تولید برق هنوز تا حد زیادی مبتنی بر گاز طبیعی است.
فناوری توربین گازی اخیراً به سمت بهره‌برداری کارآمدتر از انرژی گاز طبیعی پیش رفته است.
در نتیجه، بسیاری از کاربران اکنون در مورد راندمان توربین گازی صحبت می‌کنند.
از سوی دیگر، تولیدکنندگان بزرگ توربین در حال رقابت برای ساخت “کارآمدترین” محصول هستند.
افزایش راندمان توربین گازی منجر به بهبود عملکرد توربین و تقویت سیستم قدرت می‌شود.
بسیاری در این صنعت سخت تلاش می‌کنند تا مدل‌های توربین گازی را بهبود بخشند.
آنها از فناوری‌های جدید برای افزایش راندمان، به ویژه با ارتقا قطعاتی مانند روتور توربین و ژنراتور، استفاده می‌کنند.
با ادامه مبارزه برای کسب افتخار، نیاز به کاوش عمیق‌تر در مورد اینکه راندمان هرگز تا این حد جذاب نبوده است، احساس می‌شود.
در این مقاله، ما به دنبال تعریف راندمان توربین گازی و بررسی چگونگی کاهش مصرف سوخت هستیم.
1# راندمان توربین گازی
توربین‌های گازی دستگاه‌هایی برای تبدیل انرژی سوخت به انرژی الکتریکی (از طریق ژنراتورهای الکتریکی) یا انرژی مکانیکی هستند.
راندمان توربین گازی نشان می‌دهد که یک توربین گازی چقدر خوب انرژی سوخت را به کار تبدیل می‌کند.
این عامل کلیدی برای نشان دادن عملکرد سیستم‌های قدرت است.
این شامل راندمان حرارتی برای تبدیل انرژی و راندمان احتراق برای میزان سوختن سوخت می‌شود.
افزایش راندمان توربین گازی بسیار مهم است.
بهره‌وری بالاتر به میزان عملکرد احتراق، جریان هوا و قطعات در توربین بستگی دارد.
بررسی نحوه عملکرد توربین‌های گازی به ما در درک راندمان آنها کمک می‌کند.
طراحی و عملکرد آنها بر دریافت بیشترین انرژی و در عین حال به حداقل رساندن تلفات تمرکز دارد.
برخلاف توربین بخار، محاسبه راندمان توربین گازی کمی پیچیده است.
یک توربین گازی (GT) شرایط بخار بسیار پویایی را ارائه می‌دهد.
این شرایط تا حد زیادی به شرایط جوی و نوع سوخت وابسته هستند.
از آنجایی که شرایط در توربین گازی متغیر است، باید به صورت راندمان حرارتی، نرخ گرما برحسب کیلووات ساعت و BTU در هر اسب بخار بیان شوند.
آنها معمولاً از چرخه برایتون استفاده می‌کنند که یک چرخه ترمودینامیکی است که شامل فشرده‌سازی و انبساط یک محیط گازی می‌شود.
یک چرخه ایده‌آل ممکن است عملکرد ۱۰۰٪ را ارائه دهد؛ اما یک توربین گازی واقعی همیشه سطح خاصی از تلفات و اصطکاک را خواهد داشت.
برای درک بهتر بررسی بخش‌های توربین گازی ارزشمند است.
یک نیروگاه با سوخت گاز طبیعی ممکن است در نگاه اول پیچیده به نظر برسد؛ اما دارای سه بخش اصلی است:
1-1# کمپرسور
کمپرسور، هوا را مکش، فشرده و به محفظه احتراق هدایت می‌کند.
هوا در اینجا با سرعت بسیار بالایی جریان دارد.
2-1# محفظه احتراق
شامل یک مجموعه انژکتور سوخت است که جریانی از سوخت را برای مخلوط شدن با هوا ایجاد می‌کند.
پس از سوختن در دمای ۲۰۰۰ درجه فارنهایت، این مخلوط یک جریان گاز با فشار بالا و دمای بالا تشکیل می‌دهد که آماده ورود به توربین است.
3-1# بخش توربین
توربین از ترکیب پیچیده‌ای از پره‌های چرخان و ثابت با مقطع آیرودینامیک ساخته شده است.
پره‌های چرخان به انبساط گاز داغ احتراق واکنش نشان می‌دهند.
این پره‌ها دو عملکرد اساسی دارند: چرخاندن ژنراتور برای تولید برق و چرخاندن کمپرسور برای ورود هوای فشرده بیشتر به محفظه احتراق.
2# پیشرفت تاریخی راندمان توربین‌های گازی
داستان قدرت توربین گازی با اولین موتور احتراق داخلی آغاز شد.
از آن زمان، محققان به دستاوردهای شگفت‌انگیزی در فناوری پیشرفته توربین گازی دست یافته‌اند.
توربین‌های گازی اولیه ساده بودند و زمینه را برای توربین‌های بخار فراهم کردند.
این توربین‌ها به نوبه خود منجر به نیروگاه‌های سیکل ترکیبی شدند که امروزه به آنها متکی هستیم.
ایجاد سیستم‌های توربین گازی سیکل ترکیبی با راندمان بالا همه چیز را تغییر داد.
در همین راستا، معرفی سیکل ترکیبی تحول‌آفرین بود.
با استفاده همزمان از توربین گازی و بخار، بهره‌وری تا حد زیادی بهبود یافت.
این روش از گرمای اگزوز برای تولید برق اضافی استفاده می‌کند.
فناوری پیشرفته توربین‌های گازی امروزی از تلاش شدید برای افزایش بهره‌وری بهره می‌برد.
آنها به پوشش‌های حرارتی و فناوری‌های خنک‌کننده مجهز شده‌اند.
این امر امکان عملکرد درجه یک را فراهم می‌کند. با ادامه تحقیقات، انتظار داریم که دستاوردهای بیشتری در بهره‌وری حاصل شود.
با نگاهی به گذشته، توسعه راندمان توربین گازی، داستانی از نوآوری‌های انسانی است.
آنچه که به عنوان ایده‌های ساده آغاز شد، به فناوری‌های باورنکردنی تبدیل شده است.
آینده با تلاش‌های مداوم برای ارتقای سیستم‌های توربین گازی در سراسر جهان، روشن به نظر می‌رسد.
3# مقادیر معمول راندمان توربین گازی
تولیدکنندگان اصلی تجهیزات (OEM) مختلف متعهد به بهبود راندمان توربین از طریق تحقیق و توسعه، آیرودینامیک، پیشرفت در نوع مواد و همچنین فناوری‌های احتراق هستند.
در سال ۲۰۱۸، رکورد جهانی گینس با راندمان ۶۳.۰۸٪ ثبت شد؛ اما توربین‌های گازی همیشه تا این حد کارآمد نبودند.
اولین توربین سیکل ساده که در سال ۱۹۳۹ توسعه یافت، با راندمان حرارتی ۱۸٪ با دمای ورودی توربین کمتر از ۵۴۰ درجه سانتیگراد و دمای اگزوز کمی بیش از ۲۶۰ درجه سانتیگراد کار می‌کرد.
در طول سال‌ها، این مقدار به ۴۰٪ با دمای ورودی ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد و اگزوز تا ۶۳۰ درجه سانتیگراد در ماشین‌های بزرگ‌تر افزایش یافته است.
اعداد راندمان حتی در دهه ۱۹۹۰ با افزایش محبوبیت توربین‌های گازی سیکل ترکیبی (CCGT) در بازار، بالاتر هم رفتند.
این نوع توربین در کنار آلیاژها، پوشش‌ها، نسبت‌های کمپرسور بهتر، فناوری انتقال حرارت کارآمدتر و غیره عرضه می‌شود.
امروزه توربین گازی سیکل ترکیبی یک صنعت است زیرا کارآمدتر (البته با هزینه بالاتر) می‌باشد.
4# عوامل موثر بر راندمان توربین گازی
چندین عامل کلیدی وجود دارد که می‌توانند به طور قابل توجهی بر راندمان توربین گازی تأثیر بگذارند که به صورت زیر می‌باشند:
1-4# دمای ورودی هوا
دمای هوای ورودی به توربین گاز می‌تواند تأثیر مستقیمی بر راندمان آن داشته باشد.
هوای گرم‌تر، چگالی هوا را کاهش می‌دهد و در نتیجه، دبی جرمی عبوری از توربین را کاهش می‌دهد.
این امر می‌تواند منجر به کاهش توان خروجی و راندمان شود.
2-4# راندمان کمپرسور
راندمان کمپرسور که هوای ورودی را فشرده می‌کند، برای عملکرد کلی توربین بسیار مهم است.
یک کمپرسور که به‌خوبی نگهداری و بهینه شده باشد، جریان هوا و نسبت فشار مناسب را تضمین می‌کند و در نتیجه راندمان بهبود می‌یابد.
