در این مقاله قصد دارم به سوال کلی توربین گازی چیست ؟ جواب بسیار کاملی و کاربردی داده و به شما قول میدهم اگر تا پایان این مقاله توربین گاز چیست با من همراه باشید به جواب این سوالات میرسید:

• روابط ترمودینامیکی در توربین گاز چیست ؟
• سیکل ساده توربین گاز چیست ؟
• مزایای توربین گاز چیست ؟
• نحوه کار توربین گاز چیست ؟
• حداکثر دمای مجاز توربین گاز چیست ؟
• اثر نسبت فشار کمپرسور در توان تولیدی و راندمان توربین گاز چیست ؟ 
• تغییرات توان خروجی واقعی و بازده واقعی در نسبت فشارهاي مختلف توربین گاز چیست ؟
• اثر نوع سیال عامل در نحوه کار توربین گاز چیست ؟ 

چرا توربین گازی؟

در حال حاضر جهت تأمين انرژي برق مورد نياز كشورها، تأسيس توربينهاي گازي در سراسر جهان نسبت به ساخت توربينهاي
بخار،

بدليل مزايايي كه دارند در اولويت قرار گرفته است، بطوريكه از 70 سال قبل توربين هاي گازي جهت توليد برق مورد استفاده
قرار گرفته‌اند

ولي در بيست سال اخير توليد اين نوع توربين ها بيست برابر افزايش يافته است.

از جمله مزاياي اين توربينها حجم كم، نصب سريع، راه اندازي سريع، بهره برداري آسان و امكان استفاده از سوختهاي متفاوت در آنها ميباشد.

روابط ترمودینامیکی در توربین گاز چیست ؟

در پاسخ به سوال سیکل کاری توربین گاز چیست ، میتوان گفت سیال عامل توربین گاز یعنی هوا،

سیکل برایتون را تجربه می نماید.

سیکل برایتون یک چرخه ترمودینامیکی است که پایه کار توربینهاي گاز و موتورهاي جت است.

نام این چرخه، از نام جرج برایتون (George Brayton)، مهندس آمریکایی گرفته شده که این چرخه را توسعه داد،

هر چند اولین بار توسط مخترع انگلیسی، جان باربر (Jan barber)، پیشنهاد شده و به ثبت رسیده بود.

سیکل برایتون در حالت آرمانی، از چهار فرآیند به شرح زیر تشکیل شدهاست:

1 .فشردهشدن هوا به صورت آنتروپی ثابت در کمپرسور.

2 .احتراق هوا به صورت فشارثابت در محفظه احتراق.

3 .انبساط هوا به صورت انتروپی ثابت در توربین.

لازم به ذکر است در توربینهای گازی که از هواي خروجی کمپرسور براي خنک کاري نازل ردیف اول توربین استفاده می شود

به دلیل وجود دو جریان، دماي نقطه 3 در شکل زیر می بایست

برابر دماي خروجی از نازل را در نظر گرفت

و در صورتی که سیستم خنک کن نازل بسته باشد و وارد جریان گاز داغ نشود،

دماي نقطه 3 برابر دماي قبل از ورودي به نازل ردیف اول در نظر گرفته می شود.

4 .انتقال حرارت گازهاي خروجی توربین به محیط به صورت فشار ثابت.

سیکل ساده توربین گاز چیست ؟

منظور از سیکل ساده توربین گاز چیست ؟ سیکل برایتون بدون گرمایش یا خنک کن میانی می باشد.

ایده ساخت اولین توربین گاز به سال 1791 باز می گردد.

زمانی که باربر اولین بار فرضیات ساخت موتور حرارتی براي تولید توان را ارائه کرد.

هوا و سوخت به صورت فشرده می سوزد و محصولات احتراق را جهت چرخاندن توربین تولید می کند.

در این طرح کمپرسور می تواند به صورت مستقل و یا توسط توربین (در صورت تولید توان کافی) چرخانده شود.

توربین به دلیل مزیت هاي مکانیکی خاص خود جایگاهی خاص در بین تولید کنندگان توان و قدرت در صنعت دارد.

