• info@Tabaservice.com
  • تماس با ما: 75041000 (21) 98+
  • تهران – بلوار میرداماد – خیابان تبریزیان – کوچه نامی – پلاک ۲

توربین های گاز صنعتی

اصول عملكرد توربين هاي گازي

كار مكانيكي به صورت حاصل ضرب نيروي مقاوم در جابجايي تعریف می شود. براي استخراج كار مكانيكي از انرژي ذخيره شده در گاز، بايد آن را منبسط نمود. در توربین های گازی ابتدا هوا در بخشي به نام كمپرسور فشرده مي شود تا وارد محفظه احتراق گردد. در محفظه احتراق با سوزاندن سوخت فسيلي، هواي فشرده تزريقي گرم مي شود و توليد سيال با انرژي جنبشي بالا مي نمايد. اين سيال به سمت پره هاي توربين هدايت مي شود تا به كمك آن كار مكانيكي توليد نمايد. كار توليد شده صرف چرخاندن كمپرسور هوا و دستگاه هاي ديگر مانند ژنراتور مي گردد.

 

به طور كلي مي توان گفت كه يك توربين گازي داراي سه بخش اصلي مي باشد:

1- وسيله اي براي فشرده كردن هوا (كمپرسور)

2- بستري براي انجام واكنش احتراق) محفظه احتراق)

3- وسيله اي براي استخراج كار (توربين)

از اين رو فرآيند گردش هوا و گازهاي حاصل از احتراق يا همان سيال عامل در توربين گازي را مي توان در 3 مرحله اصلي و با توجه به شکل زیر بررسي كرد.

مرحله اول: هوا در نقطه 1 يعني نقطه اي با فشار اتمسفر و دماي محيط به داخل كمپرسور مكيده مي شود. اين هوا درون كمپرسور فشرده شده و در پي اين فرآيند، دماي آن افزايش مي يابد. همانطور كه ديده مي شود هم زمان با افزايش فشار، حجم هوا نيز كاهش مي يابد. اين هوا با شرايط نقطه 2 يعني نقطه اي با فشار بالا و دماي بالا، از كمپرسور خارج مي شود.

مرحله دوم: در اين مرحله، هواي فشرده شده با شرايط نقطه 2، وارد اطاق احتراق مي شود. در اين بخش و با تزريق سوخت، عمل احتراق در فشار ثابت صورت گرفته و شعله تشكيل مي شود. در عمل احتراق با انبساط حجمي گازها روبرو هستيم. اين هوا با شرايط نقطه 3 يعني نقطه اي با فشار بالا و دماي بسيار بالا اطاق احتراق را ترك مي كند.

مرحله سوم: در اين مرحله سيال عامل وارد بخش توربين مي گردد .اين بخش متشكل از مراحلي است كه هر مرحله نسبت به مرحله قبلي خود داراي حجم بيشتري است. براي آنكه سيال عامل بتواند از يك مرحله عبور كرده و وارد مرحله بعدي گردد، بايد بتواند نيروي مقاوم كه همان پره هاي توربين هستند را به حركت درآورد. غلبه بر نيروي مقاوم و انجام كار، سبب كاسته شدن فشار و دماي سيال عامل و انبساط آن مي گردد. سيال حداكثر مي تواند تا رسيدن به فشار محيط، منبسط شود. سيال عامل با شرايط نقطه 4 يعني نقطه اي با فشار اتمسفر و دماي بالا از توربين خارج مي گردد.

سيال عامل در نقطه 4 بايد به شرايط هواي نقطه 1 رسانده شود، تا مجدداً توسط كمپرسور وارد دستگاه گردد. از آن جايي كه خنك كردن گازهاي خروجي تا دماي اوليه، هزينه هاي زيادي به سيستم تحميل مي كند و با توجه به اينكه هواي مورد نياز با شرايط نقطه 1 در محيط موجود است، لذا گازهاي سوخته به اتمسفر رها مي شوند و هواي تازه توسط كمپرسور از محيط مكيده مي شود. علاوه بر آن در گازهاي حاصل از احتراق، ميزان اكسيژن كاهش يافته و مناسب براي احتراق مجدد نمي باشند. بدين ترتيب، حجم عظيمي از انرژي نيز به همراه گاز سوخته از دست مي رود. البته با اتخاذ روش هاي خاصي چون استفاده از بويلرهاي بازيافت حرارتي ياHRSG ها مي توان بخشي از اين حرارت را بازيافت كرد.

