آشنایی با توربین های گازی
آشنایی با توربین های گازی – بخش اول
الکساندریا (Alexandria) اولین کسی بود که ۱۵۰ سال پیش از میلاد از توربین گازی استفاده کرد. وی از دود حاصل از آتش استفاده کرد و توانست توربین را به حرکت درآورد. در همان زمان چینی‌ها از آسیاب‌های بادی استفاده می‌کردند. تا سال ۱۷۹۱ میلادی در این روش و مدل تغییر چندانی صورت نگرفت تا اینکه جان باربر (John Barber) طرح توربینی گازی را ارائه کرد که دارای کمپرسور، محفظه احتراق و توربین بود.
در سال ۱۸۰۸ اولین نوع توربین گازی انفجاری که در مراحل بعدی شیرهایی در ورودی سوخت و خروجی محفظه احتراق آن، برای کنترل انفجار فضای بسته نصب شده بود ارائه گردید. فشار حاصل از گاز، توربین را با کارایی بسیار پایین، اما به شکلی موفقیت‌آمیز و رضایت‌بخش به حرکت درآورد. خط تولید این توربین گازی در سال ۱۹۳۹ برچیده شد زیرا مدل جدیدی از توربین گازی توسط براون باوری (Brown Bowery) به بازار آمده بود.
در اوایل قرن گذشته Elling نروژی توانست اولین توربین گازی را بسازد که با تکیه بر قدرت تولیدی خود کار می‌کرد و شامل یک ردیف کمپرسور و توربین بوده که درشکل۲ مشاهده می‌شود.
اولین کمپرسور از نوع گریز از مرکز (سانتریفیوژ) پره‌دار بود (شکل3) و می‌توانست نسبت فشاری برابر چهار را تولید کند. دود خروجی صرف تولید بخار با فشار پایین می‌شد و این بخار به مصرف خنک کردن پره‌ها و افزایش قدرت تولید می‌رسید. این نوع توربین دارای کارایی پایین (حدود ۳ درصد) و دمای شعله‌ای برابر zC ۵۵۰ بود. کوشش برای افزایش کارایی اجزای توربین گازی ادامه یافت تا اینکه در سال ۱۹۳۹، توربین گازی صنعتی پا به عرصه وجود گذاشت. با توجه به دمای گاز خروجی، موارد استفاده توربین گازی در رشته‌های مختلف صنعت، توسعه بیشتری یافت.
از سال ۱۹۳۰ با افزایش کارایی، توربین گازی به عنوان موتور هواپیما مورد استفاده قرار گرفت و اولین نمونه آن را در سال ۱۹۳۷ یستون (Yestone) انگلیسی ساخت. در این نمونه، کمپرسور گریز از مرکز (سانتریفیوژ) دوطرفه‌ای در امتداد محفظه احتراق قرار داشت. این موتورجت قدرت، نوع U نام گرفت. عدم توانایی در دستیابی به فشار بالا در کمپرسور، کارایی پایین توربین وعدم کنترل محفظه احتراق در حجم کوچک، مشکلات عدیده‌ای بود که در این طرح به چشم می‌خورد.
Sir Frank Whittle را خیلی‌ها به عنوان پدر موتور جت می‌شناسند. (شکل ۴) در سال ۱۹۳۰ وی کاربرد توربین گازی به عنوان موتور هواپیما را به جهان معرفی نمود. اولین موتور Whittle پس ازتولیدPower jet W.1 نام گرفت و در ۱۵ می ۱۹۴۱ در حالی که روی G.40 british Gloster نصب شده بود به پرواز درآمد.
هنكل (Henkle) موتور جت آزمایشی خود را در سال ۱۹۳۹ و جنرال الکتریک (General Electric) مدل W.1 را در سال ۱۹۴۱ به پرواز درآوردند. فن‌آوری‌های به دست آمده در صنعت توربین گازی در سال‌های بعد توسعه فراوانی یافت به طوری که توربین‌های گازی که هم‌اکنون به بازارهای جهانی عرضه می‌شوند قابلیت تولید ۴۰۰ مگاوات توان را دارند. در گذشته توربین گازی در مقایسه با سایر منابع تولید قدرت به عنوان مولدی که دارای راندمان خوبی نیست قلمداد می‌شد؛ زیرا راندمان آن حدود ۱۵، بود، ولی علیرغم پائین بودن راندمان مزایایی چون کوچک بودن، وزن کم و سرعت نصب بالا، در بسیاری از موارد کاربرد توربین گازی را توجیه می‌کرد.
