انواع توربین بخار کدام اند؟

وقتی نوبت به برق‌رسانی به صنایع می‌رسد، انتخاب فناوری می‌تواند کارایی عملیات را تعیین کند.

کسب‌وکارهای امروزی به راه‌حل‌های قدرتی نیاز دارند که قابل ‌اعتماد، کارآمد و سازگار با نیازهای منحصربه‌فرد آن‌ها باشد.

برای سال‌ها، توربین‌های بخار این نیازها را برآورده کرده‌اند و نقش مهمی در صنایع تولیدی برای استفاده محبوس از تولید برق و صادرات به شبکه‌های برق ایفا می‌کنند.

توربین بخار مکانیزم مکانیکی است که انرژی حرارتی را از بخار استخراج می‌کند و آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند.

درک انواع توربین بخار هنگام استفاده از این محصول بسیار مهم است.

تمامی توربین‌های بخار از اجزای یکسانی تشکیل شده‌اند؛ اما بر اساس چیدمان این اجزا، تغییراتی در توربین‌ها ایجاد می‌شود که منجر به تشکیل انواع مختلف می‌شود.

در این مقاله سعی داریم شما را با این انواع توربین بخار آشنا کنیم و به ویژگی‌ها و کاربرد هر کدام از انواع بپردازیم.

1# توربین بخار چیست؟

توربین بخار در طبقه‌بندی‌ها، به‌عنوان ماشین مکانیکی قرار می‌گیرد که انرژی حرارتی را از بخار جدا می‌کند و آن را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌نماید.

از آنجایی‌ که توربین حرکت چرخشی ایجاد می‌کند، برای عملکرد ژنراتورهای الکتریکی مناسب‌ترین است.

در انواع توربین بخار، دستگاه توسط بخار به حرکت در می‌آید و زمانی که جریان بخار از پره‌های توربین عبور می‌کند، بخار سرد و سپس منبسط می‌شود و در نتیجه تقریباً انرژی موجود در آن را تحویل می‌دهد و این روند مستمر است.

2# انواع توربین‌های بخار

توربین‌های بخار بسته به ساختار، فشار کاری، اندازه و بسیاری از عناصر دیگر ممکن است به دسته‌های مختلفی طبقه‌بندی شوند؛ اما دو نوع اصلی از توربین‌های بخار وجود دارد که به آنها توربین ضربه‌ای و واکنشی می‌گویند.

انواع دیگری از توربین‌های بخار وجود دارند که در واقع مشتقات این دو نوع اصلی هستند.

1-2# توربین حلزونی یا ضربه‌ای

در انواع توربین بخار حلرزونی یا به عبارت دیگر ضربه‌ای، بخار فوق گرم با سرعت بالایی از نازل‌های ثابت در محفظه پخش می‌شود.

هنگامی که بخار به پره‌ها برخورد می‌کند (گاهی اوقات سطل نامیده می‌شود)، باعث چرخش محور توربین می‌شود.

مراحل فشار بالا و فشار متوسط یک توربین بخار معمولاً توربین‌های ضربه‌ای هستند.

کل افت فشار بخار فقط در نازل‌های ثابت انجام می‌شود.

اگرچه تیغه‌های ضربه‌ای از نظر تئوری دارای افت فشار صفر در تیغه‌های متحرک هستند، ولی عملاً برای اینکه جریان در سراسر تیغه‌های متحرک انجام شود، باید یک افت فشار کوچک در سراسر تیغه‌های متحرک نیز وجود داشته باشد.

در توربین‌های حلزونی، بخار از طریق نازل، جایی که بیشتر انرژی پتانسیل فشار به انرژی جنبشی تبدیل می‌گردد، منبسط می‌شود.

بخار با سرعت بالا از نازل‌های ثابت با ضربه به تیغه‌ها جهت آن را تغییر می‌دهد که به نوبه خود نیرویی را اعمال می‌کند.

ضربه حاصل، تیغه‌ها را به جلو می‌راند و باعث چرخش روتور می‌شود.

ویژگی اصلی این توربین‌ها این است که افت فشار در هر مرحله می‌تواند بسیار زیاد باشد و امکان پره‌های بزرگ و تعداد مراحل کمتر را فراهم می‌کند.

به جز برای کاربردهای کم‌مصرف، پره‌های توربین در چند مرحله به‌صورت سری قرار می‌گیرند که به آن ترکیب می‌گویند که کارایی را در سرعت‌های پایین بسیار بهبود می‌بخشد.

توربین‌های ضربه‌ای معمولاً در نیروگاه‌های مقیاس کوچک جایی که آنها وسیله‌ای کارآمد و مقرون‌به‌صرفه برای تولید برق هستند، استفاده می‌شوند.

این توربین‌ها در کاربردهای مقیاس کوچک که نیاز به تولید برق قابل‌اعتماد و کارآمد دارند، نقش مهمی دارند.

مزایا و معایب این توربین‌ها در جدول زیر فهرست‌بندی شده است:

مزایا	معایب
تبدیل کارآمد بخار با سرعت بالا به انرژی مکانیکی اندازه جمع‌وجور مقرون‌به‌صرفه برای برنامه‌های کاربردی در مقیاس کوچک	توان خروجی محدود در مقایسه با توربین‌های بزرگ‌تر نیاز داشتن به منبع مطمئن بخار با سرعت بالا نامناسب برای تولید برق در مقیاس بزرگ

باوجود محدودیت‌هایشان، توربین‌های ضربه‌ای همچنان نقش مهمی در تولید برق در مقیاس کوچک بازی می‌کنند.

توانایی آن‌ها در مهار و تبدیل انرژی جت‌های بخار با سرعت بالا، آن‌ها را به گزینه‌ای ایده‌آل برای کاربردهایی تبدیل می‌کند که در آن فضا محدود است و منبع بخار ثابتی در دسترس است.

انواع توربین بخار ضربه‌ای می‌توانند به‌صورت زیر باشند:

• توربین تک‌مرحله‌ای: یک توربین ضربه‌ای تک‌مرحله‌ای از یک مجموعه واحد از نازل‌ها و پره‌های روتور تشکیل شده است.
  در درجه اول برای تولید برق در مقیاس کوچک و کاربردهای صنعتی استفاده می‌شود.
  سادگی طراحی و جمع‌وجور بودن آن را برای شرایطی که فضا محدود است مناسب می‌کند.
• توربین حلزونی چندمرحله‌ای: یک توربین ضربه‌ای چندمرحله‌ای از چند مرحله تشکیل شده است که هر کدام دارای مجموعه‌ای از نازل‌ها و پره‌های روتور هستند.
  انبساط بخار در چند مرحله اتفاق می‌افتد که منجر به افزایش راندمان و بهبود عملکرد می‌شود.
  توربین‌های ضربه‌ای چندمرحله‌ای معمولاً در نیروگاه‌های مقیاس بزرگ برای تولید برق استفاده می‌شوند.

2-2# توربین واکنشی

در این نوع توربین بخار، بخار از پره‌های ثابت استاتور از نازل‌های پره‌های روتور شکل دار عبور می‌کند و باعث واکنش و چرخش محور توربین می‌شود.

مرحله کم‌فشار یک توربین بخار معمولاً یک توربین از نوع واکنشی است.

این بخار که قبلاً در مراحل بالا و میانی توربین منبسط شده است، اکنون فشار و دمای پایینی دارد و به طور ایده‌آل برای یک توربین واکنشی مناسب است.

در توربین‌های واکنشی، بخار از طریق نازل ثابت منبسط می‌شود، جایی که انرژی پتانسیل فشار به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

بخار با سرعت بالا از نازل‌های ثابت به تیغه‌ها (نازل‌ها) ضربه می‌زند، جهت آنها را تغییر می‌دهد و تحت انبساط بیشتری قرار می‌گیرد.

تغییر جهت آن و شتاب بخار نیرویی را اعمال می‌کند.

ضربه حاصل، تیغه‌ها را به جلو می‌راند و باعث چرخش روتور می‌شود.

هیچ تغییر خالصی در سرعت بخار در سراسر مرحله وجود ندارد؛ اما با کاهش فشار و دما، منعکس‌کننده کار انجام شده در حرکت روتور است.

در این نوع از انواع توربین بخار، افت فشار در چند مرحله صورت می‌گیرد؛ زیرا افت فشار در یک مرحله، محدود است.

ویژگی اصلی این نوع توربین این است که بر خلاف توربین ضربه‌ای، افت فشار در هر مرحله کمتر است، بنابراین پره‌ها کوچک‌تر می‌شوند و تعداد مراحل افزایش می‌یابد.

از سوی دیگر، توربین‌های واکنشی معمولاً کارآمدتر هستند، یعنی «بازده توربین ایسنتروپیک» بالاتری دارند.

توربین واکنشی توسط سر چارلز پارسونز اختراع شد و به توربین پارسونز معروف است.

در مورد توربین‌های بخار، مانند توربین‌هایی که برای تولید برق استفاده می‌شوند، یک توربین واکنشی تقریباً به دو برابر تعداد ردیف‌های پره‌ای یک توربین ضربه‌ای، برای همان درجه تبدیل انرژی حرارتی نیاز دارد.

بازده کلی یک توربین واکنشی کمی بالاتر از توربین ضربه‌ای معادل برای همان تبدیل انرژی حرارتی است.

انواع توربین بخار واکنشی به‌صورت زیر است:

1) توربین واکنشی تک‌مرحله‌ای

یک توربین واکنشی تک‌مرحله‌ای از یک مجموعه واحد از پره‌های ثابت و متحرک تشکیل شده است.

هنگامی که بخار از میان تیغه‌ها عبور می‌کند، منبسط می‌شود و با تیغه‌های متحرک واکنشی نشان می‌دهد و باعث چرخش آنها می‌شود.

این توربین‌ها معمولاً در کاربردهایی استفاده می‌شوند که توان خروجی متوسطی مورد نیاز است.

2) توربین واکنشی چندمرحله‌ای

یک توربین واکنشی چندمرحله‌ای از چند مرحله تشکیل شده است که هر مرحله شامل یک سری پره‌های ثابت و متحرک است.

انبساط بخار به‌تدریج در این مراحل اتفاق می‌افتد و در نتیجه افزایش راندمان و توان خروجی بالاتری ایجاد می‌کند.

توربین‌های واکنشی چندمرحله‌ای معمولاً در نیروگاه‌های بزرگ برای تولید برق استفاده می‌شوند.

توربین‌های بخار مدرن اغلب از هر دو واکنش و ضربه در یک واحد استفاده می‌کنند که معمولاً درجه واکنش و ضربه را از ریشه تیغه تا حاشیه آن تغییر می‌دهند.

تیغه‌های روتور معمولاً مانند یک تیغه ضربه‌ای در محل پوسیدگی و مانند یک تیغه واکنش در نوک طراحی می‌شوند.

باید به‌خاطر داشته باشید که اگرچه تنها دو نوع توربین بخار وجود دارد، آرایش‌های مکانیکی متعددی از آنها وجود دارد که شامل توربین‌های بخار گرم مجدد، توربین‌های بخار ترکیبی متقاطع، توربین‌های تک‌پوششی، توربین‌های بخار پشت‌سرهم، توربین‌های بخار چگالشی و خروجی و محوری و شعاعی می‌شود.

3# انواع دیگر توربین‌های بخار

همانطور که قبلاً گفتیم، تنها دو نوع اصلی توربین وجود دارد؛ اما انواع دیگری از توربین‌های بخار وجود دارند که در واقع مشتقات آن دو توربین بخار اصلی با آرایش‌های مختلف هستند که روش جدیدی از کار را ایجاد می‌کنند.

در ادامه برخی از آنها را بررسی خواهیم کرد.

1-3# توربین‌های متراکم و غیرمتراکم

دو نوع اول از انواع توربین بخار که با آرایش جدید و با روش کار جدید دسته‌بندی می‌شوند، متراکم و غیرمتراکم هستند.

در دستگاه‌های متراکم، بخار در زیر فشار اتمسفر متراکم می‌شود تا حداکثر انرژی را از آن به دست آورد.

در توربین‌های غیرمتراکم، بخار با فشار اتمسفر بالاتر از توربین خارج می‌شود و سپس برای گرم کردن یا سایر فرایندهای مورد نیاز قبل از برگشت به‌عنوان آب به دیگ بخار استفاده می‌شود.

همچنین در این روش در مقایسه با سوخت مورد نیاز برای تبدیل آب به بخار که در واقع بخار اشباع شده است، سوخت اضافی نسبتاً کمی باید صرف شود تا فشار خروجی مولد بخار و دما افزایش یابد تا بخار فوق گرم تولید گردد؛ بنابراین توربین‌های غیرمتراکم زمانی که به مقادیر قابل‌توجهی گرمایش یا بخار فرایندی نیاز است، وسیله‌ای اقتصادی برای تولید برق هم‌زمان هستند.

در توربین‌های متراکم، مقادیر قابل‌توجهی آب خنک‌کننده برای انتقال گرمای آزاد شده در طول تراکم مورد نیاز است.

در حالی‌ که توربین‌های غیرمتراکم بخار را در فشار اتمسفر یا بالاتر از آن خارج می‌کنند، توربین‌های متراکم می‌توانند در فشارهای 90 تا 100 کیلو پاسکال زیر فشار اتمسفر متراکم شوند.

این اجازه می‌دهد تا انبساط بسیار بیشتر بخار و تغییر بزرگ‌تر در آنتالپی، در نتیجه خروجی کار بالاتر و راندمان بیشتر باشد.

تمام نیروگاه‌های ایستگاه مرکزی، که در آن راندمان مهم است، از این نوع توربین‌ها استفاده می‌کنند.

2-3# توربین‌های بخار با فشار برگشتی

یکی دیگر از انواع توربین بخار، توربین بخار با فشار معکوس است که مناسب‌ترین تجهیزات برای کاربردهای مکانیکی محرک مانند درایورهای کمپرسور یا پمپ است.

اصطلاح فشار برگشتی به توربین‌هایی اطلاق می‌شود که بخار را در فشارهای بالاتر از اتمسفر تخلیه می‌کنند.

فشار تخلیه معمولاً با استفاده خاص از بخار در یک کارخانه ایجاد می‌شود.

بین توان مکانیکی خروجی یک توربین بخار چگالشی و ترکیب قدرت و بخار یک توربین بخار با فشار معکوس، اساساً هر نسبتی از توان به گرما خروجی را می‌توان تأمین کرد.

توربین‌های بخار با فشار برگشتی می‌توانند فشارهای برگشتی متفاوتی داشته باشند که باعث افزایش بیشتر تغییرپذیری نسبت توان به گرما می‌شود.

در فرایندهای صنعتی، توربین‌های فشار برگشتی برای پاسخگویی به تقاضای الکتریسیته به کار می‌روند و در عین‌ حال از بخار اگزوز برای نیازهای گرمایشی استفاده می‌کنند.

این عملیات دو‌منظوره به طور قابل‌توجهی بازده انرژی کلی تأسیسات صنعتی را بهبود می‌بخشند.

علاوه بر این، این توربین‌ها در سیستم‌های گرمایش منطقه‌ای، جایی که آنها به طور مؤثر هم نیروی الکتریکی و هم بخار فرایندی را برای تأمین گرما به ساختمان‌های مسکونی، تجاری و سازمانی تولید می‌کنند، کاربرد دارند. تطبیق‌پذیری توربین‌های فشار برگشتی آنها را در تنظیمات مختلف ارزشمند می‌کند.

3-3# توربین بخار استخراج

چهارمین نوع توربین بخار با تغییر در اصل کار، توربین‌های بخار استخراجی هستند.

یک توربین استخراج دارای یک یا چند دهانه در محفظه خود برای استخراج بخشی از بخار با فشار متوسط است.

بخار استخراج شده ممکن است برای اهداف فرایند استفاده شود.

فشار استخراج بخار بسته به طراحی توربین بخار ممکن است به طور خودکار تنظیم شود یا نباشد.

این توربین‌ها معمولاً در صنایعی مانند خمیر و کاغذ، تولید شکر، فراوری شیمیایی و گرمایش منطقه‌ای استفاده می‌شوند.

آنها استخراج کارآمد بخار در فشارهای متوسط را برای برآوردن نیازهای مختلف گرمایش و فرایند این صنایع امکان‌پذیر می‌کنند.

توانایی توربین استخراج در ارائه بخار فشار متوسط، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای گرمایش آب تغذیه تبدیل می‌کند.

این فرایند بازده حرارتی کلی را بهبود می‌بخشد، مصرف انرژی و هزینه‌ها را کاهش می‌دهد.

در صنعت قند، از انواع توربین بخار استخراجی برای تولید نیرو در حین استخراج بخار برای گرمایش و فرایندهای مربوط به تولید شکر استفاده می‌شود.

این توربین‌ها نقش حیاتی در افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش اتکا به منابع انرژی خارجی دارند.

کارخانه‌های فراوری شیمیایی همچنین از توربین‌های استخراج سود می‌برند؛ زیرا بخار را در فشارهای متوسط مورد نیاز برای واکنش‌های شیمیایی مختلف و فرایندهای انتقال حرارت فراهم می‌کنند.

تطبیق‌پذیری این توربین‌ها آنها را برای بهینه‌سازی مصرف انرژی و حفظ راندمان عملیاتی کارخانه‌های شیمیایی ضروری می‌کند.

سیستم‌های گرمایش منطقه‌ای که گرما را به چندین ساختمان یا اجتماع می‌رسانند، برای استخراج بخار کارآمد در فشارهای متوسط، تا حد زیادی به توربین‌های استخراج متکی هستند.

این امکان تأمین گرمای مقرون‌به‌صرفه و سازگار با محیط‌ زیست را برای مقاصد مسکونی، تجاری و صنعتی فراهم می‌کند.

4-3# توربین‌های بخار API

توربین‌های بخار API عمدتاً در کاربردهای صنعتی تخصصی مانند پمپ‌های محرک، کمپرسورها و ژنراتورها استفاده می‌شوند.

آنها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که استانداردهای سخت‌گیرانه صنعت نفت و گاز را برآورده کنند.

این نوع از انواع توربین بخار، اغلب در پالایشگاه‌ها، پتروشیمی‌ها و سایر صنایع انرژی بر استفاده می‌شوند.

توربین‌های بخار API دو نوع عمده دارند:

• توربین‌های تک‌مرحله‌ای API
• توربین‌های چندمرحله‌ای API

در نیروگاه‌های نفت و گاز، جایی که ایمنی و کارایی بسیار مهم است، توربین‌های بخار API تولید برق قابل‌اعتماد و پایداری عملیاتی را تضمین می‌کنند.

این توربین‌های بخار برای مطابقت با استانداردهای مؤسسه نفت آمریکا (API) طراحی شده‌اند که بر عملکرد، ایمنی و قابلیت اطمینان تمرکز دارد.

آنها به طور گسترده‌ای در کاربردهایی مانند راندن پمپ‌های صنعتی و کمپرسورها استفاده می‌شوند که برای عملیات روزانه پالایشگاه‌ها و کارخانه‌های پتروشیمی ضروری هستند.

5-3# توربین گرمایش مجدد

در نیروگاه‌های بزرگ، معمولاً از توربین‌های گرمایش مجدد برای افزایش کارایی چرخه بخار استفاده می‌شود.

این توربین‌ها با به حداکثر رساندن استفاده از انرژی بخار نقش مهمی در بهبود عملکرد کلی نیروگاه ایفا می‌کنند.

عملکرد یک توربین گرمایش مجدد شامل دو بخش اصلی است: بخش فشار بالا و بخش فشار پایین.

در بخش فشار بالا، بخار در ابتدا برای تولید انرژی مکانیکی منبسط می‌شود.

سپس بخار قبل از ورود به بخش کم‌فشار دوباره گرم می‌شود، جایی که تحت انبساط بیشتر قرار می‌گیرد.

فرایند گرم‌کردن مجدد بخار چندین مزیت دارد. این کار به حفظ سطح انرژی بخار در طول انبساط کمک می‌کند و در نتیجه بازده کلی را بهبود می‌بخشد.

با گرم‌کردن مجدد بخار، دما و فشار آن قبل از ورود به بخش کم‌فشار بالا می‌رود و امکان استخراج کار اضافی را فراهم می‌کند.

این اتفاق منجر به استفاده بهتر از انرژی بخار و افزایش خروجی توربین می‌شود.

انواع توربین بخار گرمایش مجدد برای نیروگاه‌های بزرگ که در آن به حداکثر رساندن راندمان اولویت دارد، مناسب هستند.

این توربین‌ها به بهبود تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی کمک می‌کنند و در نتیجه عملکرد و خروجی نیروگاه را افزایش می‌دهند.

6-3# توربین بخار افقی

توربین بخار افقی از یک قاب ثابت تشکیل شده است که سیلندر بخار دو اثره به آن متصل است.

سیلندر موتور بخار از طریق یک اسلاید غیر عادی و گرد کنترل می‌شود.

این موتور بخار جمع و جور و در عین حال قدرتمند برای کار با دیگ بخار ایده آل است؛ اما می‌تواند با هوای فشرده نیز تغذیه شود.

اگر کیت با دقت و بدون بار ساخته شود، دستگاه تنها با 0.1 بار شروع به کار می‌کند.

انواع توربین بخار افقی همچنین مجهز به قرقره بند ناف با دو قطر است، به طوری که برای رانندگی مدل‌های محرک مانند اره‌های مدور، مته ها یا آسیاب چکشی نیز بسیار مناسب است.

7-3# توربین بخار عمودی

در یک توربین بخار عمودی، سیلندر در حالت عمودی قرار دارد و پیستون ها به سمت بالا و پایین حرکت می‌کنند.

در این نوع توربین، بخار پرفشار از طریق نازل‌ها وارد می‌شود و با پره‌های روتور برخورد می‌کند.

در اثر این برخورد و ایجاد گشتاور روتور به چرخش درمی‌آید.

انرژی مکانیکی تولید شده از این چرخش می‌تواند برای تولید برق در نیروگاه‌ها یا به حرکت درآوردن سایر تجهیزات به کار رود.

نتیجه‌گیری

توربین‌های بخار نقش حیاتی در تولید برق و فرایندهای صنعتی ایفا می‌کنند و انرژی مکانیکی حاصل از انرژی حرارتی بخار را مهار می‌کنند.

انواع توربین بخار از جمله توربین‌های ضربه‌ای، توربین‌های واکنش، توربین‌های چگالشی، توربین‌های استخراج، توربین‌های فشار برگشتی و توربین‌های گرمایش مجدد وجود دارد که درک ویژگی‌ها و کاربردهای فردی آنها برای اطمینان از تولید انرژی کارآمد بسیار مهم است.

برای تولید برق، از توربین‌های بخار برای به حرکت درآوردن ژنراتورهای الکتریکی استفاده می‌شود که برق را برای خانه‌ها، مشاغل و صنایع تأمین می‌کنند.

در فرایندهای صنعتی، از توربین‌های بخار برای نیرو دادن به پمپ‌ها، کمپرسورها و سایر تجهیزات دوار لازم برای عملیات مختلف تولید استفاده می‌شود.

هنگام انتخاب یک توربین بخار، عواملی مانند توان مورد نیاز، فشار، شرایط دما و راندمان کلی باید در نظر گرفته شود.

با انتخاب نوع توربین مناسب، شرکت‌ها می‌توانند تولید انرژی خود را بهینه کنند و بازده را به حداکثر برسانند و در نهایت به عملیات پایدار و مقرون‌به‌صرفه کمک کنند.

انواع توربین بخار با کاربردهای همه‌کاره خود، نقش مهمی در پیشبرد پیشرفت و ارائه راه‌حل‌های انرژی کارآمد برای طیف وسیعی از صنایع ایفا می‌کنند.