تحقیق درمورد نیروگاه و توربین گازی در 85 صفحه با فرمت word و قابل ویرایش

نگرش كلي بر توربين‌هاي گاز

دنياي توربين گاز اگر چه دنياي جواني است ليكن با وسعت كاربردي كه از خود نشان داده، خود را در عرصه‌ي تكنيك مطرح كرده است . زمينه‌هاي كاربرد توربين‌هاي گاز در نيروگاه‌ها و به‌خصوص در مواردي كه فوريت در نصب و بارگيري مدنظر است مي‌باشد. همچنين‌ به عنوان پشتيبان واحد بخار و نيز مواقعي كه شبكه سراسري برق از دست مي‌رود يعني در خاموشي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

مضافاً اين‌كه توربوكمپرسورها كه از انرژي حاصله روي محور توربين براي تراكم و بالا بردن فشار گاز استفاده مي‌شود، در سكوهاي دريايي ، هواپيماها و ترن‌ها استفاده مي‌شود .

شكل (1-1) يك توربين گاز معمولي را با مشخص كردن اجزاء نشان مي‌دهد.

شكل (1-1) : توربين گاز معمولي و اجزاي آن

مختصري از سرگذشت توربين‌هاي گاز از سال 1791 ميلادي تا به امروز به‌شرح زير مي‌باشد .

اولين نمونه توربين گاز در سال 1791 توسط Jonh Barber ساخته شد . نمونه بعدي در سال 1872 توسط Stolze ساخته شد كه شامل يك كمپرسور جريان محوري چند مرحله‌اي به هم‌راه يك توربين عكس‌العملي چند مرحله‌اي بود كه يك اتاق احتراق نيز در آن قرار داشت . اولين نمونه آمريكايي آن در 24 ژوئن 1895 توسط Charles G.Guritis ساخته شد. اما اولين بهره‌برداري و تست واقعي از توربين گاز در سال 1900 م بوسيله Stolz صورت گرفت كه راندمان آن بسيار پايين بود . در همين سال ها در پاريس يك توربين گاز بوسيله برادرانArmangand ساخته شد كه داراي نسبت فشار تقريبي 4 و چرخ كوريتس به ابعاد 5/93 سانتي‌متر قطر با سرعت rpm 4250 بود كه دماي ورودي به توربين حدود 560اندازه‌گيري شد و راندمان آن در حدود 3% بود. H.Holzwarth اولين توربين گاز با بهره اقتصادي بالا را طراحي كرد، كه در آن از سيكل احتراق بدون پيش‌تراكم استفاده مي‌‌شد و قسمت اصلي يك ماشين دوار با تراكم متناوب بود.

هم‌چنين Stanford سال 1919 يك توربين گاز كه داراي سوپر شارژر بود، ساخت كه در هواپيما نيز از آن استفاده شد. اولين توربين گازي كه براي توليد قدرت مورد استفاده قرار گرفت به‌وسيله Brown Boveri ساخته شد. وي از يك توربين گاز براي راندن هواپيما استفاده كرد. هم‌چنين در سال 1939 م، وي يك توربين گاز با خروجي MW 4 ساخت كه بر اساس سيكل ساده طراحي شده بود و كاركرد پاييني داشت. اين توربين تنها به مدت 1200 ساعت مورد بهره‌برداري قرارگرفت و عيوب مكانيكي فراوان داشت . از جمله اصلاحات وي برروي توربين ، بالا بردن راندمان آن به ميزان 18% بود.

در انگلستان گروهي به سرپرستي Whittle در سال‌‌ 1936 ‌م يك كمپرسور سانتريفوژ‌تك مرحله‌اي با ورودي دوطرفه و يك توربين تك‌ مرحله‌اي كوپل شده به ‌آن را به هم‌‌راه يك اتاق طراحي كردند. اما با تست اين موتور نتايج چندان راضي‌كننده‌اي به‌دست نيامد. در سال 1935‌م در آلمان شخصي به‌نام Hans Von يك توربوجت با كمپرسور سانتريفوژ ساخت كه از مزاياي خوبي نسبت به نمونه‌هاي قبلي برخوردار بود. در آمريكا كمپانيAlisChalmers اصلاحات فراواني برروي راندمان توربين‌هاي گاز و كمپرسورها انجام داد و راندمان كمپرسور را به 70% - 65% و راندمان توربين را به 65% -60% رسانيد.