عمده‌ترین عامل محدودکننده در مورد اغلب توربین‌های گازی، درجه حرارت ورود گاز به توربین می‌باشد. با طرح‌های جدیدی که در رابطه با خنک کاری ابداع گردیده و همچنین پیشرفت‌هایی که در زمینه متالورژی پره‌ها حاصل شده دماهای بالاتری برای گازها در توربین به دست آمده است. همچنین جهت بهبود راندمان امکان کاهش حرارت مصرفی، به کمک بازاریاب فراهم شده است و این میزان از 18.000 But / kwh 20.000- به حدود 12.000 But/Kwh کاهش یافته است.
امکان پائین آوردن بیشتر میزان حرارت مصرفی با استفاده از بازیاب ها محدویت زیادی دارد و بر این اساس روش‌های دیگری مورد توجه قرار گرفته که از آن جمله با ترکیب سیکل توربین گازی و توربین بخار، میزان حرارت مصرفی به 8000 But/Kwh کاهش یافته است و با پیشرفت تکنولوژی در حال کاهش بیشتر می‌باشد. توربین گاز کمترین هزینه تعمیرات و سرمایه‌گذاری را دارد، همچنین سریع‌تر از هر مولد یا نیروگاه دیگری اتمام می‌پذیرد و به مرحله کامل بهره‌برداری می‌رسد. از عیب‌های عمده توربین‌های گازی اتلاف حرارتی زیاد در آن‌ها می‌باشد که ترکیب سیکل‌های نیروگاهی چاره مناسبی برای رفع نقیصه فوق و سایر نقایص توربین‌ها به نظر می‌رسد.
2- انواع توربین های گازی
پس از توضیح مختصری که در رابطه با تاریخچه توربین های گازی گفته شد، حال به معرفی توربین های گازی می‌پردازیم. به طور کلی در صنعت، توربین های گازی به دو دسته عمده تقسیم می‌شوند:
1-توربین های گازی صنعتی بزرگ (شکل ۶) که مصرف عمده آن‌ها در نیروگاه‌ها و ایستگاه‌های پمپاژ مربوط به خط لوله انتقال نفت و… است.
۲- توربین های گازی مربوط به صنایع هوایی
2-1- توربین‌های گازی صنعتی بزرگ
این نوع توربین‌ها مدت کوتاهی پس از جنگ جهانی دوم یعنی در اوایل دهه ۱۹۵۰ به بازار عرضه شدند و در ابتدا چون روی زمین نصب می‌شدند از لحاظ ابعاد و وزن محدودیت خاصی برای آن‌ها وجود نداشت. به همین دلیل توربین‌های اولیه دارای پوسته‌های (Casings) ضخیم، محفظه احتراق خیلی بزرگ، ایرفول‌های ضخیم و … بودند. بعدها با پیشرفت تکنولوژی ضریب نسبت فشار از تا و درجه حرارت ورودی تا C?1260 افزایش یافت که باعث پیشرفت چشمگیری در راندمان این نوع توربین‌ها گشت. (شکل ۷)
2-2- توربین گازی هوایی
این نوع توربین‌ها همان‌گونه که از اسمشان مشخص است دارای یک موتور جت هستند که گاز با دما و فشار بالا ایجاد می‌کنند و سپس با عبور گاز از یک توربین قدرت انرژی مورد نیاز را تأمین می‌نماید. (شکل ۸) پس در این نوع توربین‌ها اورجنت در حقیقت مولد گاز (Gas Generator) می‌باشد. این نوع توربین‌ها می‌توان موتور هواپیما را نام برده در آن‌ها چند مرحله (Stage) به کمپرسور اضافه می‌شود تا بتواند فشار بالای مورد نیاز را تأمین نماید.
