دانلود مقاله توربین‌های گاز

نگرش کلی بر توربین‌های گاز
دنیای توربین گاز اگر چه دنیای جوانی است لیکن با وسعت کاربردی که از خود نشان داده، خود را در عرصه‌ی تکنیک مطرح کرده است .

زمینه‌های کاربرد توربین‌های گاز در نیروگاه‌ها و به‌خصوص در مواردی که فوریت در نصب و بارگیری مدنظر است می‌باشد.

همچنین‌ به عنوان پشتیبان واحد بخار و نیز مواقعی که شبکه سراسری برق از دست می‌رود یعنی در خاموشی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مضافاً این‌که توربوکمپرسورها که از انرژی حاصله روی محور توربین برای تراکم و بالا بردن فشار گاز استفاده می‌شود، در سکوهای دریایی ، هواپیماها و ترن‌ها استفاده می‌شود .

مختصری از سرگذشت توربین‌های گاز از سال 1791 میلادی تا به امروز به‌شرح زیر می‌باشد .

اولین نمونه توربین گاز در سال 1791 توسط Jonh Barber ساخته شد .

نمونه بعدی در سال 1872 توسط Stolze ساخته شد که شامل یک کمپرسور جریان محوری چند مرحله‌ای به هم‌راه یک توربین عکس‌العملی چند مرحله‌ای بود که یک اتاق احتراق نیز در آن قرار داشت .

اولین نمونه آمریکایی آن در 24 ژوئن 1895 توسط Charles G.Guritis ساخته شد.

اما اولین بهره‌برداری و تست واقعی از توربین گاز در سال 1900 م بوسیله Stolz صورت گرفت که راندمان آن بسیار پایین بود .

در همین سال ها در پاریس یک توربین گاز بوسیله برادرانArmangand ساخته شد که دارای نسبت فشار تقریبی 4 و چرخ کوریتس به ابعاد 5/93 سانتی‌متر قطر با سرعت rpm 4250 بود که دمای ورودی به توربین حدود 560اندازه‌گیری شد و راندمان آن در حدود 3% بود.

H.Holzwarth اولین توربین گاز با بهره اقتصادی بالا را طراحی کرد، که در آن از سیکل احتراق بدون پیش‌تراکم استفاده می‌‌شد و قسمت اصلی یک ماشین دوار با تراکم متناوب بود.

هم‌چنین Stanford سال 1919 یک توربین گاز که دارای سوپر شارژر بود، ساخت که در هواپیما نیز از آن استفاده شد.

اولین توربین گازی که برای تولید قدرت مورد استفاده قرار گرفت به‌وسیله Brown Boveri ساخته شد.

وی از یک توربین گاز برای راندن هواپیما استفاده کرد.

هم‌چنین در سال 1939 م، وی یک توربین گاز با خروجی MW 4 ساخت که بر اساس سیکل ساده طراحی شده بود و کارکرد پایینی داشت.

این توربین تنها به مدت 1200 ساعت مورد بهره‌برداری قرارگرفت و عیوب مکانیکی فراوان داشت .

از جمله اصلاحات وی برروی توربین ، بالا بردن راندمان آن به میزان 18% بود.

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 NOx وCO دود خروجی ازتوربین گاز نوشته شد .

در خلال سال‌های بعد تغییرات فراوانی در نوع سوخت، متریال 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.

1-2- مقایسه نیروگاه گازی با نیروگاه‌های دیگر شکل (1-2) مقایسه میزان حرارت در چهار نمونه سیکل داده شده را نشان می‌دهد.

باتوجه به شکل (1-2) بدیهی است که هرچه درجه حرارت توربین افزایش می‌یابد میزان حرارت بیش‌تر جلب توجه می‌کند.

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.

1-3 – 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).

سیکل استاندارد هوایی (برایتون) این سیکل که سیکل ژول نیز نامید می‌شود برای مولد قدرت توربین گاز ساده، مطلوب می‌باشد.

شکل‌های (1-3) و (1-4) طرح ساده توربین به همراه اجزاء آن و شکل (1-5) تجهیزات گوناگون یک توربین گاز از نوع GELM350 را نشان می‌دهد.

هوای محیط در داخل کمپرسور از فشار 1 P تا 2 P متراکم می‌گردد و بعد به اتاق احتراق فرستاده می‌شود که در آنجا سوخت پاشیده شده محترق می‌گردد.

فرآیند احتراق در فشار ثابت صورت می‌گیرد.

در اثر احتراق، دمای سیال عامل کار زیاد می‌شود و از 2T و3 T می‌رسد.

محصولات احتراق از اتاق احتراق خارج می‌شود و در داخل توربین از 3 P تا فشار جو منبسط می‌گردد و به داخل هوای محیط تخلیه می‌شود.

