توربین و توربین گازی

تعریف توربین

دستگاهی است که در آن انرژی جنبشی سیال متحرک بعد از برخورد سیال با پره به انرژی مکانیکی تبدیل می شود.

از انرژی مکانیکی تولید شده در کارهای زیر استفاده می شود:

• بحرکت درآوردن ژنراتورها جهت تولید جریان الکتریسیته
• چرخاندن پمپ ها
• به کار انداختن کمپرسورها
• استفاده در کارهای صنعتی ، عمرانی ، نظامی و …

سیالات مورد استفاده در توربین ها

هوا  ¬در توربین بادی در نیروگاه های بادی

آب  ¬در توربین آبی در نیروگاه های آبی

بخارات قابل میعان¬ در توربین بخار در نیروگاه های سوخت فسیلی مانند

نیروگاه گازی، و نیروگاه های انرژی های نو مانند نیروگاه اتمی و …

گاز (هوا،گاز طبیعی، هلیوم و …)¬ در توربین های گازی

توربین های مورد استفاده در صنایع نفت و گاز

*       توربین های بخار(steam turbines)

• این نوع توربین ها از قدیمی ترین توربین های مورد استفاده در صنعت می باشند.
• در این نوع توربین ها، از نیروی بخار (که در دیگ بخار تولید می شود) جهت بحرکت در آوردن توربین ها استفاده می شود.
• این توربین ها به دلایل زیر کمتر مورد استفاده اند:

۱-به دیگ بخار و وسایل دیگر نیاز دارند.

۲-هزینه نگهداری بالایی دارند.

*       توربین های گازی(gas turbines)

• در این نوع توربین ها مقداری سوخت(عمدتا گاز طبیعی) و هوای فشرده در محفظه احتراق می سوزد.
• در اثر سوختن و ایجاد حرارت حجم گاز افزایش می یابد.گاز با حجم زیاد و فشار و دمای معین به  

تیغه های توربین برخورد می کند و سبب چرخش توربین می شود. به دلیل اهمیت بالای توربین های گازی در صنعت نفت و گاز ، در ادامه به طور عمده این نوع توربین ها بررسی می شوند.

تاریخچه توربین های گازی

Ø      نخستین بار  در سال ۱۷۹۱ میلادی جان باربر(John Barber) شیوه ای به کار برد که با آن روش

می شد از هوا جهت ایجاد حرکت استفاده کرد.

Ø      در سال ۱۹۰۳ یک محقق نروژی (Aegidius Elling) نخستین توربین گازی را به صورت موفقیت

آمیز ساخت.در این توربین ، یک کمپرسور دوار/دینامیک و تعدادی توربین به کار رفته بود.این توربین

قادر به تولید (۱۱hp)  ۸kW انرژی بود.

Ø      در سال ۱۹۰۴ الینگ طراحی خود را بهتر کرد و با کاهش دمای گاز خروجی از ° C 500 به ° C 400

 توانست به تولید (۴۴hp)  ۳۳kW انرژی دست یابد.این موتور با دور موتور  ۲۰,۰۰۰ RPM کار می کرد.

Ø      توربین گازی الینگ بسیار مشابه موتور جت ویتل(Frank Whittle) بود که در سال ۱۹۳۰ در

انگلستان ساخته شد.این موتور جت دارای یک کمپرسور گریز از مرکز و یک توربین محوری بود.

Ø      در سال ۱۹۳۶ در آلمان ، اوهاین(Hans von Ohain) و هاهن(Max Hahn) اقدام به طراحی

توربینی کردند که در آن نیز یک کمپرسور گریز از مرکز و یک توربین با فاصله نزدیک به هم به کار رفته

بود.

Ø      در نهایت کار ویتل و اوهاین منجر به ایجاد صنعت توربین سازی شد.

توربین گازی

Ø      شرط اساسی جهت تولید انرژی در یک توربین این است که فشار ورودی آن(inlet pressure) از

فشار خروجی آن(outlet pressure) بالاتر باشد. جهت افزایش چنین فشاری در توربین به طور عمده از

کمپرسور استفاده می شود.بنابراین در توربین ، کمپرسور قبل از توربین قرار داده می شود.

Ø      اگر سیال مورد استفاده در توربین  تنها هوا باشد در اینصورت سیال خروجی از کمپرسور در توربین منبسط شده و بدلیل اتلاف انرژی در کمپرسور وتوربین، انرژی خروجی از توربین کمتر از انرژی مصرفی در کمپرسور خواهد بود و در اینصورت سیستم متوقف خواهد شد.

Ø      اگر مقداری گاز به عنوان سوخت جهت جبران اتلاف انرژی به هوای مورد استفاده در توربین اضافه کنیم در این صورت پس از سوختن گاز، سیستم به کار خود ادامه می دهد ولی هیچ انرژی اضافی تولید نخواهد کرد.

Ø      جهت تولید انرژی در توربین گازی باید مقداربیشتری گازبه آن اضافه کرد.این انرژی در محفظه احتراق(combustion chamber or combustor) که بین کمپرسور وتوربین قرار دارد سوزانده می شود.

Ø      انرژی خروجی از توربین گازی به بازده اجزای زیر بستگی دارد:

• کمپرسور
• محفظه احتراق
• توربین

هرچه این اجزا بازده بالاتری داشته باشند، توربین بازده گرمایی بالاتری داشته و انرژی بالاتری تولید خواهد کرد.

Ø      توربین های گازی در طول ۵۰ سال گذشته کاملا توسعه یافته اند و امروزه توربین های  پیشرفته ای که طی فرآیندهای پلی تروپیک عمل می کنند بازده ای بالاتر از %۹۰ دارند!

Ø      در یک دسته بندی خاص می توان توربین های گازی را در دو دسته زیر طبقه بندی کرد:

• توربین گازی با چرخه ساده(simple cycle gas turbine) که دارای اجزای زیر است:

            کمپرسور

            محفظه احتراق

            توربین

• توربین گازی با چرخه پیچیده(complex cycle gas turbine) که علاوه بر اجزای فوق دارای اجزای زیر نیز است:

            سرد کننده میانی(intercoolers) جهت کاهش انرژی مصرفی در هنگام فشرده سازی در کمپرسور دوباره گرم کن(re-heaters) جهت افزایش توان خروجی توربین مبدل گرمایی(heat exchangers) جهت تبادل گرمای توربین با محیط و ثابت نگه داشتن دمای سیستم

چینش اجزای توربین های گازی(gas turbine layouts)

Ø      در طی سال های اخیر چینش های مختلفی برای اجزای توربین های گازی بدست آمده است.برخی ازاین چینش ها برای مقاصدی مانند تولید نیرو مناسب اند که در آن سرعت قسمت بار(load) (که دراینجا ژنراتوراست) ثابت است ، مناسب اند. برخی دیگر نیز در مواردی که در آن سرعت قسمت بار(پمپ و یا کمپرسور) متغیر است کاربرد دارند.

Ø      در حالت کلی  چینش اجزای توربین به صورت های زیر است:

۱-توربین گازی تک محوری

۲-توربین گازی دو محوری به همراه یک توربین قدرت

۳-توربین گازی سه محوری به همراه یک توربین قدرت

۴-توربین گازی دو محوری