توربین گازی
توربین گازی یک ماشین دوار است که در آن انرژی شیمیایی سوخت از نظر قدرت محور به انرژی مکانیکی یا انرژی جنبشی تبدیل می شود. به عبارت دیگر ، این یک دستگاه مکانیکی یا نیروی رانش است. برای این منظور از یک مایع کاری گازی استفاده می کند. توان مکانیکی تولید شده می تواند توسط دستگاه های صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. جریان پیوسته سیال کار در توربین گازی وجود دارد. توربین های گازی تولید نیروهایی هستند که توان شفت را تولید می کنند. برای حرکت هواپیما ، از توربین های گازی استفاده می شود که انرژی سوخت را برای تولید نیروی محرکه به انرژی جنبشی تبدیل می کند. شکل زیر یک نمایش معمولی از توربین گازی را نشان می دهد.
کاربرد توربین گازی
کاربردهای اصلی توربین های گازی در موارد زیر یافت می شود:
به عنوان محرک مستقیم و مکانیکی برای صنایع مختلف
- هواپیمایی
- تولید برق
- صنعت نفت و گاز
- پیشرانه دریایی
- ژنراتورهای توربو
- کمپرسور توربو
- بخش خودرو
اصل کار توربین گازی
کارکرد توربین گازی بر اساس چرخه ترمودینامیکی برایتون است. چرخه برایتون شامل دو انتقال کار آدیاباتیک و دو فرآیند انتقال حرارت با فشار ثابت است (شکل زیر). گاز در حالت 1 تا 2 تحت فشار فاقد ایزنتروپیک و آدیاباتیک قرار می گیرد. این فرایند دما ، فشار و چگالی گاز را افزایش می دهد. سپس ، گرما با فشار ثابت در حالت 2 به حالت 3 اضافه می شود. برای توربین گاز ، یک فرآیند احتراق گرما را اضافه می کند. طی حالت 3 تا حالت 4 ، گاز از طریق توربین ایزنتروپیک آدیاباتیک عبور می کند که دما و فشار گاز را کاهش می دهد. در مورد چرخه توربین گاز بسته برایتون ، گرما از طریق مبدل حرارتی از بین حالت 4 و حالت 1 از گاز خارج می شود.
چرخه برایتون
اجازه دهید با مثال زیر ، اصل عملکرد یک توربین گازی را درک کنیم:
تصور کنید یک موشک وجود دارد که در آن سوخت می سوزد و در نتیجه گاز خروجی با فشار بالا ایجاد می کند. طبق قانون حفاظت از انرژی ، در گازهای خروجی با فشار بالا ، انرژی شیمیایی سوخت به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. رانش گاز خروجی سعی می کند موشک را هنگام شلیک موشک به جلو حرکت دهد. حال سوال این است که آیا بدن موشک را با ساختار مکانیکی ثابت می کند تا از حرکت آن جلوگیری شود. چه اتفاقی خواهد افتاد؟
در چنین حالتی ، گاز خروجی با فشار بالا آزاد می شود اما در جهت عقب است. حال یک مورد دیگر این است که اگر مجموعه ای از پره های توربین را به این گاز خروجی برگشتی اضافه کنیم ، چطور؟
انرژی مکانیکی آزاد شده که در جهت خطی به عقب است به حرکت چرخشی محور توربین تبدیل می شود که موفقیت بزرگی محسوب می شود. این بدان معناست که انرژی شیمیایی گاز سوخت به انرژی مکانیکی چرخشی محور توربین تبدیل می شود که در شکل زیر نشان داده شده است.
به عبارت ساده ، در توربین گازی ، گازهای داغ از طریق توربین گازی چند مرحله ای حرکت می کنند. دارای پره های ثابت و متحرک درست مانند توربین بخار است. تیغه های ثابت سرعت خود را تنظیم کرده و گازهای متحرک را به سمت تیغه های روتور هدایت می کنند. شفت توربین به یک ژنراتور متصل می شود.
اصل کار توربین گازی در نیروگاه به شرح زیر است:
در نیروگاه توربین گاز ، ژنراتوری وجود دارد که به عنوان ماشین الکتریکی شناخته می شود و این ژنراتور به منظور تولید برق همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، به یک موتور اصلی که یک توربین گاز است نیاز دارد.
این انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی مکانیکی یا به عبارت دیگر گاز طبیعی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. سپس انرژی مکانیکی تولید شده از طریق گیربکس به شافت ژنراتور منتقل می شود. اکنون توربین می تواند همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است انرژی الکتریکی ایجاد کند.
این شکل اولیه انرژی الکتریکی معمولاً دارای ولتاژ پایین یا متوسط است. به منظور مدیریت تلفات توان در خطوط انتقال ، ترانسفورماتورهای گام به گام برای افزایش این ولتاژ استفاده می شود و ولتاژ افزایش یافته به انرژی الکتریکی ارائه می شود که به نوبه خود از طریق خطوط انتقال منتقل شده و به شبکه تحویل داده می شود ، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.
اصل کار توربین گازی در صنعت نفت و گاز
چند نکته زیر را باید در نظر داشت مانند:
برای فرآیند تولید نفت و گاز ، توربین به جای جفت شدن با توربین به کمپرسور یا پمپ متصل می شود.
وقتی از توربین گازی برای رانندگی کمپرسور استفاده می شود ، آرایش مشابه توربین بخار در نظر گرفته می شود.
مخازن هدر و روغن روان کننده در سیستم لوله کشی کمکی مورد نیاز است.
سیستم اگزوز باید در نظر گرفته شود که دارای چند سیستم بازیابی حرارت است ، یعنی یک بخاری فرایند یا یک کارخانه تولید بخار.
باید تعمیر و نگهداری و کارکرد کلیه ماشین آلات پیش بینی شود.
در خارج از خانه کمپرسور ، هوای احتراق باید از محل ایمن به مشعل توربین منتقل شود. به احتمال زیاد موارد مورد نیاز عبارتند از خاموش کننده ورودی و فیلتر.
اجزای توربین گازی
در شکل زیر، توربین های گازی دارای سه قسمت اصلی هستند:
1.کمپرسور هوا
2.محفظه احتراق
3.توربین
کمپرسور هوا:
با محفظه احتراق بین کمپرسور هوا و توربین ، هر دو کمپرسور هوا و توربین در هر دو طرف روی یک شفت مشترک نصب می شوند. توربین های گازی به موتور استارت احتیاج دارند زیرا خود راه اندازی نمی شوند. استفاده از کمپرسور هوا برای مکش هوا و فشرده سازی آن است و در نتیجه فشار آن افزایش می یابد. کمپرسورهای نوع محوری (چند مرحله ای) برای پیشرفته ترین و بزرگترین توربین های گازی ترجیح داده می شوند.
محفظه احتراق:
در اینجا هوای فشرده با سوخت ترکیب می شود و مخلوط سوخت و هوا حاصل می شود و محصولات احتراق را به توربین گاز می رساند. با فشار زیاد هوا ، مخلوط سوخت کاملاً می سوزد. امروزه از سوخت مایع ، سوخت گازی یا گاز طبیعی در توربین های گازی استفاده می شود. به طور کلی از سه نوع محفظه احتراق استفاده می شود:
- محفظه های احتراق حلقوی
- می تواند (چندگانه) محفظه های احتراق
- محفظه های احتراق محفظه حلقوی
سوخت در انتهای بالادست مشعل به شکل اسپری بسیار اتمی تزریق می شود. نازل های سوخت ممکن است از نوع سیمپلکس یا از نوع دوگانه سوز باشند. برخی از توربین های گازی “دو سوخت” هستند ، به این معنی که آنها می توانند مخلوطی از گاز و سوخت مایع را بسوزانند.
توربین:
یک توربین گازی چند مرحله ای وجود دارد که از آنجا گازهای داغ حرکت می کنند و انرژی جنبشی به اسب بخار قدرت تبدیل می شود. یک توربین گازی دقیقاً مانند توربین بخار دارای پره های ثابت و متحرک است. هدف پره های ثابت این است که گازهای متحرک را به سمت پره های روتور هدایت کرده و سپس سرعت آنها را تنظیم کنند. شفت توربین به یک ژنراتور متصل می شود.
ماژول اگزوز
گازهای داغ ناشی از توربین گازی از قسمت اگزوز خارج می شوند. محفظه اگزوز از یک محفظه داخلی و خارجی تشکیل شده است.
