندي : علوم پایه » فیزیک
توربین گاز


تاریخچه توربین گاز

از حدود 70 سال قبل توربین های گازی جهت تولید برق مورد استفاده قرار می گرفته اند، اما در بیست سال اخیر تولید این نوع توربین ها بیست برابر افزایش یافته است.

اولین طرح توربین گازی مشابه توربین های گازی امروزی در سال 1791 به وسیله «جان پایر» پایه گذاری شد كه پس از مطالعات زیادی بالاخره در اوایل قرن بیستم اولین توربین گازی كه از یك توربین چند طبقه عكس العملی و یك كمپرسور محوری چندطبقه تشكیل شده بود، تولید گردید.

اولین دستگاه توربین گازی در سال 1933 در یك كارخانه فولادریزی در كشور آلمان مورد بهره برداری قرار گرفت و آخرین توربین گازی با قدرت 2/212 مگاوات در فرانسه نصب و مورد بهره برداری می گردد. [1]

در صنعت برق ایران اولین توربین گازی در سال 1343 در نیروگاه شهر فیروزه (طرشت) مورد استفاده قرار گرفته است كه شامل دو دستگاه بوده و هر كدام 5/12 مگاوات قدرت داشته است. در حال حاضر كوچكترین توربین گازی موجود در ایران توربین گاز سیار «كاتلزبرگ» با قدرت اسمی یك مگاوات و بزرگترین آن توربین گازی 49-7 شركت زیمنس با قدرت 150 مگاوات می باشد. [1]

1-2- نقش توربین گاز در صنعت برق

توربین های گاز جدا از تولید برق به خاطر خصوصیات ویژه ای كه دارند می تواند در موارد دیگری مثل موتورهای جت در هواپیماها برای تأمین نیروی محركه هواپیما و نیروی جلوبرندگی به كار رود یا مثلاً جهت به گردش درآوردن یك پمپ قوی به كار رود.

اما چون بحث ما پیرامون توربین های گازی است كه در صنعت برق وجود دارد. لذا مطالب خود را بر اساس همین موضوع پیگیری می كنیم.

با توجه به آمار و ارقام مشخص می شود كه میزان مصرف برق در ساعات مختلف شبانه روز متفاوت است مثلاً در بعضی از ساعات شبانه روز (فاصله ساعت 10:00 تا 12:00 صبح و از تاریك شدن هوا به مدت تقریباً دو ساعت در شب) مصرف برق خیلی زیاد است و به میزان حداكثر خود می رسد (پیك بار) و در بعضی ساعات مثل ساعات بین نیمه شب تا بامداد مصرف برق خیلی پایین است و در بقیه اوقات یك مقدار متعادل را دارد.

************************************************************

شكل (1-1) تغییرات بار به ازاء شبانه روز (منفی بار)

همانطوری كه در شكل 1-1 دیده می شود [1] یك مقدار از بار مصرف تقریباً در تمام ساعات شبانه روز ثابت است كه به آن بار پایه می گوییم و یك مقدار بار نیز تنها در ساعات محدودی از شبانه روز اتفاق می افتد و مقدار آن بیشتر از بار در بقیه ساعات شبانه روز می باشد. این بار را بار حداكثر یا پیك می گوییم. نوسانات بین بار پایه و بار پیك را نیز بنام بار متوسط یا میانی می گوییم و برای تأمین بار پایه به نوعی نیروگاه احتیاج داریم كه مخارج جاری آن پایین باشد. این نیروگاه ها شامل نیروگاه های بخار (به خاطر سوخت ارزان- چون سوخت مصرفی آنها معمولاً سوخت های سنگین مثل ماژوت است) نیروگاه های هسته ای و نیروگاه های آبی می باشد. اما برای تأمین بار پیك به نوعی نیروگاه احتیاج داریم كه مخارج نصب پایین و سرعت راه اندازی و باردهی بالا داشته باشد. [حتی اگر مخارج جاری آن بالا باشد و در رابطه با تأمین بار پیك توربین های گازی مطرح می شوند، زیرا خصوصیات تقاضا شده فوق را دارا می باشند.

توربین های بخار به خاطر آنكه برای راه اندازی و رسیدن به مرحله باردهی چندین ساعت وقت لازم دارند و استفاده از آنها به صورت رزرو به صرفه نیست در این مورد استفاده نمی شوند.

بار میانی نیز توسط تركیبی از نیروگاه های مختلف كه اقتصادی تر باشد، تأمین می شود. بنابراین یكی از بارزترین موارد استفاده توربین های گاز در صنعت برق، تأمین بار پیك توسط این واحدهاست البته در كشورهایی مثل ایران كه مسأله سوخت حتی گاز و گازوئیل مسأله مهمی را ایجاد نمی كند از واحدهای گازی برای تأمین بار پایه نیز استفاده می شود.

