توربین گازی
توربین گازی چیست و چگونه برق تولید میکند ؟
توربین در واقع موتوری چرخنده است که می‌تواند از یک سیال انرژی درست کند. ساده‌ترین توربین‌ها یک بخش چرخنده و تعدادی پره دارند که به بخش اصلی متصل شده‌است و سیال به پره‌ها برخورد میکند و بدین ترتیب از انرژی ناشی از متحرک بودن آن استفاده میکند مراحل کار یک توربین کاملاً وارونه مراحل کار یک پنکه است. در پنکه انرژی الکتریسیته به انرژی مکانیکی تبدیل شده و باعث چرخیدن پره می‌شود. در توربین‌ها، چرخش پره‌ها باعث می‌شود انرژی جنبشی ماده سیال (مانند باد) به انرژی مکانیکی تبدیل شود، سپس به الکتریسیته تبدیل گردد. سیال به پره‌ها برخورد میکند و آن‌ها را می‌چرخاند. چرخش پره‌ها باعث چرخش محور اصلی می‌شود و این محور به یک ژنراتور برق متصل است. چرخش این ژنراتور، برق متناوب تولید میکند.
تاریخچه
در سال 1791 میلادی ، یک طراح به نام جان باربر ، یک ماشین طراحی کرد که از نظر ماهیت کارکرد شبیه به توربین‌های گاز امروزی بود و ثبت اختراع این طرح را به نام خود کرد. او این توربین را برای به حرکت درآوردن یک کالسکه بدون اسب طراحی کرده بود. در سال 1904 میلادی ، یک پروژه ساخت توربین گاز توسط فرانتس استولز در برلین انجام شد که اولین کمپرسور محوری جهان در ساخت آن مورد استفاده قرار گرفته بود، ولی این پروژه ناموفق بود در طی سال‌های بعد، افراد مختلف بر روی ایده توربین گاز فعالیت کردند، به‌طوری‌که شرکت جنرال الکتریک آمریکا که امروزه بزرگ‌ترین تولیدکنندهٔ توربین گاز در جهان است، در سال 1980 بخش توربین گاز خود را راه‌اندازی کرد. با این وجود، نخستین توربین گازی برای تولید انرژی برق، در سال 1939 میلادی و در شرکت براون، باوری & سی در سوئیس ساخته شد که ظرفیت آن ۴ مگاوات بود.
انواع توربین های ساخته شده از لحاظ سوخت
- توربین گازی صنعتی برای ایجاد انرژی الکتریکی | که موضوع مورد بحث ما میباشد.
- توربین بخار
- توربین بادی
- توربین آب
انواع شرکت های سازده توربین گازی در جهان
- جنرال الکتریک
- زیمنس
- آلستوم
- صنایع سنگین میتسوبیشی ژاپن
- گروه صنعتی مپنا ایران
سازندگان اصلی توربین گاز
امروزه شرکت‌های جهانی سازنده توربین گاز در جهان عبارتند از:
- جنرال الکتریک
- زیمنس
- آلستوم
- آنسالدو انرژیا
- رولز-رویس هلدینگ
- پرت اند ویتنی
- صنایع سنگین میتسوبیشی (MHI)
مزایا و معایب توربین‌های گاز
مزایای توربین‌های گاز
- نسبت توان به وزن بسیار زیاد: توربین‌های گاز نسبت به موتورهای رفت و برگشتی با توان یکسان، کوچک‌ترند.
- زمان راه‌اندازی بسیار کم نسبت توربین‌های حرارتی
- ارتعاش کمتر: به دلیل حرکت در یک جهت ارتعاش توربین‌های گاز از موتورهای رفت و برگشتی کمتر است.
- بخش‌های متحرک کمتر از موتورهای رفت و برگشتی.
- هزینهٔ روغنکاری کمتر
معایب توربین‌های گاز
- گران‌بودن
- دمای کاری زیاد
- راندمان کمتر نسبت به موتورهای رفت و برگشتی در حالت بی‌باری
- کارکرد نامناسب در شرایط نوسان بار
عملکرد توربین گاز
در حال گردش با دور زیاد، هوای محیط را مکیده و فشار آن را به چندین برابر فشار محیط (حدود 10 برابر) می‌رساند. ضمن این که نسبتاً درجه حرارت آن نیز زیاد می‌شود. هوای فشرده شده از کمپرسور خارج و به درون محفظه یا محفظه‌های احتراق هدایت می‌شود.
