[تجهیزات دوار] - توربین گاز چیست - gas turbine

[P O U R I A]

توربین گاز (gas turbine) یا توربین احتراقی (combustion turbine) نوعی موتور احتراق داخلی (internal combustion engine) است که دارای یک کمپرسور (compressor) دوار بالا دستی است که با یک توربین پایین دستی کوپل می‌شود و یک محفظه احتراق (combustion chamber) در بین آن‌ها قرار می‌گیرد.


کارکرد اصلی توربین گاز بسیار شبیه به توربین بخار (steam turbine) است با این تفاوت که به جای بخار آب، هوا وارد آن می‌شود. هوای تازه اتمسفریک وارد یک کمپرسور شده و فشار آن افزایش می‌یابد. سپس با اسپری کردن سوخت به هوا و اشتعال آن، احتراق انجام می‌شود، انرژی به هوا اضافه و سیالی با دمای بالا تولید می‌گردد. این گاز با دما و فشار بالا وارد توربین و در آن‌جا تا فشار خروجی (exhaust pressure) منبسط می‌گردد و در این فرآیند کار خروجی شافت ایجاد می‌شود. کار شافت توربین برای رانش کمپرسور و دیگر دستگاه‌هایی همانند ژنراتور الکتریکی (electrical generator) کوپل با شافت به کار می‌رود. انرژی که در کار شافت مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، در گازهای اگزوز که دارای دما یا سرعت بالا هستند خارج می‌شود. هدف توربین گاز تعیین‌کننده طراحی آن است؛ به صورتی که شکل مطلوب انرژی به حداکثر برسد. توربین‌های گاز برای رانش هواپیما، ترن، کشتی، ژنراتورهای الکتریکی و حتی تانک‌ها به کار می‌روند.


تئوری کارکرد توربین گاز


گازهایی که از یک توربین گاز ایده‌آل می‌گذرند، سه فرآیند ترمودینامیکی را می‌گذرانند. این فرآیندها شامل تراکم آیزنتروپیک (isentropic compression)، احتراق فشار ثابت (isobaric combustion) و انبساط آیزنتروپیک (isentropic expansion) می‌شوند. به این فرآیندها، سیکل برایتون (Brayton cycle) می‌گویند.




در یک توربین گاز واقعی، ابتدا گازها در یک کمپرسور سانتریفوژ (centrifugal compressor) یا کمپرسور محوری (axial compressor) شتاب می‌گیرند. سپس سرعت این گازها با استفاده از یک نازل واگرا که دیفیوزر (diffuser) نام دارند کم می‌شود که این فرآیندها فشار و دمای جریان را افزایش می‌دهد. در یک سیستم ایده‌آل، این فرآیند آیزنتروپیک است. البته در عمل به دلیل اصطکاک و توربولانس، انرژی به صورت حرارت به هدر می‌رود.


سپس گازها از دیفیوزر وارد محفظه احتراق (combustion chamber) یا وسیله‌ای مشابه آن می‌شوند که در آن‌جا حرارت به آن اضافه می‌شود. در یک سیستم ایده‌آل، این کار در فشار ثابت (افزایش حرارت ایزوباریک) انجام می‌شود. از آن‌جایی که فشار تغییری نمی‌کند، حجم مخصوص گازها افزایش می‌یابد. در شرایط واقعی در اثر اصطکاک، این فرآیند با اندکی افت فشار انجام می‌شود.


در نهایت این حجم بالاتر گازها به وسیله پره‌های هدایت‌کننده نازلی (nozzle guide vanes) منبسط می‌شوند و شتاب می‌گیرند و سپس وارد توربین می‌شوند. در یک سیستم ایده‌آل، این گازها به صورت آیزنتروپیک منبسط می‌شوند و توربین را با فشار اولیه خود ترک می‌کنند. در عمل این فرآیند آیزنتروپیک نیست و مجددا انرژی در اثر اصطکاک و توربولانس به هدر می‌رود.

 

[P O U R I A]

اگر دستگاه برای توان دهی به یک شافت مانند ژنراتور صنعتی (industrial generator) و یا توربوپراپ (turboprop) طراحی شده باشد، فشار خروجی تا حد ممکن نزدیک به فشار ورودی خواهد بود. در عمل لازم است که بخشی از فشار در خروجی باقی بماند تا این که گازهای خروجی به طور کامل از اگزوز خارج شوند. در مورد یک موتور جت، تنها فشار و انرژی مورد نیاز برای رانش کمپرسور و دیگر قطعات از جریان خارج می‌شود و گازهای پر فشار باقی مانده شتاب می‌گیرند تا یک جت ایجاد کنند که بتواند برای حرکت مثلا هواپیما مورد استفاده قرار گیرد.




