دوره برآورد کارايی توربو-اکسپندر/ کمپرسور و توربين های (بخار/ گاز)

توربواکسپندر، (به انگلیسی: Turboexpander) همچنین توربین انبساطی، یک توربین گریز از مرکز یا جریان محوری است که از طریق آن یک گاز فشار بالا برای تولید کار که اغلب برای راندن کمپرسور یا ژنراتور استفاده می شود، گفته می‌شود. از آنجایی که کار از انبساط گاز فشار بالا استخراج می شود، انبساط توسط یک فرایند ایزنتروپیک (یعنی یک فرایند انتروپی ثابت) تقریب زده می‌شود و گاز خروجی کم فشار از توربین در دمای بسیار پایین، منفی ۱۵۰ درجه سانتی‌گراد یا کمتر، بسته به فشار عملیاتی و خواص گاز بیرون می‌آید. در این فرایند، مایع‌سازی جزئی گاز انبساط یافته کاربرد زیادی ندارد.

توربواکسپندرها به عنوان عامل تولید تبرید در فرایندهای صنعتی مانند استخراج اتان و مایعات طبیعی گاز (NGLs) از گاز طبیعی، مایع‌سازی گازها (مانند اکسیژن، نیتروژن، هلیوم، آرگون و کریپتون) و سایر فرایندهای کم دما استفاده می‌شود. همچنین از توربواکسپندرها در ایستگاههای تقلیل فشار گاز برای تولید برق استفاده می‌شود. توربواکسپندرهای فعلی که در حال بهره‌برداری هستند دارای محدوده توان از ۷۵۰ وات تا ۷.۵ مگاوات (۱ اسب‌بخار تا ۱۰۰۰۰ اسب‌بخار) هستند.

امروز به فناوری توربینهای گازی تکنولوژی مادر گفته می‌شود و کشوری که بتواند توربینهای گازی را طراحی کرده و بسازد، هر چیز دیگری را هم می‌تواند تولید کند. توربین گاز، (Gas Turbine)، یک ماشین دوار است که براساس 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 محترق‌ کردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است.
بخشی از انرژی مکانیکی تولید شده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است ژنراتور برق 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).

کاربرد روز افزون توربینهای گازی در صنایع مختلف، به خصوص در صنایع نفت و الکترونیک، از قبیل به حرکت در آوردن پمپهای بزرگ در داخل خطوط لوله نفت و گاز ، تامین انرژی مورد نیاز کارخانه‌ها و مناطق خاص جدا از شبکه بسیار چشمگیر و قابل توجه است. همچنین در صنعت تولید نیروی برق شبکه‌های سراسری، با عنوان واحدهایی قادرند سریع در مدار قرار گیرند بسیار مورد توجه هستند. از زمان تولد توربینهای گازی امروزی در مقایسه با سایر تجهیزات تولید قدرت، زمان زیادی نمی گذرد . با این وجود امروزه این تجهیزات به عنوان سامانه‌های مهمی در امر تولید قدرت مکانیکی مطرح هستند. امروزه به فناوری توربینهای گازی تکنولوژی مادر گفته می‌شود و کشوری که بتواند توربینهای گازی را طراحی کرده و بسازد هر چیز دیگری را هم می تواند تولید کند. همان طور که بیان شد از این تجهیزات در نیروگاهها برای تولید برق ( معمولا برای جبران بارپیک) موتورهای جلوبرنده (هواپیما، کشتیها و حتی خودروها)، در صنایع نفت و گاز برای به حرکت درآوردن پمپها و کمپرسورها در خطوط انتقال فرآورده‌ها و… استفاده می‌شود که امروزه کاربرد توربینهای گازی در حال گسترش است.

مبنای کارکرد

چرخهٔ برایتون، اساس کارکرد توربینهای گاز

مبنای کار توربینهای گاز از نظر ترمودینامیکی، بر اساس چرخهٔ برایتون است که در آن، هوا به صورت 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 و توربولانس باعث می‌شوند که :
1.فشرده‌سازی هوا در کمپرسور به صورت بی‌دررو نباشد. این موجب می‌شود که برای دست‌یافتن به یک نسبت فشار معین، دمای خروجی کمپرسور بیشتر از حالت ایده‌آل باشد.

2.انبساط هوا 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 سبب 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، سبب کاهش نسبت فشار موجود در توربین برای تولید کار می‌شوند.
با افزایش دمای هوای ورودی به توربین، بهره وری توربینهای گاز افزایش می‌یابد. بنابراین، بهتر است که این دما هرچه 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، (Hot Sections)، گفته می‌شود، از مواد مقاوم به دماهای زیاد مانند سوپرآلیاژها استفاده می‌شود. همچنین این قسمتها با استفاده از فناوریهای پیچیده‌ای، خنک‌کاری می‌شوند.
انواع توربین گاز
1- توربینهای گاز صنعتی برای تولید توان الکتریکی

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 الکتریکی تبدیل می‌شود. این نوع توربین گاز، می‌تواند به صورت سیکل ساده (Single Cycle) و یا سیکل ترکیبی (Combined Cycle) باشد. در حالت سیکل ساده، گازهای خروجی از اگزوز توربین که می‌توانند تا ۶۰۰ درجه سانتیگراد 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 صورت تولید همزمان برق و گرما (Cogeneration) استفاده شوند که در این ترکیب، گاز خروجی از آنها برای تولید آب گرم و یا هوای گرم ساختمانها و کارخانجات استفاده می‌شود. توربین گاز سری H شرکت جنرال الکتریک، این توربین 480 مگاواتی در چیدمان سیکل ترکیبی، بازده حرارتی 60 درصد دارد.

عمده سازندگان این نوع مولدهای گازی خانواده جنرال الکتریک و خانواده و ستینگ هاوس هستند که هرکدام چند سازنده عمده دارند.

2- 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 (برای فشرده‌کردن یک مادهٔ گازی) یا پمپ (جهت بالابردن فشار یک مایع) می‌شود.
3- موتورهای جت

دسته سوم از توربین گازها، توربینهای نوع جتی هستند که به طور عمده در صنایع هوایی کاربرد دارند و بعضی نیز با اعمال تغییرات جزیی ، به صورت توربین ژنراتور به کار می روند. عمده مشخصه این نوع مولدها در اتاقهای احتراق آنها هستند که از آلیاژهای خاصی ساخته می‌شوند، ضمن این‌که نازل سوخت آنها نیز از نوع مرکب است.
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.

مزایا و معایب توربینهای گازی
مزایا :

1. توربین گازی نسبت به وزن آن توان زیادی تحویل می‌دهد.
2. موتورهای توربین گازی کوچکتر از توربینهای دیگر هستند.

3. عرضه فراوان گاز طبیعی به عنوان سوخت.
4. امکان بکارگیری توربین گازی با راندمان حرارتی بالا.

5. قابلیت و کارایی بالا.
6. امکان تجهیز توربینهای گازی به محفظه احتراق با سیستم مخصوص تقلیل اکسید نیتروژن که به این ترتیب می‌توان تجهیزات سیکل ترکیبی با بازدهی حرارتی بیش از50 درصد ایجاد کرد  این سیستم کمترین آلودگی را از نظر تولید گازهای سمی خروجی از دودکش نیروگاه ایجاد می‌کند.

7. نیاز به سرمایه‌گذاری اولیه اندک.
8. قابلیت حمل و نصب تجهیزات توربین گازی در کوتاه ترین زمان.

9. نیاز نداشتن به آب فراوان.
10. مهمتر از همه تفاوتی که نیروگاههای گازی با سایر نیروگاهها دارند، امکان تبدیل آنها به سیکل ترکیبی است که ترکیبی از یک یا چند واحد توربین گازی که در کنار تأسیسات بویلر نصب می‌شود، با یک توربین بخار است که بدین ترتیب نیروگاه سیکل ترکیبی در حال حاضر تجسم عینی تأسیسات تولید برق است که بالاترین راندمان را در استفاده از انرژی گرمایی دارد . ( رکورد 60 درصد هم بدست آمده است )

معایب :
گران بودن این توربینها نسبت به انواع مشابه.

راندمان یا بازدهی واحدهای گازی به خاطر دفع مقدار زیادی انرژی، به صورت گرما از اگزوز، ( برای یک واحد گازی با قدرت 25 مگاوات دمای خروجی اگزوز بیش از 500 درجه سانتیگراد است) و تشعشع مقداری گرما از جدار اتاق احتراق، پایین تر است. (حداکثر تا حدود 27 درصد برای سیکل ساده). در سالهای اخیر توربینهایی با قدرت بالا و راندمان 40 درصد ساخته شده است.

چون در واحدهای گازی، معمولاً از گاز طبیعی یا سوختهای سبک استفاده می‌کنند، بنابراین مخارج جاری آنها بالاست (به علت گرانی این‌گونه سوختها)، با این حال میزان آلودگی زیست محیطی نسبت به سایر نیروگاههای حرارتی دیگر با قدرت مشابه کمتر است.
اجزای توربینهای گازی

توربینهای گازی از نظر کاربردی به دو گروه صنعتی و هوایی تقسیم می‌شوند که نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردی مورد استفاده قرار می‌گیرند، به طور کلی کلیه توربینهای گازی از سه قسمت کمپرسور، محفظه احتراق و توربین تشکیل می‌شوند که بنا به کاربرد قسمتهای دیگری نیز برای افزایش راندمان و کارآیی به آنها اضافه می‌شود. به عنوان مثال در برخی از موتورهای هواپیماها قبل از کمپرسور از دیفیوزر و بعد از توربین از نازل استفاده می‌شود.
توربینهای گازی که در صنعت برق مورد استفاده قرار می گیرند دارای ظرفیتهای متفاوتی هستند.

میکرو توربین گازی  micro-gas turbine

داشتن یک سیستم تولید انرژی قابل اعتماد، کم هزینه و همیشه در دسترس، استفاده از توربینهای گازی کوچک را به عنوان کاندیدای مهمی معرفی کرده است. میکرو توربینها در واقع توربینهای گازی کوچک هستند که برای تولید الکتریسیته در گستره‌ی 25 تا 1000 کیلووات بکار گرفته می‌شوند.
میکرو توربینها معمولا دارای یک مبدل حرارتی برای بازیافت انرژی از گاز داغ خروجی برای پیش گرم کردن هوای ورودی به کمپرسور هستند، به این مبدل رکاپوریتور نیز اطلاق می‌شود. معمولا میکرو توربینها دارای یک کمپرسور هوای گریز از مرکز یا شعایی هستند که هوای فشرده پیش گرم شده را با سوخت مخلوط کرده و در اتاقک احتراق می‌سوزاند، گاز داغ حاصل سپس در یک یا دو بخش توربینی منبسط شده که در نتیجه تولید قدرت دورانی می کند.

این قدرت دورانی  سپس برای به حرکت در آوردن کمپرسور و ژنراتور تولید انرژی الکتریکی به کار گرفته می شود.

کاربرد میکرو توربینها در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی

یکی از محلهای مناسب برای استفاده از میکرو توربینها در صنعت نفت، چاهها و سکوهای نفتی و گازی است. در این محلها برای راه‌اندازی پمپهای مکش نفت و گاز از چاه و همچنین راه‌اندازی کمپروسورهای موجود در خط لوله انتقال به انرژی الکتریکی نیاز است.
میکرو توربینها می‌توانند به طور مستقیم گاز خیس بدست آمده از چاه را بسوزانند (برای انجام این کار تنها به کاهنده فشار نیاز است) بدین ترتیب هم سبب صرفه‌جویی زیادی در مصرف سوخت شده و هم سبب کاهش آلودگی محیط زیست می‌شوند.

مزیت عمده دیگر میکرو توربینها عمر کاری بالای آنهاست. عمر کاری میکرو توربینها تقریبا 8 هزار ساعت کاری است، بنابراین در سال اول نیاز به هیچ گونه تعمیر ندارد. پس از سال اول در اولین عملیات سرویس و نگهداری تنها باید فیلترهای هوا و سوخت آنها عوض شود که فقط 15 دقیقه به طول می‌انجامد، بدین ترتیب داشتن تنها یک قطعه متحرک را به منحنی قابل اطمینان برای تولید انرژی تبدیل کرده است که نیاز به رسیدگی و سرویس بسیار کمی دارند.

امروزه در روی بسیاری از سکو های نفتی برای تولید انرژی تز موتورهای دیزلی استفاده می‌شود بنابراین سوخت دیزل مورد نیاز باید به وسیله‌ی مخازن و یا هلی‌کوپتر به محل سکو حمل شود. علاوه بر مشکلات و هزینه بالای انتقال سوخت به سکو احتمال جاری شدن سوخت و آتش گرفتن سکو نیز وجود دارد.

شاید بتوان گفت که استفاده از توربینهای گازی بر روی سکوها به جای موتورهای دیزلی راه حل این مشکل است. اما باید به یک نکته توجه کرد و آن این‌که توربین‌های گازی نمی‌توانند گاز خیس بدست آمده در سکو را بسوزانند، بنابراین زمان بسیار زیادی برای پالایش و فرآوری گاز موجود برای سوزاندن در توربین گاز احتیاج است، از طرف دیگر هزینه‌های تعمیر و نگهداری توربینهای گازی در مقایسه با میکرو توربین‌ها بسیار بالاتر و زمان انجام این تعمیرات نیز بسیار طولانی‌تر است و بایستی طی دوره‌های منظم در طول سال مورد بازدید و بازنگری قرار گیرد، بدین ترتیب میکرو توربینها با قابلیت سوزاندن مستقیم گاز خیس (غالبا یکساله) و هزینه‌های تعمیر و نگهداری پایین دارای مزیتهای بیشتری هستند.

منبع: شانا و ویکی پدیا

توضيحات: داشتن پيشينه فنی، تجربی و اطلاعات پايه در رشته های فنی و مهندسی مکانيک ،احتراق ،شيمی- فرآيند و همچنين حداقل شناخت با اصول بهره برداری، تعميرات- نگهداری، مبانی ترموديناميک و پديده های انتقال حرارت و مومنتم (سيالات) مورد نياز است.