توربین و کمپرسور به طور مکانیکی به‌ هم متصل شده‌اند، بنابراین، کار خالص برابر است با اختلاف بین کار انجام شده توسط توربین و کار مصرف شده به‌وسیله کمپرسور .

برای آغاز کار کمپرسور ، یک راه‌انداز لازم خواهد بود.

وقتی توربین شروع به کار کرد، راه انداز قطع می‌شود.

فرآیند 2-1 تراکم ایزنتروپیک در کمپرسور می‌باشد.

فرآیند 3-2 افزودن حرارت در فشار ثابت در اتاق احتراق است.

فرآیند4-3 انبساط ایزنتروپیک در توربین می‌باشد.

فرآیند 1-4 پس دادن حرارت در فشار ثابت می‌باشد.

با توجه به شکل‌های (1-6) و (1-7)، حرارت افزوده شده به سیکل برابر است1 با ]1[ 1) که در صورتی صحیح است که مقدار Cp در فرآیند 3-2 ثابت باشد.

حرارت پس داده شده برابر است با : 2) که در صورتی صحیح است که مقدار Cp در فرآیند 1-4 ثابت باشد.

کار خالص سیکل برابر است با: 3) این مقدار کار را می‌توان از راه محاسبه کار توربین و کمپرسور نیز به‌دست آورد: 4) 5) 6) بنابراین کار خالص برابر است با 7) 8) راندمان حرارتی سیکل برابر است با نسبت کار خالص سیکل به حرارت افزوده شده به سیکل : 9) 10) 11) می‌دانیم که در فرآیند ایزنتروپیک بیان فشار، دما و حجم گاز رابطه (1-12) برقرار می‌باشد: 12) 13) نظر به این‌که و می توان نوشت: 14) 15) با قرار دادن از معادله (1-15) در معادله (1-11) می توان نوشت: 16) نسبت فشار با نمایش داده می شود: 17) 18) بنابراین ، راندمان حرارتی برابر است با : 19) باید توجه داشت که در محاسبه کار توربین و کمپرسور از تغییرات انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل صرف‌نظر شده است.

ضمناً فرض شده که گرمای ویژه در فشار ثابت (Cp ) در طول سیکل ثابت بماند.

هم‌چنین از جرم سوخت به علت کم بودن آن نسبت به جرم هوا صرف‌نظر شده است.

در شکل (1-8) منحنی تغییرات راندمان حرارتی بر حسب تغییرات نسبت فشار نشان داده شده است.

از روی این منحنی مشاهده می‌شود که راندمان حرارتی به طور پیوسته با افزایش مقدار نسبت فشار زیاد می‌شود.

1-4-نسبت فشار برای حداکثر کار خالص ویژه سیکل نظری هنگامی که دو حد دما در سیکل ایده‌آل برایتون مشخص باشد، برای تغییر قدرت خروجی‌، تنها عامل متغیر نسبت فشار می‌باشد.

حداقل مقدار نسبت فشار‌، واحد می‌باشد که به ازاء آن قدرت خروجی صفر می‌شود.

در این صورت: 20) اگر دمای خروجی کمپرسور به 3 T یعنی حداکثر دمای قابل قبول توربین برسد، حرارت افزوده شده در اتاق احتراق صفر خواهد بود.

در نتیجه مقدار کار کمپرسور و توربین با هم برابر می‌شود وکار خالص خروجی صفر خواهد شد.

این نسبت فشار ماکزیمم برابر است با: 21) بنابراین هیچکدام از دو نسبت فشار ماکزیمم و مینیمم عملی نیست و یک نسبت فشار میانی وجود دارد که به ازای آن قدرت خروجی یا راندمان حداکثر شود.

ماکزیمم کار خالص هنگامی اتفاق می‌افتد که : 22) نسبت فشار میانی به ازای ماکزیمم کار خالص برابر است با: 23) در به ازای مقادیر مختلف نسبت گرمای 4/1 ، 35/1 و 3/1 منحنی فشار اپتیموم بر حسب نسبت رسم شده است.

تغییرات کار خالص با نسبت فشار را برای یک توربین با مشخصات زیر نشان می‌دهد.

cْ15 = دمای ورودی به کمپرسور cْ1127 = دمای ورودی به توربین شکل (1-10) دیاگرام تغییرات کار خالص نسبت فشار با ثابت آدیاباتیک4/1= این نمودار نشان می‌دهد که کار خالص با افزایش نسبت فشار افزایش می‌یابد ولی بعد از این‌که به نسبت فشار اپتیموم رسید مقدار آن تقریباً ثابت می‌ماند.

سیکل عملی برایتون سیکل عملی ( واقعی ) توربین گاز از نقطه‌نظرهای زیر با سیکل ایده‌آل تفاوت دارد: به علت وجود تلفات اصطکاکی در کمپرسور توربین، فرآیند تراکم و انبساط بدون اصطکاک