همانند تمام موتورهای حرارتی سیکلی (cyclic heat engines)، دمای احتراق بالاتر می‌تواند منجر به راندمان (efficiency) بالاتر شود. البته دما بر اساس توانایی فولاد، نیکل، سرامیک، و یا مواد دیگر که موتور را در برابر دما و تنش بالا مقاوم می‌کنند،‌ محدود می‌شود. برای مقابله با این مشکل، بسیاری از توربین‌ها دارای سیستم‌های پیچیده برای خنک‌کاری پره توربین گاز هستند.

 

[P O U R I A]

به عنوان یک قانون کلی، هر چه موتور کوچک‌تر باشد، سرعت چرخش شافت یا شافت‌ها بالاتر خواهد بود تا بتوان سرعت نوک (tip speed) را حفظ کرد. سرعت نوک پره تعیین‌کننده حداکثر نسبت فشار است که می‌تواند توسط توربین و کمپرسور به دست آید. این به نوبه خود حداکثر توان و راندمانی که می‌تواند توسط توربین به دست آید را محدود می‌کند. برای ثابت نگه داشتن سرعت نوک، اگر قطر روتور به نصف کاهش یابد، سرعت چرخش آن باید دو برابر شود. برای مثال، موتورهای جت بزرگ در حدود 10 هزار دور در دقیقه کار می‌کنند، در حالی که میکرو توربین‌ها (micro turbines) با سرعت 500 هزار دور در دقیقه می‌چرخند.




از نظر مکانیکی، توربین‌های گازی به صورت قابل توجهی پیچیدگی کم‌تری نسبت به موتورهای پیستونی احتراق داخلی (internal combustion piston engines) دارند. توربین‌های ساده تنها یک بخش متحرک دارند که شامل شافت کمپرسور و توربین به صورت یک تکه می‌شود. با این حال دقت مورد نیاز برای تولید این قطعات و آلیاژهای مقاوم در برابر دما (temperature resistant alloys) که برای راندمان بالا لازم است، اغلب ساخت یک توربین ساده را پیچیده‌تر از موتورهای پیستونی می‌کند.


توربین‌های پیچیده‌تر مانند آن‌هایی که در موتورهای جت مدرن یافت می‌شود، ممکن است دارای چند شافت‌ یا اسپول (spool)، صدها پره توربین (turbine blades)، پره‌های متحرک استاتور (movable stator blades) و یک سیستم گسترده پایپینگ (piping) پیچیده، مشعل‌ها (combustors) و مبدل‌های حرارتی (heat exchangers) می‌شود.

مشاهده پیوست Gas-Turbine-Components3.jpg
بیرینگ‌های تراست (thrust bearings) و بیرینگ‌های ژورنال (journal bearings) بخش مهمی از طراحی هستند که به طور سنتی از نوع بیرینگ‌های روغنی هیدرودینامیکی (hydrodynamic oil bearings)، یا بلبرینگ‌های خنک شده با روغن (oil-cooled ball bearings) می‌شوند. بیرینگ‌های فویل (foil bearings) یک گام به جلوتر رفته‌اند و با موفقیت در میکرو توربین‌ها و یونیت‌های قدرت کمکی (auxiliary power units) مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

 

[P O U R I A]

انواع توربین‌های گازی

انواع توربین‌های گازی

مثال‌هایی از آرایش‌های توربین گاز: 1) توربوجت 2) توربوپراپ 3) توربوشافت (ژنراتور الکتریکی) 4) توربوفن با بای‌پس بالا 5) توربوفن پس سوز (afterburning) با بای‌پس پایین

 

[P O U R I A]

موتورهای جت

موتورهای جت (jet engines) هوازی (airbreathing)، انواعی از توربین‌های گاز هستند که برای تولید نیروی رانش از گازهای خروجی از اگزوز یا از فن‌های کانالی(ducted fans) متصل به توربین گاز بهینه شده‌اند. موتورهای جتی که از ضربه مستقیم گازهای خروجی تولید نیروی رانش می‌کنند اغلب توربوجت (turbojets) نامیده می‌شوند، در حالی که آن‌هایی که با کمک یک فن کانالی تولید تراست می‌کنند، اغلب به نام توربوفن (turbofan) و گاهی فن جت (fan-jet)‌ نامیده می‌شوند.

