توربین انبساطی چیست؟

به طور کلی توربین انبساطی دستگاهی جهت تبدیل انرژی گاز به برق می باشد، این دستگاه فوق العاده ارزشمند در ایستگاه های تقلیل فشار گاز مورد استفاده قرار می گیرد، در واقع این دستگاه جهت جلوگیری از اتلاف انرژی در ایستگاه های تقلیل فشار گاز کاربرد دارد چرا که در گذشته در ایستگاه ها مقدار انرژی که از گاز گرفته می شد تا فشار گاز به فشار دلخواه برسد توسط رگولاتور صورت می پذیرفت که این خود سبب هدر رفتن انرژی بود، این دستگاه همین مقدار انرژی لازمه را از گاز گرفته با این تفاوت که توسط یک سیستم دوار آن را به سمت یک ژنراتور برق هدایت می کند و در نهایت این انرژی را به انرژی برق زیادی تبدیل می کند.

تاریخچه:

• در سال 1960 اولین نوع از توربین های انبساطی در Texas نصب شد، این دستگاه ابتدایی که از نوع Turbo expander compressor بود می توانست ترکیبات سنگینی از بخار گاز را متراکم کند که حتی در برخی از موارد قابلیت متراکم کردن از گاز رقیق را هم دارا بود.

• در سال 1965 اولین نوع از توربین های انبساطی با کمپرسور گریز از مرکز که برای ترکیبات آمونیاک مورد استفاده قرار می گرفت به بازار عرضه شد.

• 5 سال بعد یعنی در سال 1970 همین نوع از توربین انبساطی منتها برای ترکیبات اوره (که فوق العاده خورنده هستند) ساخته شد.

• در سال 1975 این دستگاه برای فشارهای فوق العاده بالا(در حد3500 bar) ساخته شد.
• در سال 1985 تحولی جدید در صنعت توربین انبساطی صورت پذیرفت چرا که ساخت توربین های انبساطی تولید کننده برق:
•   (Turbo expander Generator) و با استفاده از بلبرینگ های مغناطیسی شروع شد.
•   در سال 1990 شرکت های مختلف موفق به ساخت این دستگاه توسط مکانیزم لنگ وبا بالانس کننده های متناوب شدند.
• در سال 1995 توربین انبساطی متراکم کننده ی گریز از مرکز و با مقاومت خوردگی خیلی بالا جهت استفاده در گازهای ترش ساخته شد.
•   و بالاخره در سال 2000 توربین انبساطی مولد برق با توانایی تولید 15MW انرژی برق ساخته شد
• اینک و پس از گذشت 46 سال از ساخت ابتدایی ترین نوع این دستگاه در حدود 4000 دستگاه توربین انبساطی در سرتاسر جهان مشغول کار هستند.  در طی گذشت این 46 سال پیشرفت های فوق العاده زیادی در زمینه های مختلف از جمله:  طراحی روتور، بلبرینگ ها و آب بندهای این سیستم ، بهبود کیفیت و سیستم کنترل این دستگاه صورت پذیرفته است.

توربین گاز، (به انگلیسی: Gas Turbine)، یک موتور درون‌سوز از نوع ماشین‌های دوار است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می‌کند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق‌کردن آن و یک توربین برای تبدیل انرژی درونی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است. بخشی از انرژی مکانیکی تولیدشده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است مولد الکتریکی را بچرخاند (توربوژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) و یا مستقیماً (یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده) به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن).

تاریخچه

در سال ۱۷۹۱، یک مخترع انگلیسی به نام جان باربر، یک ماشین طراحی کرد که از نظر ماهیت کارکرد شبیه به توربین‌های گاز امروزی بود و ثبت اختراع این طرح را به نام خود کرد.[۱] او این توربین را برای به حرکت درآوردن یک کالسکه بدون اسب طراحی کرده بود. در سال ۱۹۰۴، یک پروژه ساخت توربین گاز توسط فرانتس استولز در برلین انجام شد که اولین کمپرسور محوری جهان در ساخت آن مورد استفاده قرار گرفته بود، ولی این پروژه ناموفق بود.[۱] در طی سال‌های بعد، افراد مختلف بر روی ایده توربین گاز فعالیت کردند، به طوری که شرکت جنرال الکتریک آمریکا که امروزه بزرگ‌ترین تولیدکنندهٔ توربین گاز در جهان است، در سال ۱۹۱۸ بخش توربین گاز خود را راه‌اندازی کرد. با این وجود، نخستین توربین گازی برای تولید انرژی برق، در سال ۱۹۳۹ (میلادی) و در شرکت براون، باوری و سی در سوئیس ساخته شد که ظرفیت آن ۴ مگاوات بود.