در این نوع توربین‌ها برای بالا بردن فشار گاز خروجی از محفظه احتراق و ورودی به توربین قدرت، تا فشارهای ۴۵-۷۵ psi و درجه حرارت900-F۱۲۰۰ از ژنراتور گاز استفاده می‌شود. ژنراتور گازی در مقایسه با توربین گازی خیلی سبک‌تر است. این ژنراتورها دارای محفظه‌هایی با دیواره خیلی نازک پره‌هایی با نسبت طول به عرض بالا (aspect ratio)، که در مورد پره‌ها همان نسبت طول به ضخامت پره است، یاتاقان‌های غلتکی، محفظه احتراق دایروی و وزن پائین می‌باشند. در این نوع توربین‌ها، قدرت آزاد می‌باشد، یعنی از نظر فیزیکی توربین قدرت به ژنراتور گازی کوپل نشده است بلکه از طریق یک داکت که گاز را از ژنراتور گازی به توربین قدرت انتقال می‌دهد به هم متصل شده‌اند.
3- کاربرد توربین های گازی
3-1- توربین گازی در صنایع نفت و گاز
از توربین‌های گازی به عنوان نیروی محرکه یا پمپ یا کمپرسور استفاده می‌شود و این نکته را نیز باید در نظر داشت که انتقال فرآورده‌های نفتی از طریق خطوط لوله در مقایسه با دیگر راه‌های انتقال مثل جاده یا راه‌آهن هزینه کمتری در بردارد. در مقایسه با انواع دیگر توربین‌ها، توربین‌های گازی نیاز به سرمایه‌گذاری و هزینه تعمیرات کمتری دارد و در مدت‌زمان کوتاه‌تری به بهره‌برداری می‌رسد. تلفات حرارتی از عیوب عمده در این توربین‌ها می‌باشد که ترکیب سیکل‌های نیروگاهی از راه‌حل‌های پیشنهادشده برای رفع این نقیصه است.
صرف نظر از کاربردهای نظامی این توربین‌ها، موارد کاربرد توربین در صنایع نفت و گاز به شرح زیر است:
3-1-1 انتقال و پمپ کردن نفت و گاز
اکتشاف نفت و گاز معمولاً در صحرا یا دریا و به دور از مراکز تولید برق انجام می‌گیرد. در این حالت، توربین گازی به عنوان محرک پمپ یا محرک کمپرسور برای انتقال نفت و گاز از صحرا، دریا یا مناطق دورافتاده به مراکز مورد نیاز مانند مراکز صنعتی یا بندرها به کار می‌رود. (شکل ۹) در ابتدای خط لوله، حدود ۷ تا ۱۰ درصد کل گاز، در توربین، برای افزایش فشار مصرف می‌شود. در سال‌های اخیر به دلیل افزایش مصرف گاز، سیستم‌های پمپ کردن با کارایی بالاتری طراحی شده است. در این سیستم‌ها از توربین‌هایی برای انتقال و پمپ کردن استفاده می‌شود که دارای قابلیت مصرف سوخت تصفیه نشده باشند، استفاده از این توربین‌ها در مقایسه با انتقال سوخت از طریق جاده و راه‌آهن هزینه کمتری در بردارد.
3-1-2- پشتیبانی فشار مخازن
از قدرت توربین گازی برای گرداندن کمپرسورهای فشار قوی در هنگام استخراج استفاده می‌شود. (شکل ۱۰) با توجه به اینکه فشار درونی چاه‌های نفت در طی سال‌ها برداشت به مرور افت پیدا می‌کند، لذا با استفاده از تزریق گاز یا آب مجدداً فشار چاه افزایش یافته و میزان دبی چاه بالا می‌رود. برای این کار می‌توان از قدرت توربین برای گرداندن پمپ و کمپرسورها استفاده نمود. نوع خاصی از توربین گازی محرکه پمپ که دارای حجم کمتر و مشخصاتی ویژه است، در سکوهای نفتی و برای استخراج نفت حتی در عمق‌های بسیار زیاد به کار می رود.
