عنوان :

پروژه بررسی و انتخاب توربین های گازی

تعداد صفحات :۱۵۵

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

تحقیق حاضر به تاریخچه توربین گازی، اهداف توسعه توربینهای گازی پیشرفته، کاربردهای توربین گازی، اجزای اصلی توربین گازی، بررسی زیست محیطی، بهره برداری از توربین گازی، تعمیرات توربین گازی، کلیاتی در رابطه با بهره برداری از توربینهای گازی، آمار و مشخصات نیروگاههای گازی ایران، بررسی نمونه هایی از توربینهای گازی برخی شرکتهای سازنده و استانداردهای موجود در زمینه توربینهای گازی می پردازد.
کاربردهای توربین گازی در صنعت، به طور کلی به دو شاخه اصلی تقسیم می شود.
الف- توربینهایی که در صنعت هواپیمایی استفاده می شود؛
ب- توربینهایی که در سایر صنایع به کار برده می شود.
این دو گروه به دلیل متفاوت بودن از نظر کاربری، نکات متمایزی را در طراحی توربین گازی به وجود می آورند. موارد زیر را به عنوان شاخصهای اصلی می توان نام برد:
الف- اجزای توربینهای گازی صنعتی معمولاً برای حدود یکصد هزار ساعت کار طراحی می شود در حالی که برای توربینهای صنایع هواپیمایی، شاخصهای دیگری مطرح است.
ب- ابعاد هندسی و وزن، برای توربینهای گازی صنعتی اهمیت زیادی ندارد، اما توجه به این دو مشخصه در طراحی توربینهای گازی مورد استفاده در صنایع هوایی حائز اهمیت است؛
ج- از انرژی جنبشی دود خروجی توربینهای صنایع هوایی، استفاده می شود، در حالی که در توربینهای صنعتی، این انرژی تلف می گردد. لذا لازم است انرژی جنبشی تولید شده در توربینهای گازی صنعتی، تا حد ممکن کاهش یافته و کنترل گردد.
اگرچه موارد ذکر شده تفاوتهایی اساسی را در طراحی به وجود می آورد اما سرمایه گذاری و نتایج تحقیقات انجام شده در صنایع هواپیمایی، در سایر صنایع مرتبط با توربینهای گازی صنعتی نیز، بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. طوری که با اصلاحات و تغییرات انجام گرفته روی مدلهای مختلف، انواع پیشرفته تر و با کارایی بالاتری طراحی و ساخته می شود. تفاوتهای این دو نوع توربین گازی، بیشتر در سیستم یاتاقان، محفظه احتراق مناسب برای مصرف سوختهای ارزان قیمت، توربین قدرت و سیستم کاهش سرعت برای بهره برداری در بارهای پایین است.
واژه های کلیدی: توربین گازی، کاربرد، اجزای اصلی، بهره برداری، استانداردها

 فهرست مطالب

فصل ۱ تاریخچه توربین گازی
۱-۱ تاریخچه توسعه توربین گازی
۲-۱ بررسیهای اولیه توربین گازی از دیدگاه ترمودینامیک و فناوری.
فصل ۲ اهداف توسعه توربینهای گازی پیشرفته
۱-۲ اهداف مهم در روند توسعه توربینهای گازی پیشرفته
۲-۲ توربینهای گازی پیشرفته امروزی
۳-۲ سیکل باز توربین گازی تک محوری و دو محوری
۴-۲ توربین گازی با کمپرسور با نسبت فشار بالا
۵-۲ توربین گازی با سیکل بسته و مزایای آن
فصل ۳ کاربردهای توربین گازی
۱-۳ مقدمه
۲-۳ استفاده از توربین گازی در صنایع نفت و گاز
۱-۲-۳ انتقال و پمپ کردن سوخت
۲-۲-۳ پشتیبانی فشار مخازن
۳-۲-۳ تصفیه و پالایش
۳-۳ استفاده از توربین گازی در صنایع حمل و نقل
۴-۳ کاربرد توربین گازی در تولید انرژی الکتریکی
۵-۳ توربینهای گازی با تولید محدود انرژی الکتریکی
۶-۳ استفاده از توربین گازی در سیکلهای ترکیبی
۷-۳ کاربردهای احتمالی توربین گازی در آینده
فصل ۴ اجزای اصلی توربین گازی
۱-۴ کمپرسور
۲-۴ محفظه احتراق
۱-۲-۴ مقدمه
۲-۲-۴ محدوده کارآیی پارامترهای فیزیکی در محفظه احتراق
۳-۲-۴ سوخت
۴-۲-۴ وضعیت تقاضا برای شرایط کاری بهینه محفظه احتراق
۳-۴ توربین
۱-۳-۴ مقدمه
۲-۳-۴ مواد به کار رفته در پره های توربین گازی
۳-۳-۴ خنک کردن پره های توربین گازی
۱-۳-۳-۴ خنک کردن با هوا
۲-۳-۳-۴ خنک کردن با آب
۴-۴ انواع سیکلهای توربین گازی
۱-۴-۴ سیکل باز مستقیم
۲-۴-۴ سیکل باز غیرمستقیم
۳-۴-۴ سیکل بسته مستقیم
۴-۴-۴ سیکل بسته غیرمستقیم
۵-۴ بررسی اثر سیالهای مختلف بر کارآیی سیکل توربین گازی
۶-۴ اثر درجه حرارت هوا بر کارآیی سیکل توربین گازی
۷-۴ اثر دمای ورودی توربین بر کارآیی توربین گازی
۸-۴ اصلاح سیکل توربین گازی با هدف افزایش تولید توان
فصل ۵ بررسی زیست محیطی
۱-۵ مقدمه
۲-۵ کاهش دادن تولید NOX
۳-۵ روشهای مورد استفاده برای کاهش NOX
۱-۳-۵ کاهش دمای شعله
۲-۳-۵ نصب سیستم SCR
۴-۵ حرارت تلف شده
۵-۵ صدا
فصل ۶ بهره برداری از توربین گازی
۱-۶ مقدمه
۲-۶ راه اندازی توربین گازی
۳-۶ بارگیری از توربین گازی
۴-۶ بهره برداری بهینه از توربین گازی
۵-۶ متوقف کردن توربین گازی
فصل ۷ تعمیرات توربین گازی
۱-۷ مقدمه
۲-۷ تعمیرات در حال بهره برداری
۱-۲-۷ شستن کمپرسور
۲-۲-۷ فیلتر هوای ورودی
۳-۲-۷ سوختهای سنگین
۴-۲-۷ سایر اجزای واحد
۳-۷ تعمیرات میان دوره ای
۱-۳-۷ مشعلها
۲-۳-۷ سیستم سوخت
۳-۳-۷ اجزای اصلی
۴-۳-۷ مسیرهای ورودی هوا و خروجی دود
۵-۳-۷ روغن و مخزن روغن
۴-۷ تعمیرات اساسی
۱-۴-۷ پره های متحرک توربین
۲-۴-۷ پوسته های توربین
۳-۴-۷ محور توربین
۴-۴-۷ آثار دمایی
۵-۴-۷ ترک یابی
۶-۴-۷ خوردگی فیزیکی
۷-۴-۷ خوردگی شیمیایی
۸-۴-۷ یاتاقانهای شعاعی و محوری
۹-۴-۷ مبدل حرارتی
۵-۷ راه اندازی پس از تعمیرات اساسی
فصل ۸ کلیاتی در رابطه با بهره برداری از توربینهای گازی
۱-۸ ارزیابی نکات مثبت در بهره برداری از توربینهای گازی
۲-۸ سوخت
۱-۲-۸ گاز طبیعی
۲-۲-۸ گازوئیل
۳-۲-۸ مازوت
۳-۸ سیستمهای ورودی هوا
۴-۸ روشهای شستشوی کمپرسور
۵-۸ اهمیت به کارگیری گاز تمیز
۶-۸ خروجی توربین گازی
۷-۸ قابلیت اطمینان و قابلیت دسترسی توربین گازی
فصل ۹ آمار و مشخصات نیروگاههای گازی ایران
۱-۹ آمار و مشخصات برخی واحدهای گازی ایران
۲-۹ بررسی اجمالی برخی ویژگیهای واحدهای گازی ایران
فصل ۱۰ بررسی نمونه هایی از توربینهای گازی برخی شرکتهای سازنده
۱-۱۰ مقدمه
۲-۱۰ توربینهای گازی شرکت جنرال الکتریک
۳-۱۰ توربینهای گازی شرکت زیمنس
۴-۱۰ توربینهای گازی شرکت ABB
۵-۱۰ توربینهای گازی شرکت هیتاچی
۶-۱۰ مقایسه فنی و اقتصادی برخی مدلهای توربین گازی
فصل ۱۱ استانداردهای موجود در زمینه توربینهای گازی
۱-۱۱ استانداردهای ملی
۲-۱۱ استانداردهای بین المللی
۱-۲-۱۱ استاندارد ISO
۲-۲-۱۱ استاندارد IEC

