توربين های گازی

طراحي توربين گازي، به اوائل قرن نوزدهم بر مي گردد. اولين توربين گازي را استولز آلماني در سال 1872 ساخت. اين توربين خيلي شبيه به توربينهاي امروزي بود اما بعلت پايين بودن راندمان آن، قادر به چرخاندن چيزي جز كمپرسور نبود. در آن زمان پيشرفتهاي قابل توجهي در توربينهاي بخاري و موتورهاي پيستوني صورت گرفته بود و از طرف ديگر به علت عدم اطلاع از دانش آيروديناميك و عدم گسترش دانش متالوژي در ايجاد آلياژهاي مقاوم به حرارت و تنش، توربينهاي گازي راندمان پايين نداشتند و توان رقابت با موتورهاي ديگر را نداشتند، بنابراين انگيزه اي براي تحقيقات بيشتر ايجاد نمي شد.

با گسترش جنگ جهاني دوم و نياز به پرواز هواپيماها با سرعت صوت و بالاتر، قوي ترين انگيزه در ايجاد و ساخت توربينهاي گازي براي صنعت هواپيمايي موجود آمد. با افزايش اطاعات در دانش آيروديناميك و ساخت آلياژهاي مقاوم به حرارت، بالاخره در سال 1933، دكتر ماير به كمك كمپاني براون باوري، پر راندمان ترين توربين گازي صنعتي را ساخت. راندمان اين توربين 18 درصد بود. تحقيقات گسترده در اين زمينه، پس از جنگ، درد و شاخة صنايع هوايي و توليد برق آغاز شد. و بالاخره در اواخر دهة 50 توربين گاز بصورت گسترده در صنعت برق مورد استفاده قرار گرفت.

مزاياي توربين گاز

الف- عوامل اقتصادي:

1-نسبت قدرت به وزن بالايي دارد.

2-اجزاء كمكي كم و در نتيجه سرويسهاي زيادي نمي طلبد.

3-آماده سازي فونداسيون آن هزينة زيادي نمي طلبد.

4-نياز به فضاي زيادي ندارد.

ب-عوامل از نظر زمان تحويل:

1. نصب آن ساده است
2. قسمت هاي كمكي و فرعي آن استاندارد است
3. جابجايي و حمل و نصب آن در نقاط ديگر آسان است.

ج-عوامل بهره برداري:

1-راه اندازي سريع- طي مدت 10 دقيقه مي تواند راه اندازي شده به شبكه وصل گردد. 2-زماني كه شبكه بدون برق باشد توسط باطري نيز مي توان واحد را روشن كردن(البته واحدهايي كه با ديزل روشن مي شوند) 3-از راه دور مي توان توربين را استارت كرد و به شبكه پارالل نمود و ميزان بار كم يا زياد نمود 4-قسمتهاي مختلف آن توسط هوا خنك مي شوند و نياز آنچناني به آب ندارد

معايب توربين های گازی

الف-از آنجاييكه قطعات توربين عمدتاً از جنس سوپر آلياژهاست، تهيه و بازسازي آنها مستلزم هزينه هاي زيادي است. ضمن آنكه به دليل دماي بالاي قطعات، سريعاً تخريب مي شوند. ب- راندمان توربين گازي در مقايسه با توربينهاي آبي و بخار پايين است. راندمان توربين آبي 90 درصد، توربين بخار 40 درصد و توربين گاز 30 درصد است كه به كمك سيكل تركيبي مي تواند تا 50 درصد افزايش يابد. ج- مصرف سوخت آنها بالاست.

همانگونه كه ذكر شد، هزينة نگهداري توربينهاي گازي بالاست، بنابراين براي رسيدن به بهترين حالت اقتصادي توليد برق، بار پايه توسط نيروگاههاي آبي و حرارتي بخار، توليد مي شود. چون هزينة اولية چنين نيروگاههايي بالا و مصرف سوخت آنها پايين است و بار متوسط و پيك توسط واحدهاي گازي توليد مي شود.

