توربین­های گاز از جمله ابداعات ارزشمندی است که طی یک قرن گذشته خدمات زیادی به بشر نموده است بطوریکه تصور دنیایی که در آن از توربین­گاز استفاده نشود غیر ممکن است. توربین­های گاز انواع خیلی متفاوتی دارند و به همین شکل نیز کاربردهای آنها مختلف است. امروزه همه هواپیماهای مدرن از موتور جت استفاده می­ کنند که قلب اصلی آن یک توربین­گاز است. استفاده از توربین گاز برای تامین نیروی محرکه کشتی­های چند صد هزار تنی اقیانوس­پیما بصورت امری عادی در آمده است. بخش عمده­ای از نیروی برق مصرفی کشورها توسط توربین­های گاز تامین می­ شود. اینگونه توربین­ها ظرف ۱۰ تا ۱۵ دقیقه سرویس می­شوند و برای تامین نیروی برق در ساعات حداکثر مصرف از این توربین­ها استفاده می­ شود. در بسیاری از موارد از این توربین­ها برای تامین برق پایه هم استفاده می­ شود. این نیروی رانش توربین­گاز است که قادر است هواپیماهای مسافربری و باری و نیز هواپیماهای جنگنده بمب افکن را چون برق و صاعقه از زمین بلند کرده و به پرواز در آورد و به چنان سرعت های مهیبی برساند که دیوار صوتی را هم بشکند.

۲-۳ کاربرد توربین­های گازی
توربین­های گاز با همه محاسنی که دارند دارای یک عیب عمده می­باشند و آن راندمان پائین این توربین­ها در مقایسه با سایر موتورهای درونسوز و حتی توربین­های بخار است. متوسط راندمان این توربین­ها حدود ۳۵ % است، اما در سال­های اخیر با پیشرفت­هایی که در زمینه متالورژی صورت گرفته و نیز استفاده از روش هوشمندانه سیکل ترکیبی و غیره راندمان توربین­های گاز حتی به ۶۰ % هم افزایش پیدا کرده است و این روند همچنان ادامه دارد. توربین های گازی بخاطر اینکه مانند موتورهای درونسوز دارای سیلندر و پیستون نیستند و مکانیزم عمل آنها متفاوت است، کمتر دچار خرابی می­شوند و عمر طولانی­تری دارند. علت نامگذاری این توربین­ها بخاطر این است که سیال مورد استفاده در این توربین­ها گاز است. ولی سوخت آن ها هم می ­تواند گاز باشد و هم سوخت مایع و یا حتی سوخت جامدی که بصورت گاز در آمده است. توربین گاز قطعات حساسی دارد که از جمله آنها تیغه های توربین است که فن­آوری پیچیده­ای دارد و نیز سیستم­های کنترل آن بسیار پیچیده است. بنابراین ساخت توربین­گاز نیاز به فن آوری بالایی دارد و کار هر کشوری نیست.
در توربین گاز مورد استفاده در هواپیما از نیروی خروجی توربین برای چرخاندن کمپرسور استفاده می شود (که این کمپرسور می ­تواند یک فن یا محور چرخنده باشد). سپس این هوای گرم خروجی از توربین از طریق یک شیپوره (نازل) به درون اتمسفر تخلیه می­ شود و همین خروج گازهای داغ است که نیروی رانش لازم برای حرکت هواپیما را فراهم می کند (شکل (۲-۱))
شکل (۲-۱) نمای شماتیک از یک موتور هواپیمای جت
شکل (۲- ۲) یک توربین گازی مدرن ثابت، که برای تولید برق و تولید نیروی مکانیکی مورد استفاده قرار می­گیرند را نشان می­دهد. این مدل حرکت را بطور مستقیم از یک توربین کم فشار و یک کمپرسور کم فشار بدست می آورد. برخی مدل­های دیگر ممکن است که دارای یک توربین قدرت نیز باشند. در شکل (۲-۳) نمایی از یک توربین در حال تعمیرات در کارخانه دیده می­ شود.
شکل (۲-۲) توربین های گاز مدرن ثابت، برای تولید برق و تولید نیروی مکانیکی
شکل (۲-۳) توربین های گاز مدرن ثابت، برای تولید برق و تولید نیروی مکانیکی
۲-۴ تقسیم ­بندی توربین­های گازی از نظر توان تولیدی
دسته اول توربین­های با ظرفیت بالا می­باشند که توان تولیدی آنها در محدوده MW 123-158 و بالاتر قرار دارد. این نوع از توربین­ها عمدتاً در صنایع نیروگاهی و نفت برای تولید برق، و به عنوان محرک سایر وسایل بکار می­روند. دسته دوم توربین­های با ظرفیت متوسط می­باشند که توان تولیدی آنها در محدوده MW 38-60 قرار دارد. دسته سوم نیز عبارتند از توربین­های گازی که عمدتاً در صنایع هوایی کاربرد دارند. توان تولیدی آن ها در محدوده MW 21-41 قرار دارد. دسته چهارم و آخر نیز عبارتند از توربین­های گازی کوچک که توان تولیدی آنها در محدوده MW4-6 قرار دارد[۶[.
۲-۵ مشخصات کلی نیروگاه­های توربین گازی
نیروگاه­های توربین گازی در مقایسه با نیروگاه­های بخار دارای هزینه احداث کمی می­باشند، بنابراین به دلیل الزام به مصرف سوخت­های با کیفیت، هزینه ویژه سوخت مصرفی آنها بالاتر از نیروگاه­های بخار است. برای تولید انرژی حرارتی در نیروگاه­های توربین گازی معمولاً از سوخت­های گازوییل و گاز طبیعی استفاده می­گردد. این نیروگاه­ها با توجه به ویژگی های فنی و اقتصادی خود برای پوشش بار پیک و نیز زمان­هایی که نیاز فوری به توان نیروگاهی می­باشد، مناسب می­باشند. در زیر برخی از ویژگی­های این نیروگاه­ها آمده است:
- ساختار ساده و زمان ساخت کوتاه،
- هزینه سرمایه گذاری کمتر نسبت به نیروگاه های بخار برای هر واحد توان،
- ابعاد نسبتاً کوچکتر نسبت به نیروگاه­های بخار و در نتیجه نیاز به مکان کمتر برای احداث،
- سرعت سریع راه اندازی،
- بهره برداری آسان و حتی امکان کنترل از راه دور،
- عدم نیاز به آب خنک­کننده (به استثناء برخی از انواع نیروگاه ها)،
- قابلیت اطمینان بالا ،
- سرعت زیاد در تغییر توان،
- سازگاری بیشتر با محیط زیست،
- هزینه بالای سوخت مصرفی،
توربین­های گازی به تنهایی دارای مزایایی هستند که استفاده از آنها را در صنایع مختلف توجیه پذیر کرده است. چند نمونه دیگر از این مزایا عبارتند از[۵[:
- هزینه اولیه تمام شده پایین­تر در مقایسه با سایر انواع دستگاه های تولید قدرت،
- امکان نصب و راه اندازی سریع­تر در مقایسه با سایر روش­ها،
- امکان شروع به کار و رسیدن به بار نامی سریع­تر،
- نسبت فضا به توان تولیدی کمتر،
- بهره ­برداری ساده­تر و با بهره گرفتن از نفرات کمتر،
اما در مقابل این مزایا، توربین­های گازی دارای معایب قابل توجهی نیز می­باشند. از آن جمله عبارتند از:
- استهلاک و خوردگی بالا در مقایسه با سایر روش­های تولید قدرت،
- راندمان عملکرد پایین به دلیل خروج گازهای داغ حاصل از احتراق، بعد از عبور از توربین،
- هزینه تعمیرات و نگهداری بالاتر،
با توجه به ویژگی­های منحصر به فرد توربین­های گازی، عوامل فوق مانع از کاربرد وسیع آنها در صنایع مختلف نگردیده است. به دلیل کاربرد وسیع این توربین­ها در صنایع مختلف، استفاده از روش­هایی که این نقاط ضعف را کاهش دهد، توجیه پیدا کرده است. همانطور که بیان شد از جمله مهمترین نقاط ضعف این نوع از توربین­های قدرت، راندمان کاری پایین آنها و همچنین اتلاف انرژی زیاد در این نوع توربین­ها، به دلیل خروج گازهای حاصل از احتراق با دمای بسیار بالا، می­باشد. لذا برای جبران این نقاط ضعف، روش­های مختلفی را بکار گرفته­اند.
۲-۶ سیکل توربین گاز (سیکل برایتون)
مبنای عملکرد سیکل های توربین گازی بر سیکل برایتون استوار است. شماتیک این سیکل در شکل (۲-۴) نشان داده شده است. هوا توسط کمپرسور متراکم شده و همراه با سوخت به داخل محفظه احتراق می­رود. سپس بعد از محترق شدن از توربین عبور می­ کند. بعد از برخوردگازهای داغ با پره­های توربین گاز و افت فشار و دما به محیط تخلیه می­ شود.
شکل (۲-۴) سیکل ساده شده توربین گاز (سیکل برایتون)
نیروگاه­های توربین گازی از سه بخش اصلی به نام های کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل شده اند. کمپرسور و توربین دارای چرخ استوانه ای شکل می­باشند که در محیط آنها در چند ردیف پره­های مورب کار گذاشته­اند. مابین این پره­ها، پره­های ساکنی که به جدار خارجی آنها نصب گردیده­اند، قرار دارند. در پره­های متحرک کمپرسور، مرتباً به ذرات هوای ورودی به آن سرعت داده می­ شود و در پره­های ساکن آن، سرعت ایجاد شده تبدیل به فشار می­ شود. در صورت وجود تعداد کافی ردیف پره­های ساکن و متحرک، فشار سیال خروجی از کمپرسور را می­توان تا چند برابر فشار ورودی افزایش داد. کمپرسور توسط محوری به توربین متصل می­باشد و در هنگام بهره ­برداری از نیروگاه، توان مصرفی آن توسط توربین تأمین می­گردد. در هنگام راه ­اندازی نیروگاه، تجهیزات جداگانه ای برای راه اندازی کمپرسور نیاز می­باشد. جهت این امر معمولاً از ماشین های سنکرون به عنوان موتور که از شبکه و با وساطت مبدل­هایی (فرکانس­های متغیر) تغذیه می­شوند، استفاده می­گردد. هوای فشرده پس از خروج از کمپرسور وارد محفظه احتراق می­ شود و در آنجا با سوخت ترکیب می­ شود. در نتیجه سوختن با سوخت، درجه حرارت آن بالا رفته و پس از آن به سمت توربین هدایت می­ شود. گاز سوخته داغ و متراکم با عبور از میان پره­های ساکن توربین، کسب سرعت می­نماید و با برخورد به اولین پره­های متحرک، آنها را به گردش در می­آورند. در نتیجه چرخش پره­های توربین از انرژی جنبشی گازهای خروجی کاسته می­ شود. در ردیف پره­های بعد نیز مجدداً فشار تبدیل به سرعت و سرعت تبدیل به انرژی مکانیکی می­گردد و به چرخ منتقل می­گردد تا اینکه فشار سیال عامل به فشار جو رسیده و با انبساط کامل به خارج منتقل می­گردد. روتور ژنراتور با محور توربین متصل می باشد، لذا با چرخش محور توربین، در ژنراتور تولید برق می­گردد. اساس کار توربین گازی بسیار شبیه توربین بخار است، تنها دو تفاوت عمده بین آنها وجود دارد که عبارتند از:
- دمای گاز ورودی (سیال عامل) به توربین گازی در حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد می­باشد، که بسیار بیشتر از دمای بخار گرم ورودی به توربین بخاری است. بنابراین می­توان اینگونه نتیجه گرفت که پره­های توربین گازی باید نسبت به پره­های توربین بخاری دارای حد تحمل بیشتری در دماهای بالا باشند.
- در گازهای احتراق ورودی به توربین گازی، عناصر زایدی از قبیل گوگرد، فسفر، سدیم، وانادیم و … وجود دارد که باعث خوردگی شیمیایی و مکانیکی سطح پره های توربین گازی می­ شود. این عناصر در سوخت تزریق شده به محفظه احتراق موجود می­باشند. بنابراین حد تحمل پره­های توربین گازی در مقابل خوردگی باید بسیار بیشتر از پره­های توربین بخاری باشد [۵[.
۲-۷ انواع نیروگاه­های توربین گازی
نیروگاه­های توربین گاز به دو دسته مدار باز و بسته تقسیم ­بندی می­شوند.
- نیروگاه­های توربین گازی مدار باز (مدار باز ساده، مدار باز با بازیافت حرارتی، مدار باز با مدار متوالی و مدار باز با هوای ذخیره)
- نیروگاه­های توربین گازی مدار بسته (شامل مراحل ۱- تراکم سیال عامل در کمپرسور ۲ -اعمال حرارت در راکتور۳- انبساط در توربین ۴ – خنک کردن سیال عامل در مبدل حرارتی و انتقال آن به کمپرسور)[۵[
۲-۸ بررسی افزایش قدرت سیکل توربین گازی به روش های گوناگون
اگر چه سیکل ساده توربین­گازی برای برخی اهداف نسبتاً اقتصادی است، اما می­توان با چند روش مهم، راندمان و توان خالص خروجی آن را بهبود داد. مهم ترین این اصلاحات عبارتند از:
بازیابی، خنک کاری هوای خروجی از کمپرسور، گرمایش مجدد در توربین، تزریق آب یا بخار.
این روش­ها تنها خود سیکل توربین گازی را در نظر گرفته است. در صورتیکه می­توان این سیکل را با سیکل توربین بخار (سیکل رانکین) ترکیب کرد. این راهکار به بهبود میزان توان تولیدی خالص، افزایش راندمان، کاهش آلودگی و سود آوری می­­انجامد. به ترکیب این دو سیکل واحد همزایی (سیکل ترکیبی) گویند.
۲-۸-۱ بازیابی
یکی از راه­های اشاره شده بر پایه مفهوم بازیافت است. بازیابی یک تبادل حرارت داخلی در سیکل است. در سیکل توربین­گاز، گازهای داغی که از توربین خارج شده ­اند گرمای زیادی دارند. این دما، بالاتر از دمای هوای خروجی از کمپرسور می­باشد. بنابراین بازیاب (یک مبدل حرارتی صفحه­ای) مورد استفاده قرار می­گیرد تا هوای متراکم شده را بوسیله گازهای خروجی از توربین پیش­گرم کند. در شکل (۲-۵) نمونه ­ای از یک سیکل توربین گاز با بازیاب نشان داده شده است.
شکل (۲-۵) شماتیک سیکل توربین گازی مجهز به سیستم بازیاب
نتیجه این عمل کاهش مقدار سوختی است که به محفظه احتراق تزریق می­ شود. تبادل حرارتی میان دو جریان در داخل بازیاب صورت می­گیرد. در شرایط ایده­آل افت فشار در بازیاب در نظر گرفته نمی­ شود. همچنین در این شرایط، که راندمان بازیاب ۱۰۰ درصد است، کل حرارتی که گازهای خروجی از توربین دارند توسط گاز متراکم شده توسط کمپرسور جذب می­ شود. اما در واقعیت، بازده بازیاب هرگز ۱۰۰ درصد نمی­ شود. به علت اینکه وقتی اختلاف دما بین دو جریان به صفر می رسد، سطح حرارتی برابر با بینهایت مورد نیاز است. در نتیجه دمای گاز متراکم شده، کمتر از دمای گازهای خروجی از توربین خواهد شد.
۲-۸-۲ خنک کاری هوای خروجی از کمپرسور
کاهش کار ورودی به کمپرسور، یکی از روش­های بالا بردن کارایی کلی توربین گازی می­باشد. این به علت افزایش کار خالص سیکل می­باشد. این هدف می ­تواند با خنک کاری کمپرسور انجام شود. اما این که کمپرسور یک وسیله انتقال حرارتی باشد، عملی نیست. پس برای دست یافتن به مزایای خنک کاری، چیدمان دیگری را بکار می­گیرند که به نام متراکم کردن با خنک کاری میانی معروف است. این فرایند هنگامی که کمپرسور برای افزایش فشار بالایی بکار گرفته شده است، مناسبتر می­باشد. بنابراین متراکم سازی همراه با خنک­کاری میانی، در فرایند افزایش فشار چند مرحله ای انجام می­پذیرد. در این فرایند سیال ابتدا تا فشار میانی متراکم می­ شود. سپس از یک کولر (خنک کننده) عبور می­ کند تا در فشار تقریباً ثابت به دمای پایین برسد. در بعضی موارد این دمای پایین همان دمای اولیه ورودی به کمپرسور می­باشد. سپس سیال از مراحل بعدی کمپرسور عبور می­ کند تا به فشار بالاتر دست یابد. در این فرایند می­توان از مراحل بعدی خنک­کاری و متراکم­سازی نیز بهره برد تا جاییکه فشار نهایی بدست آید. نتایج نشان می­دهد که در این حالت، برای یک نسبت فشار معین، کار خالص کمتری لازم است. خنک­کننده های میانی که مورد استفاده قرار می­گیرند، معمولاً مبدل­های استفاده شده آب خنک هستند اما مبدل­های هوا خنک نیز می­توانند در این سیکل مورد استفاده قرار گیرند (شکل (۲-۶)).

شکل (۲-۶) شماتیک سیکل توربین گازی مجهز به سیستم خنک کاری میانی
۲-۸-۳ گرمایش مجدد در توربین
روش دیگر برای افزایش راندمان کلی، بالا نگه داشتن دمای توربین تا حد ممکن است. این کار با ادامه حرارت دادن به گازها، هنگامی که گازها بعد از توربین منبسط می­شوند، می ­تواند انجام شود. حرارت دادن پیوسته عملی نیست و بازگرمایش در طی مراحلی انجام می­ شود. استفاده از گرمایش مجدد، بدون اینکه کار کمپرسور را افزایش دهد یا دمای بیشینه سیکل را بالا ببرد، کار خروجی توربین را افزایش می­دهد. در شکل (۲-۷) نمایی از یک روش گرمایش مجدد در توربین دیده می­ شود. گرمایش مجدد در صورتیکه مقدار تبادل حرارتی در بازیاب بتواند افزایش زیادی یابد، هنگامیکه در کنار بازیابی استفاده می­ شود کاملاً موثر می­باشد.