فهرست منابع

۱- سیکل توربین گازی و کاربردهای آن در تولید انرژی الکتریکی تألیف دکتر محمدرضا انصاری
۲- تئوری توربینهای گازی و موتورهای جت ترجمه و تألیف سید محمد نبوی
و سایتهای اطلاعاتی
شرکت ABB
شرکت جنرال الکتریک
شرکت زیمنس
انجمن مهندسین برق و الکترونیک آمریکا
انجمن بین المللی الکتروتکنیک
شرکت هیتاچی
مؤسسه تخصصی توربینهای گازی
انجمن ملی استاندارد آمریکا
مؤسسه بین المللی استاندارد

فصل اول :

تاریخچه توربین گازی

۱-۱  تاریخچه توسعه توربین گازی

به طور مختصر، تاریخچه اولین آزمایشها روی توربین گازی را تا حدود دهه ۱۹۶۰ می توان به صورت زیر خلاصه کرد:

۱۵۰ سال پیش از میلاد: الکساندریا توربین هوای داغ را برای حرکت درآوردن اجسامی در جشنهای مذهبی ساخت.

سال ۱۵۱۰ میلادی: لئوناردداوینچی توربین هوای داغ را به شکل میله ای در وسط دودکش ترسیم کرد که بعدها به عنوان وسیله ای برای چرخاندن و سرخ کردن گوشت به کار گرفته شد.

سال ۱۷۹۱: جان باربر انگلیسی مشخصات توربین گازی را با ارائه دادن الگوی سیکل ترمودینامیکی آن، توصیف کرد و آن را برای استفاده در سیستمهایی از نوع موتور جت پیشنهاد نمود.

سال ۱۸۰۷: جورج کالی موتور هوای داغ از نوع عکس العملی را اختراع کرد (به همین شکلی که در سیکلهای بسته جدید توربین گازی استفاده می شود).

سال ۱۸۱۸: جیمز ژول فیزیکدان انگلیسی، تئوری سیکل توربین گازی را بررسی و ارائه داد که با نام سیکل ژول معروف است.

سال ۱۸۲۴: کارنو مقدمات اولیه تئوری موتور را تهیه کرد.

سال ۱۸۲۷: رابرت استرلینگ برای موتورهایی که در سیکل هوای داغ کار می کنند، مبدل حرارتی اختراع کرد.

سال ۱۸۳۷: برسون اولین توربین گازی با کمپرسور چرخشی را طراحی کرد.

سال ۱۸۴۶: بوردن استفاده از کمپرسور و توربین چند مرحله ای را پیشنهاد کرد.

سال ۱۸۷۲: استالز اولین توربین گازی امروزی را طراحی کرد. آزمایشات انجام شده روی این توربین نشان داد که به دلیل کارایی پایین اجزای مختلف، برای به حرکت درآوردن ماشین یا موتورهای دیگر مناسب نیست.

سال ۱۸۸۴: چارلز پارسون طراحی توربین گازی را با جزئیات بیشتری ارائه داد.

سال ۱۹۰۲: موس دستگاه آزمایش توربین گازی را در دانشگاه کرنل نصب کرد.

سال ۱۹۰۵: بوچی سوتر توربو شارژ با موتور احتراق داخلی را اختراع کرد.

سال ۱۹۰۵: سوسیتی اولین توربین گازی را که ۴ درصد کارایی داشت در پاریس راه اندازی کرد.

سال ۱۹۰۸: هلزورس اولین توربین گازی با ججم ثابت را ساخت.

سال ۱۹۰۸: کاراودین اولین توربین گازی با کارایی ۸/۲ درصد را ساخت.

سال ۱۹۲۰: شرکت تیسن توربین گازی هلزورس را به عنوان موتور قطار ایالتی به کار برد.

سال ۱۹۳۰: فرانک ویتال اولین طرح توربین گازی جت را ارائه داد.

تا سال ۱۹۳۶ تغییرات مختلفی در طراحی توربین گازی انجام شد و پس از آن، بیشترین تغییرات در راستای بهینه سازی و افزایش کارایی سیکل توربین گازی بوده است.

سال ۱۹۳۶: توربین گاز در پالایشگاه مارکس هوک در امریکا به کار برده شد.

در همین سال، اولین هواپیما با موتور توربو جت در آلمان به پرواز درآمد. در سویس توربین گازی قدرت را براون باوری آزمایش کرد.

سال ۱۹۴۰: توربین گازی با سیکل بسته به کار گرفته شد.

سال ۱۹۴۱: هواپیما با موتور توربین گازی ساخت ویتال به پرواز درآمد. لوکوموتیو با موتور توربین گازی ساخت براون باوری آزمایشهای اولیه را به پایان رسانید.

سال ۱۹۴۷: اولین کشتی جنگی با توربین گازی به کار گرفته شد.

سال ۱۹۴۸: توربین گازی با سیکل نیمه باز در سویس آزمایش شد.

سال ۱۹۵۰: اتومبیل با موتور توربین گازی در شرکت رور آزمایش شد.

سال ۱۹۵۲: عبور از اقیانوس اطلس با کشتی مجهز به موتور توربین گازی توسط هوستون تامسون انگلیسی، انجام شد.

سال ۱۹۵۶: سیکل بسته با سوخت پودر زغال آزمایش شد.

سال ۱۹۵۹: رزمناو نیروی دریایی سلطنتی انگلیس، با بکارگیری سیکل ترکیبی بخار و توربین گاز آزمایش شد.

نیروی دریایی امریکا کشتی با موتور توربین گازی را آزمایش کرد.

توربین گازی برای تولید الکتریسیته و هوای فشرده برای تصفیه فاضلاب، توسط رستون و هورنسبی به کار گرفته شد.

شرکت برق انگلیس، توربین گازی قابل کنترل از راه دور را آزمایش کرد.

سال ۱۹۶۰: جنرال الکتریک واحد ترکیبی بخار و گاز را به کار گرفت.

سال ۱۹۶۱: انگلیسیها هاور کرافت با موتور توربین گاز را به کار گرفتند.

سال ۱۹۶۲: شبکه تولید برق انگلستان، واحدی گازی با ظرفیت ۵/۱۷ مگاوات را آزمایش کرد.