3-4# فشار ورودی
نسبت‌های تراکم بالا به افزایش راندمان توربین‌های گازی کمک می‌کنند.
دلیل این امر آن است که تراکم بالا، مخلوط هوا را قبل از ورود به محفظه احتراق گرم و فشرده می‌کند.
این فرایند، احتراق را کارآمدتر می‌کند.
4-4# وضعیت پره‌های توربین
وضعیت پره‌های توربین برای عملکرد کارآمد توربین گازی بسیار مهم است.
با گذشت زمان، پره‌ها می‌توانند دچار فرسایش، خوردگی یا رسوب شوند که می‌تواند بر راندمان آیرودینامیکی آنها تأثیر منفی بگذارد.
بازرسی و نگهداری منظم پره‌ها برای اطمینان از عملکرد بهینه ضروری است.
5-4# کیفیت سوخت
کیفیت و ترکیب سوخت مورداستفاده در توربین‌های گازی می‌تواند بر راندمان آنها تأثیر بگذارد.
اگر سوخت حاوی ناخالصی باشد یا اگر نسبت سوخت به هوا در سطح بهینه حفظ نشود، راندمان احتراق می‌تواند به خطر بیفتد.
6-4# سیستم کنترل
سیستم کنترل توربین گازی نقش حیاتی در حفظ شرایط عملیاتی بهینه ایفا می‌کند.
یک سیستم کنترل با عملکرد خوب می‌تواند به طور مداوم پارامترهای مختلفی مانند جریان سوخت، دمای اگزوز و توان خروجی را کنترل و تنظیم کند تا راندمان توربین گازی به حداکثر برسد.
7-4# سیستم‌های بازیابی حرارت
سیستم‌های توربین گازی کارآمد اغلب شامل سیستم‌های بازیابی حرارت، مانند واحدهای سیکل ترکیبی یا تولید همزمان برق و حرارت هستند.
این سیستم‌ها از گرمای تلف‌شده از اگزوز توربین برای تولید توان اضافی یا تأمین گرمای مفید استفاده می‌کنند و در نتیجه راندمان کلی را افزایش می‌دهند.
8-4# شیوه‌های تعمیر و نگهداری
تعمیر و نگهداری منظم، شامل تمیز کردن، روغن‌کاری و بازرسی، برای حفظ عملکرد توربین‌های گازی در حداکثر راندمان ضروری است.
وظایف تعمیر و نگهداری باید طبق توصیه‌های سازنده و بهترین شیوه‌های صنعتی انجام شود.
با پرداختن به این عوامل کلیدی، اپراتورهای توربین گازی می‌توانند از راندمان بهینه اطمینان حاصل کنند، طول عمر تجهیزات خود را افزایش دهند و هزینه‌های عملیاتی را به حداقل برسانند.
5# محاسبات راندمان توربین گازی
بررسی راندمان توربین‌های گازی نیازمند محاسبات دقیق است.
این محاسبات نقش بزرگی در بهبود نحوه تولید برق دارند.
برای فهمیدن اینکه این ماشین‌های پیچیده چقدر کارآمد هستند، به فرمول‌ها و اندازه‌گیری‌های دقیقی نیاز داریم.
این کلید بهبود عملکرد آنهاست.
از جمله موارد قابل بحث در محاسبه راندمان توربین گازی می‌توان موارد زیر را عنوان کرد:
1-5# فرمول‌های راندمان حرارتی
در هسته یک توربین گازی، تبدیل انرژی وجود دارد.
در اینجا، دانستن فرمول راندمان حرارتی حیاتی است.
این فرمول نشان می‌دهد که چگونه انرژی از سوخت به توان تبدیل می‌شود.
این فرمول جریان گاز درون ژنراتور را در نظر می‌گیرد.
این مرحله از چرخه برایتون برای تخمین میزان موفقیت توربین در تبدیل گرما به کار مفید استفاده می‌کند.
2-5# راندمان احتراق و اندازه‌گیری آن
راندمان همچنین به این معنی است که سوخت در محفظه احتراق چقدر خوب به انرژی تبدیل می‌شود.
این بخش که راندمان احتراق نامیده می‌شود، بر توان خروجی توربین تأثیر می‌گذارد.
ما برای بررسی اینکه آیا احتراق کارآمد است یا خیر، دما و میزان انتشار گازهای گلخانه‌ای را بررسی می‌کنیم.
