بررسيهاي اولية توربين گازي از ديدگاه ترموديناميك و فناوري

واضح آرشیو وب فارسی:فان پاتوق: بررسيهاي اولية توربين گازي از ديدگاه ترموديناميك و فناوري
توربين، يكي از سيستمهايي است كه از سالها پيش در توليد انرژي الكتريكي نقش مؤثري داشته است. توربين، نخستين بار در توليد قدرت ئيدروالكتريك – كه هنوز هم به صورتي فعال به عنوان يكي از منابع توليد انرژي در جهان مورد استفاده قرار مي گيرد – به كار برده شده است. از اوايل قرن بيستم بهره برداري از توربين بخار آغاز شده و در موارد متعددي به ويژه نيروگاهها، به عنوان موتور اصلي براي توليد برق مورد استفاده قرار گرفته است. علي رغم كارايي خوب و توسعة موفقيت آميز توربين بخار، هنوز نقاط ضعفي در اين سيستم وجود دارد كه از آن جمله، تأسيسات عظيم و هزينه بر توليد بخار در فشار و درجة حرارت بالا را در نيروگاههاي فسيلي و راكتورهاي هسته اي مي توان نام برد. در اين نوع نيروگاهها، گازهاي داغ حاصل از كوره، هرگز به توربين نمي رسد، بلكه انرژي موجود صرف گرم كردن سيّال عامل ديگري مي شود كه عموماً بخار است. حال اگر در نيروگاه، مرحلة سيكل تبديل آب به بخار حذف شود، مسلماً اندازة نيروگاه كوچك شده و گازها داغ،. در تماس مستقيم با توربين خواهد بود. بدين منظور، ساخت توربين گازي از اوايل جنگ جهاني دوم شروع شده و به سرعت توسعه يافت، اما در آن زمان بيشتر توجه به كاربرد آن به عنوان موتور توربوجت در صنايع هواپيمايي معطوف شد. در سالهاي بعدي توربين گازي در بسياري از زمينه ها مورد استفاده قرار گرفت. از آنجا كه سيّال عبوري از توربين منبسط مي شود نسبت فشاري بايد تأمين گردد. لذا نخستين گام در واحد سيكل گازي، تراكم سيّال عامل است. اين كار معمولاً در كمپرسور انجام مي شود. اگر قرار باشد سيّال عامل متراكم مستقيماً در توربين انبساط پيدا كند و هيچ تلفات يا اصطكاكي را در نظر نگيريم، در اين صورت توان حاصل از توربين، با كار جذب شده توسط كمپرسور معادل است. حال اگر كمپرسور و توربين از طريق محور به يكديگر كوپل شده باشند، انرژي اضافه اي حاصل نشده و فقط صرف چرخاندن محور خواهد شد. اگر بتوانيم پيش از انبساط در توربين، مقداري انرژي را به سيّال عامل مثلاً با افزايش درجة حرارت اضافه كنيم، در اين صورت توان گرفته شده از توربين بيش از كار مصرف شده توسط كمپرسور خواهد بود. اگر سيّال عامل هوا باشد، اين كار با احتراق سوخت در هوا – كه متراكم نيز شده است – براحتي امكانپذير است. افزايش فشار سيال عامل در كمپرسور و افزايش دماي آن از طريق احتراق انجام مي شود و در نتيجه، سيال عامل، انرژي بيشتري را حمل مي كند. اين مقدار انرژي، نه تنها كار مصرف شده در كمپرسور را جبران مي كند، بلكه مقداري انرژي نيز در خروجي توليد خواهد كرد. اين انرژي اضافي به صور مختلفي قابل استفاده است. با توجه به مطالب گفته شده، براي توليد انرژي به سه جزء اصلي يعني كمپرسور، محفظة احتراق و توربين – كه در يك سيكل قرار مي گيرند – نياز است. در عمل به دليل وجود اصطكاك و تلفات در كمپرسور و توربين، كار جذب شده (تلف شده) در محور افزايش يافته و مقدار انرژي توليدي كاهش مي يابد، در نتيجه كارايي سيستم نيز كاهش مي يابد. با افزايش مصرف سوخت، اگرچه انرژي توليدي خالص در خروجي افزايش مي يابد، اما اين افزايش انرژي توليدي، داراي محدوديتي است كه به جريان هواي داده شده بستگي دارد. حداكثر نسبت سوخت به هواي احتراق، را دماي كاركرد ورودي توربين تعيين مي كند. اين دما از حدي بحراني كه مقدار معيني دارد نبايد تجاور كند. اين حد با نام مقاومت خزشي مواد به كار رفته شناخته شده و در ساختمان و طول عمر توربين نقش بسزايي ايفا مي كند.

دماي كاركرد توربين و كارايي اجزاي سيكل، دو عامل اصلي در كارايي توربين گازي مي باشند. افزايش اين عوامل، افزايش توليد و همچنين افزايش كارايي سيكل را نتيجه مي دهد. در سالهاي اوليه به دليل استفاده از اجزا و مواد نامناسب، سيكل توربين گازي فقط مي توانست محور را بچرخاند و توان اضافي قابل توجهي توليد نمي شد. اما با گذشت زمان و توسعة علوم آيروديناميك و مواد، شركتهاي سازنده موفق به ساخت توربينهايي پيشرفته شدند طوري كه امروز، توربينهاي گازي با نسبت فشار 35:1، كارايي اجزاي 85 تا 90 درصد و دماي ورودي توربين تا k 1650 در حال بهره برداري است.

در سالهاي نخست ساخت توربين گازي، دو روش فشار – ثابت و حجم – ثابت براي اجراي واكنش احتراق ارائه داده شد. اگرچه از ديدگاه نظري، در سيكل با واكنش حجم – ثابت، كارايي حرارتي بالاتر است اما مشكل مكانيكي و اجرايي بيشتري وجود دارد. در واكنش حجم – ثابت حرارت دادن به شيرهايي نياز دارد كه توربين و كمپرسور را از محفظة احتراق جدا كرده و عملكرد پايداري را در سيستم به اجرا درآوردند. اگرچه كارهاي موفقيت آميزي از سازنده هاي آلماني در اوايل قرن بيستم ارائه داده شد، اما اين روش ادامه نيافت. در روش فشار – ثابت واكنش احتراق به طور پيوسته انجام مي شود و شير جدا كننده مورد نياز نيست. اين روش موفق بود و به همين دليل در سالهاي بعدي بسرعت پيشرفت كرد. لازم است ذكر شود كه واكنشهاي تراكم، احتراق و انبساط در يك قسمت از سيكل توربين گازي انجام نمي شود بلكه هر واكنش در جزء متفاوتي انجام مي گيرد. اين اجزا كه كمپرسور، محفظة. احتراق و توربين است، هر سه واكنش را در سيكلي پيوسته به وجود مي آورند. ناگفته نماند كه سيكل توربين گازي به اين سه جزء محدود نيست بلكه مي تواند شامل كمپرسور و توربينهاي مختلفي باشد. ساير بخشها شامل كولرهاي خنك كننده بين كمپرسورها، مبدلهاي حرارتي بين توربينها يا مبدلهاي حرارتي براي گرم كردن هواي ورودي به محفظه احتراق است. اين اجزا براي افزايش كارايي توربين گازي در سيكل قرار مي گيرد كه البته پيچيدگي بيشتري را براي سيكل توربين گازي به دنبال خواهد آورد. علاوه بر انواع اجزاي مورد استفاده در سيكل، دو نوع سيكل باز و بسته قابل بررسي است كه در قسمتهاي بعدي توضيح داده خواهد شد.

در دهه هاي اخير، تقاضا براي افزايش كارايي، موجب طراحي سيكلهاي تركيبي گاز و بخار شد كه بدون افزايش سوخت، ظرفيت توليدي را افزايش مي دهند. به عنوان مثال يكي از انواع پيچيدة سيكل تركيبي، به كارگيري سيكل واحد گازي در نيروگاه هسته اي و ديگ بخار است. حرارت توليد شده در نيروگاه هسته اي در راكتور اتمي، از طريق نوعي مبدل به سمت توربين گازي هدايت شده و پس از خروج از توربين گازي، به دليل داشتن اكسيژن كافي، در ديگ بخار مصرف مي شود. اگرچه اين نوع سيكلها، ويژگي كوچك بودن توربين گازي را ندارند، اما كارايي حدود 50 درصد به راحتي حاصل مي شود.

در سالهاي اخير توربين گازي توسعة زيادي يافته و كاربردهاي مختلفي يافته است. توربين گازي در توليد انرژي الكتريكي، صنايع هواپيمايي، صنايع حمل و نقل زميني و دريايي، انتقال نفت و گاز و غيره مورد استفاده قرار مي گيرد. در اين مبحث كاربرد توربين گازي در توليد انرژي الكتريكي با تفصيل بيشتري بررسي مي شود. اگرچه از توربين گازي در ساير صنايع به طور گسترده اي استفاده مي شود.

این صفحه را در گوگل محبوب کنید

[ارسال شده از: فان پاتوق]

[مشاهده در: www.funpatogh.com]

[تعداد بازديد از اين مطلب: 150]