در داخل محفظه احتراق شعله دائمی برقرار است و سوخت (گاز، گازوئیل و یا بعضاً مازوت) نیز با فشار مناسبی به درون آن پاشیده می‌شود. سوخت به همراه هوای فشرده در مجاورت شعله، آتش گرفته و گاز داغی که دمای آن به 1800 درجه سانتی‌گراد می‌رسد، با حجم زیاد تولید می‌شود. گاز حاصل که نتیجه یک احتراق کامل بدون تولید دوده است، به سبب محدودیت‌های فنی مستقیماً قابل ارسال به توربین نیست و باید خنک شود. این کار توسط هوای اضافه ورودی به اتاق احتراق، از طریق کمپرسور، انجام می‌گیرد.
گاز داغ مناسب از نظر درجه حرارت، وارد توربین شده و بخش اعظم انرژی خود را به صورت انرژی مکانیکی دورانی، به توربین منتقل میکند و خود از طریق اگزوز خارج می‌شود. حدود دو سوم انرژی دورانی حاصل از توربین به گرداندن کمپرسور و یک سوم آن برای گردش ژنراتور صرف می‌شود. ژنراتوری که یا به صورت مستقیم و یا از طریق جعبه دنده با توربین هم محور و کوپل است، با میدان گردان خود در استاتور، جریان الکتریکی با ولتاژ از پیش طراحی شده تولید میکند. شکل‌های ۲ و ۳ به ترتیب طرح حرارتی و طرح کلی توربین گاز را نشان می‌دهند.
یکی از زمینه هایی که سرو نیرو توس در آن فعالیت میکند ساخت توربین های گازی است.
بازده توربین گاز
همان‌طور که گفتیم، بخش زیادی از انرژی در توربین گاز از بین می‌رود. بنابراین، دلایلی چون خروج گاز با دمای زیاد، صرف حدود دو سوم توان توربین در کمپرسور و عدم امکان استفاده از سوخت جامد سبب می‌شود که توربین گاز بازده پایینی داشته باشد. از پارامترهای مؤثر بر بازده چرخه توربین گاز (چرخه برایتون) می‌توان به نسبت فشار یا نسبت تراکم کمپرسور، دمای محیط، دمای احتراق و بازده کمپرسور اشاره کرد. بر همین اساس می‌توان راه‌های زیر را برای افزایش بازده توربین گاز پیشنهاد داد:
- افزایش دمای ورودی به توربین گاز
- افزایش بازده توربین و کمپرسور
- اصلاح چرخه توربین گاز
- بهبود مقاومت مواد مورد استفاده در توربین و کمپرسور در برابر دما
- بهبود راه‌های خنک‌کاری توربین
- طراحی‌های جدید توربوماشین‌ها
- بهبود روش‌های نگهداری کمپرسورها و توربین‌ها
مقایسه عملکردی توربین های گازی با انواع مدل های ژنراتورهای گازسوز
- سرویس و نگهداری : توربین به گونه‌ی طراحی شده است که هر ۵ هزار ساعت نیاز به سرویس و نگهداری دارد اما بالاترین ژنراتور های گازوسوز در نهایت هر ۵۰۰ تا ۱۰۰۰ ساعت یکبار باید خاموش شوند و سرویس شوند.
- میزان صدا: صدای توربین ها کاملا مهارشده است نسبت به توان خروجی که دارد اما در ژنراتور ها عموما صدا ۳ برابر توربین ها میباشد.
- وزن و هزینه نصب : وزن یک توربین ۱ مگاواتی حدود ۲ تن میباشد اما ژنراتور های گازسوز ۱ مگاوات حدودا ۱۰ تن است و همچنین لوازم جانبی بسیاری دارند که برای نصب محدودیت مکانی زیادی ایجاد میکند.
- بازدهی نسبت به سوخت: در توربین ها بسیار بیشتر از ژنراتورهای گازسوز میباشد.
منابع:
