پایان نامه کلیات و اجزاء توربین گاز

فصل اول

کلیات و اجزاء توربین گاز

1-1- توربین گاز:

توربین گاز از لحاظ مراحل کار و نحوه   عملکرد؛ شباهت زیادی با موتور های احتراق داخلی دارد:

اولا: چهار مرحله مکش؛ تراکم؛ احتراق و انبساط (قدرت) و تخلیه در توربینهای  گاز صورت می‌گیرد منتهی در موتورهای احتراق داخلی؛ این مراحل؛ در هر یک از سیلندرها ولی به ترتیب انجام می‌شود؛ در حالیکه در توربین‌های گاز؛ در  یک از مراحل فوق الذکر در قسمت خاصی از واحد گازی در توربین‌های برای همان منظور در نظر گرفته شده است؛ صورت می‌گیرد. مثلا: تراکم همواره در یک قسمت و احتراق همواره در یک قسمت دیگر در حال انجام است.

ثانیأ: در توربین‌های گاز نیز؛ این انرژی شیمیائی نهفته در سوخت های فسیلی است که نهایتأ بصورت انرژی مکانیکی (گشتاور) ظاهر می گردد.

و ثالثأ: در توربین‌های گاز نیز سیال عاملی که باعث چرخش محور می گردد ؛ گاز داغ (هوای فشرده محترق ) می باشد؛ و همین وجه تسمیه توربین‌های گازی می‌باشد.

مطالب فوق؛ با توضیح اجزاء توربین گاز؛ و ترتیب انجام کار در این نوع واحد تولید انرژی مکانیکی روشنتر خواهد شد.

 اجزاء توربین گاز عبارتند از:

1-1-1 کمپرسور

1-1-2 اتاق احتراق

1-1-3 توربین

ترتیب قرار گرفتن اجزاء فوق ؛ در رابطه با یکدیگر در شکل زیر بوضوح پیدا است :

(تصاویر در فایل اصلی قابل موجود است )

از اجزاء فوق کمپرسور؛ همواره وظیفه مکش و متراکم کردن هوا را بعهده دارد. هوای متراکم به اتاق (اتاقهای) احتراق ؛ هدایت شده و در اتاق احتراق با پاشیده شدن سو خت و ایجاد جرقه (البته ایجاد جرقه تنها در ابتدای احتراق لازم است و پس از برقراری شعله ؛ به علت بالا بودن در اتاق احتراق ؛ شعله حفظ می گردد)؛ محترق می گردد. گاز داغ حاصل از احتراق هوای متراکم در اتاق احتراق؛ روی پرده های توربین هدایت می شود و با به گردش در آوردن توربین؛ انرژی مکانیکی لازم برای چرخاندن بار متصل به توربین را تامین می کند. ما حصل احتراق ؛ پس دادن انرژی خود به خود به توربین؛ از طریق اگزوز به آتمسفر تخلیه می‌گردد. با مقایسه ترتیب کار در توربین گاز با ترتیب کار در موتوری احتراق داخلی ؛ مشاهده می شود که توربیت های گاز از نظر اساس کار ؛ چیز جدیدی نیستند و تنها از نظر ساختمان و نحوه عمل ؛ تفاوتهایی با موتورهای احتراق داخلی پیدا می کنند. در شکل )1-2) ؛ نمای کلی جانبی یک نوع توربین گاز؛ (AEG   ؛ ساخت آلمان؛ با قدرت 25 مگاوات ( برای آشنایی با ترتیب قرار گرفتن اجزاء مختلف ؛ در توربیثن های گاز ؛ نشان داده شده است .

(تصاویر در فایل اصلی قابل موجود است )

-1-1- کمپرسور:

کمپرسور استفاده شده در توربینهای گاز صنعتی (توربین های گاز که برای تولید برق بکار برده می شوند)؛ معمولأ از نوع جریان محوری می باشند؛ به این معنی که هوا در امتداد محور کمپرسور با رانده شدن بطرف جلو و کم شدن سطح مقطع فشرده می‌شود. این نوع کمپرسورها می‌توانند حجم هوای بسیار زیادی متراکم کنند. نیروی محرکه کمپرسور در واحدهای گازی؛ در ابتدای راه اندازی؛ توسط موتور راه نداز (دیزلی یا الکتریکی) و پس از خود کفا شدن توربین؛ توسط نیروی گشتاوری خود توربین تامین می شود. (زیرا توربین و کمپرسور هم محور هستند) و حدودا دو سوم از نیروی گشتاوری توربین صرف گرداندن کمپرسور و تنها آن صرف گردش بار وصل به محور توربین میشود.

علت اصلی استفاده از کمپرسور؛ در توربین های گاز ؛ تامین هوای فشرده برای سیستم احتراق می‌باشد؛ لکن یکسری انشعابهای فرعی نیز از بعضی مراحل کمپرسور گرفته می شود که معمولا فشار کمتری از خروجی کمپرسور دارند. موارد استفاده این انشعابها عبارتند از:

- کنترل شیرهای بخصوص بنام بلید والو که وظیفه تنظیم هوای کمپرسور در دور متغیر را بعهده دارند.

- آب‌بندی یا تاقانها (یاتاقانهای اصلی توربین گاز) و کنترل شیرهای هوایی (شیرهایی که توسط هوای فشرده کنترل می شوند).

- خنک کردن قسمت های مختلف توربین که در مسیر عبور گاز داغ هستند .

- اتمیزه کردن (پودر کردن ) سوخت مایع -  جهت بهتر مخلوط شدن آن با هوا در اتاق احتراق و در نتیجه احتراق بهتر.

کمپرسورهای جریان محوری از تعدادی پره های ثابت و متحرک تشکیل شده اند که به صورت مراحل پشت سر هم در طول محور قرار گرفته‌اند. (هر مرحله شامل یک چرخ پره ثابت و یک چرخ پره متحرک می باشد) تعداد مراحل کمپرسور به فشار خروجی تقاضا شده و حجم آن به دبی (حجم هوای عبوری در واحد زمان) تقاضا شده بستگی دارد. هوا در مسیر عبور خود از ورودی به خروجی کمپرسور؛ بین پره‌های ثابت و متحرک تبادل می‌شود تا به شرایط مطلوب به خروجی برسد. کار پره‌های ثابت؛ دادن زاویه صحیح به هوا و تبدیل سرعت به فشار می باشد؛ در حالیکه و وظیفه پره‌های متحرک دادن سرعت به هوا و راندن آن بطرف جلوی کمپرسور می باشد. کمپرسور؛ با یک مرحله پره‌های ثابت شروع می شود که در بعضی از توربین‌های گاز؛ زاویه این پره ها قابل تنظیم می‌باشد و در ابتدای راه اندازی که کمپرسور توان عبور دادن حجم هوای زیاد را ندارد؛ هوا توسط این پره ها ی قابل تنظیم ؛ تحت زاویه بسته به کمپرسور وارد می‌شود و پس از رسیدن به حدود دور نهایی گ زاویه پره های مزبئر باز می‌شود. در این صورت به پره های مزبور پره های هادی ورودی کمپرسور می‌گویند.

در دور ثابت؛ به علت راندن هوا به جلو توسط کمپرسور؛ طبق قانون سوم نیوتن (که هر عملی؛ عکس العملی دارد؛ مساوی و مختلف الجهت با آن)؛ یک نیرو به طرف عقب به محور کمپرسور وارد می‌گردد؛ برعکس در دور متغییر مثلا هنگام از کار اندازی واحد؛ بعلت کاهش ناگهانی حجم سیال و سرعت آن؛ نیرویی به طرف جلو به کمپرسور وارد می‌شود. این نیروها که در جهت محور هستند بنام نیروی تراست معروف می‌باشند و توسط یاتاقانهای تراست (که مخصوص تحمل نیروهای محوری هستند) خنثی می‌شوند .

در شکل (1-3)؛ مقطع طولی محور یک کمپرسور جریان محوری با پره‌های متحرک که روی آن سوار شده‌اند؛ نشان داده شده است. ( کمپرسور مزبور متعلق به واحد 85 مگاواتی میتسوبیشی بوده دارای 17 مرحله می‌باشد).

درشکل(1-4)نیزهمان محور کمپرسور؛ منتهی بدون پره و در حالیکه نحوه جازدن پره های متحرک روی محور؛ در درون شیارهای دیسکها؛ و محکم شدن آنها توسط یک فنر و یک پین (pin) بخوبی واضح است، نشان داده شده است.

در شکل(1-5)، پره‌های ثابت کمپرسور مذکور، که به صورت نیم چرخهایی هستند، نشان داده شده است.

-1-2- سیستم احتراق

اجزاء اصلی سیستم‌ احتراق عبارتند از:

(تصاویر در فایل اصلی قابل موجود است )

1 محفظه یا محفظه‌های احتراق (بعضی واحدهای گازی، یک، برخی دو و برخی دیگر تعداد بیشتری محفظه احتراق دارند)

2 نازل سوخت (سوخت پاش)

3 جرقه زن

4 شعله بین

5 لوله‌های مرتبطه شعله

6 قطعه انتقال دهنده گاز داغ

1-1-2-1- محفظه احتراق:

هواپس از خارج شدن از کمپرسور؛ وارد محفظه یا محفظه‌های احتراق می‌گردد. در شکل (1-7)؛ یک محفظه احتراق که متعلق به واحد 85 مگاواتی میتسوبیشی (با 18 اتاق احتراق) می‌باشد؛ نشان داده شده است.

همانطور که در شکل (1-6)؛ نشان داده شده است؛ محفظه احتراق به دو ناحیه تقسیم می‌شود: یکی ناحیه احتراق و دیگر ناحیه ترقیق. در ناحیه احتراق همانگونه که مشخص است؛ سوخت و هوا با هم مخلوط شده و عمل احتراق صورت می‌گیرد. در این ناحیه، هر هوایی که وارد محفظه احتراق می‌شود، هوای احتراق است و در فعل و انفعال احتراق شرکت می‌کند. در این ناحیه، مقداری هوا از طریق شعله پخش کن که در پشت نازل سوخت قرار دارد، وارد محفظه می‌گردد (که وظیفه آن ایجاد حالت دورانی و گردابهای احتراق می‌باشد که راندمان احتراق را افزایش می‌دهد)، به مقداری هوا نیز از طریق سوراخهای ریز دیواره محفظه و همچنین مقداری هوا از طریق سوراخهای درشتی که در این ناحیه قرار گرفته‌اند، وارد محفظه احتراق می‌گردد.

در ناحیه ترقیق، محصولات احتراق ناحیه اول، که همان گازهای داغ می‌باشد، توسط هوای اضافی، رقیقتر شده و دمای آن پایین آورده می‌شود. در اینجا مقداری هوا از طریق سوراخهای ریز دیواره محفظه و مقداری نیز از راه سوارخهای درشت که در این ناحیه قرار دارند، وارد محفظه می‌گردند.

علت لزوم ترقیق هوا، بالا بودن دمای گاز حاصل از احتراق است (برای یک توربین با قدرت 25Mw، حدود 1200 درجه سانتیگراد) که هدایت این گاز با دمای بالا روی پره‌های توربین می‌تواند باعث صدمه زدن به پره‌ها و سایر قطعاتی که در معرض گاز داغ قرار دارند، بشود دمای گازحاصل از احتراق، پس از ترقیق، در توربینی به قدرت 25Mw، به حدود 940 درجه سانتیگراد باید توجه داشت که محفظه احتراق داخل یک محفظه دیگر قرار می‌گیرد و هوای خروجی کمپرسور در خلاف جهت حرکت گاز حاصل از احتراق (که از طرف نازل به طرف توربین می‌باشد) ، وارد فاصله بین محفظه احتراق و محفظه رویی می‌شود تا اولا بصورت عایقی بین اتاق احتراق و پوسته خارجی عمل کرده و ثانیا بدنه محفظه احتراق و قطعه انتقال دهنده گاز داغ را خنک کند و ثالثا هوای لازم جهت احتراق و ترقیق را فراهم آورد.

(تصاویر در فایل اصلی قابل موجود است )

1-1-2-2- نازل سوخت:

نازل سوخت یا سوخت‌پاش، که وظیفه پاشیدن سوخت در اتاق احتراق را دارد، ممکن است مخصوص یک سوخت یا دو سوخت مختلف (دوگانه) طراحی شده باشد. در صورت استفاده از دو سوخت مختلف به طور همزمان، نازل دوگانه قادر است درصدهای تعیین شده از دو سوخت را با هم در اتاق احتراق بپاشد.

درهمین جا خوب است اشاره‌ای هم به اثر نوع سوخت مصرفی واحد گازی روی عمر قطعات واقع در مسیر گاز داغ داشته باشیم. در واقع هر قدر سوخت سنگین‌تر باشد، به علت اثر خوردگی شیمیایی که روی قطعات مسیر گاز داغ دارد، بیشتر از عمر قطعات می‌کاهد مثلا اگر دو واحد مشابه که یکی با سوخت گازوئیل و دیگری با سوخت گاز کار می‌کنند را در نظر بگیریم، عمر قطعات واحد اول قطعات از عمر قطعات واحد دوم کمتر خواهد بود، و اگر واحد سومی را در نظر بگیریم که با سوخت مخلوط (گاز و گازوئیل) کار می‌کند، عمر قطعات آن از هر دو واحد قبلی کمتر خواهد بود.

سوخت مایع (معمولا گازوئیل) به علت غلظت بالاتر از گاز، برای آنکه به خوبی با هوا، در اتاق احتراق مخلوط شود و احتراق خوبی داشته باشیم، باید در موقع ورود به نازل فشار بالایی داشته باشد یا اینکه به همراه آن هوای اتمیزه کننده نیز داشته باشیم را در پودر کردن سوخت، اختلاط خوب آن با هوا و در نتیجه داشتن احتراق خوب کمک کند. در ضمن، معمولا در زمانی که واحد با سوخت گاز کار می‌کند، ممکن است به مرور زمان، به علت ناخالصیهای موجود در سوخت، ذرات حاصل از احتراق، دهانه نازل گازوئیل را که تنگتر است، مسدود کند و در تبدیل از سوخت گاز به گازوئیل دچار اشکال شویم. برای همین منظور، در هنگام استفاده از سوخت گاز تنها معمولا با عبور گاز از مسیر سوخت گازوئیل در نازل، مجرای مربوطه را بازنگه می‌دارند. به گازی که این مسئولیت را به عهده دارد، گاز جاروب کننده می‌گویند.

(تصاویر در فایل اصلی قابل موجود است )

1-1-2-3- جرقه زن:

وظیفه جرقه زن یا جرقه زنها این است که در زمان مناسب که مربوط می‌شود به مراحل ترتیبی راه‌اندازی واحد گازی، (معمولا در حدود 20% دور نامی، یعنی زمانی که با عبور هوا با فشار مناسب، مسیر گازداغ از اجرام و مواد قابل احتراق جاروب شده است)، در اتاقهای احتراق جرقه ایجاد کنند تا احتراق آغاز گردد. ساختمان و طرز کار جرقه زن، بسیار شبیه به شمع موتور اتومبیل می‌باشد، (با دادن ولتاژ بالایی چندین کیلوولت بین دو الکترود جرقه زن، جرقه ایجاد می‌شود). معمولا برای اطمینان بالاتر، از دو جرقه زن در مجموعه اتاقهای احتراق استفاده می‌شود. معمولا ساختمان جرقه زنها طوری است که با بوجود آمدن شعله و بالا رفتن فشار در داخل اتاق احتراق، الکترودها جرقه زن بیرون رانده می‌شوند تا از معرض شعله دور باشد.

1-1-2-4- شعله بین :

وظیفه شعله بین (که معمولا  تعداد آن در مجموعه اتاقهای احتراق دو شعله بین می‌باشد)، آن است که وجود یا عدم وجود شعله را در اتاق یا اتاقهای احتراق به قسمت کنترل واحد گازی و نیز به اپراتور واحد، گزارش کند. در واقع هنگام راه‌اندازی در حدود 20%‌ دور نامی که جرقه زده می‌شود در صورت برقراری اجازه انجام مراحل بعد داده می‌شود و در غیر اینصورت، چند بار دیگر عمل جرقه زدن تکرار می‌گردد و در صورت عدم برقراری شعله، واحد گازی بطور اتوماتیک خاموش می‌گردد، یعنی سوخت قطع می‌شود (و اصطلاحا واحد تریپ داده می‌شود). و درهنگام کار عادی واحد نیز، در صورتیکه هر دو شعله بین گزارش دهنده که شعله محو شده است، واحد تریپ داده می‌شود. تریپ واحد در هر دو صورت فوق بخاطر جلوگیری از جمع‌ دن سوخت در اتاقهای احتراق و وارد شدن آن به مسیر گاز داغ و خطرات ناشی از آتش‌سوزی می‌باشد (در هنگام کار عادی واحد، بعلت داغ بودن قطعات مسیر گازداغ، در صورتیکه سوخت در اتاق های احتراق جمع شود و وارد توربین گردد، احتمال آتش سوزی بالاست).

1-1-2- 5 - لوله های مرتبطه شعله:

وظیفه لوله‌های مرتبطه شعله، که بین اتاقهای احتراق مجاور قرار می‌گیرد، البته در واحدهای گازی که از چند اتاق احتراق استفاده می‌کند، انتقال شعله از اتاقهای احتراق که در آنها جرقه زده می‌شود به اتاقهای احتراق دیگر می‌باشد. در شکل زیر، ترتیب قرار گرفتن اتاقهای احتراق واحد گازی AEG (25 مگاواتی)، دور محور کمپرسور توربین، و نیز جرقه‌زنها، شعله بینها، لوله‌های مرتبطه شعله، پوسته داخلی و خارجی و اتاقهای احتراق و شیراستارت ناموفق (که زیر پایین ترین اتاق احتراق نصب شده و زمانیکه در برقراری شعله در اتاقهای احتراق در هنگام راه‌اندازی واحد توفیق حاصل نمی‌شود، سوخت جمع شده در اتاقهای احتراق را تخلیه می‌نماید) نشان داده شده است.

(تصاویر در فایل اصلی قابل موجود است )