توربین گاز در بسیاری از موشک‌های سوخت مایع (liquid propellant rockets) نیز استفاده می‌شود که در آن توربین گاز برای راندن یک توربوپمپ (turbopump) به کار می‌رود و امکان استفاده از تانک‌های سبک کم فشار را فراهم می‌کند. این کار موجب کاهش قابل توجهی در جرم موشک می‌شود.


موتورهای توربوپراپ

موتور توربوپراپ (turboprop engine) یک نوع موتور توربینی است که یک پروانه خارجی هواپیما را با استفاده از یک چرخ دنده کاهشی (reduction gear) می‌راند. موتورهای توربوپراپ معمولا در هواپیماهای کوچک مافوق صوت استفاده می‌شوند، اما برخی از هواپیماهای بزرگ نظامی و مسافری، مانند ایرباس A400M، لاکهید L 188 الکترا و توپولف TU-95، نیز از توان توربوپراپ استفاده می‌کنند.


توربین گاز هوانوردی

توربین‌های گاز هوانوردی (aeroderivative gas turbines) نیز با توجه به توانایی خود برای خاموش شدن (shut down) و تغییر بار (load changes) با سرعت بیش‌تر از ماشین‌آلات صنعتی، برای تولید انرژی الکتریکی به کار می‌روند. این توربین‌ها همچنین در صنعت دریایی برای کاهش وزن استفاده می‌شوند.. جنرال الکتریک LM2500، جنرال الکتریک LM6000، رولز رویس RB211 و رولز رویس آون مدل‌های رایجی از این ماشین‌ها هستند.



یونیت توان کمکی

یونیت‌های توان کمکی (Auxiliary Power Units) یا APU، توربین‌های گازی کوچکی هستند که برای تامین توان کمکی ماشین‌آلات بزرگ‌تر متحرک همانند هواپیما طراحی شده‌اند. آنها نیازمندی‌های زیر را برای این ماشین‌ها تامین می‌کنند:

• هوای فشرده برای تهویه مطبوع (compressed air) و ونتیلاسیون (ventilation)
• هوای فشرده توان راه‌اندازی (start-up) برای موتورهای جت بزرگ‌تر
• توان مکانیکی یا توان شافت به یک گیربکس (gearbox) برای رانش تجهیزات جانبی متصل به شافت و یا استارت به موتورهای جت بزرگ

منابع توان الکتریکی، هیدرولیکی و دیگر منابع انتقال توان به مصرف‌کننده دور از APU.

 

[P O U R I A]

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید برق

تفاوت توربین‌های گاز صنعتی (industrial gas turbines) با طرح‌های هوانوردی در این است که در آن‌ها از فریم‌ها (frames)، بیرینگ‌ها (bearings)، و پره توربین (blades) سنگین‌تر استفاده می‌شود. آن‌ها همچنین با دستگاه‌هایی که به آن‌ها توان می‌دهند همانند ژنراتور الکتریکی (electric generator) و تجهیزات ثانویه انرژی برای بازیابی انرژی پس‌ماند یکپارچگی بیش‌تری دارند.



اندازه توربین‌های گاز صنعتی از دستگاه‌های قابل حمل توسط انسان تا سیستم‌های عظیم پیچیده با وزن بیش از یک صد تن مستقر در ساختمان‌های بسیار بزرگ متغیر است. هنگامی که از توربین تنها برای دادن توان به شافت استفاده می‌شود، بازده حرارتی آن در حدود 30 درصد است. این ممکن است باعث بروز یک مشکل شود که خرید برق ارزان‌تر از سوزاندن سوخت در توربین باشد. بنابراین بسیاری از موتورها در آرایش CHP یا برق و بخار ترکیبی (combined heat and power) استفاده می‌شوند و می‌توانند آن‌قدر کوچک باشند که در کانتینرهای قابل حمل قابل عرضه شوند.


توربین گاز مخصوصا زمانی می‌تواند کارآمد باشد، (تا حداقل 60 درصد) که اتلاف حرارت از توربین در یک مولد بخار بازیاب حرارتی (heat recovery steam generator) بازیافت شده و یک توربین بخار (steam turbine) معمولی را در یک آرایش سیکل ترکیبی (combined cycle) به حرکت در آورد. توربین‌های گاز همچنین می‌توانند در آرایش تولید هم‌زمان (cogeneration) کار کنند: اگزاست آن برای گرمایش فضا یا آب استفاده می‌شود و یا یک چیلر جذبی (absorption chiller) را برای سرمایش (cooling) و یا تبرید (refrigeration) به حرکت در آورند.