طرح ها و مدل های توربين گاز

طرحهاي توربين گازي صنعتي را مي توان به دو دسته تقسيم كرد. دسته اول نوع تكامل يافتة توربينهاي جهت هستند و از خصوصيات آنها، تعدد اطاقهاي احتراق است كه باعث تقسيم متعادل گاز داغ در اطراف مي گردد. سازندگان اصلي اين طرح، جنرال الكتريك (G.E) و وستينگ هاوس مي باشند. دستة دوم نوع تغيير يافتة واحدهاي بخار مي باشند. اطاق احتراق در اين توربينها بصورت ايستاده و در طرفين توربين و بعضاً يك اطاق احتراق در كنار توربين است و تعادل گاز داغ بعد از اطاق احتراق و در محفظة ورودي توربين صورت مي گيرد. سازندگان عمدة اينگونه توربين ها عبارتند از براون باوري (BBC) و كرافت ورك. BBC يك اطاق احتراق و كرافت دو اطاق احتراق دارد.

شركت هايی كه تحت ليسانس جنرال الكتريك آمريكا فعاليت مي كنند عبارتند از:

ALSTOM (فرانسه)، HITACHI (ژاپن)، A.E.G(آلمان)، John Brown(انگليس) مدلهايي كه شركت جنرال الكتريك طراحي و ساخته است عبارتند از:

• مدل GEMS 3001 با قدرت 10 الي 15 مگاوات
• مدل GEMS5001 با قدرت 14 الي 26 مگاوات با راندمان 27 درصد
• مدل GEMS 6001 با قدرت 30 الي 40 مگاوات با راندمان 30 درصد
• مدل GESM7001 با قدرت 70 الي 80 مگاوات با راندمان 30 درصد
• مدل GESM9001 با قدرت 90 الي 125 مگاوات با راندمان 31 درصد

شركت هايی كه تحت ليسانس وستينگهاوس آمريكا فعاليت مي كنند عبارتند از:

(MHI) MITSUBISHI (ژاپن)، ACEC (بلژيك)، FIAT (ايتاليا)، WESTINGHOUSE(كانادا) مدلهايي كه شركت وستينگهاوس طراحي و ساخته است عبارتند از:

• مدل W191 با قدرت 17 مگاوات با راندمان 27 درصد TG16 معادل اين مدل و ايتاليايي است.
• مدل W251 با قدرت 30 تا 37 مگاوات با راندمان 27 درصد TG20 معادل اين مدل و ساخت FIAT است.
• مدل W501 با قدرت 100 مگاوات با راندمان 31 درصد TG50 معادل اين مدل است.
• مدل W701 با قدرت 85 الي 140 مگاوات با راندمان 31 درصد TG100 معادل اين مدل است. مدلهايي كه شركت كرافت ورك طراحي و ساخته است عبارتند از:

1-مدل V93. 1 با قدرت 60 مگاوات

2-مدل V94 با قدرت 137 مگاوات

3-مدل V94.2 با قدرت 150 مگاوات.

اين شركت، سازنده هاي مطرح وابستگي ندارد.

مدلهايي كه شركت براون باوري(BBC) طراحي كرده و ساخته است عبارتند از:

1-مدل BBC type 8 با قدرت 7 الي 8 مگاوات

2-مدل BBC type 9 با قدرت 25 الي 30 مگاوات

3-مدل BBC type II با قدرت 65 الي 75 مگاوات

اين شركت نيز، سازندگان ديگري كه مشابه واحدهاي مزبور را مونتاژ كنند، تحت ليسانس ندارد.

