برق قدرت

مقدمه

كاربردهاي توربين گازي در صنعت، به طور كلي به دو شاخة اصلي تقسيم مي شود.

الف- توربينهايي كه در صنعت هواپيمايي استفاده مي شود؛

ب- توربينهايي كه در ساير صنايع به كار برده مي شود.

اين دو گروه به دليل متفاوت بودن از نظر كاربري، نكات متمايزي را در طراحي توربين گازي به وجود مي آورند. موارد زير را به عنوان شاخصهاي اصلي مي توان نام برد:

الف- اجزاي توربينهاي گازي صنعتي معمولاً براي حدود يكصد هزار ساعت كار طراحي مي شود در حالي كه براي توربينهاي صنايع هواپيمايي، شاخصهاي ديگري مطرح است.

ب- ابعاد هندسي و وزن، براي توربينهاي گازي صنعتي اهميت زيادي ندارد، اما توجه به اين دو مشخصه در طراحي توربينهاي گازي مورد استفاده در صنايع هوايي حائز اهميت است؛

ج- از انرژي جنبشي دود خروجي توربينهاي صنايع هوايي، استفاده مي شود، در حالي كه در توربينهاي صنعتي، اين انرژي تلف مي گردد. لذا لازم است انرژي جنبشي توليد شده در توربينهاي گازي صنعتي، تا حد ممكن كاهش يافته و كنترل گردد.

اگرچه موارد ذكر شده تفاوتهايي اساسي را در طراحي به وجود مي آورد اما سرمايه گذاري و نتايج تحقيقات انجام شده در صنايع هواپيمايي، در ساير صنايع مرتبط با توربينهاي گازي صنعتي نيز، بسيار مورد استفاده قرار مي گيرد. طوري كه با اصلاحات و تغييرات انجام گرفته روي مدلهاي مختلف، انواع پيشرفته تر و با كارايي بالاتري طراحي و ساخته مي شود. تفاوتهاي اين دو نوع توربين گازي، بيشتر در سيستم ياتاقان، محفظة احتراق مناسب براي مصرف سوختهاي ارزان قيمت، توربين قدرت و سيستم كاهش سرعت براي بهره برداري در بارهاي پايين است. موارد كاربرد توربين گازي در ساير صنايع به قرار زير است:‌

2-3 استفاده از توربين گازي در صنايع نفت و گاز

1-2-3 انتقال و پمپ كردن سوخت

اكتشاف نفت و گاز معمولاً در صحرا يا دريا، به دور از مراكز توليد برق انجام مي گيرد. در اين حالت، از توربين گازي به عنوان موتور پمپ يا موتور كمپرسور براي انتقال نفت و گاز از صحرا، دريا يا مناطق دور افتاده، به مراكز مورد نياز مانند مراكز صنعتي يا بنادر استفاده مي شود. در ابتداي خط لوله، حدود 7 تا 10 درصد كل گاز، در توربين، براي بالا بردن فشار (كمپرس كردن) مصرف مي شود. در سالهاي اخير به دليل افزايش مصرف گاز، سيستمهاي پمپ كردن با كارايي بالاتري طراحي شده است. در اين سيستمها از توربينهايي – كه قابليت مصرف سوخت تصفيه نشده را داشته باشند – براي انتقال و پمپ كردن استفاده مي شود، كه در مقايسه با انتقال سوخت از طريق جاده و راه آهن هزينة كمتري دارد.

2-2-3 پشتيباني فشار مخازن

از توربين گازي براي پشتيباني و حفظ فشار مخازن نفت در موقع استخراج استفاده مي شود. اين كار معمولاً‌ با تزريق آب انجام مي شود. نوع خاصي از توربين گازي كه داراي حجم كمتر و مشخصاتي ويژه است، در سكوهاي نفتي براي استخراج نفت حتي در عمقهاي بسيار زياد، به كار مي رود.