یکی دیگر از مزایای قابل توجه توربین‌های گاز، توانایی آن‌ها در روشن و خاموش شدن در عرض چند دقیقه است که برای تولید برق در زمان اوج، و یا مصرف برنامه‌ریزی نشده مناسب می‌شوند. از آن‌جا که نیروگا‌های سیکل ساده که فقط شامل توربین گاز هستند، کم‌تر از نیروگاه‌های سیکل ترکیبی کارآمد هستند، معمولا به عنوان نیروگاه پیک (peaking power plants) به کار می‌روند که در هر نقطه و از چند ساعت در روز تا چند ده ساعت در سال با توجه به مصرف و ظرفیت تولید برق منطقه کار می‌کنند. در مناطق با کمبود نیروگا‌های بار پایه (base-load power plant) و نیروگاه‌های بار تابع ظرفیت (load following power plant) و یا در صورت کم بودن قیمت سوخت، نیروگاه‌های توربین گازی ممکن است در بسیاری از ساعات روز به طور منظم کار کنند. یک توربین گاز سیکل ساده بزرگ به طور معمول 100 تا 400 مگاوات برق تولید می‌کند و دارای راندمان حرارتی 35 تا 40 درصدی است.

 

[P O U R I A]

توربین‌های گاز صنعتی برای درایو مکانیکی

توربین‌های گازی صنعتی که تنها برای درایو مکانیکی (mechanical drive) استفاده می‌شوند و یا در کنار مولد بخار بازیافتی (recovery steam generator) قرار می‌گیرند، از دستگاه‌های تولید توان از این نظر متفاوت هستند که اغلب کوچک‌تر و دارای طراحی شافت دوتایی (twin shaft)، در مقابل تک شافت (single shaft)‌ می‌باشند. محدوده توان این توربین‌ها از 1 مگاوات تا 50 مگاوات متفاوت است. این موتورها از طریق یک گیربکس به یک پمپ یا کمپرسور متصل می‌شوند. بیش‌تر این نوع تاسیسات در صنایع نفت و گاز استفاده می‌شوند. کاربردهای درایو مکانیکی باعث احتراق کارآمدتر تا حدود 2 درصد است.

پلتفورم‌های نفت و گاز (oil and gas platforms) برای درایو کمپرسورهای تزریق گاز (gas injection) به چاه و خارج کردن نفت به این موتورها نیاز دارند، همچنین توربین‌های گاز اغلب برای تامین توان سکو مورد استفاده قرار می‌گیرند. این سکوها نیاز به استفاده از موتور در کنار یک سیستم CHP را ندارند زیرا گاز خود را با قیمت بسیار پایینی تامین می‌کنند (که اغلب جزو گازهایی است که سوزانده می‌شوند و به صورت رایگان تامین می‌شود). شرکت‌های استخراج نفت برای رانش مایعات به سطح زمین و در سراسر خطوط لوله در فواصل مختلف از مجموعه‌ای پمپ‌ها استفاده می‌کنند.


ذخیره سازی انرژی در هوای فشرده

یکی از پیشرفت‌های مدرن به دنبال بهبود راندمان از راه دیگری است که شامل جدا کردن کمپرسور و توربین به کمک ذخیره هوای فشرده (compressed air store) می‌باشد. در یک توربین متعارف، تا نیمی از توان تولید شده برای رانش کمپرسور استفاده می‌شود. در یک آرایش ذخیره‌سازی انرژی در هوای فشرده (compressed air energy storage)، توان که از یک مزرعه بادی (wind farm) و یا در زمان مصرف کم و قیمت پایین از بازار آزاد خریداری شده است، برای درایو کمپرسور استفاده می‌شود و هوای فشرده برای کار توربین در زمانی که مورد نیاز است آزاد می‌شود.


موتورهای توربوشافت

موتورهای توربوشافت (turboshaft engines) اغلب برای درایو ردیف‌های کمپرسور (compression trains) مانند ایستگاه‌های پمپاژ گاز (gas pumping stations)، یا پلانت‌های گاز مایع (natural gas liquefaction plants) و تقریبا برای توان‌دهی به تمامی هلیکوپتر‌های مدرن استفاده می‌شوند. شافت اولیه (primary shaft) کمپرسور و توربین پر سرعت که اغلب به آن ژنراتور گاز (gas generator) گفته می‌شود را در بر می‌گیرد؛ در حالی که شافت دوم توربین کم سرعت یا توربین قدرت (power turbine) و یا توربین آزاد گرد (free-wheeling turbine) بر روی هلیکوپتر را می‌راند.