در سال 1941‌م كمپاني British Wellond يك توربوجت ساخت كه در هواپيما مورد استفاده قرار گرفت . اين توربوجت با آب خنك‌كاري مي‌شد. در سال 1942‌م كمپاني German Jumo يك توربوجت ساخت كه در جنگ جهاني دوم نيز از آن استفاده شد. در اين سال‌ها استفاده از موتور توربوجت براي هواپيماها رشد فزاينده‌اي به خود گرفت و هواپيماهاي جنگي بسياري در آمريكا، آلمان و انگليس ساخته شد. در سال 1941‌م در سوئيس از يك توربين گاز براي راه‌اندازي لوكوموتيو استفاده شد كه داراي قدرت 1700 اسب بخار و راندمان 4/18% به هم‌راه بازياب حرارتي بود.

در سال 1950‌م كمپاني RovetCar از توربين گاز در اتومبيل‌ها استفاده كرد كه شامل كمپرسور سانتريفوژ، توربين تك‌مرحله‌اي جهت گرداندن كمپرسور و توربين قدرت جداگانه بود كه از مبدل حرارتي نيز در آن استفاده شد. در سال 1962‌م كمپاني GeneralMotors يك توربين گاز به هم‌اه بازياب ساخت كه مصرف سوخت آن نسبت به نمونه مشابه 36% كاهش داشت .

در سال 1979‌م با توافق بين سازندگان بزرگ توربين گاز، استانداردي جهت كاهش ميزان NO_x وCO دود خروجي ازتوربين گاز نوشته شد . در خلال سال‌هاي بعد تغييرات فراواني در نوع سوخت، متريال[1] روش‌هاي خنك‌كاري و كاهش نويز و سر و صدا به‌وسيله شركت NASA صورت گرفت.

در 15 سال گذشته توربين گاز، خدمات فزآينده‌اي را در صنعت و كاربردهاي پتروشيمي در سراسر جهان ارائه داده است. انسجام ، وزن كم و امكان كاربرد سوخت چندگانه موجب استفاده از توربين گاز در سكوهاي دريايي نيز شده‌است .

امروزه توربين‌هاي گازي وجود دارند كه با گاز طبيعي ، سوخت ديزل ، نفت ،متان ، گازهاي حرارتي ارزش پايين ، نفت گاز تقطير‌شده و حتي فضولات كار مي‌كنند و روز به روز تلاش‌ها در جهت تكميل و اصلاح عملكرد آن ادامه دارد.

 مقايسه نيروگاه گازي با نيروگاه‌هاي ديگر

شكل (1-2) مقايسه ميزان حرارت در چهار نمونه سيكل داده شده را نشان مي‌دهد.

باتوجه به شكل (1-2) بديهي است كه هرچه درجه حرارت توربين افزايش مي‌يابد ميزان حرارت بيش‌تر جلب توجه مي‌كند.

بعضي از عوامل قابل ملاحظه در تصميم‌گيري براي انتخاب نوع نيروگاه كه متناسب با نيازهاي موجود باشند، عبارتند از:

1- هزينه سرمايه‌گذاري

2- زمان لازم از برنامه‌ريزي و طراحل تا اتمام كار هزينه‌هاي تعميراتي و هزينه‌هاي سوخت.

توربين گاز كم‌ترين هزينه تعميراتي و سرمايه‌گذاري را دارد. هم‌چنين سريع‌تر از هر نوع نيروگاه ديگري اتمام مي‌يابد و به مرحله بهره‌برداري مي‌رسد.

از معايب آن مي‌توان به اتلاف حرارتي زياد اشاره كرد

طراحي هر توربين گاز بايد در برگيرنده معيارهاي اساسي براساس ملاحظات بهره‌برداري باشد. بعضي از معيارهاي عمده عبارتند از :

1- راندمان بالا

2- قابليت اطمينان بالا و در نتيجه قابليت دسترسي بالا

3- سهولت سرويس

4- سهولت نصب و تست

5- تطابق با استانداردهاي مربوط به شرايط محيط

6- تركيب سيستم‌هاي كمكي و كنترل كه در نتيجه درجه قابليت اطمينان بالايي را به‌دست مي‌دهند.

7- قابليت انعطاف در تطابق با سرويس‌ها و نيز سوخت‌هاي مختلف

نگاهي به هريك از اين ملاك‌ها مصرف‌كننده را قادر خواهد ساخت كه درك بهتري از هر يك از لوازم پيدا بنمايد.

فرآيند توربين‌هاي گاز

توربين گاز قدرت را از طريق به‌كار بردن انرژي گازهاي سوخته و هوا كه دما و فشار زيادي دارند، با منبسط‌كردن آن در چندين طبقه از پره‌هاي ثابت و متحرك، توليد مي‌كند. براي توليد فشار زياد ( از 4 تا 13 اتمسفر) در سيال عامل كار، كه براي تراكم لازم مي‌باشد، از كمپرسور استفاده مي‌شود. براي توليد قدرت زياد، به‌جريان زيادي از سيال و سرعت زياد آن نياز مي‌شود كه براي اين كار از كمپرسور گريز از مركز يا كمپرسور جريان محوري استفاده مي‌شود. كمپرسور توسط توربين به حركت در مي‌آيد و روي همين اصل محور آن‌ها به‌هم متصل مي‌گردد. اگر پس از عمل تراكم روي سيال عامل كار، سيال فوق در توربين منبسط گردد، با فرض نبودن تلفات در كمپرسور و توربين همان مقدار كار كه صرف تراكم شده است، توسط توربين به‌دست مي‌آيد و در نتيجه كار خالص صفر خواهد بود. ولي كار توليدي توربين را مي‌توان با اضافه‌كردن حجم سيال عامل كار در فشار ثابت، يا افزايش فشار آن در حجم ثابت، افزايش داد. هر يك از از دو روش فوق را مي‌توان با بالا بردن دماي سيال عامل كار، پس از متراكم ساختن آن به‌كار برد. براي بالا بردن دماي سيال عامل كار، يك اتاق احتراق لازم است كه در آن هوا و سوخت محترق گردند تا موجب افزايش دماي سيال عمل كار بشود.

به اين‌ترتيب، يك سيكل ساده توربين گاز شامل كمپرسور، اتاق احتراق و توربين مي‌باشد. نظر به اين‌كه محور كمپرسور به توربين متصل شده است، كمپرسور مقداري از كار توليد شده توسط توربين را جذب مي‌كند، و بازده را پايين مي‌آورد. بنابراين كار خالص، اختلاف بين كارتوربين و كار لازم براي گرداندن كمپرسور خواهد بود.

سوخت عمومي توربين گاز، گاز طبيعي، گازوئيل، نفت و مازوت مي‌‌باشد. توربين گاز براساس فرآيند احتراق به انواع زير طبقه‌بندي مي‌شود:

1 – احتراق پيوسته يا نوع فشار ثابت، اين نوع سيكل را سيكل ژول يا سيكل برايتون نامند.

2- انفجاري يا نوع حجم ثابت، اين نوع سيكل را سيكل آتكينسون مي‌نامند.

توربين‌هاي گاز را از روي مسير سيال عامل كار نيز طبقه‌بندي مي‌كنند كه عبارتند از:

1- توربين‌هاي گاز با سيكل باز (سيال عامل كار از هواي بيرون موتور وارد مي‌شود و به داخل هواي محيط تخليه مي‌گردد).

2- توربين گاز با سيكل نيمه بسته ( مقداري از سيال عامل كار در داخل دستگاه گردش مي‌كند و مقدار ديگر به داخل هواي محيط تخليه مي‌گردد).

 سيكل استاندارد هوايي (برايتون)

اين سيكل كه سيكل ژول نيز ناميد مي‌شود براي مولد قدرت توربين گاز ساده، مطلوب مي‌باشد. شكل‌هاي (1-3) و (1-4) طرح ساده توربين به همراه اجزاء آن و شكل (1-5) تجهيزات گوناگون يك توربين گاز از نوع GELM350 را نشان مي‌دهد.

هواي محيط در داخل كمپرسور از فشار ₁ P تا ₂ P متراكم مي‌گردد و بعد به اتاق احتراق فرستاده مي‌شود كه در آنجا سوخت پاشيده شده محترق مي‌گردد. فرآيند احتراق در فشار ثابت صورت مي‌گيرد. در اثر احتراق، دماي سيال عامل كار زياد مي‌شود و از ₂T و₃ T مي‌رسد. محصولات احتراق از اتاق احتراق خارج مي‌شود و در داخل توربين از ₃ P تا فشار جو منبسط مي‌گردد و به داخل هواي محيط تخليه مي‌شود. توربين و كمپرسور به طور مكانيكي به‌ هم متصل شده‌اند، بنابراين، كار خالص برابر است با اختلاف بين كار انجام شده توسط توربين و كار مصرف شده به‌وسيله كمپرسور . براي آغاز كار كمپرسور ، يك راه‌انداز لازم خواهد بود. وقتي توربين شروع به كار كرد، راه انداز قطع مي‌شود.

­