3-2-3 تصفيه و پالايش

استفاده از توربين گازي در صنعت تصفيه و پالايش چند مزيت دارد. به عنوان مثال توربين گازي را به عنوان موتور دستگاههاي مكانيكي در اين صنعت به كار مي برند. هواي فشرده اي كه از كمپرسور خارج مي شود در سيستمها به مصرف مي رسد. انرژي حرارتي گازهاي خروجي توربين كه حاوي حدود 80 درصد اكسيژن نيز مي باشد، براي مصارف مختلفي به كار مي رود. علاوه بر موارد فوق، به دليل قابليت مصرف سوختهاي مختلف، به ويژه گازهاي حاصل از واكنشها كه معمولاً تلف مي شود از توربين گازي استفاده مي گردد. در نتيجه، مصرف كنندگان واحدهاي توربين گازي در صنعت پالايش، چندين برابر مي شود.

3-3 استفاده از توربين گازي در صنايع حمل و نقل

از توربين گازي در انواع كشتيهاي بزرگ و كوچك مسافربري و باربري استفاده مي شود. در دهه 1970 به دليل افزايش قيمت سوخت، كشتيهاي بزرگ باربري، سيستمهاي توربين گازي خود را با موتورهاي ديزلي جايگزين كردند. در نتيجه اين نوع كشتيها، سرعت و ظرفيت باربري خود را از دست دادند، اگرچه سرعت در اين نوع كشتيها مشخصه مهمي نيست. در ناوهاي جنگي كه سرعت بسيار حائز اهميت بوده و نقش تعيين كننده اي دارد، از توربين گازي استفاده مي شود. امريكا، كانادا و انگلستان در اين صنعت تجربة فراواني دارند. در قايقهاي سريع و قايقهاي گشت نظامي نيز از موتور مجهز به توربين گازي استفاده مي شود. اين نوع موتورها سرعت و توان بالايي دارند. در اين نوع وسائط نقليه، توربين معمولاً از دو قسمت تشكيل شده است. توربين قسمت فشار – قوي براي چرخاندن كمپرسور و توربين قسمت فشار – ضعيف كه با كاهش سرعت از طريق چرخ دنده، پروانة كشتي را به حركت در مي آورد. كشتيهاي جنگي نيز به دليل نياز مبرم به قدرت و سرعت، از توربين گازي به جاي توربين بخار استفاده مي كنند. در اين موارد، انرژي الكتريكي مورد نياز كشتي نيز از طريق توربين گازي تهيه مي شود. در نتيجه، حجم قسمت توليد قدرت، كاهش قابل ملاحظه اي مي يابد.

توربين گازي در صنعت هاوركرافت نيز توسعه زيادي يافته است طوري كه در بعضي از هاوركرافتها، قسمت توليد هواي زير هاوركرافت – كه با توربين گازي كار مي كند – مي تواند كل وسيله نقليه را حدود 80 تا 90 سانتيمتر از روي زمين بلند كرده و به جلو حركت دهد. اين نوع هاوركرافت در سطوح آبي ناآرام و زمينهاي ناصاف بخوبي مورد استفاده قرار مي گيرد. توربين گازي در صنايع حمل و نقل زميني مانند راه آهن نيز به كار مي رفت، اما پس از يكي دو دهه جاي خود را به موتور ديزلي داد. اگرچه بعدها قطارهايي با سرعت بالا و مجهز به موتور توربين گازي از نوع بالگرد به بازار عرضه شد، اما در نها00000000يت، قطار الكتريكي از نظر سرعت و قابليتهاي مختلف، برتري خود را به اثبات رسانيده است.

در حمل و نقل جاده اي و اتومبيلها، توربين گازي با توان پايين تر مورد نياز است، اما تا عملي شدن اين طرح، در عمل راهي طولاني در پيش است. مهمترين مشكل در اين نوع وسايل نقليه، تنظيم مصرف سوخت در بارهاي پايين است كه به سيستم كنترلي پيچيده نياز دارد. در صنايع نظامي نوعي توربين گازي در موتور تانك M₁ به مرحلة بهره برداري رسيده است كه قابليتهاي سرعت و مانور بالايي دارد، اما هنوز برتري اين نوع تانكها به تانكهاي با موتور ديزلي، اثبات نشده است.

4-3 كاربرد توربين گازي در توليد انرژي الكتريكي

توربين گازي به طور گسترده اي اولاً در توليد انرژي الكتريكي بويژه در زمان اوج مصرف و همچنين در بار پايه و ثانياً به عنوان واحد پشتيبان واحدهاي بزرگ بخار، در مواقع اضطراري به كار مي رود. در امريكا و انگلستان از اين سيستمها فقط در اوج مصرف استفاده مي شود در حالي كه در عربستان سعودي، به دليل فراواني سوخت، در بار پايه نيز بهره برداري مي شود. علت ديگر اين موضوع، نياز نداشتن به آب براي سيستمهاي خنك كننده است كه در مناطق صحرايي و كم آب، موجب راحتي بهره برداري مي شود. در انگلستان، نوعي از اين واحدها با سيستم موتور هوايي – كه مجهز به توربينهايي توان – بالا بوده و در مدت دو دقيقه، به قابليت توليد صد در صد بار مي رسد – مورد بهره برداري قرار گرفته است. اگرچه اين قابليت حائز اهميت است، اما به دليل تنشهاي حرارتي، عمر مفيد بين تعميرات اساسي را كوتاه مي كند، بدين جهت لازم است فقط در شرايط اضطراري، راه اندازي و بهره برداري شود.

تجربة بزرگ خاموشي در امريكا سازندگان توربين گازي را بر آن داشت كه توربينهاي گازي را با قابليت راه اندازي مستقل و بدون استفاده از منبع الكتريكي ديگري طراحي كنند. اين نوع توربينهاي گازي در اغلب كشورهاي داراي شبكة مطمئن توليد برق، نصب شده و در حال بهره برداري است. اين نوع سيكلهاي توربين گازي بايد در شرايط اضطراري براي توليد برق اصلي و فقط در مدت چند ساعت استفاده شوند. در اين رابطه، توربينهاي گازي با طرح تك محوري، توان توليدي حدود 130 تا 150 مگاوات را مي توانند توليد كنند، البته هر روز، مدلهاي جديدي با توان توليدي بالاتر ساخته مي شود. لازم است ذكر شود كه حد توليدي بالا، ناشي از حداكثر ابعادي است كه به دليل حمل و نقل با راه آهن، بايد در نظر گرفته شود. در كنار واحدهاي الكتريكي با توان بالا، واحدهاي كوچك توربين گازي قابل حمل نيز، براي توليد الكتريسيته در مناطقي كه دسترسي به انرژي الكتريكي ميسر نيست، ساخته مي شود. اين نوع توربينهاي گازي بيشتر در شركتهاي پيمانكاري مورد استفاده قرار مي گيرد.

5-3 توربينهاي گازي با توليد محدود انرژي الكتريكي

بيشترين كاربرد اين نوع توربينهاي گازي در سكوهاي دريايي است كه بار پايه را براي بخشهاي مصرف كنندة اصلي تأمين مي كنند. سطح توليد اين واحدها معمولاً حدود 3 تا 4 مگاوات است. در بعضي از سكوهاي نفتي كه مصرف انرژي الكتريكي تا 125 مگاوات مي رسد استفاده از واحدهايي با توان توليدي بالاتر ضروري است. در اين صورت به دليل محدوديت سطح و فضاي سكو، در انتخاب توربين گازي، توجه به ويژگيهاي سطح و حجم، در الويت قرار مي گيرد.

6-3 استفاده از توربين گازي در سيكلهاي تركيبي

سيكلهاي تركيبي نوع ديگري از واحدهاي گازي براي توليد الكتريسيته با كارايي در محدوده 50 درصد است كه براي استفاده در بار پايه در نظر گرفته مي شود. در كشورهايي كه منابع نفتي محدوديت دارد، استفاده از واحدهاي تركيبي بهينه سازي شده با كارايي حرارتي بالاتر، اقتصادي تر از واحدهاي بخاري يا ديزلي است. هدف از سيكلهاي تركيبي، استفاده از حداكثر انرژي حاصل از سوخت است. براي اين منظور، توربين گازي، ژنراتور توليد برق را به حركت درآورده و انرژي حرارتي موجود در دود خارج شده از اگزوز توربين، براي مصارف ديگري استفاده مي شود. موارد مصرف به فشار و درجه حرارت دود خروجي بستگي دارد و مي تواند انرژي محدودة وسيعي از مصرف كنندگان را تأمين نمايد. به عنوان مثال از آن مي توان براي واكنشهاي مختلف در مناطق صنعتي يا گرم كردن محيطهاي مسكوني و شهري استفاده كرد. در بعضي از نيروگاهها، دود حاصل از توربين گازي، از داخل بويلر بازياب مي گذرد و حرارت دود خروجي توربين گاز، به سيكل آب و بخار منتقل مي شود. بخار توليد شده، صرف چرخاندن توربوژنراتور واحد بخار شده و در نتيجه انرژي الكتريكي توليد مي گردد. بخار خروجي توربين فشار – ضعيف را براي مصارف صنعتي و خانگي مي توان استفاده كرد. در اين نوع سيستمها معمولاً از چند واحد توربين گازي به منظور پايداري يا افزايش اطمينان از كارايي سيستم استفاده مي شود. دود خروجي از اين توربينها نيز، سيستم بويلر بازياب را تغذيه مي كند. در صورت بروز اشكال فني در يكي از واحدهاي توربين گازي و خارج شدن آن از مدار، بهره برداري از سيكل تركيبي ادامه يافته و توليد در بقية مجموعة توربينهاي گازي انجام مي شود. در بعضي از كشورها، از انرژي حرارتي دود خروجي از اگزوز توربين گازي در مبدلهاي حرارتي استفاده شده و انرژي حرارتي، به صورت قابل مصرف در محيطهاي شهري و صنعتي مانند مدارس، اداره ها، ساختمانهاي عمومي، بيمارستانها، آزمايشگاهها و غيره به صورت آب گرم يا هواي گرم توزيع مي شود. به اين روش، افزايش كارايي حرارتي توربين گازي تا حدود 60 درصد امكانپذير است.

7-3 كاربردهاي احتمالي توربين گازي در آينده

افزايش قيمت سوختهاي فسيلي تميز، ضرورت استفاده از سوختهاي فسيلي سنگين را مطرح كرده است. اگرچه از اين نوع سوختها در واحدهاي بخاري – كه هزينه هاي تعميراتي سنگيني دارند – استفاده مي شود، اما از آنها در توربينهاي گازي به صورت عملي تا به حال استفاده نشده است. يكي از روشهاي عملي، به كارگيري محفظه هاي احتراق با بسترهاي متخلخل است. در اين روش، قسمتي از هواي خروجي كمپرسور از مبدلي – كه در داخل محفظة احتراق با بستر متخلخل قرار گرفته و ضريب انتقال حرارت بالايي دارد – عبور مي كند. قسمت باقيماندة هواي خروجي، از طريق خود محفظة احتراق – كه درجة حرارت بالاتري دارد – جريان پيدا كرده و پس از تصفيه و جدا كردن ذرات موجود در دود توسط صافي، با هواي خروجي از مبدل مخلوط و به توربين گازي وارد مي شود. در اين صنعت، مسائل خوردگي فيزيكي هنوز مطرح است، اما در صورت برطرف شدن مشكلات، استفاده از زغالسنگ يا سوختهاي سنگين، امكانپذير خواهد شد. در اين فناوري، به جاي استفاده از سوختهاي سنگين در محفظة احتراق با بستر متخلخل، از زباله هاي غيرفلزي – كه درجة حرارت كافي را براي توربين گازي توليد مي كند – مي توان استفاده كرد. البته لازم است دود حاصل از احتراق از صافيهاي مناسبي عبور كند تا فرسايش فيزيكي توربين به وجود نياورد. در اين فناوري، آلودگي محيط زيست از موارد مهمي است كه بايد بر طبق استانداردهاي مربوط از آن جلوگيري شود.

روش ديگر، تبديل سوختهاي سنگين به سوختهاي گازي تميز، از طريق واكنش تبديل به گاز است. در اين روش نيز ناخالصيهاي حاصل از احتراق مانند سديم و واناديم، بايد براي جلوگيري از خوردگي توربين گازي، تصفيه شود. ناگفته نماند كه گازهاي حاصل از احتراق همراه با تركيبات گوگرد، موجب بروز خوردگي در مسيرهاي دود خروجي و آلودگي محيط زيست مي شود كه بايد تصفيه شود.

سيستم ذخيرة انرژي، نوع ديگري از استفاده احتمالي از توربين گازي است. در شبكه توليد برق كشورهايي كه سرمايه گذاري عظيمي در بار پايه بويژه در نيروگاههاي هسته اي به عمل آورده اند، ضروري است كه به طور شبانه روزي و مرتب، انرژي الكتريكي در واحدهاي اتمي توليد گردد تا هزينة بهره برداري و سرمايه گذاري اوليه را جبران كرده و سودآور باشد. در بعضي از كشورها از نيروگاههاي ذخيره اي ئيدروالكتريك استفاده مي شود و اين در صورتي ممكن است كه ساخت نيروگاه ذخيره اي از نظر شرايط جغرافيايي امكانپذير باشد. در صورت امكان ناپذيري استفاده از نيروگاههاي ئيدروالكتريك، بعضي از كشورها توربين گازي را مناسبترين سيستم ذخيرة انرژي مي دانند. در اين حالت در ساعات غير اوج مصرف، ژنراتور توربين گازي به عنوان موتور عمل كرده و كمپرسوري را به حركت در مي آورد تا هوا با فشار كافي، در مخزني كه مي تواند زيرزميني نيز باشد، ذخيره گردد. در اين فناوري، در مسير هوا به سمت مخزن، معمولاً از بسترهاي آلومينيمي يا سيليسي استفاده مي شود تا انرژي حرارتي هوا در بستر ذخيره گردد. در مواقع احتياج يا در ساعات اوج مصرف، هواي فشرده از طريق بستر مزبور به توربين گازي هدايت مي گردد. در اين صورت، ژنراتور از كمپرسور جدا بوده و به عنوان توليد كنندة انرژي الكتريكي عمل خواهد كرد.

به منظور جبران انرژي حرارتي تلف شده، سيستمهاي احتراق در مسير هوا نصب و با به كارگيري اين سيستم در موقع بهره برداري، هوا با درجة حرارت بالاتري وارد توربين گازي مي شود. نكته قابل توجه آن است كه اگر مخزن ذخيره كوچك باشد، مي توان از فشارهاي بالاتري براي ذخيره سازي هوا و از كمپرسورهاي فشار بالا – استفاده نمود. دماي هواي فشرده شده در مخزن ذخيره سازي به مقدار قابل توجهي افزايش مي يابد و اين نيز، افزايش حجم را به دنبال دارد. براي رفع اين اشكال، بايد هوا خنك شود تا حجم كمتري را اشغال كند. در اين راستا از غارها يا از معادن مستعمل مي توان به عنوان مخزن ذخيرة هوا استفاده كرد اما بررسيهايي از نظر نشتي هوا بايد انجام شود تا اقتصادي بودن پروژه مشخص گردد.