-1 تاریخچه توربین گاز
از حدود 70 سال قبل توربین های گازی جهت تولید برق مورد استفاده قرار می گرفته اند، اما در بیست سال اخیر تولید این نوع توربین ها بیست برابر افزایش یافته است.
اولین طرح توربین گازی مشابه توربین های گازی امروزی در سال 1791 به وسیله «جان پایر» پایه گذاری شد که پس از مطالعات زیادی بالاخره در اوایل قرن بیستم اولین توربین گازی که از یک توربین چند طبقه عکس العملی و یک کمپرسور محوری چندطبقه تشکیل شده بود، تولید گردید.
اولین دستگاه توربین گازی در سال 1933 در یک کارخانه فولادریزی در کشور آلمان مورد بهره برداری قرار گرفت و آخرین توربین گازی با قدرت 2/212 مگاوات در فرانسه نصب و مورد بهره برداری می گردد. [1]
در صنعت برق ایران اولین توربین گازی در سال 1343 در نیروگاه شهر فیروزه (طرشت) مورد استفاده قرار گرفته است که شامل دو دستگاه بوده و هر کدام 5/12 مگاوات قدرت داشته است. در حال حاضر کوچکترین توربین گازی موجود در ایران توربین گاز سیار «کاتلزبرگ» با قدرت اسمی یک مگاوات و بزرگترین آن توربین گازی 49-7 شرکت زیمنس با قدرت 150 مگاوات می باشد. [1]
1-2- نقش توربین گاز در صنعت برق
توربین های گاز جدا از تولید برق به خاطر خصوصیات ویژه ای که دارند می تواند در موارد دیگری مثل موتورهای جت در هواپیماها برای تأمین نیروی محرکه هواپیما و نیروی جلوبرندگی به کار رود یا مثلاً جهت به گردش درآوردن یک پمپ قوی به کار رود.
اما چون بحث ما پیرامون توربین های گازی است که در صنعت برق وجود دارد. لذا مطالب خود را بر اساس همین موضوع پیگیری می کنیم.
با توجه به آمار و ارقام مشخص می شود که میزان مصرف برق در ساعات مختلف شبانه روز متفاوت است مثلاً در بعضی از ساعات شبانه روز (فاصله ساعت 10:00 تا 12:00 صبح و از تاریک شدن هوا به مدت تقریباً دو ساعت در شب) مصرف برق خیلی زیاد است و به میزان حداکثر خود می رسد (پیک بار) و در بعضی ساعات مثل ساعات بین نیمه شب تا بامداد مصرف برق خیلی پایین است و در بقیه اوقات یک مقدار متعادل را دارد.
************************************************************
شکل (1-1) تغییرات بار به ازاء شبانه روز (منفی بار)
همانطوری که در شکل 1-1 دیده می شود [1] یک مقدار از بار مصرف تقریباً در تمام ساعات شبانه روز ثابت است که به آن بار پایه می گوییم و یک مقدار بار نیز تنها در ساعات محدودی از شبانه روز اتفاق می افتد و مقدار آن بیشتر از بار در بقیه ساعات شبانه روز می باشد. این بار را بار حداکثر یا پیک می گوییم. نوسانات بین بار پایه و بار پیک را نیز بنام بار متوسط یا میانی می گوییم و برای تأمین بار پایه به نوعی نیروگاه احتیاج داریم که مخارج جاری آن پایین باشد. این نیروگاه ها شامل نیروگاه های بخار (به خاطر سوخت ارزان- چون سوخت مصرفی آنها معمولاً سوخت های سنگین مثل ماژوت است) نیروگاه های هسته ای و نیروگاه های آبی می باشد. اما برای تأمین بار پیک به نوعی نیروگاه احتیاج داریم که مخارج نصب پایین و سرعت راه اندازی و باردهی بالا داشته باشد. [حتی اگر مخارج جاری آن بالا باشد و در رابطه با تأمین بار پیک توربین های گازی مطرح می شوند، زیرا خصوصیات تقاضا شده فوق را دارا می باشند.
توربین های بخار به خاطر آنکه برای راه اندازی و رسیدن به مرحله باردهی چندین ساعت وقت لازم دارند و استفاده از آنها به صورت رزرو به صرفه نیست در این مورد استفاده نمی شوند.
بار میانی نیز توسط ترکیبی از نیروگاه های مختلف که اقتصادی تر باشد، تأمین می شود. بنابراین یکی از بارزترین موارد استفاده توربین های گاز در صنعت برق، تأمین بار پیک توسط این واحدهاست البته در کشورهایی مثل ایران که مسأله سوخت حتی گاز و گازوئیل مسأله مهمی را ایجاد نمی کند از واحدهای گازی برای تأمین بار پایه نیز استفاده می شود.
از ویژگی های دیگر واحدهای گازی که با دیزل استارت می شود قادرند با استفاده از باتری ها موجود در باتری خانه که همواره شارژ کامل هستند بدون وابستگی به شبکه استارت شده و به مرحله باردهی برسند لذا از واحدهای گازی می توان برای مناطقی که به شبکه سراسری متصل نیستند و نیز برای شروع برقرارکردن شبکه پس از خاموشی کامل شبکه استفاده کرد. در بعضی از واحدهای گازی کلاچ مخصوص بین محور توربین و محور ژنراتور وجود دارد که می توان این دو محور را از هم جدا کند و در واحدهایی که به این نوع کلاچ مجهز هستند می توان در حالی که ژنراتور به شبکه متصل است با خاموش کردن توربین و باز شدن کلاچ موردنظر که با افت دور توربین نسبت به ژنراتور صورت می گیرد ژنراتور را به صورت موتور درآورد و به این وسیله عمل تنظیم ولتاژ شبکه را انجام داد. این کار معمولاً در شبهایی که بخاطر پایین بودن مصرف در شبکه ولتاژ بالا می رود انجام می شود به این نوع استفاده از ژنراتور اصطلاحاً کندانسور کردن گویند.
1-3-1- مزایای توربین گازی
الف) واحدهای گازی بخاطر جمع کوچک و ساده بودن نصب خیلی سریع نصب می شود.
ب) واحدهای گازی بعد از استارت، در عرض چند دقیقه (معمولاً کمتر از ده دقیقه) به مرحله بازدهی می رسند که در این زمان کوتاه، توربین های گازی را قادر ساخته است که برای منظورهای اضطراری و در مواقعی که ماکزیمم مصرف برق را در سیستم قدرت داریم مورد استفاده قرار گیرد. در ضمن تغییر بار (قدرت تولید) در این واحد، سریع صورت می گیرد.
ج) قیمت و هزینه نصب واحدهای گازی پایین است (حدود واحدهای بخار برای قدرت برابر)
د) به علت سادگی ساختمان و کم بودن قسمت های کمکی و نوعی در توربین گاز بهره برداری از آن آسان می باشد. در ضمن در واحدهای گازی امکان کنترل و بهره برداری در محل و از راه دور وجود دارد.
هـ ) در توربین های گازی، امکان استفاده از سوخت های مختلف و تعویض نوع سوخت در حال کار واحد به هنگام باردهی، قدرت مانور خوبی به واحد می دهد.
1-3-2- معایب توربین گازی
الف) راندمان یا بازدهی واحدهای گازی به خاطر دفع مقدار زیادی انرژی، به صورت گرما از اگزوز، (برای یک واحد گازی با قدرت 25 مگاوات دمای خروجی اگزوز، بیش از Cْ500 می باشد) و تشعشع مقداری گرما از جدار اتاق احتراق، پایین تر می باشد (ماکزیمم تا حدود 27% برای سیکل ساده)
ب) چون در واحدهای گازی، معمولاً از گاز طبیعی یا سوخت های سبک استفاده می کنند، لذا مخارج جاری آنها بالا می باشد (به علت گرانی اینگونه سوختها)، ولی در عوض میزان آلودگی محیط زیست نسبت به سایر نیروگاه های حرارتی دیگر با قدرت مشابه کمتر است.
فص دوم
تئوری فرایندهای توربین گازی در افزایش قدرت و راندمان
2-1- مقدمه
با منبسط شدن گازهای حاصل از احتراق (که دارای دما و فشار بالایی می باشند) در چندین طبقه از پره های ثابت و متحرک قدرت در توربین گاز تولید می شود.
برای تولید بالا جهت محفظه احتراق (حدود 4 تا 13 اتمسفر) از کمپرسورهای محوری با چندین طبقه استفاده می شود. در هر طبقه بر میزان فشار هوای مکیده شده توسط کمپرسور افزوده می شود. کمپرسور توسط توربین به گردش در می آید به همین منظور محور کمپرسور و توربین به هم متصل است. اگر همه چیز را ایده آل فرض کنیم یعنی اصطکاک و تلفات ترمودینامیکی سیال صفحه فرض شوند. همه فرآیندها در تمام طبقات کمپرسور و توربین ایده آل است و افت فشار در محفظه احتراق نیز صفر است. بعد از راه اندازی توربین گاز اگر کل سیستم را به حالت خود رها کنیم (بدون اینکه سوختی مصرف کنیم) قاعدتاً باید قدرت تولید شده در توربین مساوی قدرت مصرف شده در کمپرسور باشد. اما این از لحاظ علمی غیرممکن است. در توربین گاز حدود قدرت تولید شده در توربین صرف به گردش آوردن کمپرسور شده و آن به عنوان کار خروجی جهت تولید برق (یا هر مصرف دیگر) مصرف می شود. بنابراین لازم است که قدرت تولیدی در توربین بیشتر از قدرت مصرفی در کمپرسور باشد. برای این منظور می توان با اضافه کردن حجم سیال عامل در فشار ثابت یا افزایش فشار آن در حجم ثابت قدرت تولیدی توربین را افزایش داد. هر یک از دو روش فوق را می توان با بالا بردن دمای سیال عامل پس از متراکم ساختن آن به کار برد. برای افزایش دمای سیال عامل یک محفظه احتراق لازم است تا با احتراق سوخت دمای هوا بالا رود. به این ترتیب یک سیکل ساده توربین گاز شامل قسمت های زیر است:
1- کمپرسور
2- اتاق احتراق
3- توربین
در توربین های گاز ممکن است یکی از دو نوع سوخت گازوئیل یا گاز طبیعی استفاده شود. توربین های گازی را از روی عمل انبساط گازها (مانند توربین بخار) تقسیم بندی می کنند که عبارتند از:
1- توربین های ضربه ای
2- توربین های ضربه ای- عکس العملی
توربین های گاز را از روی سیو سیال عامل نیز طبقه بندی می کنند که عبارتند از:
1- توربین های گازی با سیکل باز (سیال عامل از هوای بیرون موتور وارد و به داخل هوای محیط تلمبه می گردد.)
2- توربین های گاز با سیکل بسته (سیال عامل از هوای بیرون موتور وارد و به داخل هوای محیط تخلیه می گردد.)
3- توربین های گاز با سیکل نیمه بسته (مقداری از سیال عامل در داخل دستگاه گردش می کند و مقدار دیگر به داخل هوای محیط تخلیه می گردد.)
2-2- سیکل استاندارد هوایی
*******************************************
شکل (2-1) توربین گاز با سیکل ساده
در شکل (2-1) علائم زیر استفاده شده است:
C= کمپرسور
B= اتاق احتراق
T= توربین
P= کوپلینگ بین توربین و دستگاه مصرف کننده
S= راه انداز
**************************************************
شکل (2-2): نمودار 7-P سیکل برایتون
همانطور که در شکل (2-2) پیدا است هوای محیط در داخل کمپرسور از فشار 1P تا 2P طی یک فرآیند آیزونتروپیک متراکم می گردد و بعد در اتاق احتراق توسط سوخت پاشیده شده احتراق صورت می گیرد.
فرآیند احتراق تقریباً در فشار ثابت انجام می شود. در اثر احتراق دمای سیال عامل زیاد می شود و از T2 به T3 می رسد محصولات احتراق از اتاق احتراق خارج شده و در داخل توربین از P3 تا فشار جو منبسط می گردد و به داخل هوای محیط تخلیه می شود. توربین و کمپرسور به طور مکانیکی به هم متصل شده اند. بنابراین کار خالص برابر است با اختلاف بین کار انجام شده توسط توربین و کار مصرف شده توسط کمپرسور. برای آغاز کار کمپرسور یک راه انداز (استاتور) لازم خواهد بود، وقتی توربین شروع به کار کرد، راه انداز قطع می شود.
نمودار سیکل آرمانی (نظر) برایتون روی نمودار P-V یا T-S در شکل های شماره (2-2) و (2-3) نشان داده شده است.
فرآیند 2-1: تراکم ایزونتروبیک در کمپرسور
فرآیند 3-2: افزودن حرارت در فشار ثابت در اتاق احتراق
فرآیند 4-3: انبساط آیزونتروبیک در توربین
فرآیند 1-4: بس دادن حرارت در فشار ثابت
************************************************
شکل (2-3): نمودار T-S سیکل برایتون
با مراجعه به شکل (2-2) می توان بازده حرارتی سیکل را بر مبنای یک کیلوگرم از سیال عامل پیدا نمود.
(2-1) حرارت افزوده شده
و چون گرمای ویژة فشار ثابت CP در کل فرآیند 3-2 ثابت است:
(2-2) = حرارت پس داده شده
حرارت پس داده شده – حرارت افزوده شده = Wnet= کار خالص
(2-3) =
این مقدار کار را می توان از راه محاسبه کار توربین و کمپرسور نیز به دست آورد.
(2-4) کار انجام شده به وسیله توربین
(2-5) کار مصرف شده به وسیله کمپرسور
کار مصرف شده به وسیله کمپرسور- کار تولید شده به وسیله توربین= Wnet
(2-6) = Wnet
بازده حرارتی عبارت است از نسبت کار خالص سیکل به هزینة انجام شده
و به طور خلاصه:
(2-7)
می دانیم که در یک فرایند آیزونتروبیک بین فشار، دما و حجم گاز در رابطه زیر برقرار است:
نظر به اینکه P2=P3 و P1=P4 می توان نوشت:
با قرار دادن مقدار از معادله فوق در معادله (2-7) خواهیم داشت:
(2-8)
نسبت فشار را به rp نشان می دهیم، بنابراین:
(2-9)
***********************************************
شکل (2-4): منحنی تغییرات بازده حرارتی سیکل نظری بر حسب تغییرات فشار
حال اگر راندمان حرارتی را بر حسب نسبتهای فشار متفاوت رسم کنیم نمودار شکل (2-4) به دست می آید. [2]
همانطور که از شکل (2-4) پیداست راندمان حرارتی با افزایش نسبت فشار افزایش می یابد. اما همانطور که از این نمودار پیداست این افزایش یکنواخت و خطی نیست، بلکه از نسبت فشار 1 تا 4 دارای شیب تند خطی می باشد و از آن به بعد نرخ آن کاسته می شود. از نسبت فشار 16 به بعد تغییرات راندمان حرارتی بر حسب نسبت فشار خیلی محسوس نیست، بنابراین می توان پیشنهاد کرد که برای راندمان حرارتی ماکزیمم یک نسبت فشار بهینه باید وجود داشته باشد.
2-3- نسبت فشار برای حداکثر کار خالص ویژه سیکل نظری برایتون
اگر شرایط سیکل را ایده آل فرض کنیم، برای تغییر قدرت خروجی، تنها عامل متغیر نسبت فشار می باشد. حداقل نسبت فشار، یک است که به ازاء آن قدرت خروجی صفر می شود، در این صورت:
(2-10)
اگر دمای خورجی کمپرسور به دمای ورودی توربین یعنی T3 برسد حرارت افزوده شده در اتاق احتراق صفر خواهد بود. در نتیجه مقدار کار کمپرسور و توربین با هم برابر می شود. و کار خروجی (خالص) در این حالت هم صفر می شود. این نسبت فشار ماکزیمم برابر است با:
(2-11)
بنابراین هیچ کدام از دو روش فوق الذکر عملی نیست و باید یک نسبت فشار میانی وجود داشته باشد که به ازاء آن قدرت خروجی یا بازده (با توجه به محدوده دمایی که توربین با آن مواجه است) حداکثر بشود. شکل (2-5) دیاگرام T-S این سیکل با مقادیر حداقل، حداکثر و میانی نسبت فشار نشان می دهد. برای به دست آوردن نسبت فشاری که به ازاء آن قدرت خروجی حداکثر شود (قدرت خروجی به ازاء یک کیلوگرم سیال عامل) به روش زیر عمل می کنیم با توجه به شکل (2-5):
(2-12)
از طرفی داریم
و
با توجه به اینکه دوطرف راست معادله فوق با هم برابر است می توان نوشت:
بنابراین معادله (2-12) به صورت زیر در می آید:
(2-13)
*****************************************
شکل (2-5) حداکثر و حداقل فشار در سیکل برایتون
در معادله (2-13) T3 , T1 حداقل و حداکثر دمای سیال می باشند، r و CP مقادیر ثابت محسوب می شوند. برای به دست آوردن فشاری که به ازاء آن قدرت خروجی حداکثر می شود از معادله (2-13) بر حسب rP مشتق می گیریم و آن را مساوی صفر قرار می دهیم:
طرفین معادله فوق را بر تقسیم می کنیم در نتیجه معادله به صورت زیر در می آید:
(2-14)
(2-15)
2-4- سیکل عملی برایتون:
سیکل عملی (واقعی) توربین گاز از نقطه نظرهای زیر با سیکل نظری برایتون تفاوت دارد:
1- به علت وجود تلفات اصطکاکی در کمپرسور و توربین، فرآیند تراکم و انبساط بدون اصطکاک نیست و با مقداری افزایش در انتروپی همراه می باشد (این فرآیندها آدیاباتیک برگشت ناپذیر می باشند) در حالت ایده آل بازده کمپرسور و توربین 100% می باشد اما در عمل کمتر است.
2- در اتاق احتراق افت فشار مختصری وجود دارد. این افت فشار (تلفات) به قدری کم است که به منظور ساده شدن مسأله هرجا که لازم باشد می توان از آن صرفنظر نمود.
3- جرم گازی که از داخل توربین عبور می کند (1+f) برابر جرم هوایی است که از داخل کمپرسور عبور می کند که f نشان دهنده نسبت جرم سوخت به جرم هوا می باشد.
4- گرمای ویژه گازهای حاصل از احتراق کمی بیشتر از گرمای ویژه هوا می باشد. البته این افزایش به قدری کم است که گرمای ویژه گازهای حاصل از احتراق را می توان برای ساده شدن مسأله هرجا که لازم است با گرمای ویژه هوا مساوی فرض کرد.
****************************************************
شکل (2-16) نمودار T-S سیکل واقعی برایتون
در شکل شماره (2-6) نمودار T-S برای یک سیکل واقعی برایتون نشان داده شده است.
تلفات فشار در اتاق احتراق بصورت P2-P3 نشان داده می شود. در این سیکل:
فرآیند َ1-2 تراکم آیزوتروبیک.
فرآیند 2-1: تراکم واقعی.
فرآیند َ3-4: انبساط آیزوتروبیک
فرآیند 4-3: انبساط واقعی.
بازده کمپرسور
چون CP ثابت است:
(بازده کمپرسور)
بازده توربین
اگر گرمای ویژه گازهای حاصل از سوخت با گرمای ویژه هوا با هم برابر فرض شود:
(2-17)
بازده حرارتی سیکل بصورت زیر محاسبه می گردد:
کار مصرفی کمپرسور- کار واقعی توربین = Wnet= کار خالص واقعی
= حرارت افزوده شده
بنابراین بازده حرارتی سیکل برابر است با:
(2-18)
اگر بجای مقدار آنها را از معادله (2-16) و (2-17) در معادله (2-18) قرار دهیم خواهیم داشت:
(2-19)
از روی معادله (2-19) واضح است که بازده حراتی واقعی سیکل با اصلاح یا هر دو افزایش می یابد.
2-5- راههای اصلاح بازده و کار خروجی ویژه سیکل ساده
برای اصلاح کار یک مولد قدرت با سیکل ساده می توان از روشهای زیر استفاده نمود.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 125 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلودمقاله توربین گاز
