مقاله توربین های گازی و کاربرد آنها در صنعت برق

مقدمه:
توربین های گازی از جمله فناوری های مهم در تولید انرژی برق هستند که تحولات چشمگیری در صنعت برق طی دهه های اخیر ایجاد کرده اند. سابقه استفاده از این نوع توربین ها به بیش از هفتاد سال قبل بازمی گردد، اما روند تولید و به کارگیری آنها در بیست سال اخیر به شدت افزایش یافته و تا بیست برابر رشد داشته است. اولین تلاش ها برای ساخت توربین گازی مشابه نمونه های امروزی در سال ۱۷۹۱ توسط «جان پایر» آغاز شد و پس از مطالعات گسترده و آزمایش های متعدد، در اوایل قرن بیستم اولین توربین چندطبقه عکس العملی مجهز به کمپرسور محوری چندطبقه به مرحله تولید رسید. این پیشرفت ها مسیر توسعه توربین های گازی مدرن را هموار کرد، به طوری که اولین دستگاه عملیاتی در سال ۱۹۳۳ در یک کارخانه فولادسازی در آلمان نصب و بهره برداری شد و از آن زمان تاکنون، توان و کارایی توربین های گازی به طور مداوم ارتقاء یافته است. در ایران نیز اولین توربین گازی در سال ۱۳۴۳ در نیروگاه شهر فیروزه مورد استفاده قرار گرفت که شامل دو دستگاه با توان هرکدام ۱۲٫۵ مگاوات بود. امروزه کوچک ترین توربین های گازی سیار موجود در ایران دارای قدرت اسمی یک مگاوات و بزرگ ترین آنها توربین ۴۹-۷ شرکت زیمنس با توان ۱۵۰ مگاوات می باشند.

توربین های گازی به دلیل ویژگی های منحصر به فرد خود، نقش مهمی در صنعت برق ایفا می کنند. یکی از مهم ترین کاربردهای آنها تأمین بار پیک شبکه برق است. میزان مصرف برق در طول شبانه روز دارای نوسانات قابل توجهی است؛ در ساعات مشخصی از روز مانند اوج مصرف در صبح و بعد از تاریک شدن هوا، میزان تقاضا به بیشترین مقدار خود می رسد و در ساعات دیگر مانند نیمه شب تا بامداد، مصرف به حداقل می رسد. برای تأمین بار پایه، نیروگاه هایی با مخارج جاری پایین و سوخت ارزان مانند نیروگاه های بخار، هسته ای و آبی استفاده می شوند. اما برای پاسخگویی به بار پیک، نیاز به واحدهایی است که بتوانند با سرعت بالا راه اندازی شوند و توان تولید برق را در کوتاه ترین زمان ممکن فراهم کنند؛ توربین های گازی به دلیل ویژگی های سرعت راه اندازی بالا، هزینه نصب پایین و انعطاف پذیری در تولید، گزینه ای ایده آل در این زمینه هستند. علاوه بر این، قابلیت استارت مستقل با استفاده از باتری ها، امکان بهره برداری در مناطق غیرمتصل به شبکه و شروع مجدد شبکه پس از خاموشی کامل را فراهم می آورد. برخی از واحدهای گازی همچنین مجهز به کلاچ بین محور توربین و ژنراتور هستند که به تنظیم ولتاژ شبکه در شرایط نوسانات مصرف کمک می کند و عملیات کندانسور کردن ژنراتور در شب های کم مصرف را ممکن می سازد.

مزایای توربین های گازی فراتر از سرعت راه اندازی آنهاست. واحدهای گازی به دلیل ساختمان ساده و جمع و جور، نصب سریع و آسان دارند و تغییرات توان تولید آنها می تواند در زمان کوتاهی انجام شود. هزینه نصب این واحدها نسبت به واحدهای بخار با قدرت برابر کمتر است و بهره برداری از آنها به علت تعداد کم قطعات کمکی، ساده و قابل کنترل است. همچنین توربین های گازی قابلیت استفاده از سوخت های متنوع و تغییر نوع سوخت در حین کار را دارند که این ویژگی انعطاف عملیاتی قابل توجهی ایجاد می کند.

در کنار مزایا، شناخت معایب و محدودیت های توربین های گازی نیز اهمیت دارد تا طراحی و بهره برداری بهینه از این سیستم ها امکان پذیر باشد. فرآیندهای توربین های گازی، ویژگی های نصب نازل ها، استفاده از کولر تبخیری و واحدهای تبخیرکننده، نحوه عملکرد چیلرهای انژکتوری، محاسبات مربوط به ابرکولر و افت فشار مسیر هوا، سیستم های جذبی آب-آمونیاک، هیترهای شعله مستقیم، تزریق آب داغ و بخار به کمپرسور و اتاق احتراق، گرمایش مجدد گازها و تکنولوژی های پیشرفته مانند TOPHAT همگی بخش های مهمی از طراحی و بهینه سازی توربین های گازی هستند که در افزایش راندمان و توان خروجی نقش مستقیم دارند.

به طور کلی، توربین های گازی به عنوان یکی از ستون های تولید انرژی برق، با قابلیت راه اندازی سریع، انعطاف در مصرف سوخت و توان تولید متنوع، جایگاه ویژه ای در تأمین نیازهای شبکه برق، به ویژه در ساعات پیک مصرف، پیدا کرده اند. پیشرفت های فنی و تکنولوژیکی در این حوزه، امکان بهره برداری بهینه و افزایش راندمان توربین ها را فراهم کرده است و همچنان تحقیق و توسعه در زمینه بهبود عملکرد، کاهش مصرف سوخت و افزایش کارایی، یکی از محورهای اصلی صنعت برق در سطح جهان محسوب می شود.

سرفصل ها :
تاریخچه توربین گاز
نقش توربین گاز در صنعت برق
مزایای توربین گازی
معایب توربین گازی
تئوری فرایندهای توربین گازی در افزایش قدرت و راندمان
ویژگی های نصب نازلها قبل از فیلتر
کولر تبخیری
واحد تبخیرکننده
اجزاء و نحوه عملکرد چیلرهای انژکتوری
محاسبات مربوط به ابرکولر و افت فشارهای ایجاد شده مسیر هوا
مبدل حرارتی مورد استفاده در چیلر جذبی
سیستم جذبی آب- آمونیاک
چیلر- هیترهای شعله مستقیم
تزریق آب داغ به کمپرسور
اصول تکنولوژی TOPHAT
محاسبات برای توربین Betrofit شده با سیستم اسپری
تزریق بخار به انتهای اتاق احتراق
مزایا و معایب روش تزریق بخار
تولید بخار به وسیله بویلر بازیاب
گرمایش مجدد گازها در توربین