3-5# محاسبه راندمان کلی
کنار هم قراردادن راندمان حرارتی و راندمان گاز احتراق، عملکرد کلی را به ما می‌دهد.
این به ما می‌گوید که یک توربین چقدر خوب کار می‌کند.
به ما کمک می‌کند تا ببینیم در چه مواردی می‌توانیم پیشرفت‌هایی ایجاد کنیم.
این امر فناوری را در نیروگاه‌های توربین گازی به جلو می‌برد.
دستیابی به راندمان مناسب، کلید توربین‌های فعلی و آینده است.
این موضوع به ایجاد تعادل بین مکانیک سیالات و بهبود طراحی مربوط می‌شود.
این امر درهایی را به‌سوی فناوری‌های جدید در تولید برق می‌گشاید.
6# راهکارهای بهبود راندمان توربین گازی
بهبود راندمان توربین گازی همچنان از اولویت‌های بالای صنعتی است؛ زیرا تولیدکنندگان تجهیزات اصلی به طور مداوم در پیشرفت‌های فناوری سرمایه‌گذاری می‌کنند.
در این بخش به بررسی برخی از روش‌های رایج که عملکرد توربین را بهبود می‌بخشند، پرداخته شده است.
1-6# خنک‌کننده هوای ورودی
یکی از عوامل اصلی بازدارنده برای راندمان بالای توربین، نسبت تراکم پایین است.
عامل مهمی که در نسبت تراکم پایین نقش دارد، دمای بالای ورودی هوا است.
علاوه بر این، هرچه دمای ورودی هوا بالاتر باشد، هوا چگالی کمتری دارد و فشرده‌سازی آن دشوارتر است.
با این حال، می‌توان با خنک کردن هوای ورودی قبل از هر مرحله فشرده‌سازی، بر این مشکل غلبه کرد.
برخی از روش‌های رایج خنک‌سازی عبارت‌اند از:
- مه‌پاشی: این روش مستلزم کاهش دمای هوای ورودی با تزریق آب اتمیزه شده به جریان ورودی هوا پس از فیلتراسیون است.
این روش یکی از ساده‌ترین و اقتصادی‌ترین روش‌ها برای اجرا است.
با این حال، به یک منبع آب ثابت نیاز دارد، می‌تواند باعث فرسایش در داخل کمپرسور شود و در صورت بالا بودن رطوبت مؤثر نیست. - خنک‌سازی تبخیری: مشابه مه‌پاشی، این روش جریان هوا را پس از فیلتراسیون با عبور دادن آن از یک محیط متخلخل که دائماً توسط یک یا چند پمپ آب مرطوب می‌شود، خنک می‌کند.
از آنجایی که هیچ قطره آبی وارد جریان هوا نمی‌شود، این روش باعث فرسایش نمی‌شود.
با این حال، هنوز به یک منبع آب ثابت، فضای بزرگی در ورودی برای نصب محیط نیاز دارد و در رطوبت بالا بی‌اثر است. - خنک‌سازی ورودی: این مؤثرترین روش خنک‌سازی هوای ورودی است؛ زیرا لوله‌های خنک‌کننده را در سیستم فیلتر هوا مستقر می‌کند.
در داخل این لوله‌ها، آب سرد به طور مداوم پمپ می‌شود تا اطمینان حاصل شود که دمای هوای ورودی از حد معینی بالاتر نمی‌رود؛ بنابراین، اصل کار شبیه یخچال است.
2-6# سیستم بازیابی حرارت
وقتی صحبت از هوای خروجی از کمپرسور می‌شود، داشتن دمای بالا برای سیستم مفید است.
به همین دلیل است که تولیدکنندگان توربین از ژنراتورهای سیستم بازیابی حرارت (HRSG) برای افزایش راندمان استفاده می‌کنند.
HRSG معمولاً در خروجی توربین‌ها قرار دارد، جایی که گرمای تلف‌شده را می‌گیرد و آن را برای پیش‌گرمایش هوایی که از کمپرسور به محفظه احتراق در حال حرکت است، هدایت می‌کند.
3-6# ذخیره انرژی حرارتی
این امر مستلزم استفاده از سیستمی است که انرژی حرارتی تولید شده توسط توربین را برای استفاده بعدی ذخیره می‌کند.
در نتیجه، توربین می‌تواند در دوره‌های غیر اوج مصرف، انرژی تولید کند که سپس ذخیره شده و در دوره‌های اوج مصرف به کار گرفته می‌شود.