مزایای توربین گاز چیست ؟

در پاسخ به سول مزایای توربین گاز چیست میتوان به موارد زیر اشاره کرد:

1- عدم سایش قطعات درگیر

2- مشکلات بالانس بسیار کمتر نسبت به موتورهاي رفت و برگشتی

3- نیاز ناچیز به روغن کاري نسبت به موتورهاي رفت و برگشتی

4- قابلیت اعتماد و در دسترس بودن بالاي آن.

در جنگ جهانی دوم استفاده از توربو جت جهت صنایع هوایی مورد توجه بسیار قرار گرفت.

توربو جت ها ار نظر ساختار بسیار شبیه توربین گاز امروزي هستند و بعد از جنگ،

این توربین ها به سرعت در دیگر زمینه هاي صنعت نفوذ کرده و گسترش و بهبود یافتند تا به شکل امروزي خود در آمدند.

نحوه کار توربین گاز چیست ؟

در پاسخ به سوال نحوه کار توربین گاز چیست؟ باید گفت:

یک توربین براي اینکه بتواند کار کند می بایست یک اختلاف فشار معین در ابتدا و انتهاي آن وجود داشته باشد.

به عبارت دیگر، به یک نسبت فشار معین احتیاج دارد.

چنانچه این اختلاف فشار، توسط کمپرسور ایجاد گردد،

و مجددا سیال فشرده اي که از کمپرسور خارج می شود در توربین منبسط شود،

بر اساس قوانین ترمودینامیکی هیچ انرژي اضافه اي مازاد بر انرژي مورد نیاز کمپرسور تولید نخواهد شد.

چنانچه سیال مورد استفاده هوا باشد داراي این مزیت است که می توان با اضافه کردن سوخت و احتراق آن،

دماي هوا را بالا برده و در نتیجه کار تولیدي هواي داغ بیشتر از کار مورد نیاز کمپرسور خواهد بود.

در عمل به دلیل از دست دادن انرژي با افزایش توان مورد نیاز کمپرسور و کاهش توان تولیدي توربین نسبت به حالت ایده آل مواجه هستیم.

به همین دلیل براي راه اندازي توربو کمپرسور گاز، همیشه به مقدار معینی از سوخت احتیاج است.

البته این مقدار سوخت هیچ توان مفید و مازادي تولید نمی کند.

این افت مربوط به قطعات و تجهیزات توربین گاز است که باعث می شود همه انرژي که در کمپرسور به هوا داده می شود،

در قسمت توربین قابل بازیافت و استحصال نباشد و نیازمند مقداري سوخت جهت جبران این افت ها باشد.

با افزودن سوخت بیش از این مقدار به هوا، می توان باعث افزایش دما و انرژي هوا شد.

در نتیجه در هنگام عبور هوا از میان پره هاي توربین تولید توان بیشتري کرد.

حداکثر دمای مجاز توربین گاز چیست ؟

حداکثر میزان ترکیب سوخت با هوا به دلیل افزایش دماي حداکثر توربین،

داراي محدودیت متالورژي مواد و استرس هاي حرارتی و مقاومت خزشی پره هاي توربین گاز است.

این موارد افزایش دما را محدود کرده و اجازه نمی دهد دماي گاز ورودي به توربین گاز از حدي بالاتر برد.

به طور کلی به ازاي هر 56 درجه سانتی گراد (100 فارنهایت) افزایش در دماي گاز ورودي به توربین گاز،

باعث بهبود 8 تا 13 درصدي توان و 2 تا 4 درصدي بازده سیکل ساده خواهد شد.

در سیکل برایتون ساده چنانچه دماي حداکثر سیکل به دلیل محدودیت هاي متالورژي محدود شود،

بازده سیکل در یک نسبت فشار معینی بهینه می گردد.

توربین گاز ایده آل

چنانچه فرض شود بازده قسمت کمپرسور و توربین 100 درصد باشد،

نسبت فشاري که در آن بازده بهینه می گردد به صورت زیر محاسبه می شود.

به صورت تئوري این نسبت فشار به معنی آن است که دماي گاز خروجی از کمپرسور برابر دماي حداکثر سیکل شود،

به گونه اي که حرارتی که در قسمت محفظه احتراق به گاز اضافه می شود به سمت صفر میل می کند

و خط انبساط در قسمت توربین به سمت خط تراکم در قسمت کمپرسور میل کرده

و به صورت حدي کار خالص خروجی به سمت صفر میل می نماید.

البته حرارت اضافه شده به سیکل نیز به سمت صفر میل می نماید.

توربین گاز واقعی 

اما در حالت واقعی بازده مکانیکی قسمت توربین و کمپرسور 100 درصد نیست.

به همین دلیل بازده و نسبت فشاري که در آن بازده بهینه می گردد به صورت زیر محاسبه می شود:

اثر نسبت فشار کمپرسور در توان تولیدی و راندمان توربین گاز چیست ؟ 

سوال بسیار مهمی که اینجا مطرح می شود این است: اثر نسب فشار کمپرسور در مگاوات و رانمان توربین گاز چیست ؟

لازم به ذکر است نسبت فشاري که در آن کار خروجی توربو کمپرسور بهینه می شود،

با نسبت فشاري که بازده در آن بهینه می شود متفاوت است.

براي اینکه بتوان حداکثر کار ممکن را در یک دماي حداکثر و حداقل معین از یک توربین گاز به دست آورد،

نسبت فشاري که در کمپرسور ایجاد می شود در دو حالت ایده آل (بازده مکانیکی توربین و کمپرسور 100 درصد باشد)

و حقیقی می بایست محاسبه شود. این نسبت فشار بهینه به صورت زیر محاسبه می گردد.

براي اینکه بتوانیم نسبت فشار بهینه داده شده در شکل فوق را براي هر توربین گازي با دماي T3 معین مشخص کنیم،

می توانیم از رابطه کار خالص نسبت به t در بالا مشتق گرفته و مساوي صفر قرار دهیم. بنابراین خواهیم داشت.

از آنجا که است، بنابراین زمانی کار خروجی خالص بهینه خواهد بود که T2 = T4 باشد.

این بدین معنی است زمانی کار خروجی از توربین گاز حداکثر خواهد بود که

نسبت فشار کمپرسور به گونه اي باشد که دماي گاز خروجی از کمپرسور برابر دماي خروجی از توربین گاز باشد.

بررسی موردی اثر نسب فشار کمپرسور در مگاوات و رانمان توربین گاز 

به عنوان مثال چنانچه فرض شود حداکثر دماي قابل تحمل براي توربین 1300 درجه کلوین و دماي محیط نیز در 300 درجه کلوین قرار داشته باشد،

در نسبت فشار هاي مختلف توان خروجی توربین متفاوت بوده و نسبت فشار بهینه در این دماي حداکثر و حداقل،

جهت خروج حداکثر توان برابر با 13 خواهد بود (براي هوا K=1.4 است).

این نسبت فشار بهینه به دماي حداکثر و حداقل سیکل و ویژگی هاي حرارتی سیال عامل سیکل بستگی دارد.

اما در حالت واقعی کار خروجی بهینه به صورت زیر محاسبه می گردد.

شکل زیر به طور نسبی نسبت فشار بهینه اي که در آن کار خروجی و بازده کمپرسور

در حالتی که بازده مکانیکی کمپرسور 87 درصد و بازده توربین 92 درصد باشد را در دماي حداکثر مختلف سیکل با هم مقایسه می کند.

به عنوان مثال در یک توربو کمپرسور حقیقی با بازده بیان شده فوق،

نسبت فشار بهینه براي بازده در دماي 1500 درجه فارنهایت (816 درجه سانتی گراد) برابر با 1:15.5

و براي دماي حداکثر 2400 فارنهایت (1316 درجه سانتی گراد) برابر با 1:43 است.

این درحالی است که نسبت فشار بهینه براي حداکثر کردن توان خروجی توربین براي دماي 1500 درجه فارنهایت برابر با 1:11.5

و براي دماي 2400 درجه فارنهایت تقریبا برابر با 1:35 می باشد.

لازم به ذکر است در طراحی توربین گاز پایه طراحی به گونه اي است که

علاوه بر نظر گرفتن هزینه هاي ساخت و محاسبات مربوط به بازگشت سرمایه،

بازده و توان خروجی توربین نیز باید بیشینه گردد.

از آنجا که فشار بهینه براي این دو پارامتر با یکدیگر متفاوت است،

فشار خروجی کمپرسور متفاوت از دو گراف فوق بوده و معمولا در مقداري مابین این دو عدد است.