جدا شدن ژنراتور گاز از توربین قدرت و اتصال به وسیله یک کوپلینگ سیال (fluid coupling) که در این‌جا گازهای احتراق داغ غنی از انرژی می‌باشد، مشابه کوپلینگ هیدرولیک (fluid coupling) در سیستم انتقال قدرت خودرو (automotive transmission) می‌باشد. این آرایش برای افزایش انعطاف‌پذیری قدرت خروجی با مکانیسم‌های بسیار قابل اعتماد کنترلی مورد استفاده قرار گیرد.


توربین گاز شعاعی


توربین گاز شعاعی (radial gas turbine) برای اولین بار در سال 1963 در نروژ ساخته شد. نمونه‌های بعدی پیشرفت خوبی در بهبود این مکانیزم داشته‌اند. با توجه به آرایشی که حرارت را به دور از بیرینگ‌ها نگه می‌دارد، دوام دستگاه بهبود یافته است، در حالی که توربین شعاعی به خوبی با سرعت‌های لازم تطابق یافته است.

 

[P O U R I A]

میکروتوربین

میکروتوربین (microturbine) همچنین به عنوان توربو آلترناتور (turbo alternator) و یا توربوژنراتور (turbogenerator) شناخته می‌شود. میکروتوربین‌ها برای تولید پراکنده (distributed power) و CHP در سطح دنیا قابلیت بالایی دارند و یک فن‌آوری بسیار امیدوار‌کننده برای تامین انرژی وسایل نقلیه الکتریکی هایبریدی (hybrid electric vehicles) هستند. اندازه میکروتوربین‌ها از یونیت‌های کوچک دستی با تولید کم‌تر از یک کیلو وات تا سیستم‌های با اندازه تجاری با تولید ده‌ها یا صدها کیلووات تغییر می‌کند. اصول اساسی میکروتوربین در احتراق کوچک (micro combustion) نهفته است.

بخشی از موفقیت مورد ادعای میکروتوربین‌ها به دلیل پیشرفت در الکترونیک است که امکان کارکرد آن و ارتباط با شبکه برق (power grid) تجاری را بدون نیاز به اوپراتور فراهم می‌کند. تکنولوژی سوییچینگ الکترونیک قدرت (electronic power switching technology) نیاز سنکرون بودن ژنراتور با شبکه برق را حذف می‌کند و اجازه می‌دهد که ژنراتور با شافت توربین یک‌پارچه شود و به عنوان موتور استارت (starter motor) نیز کار کند.

سیستم‌های میکروتوربین دارای مزایای زیادی نسبت به ژنراتور‌های موتور رفت و برگشتی (reciprocating engine generators) هستند، مانند نسبت قدرت به وزن (power-to-weight ratio) بالاتر، تولید گازهای گلخانه‌ای کم‌تر و قطعات متحرک کم که می‌تواند محدود به یکی باشد. مزایای دیگر این است که میکروتوربین می‌تواند با بیرینگ‌های فویلی (foil bearings) و خنک کاری با هوا بدون روغن روان‌کاری و دیگر مواد خطرناک طراحی شود. با این حال هنوز هم موتورهای رفت و برگشتی با در نظر گرفتن همه عوامل ارزان‌تر هستند. همچنین میکروتوربین‌ها دارای یک مزیت دیگر هستند که حرارت تلف شده گاز خروجی، دارای دمای نسبتا بالایی است که بازیافت آن را ساده می‌کند، در حالی که انرژی حرارتی تلف شده از موتورهای رفت و برگشتی بین اگزوز و سیستم خنک کننده آن تقسیم می‌شود.


البته ژنراتورهای موتورهای رفت و برگشتی به تغییرات مورد نیاز در توان خروجی سریع‌تر پاسخ می‌دهند و معمولا کمی راندمان بالاتری دارند، با این حال راندمان میکروتوربین‌ها در حال افزایش است. همچنین میکروتوربین‌ها در سطوح توان کم نسبت به موتورهای رفت و برگشتی راندمان بیش‌تری از دست می‌دهند.