مبنای کارکرد[ویرایش]

چرخهٔ برایتون، اساس کارکرد توربین‌های گاز

مبنای کار توربین‌های گاز از نظر ترمودینامیکی، بر اساس چرخه برایتون است که در آن، هوا به صورت بی‌دررو فشرده شده، احتراق در فشار ثابت رخ داده و انبساط هوای فشرده و داغ در توربین، به صورت بی‌دررو رخ می‌دهد و هوا به فشار اولیه می‌رسد. در عمل، اصطکاک وتوربولانس باعث می‌شوند که:

1. فشرده‌سازی هوا در کمپرسور به صورت بی‌دررو نباشد. این موجب می‌شود که برای دست‌یافتن به یکنسبت فشار معین، دمای  خروجی کمپرسور بیشتر از حالت ایده‌آل باشد.
2. انبساطهوا در توربین به صورت بی‌دررو نباشد. این موجب می‌شود که با ثابت بودن مقدار کاهش دما در توربین، کاهش فشار ناشی از  آن افزایش یافته و انبساط کمتری برای تولید کار در توربین فراهم باشد.
3. افت فشار در ورودی هوا، محفظهٔ احتراق و اگزوز وجود داشته باشد. این موضوع باعث می‌شود که نسبت فشار موجود برای تولید کار کاهش یابد. افت فشار در ورودی هوا باعث کاهش فشار در ورودی کمپرسور و در نتیجه کاهش فشار ورودی محفظهٔ احتراق و توربین می‌شود. افت فشار در محفظه و اگزوز، به ترتیب به کاهش فشار ورودی به توربین و افزایش فشار خروجی توربین می‌انجامند که همهٔ این عوامل، باعث کاهش نسبت فشار موجود در توربین برای تولید کار می‌شوند.

با افزایش دمای هوای ورودی به توربین، بازده توربین‌های گاز افزایش می‌یابد؛ بنابراین، بهتر است که این دما هر چه بیشتر انتخاب شود. اما در این مورد از نظر تحمل مواد تشکیل‌دهندهٔ محفظهٔ احتراق و پره‌های توربین، محدودیت وجود دارد؛ بنابراین، در این قسمت‌ها که به آنها بخش‌های داغ، (به انگلیسی: Hot Sections)، گفته می‌شود، از مواد مقاوم به دماهای زیاد مانند ابرآلیاژها استفاده می‌شود.  همچنین این قسمت‌ها با استفاده از تکنولوژی‌های پیچیده‌ای، خنک‌کاری می‌شوند.

انواع توربین گاز[ویرایش]

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی[ویرایش]

توربین گاز سری H شرکت جنرال الکتریک، این توربین ۴۸۰ مگاواتی در چیدمان سیکل ترکیبی، بازده حرارتی ۶۰۰٪  دارد.

توربین‌های گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی، که توربوژنراتور گاز هم نامیده می‌شوند، توربین‌های گازی هستند که توان تولیدشده به وسیلهٔ آنها، مستقیماً و یا پس از تغییر سرعت دوران در جعبه‌دنده به ژنراتور منتقل شده و در آنجا به انرژی پتانسیل الکتریکی تبدیل می‌شود. این نوع توربین گاز، می‌تواند به صورت سیکل ساده (به انگلیسی: Single Cycle) و یا نیروگاه سیکل ترکیبی (به انگلیسی: Combined Cycle) باشد. در حالت سیکل ساده، گازهای خروجی از اگزوز توربین که می‌توانند تا ۶۰۰ درجه سلسیوس دما داشته باشند، مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقی‌مانده در آن هدر می‌رود؛ ولی در حالت سیکل ترکیبی، یک یا دو توربین گاز با یک توربین بخار کوپل می‌شوند و گازهای خروجی از توربین گاز در بخشی به نام بویلر بازیاب، آب بازگشتی از کندانسور توربین بخار را که توسط پمپ فشرده شده، به بخار تبدیل  می‌کنند. در نتیجه در حالت سیکل ترکیبی، از انرژی موجود در گازهای خروجی از اگزوز توربین گاز استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند؛ بنابراین، با استفاده از این روش، راندمان سیکل افزایش می‌یابد. توربوژنراتورها همچنین می‌توانند به صورتتولید همزمان برق و گرما (به انگلیسی: Cogeneration) استفاده شوند که در این ترکیب، گاز خروجی از آنها برای تولید آب گرم و یا هوای گرم ساختمان‌ها و کارخانجات استفاده می‌شود.

توربین‌های گاز برای تولید انرژی مکانیکی

این نوع از توربین‌های گاز که شامل توربوکمپرسورها و توربوپمپ‌ها می‌شوند، توربین‌های گازی هستند که در آنها انرژی تولید شده توسط توربین، صرف به گردش درآوردن یک کمپرسور (جهت فشرده‌کردن یک مادهٔ گازی) یا پمپ (جهت بالابردن فشار یک مایع) می‌شود.

موتورهای جت

اصول کار توربوجت

موتورهای جت، نوعی موتور هستند که از شتاب دادن و تخلیه سیال برای ایجاد پیش‌رانش بر پایه قانون سوم نیوتن استفاده می‌کنند. دو نوع از موتورهای جت یعنی توربوجت‌ها و توربوفن‌ها شامل توربین گاز بوده و در واقع یک نوع توربین گاز هستند.

توربوجت‌ها، نوعی توربین گاز هستند که در آنها همهٔ انرژی تولید شده در توربین صرف چرخاندن کمپرسور می‌شود و هوای داغ خروجی از توربین پس از عبور از یک نازل، سرعت گرفته و به صورت یک جت سیال با سرعت زیاد از انتهای آن خارج می‌شود.