سایر قطعات توربین گاز هستند
- سیستم خنک کننده
- بلبرینگ و سیستم روغن کاری
- سیستم سوخت رسانی و غیره
انواع توربین گازی
در زیر انواع توربین گازی ذکر شده است:
- توربین گازی سیکل باز
- توربین گازی سیکل بسته
- توربین گاز مشتق شده از هوا
- مقیاس موتورهای جت
- واحد قدرت کمکی
- موتور جت
توربین گازی سیکل باز
توربین گاز سیکل باز شامل سه قسمت عمدتا محفظه احتراق ، توربین و کمپرسور است. کمپرسور با جذب هوای محیط فشار را افزایش می دهد. سوخت می سوزد تا گرما به هوا در محفظه احتراق اضافه شود و در نتیجه دمای آن افزایش یابد. گازهای گرم شده از محفظه احتراق سپس به توربین منتقل می شوند و در آنجا کار مکانیکی خود را انجام می دهند در حالی که منبسط می شوند. شکل زیر تصویری از یک توربین گازی سیکل باز را نشان می دهد.
شماتیک توربین گازی سیکل باز
توربین گازی سیکل بسته:
سیال کاری مورد استفاده در توربین گازی سیکل بسته هوا یا هر محیط مناسب دیگری که از کمپرسور خارج می شود در بخاری توسط منبع خارجی با فشار نسبتاً ثابت گرم می شود. سپس هوا با فشار بالا و درجه حرارت بالا به توربین منتقل می شود. سپس مایع توربین توسط برخی از عوامل خنک کننده خارجی تا دمای اولیه خود سرد شده و سپس به کمپرسور منتقل می شود. به این ترتیب سیال کار به طور مداوم در سیستم استفاده می شود و گرمای مورد نیاز توسط مبدل حرارتی بدون تغییر قابل توجه در فاز آن به سیال داده می شود. شکل زیر تصویری از یک توربین گازی سیکل بسته را نشان می دهد.
توربین گاز مشتق شده از هوا:
این نوع توربین های گازی به دلیل توانایی در کنترل سریعتر تغییرات بار و قابلیت خاموش شدن بهتر از ماشینهای صنعتی در تولید برق مورد استفاده قرار می گیرند. این ها در صنایع دریایی به منظور کاهش وزن استفاده می شوند.
موتورهای جت مقیاس دار:
این توربین ها به عنوان توربین های گازی مینیاتوری نیز شناخته می شوند.
موتورهای جت مقیاس توانایی تولید تا 22 نیوتن رانش را دارند و توسط اکثر مهندسان مکانیک متفکر با ابزارهای اساسی مهندسی مانند تراش فلزی به راحتی ساخته می شوند.
توربین گاز کمکی:
اینها انواع کوچکتری از توربین های گازی هستند که برای تامین نیروی کمکی هواپیماها مورد استفاده قرار می گیرند. برای تامین تهویه مطبوع و تهویه از توربین های گاز کمکی استفاده می شود. آنها نیروی هوای فشرده را برای موتورهای جت تأمین می کنند. آنها همچنین نیروی مکانیکی گیربکس را برای راه اندازی موتورهای جت بزرگتر یا رانندگی لوازم جانبی محور تامین می کنند.
طراحی توربین گازی
عواملی که اندازه و کارایی توربین گازی را محدود می کنند عبارتند از: دمای پخت ، نسبت تراکم ، جریان جرم و تنش های گریز از مرکز.
مهم ترین مناطق در طراحی توربین گازی که موتور را تعیین می کند. کارایی و عمر مسیر گاز داغ است ، یعنی محفظه های احتراق و نازل های ثابت مرحله اول توربین و سطل های دوار. اجزای موجود در این مناطق تقریباً 2 درصد از هزینه کل توربین گازی را تشکیل می دهند ، اما خروجی و بازده توربین گاز را کنترل می کنند. سوپرآلیاژهای نیکل معمولاً برای نازل ها و سطل های توربین گاز استفاده می شوند. اینها تحت خلا با فلزات مخصوص (پلاتین-کروم-آلومینید) برای محافظت در برابر خوردگی داغ که در دماهای بالا در حضور آلاینده هایی مانند سدیم ، وانادیوم و پتاسیم رخ می دهد ، پوشانده شده اند.
عملکرد دائمی توربین های گازی را می توان با بهبود مستمر دمای شلیک و نسبت های فشاری افزایش داد. نازل ها و سطل های خنک با هوا با استفاده از هوای خروجی از کمپرسور یک پیشرفت بزرگ برای افزایش دمای شلیک است. این امر دمای فلز نازل ها و سطل ها را برای مقاومت در برابر خوردگی داغ و خزش محدود می کند.
برای تأمین خروجی اضافی توربین با افزایش فشار نهایی کمپرسور ، می توان مراحل اضافی کمپرسور را به مجموعه روتور کمپرسور اضافه کرد تا نسبت فشرده سازی بالاتری به دست آورد. گاز طبیعی ، نفت دیزل ، باقی مانده یا نفت خام را می توان به عنوان سوخت توربین گاز استفاده کرد. با افزایش دمای محیط و ارتفاع ، تراکم هوا کاهش می یابد. این امر باعث کاهش چشمگیر توان خروجی و بازده توربین گازی می شود. دمای هوای محیط و تغییرات ارتفاعی بر کارخانه های بخار و دیزل تأثیر نمی گذارد.
کدها و استانداردها
کدها و استانداردهای مکرر مورد استفاده در طراحی ، ساخت ، آزمایش و غیره توربین گازی هستند
API 616
ASME PTC 22
ایزو 2314
ISO 3977
ایزو 11086
ISO 7919
ISO 10494
ISO 11042
ISO 21789
ASME 133
NFPA 37
IEC 60034
ایزو 19859
عملکرد توربین گازی
عواملی که بر عملکرد توربین گازی تأثیر می گذارد عبارتند از:
چگالی هوای ورودی
دمای هوای محیط
ارتفاع و فشار محیط
رطوبت
افت فشار ورودی و خروجی
تعداد شفت
مزایای توربین گازی
- ذخیره سازی سوخت به مساحت کمتری نیاز دارد و جابجایی آن آسان است.
- هزینه نگهداری کمتر است.
- ساخت و ساز بسیار ساده است.
- در مقایسه با نیروگاه های بخار ، نیازی به کندانسور ، دیگ بخار و سایر لوازم جانبی ندارد.
- می توان از سوخت هایی مانند نفت سفید ، بنزن ، پارافین و زغال سنگ پودر استفاده کرد که نسبت به بنزین و دیزل ارزان تر هستند.
- در مناطق کم آبی می توان از توربین های گازی استفاده کرد.
- آلودگی کمتری ایجاد می کند.
- مقدار کمتری آب نیاز دارد.
معایب توربین گازی
- بیشتر توان توسعه یافته برای رانندگی کمپرسور استفاده می شود. به همین دلیل توربین گازی دارای بازده حرارتی پایینی است.
- سر و صدا با فرکانس بالا از کمپرسور می آید که باز هم جای سوال دارد.
- برای قسمتهای مختلف توربین از فلزات و آلیاژهای خاصی استفاده می شود زیرا سرعت کار توربین 40000 تا 100000 دور در دقیقه و دمای کار آن 1100 تا 1260 درجه سانتیگراد است.
تولیدکنندگان توربین گازی
سهم عمده تولید توربین گاز توسط سازمان های زیر کنترل می شود:
– جنرال الکتریک (ایالات متحده)
– زیمنس (آلمان)
– سیستم های قدرت میتسوبیشی هیتاچی (ژاپن)
– آنسالدو STS (ایتالیا)
– توربین های خورشیدی (ایالات متحده)
– Kawasaki Heavy Industries، Ltd (ژاپن)
– صنایع و صنایع سنگین دوسان (کره جنوبی)
– Bharat Heavy Electrical Limited (هند)
– توربین های OPRA (هلند)
– Vericor Power Systems LLC (ایالات متحده)
– رولزرویس (بریتانیا)
سه شرکت اول در لیست بالا روی هم رفته بیش از 80 درصد سهم بازار توربین های گازی را در اختیار دارند.
توربین گازی در مقابل توربین بخار
تفاوت های اصلی بین توربین گازی و توربین بخار در جدول زیر آمده است:
