نیروگاه توربین گازی چگونه کار می‌کند؟

نیروگاه توربین گازی چگونه کار می‌کند؟

ترجمه و گردآوری: اصغر ناصری

توربین‌های گازی در بسیاری از نیروگاههای سوخت گازی امروزی نصب شده اند. با وجود پیچیدگی، تمام انواع این موتورهای حرارتی از سه بخش اصلی تشکیل شده‌اند:

- کمپرسور، که هوا را به درون موتور می‌کشد، آن را تحت فشار قرار داده و به داخل اتاق احتراق با سرعت چند صد کیلومتر در ساعت می‌راند.

- سیستم احتراق که بطور معمول حلقه‌ای از پاشنده‌های سوخت است که جریان ثابتی از سوخت رابه درون اتاقهای احتراق می‌پاشند که در آنجا به هوا مخلوط می‌شوند. این مخلوط در دمایی بالای 1000 درجه سلسیوس می‌سوزد. احتراق جریانی از گاز داغ و پرفشار تولید می‌کند که به داخل بخش توربین وارد شده و در آنجا انبساط می‌یابد.

- توربین یک آرایه پیچیده از پره‌های ثابت و دوار با مقطع ایرفول است. با عبور گازهای داغ از لابلای پره‌های توربین و انبساط آن، پره‌های دوار محور توربین را به گردش در می‌آورند. پره‌‌های توربین یک کارکرد دوگانه دارند: کمپرسور را به گردش در می‌آورند تا هوای تحت فشار بیشتری به داخل بخش احتراق وارد سازند؛ و یک مولد را می‌گردانند که تولید انرژی می‌نماید.

بخش های مختلف یک توربین گازی

طرح شماتیک یک نیروگاه توربین گازی

توربینهای گازی زمینی بر دو نوعند: 1) موتورهای با قاب سنگین و 2) موتورهای آیرودینامیکی (aeroderivative). موتورهای قاب سنگین نسبت تراکم پایین تری داشته (معمولا زیر 20) و اندازه نسبتا بزرگی دارند. در اینجا منظور از نسبت تراکم، نسبت فشار هوای تخلیه شده از کمپرسور به فشار هوای ورودی است. موتورهای آیرودینامیکی اقتباسی از موتورهای جت هستند و در نسبتهای تراکم بسیار بزرگ عمل می کنند (معمولا بیشتر از 30). این موتورها بسیار جمع و جورند و وقتی میزان برق کمی مورد نیاز باشد بکار می‌روند. یک توربین با قاب بزرگتر خروجی توان بیشتری دارد و میزان انتشار آلاینده ها از آنها نیز بالاست. این توربینها باید طوری طراحی شوند که میزان آلاینده هایی مانند گازهای اکسید نیتروژن از آنها کم باشد.

کلید اصلی نیل به بازدهی بالای نسبت سوخت مصرفی به توان در توربینها، دمای کاری است. دماهای بالاتر به معنی بازدهی بالاست که به نوبه خود، عملکرد اقتصادی تری را به دنبال دارد. گاز جریان یافته از درون یک نیروگاه توربینی می‌تواند دمایی در حد 1200 درجه سلسیوس داشته باشد لیکن برخی فلزات بکار رفته در توربین تنها تا دمای 900 درجه سلسیوس مقاومت می‌کنند. بنابراین از هوای ورودی توسط کمپرسور باید برای خنک کردن اجزای توربین استفاده کرد که بازدهی گرمایی نهایی را کاهش می‌دهند.

روش دیگری برای ارتقای بازدهی، نصب یک مولد بخار بازیابی دما (Heat Recovery Steam Generator) یا HRSG برای بازیافت انرژی گازهای خروجی از توربین است. این ماژول، گرمای اتلافی از سیستم تخلیه را جذب کرده و از آن برای پیش گرمایش هوای خروجی از کمپرسور قبل از اینکه وارد اتاق احتراق شود، استفاده می‌کند. این ماژول برای تولید بخار از گرمای گازهای خروجی نیز استفاده می‌کند بدین صورت که این گرما به بویلرهای حاوی آب هدایت می‌شود. بخار فشاربالای تولید شده توسط این بویلرها یک توربین بخار را می‌گردانند که از آن برق اضافی تولید می‌شود. به چنین نیروگاهی، نیروگاه سیکل ترکیبی گفته می‌شود.

یک توربین گازی ساده بازدهی حدود 25 تا 30 درصد دارد. در حالیکه نیروگاه سیکل ترکیبی می‌تواند به بازدهی بالای 60 درصد دست یابد. میزان انتشار آلاینده‌ها نیز بسیار کمتر خواهد بود.

طرح شماتیک یک نیروگاه سیکل ترکیبی