فایلیا | دانلود فایل | دانلود تحقیق و مقاله

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 .

مختصري از سرگذشت توربين‌هاي گاز از سال ۱۷۹۱ ميلادي تا به امروز به‌شرح زير مي‌باشد .

اولين نمونه توربين گاز در سال ۱۷۹۱ توسط Jonh  Barber ساخته شد . نمونه بعدي در سال ۱۸۷۲ 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 ۲۴ ژوئن ۱۸۹۵ توسط Charles  G.Guritis  ساخته شد. اما اولين بهره‌برداري و تست واقعي از توربين گاز در سال ۱۹۰۰ 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 ۴ و چرخ كوريتس به ابعاد ۵/۹۳ سانتي‌متر قطر با سرعت rpm 4250 بود كه دماي ورودي به توربين حدود ۵۶۰اندازه‌گيري شد و راندمان آن در حدود ۳% 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.

بخش اول

۱-تاريخچه

طراحي توربين گازي، به اوائل قرن نوزدهم بر مي گردد. اولين توربين گازي را استولز آلماني در سال ۱۸۷۲ ساخت. اين توربين خيلي شبيه به توربينهاي امروزي بود اما بعلت پايين بودن راندمان آن، قادر به چرخاندن چيزي جز كمپرسور نبود. در آن زمان پيشرفتهاي قابل توجهي در توربينهاي بخاري و موتورهاي پيستوني صورت گرفته بود و از طرف ديگر به علت عدم اطلاع از دانش آيروديناميك و عدم گسترش دانش متالوژي در ايجاد آلياژهاي مقاوم به حرارت و تنش، توربينهاي گازي راندمان پايين نداشتند و توان رقابت با موتورهاي ديگر را نداشتند، بنابراين انگيزه اي براي تحقيقات بيشتر ايجاد نمي شد.

با گسترش جنگ جهاني دوم و نياز به پرواز هواپيماها با سرعت صوت و بالاتر، قوي ترين انگيزه در ايجاد و ساخت توربينهاي گازي براي صنعت هواپيمايي موجود آمد. با افزايش اطاعات در دانش آيروديناميك و ساخت آلياژهاي مقاوم به حرارت، بالاخره در سال ۱۹۳۳، دكتر ماير به كمك كمپاني براون باوري، پر راندمان ترين توربين گازي صنعتي را ساخت. راندمان اين توربين ۱۸ درصد بود. تحقيقات گسترده در اين زمينه، پس از جنگ، درد و شاخة صنايع هوايي و توليد برق آغاز شد. و بالاخره در اواخر دهة ۵۰ توربين گاز بصورت گسترده در صنعت برق مورد استفاده قرار گرفت.

۲-مزاياي توربين گاز

الف- عوامل اقتصادي:

۱-نسبت قدرت به وزن بالايي دارد.

۲-اجزاء كمكي كم و در نتيجه سرويسهاي زيادي نمي طلبد.

۳-آماده سازي فونداسيون آن هزينة زيادي نمي طلبد.

۴-نياز به فضاي زيادي ندارد.

ب-عوامل از نظر زمان تحويل: ۱-نصب آن ساده است ۲-قسمتهاي كمكي و فرعي آن استاندارد است ۳-جابجايي و حمل و نصب آن در نقاط ديگر آسان است.

ج-عوامل بهره برداري:

۱-راه اندازي سريع- طي مدت ۱۰ دقيقه مي تواند راه اندازي شده به شبكه وصل گردد. ۲-زماني كه شبكه بدون برق باشد توسط باطري نيز مي توان واحد را روشن كردن(البته واحدهايي كه با ديزل روشن مي شوند) ۳-از راه دور مي توان توربين را استارت كرد و به شبكه پارالل نمود و ميزان بار كم يا زياد نمود ۴-قسمتهاي مختلف آن توسط هوا خنك مي شوند و نياز آنچناني به آب ندارد

۳-معايب توربينهاي گازي

الف-از آنجاييكه قطعات توربين عمدتاً از جنس سوپر آلياژهاست، تهيه و بازسازي آنها مستلزم هزينه هاي زيادي است. ضمن آنكه به دليل دماي بالاي قطعات، سريعاً تخريب مي شوند. ب- راندمان توربين گازي در مقايسه با توربينهاي آبي و بخار پايين است. راندمان توربين آبي ۹۰ درصد، توربين بخار ۴۰ درصد و توربين گاز ۳۰ درصد است كه به كمك سيكل تركيبي مي تواند تا ۵۰ درصد افزايش يابد. ج- مصرف سوخت آنها بالاست.

سيستم‌هاي ذخيره‌سازي سرما

يكي از روش‌هاي خنك كردن هواي ورودي توربين گاز، استفاده از يخ جهت ذخيره‌سازي سرما مي‌باشد. اين سيستم‌ها به صورت پريوديك استفاده مي‌شوند. بدين شكل كه سرما ( يخ ) در ساعات غير پيك ساخته مي‌شود و در ساعات گرم روز كه عموماً مقارن با پيك مصرف برق مي‌باشد، براي خنك‌كردن هواي ورودي و در نتيجه افزايش ظرفيت توربين، از اين سرماي ذخيره شده استفاده مي‌شود.

در اين روش، از تانك‌هاي يخ (    ice tank) كه درجه حرارت آب خنك شده خروجي آن‌را مي‌توان در حدود ۴۵ تا ۵۰ درجه فارن‌هايت نگه داشت، استفاده مي‌شود. آب خنك شده، در حين عبور از كويل‌ها ، هواي ورودي توربين را سرد و خود حدود ۱۰ درجه فارن‌هايت گرم مي‌شود. البته مقدار دقيق اين درجه حرارت، به وضعيت و تعداد كويل‌هايي بستگي دارد كه در مسير هوا قرار گرفته‌اند.

هزينه اوليه ذخيره سرما زياد است اما مزاياي عمده ديگر آن باعث شده است كه استفاده از آن علاوه بر خنك كردن هواي ورودي توربين‌هاي گازي ، در سيستم‌هاي تهويه منازل نيز رواج يابد.

در روش ذخيره سرما، از چيلرهاي كمپرسوري استفاده مي‌شود كه قادرند سرماي زير صفر ايجاد كنند و يخ توليد نمايند. به علت مصرف برق زياد، اين چيلرها در ساعات غير پيك شبكه برق به‌كار گرفته شده ، يخ توليد مي‌نمايند و در ساعات پيك شبكه، سرماي توليدي اين يخ‌ها براي خنك‌كردن هواي ورودي توربين گازها استفاده مي‌شود.

مزايا :

• استفاده از كل ظرفيت توربين در تمامي ساعات
• امكان استفاده‌ي مجدد از آب استفاده شده براي توليد يخ
• از بين بردن قلّه پيك و داشتن ظرفيت كافي در هنگام پيك
• خلوص آب مصرفي براي توليد يخ مهم نمي‌باشد و از آب با سختي زياد نيز مي‌توان استفاده كرد، زيرا آب به علت داشتن سختي زياد و عناصر محلول در درجه‌ي حرارت پايين‌تري يخ مي‌زند كه اين امر باعث افزايش قابليت سرد سازي مي‌شود.

معايب :

• حجم تانك ذخيره‌ي يخ بسيار بزرگ مي‌باشد.
• هزينه‌ي اوليه‌ي زياد سيستم
• هزينه‌هاي راه‌بري و نگه‌داري مناسب سيستم
• سيستم براي استفاده از يخ در خنك‌سازي هواي ورودي به كمپرسور بسيار حجيم است.

توربين هاي گازي همانند هر وسيلة گردندة توليد قدرت از يك برنامه طرح ريزي شدة بازرسي دوره اي همراه با تعمير و تعويض قطعات (در صورت لزوم) برخوردار مي باشند تا حداكثر قابليت دسترسي و اطمينان به واحد را تأمين كند. اهداف اين بخش
عبارتند از:

۱)كمك به پرسنل تعميراتي در آشنا شدن با واحد، و اينكار با تفكيك نوع بازرسي ها بر حسب نوع سيستم ها، و در مناسبت هاي لازم، توصيف مختصري در رابطه با علت بازرسي، و كارهايي كه بايد انجام شود ارائه مي گردد.

۲)تعيين اجزاء و قطعاتي كه بايد به طور دوره اي (متناوب) بين تست هاي راه اندازي اوليه و بازرسي هاي بعدي آزمايش شوند.

۳)در اينجا فواصل بازرسي بر مبناي نظرات مهندسي و تجارب كسب شده از واحدهاي توربين گاز مي‌باشد. فواصل زماني واقعي براي هر توربين گاز خاص بايد بر مبناي تجارب كاري استفاده كننده و شرايط محيطي رطوبت، گرد و غبار و اتمسفر خورنده (Corrosive) تعيين شود.

قبل از انجام بازرسي هاي برنامه ريزي شده يا اخذ اطلاعات در رابطه به نحوة كار توربين، كمپرسور را بر طبق روش تميز كردن كمپرسور توربين گاز كه در بخش ۲ (عمليات استاندارد) اين كتاب بيان گرديده تميز كنيد. قبل و بعد از هر بازرسي مجموعة كاملي از اطلاعات از جمله مقادير لرزش بايد گرفته و بعنوان مرجع ثبت شود. ثبت بازرسيهاي انجام شده و شرح كارهاي تعميراتي اجرا شده بيشتري كمك را در مشخص شدن يك برنامة تعميراتي خوب براي واحدهاي توربين گاز خواهد داشت. برنامة تعميراتي با امور جزئي شروع شده و متناسب با كاركرد واحد افزايش يافته تا اينكه به يك تعمير اساسي (Major overhaul) منتهي مي شود و سپس سيكل فوق تكرار خواهد شد. انجام بازرسي ها را مي توان آنچنان ترتيب داد كه مدت زمان خروج واحد و هزينة تعميراتي براي كاركرد خاصي را كاسته و ضمناً حداكثر زمان دستيابي به واحد را افزايش داد.

عواملي كه بر مقدار و حجم تعميرات اثر مي گذارند:

فاكتورهايي كه بيشترين تأثير را بر عمر قطعات هر دستگاه معين دارند در شكل ۱-۱ نشان داده شده اند.

توجه: اثر فاكتورهاي تعميراتي از قبيل نوع سوخت، تعداد استارت ها و نحوة بارگيري در تعميرات هر واحد، در صورت حضور همة فاكتورها، به مجموع اثرات آنها بستگي دارد.

همچنين بايد توجه شود كه همچنان كه فاكتور تعميراتي اضافه مي شود، زمان بين بازرسيها و تعميرات اجزاء كاسته شده و ممكن است كه تعويض قطعات افزايش يابد.