سال ۱۹۶۳: اتومبیل مجهز به توربین گازی جایزه مخصوص مسابقه ۲۴ ساعته لیمانس را دریافت کرد.

سال ۱۹۶۶: توربین گازی در سکوهای نفتی به کار گرفته شد.

۲-۱ بررسیهای اولیه توربین گازی از دیدگاه ترمودینامیک و فناوری

توربین، یکی از سیستمهایی است که از سالها پیش در تولید انرژی الکتریکی نقش مؤثری داشته است. توربین، نخستین بار در تولید قدرت ئیدروالکتریک – که هنوز هم به صورتی فعال به عنوان یکی از منابع تولید انرژی در جهان مورد استفاده قرار می گیرد – به کار برده شده است. از اوایل قرن بیستم بهره برداری از توربین بخار آغاز شده و در موارد متعددی به ویژه نیروگاهها، به عنوان موتور اصلی برای تولید برق مورد استفاده قرار گرفته است. علی رغم کارایی خوب و توسعه موفقیت آمیز توربین بخار، هنوز نقاط ضعفی در این سیستم وجود دارد که از آن جمله، تأسیسات عظیم و هزینه بر تولید بخار در فشار و درجه حرارت بالا را در نیروگاههای فسیلی و راکتورهای هسته ای می توان نام برد. در این نوع نیروگاهها، گازهای داغ حاصل از کوره، هرگز به توربین نمی رسد، بلکه انرژی موجود صرف گرم کردن سیّال عامل دیگری می شود که عموماً بخار است. حال اگر در نیروگاه، مرحله سیکل تبدیل آب به بخار حذف شود، مسلماً اندازه نیروگاه کوچک شده و گازها داغ،‌ در تماس مستقیم با توربین خواهد بود. بدین منظور، ساخت توربین گازی از اوایل جنگ جهانی دوم شروع شده و به سرعت توسعه یافت، اما در آن زمان بیشتر توجه به کاربرد آن به عنوان موتور توربوجت در صنایع هواپیمایی معطوف شد. در سالهای بعدی توربین گازی در بسیاری از زمینه ها مورد استفاده قرار گرفت. از آنجا که سیّال عبوری از توربین منبسط می شود نسبت فشاری باید تأمین گردد. لذا نخستین گام در واحد سیکل گازی، تراکم سیّال عامل است. این کار معمولاً در کمپرسور انجام می شود. اگر قرار باشد سیّال عامل متراکم مستقیماً در توربین انبساط پیدا کند و هیچ تلفات یا اصطکاکی را در نظر نگیریم، در این صورت توان حاصل از توربین، با کار جذب شده توسط کمپرسور معادل است. حال اگر کمپرسور و توربین از طریق محور به یکدیگر کوپل شده باشند، انرژی اضافه ای حاصل نشده و فقط صرف چرخاندن محور خواهد شد. اگر بتوانیم پیش از انبساط در توربین، مقداری انرژی را به سیّال عامل مثلاً با افزایش درجه حرارت اضافه کنیم، در این صورت توان گرفته شده از توربین بیش از کار مصرف شده توسط کمپرسور خواهد بود. اگر سیّال عامل هوا باشد، این کار با احتراق سوخت در هوا – که متراکم نیز شده است – براحتی امکانپذیر است. افزایش فشار سیال عامل در کمپرسور و افزایش دمای آن از طریق احتراق انجام می شود و در نتیجه، سیال عامل، انرژی بیشتری را حمل می کند. این مقدار انرژی، نه تنها کار مصرف شده در کمپرسور را جبران می کند، بلکه مقداری انرژی نیز در خروجی تولید خواهد کرد. این انرژی اضافی به صور مختلفی قابل استفاده است. با توجه به مطالب گفته شده، برای تولید انرژی به سه جزء اصلی یعنی کمپرسور، محفظه احتراق و توربین – که در یک سیکل قرار می گیرند – نیاز است. در عمل به دلیل وجود اصطکاک و تلفات در کمپرسور و توربین، کار جذب شده (تلف شده) در محور افزایش یافته و مقدار انرژی تولیدی کاهش می یابد، در نتیجه کارایی سیستم نیز کاهش می یابد. با افزایش مصرف سوخت، اگرچه انرژی تولیدی خالص در خروجی افزایش می یابد، اما این افزایش انرژی تولیدی، دارای محدودیتی است که به جریان هوای داده شده بستگی دارد. حداکثر نسبت سوخت به هوای احتراق، را دمای کارکرد ورودی توربین تعیین می کند. این دما از حدی بحرانی که مقدار معینی دارد نباید تجاور کند. این حد با نام مقاومت خزشی مواد به کار رفته شناخته شده و در ساختمان و طول عمر توربین نقش بسزایی ایفا می کند.

دمای کارکرد توربین و کارایی اجزای سیکل، دو عامل اصلی در کارایی توربین گازی می باشند. افزایش این عوامل، افزایش تولید و همچنین افزایش کارایی سیکل را نتیجه می دهد. در سالهای اولیه به دلیل استفاده از اجزا و مواد نامناسب، سیکل توربین گازی فقط می توانست محور را بچرخاند و توان اضافی قابل توجهی تولید نمی شد. اما با گذشت زمان و توسعه علوم آیرودینامیک و مواد، شرکتهای سازنده موفق به ساخت توربینهایی پیشرفته شدند طوری که امروز، توربینهای گازی با نسبت فشار ۳۵:۱، کارایی اجزای ۸۵ تا ۹۰ درصد و دمای ورودی توربین تا K 1650 در حال بهره برداری است.

در سالهای نخست ساخت توربین گازی، دو روش فشار – ثابت و حجم – ثابت برای اجرای واکنش احتراق ارائه داده شد. اگرچه از دیدگاه نظری، در سیکل با واکنش حجم – ثابت، کارایی حرارتی بالاتر است اما مشکل مکانیکی و اجرایی بیشتری وجود دارد. در واکنش حجم – ثابت حرارت دادن به شیرهایی نیاز دارد که توربین و کمپرسور را از محفظه احتراق جدا کرده و عملکرد پایداری را در سیستم به اجرا درآوردند. اگرچه کارهای موفقیت آمیزی از سازنده های آلمانی در اوایل قرن بیستم ارائه داده شد، اما این روش ادامه نیافت. در روش فشار – ثابت واکنش احتراق به طور پیوسته انجام می شود و شیر جدا کننده مورد نیاز نیست. این روش موفق بود و به همین دلیل در سالهای بعدی بسرعت پیشرفت کرد. لازم است ذکر شود که واکنشهای تراکم، احتراق و انبساط در یک قسمت از سیکل توربین گازی انجام نمی شود بلکه هر واکنش در جزء متفاوتی انجام می گیرد. این اجزا که کمپرسور، محفظه‌ احتراق و توربین است، هر سه واکنش را در سیکلی پیوسته به وجود می آورند. ناگفته نماند که سیکل توربین گازی به این سه جزء محدود نیست بلکه می تواند شامل کمپرسور و توربینهای مختلفی باشد. سایر بخشها شامل کولرهای خنک کننده بین کمپرسورها، مبدلهای حرارتی بین توربینها یا مبدلهای حرارتی برای گرم کردن هوای ورودی به محفظه احتراق است. این اجزا برای افزایش کارایی توربین گازی در سیکل قرار می گیرد که البته پیچیدگی بیشتری را برای سیکل توربین گازی به دنبال خواهد آورد. علاوه بر انواع اجزای مورد استفاده در سیکل، دو نوع سیکل باز و بسته قابل بررسی است که در قسمتهای بعدی توضیح داده خواهد شد.