در شكل بالا، مراحل ارائه شده در يك سيكل ترموديناميكي نشان داده شده است. اين سيكل توسط يك مهندس آمريكايي به نام جرج برايتون در سال 1872 ارائه شده است و بر همين اساس و به افتخار وي، سيكل برايتون ناميده شد. به كمك آن مي توان رفتار سيستم، شرايط عملياتي و ميزان كار و انرژي مصرف شده و يا توليد شده را محاسبه كرد، لذا اساس توربين هاي گازي بر اين سيكل بنا شده است.

همانطور كه در نمودار فشار – حجم سيكل برايتون، قابل مشاهده است، هر چه فشار ورودي به توربين بالاتر باشد، راندمان كلي سيكل بالاتر خواهد بود. البته بالا بردن فشار نياز به كمپرسور بزرگتري دارد كه در عمل اين كمپرسورها نياز به انرژي بيشتر داشته و در نهايت از ديد عملياتي مناسب نمي باشند.

دماي احتراق سوخت در محفظه احتراق در حدود 1600 درجه سانتی گراد مي باشد كه اگر گازهاي حاصل از احتراق بخواهد با همين دما وارد بخش توربين شود، باعث آسيب زدن بخش هاي مختلف توربين مي شود. به همين دليل، دماي گازهاي حاصل از احتراق، بايد با تزريق هواي اضافي پايين آورده شود. با توجه به اينكه براي تهيه اين هواي اضافي، كمپرسور بايد هواي بيشتري را فشرده سازد، بخشي از كار توليدي توربين نيز صرف تامين انرژي مورد نياز كمپرسور مي شود تا بدين صورت، مشكل آسيب ديدگي دستگاه ها در دماي بالا رفع گردد. هرچند كه صرف انرژي براي فشرده كردن هواي اضافي باعث كاهش راندمان توربين گاز مي شود اما در عمل به خاطر محدوديت هاي ساخت، گريزناپذير مي باشد.

بدين ترتيب، دماي محصولات احتراق با تزريق هواي اضافي به محفظه احتراق، در حدود 1060 درجه سانتي گراد كنترل مي شود. البته طراحان و سازندگان توربين هاي گازي تلاش مي كنند تا با بالا بردن مقاومت تنشي و حرارتي بخش هاي مختلف توربين گاز، اجازه دهند تا گازهاي حاصل از احتراق با دماي بيشتري وارد توربين شده و به اين شكل با بالا بردن دماي گازهاي ورودي به توربين و كاستن از مقدار هواي اضافي مورد نياز، راندمان توربين افزايش يابد.

به طور خلاصه می توان گفت در توربین های گاز از انرژی و آنتالپی موجود در محصولات احتراق سوخت، جهت دوران روتور و ایجاد گشتاور و در نتیجه ایجاد توان الکتریکی استفاده می شود. اهم المان های اصلی درتوربین گاز عبارتست از: فیلتر هوا، کمپرسور جهت تراکم و افزایش فشار هوای محیط، محفظه احتراق جهت احتراق هوای خروجی از کمپرسور پس از اختلاط با سوخت (گاز، گازوییل) و توربین که از روتور، پره های ثابت و متحرک، پوسته ها، سیل ها و یاتاقان ها تشکیل شده است.

محصولات احتراق بعد از ورود به توربین، از پره های ثابت و متحرک عبور می نمایند. در پره های ثابت سرعت سیال به فشار و در ردیف های پره های متحرک، فشار به گشتاور تبدیل می گردد.

در توربین های گاز از گشتاور ایجاد شده بر روی محور توربین می توان از جمله در موارد زیر استفاده نمود:
تراکم و افزایش فشار سیالاتی نظیر گاز درکمپرسورخانه های بین راهی گاز، جهت مواجهه با افت فشار ایجاد شده در مسیر
ایجاد نیروی محرکه در جت ها و هواپیما ها
تولید برق با استفاده از گشتاور بدست آمده از توربین های نیروگاهی
محدوده قدرت معادل توربین های صنعتی از توان های پایین تا حدود 25 مگاوات و محدوده قدرت توربین های توان بالا، توان های بالای 100 مگاوات را شامل می شود.