تغییرات توان خروجی واقعی و بازده واقعی در نسبت فشارهاي مختلف توربین گاز چیست ؟

شکل زیر تغییرات توان خروجی توربین با بازده در نسبت فشارهاي مختلف را نشان می دهد.

به عنوان مثال در دماي حداکثر توربین 1538 درجه سانتی گراد فشار بهینه عملکردي،

یعنی فشاري که در آن حداکثر توان در حداکثر بازده به دست می آید، برابر به 1:30  می شود.

لازم به ذکر است در طراحی توربین گاز با نسبت فشارهاي بالا،

براي کاهش هزینه هاي ساخت با بهبود عملکرد و نسبت فشار هر ردیف پره تعداد ردیف ها را کاهش می دهند.

به عنوان مثال در طراحی هاي رایج، نسبت فشار هر ردیف بین 1.15 تا 1.25 است.

ولی براي نسبت فشار 1:30 به 22 ردیف پره احتیاج خواهد بود.

چنانچه نسبت فشار هر ردیف به 1.252 افزایش یابد تعداد ردیف هاي کمپرسور از 22 به 16 کاهش می یابد که تاثیر بسزایی در هزینه هاي ساخت دارد.

بنابراین دو عامل دماي حداکثر کاري توربین و بازده قطعات توربین گاز تاثیر بسزایی در بازده نهایی توربین گاز خواهد داشت.

بنابراین سازندگان مختلف سعی می کنند به روش هاي مختلف دماي حداکثر مجاز و بازده قطعات قسمت هاي مختلف توربین را افزایش دهند.

شکل زیر افزایش توان و بازده توربین گاز با افزایش نسبت دماي حداکثر به حداقل سیکل برایتون(در اینجا با t نشان داده شده است) برحسب افزایش نسبت فشار سیکل را نشان می دهد.

اثر نوع سیال عامل در نحوه کار توربین گاز چیست ؟ 

در پاسخ به سوال اثر نوع سیال عامل در بازده توربین گاز چیست اینطور باید بگویم:

چنانچه سیال عامل سیکل برایتون، گازي غیر از هوا باشد به دلیل متفاوت بودن K بازده آن نیز متفاوت خواهد بود.

شکل زیر بازده سیکل برایتون ساده در دو حالت سیال عامل هوا و آرگون را نشان می دهد.

این حالت بیشتر در سیکل هاي بسته برایتون با منبع حرارت خارجی اتفاق می افتد که در ادامه توضیح داده خواهد شد.

جمع بندی سوال ” توربین گاز چیست ؟”

امروزه با پیشرفت علم، روند پیشرفت توربین گاز نیز ادامه داشته و با پیشرفت علم متالورژي و ایرودینامیک،

نسبت فشار 1:35 نیز قابل استحصال بوده و بازده مکانیکی تجهیزات تا 85-90 درصد

و دماي حداکثر کاري توربین تا حدود 1600 درجه سانتیگراد نیز افزایش یافته است.

توربین هاي با دماي بالاي 1700 درجه سانتی گراد نیز در حال تحقیق و توسعه می باشند.

این دما بیشتر از حد تحمل تجهیزات توربین بوده و به همین دلیل،

از روش هاي خنک کار پره هاي توربین می توان جهت افزایش دماي احتراق بدون آسیب دیدگی پره هاي توربین استفاده کرد.

بالا نگه داشتن دماي ورودي به توربین گاز در حالتی که از سیستم خنک کن پره هاي توربین استفاده می شود،

ایجاب می کند دماي محفظه احتراق جهت جبران اثر سیستم خنک کن، بالاتر از دماي گاز در ورودي به توربین باشد.

از طرف دیگر افزایش دماي احتراق باعث افزایش آلایندگی NOX تولیدي در محفظه احتراق می شود.

استفاده از بخار آب به جاي هوا به دلیل خاصیت خنک کنندگی بالا باعث افزایش 90 درجه سانتی گرادي دماي ورودي به توربین،

بدون افزایش دماي محفظه احتراق می شود.

منبع: هادی اله یاری، فاطمه نام آور، مبانی و اصول مهندسی نیروگاه و تجهیزات اصلی آن، جلد اول انتشارات سارگل، 1395