هنگامی که میکروتوربین‌ها در خودروهای برقی (electric vehicles) استفاده می‌شوند، مشکلی از بابت راندمان استاتیکی ایجاد نمی‌شود زیرا توربین گاز می‌تواند نزدیک یا در حداکثر توان کار کند و یک دینام (alternator)‌ را برای تولید برق برای موتور چرخ‌ها یا برای باتری‌ها به حرکت در آورد. باتری به عنوان یک بافر (buffer) برای ذخیره انرژی برای تامین مقدار مورد نیاز توان به موتورهای چرخ‌ها کار می‌کنند و در نتیجه پاسخ دریچه گاز (throttle response) برای توربین گاز کاملا بی‌معنی خواهد بود.

علاوه بر این نیازی به گیربکس با سرعت متغیر (variable-speed gearbox) وجود ندارد و چرخاندن یک دینام در سرعت‌های به نسبت بالا این امکان را می‌دهد تا از یک دینام کوچک‌تر و سبک‌تر از استفاده کنیم. نسبت توان به وزن بهتر توربین گاز و گیربکس سرعت ثابت آن، این امکان را می‌دهد عامل رانش اصلی خودرو بسیار سبک شود. این به نوبه خود امکان سنگین‌تر کردن باتری‌ها را فراهم می‌کند که بازه حرکت با برق را افزایش می‌دهد. روش دیگر، وسیله نقلیه می‌تواند انواع سنگین‌تر باتری‌ها مانند باتری‌های اسید سرب که ارزان‌تر هستند و یا انواع ایمن‌تر باتری مانند فسفات لیتیوم آهن استفاده کند.

زمانی که توربین‌های گاز در وسایل نقلیه الکتریکی با برد بیش‌تر به کار می‌روند، پاسخ بسیار ضعیف دریچه گاز به دلیل ممان اینرسی چرخشی بالا مهم نیست، زیرا توربین گاز که ممکن است در 100 هزار دور در دقیقه در حال چرخش باشد، به طور مستقیم به چرخ‌ها اتصال مکانیکی ندارد.

توربین‌های گاز بیش‌تر سوخت‌های تجاری، مانند بنزین، گاز طبیعی، پروپان، دیزل، نفت سفید و همچنین سوخت‌های تجدید‌پذیر (renewable fuels) مانند E85، بیودیزل (biodiesel) و بیوگاز (biogas) را قبول می‌کنند. البته زمانی که با نفت سفید یا گازوئیل کار می‌کنند، گاهی اوقات استارت آن نیازمند به کمک یک محصول فرار مانند گاز پروپان است.


طرح‌های میکروتوربین معمولا از یک مرحله کمپرسور شعاعی (radial compressor)، یک توربین شعاعی (radial turbine) تک مرحله‌ای (single stage) و یک ری‌کوپراتور (recuperator) تشکیل شده است. طراحی و ساخت ری‌کوپراتورها دشوار است زیرا آنها تحت فشار و اختلاف دمای بالا عمل می‌کنند. حرارت اگزوز می‌تواند برای گرمایش آب (water heating)، گرمایش فضا (space heating)، فرآیندهای خشک کردن (drying processes) و یا چیلرهای جذبی (absorption chillers) استفاده شود.

راندمان میکروتوربین‌های معمولی بین 25 تا 35 درصد است. در زمان استفاده به صورت CHP، می‌توان به راندمان‌های بالای 80 درصد دست پیدا کرد.

 

[P O U R I A]

احتراق خارجی

اکثر توربین گاز موتورهای احتراق داخلی (internal combustion engines) هستند، اما امکان آن وجود دارد که یک توربین گاز احتراق خارجی (external combustion gas turbine) ساخته شود که در واقع نسخه توربینی یک موتور هوای گرم (hot air engine) است. این سیستم‌ها معمولا به عنوان EFGT یا توربین گاز احتراق خارجی (Externally Fired Gas Turbine) و یا IFGT یا توربین گاز با احتراق غیر مستقیم (Indirectly Fired Gas Turbine) بیان می‌شوند.

احتراق خارجی به منظور استفاده از زغال سنگ ساییده شده (pulverized coal) یا بیوماس ریز مانند خاک اره استفاده می‌شود. در سیستم غیر مستقیم از یک مبدل حرارتی (heat exchanger) استفاده می‌شود و تنها هوای پاک بدون محصولات احتراق از توربین قدرت (power turbine) می‌گذرد. راندمان حرارتی در نوع غیرمستقیم احتراق خارجی کم‌تر است، البته پره‌های توربین در معرض محصولات احتراق قرار نمی‌گیرد و سوخت‌های با کیفیت بسیار پایین‌تر و در نتیجه ارزان‌تر می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند.