۳-۱-۳- تصفیه و پالایش
استفاده از توربین گازی که قدرت محرکه ژنراتور، کمپرسور و پمپ را تأمین می‌نماید در بخش تصفیه و پالایش چندین مزیت دارد. به عنوان مثال توربین گازی را به عنوان موتور دستگاه‌های مکانیکی در این صنعت به کار می‌برند.شکل10-استفاده از توربین جهت پشتیبانی و حفظ فشار مخازن هوای فشرده‌ای که از کمپرسور خارج می‌شود در سیستم‌ها به مصرف می‌رسد.
انرژی حرارتی گازهای خروجی توربین، در بخش‌های مختلف به مصرف می‌رسد که این عمل باعث می‌شود راندمان سوخت مصرفی به حدود ۸۰، برسد. علاوه بر موارد فوق، به دلیل قابلیت مصرف سوخت‌های مختلف، به ویژه گازهای حاصل از واکنش‌ها که معمولاً تلف می‌شود در توربین گازی استفاده می‌گردد. در نتیجه، استفاده از واحدهای توربین گازی در صنعت پالایش، توسعه دارد.(شکل ۱۱)
3-2- توربین گازی در صنایع حمل و نقل
از توربین گازی در انواع کشتی‌های بزرگ و کوچک مسافربری و باربری استفاده می‌شود. (شکل ۱۲) در دهه ۱۹۷۰ به دلیل افزایش قیمت سوخت، کشتی‌های بزرگ باربری، سیستم‌های توربین گازی خود را با موتورهای دیزلی جایگزین کردند. از آنجا که سرعت در این نوع کشتی‌ها مشخصه مهمی نبود، این نوع کشتی‌ها، سرعت و ظرفیت باربری خود را از دست دادند. در ناوهای جنگی که سرعت بسیار حائز اهمیت بوده و نقش تعیین‌کننده‌ای دارد، از توربین گازی استفاده می‌شود.
آمریکا، کانادا و انگلستان در این صنعت تجربه فراوانی دارند. در قایق‌های سریع و قایق‌های گشت نظامی نیز از موتور مجهز به توربین گازی استفاده می‌شود. این نوع موتورها سرعت و توان بالایی دارند. در این نوع قایق‌ها، توربین معمولاً از طریق چرخ‌دنده، پروانه کشتی را به حرکت درمی‌آورد. کشتی‌های جنگی نیز به دلیل نیاز مبرم به قدرت و سرعت، از توربین گازی به جای توربین بخار استفاده می‌کنند. در این موارد، انرژی الکتریکی موردنیاز کشتی نیز از طریق توربین گازی تهیه می‌شود. در نتیجه، حجم قسمت تولید قدرت، کاهش قابل ملاحظه‌ای می‌یابد.
توربین گازی در صنعت هاورکرافت نیز بکار گرفته می‌شود، به طوری که در بعضی از هاورکرافت ها، قسمت تولید هوای زیر هاورکرافت، که با توربین گازی کار می‌کند می‌تواند کل وسیله نقلیه را حدود ۸۰ تا ۹۰ سانتی‌متر از روی زمین بلند کرده و به جلو حرکت دهد. این نوع هاورکرافت در سطوح آبی ناآرام و زمین‌های ناصاف مورد استفاده قرار می‌گیرد. توربین گازی در صنایع حمل و نقل زمینی مانند راه‌آهن نیز به کار می‌رفت، اما پس از یکی دو دهه جای خود را به موتور دیزلی داد.
اگر چه بعدها قطارهایی با سرعت بالا و مجهز به موتور توربین گازی به بازار عرضه شد، اما در نهایت، قطار الکتریکی از نظر سرعت و قابلیت‌های مختلف، برتری خود را به اثبات رسانده است. در حمل و نقل جاده‌ای و اتومبیل‌ها، توربین گازی با توان پایین‌تر مورد نیاز است، اما تا عملی شدن این طرح، در عمل راهی طولانی در پیش است. مهم‌ترین مشکل در این نوع وسایل نقلیه، تنظیم مصرف سوخت در بارهای پایین است که به سیستم کنترل پیچیده‌ای نیاز دارد.
برای دریافت فایل کامل مقاله روی توربین های گازی بخش اول کلیک نمایید.