در دهه های اخیر، تقاضا برای افزایش کارایی، موجب طراحی سیکلهای ترکیبی گاز و بخار شد که بدون افزایش سوخت، ظرفیت تولیدی را افزایش می دهند. به عنوان مثال یکی از انواع پیچیده سیکل ترکیبی، به کارگیری سیکل واحد گازی در نیروگاه هسته ای و دیگ بخار است. حرارت تولید شده در نیروگاه هسته ای در راکتور اتمی، از طریق نوعی مبدل به سمت توربین گازی هدایت شده و پس از خروج از توربین گازی، به دلیل داشتن اکسیژن کافی، در دیگ بخار مصرف می شود. اگرچه این نوع سیکلها، ویژگی کوچک بودن توربین گازی را ندارند، اما کارایی حدود ۵۰ درصد به راحتی حاصل می شود.

در سالهای اخیر توربین گازی توسعه زیادی یافته و کاربردهای مختلفی یافته است. توربین گازی در تولید انرژی الکتریکی، صنایع هواپیمایی، صنایع حمل و نقل زمینی و دریایی، انتقال نفت و گاز و غیره مورد استفاده قرار می گیرد. در این مبحث کاربرد توربین گازی در تولید انرژی الکتریکی با تفصیل بیشتری بررسی می شود. اگرچه از توربین گازی در سایر صنایع به طور گسترده ای استفاده می شود.

فصل دوم :

اهداف توسعه توربینهای گازی پیشرفته

۱-۲  اهداف مهم در روند توسعه توربینهای گازی پیشرفته

عامل اصلی توسعه توربینهای گازی با توان و کارایی بالا، دسترسی به گاز طبیعی تمیز با قیمت ارزان است. اما خروج گاز با درجه حرارت بالا از خروجی توربین – که پیامد آن، کاهش کارایی سیکل است – متخصصان مربوط را بر آن داشته که سیکلهای ترکیبی را مطرح کنند تا گاز با درجه حرارت بالا، در محفظه دیگری موسوم به مبدل بازیاب حرارتی بخار (HRSG) استفاده شود. در این حالت، سیکل ترکیب شده کارایی بالاتری دارد. این نوع سیکلها، با داشتن کارایی بالاتر از سیکلهای عادی با سوخت زغالسنگ و همچنین داشتن ویژگی کاهش آلودگی محیط زیست، سهم بزرگی در تولید برق در شبکه ها بر عهده دارند. محدودیت استفاده از گاز طبیعی در نیروگاهها با قیمت ارزان و فشارهای سیاسی در جهت مصرف آن برای تولید انرژی الکتریکی، از عواملی است که استفاده کلان از توربین گازی را به طور گسترده ای با مشکل رو به رو کرده است. بنابراین متخصصان و کارشناسان، طرح تبدیل زغالسنگ به گاز را پیش بینی کرده و معتقدند که این طرح، جایگزین خوبی برای استفاده از منابع گاز طبیعی است. همچنین تلاش می کنند با ابداع روشهایی جدید، کارایی توربینهای گازی را افزایش دهند. نیروی هوایی امریکا توانست در سال ۱۹۸۶ با همکاری هفت سازنده توربین، موتور توربینی با کارایی بالا بسازد. اهدافی که در توسعه این نوع موتور توربینی مدّ نظر بوده، به قرار زیر است:

الف) تولید گاز با دمای بالا در محفظه احتراق و ورودی توربین؛

ب) ساخت کمپرسوری با ظرفیت و کارایی بالا؛

ج) ساخت اجزای تشکیل دهنده سبک.

بند ج برای توربینهایی که در تولید برق به کار رفته و در سطح زمین نصب می گردد چندان مورد توجه نبوده و از پیچیدگی علمی نیز برخوردار نیست. اخیراً برای این نوع توربینها از موتوری که اصلاح شده موتور هوایی است استفاده می شود. به عنوان مثال شرکت گاز و الکتریک پاسیفیک (PG&E) طرح پیشرفته ای را براساس موتورهای صنایع هوایی با جت مجهز به سوپر فن جنرال الکتریک مدل ۹۰ GE ارائه داده است و رولزرویس سیستمی را برای تولید برق از توربین گازی به منظور به کارگیری در موتورهای هوایی. در توسعه توربین گازی، انواع مختلفی از سیکلهای پیشرفته مبتنی بر کولر داخلی، استفاده از هوای مرطوب، تزریق بخار، محفظه احتراق مجهز به بازیافت حرارتی و مبدلهای حرارتی، طراحی و به کار گرفته می شود. چندی پیش سازمان انرژی امریکا برنامه ای مبنی بر تولید توربینهای پیشرفته ای با کارایی حدود ۵۲ درصد برای سیکلهای ترکیبی و در آینده ای نزدیک با کارایی ۶۰ درصد و تولید NO_x پایین را تهیه کرده و اجرا نموده است. در این برنامه، دمای احتراق تا حدود C1427⁰ افزایش یافته و برق با نازلترین قیمت تولید می شود. همچنین جنرال الکتریک طرحی را برای افزایش تولید قدرت توربین گازی ارائه داده که در آن کمپرسوری با فشار پایین با توربین مخصوصی که با عنوان طرح موتور جدید با نام GEX نامیده می شود. طراحی و به کار گرفته شده است. در این نوع توربین، هزینه ها در حداقل و بدون کاهش کارایی سیکل برآورده شده است.

۲-۲ توربینهای گازی پیشرفته امروزی

توربینهای گازی جدیدی که برای موارد تولید انرژی الکتریکی طراحی شده و به کار می روند، در حالت کلی از نظر اندازه، مواد به کار رفته در اجزای مختلف و فناوری، تغییراتی اساسی یافته اند.

مشخصات کلی به قرار زیر است [۳ تا ۷]:

۱-   توان تولید برق در حدود ۴۰۰ مگاوات در ۶۰ هرتز یا حدود ۵۰۰ مگاوات در ۵۰ هرتز؛

۲-   دمای گاز ورودی توربین در حدود C1500⁰ و نسبت فشار کمپرسور حدود ۴۰:۱ ؛

۳-   کارایی کل واحد با گاز طبیعی حدود ۴۰ درصد و در صورت استفاده از سیکل ترکیبی، بیش از ۵۰ درصد.

چند نمونه از توربینهای گازی پیشرفته ای که سازندگان توربین گازی در کشورهای مختلف ارائه داده اند به قرار زیر است:

مدل ۲ E 13 GT ساخت شرکت ABB در سال ۱۹۹۵ در هلند به بهره برداری رسید. توان خالص تولیدی این توربین در ۵۰ هرتز با سوخت گاز طبیعی برابر ۱۶۴ مگاوات در کارایی ۷/۳۵ درصد و با سوخت مایع برابر ۱۶۱ مگاوات در کارایی ۴/۳۵ درصد است. نسبت فشار کمپرسور این واحد برابر ۱۵:۱ است. در این نمونه ۷۲ مشعل در محیط محفظه احتراق قرار گرفته است که این نوع مشعل، ظرفیت تولید گاز NO_x بسیار کمتری دارد. مقدار NO_x تولید شده با سوخت گاز، کمتر از ppm 25 و با سوخت مایع و تزریق آب، کمتر از ppm 42 است. دمای ورودی گاز به توربین C1100⁰ و خروجی C525⁰ است. این توربین پنج مرحله پره دارد که در دو ردیف اولیه رتور و سه ردیف ثابت، که در آنها سیستم خنک کننده نیز تعبیه شده است. سیستم خنک کننده، در ریشه پره های دو ردیف آخر نیز نصب شده است.