از ویژگی های دیگر واحدهای گازی كه با دیزل استارت می شود قادرند با استفاده از باتری ها موجود در باتری خانه كه همواره شارژ كامل هستند بدون وابستگی به شبكه استارت شده و به مرحله باردهی برسند لذا از واحدهای گازی می توان برای مناطقی كه به شبكه سراسری متصل نیستند و نیز برای شروع برقراركردن شبكه پس از خاموشی كامل شبكه استفاده كرد. در بعضی از واحدهای گازی كلاچ مخصوص بین محور توربین و محور ژنراتور وجود دارد كه می توان این دو محور را از هم جدا كند و در واحدهایی كه به این نوع كلاچ مجهز هستند می توان در حالی كه ژنراتور به شبكه متصل است با خاموش كردن توربین و باز شدن كلاچ موردنظر كه با افت دور توربین نسبت به ژنراتور صورت می گیرد ژنراتور را به صورت موتور درآورد و به این وسیله عمل تنظیم ولتاژ شبكه را انجام داد. این كار معمولاً در شبهایی كه بخاطر پایین بودن مصرف در شبكه ولتاژ بالا می رود انجام می شود به این نوع استفاده از ژنراتور اصطلاحاً كندانسور كردن گویند.

1-3-1- مزایای توربین گازی

الف) واحدهای گازی بخاطر جمع كوچك و ساده بودن نصب خیلی سریع نصب می شود.

ب) واحدهای گازی بعد از استارت، در عرض چند دقیقه (معمولاً كمتر از ده دقیقه) به مرحله بازدهی می رسند كه در این زمان كوتاه، توربین های گازی را قادر ساخته است كه برای منظورهای اضطراری و در مواقعی كه ماكزیمم 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 كم بودن قسمت های كمكی و نوعی در توربین گاز بهره برداری از آن آسان می باشد. در ضمن در واحدهای گازی امكان كنترل و بهره برداری در محل و از راه دور وجود دارد.

هـ ) در توربین های گازی، امكان استفاده از سوخت های مختلف و تعویض نوع سوخت در حال كار واحد به هنگام باردهی، قدرت مانور خوبی به واحد می دهد.

1-3-2- معایب توربین گازی

الف) راندمان یا بازدهی واحدهای گازی به خاطر دفع مقدار زیادی انرژی، به صورت گرما از اگزوز، (برای یك واحد گازی با قدرت 25 مگاوات دمای خروجی اگزوز، بیش از Cْ500 می باشد) و تشعشع مقداری گرما از جدار اتاق احتراق، پایین تر می باشد (ماكزیمم تا حدود 27% برای سیكل ساده)

ب) چون در واحدهای گازی، معمولاً از گاز طبیعی یا سوخت های سبك استفاده می كنند، لذا مخارج جاری آنها بالا می باشد (به علت گرانی اینگونه سوختها)، ولی در عوض میزان آلودگی محیط زیست نسبت به سایر نیروگاه های حرارتی دیگر با قدرت مشابه كمتر است.

فص دوم

تئوری فرایندهای توربین گازی در افزایش قدرت و راندمان

2-1- مقدمه

با منبسط شدن گازهای حاصل از احتراق (كه دارای دما و فشار بالایی می باشند) در چندین طبقه از پره های ثابت و متحرك قدرت در توربین گاز تولید می شود.

برای تولید بالا جهت محفظه احتراق (حدود 4 تا 13 اتمسفر) از كمپرسورهای محوری با چندین طبقه استفاده می شود. در هر طبقه بر میزان فشار هوای مكیده شده توسط كمپرسور افزوده می شود. كمپرسور توسط توربین به گردش در می آید به همین منظور محور كمپرسور و توربین به هم متصل است. اگر همه چیز را ایده آل فرض كنیم یعنی اصطكاك و تلفات ترمودینامیكی سیال صفحه فرض شوند. همه فرآیندها در تمام طبقات كمپرسور و توربین ایده آل است و افت فشار در محفظه احتراق نیز صفر است. بعد از راه اندازی توربین گاز اگر كل سیستم را به حالت خود رها كنیم (بدون اینكه سوختی مصرف كنیم) قاعدتاً باید قدرت تولید شده در توربین مساوی قدرت مصرف شده در كمپرسور باشد. اما این از لحاظ علمی غیرممكن است. در توربین گاز حدود قدرت تولید شده در توربین صرف به گردش آوردن كمپرسور شده و آن به عنوان كار خروجی جهت تولید برق (یا هر مصرف دیگر) مصرف می شود. بنابراین لازم است كه قدرت تولیدی در توربین بیشتر از قدرت مصرفی در كمپرسور باشد. برای این منظور می توان با اضافه كردن حجم سیال عامل در فشار ثابت یا افزایش فشار آن در حجم ثابت قدرت تولیدی توربین را افزایش داد. هر یك از دو روش فوق را می توان با بالا بردن دمای سیال عامل پس از متراكم ساختن آن به كار برد. برای افزایش دمای سیال عامل یك محفظه احتراق لازم است تا با احتراق سوخت دمای هوا بالا رود. به این ترتیب یك سیكل ساده توربین گاز شامل قسمت های زیر است:

1- كمپرسور

2- اتاق احتراق

3- توربین

..................