هنگامی که احتراق خارجی استفاده می‌شود، این امکان وجود دارد که از هوای خروجی از توربین به عنوان هوای اولیه احتراق استفاده کنیم. این به طور موثر می‌تواند تلفات حرارتی کلی را کاهش دهد، هر چند تلفات حرارتی مربوط به اگزوز احتراق اجتناب ناپذیر باقی می‌ماند.


توربین‌های گازی سیکل بسته (closed-cycle gas turbines) بر پایه هلیوم و یا دی‌اکسید کربن فوق بحرانی (supercritical carbon dioxide)، وعده استفاده از توربین گاز با دمای بالا برای تولید برق خورشیدی و هسته‌ای را در آینده نگه می‌دارند.




توربین‌های گاز در وسایل نقلیه

توربین‌های گاز اغلب بر روی کشتی، لوکوموتیو، هلیکوپتر، تانک و به میزان کم‌تر در اتومبیل، اتوبوس، و موتور سیکلت استفاده می‌شوند.

یک مزیت کلیدی جت‌ها و توربوپراپ‌ها (turboprops) برای نیروی محرکه هواپیما، عمل‌کرد فوق العاده آن‌ها در ارتفاع بالا در مقایسه با موتورهای پیستونی، مخصوصا موتورهای با تنفس طبیعی (naturally aspirated) است که این مساله در بیش‌تر خودروها اهمیتی ندارد.

توربین گاز یک موتور با قدرت بالا را در یک بسته بسیار کوچک و سبک ارایه می‌کند. البته توربین‌ها به اندازه موتورهای پیستونی (piston engines) کوچک بر روی بازه گسترده‌ای از دورهای موتور و توان‌های مورد نیاز در خودرو، فرمان‌پذیر و کارآمد نیستند. در خودروهای هیبریدی سری (series hybrid vehicles) که در آن موتور الکتریکی (electric motors) محرک به صورت مکانیکی از موتور تولید برق جدا می‌شود، مشکلاتی همانند سرعت پاسخ، عملکرد ضعیف در سرعت پایین و راندمان کم در توان پایین اهمیت بسیار کم‌تری خواهند داشت. این توربین می‌تواند در سرعتی که توان خروجی آن بهینه باشد کار کند، و باتری‌ها و ابر خازن‌ها (ultracapacitors) می‌توانند توان مورد نیاز خودرو را تامین کنند؛ در حالی که موتور تنها در راندمان بالای سیکل خود کار می‌کند. ظهور گیربکس‌های متغیر پیوسته (continuously variable transmission) یا CVTها، نیز می‌تواند مشکل پاسخ‌گویی را کاهش دهد.

به صورت تاریخی، تولید توربین‌ها نسبت به موتورهای پیستونی گران‌تر بوده است، هر چند این تا حدودی به دلیل این است که موتورهای پیستونی برای چندین دهه در مقادیر زیاد تولید انبوه شده‌اند، در حالی که موتورهای توربین گازی کوچک نادر هستند. البته توربین‌ها در فرم توربو شارژر (turbocharger) تولید انبوه شده‌اند.

توربو شارژر در واقع یک توربین گاز شعاعی (radial gas turbine) جمع و جور و ساده با شافت آزاد است که با گاز اگزوز موتور پیستونی رانده می‌شود. چرخ توربین جانب مرکز (centripetal turbine wheel)، یک چرخ کمپرسور گریز از مرکز (centrifugal compressor wheel) را از طریق یک شافت دوار مشترک می‌راند. این چرخ هوای ورودی به موتور را تا درجه‌ای سوپر شارژ می‌کند که بتوان آن را با استفاده از ویستیج (wastegate) و یا همانند توربو شارژر VGT با اصلاح دینامیک هندسه محفظه توربین کنترل کرد. سوپرشارژر برای بازیابی توان به کار می‌رود و تا حد زیادی توان گرمایی و جنبشی را که در غیر این صورت تلف می‌شد برای تقویت موتور استفاده می‌کند.


موتورهای توربو کامپاند (turbo-compound engines) که در در برخی از کامیون‌ها به کار رفته‌اند، با توربین‌های بلودان (blow down turbines) هماهنگ شده‌اند؛ که در طراحی و ظاهر به یک توربو شارژر شبیه هستند، به جز این که شافت توربین به جای کمپرسور سانتریفوژ، به صورت مکانیکی یا هیدرولیکی به میل‌لنگ (crankshaft) موتور متصل شده است و در نتیجه به جای افزایش فشار هوای ورودی، توان اضافی را برای موتور فراهم می‌کند. در حالی که توربو شارژر یک توربین فشاری است، توربین بازیابی توان یک توربین سرعتی است.

