اصول کار توربین گازی

اصول کار توربین گازی

توربین های گازی قدرت خود را از سوختن سوخت در یک محفظه احتراق به دست می آورند و تقریباً همان طوریکه بخار تحت فشار بالا، موجب رانش توربین بخار می شود، شارش سریع گازهای حاصل از احتراق منجر به رانش توربین می شود. یک توربین گازی ساده از سه بخش اصلی تشکیل شده است:
کمپرسور ، محفظه احتراق و توربین قدرت
توربین گازی طبق اصل چرخه ی برایتون کار می کند که در آن مخلوط سوخت و هوای فشرده تحت شرایط فشار ثابت می سوزد. درنتیجه گاز داغ با نبساط در میان توربین قدرت منجر به ایجاد کار شود.

بنا بر اصل توربین گازی، در ابتدا یک گاز عامل(هوا) توسط کمپرسور فشرده می شود و به واسطه ی انرژی حاصل از احتراق سوخت گرم می شود. فشار و دمای گاز عامل  بالا می رود و توربین انرژی گازعامل را در تعامل بین گاز و پره ها به انرژی چرخشی پره ها تبدیل می کند.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است ، دو نوع توربین گازی وجود دارد. یکی سیکل باز(داخلی) و دیگری سیکل  بسته(خارجی). اجزای اصلی هر دو نوع شامل، کمپرسور هوا، محفظه احتراق و توربین می باشد. توربین گازی به جهت به کار گیری احتراق پیوسته،  در تقابل با موتور درون سوز، می تواند شارش گاز بزرگتری را مدیریت کند. بنابراین توربین گازی به عنوان یک موتور با توان بالا مناسب است. توربین گازی هواپیماها( که موتور جت نامیده می شود) از این مزیت استفاده می کند.

همانطور که در ابتدای فصل گفته شد، توربین گازی بر اساس چرخه ی برایتون کار می کند و یک تغییر در این چرخه پایه اضافه شدن یه بازگردان است. یک توربین گازی با یک بازگردان(مبدل گرمایی) بخشی از انرژی گاز خروجی را  جهت پیش گرم کردن هوای ورودی به  محفظه احتراق باز پس می گیرد. این چرخه معمولاً برای توربین های با ضریب فشار پایین به کار می رود، و گاز داغ حاصل اجازه پیدا می کند جهت انجام کار در میان توربین منبسط شود. در یک توربین گازی با راندمان 33% تقریباً 2/3 از این کار صرف فشرده کردن هوا می شود و بقیه برای کارهای دیگر همچون رانش مکانیکی یا تولید الکتریسیته در دسترس است. شکل 1 شماتیکی از این اصل را نشان می دهد.

توربین گازی
تصویر 1

درتوربین های گازی با ضریب فشار بالا، می توان یک خنک کننده داخلی استفاده کرد که با خنک کردن هوا بین مراحل فشرده سازی ، به شما امکان می دهد سوخت بیشتری بسوزانید و تولید قدرت بیشتری داشته باشید. مد نظر داشته باشید فاکتور محدود کننده ی مقدار سوخت ورودی، دمای گاز داغ تولیدی است که ناشی از متالوژی نازل مرحله ی اول و پره های توربین است که با پیشرفت تکنولوژی مواد این محدودیت فیزیکی پیوسته در حال صعود است. شکل 2 و 3 یک توربین گازی با به کارگیری خنک کننده ی داخلی( مبدل گرمایی) را نشان می دهد، در حالیکه شکل 4 یک توربین گازی با استفاده از باز گرمکن را معرفی می کند.

توربین گازی
تصویر 2
توربین گازی
تصویر 3
توربین گازی
تصویر 4

توربین گازی به جهت به کار گیری احتراق پیوسته،  در تقابل با موتور درون سوز، می تواند شارش گاز بزرگتری را مدیریت کند. پس توربین گازی به عنوان یک موتور پرقدرت مناسب است. توربین گازی هواپیماها( که موتور جت نامیده می شود) از این مزیت استفاده می کند.

به طور معمول توربین گازی به دو دسته ی ذیل تقسیم بندی می شود:

  • توربین گازی چرخه باز
  • توربین گازی چرخه بسته

 

هر دو این چرخه ها در شکل 5 معرفی شده اند.

توربین گازی
تصویر 5

همان طور که گفته شد در مورد نیروی محرک موتور جت، قدرت خود را از سوختن سوخت داخل محفظه احتراق و  درست مانند روشی که بخار فشار بالا، توربین بخار را می راند، با به کار گیری شارش  سریع گاز های حاصل از احتراق برای راندن توربین کسب می کنند. شکل 6 را ببینید.

در این میان یک تفاوت عمده این است که توربین گازی دارای یک توربین دوم به عنوان کمپرسور هوا روی شفت مشترک می باشد. توربین هوا(کمپرسور) هوا را هدایت ، فشرده و با فشار بالا  درون محفظه احتراق تغذیه شده و میزان احتراق در محفظه احتراق را افزایش می دهد.

این یک مکانیسم فیدبک مثبت است که با بالا رفتن سرعت توربین گازی متعاقبا سرعت کمپرسور بالا می رود و بالطبع سبب ورود هوای بیشتر به درون محفظه احتراق و به نوبه ی خود افزایش نرخ سوختن سوخت، ارسال گازهای داغ با فشار بسیار بالا در توربین گازی وافزایش سرعت بیش از پیش آن می شود. از چرخش افسارگسیخته ی توربین، به وسیله ی کنترل خط تغذیه ی سوخت که میزان سوخت تغذیه شده به توربین را محدود می کند و در نتیجه موجب محدود شدن سرعت آن می شود.

توربین گازی
تصویر 6

پروسه ی ترمودینامیکی استفاده شده برای توربین گازی چرخه ی برایتون نام دارد که مشابه چرخه ی کارنو در آن، راندمان با افزایش اختلاف دمای سیال عامل بین ورودی و خروجی ماشین بیشینه می شود. یک توربین گازی از سه جزء مهم تشکیل شده است. کمپرسور ، محفظه احتراق و توربین توان. سیال عامل  (هوا) ، در داخل کمپرسور فشرده می شود(فشرده سازی Adiabatic  –بدون اضافه یا کم کردن گرما) سپس با سوخت مخلوط می شود و تحت شرایط نسبت ثابت فشار در محفظه ی احتراق می سوزد. در نتیجه گاز داغ در میان توربین برای انجام کارمنبسط می شود(انبساط Adiabatic  ). بیشتر قدرت تولید شده در توربین صرف چرخش کمپرسور میشود و بقیه صرف چرخش تجهیزات کمکی و انجام کار مفید می شود. این یک سیستم باز است زیرا هوا داغ خروجی مجددامصرف نمی شود و بنابراین گام چهارم چرخه یعنس “خنک سازی سیال عامل” حذف گردیده است. توربین گازی دارای نسبت قدرت به وزن بالایی می باشد و کوچکتر و سبکتر از موتورهای درون سوز با قدرت مشابه هستند. مشخصه سرعت بالا و دمای کاری بالای آن، نیاز به اجزای با دقت بالا و مواد خاص دارد که ساختن آنها را برای سازنده بسیار گران می سازد. شکل7 را نگاه کنید.

تصویر 7

یک مزیت بزرگ توربین های گازی انعطاف پذیری در سوخت آنها است.  ای توربین ها می توانند برای استفاده از تقریباً هر گاز اشتعال پذیر یا فرآورده ی نفتی تقطیر سبک  از جمله بنزین، گازوئیل و نفت سفید(پارافین) که به صورت محلی در دسترس است سازگار شوند. اگر چه گاز طبیعی متداولترین سوخت استفاده شده است.نفت خام و دیگر مواد نفتی سنگین نیز می توانند به عنوان سوخت توربین ها به کارروند. توربین های گازی می توانند در محدوده ی گسترده ای از تولید قدرت به کار گرفته شوند.  مثال هایی از کاربرد های توربین گازی وجود دارد که از یک توربین گازی 400MW  ، که در یک ایستگاه تولید همزمان به یک توربین بخار 200MW  کوپل شده، 600MW  یا بیشتر قدرت ارائه می کند. چنین ایستگاه هایی معمولا برای تولید ریان الکتریسیته مورد استفاده قرار نمی گیرند ولی برای رساندن قدرت به سایت های دورافتاده مثل سایت های نفتی و گازی کاربردی است. با این حال نقش عمده ای را در استفاده برای فراهم کردن برق مورد نیاز جهت جبران کمبود توان شبکه ی برق در زمان پیک مصرف را پیدا می کنند. تولید مجموعه توربین گازی توان پایین با ظرفیت حداکثر 5MW  با قابلیت حمل و نقل در کانتینرها  امکان ایجاد یک منبع تولید برق اضطراری  قابل حمل جهت انتقال از کامیون به هر نقطه ای که مورد نیاز است را فراهم می آورد.