شرکت زیمنس نیز مدل ۳/۸۴ V با فرکانس ۶۰ هرتز را ارائه داده است که تولید خالص ۱۵۲ مگاوات در کارایی ۱/۳۶ درصد و نسبت فشار کمپرسور ۱۶:۱ دارد. در مدلهای قبلی زیمنس، محفظه احتراق به صورت عمودی نصب می شد اما در مدلهای جدید، محفظه احتراق به صورت افقی ساخته شده است. در هر محفظه احتراق، ۶ مشعل با تولید NO_x پایین نصب شده است. دمای ورودی توربین C1290⁰ (دمای ورودی سری قبل ۳/۸۴ V برابر C1120⁰ بود) و دمای خروجی C550⁰ است. این توربین چهار مرحله پره دارد که سه مرحله از پره های رتور با هوا خنک می شود. مدل ۳/۸۴ V از سال ۱۹۹۵ در حال بهره برداری است. کارایی سیکل هوای خنک کننده که از خروجی کمپرسور گرفته می شود، با استفاده از مبدل کولر داخلی افزایش داده شده است.

جنرال الکتریک و شرکت اروپایی توربین گازی به طور مشترک، مدل F 9001 MS  را با فرکانس ۵۰ هرتز ارائه داده اند که در نیروگاه جنویلرس فرانسه از آن استفاده می شود. توان تولیدی این واحد ۲۱۵ مگاوات در کارایی ۳۵ درصد است. توان تولیدی مدل جدیدتری از این سری به ۲۲۶ مگاوات افزایش یافته است. کمپرسور این توربین گازی دارای ۱۸ مرحله با نسبت فشار ۲۰:۱ و محفظه احتراق مجهز به ۱۸ مشعل با سیستم کنترل NO_x است. توربین، از نوع سه مرحله ای است که در دو ردیف اول، خنک کاری انجام می شود. دمای ورودی توربین C1288⁰ است. از مدل ۶۰ هرتز که FA7001 MS نامیده می شود، در نیروگاه نیومارتین فلوریدا بهره برداری می شود. توان تولیدی این توربین ۱۴۹ مگاوات با NO_x کمتر از ppm 25 با سوخت گاز طبیعی است. کارایی این واحد با سیکل ترکیبی ۴۷ درصد است. این واحدهای بزرگ با کارایی بالا که برای زمانهای حداکثر بار طراحی شده اند، قابلیت مانور بالایی دارند. توربین گازی جنویلرس از لحظه آغاز راه اندازی تا رسیدن به شرایط تولید با ظرفیت کامل فقط به ۱۲ دقیقه زمان نیاز دارد و چون هزینه تولید این واحد پایین است، انتظار می رود که از آن در سیکلهای ترکیبی استفاده شود. در این صورت، تولید الکتریسیته برای بار پایه صورت می گیرد و تعداد دفعات راه اندازی و از کاراندازی آن کاهش خواهد یافت. با تغییر روش استفاده و با بهره برداری بهینه، ویژگیهای تعمیراتی نیز تغییر خواهد کرد که در این صورت باید به این موارد نیز در طراحی توجه شود. برای مثال ممکن است اجزای قسمتهای دما – بالا تغییر یابد یا بیشتر تعمیرات در خود نیروگاه انجام شود. لازم است ذکر شود که در صورت استفاده در بار پایه، خروج واحد از شبکه بدون برنامه ریزی قبلی، ضرر مالی قابل توجهی را به دنبال خواهد داشت.

۳-۲ سیکل باز توربین گازی تک محوری و دو محوری

اگر استفاده از توربین گازی به منظور تولید توانی ثابت (سرعت و تولید ثابت) مدّنظر باشد در این صورت به کارگیری توربین گازی تک محوری مناسبتر است. در این نوع واحدها، کارایی در حالت تولید توان پایین، کم بوده و لذا مورد توجه نیست. این نوع توربین گازی مزیت دیگری دارد و آن اینکه در صورت قطع بار الکتریکی و جداسازی از شبکه تولید برق، نیروهای کششی موجود در کمپرسور، از بالا رفتن سرعت محور توربین جلوگیری می کند. در این نوع واحدها برای افزایش کارایی حرارتی، ممکن است از مبدل حرارتی – که پس از کمپرسور و پیش از محفظه احتراق نصب می شود – استفاده شود. نصب مبدل حرارتی در مسیر جریان هوا، باعث افت فشار آن می شود که کاهش تولید را به دنبال دارد. لذا محاسباتی برای بهینه سازی مقدار حرارت جذب شده در مبدل و افت فشار هوا ضروری است. در صورت بهره برداری از توربین گازی برای مدت زمانی طولانی، استفاده از مبدل حرارتی توصیه می شود. اگر سوخت توربین گازی، موادی مانند پودر زغالسنگ باشد – که باعث خوردگی پره های توربین می شود – از مبدلهای حرارتی مخصوصی – که نسبت به مبدلهای حرارتی عادی،‌کارایی بسیار پایینتری دارند – استفاده می شود. از این نوع سیکلها در موقعیتی که سوخت کثیف با قیمت نازل بفراوانی در دسترس باشد، استفاده می شود. اگرچه در اوایل قرن نوزدهم تلاش زیادی برای ساخت توربین گازی با مشعل سوخت زغالسنگ انجام گرفت، اما موفقیت زیادی حاصل نشد. در عوض نتایج چشمگیری با سوخت سنگین به دست آمده، مشروط به آنکه دمای گاز حاصل از احتراق، از حد معینی تجاوز نکند.

نوع دیگر، توربین گازی دو محوری است که در آن، از محورها با سرعت متفاوتی بهره برداری می شود. هر یک از این محورها، توربینی با توان متفاوت دارد و برای شرایطی که محدوده وسیعی از توان مورد نیاز است، از آن استفاده می شود. این نوع واحدها در حمل و نقل زمینی و دریایی مانند راه آهن و مقاصد دریایی به کار گرفته می شود. این نوع توربین دارای یک توربین گازی فشار – بالا و یک توربین گازی فشار – ضعیف است. توان حاصل از توربین گازی فشار – بالا، صرف چرخاندن کمپرسور می شود. توربین قسمت فشار – ضعیف، انرژی لازم برای مصرف را – که توان آن ثابت نبوده و بستگی به مصرف کننده دارد (که در حال تغییر است) – تولید می کند. لازم است ذکر شود که این نوع سیکلهای توربین گازی در تولید الکتریسیته نیز به کار گرفته می شود. در این صورت، محرک یا توان مورد نیاز برای چرخاندن محور، از نیروگاه هسته ای یا بخاری یا دیزل یا لوله انتقال گاز تأمین می شود. نقطه ضعف این واحدها وقتی ظاهر می شود که قطع بار اتفاق بیفتد. در این صورت سرعت محور از حد عادی بالاتر می رود. برای جلوگیری از بروز چنین شرایطی، سیستم کنترل مناسبی طراحی و به کار برده می شود.

به طور کلی، کارایی توربین گازی با کاهش عمل تراکم یا افزایش عمل انبساط افزایش می یابد. توان مورد نیاز برای انجام کار روی واحد حجم سیال عامل در نسبت فشار مشخصی از کمپرسور، با درجه حرارت ورودی متناسب است. حال اگر عمل تراکم سیال عامل در دو یا سه مرحله و با استفاده از کولر داخلی کمپرسور انجام شود، کار لازم برای تراکم کاهش می یابد. همچنین کار مورد نیاز برای انبساط در دو یا سه مرحله بازیافت حرارتی، با توجه به حداکثر دمای مجاز نیز می تواند انجام شود، به شرط آنکه مبدل حرارتی نیز در سیکل توربین گازی به کار برده شود. با توجه به استفاده از این نوع تأسیسات در سیکل توربین گازی اگرچه از ویژگی سادگی و کوچکی اندازه توربینهای گازی در آن چشمپوشی شده است، اما کارایی حرارتی آن به طور قابل توجهی افزایش یافته است.

۴-۲ توربین گازی با کمپرسور با نسبت فشار بالا

تولید نسبت فشار بالا در کمپرسور، در شرایطی مورد نیاز است که توربین گازی با کارایی حرارتی بالا و بودن استفاده از مبدل حرارتی، مورد بهره برداری قرار گیرد. در این حالت، مشکلات اجرایی در عمل تراکم ظاهر می شود. اگرچه کمپرسورهای گریز از مرکز، قابلیت تولید نسبت فشارهای بالایی را در توان متوسط دارند اما کارایی این نوع کمپرسورها نسبت به کمپرسورهای محوری پایین تر است. به این دلیل، به کارگیری کمپرسورهای محوری بویژه برای توربینهای گازی با ظرفیت بالا، نسبت به کمپرسورهای گریز از مرکز ترجیح داده می شود. اما این نوع کمپرسورها نیز اشکالهایی دارند و اگر در شرایطی خارجی از نقطه کار از آنها بهره برداری شود، حساس به ناپایداری خواهند بود. در این نوع کمپرسورها وقتی در سرعتهای دورانی پایین و در شرایط دور از نقطه کار مورد بهره برداری قرار گیرند، وزن مخصوص هوا در ردیفهای آخر کمپرسور افزایش نمی یابد و در نتیجه هوا شدیداً سرعت می گیرد، طوری که پره ها به شرایط ناپایداری می رسند. این ناحیه که محدوده ناپایدار از نظر آیرودینامیکی است، باعث ارتعاش شدید پره های کمپرسور می گردد. این شرایط را استال می نامند. این نوع ناپایداری در حالت راه اندازی و در حالت بهره برداری در تولید پایین – زمانی که هنوز به نقطه کار بهره برداری نرسیده و در حال گذار از این شرایط است – نیز به وجود می آید.

اگر کمپرسور با نسبت فشار بالا در موقع بهره برداری، تحت نسبت فشار پایین مانند ۸:۱ یا ۱۰:۱ قرار گیرد، ارتعاشات پره ها ظاهر می شود. برای غلبه بر این مشکل، از کمپرسور دو یا چند مرحله ای استفاده می شود. هدف از کاربرد هر مرحله آن است که کمپرسور به طور مستقل و با سرعتی متفاوت از سایر مرحله ها عمل کند. در این حالت، هر یک از کمپرسورها، توربینِ متناسب با خود را نیاز دارد، طوری که کمپرسور فشار – ضعیف با توربین فشار – ضعیف و کمپرسور فشار – قوی با توربین فشار – قوی رانده شده و قدرت خروجی از محور توربین فشار – ضعیف به طور مستقل و مجزا تولید شود. در نخستین آزمایشها، نسبت فشار ۱۰:۱ در این نوع کمپرسورها ایجاد شد. این کمپرسورها برای حداقل نسبت فشار ۳۰:۱ مناسب است.

نوع دیگر کمپرسورهای با نسبت فشار بالا در مقایسه با کمپرسورهای چند مرحله ای، کمپرسور با پره های متغیر است که در شرایطی متفاوت با ایمنی کامل از آنها بهره برداری می شود. این نوع کمپرسورها را اولین بار، جنرال الکتریک با نسبت فشار ۱۵:۱ ساخت. امروزه در فناوریهای پیشرفته، استفاده از کمپرسورهای چند مرحله ای با پره های متغیر، معمول و متداول است.

۵-۲ توربین گازی با سیکل بسته و مزایای آن

با وجود نکات مثبت مطرح شده برای سیکل بسته، سیکل بسته توربین گازی ضعف بزرگی دارد. این نوع سیکلها، به نوعی سیستم یا منبع تولید انرژی حرارتی خارجی نیاز دارند که بناچار از طریق مداری کمکی تهیه می شود. در این واحدها معمولاً از دو سیکل اولیه و ثانویه استفاده می شود. در سیکل اولیه استفاده از سیالی با وزن مخصوص بالاتر ترجیح داده می شود تا ابعاد هندسی توربین، کمپرسور و مبدل حرارتی کاهش یابد. افزایش وزن مخصوص سیال باعث می شود که از سیکل اولیه، در فشار بالاتری بهره برداری شود. این مزیت، باعث افزایش قابلیت کل واحد با سطح توان تولیدی متغیر خواهد شد. در این نوع واحدها سطح توان تولیدی را بدون تغییر دمای مبدل حرارتی و فقط با تغییر فشار سیال عامل سیکل می توان تغییر داد. حداکثر دما، به درجه حرارت سیال منبع گرم در مبدل حرارتی بستگی دارد. مبدل حرارتی نیز محدودیتهایی فیزیکی از نظر حد بالایی حداکثر دمای کارکرد سیکل اصلی دارد. لازم است درجه حرارت سیال سیکل اولیه، پس از انجام کار در توربین گاز و پیش از ورود به کمپرسور، به مقدار زیادی کاهش یابد تا از کار کمپرسور بر روی سیال عامل کاسته شود. بدین دلیل در مسیر سیّال و پیش از ورود به کمپرسور، از مبدل حرارتی کمکی استفاده می شود تا سیال سیکل اولیه را خنک کرده و دمای آن را به درجه حرارت مناسب مورد نظر کاهش دهد. سیال مبدل حرارتی کمکی می تواند آب یا هوا باشد. در بعضی از سیکلها از شیر تخلیه برای تنظیم فشار (یا بار تولیدی) نیز استفاده می شود که باید پیش از کمپرسور نصب گردد.

از مزایای دیگر سیکل بسته نسبت به سیکل باز، عدم خوردگی اجزای توربین گاز به ویژه پره های توربین است. معمولاً در سیکل باز، گازهای حاصل از احتراق باعث خوردگی در اجزای توربین می شود. در سیکلهای بسته، مسیر تصفیه هوا – که از مشکلات اصلی سیکلهای باز در محیطهای آلوده است – حذف می شود.

یکی دیگر از مزایای سیکل بسته، ‌همان طور که پیشتر نیز ذکر شد، استفاده از سیالی با وزن مخصوص بالا است که باعث افزایش کارایی واحد می شود. این ویژگی، از نظر انتقال حرارت، مثبت است و باعث کاهش ابعاد مبدل حرارتی می شود.

یکی دیگر از مزایای سیکل بسته، امکانپذیری استفاده از سیال عامل دیگری به جای هوا در توربین گازی است که مشخصات ترمودینامیکی مناسبتری نیز دارد. به عنوان مثال استفاده از گاز تک اتمی هلیم – به دلیل مشخصه انتقال حرارت بهتر – موجب می شود که ابعاد مبدل حرارتی اصلی و کمکی، کوچکتر از مبدل حرارتی مورد نیاز برای هوا محاسبه گردد. در ضمن استفاده از این گاز که وزن مخصوص آن از هوا کمتر است، نسبت فشار بهینه سیکل را کاهش می دهد. در نتیجه، ابعاد توربین و کمپرسور در مقایسه با توربین گازی هم ظرفیت با سیال عاملی مانند هوا، تفاوت زیادی نخواهد داشت. از سوی دیگر، سرمایه گذاری اولیه، با استفاده از گاز هلیم به عنوان سیال عامل، ارزانتر است.

اولین بار در آلمان غربی نمونه ای آزمایشی از توربین گازی با ظرفیت ۲۵ مگاوات با سیّال عامل هلیم ساخته شد. نتایج تحقیقات روی این توربین گازی نشان داد که ساخت و بهره برداری از واحدهایی با ظرفیت ۲۵۰ مگاوات امکانپذیر است که در این صورت از این واحدها در نیروگاه های اتمی نیز می توان استفاده کرد. این نکته از چند جنبه بسیار حائز اهمیت است. یکی آنکه سیّال عامل را مستقیماً می توان از راکتور اتمی عبور داد بدون آنکه به پمپ چرخشی مسیر خنک کن راکتور نیاز باشد. دیگر آنکه هلیم به دلیل حذف مبدل حرارتی با درجه حرارت بالا، وارد توربین گازی شده و در نتیجه کارایی سیکل توربین گازی افزایش می یابد.

فصل سوم :

کاربردهای توربین گازی

۱-۳  مقدمه

کاربردهای توربین گازی در صنعت، به طور کلی به دو شاخه اصلی تقسیم می شود.

الف- توربینهایی که در صنعت هواپیمایی استفاده می شود؛

ب- توربینهایی که در سایر صنایع به کار برده می شود.

این دو گروه به دلیل متفاوت بودن از نظر کاربری، نکات متمایزی را در طراحی توربین گازی به وجود می آورند. موارد زیر را به عنوان شاخصهای اصلی می توان نام برد:

الف- اجزای توربینهای گازی صنعتی معمولاً برای حدود یکصد هزار ساعت کار طراحی می شود در حالی که برای توربینهای صنایع هواپیمایی، شاخصهای دیگری مطرح است.

ب- ابعاد هندسی و وزن، برای توربینهای گازی صنعتی اهمیت زیادی ندارد، اما توجه به این دو مشخصه در طراحی توربینهای گازی مورد استفاده در صنایع هوایی حائز اهمیت است؛

ج- از انرژی جنبشی دود خروجی توربینهای صنایع هوایی، استفاده می شود، در حالی که در توربینهای صنعتی، این انرژی تلف می گردد. لذا لازم است انرژی جنبشی تولید شده در توربینهای گازی صنعتی، تا حد ممکن کاهش یافته و کنترل گردد.

اگرچه موارد ذکر شده تفاوتهایی اساسی را در طراحی به وجود می آورد اما سرمایه گذاری و نتایج تحقیقات انجام شده در صنایع هواپیمایی، در سایر صنایع مرتبط با توربینهای گازی صنعتی نیز، بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. طوری که با اصلاحات و تغییرات انجام گرفته روی مدلهای مختلف، انواع پیشرفته تر و با کارایی بالاتری طراحی و ساخته می شود. تفاوتهای این دو نوع توربین گازی، بیشتر در سیستم یاتاقان، محفظه احتراق مناسب برای مصرف سوختهای ارزان قیمت، توربین قدرت و سیستم کاهش سرعت برای بهره برداری در بارهای پایین است. موارد کاربرد توربین گازی در سایر صنایع به قرار زیر است:‌

۲-۳ استفاده از توربین گازی در صنایع نفت و گاز

۱-۲-۳ انتقال و پمپ کردن سوخت

اکتشاف نفت و گاز معمولاً در صحرا یا دریا، به دور از مراکز تولید برق انجام می گیرد. در این حالت، از توربین گازی به عنوان موتور پمپ یا موتور کمپرسور برای انتقال نفت و گاز از صحرا، دریا یا مناطق دور افتاده، به مراکز مورد نیاز مانند مراکز صنعتی یا بنادر استفاده می شود. در ابتدای خط لوله، حدود ۷ تا ۱۰ درصد کل گاز، در توربین، برای بالا بردن فشار (کمپرس کردن) مصرف می شود. در سالهای اخیر به دلیل افزایش مصرف گاز، سیستمهای پمپ کردن با کارایی بالاتری طراحی شده است. در این سیستمها از توربینهایی – که قابلیت مصرف سوخت تصفیه نشده را داشته باشند – برای انتقال و پمپ کردن استفاده می شود، که در مقایسه با انتقال سوخت از طریق جاده و راه آهن هزینه کمتری دارد.

۲-۲-۳ پشتیبانی فشار مخازن

از توربین گازی برای پشتیبانی و حفظ فشار مخازن نفت در موقع استخراج استفاده می شود. این کار معمولاً‌ با تزریق آب انجام می شود. نوع خاصی از توربین گازی که دارای حجم کمتر و مشخصاتی ویژه است، در سکوهای نفتی برای استخراج نفت حتی در عمقهای بسیار زیاد، به کار می رود.

۳-۲-۳ تصفیه و پالایش

استفاده از توربین گازی در صنعت تصفیه و پالایش چند مزیت دارد. به عنوان مثال توربین گازی را به عنوان موتور دستگاههای مکانیکی در این صنعت به کار می برند. هوای فشرده ای که از کمپرسور خارج می شود در سیستمها به مصرف می رسد. انرژی حرارتی گازهای خروجی توربین که حاوی حدود ۸۰ درصد اکسیژن نیز می باشد، برای مصارف مختلفی به کار می رود. علاوه بر موارد فوق، به دلیل قابلیت مصرف سوختهای مختلف، به ویژه گازهای حاصل از واکنشها که معمولاً تلف می شود از توربین گازی استفاده می گردد. در نتیجه، مصرف کنندگان واحدهای توربین گازی در صنعت پالایش، چندین برابر می شود.

۳-۳ استفاده از توربین گازی در صنایع حمل و نقل

از توربین گازی در انواع کشتیهای بزرگ و کوچک مسافربری و باربری استفاده می شود. در دهه ۱۹۷۰ به دلیل افزایش قیمت سوخت، کشتیهای بزرگ باربری، سیستمهای توربین گازی خود را با موتورهای دیزلی جایگزین کردند. در نتیجه این نوع کشتیها، سرعت و ظرفیت باربری خود را از دست دادند، اگرچه سرعت در این نوع کشتیها مشخصه مهمی نیست. در ناوهای جنگی که سرعت بسیار حائز اهمیت بوده و نقش تعیین کننده ای دارد، از توربین گازی استفاده می شود. امریکا، کانادا و انگلستان در این صنعت تجربه فراوانی دارند. در قایقهای سریع و قایقهای گشت نظامی نیز از موتور مجهز به توربین گازی استفاده می شود. این نوع موتورها سرعت و توان بالایی دارند. در این نوع وسائط نقلیه، توربین معمولاً از دو قسمت تشکیل شده است. توربین قسمت فشار – قوی برای چرخاندن کمپرسور و توربین قسمت فشار – ضعیف که با کاهش سرعت از طریق چرخ دنده، پروانه کشتی را به حرکت در می آورد. کشتیهای جنگی نیز به دلیل نیاز مبرم به قدرت و سرعت، از توربین گازی به جای توربین بخار استفاده می کنند. در این موارد، انرژی الکتریکی مورد نیاز کشتی نیز از طریق توربین گازی تهیه می شود. در نتیجه، حجم قسمت تولید قدرت، کاهش قابل ملاحظه ای می یابد.