 

[P O U R I A]

پیشرفت در تکنولوژی توربین‌های گاز

تکنولوژی توربین گاز از زمان پیدایش، به طور پیوسته به تکامل خود ادامه داده است. توسعه توربین گاز در دو بخش تولید توربین‌های گاز کوچک‌تر و موتورهای قوی‌تر و کاراتر فعال است.

درایورهای اصلی به وسیله کامپیوتر و مخصوصا به کمک تحلیل CFD و آنالیز المان محدود (finite element analysis) طراحی شده‌اند و مواد پیشرفته در حال توسعه هستند: مواد پایه با مقاومت بالاتر در دمای بالا مانند سوپر آلیاژهای تک‌کریستال (single-crystal superalloys) که دارای مقاومت به شدت بالایی هستند و یا پوشش‌های محافظ حرارتی (thermal barrier coatings) که از مواد ساختاری زیر آن حتی در دماهای بالاتر محافظت می‌کند. این باعث پیشرفت در افزایش نسبت تراکم (compression ratio) و دمای ورودی توربین (turbine inlet temperature) یا TIT، احتراق کارآمد‌تر و خنک‌کاری بهتر قطعات موتور می‌شود.



راندمان سیکل ساده (simple-cycle) توربین‌های گاز اولیه عملا با استفاده از اینترکولینگ (inter-cooling)، ری‌جنراسیون (regeneration) یا ری‌کوپراسیون (recuperation) و ری‌هیت (reheating) دو برابر شده است. البته این پیشرفت‌ها به قیمت افزایش هزینه‌های اولیه و بهره‌برداری بوده که این توجیهی ندارد مگر این که کاهش هزینه سوخت افزایش هزینه‌های دیگر را جبران کند. قیمت‌های نسبتا پایین سوخت، تمایل عمومی در صنعت برای به حداقل رساندن هزینه‌های نصب و راه اندازی و افزایش بسیار شدید در راندمان سیکل ساده به حدود 40 درصد، امید کمی برای برای این تغییرات باقی گذاشته اند.



در بخش تولید گازهای گلخانه‌ای، چالش اصلی فن‌آوری افزایش دمای ورودی توربین و هم‌زمان کاهش دمای پیک شعله (peak flame temperature) برای تولید NOx کم‌تر برای برآورده کردن آخرین مقررات می‌باشد. در ماه می سال 2011، شرکت میتسوبیشی دمای ورودی توربین را در یک توربین گاز 320 مگاواتی به 1600 درجه سانتی‌گراد رساند که در حالت قرار گیری توربین گاز در سیکل ترکیبی (combined-cycle)، 460 مگاوات توان و راندمان حرارتی ناخالص (gross thermal efficiency) بیش از 60 درصد تولید می‌کند.

 

[P O U R I A]

مزایای توربین گاز

• نسبت توان به وزن بسیار بالا، در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی
• کوچک‌تر از موتورهای رفت و برگشتی با درجه توان یکسان
• فقط در یک جهت حرکت می‌کند، که ارتعاش آن را به مراتب کم‌تر از یک موتور رفت و برگشتی می‌کند
• قطعات متحرک آن کم‌تر از موتورهای رفت و برگشتی هستند
• قابلیت اطمینان (reliability) بیش‌تر، به خصوص در کاربردهایی که در آن توان خروجی با پایداری بالا مورد نیاز است
• حرارت اتلافی تقریبا به طور کامل از اگزوز خارج می‌شود. نتیجه آن این است که دما در جریان اگزوز بالا است و برای جوشاندن آب در یک سیکل ترکیبی یا تولید هم‌زمان (cogeneration) بسیار مناسب می‌شود.
• فشار کاری کم
• سرعت کاری بالا
• هزینه و مصرف کم روغن روان‌کاری
• می‌تواند با بازه گسترده‌ای از سوخت‌ها کار کند
• تولید بسیار کم گازهای گلخانه‌ای سمی CO و HC با توجه به هوای اضافی (excess air)، احتراق کامل سوخت و عدم کوئنچ (quench) شعله بر روی سطوح سرد

معایب توربین گاز

• قیمت بسیار زیاد
• راندمان کم‌تر نسبت به موتورهای رفت و برگشتی در دور آرام
• زمان راه‌اندازی طولانی‌تر نسبت به موتورهای رفت و برگشتی
• پاسخ کم‌تر به تغییرات در مصرف برق در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی