به دلیل اختلاف پارامترهای آب و هوایی بسیاری از مناطق با شرایط طراحی توربین گاز (gas turbine)، واحدهای توربین گاز با كاهش راندمان و توان خروجی روبرو هستند. همچنین در یک منطقه جغرافیایی خاص، شرایط آب و هوایی در طول سال متغیر بوده و در ایام تابستان دمای هوای محیط افزایش قابل توجهی دارد. افزایش دمای هوای ورودی به توربین گاز و همچنین ارتفاع سایت محل نصب توربین، به دلیل این که باعث کاهش دبی جرمی ورودی به توربین می‌شود، کاهش راندمان و انرژی خروجی توربین را در پی دارد.
اکثر روش‌های موجود برای بهبود عمل‌کرد توربینهای گازی مبتنی بر تغییرات متالورژیکی و مکانیکی در پره‌های توربین (turbine blades) و کمپرسور (compressor) و بهینه‌سازی سیستم خنک‌کاری قطعات داغ است که مستلزم تغییرات اساسی در مواد و سیستم خنک‌کاری (cooling system) پره‌های توربین گازی می‌باشد. یکی از تکنولوژیهای مطرح برای بهبود عمل‌کرد توربینهای گاز بدون انجام تغییرات اساسی در اجزای اصلی توربین گاز، سرمایش هوای ورودی به توربین گاز (intake air cooling) است. به صورت كلی سه نوع سیستم خنک‌سازی هوای ورودی وجود دارد که عبارت‌اند از:
تعیین روش خنک‌کاری مناسب برای یک واحد گازی نیازمند تحلیل آب و هوایی منطقه، بررسی عمل‌کردی و ترمودینامیکی نیروگاه گازی، در نظر گرفتن اثرات تخریبی و فرسایشی روش خنک‌کاری، در نظر گرفتن ساعات اوج مصرف، انجام امکان‌سنجی اقتصادی و غیره است.
خنک‌کاری تبخیری
روش محیط مرطوب شامل یک محیط متخلخل است که آب در آن جریان دارد. هوای ورودی پس از عبور از محیط متخلخل به دمای حباب تر نزدیک شده و وارد کمپرسور می‌شود.
از نظر افزایش توان، دو روش مه پاشی و محیط مرطوب با محدودیت ترمودینامیکی مواجه هستند. بدین ترتیب که در این دو روش نمی‌توان دمای هوای ورودی را به دمایی پایین‌تر از دمای حباب تر محیط رساند. بنابراین، این دو روش در مناطقی که رطوبت نسبی بالایی دارند کارایی ندارند.
در دو روش تراکم مرطوب و فلش چرخشی نیز آب با فشار زیاد وارد به هوا تزریق می‌شود. با این تفاوت که نازل‌های تزریق در ورودی کمپرسور (انتهای کانال ورودی هوا) قرار دارند. میزان آب تزریق شده در این روش‌ها بیش‌تر از روش فاگ و مدیا است به طوری که علاوه بر رساندن دمای هوا به دمای حباب تر، مقداری آب نیز به صورت قطرات بسیار ریز وارد هوا می‌شود و با افزایش دبی جرمی ورودی به کمپرسور سبب افزایش بیش‌تر توان نسبت به روش خنک‌کاری فاگ و محیط مرطوب می‌شوند. بنابراین این روش‌ها در مناطق مرطوب نیز عمل‌کرد مناسبی خواهند داشت. تفاوت روش‌های تراکم مرطوب و فلش چرخشی دمای آب اسپری شده به هوای ورودی است. در روش تراکم مرطوب، دمای آب برابر دمای محیط بوده در حالی که در روش فلش چرخشی دمای هوای ورودی در حدود 180 درجه سانتی‌گراد است.
خنک‌کاری تبریدی
روش‌های خنک‌کاری تبریدی شامل استفاده از یک سیکل تبرید (refrigeration cycle) برای کاهش دمای هوای ورودی توربین گاز می‌شوند. در این روش‌ها برای کاهش دما از سیکل جذبی (absorption cycle) استفاده می‌شود. از مزایای این روش‌ها می‌توان به عدم نیاز به آب دمین اشاره کرد. همچنین این روش خنک‌کاری در مناطق مرطوب نیز قابل استفاده است.
فلسفه اصلی سیکل جذبی، استفاده از مبرد جاذب و در نتیجه جایگزینی یک پمپ (pump) با کمپرسور سیکل تبرید تراکمی (compression refrigeration) است. سیستم خنک‌کاری جذبی نیازمند تجهیزات بیش‌تری نسبت به روش‌های تبخیری بوده و در نتیجه هزینه اولیه بیش‌تری را تحمیل می‌کند. همچنین زمان نصب و راه‌اندازی این سیستم طولانی‌تر از روش‌های تبخیری است. در صورتی که حرارت مورد نیاز سیکل جذبی از دود خروجی از توربین گاز تامین شود، در نیروگاه‌هایی که دارای سیکل ترکیبی (combined cycle power plants) هستند باید بررسی جامعی برای استفاده از انرژی دود برای سیکل تبرید به جای سیکل بخار انجام داد.
اکثر روش‌های موجود برای بهبود عمل‌کرد توربینهای گازی مبتنی بر تغییرات متالورژیکی و مکانیکی در پره‌های توربین (turbine blades) و کمپرسور (compressor) و بهینه‌سازی سیستم خنک‌کاری قطعات داغ است که مستلزم تغییرات اساسی در مواد و سیستم خنک‌کاری (cooling system) پره‌های توربین گازی می‌باشد. یکی از تکنولوژیهای مطرح برای بهبود عمل‌کرد توربینهای گاز بدون انجام تغییرات اساسی در اجزای اصلی توربین گاز، سرمایش هوای ورودی به توربین گاز (intake air cooling) است. به صورت كلی سه نوع سیستم خنک‌سازی هوای ورودی وجود دارد که عبارت‌اند از:
- خنک‌کاری تبخیری (evaporative cooling)
- خنک کاری تبریدی (refrigeration cooling)
تعیین روش خنک‌کاری مناسب برای یک واحد گازی نیازمند تحلیل آب و هوایی منطقه، بررسی عمل‌کردی و ترمودینامیکی نیروگاه گازی، در نظر گرفتن اثرات تخریبی و فرسایشی روش خنک‌کاری، در نظر گرفتن ساعات اوج مصرف، انجام امکان‌سنجی اقتصادی و غیره است.
خنک‌کاری تبخیری
- مه پاشی یا فاگ (fogging)
- محیط مرطوب (wet media)
- تراکم مرطوب (wet compression)
- فلش چرخشی (swirl flash)
روش خنک‌کاری فاگینگ
روش محیط مرطوب شامل یک محیط متخلخل است که آب در آن جریان دارد. هوای ورودی پس از عبور از محیط متخلخل به دمای حباب تر نزدیک شده و وارد کمپرسور می‌شود.
از نظر افزایش توان، دو روش مه پاشی و محیط مرطوب با محدودیت ترمودینامیکی مواجه هستند. بدین ترتیب که در این دو روش نمی‌توان دمای هوای ورودی را به دمایی پایین‌تر از دمای حباب تر محیط رساند. بنابراین، این دو روش در مناطقی که رطوبت نسبی بالایی دارند کارایی ندارند.
روش خنک‌کاری محیط مرطوب
در دو روش تراکم مرطوب و فلش چرخشی نیز آب با فشار زیاد وارد به هوا تزریق می‌شود. با این تفاوت که نازل‌های تزریق در ورودی کمپرسور (انتهای کانال ورودی هوا) قرار دارند. میزان آب تزریق شده در این روش‌ها بیش‌تر از روش فاگ و مدیا است به طوری که علاوه بر رساندن دمای هوا به دمای حباب تر، مقداری آب نیز به صورت قطرات بسیار ریز وارد هوا می‌شود و با افزایش دبی جرمی ورودی به کمپرسور سبب افزایش بیش‌تر توان نسبت به روش خنک‌کاری فاگ و محیط مرطوب می‌شوند. بنابراین این روش‌ها در مناطق مرطوب نیز عمل‌کرد مناسبی خواهند داشت. تفاوت روش‌های تراکم مرطوب و فلش چرخشی دمای آب اسپری شده به هوای ورودی است. در روش تراکم مرطوب، دمای آب برابر دمای محیط بوده در حالی که در روش فلش چرخشی دمای هوای ورودی در حدود 180 درجه سانتی‌گراد است.
خنک‌کاری تبریدی
روش‌های خنک‌کاری تبریدی شامل استفاده از یک سیکل تبرید (refrigeration cycle) برای کاهش دمای هوای ورودی توربین گاز می‌شوند. در این روش‌ها برای کاهش دما از سیکل جذبی (absorption cycle) استفاده می‌شود. از مزایای این روش‌ها می‌توان به عدم نیاز به آب دمین اشاره کرد. همچنین این روش خنک‌کاری در مناطق مرطوب نیز قابل استفاده است.
فلسفه اصلی سیکل جذبی، استفاده از مبرد جاذب و در نتیجه جایگزینی یک پمپ (pump) با کمپرسور سیکل تبرید تراکمی (compression refrigeration) است. سیستم خنک‌کاری جذبی نیازمند تجهیزات بیش‌تری نسبت به روش‌های تبخیری بوده و در نتیجه هزینه اولیه بیش‌تری را تحمیل می‌کند. همچنین زمان نصب و راه‌اندازی این سیستم طولانی‌تر از روش‌های تبخیری است. در صورتی که حرارت مورد نیاز سیکل جذبی از دود خروجی از توربین گاز تامین شود، در نیروگاه‌هایی که دارای سیکل ترکیبی (combined cycle power plants) هستند باید بررسی جامعی برای استفاده از انرژی دود برای سیکل تبرید به جای سیکل بخار انجام داد.