توربین گازی در صنعت هاورکرافت نیز توسعه زیادی یافته است طوری که در بعضی از هاورکرافتها، قسمت تولید هوای زیر هاورکرافت – که با توربین گازی کار می کند – می تواند 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 بخوبی مورد استفاده قرار می گیرد. توربین گازی در صنایع حمل و نقل زمینی مانند راه آهن نیز به کار می رفت، اما پس از یکی دو دهه جای خود را به موتور دیزلی داد. اگرچه بعدها قطارهایی با سرعت بالا و مجهز به موتور توربین گازی از نوع بالگرد به بازار عرضه شد، اما در نهایت، قطار الکتریکی از نظر سرعت و قابلیتهای مختلف، برتری خود را به اثبات رسانیده است.

در حمل و نقل جاده ای و اتومبیلها، توربین گازی با توان پایین تر 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 کنترلی پیچیده نیاز دارد. در صنایع نظامی نوعی توربین گازی در موتور تانک M₁ به مرحله بهره برداری رسیده است که قابلیتهای سرعت و مانور بالایی دارد، اما هنوز برتری این نوع تانکها به تانکهای با موتور دیزلی، اثبات نشده است.

۴-۳ کاربرد توربین گازی در تولید انرژی الکتریکی

توربین گازی به طور گسترده ای اولاً در تولید انرژی الکتریکی بویژه در زمان اوج مصرف و همچنین در بار پایه و ثانیاً به عنوان واحد پشتیبان واحدهای بزرگ بخار، در مواقع اضطراری به کار می رود. در امریکا و انگلستان از این سیستمها فقط در اوج مصرف استفاده می شود در حالی که در عربستان سعودی، به دلیل فراوانی سوخت، در بار پایه نیز بهره برداری می شود. علت دیگر این موضوع، نیاز نداشتن به آب برای سیستمهای خنک کننده است که در مناطق صحرایی و کم آب، موجب راحتی بهره برداری می شود. در انگلستان، نوعی از این واحدها با سیستم موتور هوایی – که مجهز به توربینهایی توان – بالا بوده و در مدت دو دقیقه، به قابلیت تولید صد در صد بار می رسد – مورد بهره برداری قرار گرفته است. اگرچه این قابلیت حائز اهمیت است، اما به دلیل تنشهای حرارتی، عمر مفید بین تعمیرات اساسی را کوتاه می کند، بدین جهت لازم است فقط در شرایط اضطراری، راه اندازی و بهره برداری شود.

تجربه بزرگ خاموشی در امریکا سازندگان توربین گازی را بر آن داشت که توربینهای گازی را با قابلیت راه اندازی مستقل و بدون استفاده از منبع الکتریکی دیگری طراحی کنند. این نوع توربینهای گازی در اغلب کشورهای دارای شبکه مطمئن تولید برق، نصب شده و در حال بهره برداری است. این نوع سیکلهای توربین گازی باید در شرایط اضطراری برای تولید برق اصلی و فقط در مدت چند ساعت استفاده شوند. در این رابطه، توربینهای گازی با طرح تک محوری، توان تولیدی حدود ۱۳۰ تا ۱۵۰ مگاوات را می توانند تولید کنند، البته هر روز، مدلهای جدیدی با توان تولیدی بالاتر ساخته می شود. لازم است ذکر شود که حد تولیدی بالا، ناشی از حداکثر ابعادی است که به دلیل حمل و نقل با راه آهن، باید در نظر گرفته شود. در کنار واحدهای الکتریکی با توان بالا، واحدهای کوچک توربین گازی قابل حمل نیز، برای تولید الکتریسیته در مناطقی که دسترسی به انرژی الکتریکی میسر نیست، ساخته می شود. این نوع توربینهای گازی بیشتر در شرکتهای پیمانکاری مورد استفاده قرار می گیرد.

۵-۳ توربینهای گازی با تولید محدود انرژی الکتریکی

بیشترین کاربرد این نوع توربینهای گازی در سکوهای دریایی است که بار پایه را برای بخشهای مصرف کننده اصلی تأمین می کنند. سطح تولید این واحدها معمولاً حدود ۳ تا ۴ مگاوات است. در بعضی از سکوهای نفتی که مصرف انرژی الکتریکی تا ۱۲۵ مگاوات می رسد استفاده از واحدهایی با توان تولیدی بالاتر ضروری است. در این صورت به دلیل محدودیت سطح و فضای سکو، در انتخاب توربین گازی، توجه به ویژگیهای سطح و حجم، در الویت قرار می گیرد.

۶-۳ استفاده از توربین گازی در سیکلهای ترکیبی

سیکلهای ترکیبی نوع دیگری از واحدهای گازی برای تولید الکتریسیته با کارایی در محدوده ۵۰ درصد است که برای استفاده در بار پایه در نظر گرفته می شود. در کشورهایی که منابع نفتی محدودیت دارد، استفاده از واحدهای ترکیبی بهینه سازی شده با کارایی حرارتی بالاتر، اقتصادی تر از واحدهای بخاری یا دیزلی است. هدف از سیکلهای ترکیبی، استفاده از حداکثر انرژی حاصل از سوخت است. برای این منظور، توربین گازی، ژنراتور تولید برق را به حرکت درآورده و انرژی حرارتی موجود در دود خارج شده از اگزوز توربین، برای مصارف دیگری استفاده می شود. موارد مصرف به فشار و درجه حرارت دود خروجی بستگی دارد و می تواند انرژی محدوده وسیعی از مصرف کنندگان را تأمین نماید. به عنوان مثال از آن می توان برای واکنشهای مختلف در مناطق صنعتی یا گرم کردن محیطهای مسکونی و شهری استفاده کرد. در بعضی از نیروگاهها، دود حاصل از توربین گازی، از داخل بویلر بازیاب می گذرد و حرارت دود خروجی توربین گاز، به سیکل آب و بخار منتقل می شود. بخار تولید شده، صرف چرخاندن توربوژنراتور واحد بخار شده و در نتیجه انرژی الکتریکی تولید می گردد. بخار خروجی توربین فشار – ضعیف را برای مصارف صنعتی و خانگی می توان استفاده کرد. در این نوع سیستمها معمولاً از چند واحد توربین گازی به منظور پایداری یا افزایش اطمینان از کارایی سیستم استفاده می شود. دود خروجی از این توربینها نیز، سیستم بویلر بازیاب را تغذیه می کند. در صورت بروز اشکال فنی در یکی از واحدهای توربین گازی و خارج شدن آن از مدار، بهره برداری از سیکل ترکیبی ادامه یافته و تولید در بقیه مجموعه توربینهای گازی انجام می شود. در بعضی از کشورها، از انرژی حرارتی دود خروجی از اگزوز توربین گازی در مبدلهای حرارتی استفاده شده و انرژی حرارتی، به صورت قابل مصرف در محیطهای شهری و صنعتی مانند مدارس، اداره ها، ساختمانهای عمومی، بیمارستانها، آزمایشگاهها و غیره به صورت آب گرم یا هوای گرم توزیع می شود. به این روش، افزایش کارایی حرارتی توربین گازی تا حدود ۶۰ درصد امکانپذیر است.

۷-۳ کاربردهای احتمالی توربین گازی در آینده 

جهت دریافت و خرید متن کامل مقاله و تحقیق و پایان نامه مربوطه بر روی گزینه خرید انتهای هر تحقیق و پروژه کلیک نمائید و پس از وارد نمودن مشخصات خود به درگاه بانک متصل شده که از طریق کلیه کارت های عضو شتاب قادر به پرداخت می باشید و بلافاصله بعد از پرداخت آنلاین به صورت خودکار  لینک دنلود مقاله و پایان نامه مربوطه فعال گردیده که قادر به دنلود فایل کامل آن می باشد .