سيستم راه اندازي

زمانيكه توربين خاموش است، هواي فشرده در محفظه احتراق وجود ندارد، بنابراين امكان ايجاد گاز داغ پر فشار وجود ندارد. لذا ابتدا توسط سيستم راه انداز محور توربين به حركت در مي آيد. و پس از آنكه به طور مناسب رسيد، توربين روشن مي شود سيستم راه اندازي شامل اجزاء زير مي باشد:

1-ديزل 2-مبدل گشتاور 3-راچت 4-جعبه دندة كمكي 5-كلاچ راه انداز

• مبدل گشتاور دور بالاي ديزل را آرام آرام به محور ساكن توربين منتقل مي كند.
• ديزل براي راه اندازي توربين بكار مي رود. بجاي آن مي توان از الكتروموتور نيز استفاده كرد.
• راچت زمان راه اندازي براي غليه بر اصطكاك، در زمان خاموش براي چرخاندن شفت جهت جلوگيري از خميدگي شفت داغ و در زمان تعميرات براي نصب پره روي ديسك، بكار مي رود.
• كلاچ راه انداز مبدل گشتاور را با جعبه دندة كمكي درگير مي كند.
• جبه دنده كمكي در زمان راه اندازي از ديزل و در زمان كار كرده توربين از محور آن نيرو مي گيرد و توان مورد نياز براي پمپ روغن روغنكاري، پمپ آب براي خنك كاري روغن و موتوز ديزل، پمپ روغن هيدروليك و پمپ گازوئيل را تأمين مي‌كند.

ژنراتور

در استاتور ژنراتور تحريك، توسط جريان باطري، ميدان مغناطيسي ايجاد مي شود. سيم پيچي موتور در اين ميدان مي چرخد و جريان متناوب توليد مي كند و با ديود به جريان مستقيم تبديل مي شود. سيم پيچي روتور ژنراتور با اين جريان ميدان مغناطيسي چرخان ايجاد مي كند و در استاتور جريان متناوب ايجاد مي شود.

سرعت ژنراتور 3000 RPM و روتور آن روي دو ياتاقان ژورنال قرار مي گيرد.

ولتاژ آن 11 KV است كه توسط ترانس به 230 KV تبديل مي شود.

فركانس آن 50 HZ است.

در تحريك استاتيكي جريان DC مستقيماً توسط ذغالهاي به روتور ژنراتور اصلي داده مي شود. استهلاك تحريك ديناميكي كمتر از تحريك استاتيكي است. اما تحريك استاتيكي هزينة اولية كمتري دارد.

ژنراتور بايد توسط هوا خنك شود.

اتاق كنترل

در اتاق كنترل معمولاً هر دو ساعت يكبار اطلاعات زير خوانده و در لاك شيت ثبت مي‌شود:

توان توليدي ژنراتور، ولتاژ و جريان، ولتاژ و جريان تحريك

درجه حرارت ژنراتور، خروجي كمپرسور، ديسكهاي توربين، اگزوز، درجه حرارت روغن

لرزش ياتاقان ها

فشار كمپرسور، سوخت، فيلتر، ياتاقانها، فشار پمپ اصلي روغن، فشار سر نازل سوخت پاش

فيلتراسيون هوا (سيستم هواي ورودي)

سيستم هواي ورودي براي جلوگيري از ورود ذرات معلق در هوا كه از 3/0 تا 300 ميكرون قطر دارند، طراحي شده است. اين ذرات سبب آسيب رساندن به قطعات توربين بصورت خوردگي و f.O.D مي باشند. ضمن آنكه روي پره هاي كمپرسور مي نشيند و سبب تغيير ايرفويل پرة كمپرسور و در نتيجه كاهش دبي جرمي هوا و كاهش راندمان و توان مي گردند. اين سيستم در توربين GEF 5 از قسمتهاي زير تشكيل شده است:

• INLET SCREEW براي جلوگيري از ورود كاغذ، برگ، پرنده و غيره و در ابتداي فيلتراسيون قرار دارد.
• INERTIAL SEPERATOR براي جلوگيري از ذرات سنگين و مطابق شكل زير عمل مي كند.

در اين جدا كننده ذرات درشت داراي مومنتوم بيشتري هستند بنابراين نمي توانند مانند هوا منحرف شوند و به ديوارة انتهايي برخورد مي كنند و در پايين انباشته مي‌شوند. اين جدا كننده بطور خودكار تميز مي گردد.

3-MEDIA PRE-FILTER براي افزايش عمر فيلترهاي نهايي تعبيه مي شود و درصدي از ذرات درشت را مي گيرد. اين فيلتر اختلاف فشار ايجاد مي كند. اگر افت فشار آن بيش از حد متعارف باشد آنرا تعويض مي كنند.

3-HIGH EFFICIENCY FILTER آخرين فيلتري است كه در سيستم هواي وروردي نصب مي گردد. اختلاف فشار دو سر ان بايد اندازه گيري شود و اگر بيشتر از حد معمول باشد بايد تعويض گردد. گاهي اوقات درهاي اضطراري واحد باز مي شوند و هوا بدون فيلتراسيون وارد كمپرسور مي گردد. و اين مربوط به زماني است كه بر اثر يخ زدگي فيلترها مسدود شده باشند.

كمپرسور

كمپرسور هوا را از سيستم هواي ورودي (اتاق فيلتراسيون) مي گيرد و پس از افزايش فشار آن به محفظه احتراق مي دهد. همچنين درصدي از هواي كمپرسور صرف خنك كاري قطعات مختلف توربين و آب بندي ياتاقانها مي شود. در ابتداي كمپرسور پره‌هاي Iniet guide vane(I.G.V) قرار دارند. اين پره ها حول محور خود مي چرخند و مي توانند ورودي كمپرسور را ببندند و مانع ورود هوا شوند.

اين عمل در زمان راه اندازي و خاموش كردن توربين بطور خودكار انجام مي شود. پس از I.G.V پره هاي متحرك قرار دارند. اين پره ها روي شفت كمپرسور نصب شده اند و با چرخش شفت توربين، مي توانند هوا را به جريان اندازند. پس از پره هاي متحرك، پره ثابت قرار دارند. پره‌هاي ثابت روي پوستة كمپرسور نصب شده اند- وظيفة پره هاي ثابت افزايش فشار جريان هواست. بدين صورت كه وقتي هوا با سرعت وارد كانال رديف ثابت مي شود، مسير كانال بازتر مي شود و طبق خواص سيال، سرعت آن كم مي شود و فشار آن بالا مي رود در نتيجه پس از عبور از رديف ثابت، هواي فشرده با سرعت كم به رديف متحرك دوم مي رسد و در آنجا روي سيال كار انجام مي شود و سرعت مي گيرد و پس از رديف ثابت مجدداً فشار آن بالا مي رود.

اين پروسه در 15 تا 17 مرحله انجام مي گيرد. به عبارت ديگر بسته به نوع توربين 15 تا 17 مرحله پره هاي ثابت و متحرك در كمپرسور قرار دارد. در انتهاي كمپرسور، سيال همچنان اندكي سرعت دارد. براي تبديل اين سرعت به فشار، دو رديف پرة ثابت تعبيه شده است. به اين دو رديف Exit guide vane(E.G.V) مي گويند. پس از آن هواي كمپرسور وارد محفظه اي مي گردد كه لاينرها و ترانزيشن پيس ها قرار دارند. از مراحل مياني كمپرسور براي خنك كاري قطعات مختلف توربين هوا خارج مي شود. همچنين براي جلوگيري از لرزش و خفگي كمپرسور در زمان راه اندازي و خاموش كردن از مراحل مياني كمپرسور توسط Bleed valve هوا وارد اگزوز مي شود. دماي هواي خروجي كمپرسور حدوداً 350 درجة سانتي گراد و فشار آن حدوداً 12 اتمسفر است. دبي هواي GEF9E حدوداً 4000 كيلوگرم در ثانيه است.

محفظه احتراق

در طرحهاي كرافت و BBC به ترتيب 2 و يك محفظة احتراق در كنار توربين قرار مي گيرد و هواي كمپرسور در آنجا توسط سوخت داغ مي شود و انرژي آن بالا مي رود و به توربين مي رود. در طرحهاي جنرال الكتريك و وستينگهاوس بسته به مدل توربين 10 تا 18 عدد لاينر و ترانزيشن پيس در اطراف شفت در داخل توربين قرار مي گيرد. در هر لاينر ابتدا توسط نازل سوخت پاش، سوخت به داخل لاينر اسپري مي شود و در آنجا با هواي فشرده كه از سوراخهاي اطراف لاينر وارد مي شود، مخلوط مي گردد. در دو لاينر، جرقه زن (Spark) قرار دارد كه توسط آنها سوخت شعله ور مي شود، و شعله از طريق كراس فاير تيوب به لاينرهاي ديگر انتقال مي يابد.

در بدنه لاينر سوراخها و شكافهايي ايجاد شده است كه هوا از آنها عبور مي كند و يك لاية خنك، روي ديوارة داخلي لاينر ايجاد مي كند. دو انتهاي لاينر سوراخهايي در ديوارة تعبيه شده است كه مي توانند هواي خروجي كمپرسور را وارد لاينر كنند و دماي گازهاي حاصل از سوخت را كاهش دهند. در روي دو لاينر شعله بين تعبيه شده است چنانچه در لاينر شعله نباشد، شعبه بينسيگنالي توليد مي كند و فرمان قطع سوخت مي دهد. بدين ترتيب واحد خاموش مي شود. براي بهتر شدن احتراق، لازم است سوخت به قطرات ريز تبديل شود. براي اين كار در برخي از توربينها متمايز بكار رفته است.

اتمايزر هواي فشرده را وارد سوخت مي كند و پس از آن وارد نازل سوخت پاش مي شود در برخي از توربينها، نازل انژكتوري بكار رفته است. در هر دو روش مي توان سوخت را بصورت مد در آورد و راندمان احتراق را بالا برد. گازهاي حاصل از احتراق پس از لاينر وارده ترانزيشن پيس مي شود و پس از عبور از آن به نازل مرحلة اول توربين مي رسد. در GEF9 در ابتداي محفظة احتراق دماي هوا حدوداً 350 درجة سانتي گراد و فشار آن حدوداً 12 بار است. در انتهاي محفظة احتراق دماي آن حدوداً 1100 درجه سانتي گراد و فشار آن همان 12 بار است. اين دما صورتي از انرژي داخلي سيال است كه در مراحل توربين به كار مكانيكي تبديل مي شود.

توربين

توربين انرژي داخل گاز را تبديل به انرژي مكانيكي مي كند. براي انجام اين پروسه گاز داغ از ارز وارد نازل مرحلة اول مي شود. سطح مقطع ورودي نازل بيشتر از سطح مقطع خروجي آن است در نتيجه گاز افزايش مي يابد و دما و فشار آن كم مي شود. همچنين در نازل جهت گاز تغيير مي كند. در ابتداي نازل سيال هم راستاي محور توربين وارد مي شود و در انتهاي آن با زاويه تقريبي 70 درجه خارج مي شود. اين انحراف براي برخورد مناسب با پره مورد نياز است. هواي خروجي كمپرسور به محفظة پشت retaining ring مي رود و از آنجا وارد نازلهاي رديف اول مي شود و آنرا خنك مي كند. گازهايي كه از نازل خارج مي شوند با سرعت زياد به پرة متحرک رديف اول مي خورند. به سبب انحناي پره جهت حركت سيال عوض مي شود و اين تغيير جهت را عكس العمل پره ايجاد مي كند به عبارت ديگر به سبب