با وجود تغییر به سمت منابع انرژی سبزتر، گاز طبیعی هنوز سهم قابل توجهی از بازار را به عنوان منبع انرژی در اختیار دارد.
در نتیجه، تولیدکنندگان به طور مداوم در حال توسعه فناوری‌های جدیدی هستند که راندمان توربین‌های گازی را بهبود می‌بخشند.
در این مقاله، مفهوم راندمان توربین‌های گازی، نحوه محاسبه آن و راه‌های بهبود راندمان توربین را بررسی می‌کنیم.
علاوه بر این موارد، نگهداری توربین‌های گازی نقش حیاتی در به حداکثر رساندن راندمان توربین‌های گازی ایفا می‌کند.
برخی از شیوه‌ها و تکنیک‌های خاص نگهداری که می‌توانند به دستیابی به این هدف کمک کنند، به شرح زیر است:
- بازرسی و تمیزکاری منظم
- تنظیم بهینه احتراق
- روانکاری مؤثر
- پایش و تحلیل سطوح ارتعاش در توربین‌های گازی
- پیاده‌سازی رویکرد نگهداری مبتنی بر شرایط
7# نوآوری‌های تکنولوژیکی افزایش راندمان توربین گازی
امروزه، افزایش تولید برق تا حد امکان، هدف بزرگی است.
تمرکز بر افزایش بهره‌وری توربین‌های گازی است.
پیشرفت‌های تکنولوژیکی دائماً در حال وقوع است و منجر به فناوری بهتر توربین‌های گازی می‌شود.
این نوآوری‌ها برای بهبود تولید انرژی، حمایت از رشد اقتصادی و حفاظت از محیط زیست حیاتی هستند.
1-7# پیشرفت‌ها در مواد و پوشش‌ها
سازندگان برتر توربین عمیقاً درگیر ساخت سوپرآلیاژهای جدید هستند.
این سوپرآلیاژها می‌توانند دماهای بالاتر را تحمل کنند که باعث افزایش راندمان توربین گازی می‌شود.
آنها شرایط سخت داخل توربین‌ها را تحمل می‌کنند و احتراق مؤثرتری را ممکن می‌سازند.
آنها همچنین سایش و پارگی قطعات توربین را کاهش می‌دهند.
علاوه بر این، استفاده از پوشش‌های ویژه، عمر قطعات توربین را افزایش می‌دهد و هزینه‌ها و زمان تعمیر را کاهش می‌دهد.
2-7# فناوری‌های خنک‌کننده و پوشش‌های سد حرارتی
کنترل گرمای شدید در توربین‌های گازی پیشرفته بسیار مهم است.
از طریق روش‌های پیشرفته خنک‌سازی، گرمای تلف‌شده دوباره مورد استفاده قرار می‌گیرد و راندمان سیستم افزایش می‌یابد.
این راه‌حل‌های هوشمند، تولید برق را افزایش می‌دهند و برای کره زمین نیز بهتر هستند.
3-7# طراحی آیرودینامیک پره
بهبود در نحوه شکل‌دهی پره‌های توربین نیز کلیدی است.
پره‌های مدرن به گونه‌ای طراحی شده‌اند که مقاومت و بی‌ثباتی را کاهش دهند و جریان گاز را روان‌تر کنند.
تغییرات کوچک در نحوه انحنای پره‌ها و زاویه آنها منجر به دستاوردهای بزرگی در عملکرد و توان خروجی توربین می‌شود.
جمع‌بندی
در دنیای انرژی و نوآوری، راندمان توربین گازی موضوعی برجسته است.
این عامل کلیدی برای بهبود تولید انرژی است.
به لطف مهندسی هوشمند و فناوری جدید، راندمان توربین اهمیت بیشتری پیدا می‌کند.
این عامل نقش بزرگی در افزایش عملکرد توربین‌های گازی صنعتی ایفا می‌کند.
رهبران این حوزه همیشه به دنبال راه‌های جدیدی برای بهبود توربین‌های گازی هستند.
با استفاده هوشمندانه از فناوری توربین گازی و دقیق‌تر کردن عملیات توربین گازی، شاهد پیشرفت‌های بزرگی هستیم.
این تلاش برای بهبود راندمان توربین گازی، صنعت انرژی را به جلو سوق می‌دهد.
این امر به آینده‌ای منجر می‌شود که در آن انرژی به صورت پایدارتر و کارآمدتر تولید می‌شود.
این امر به بهبود عملکرد توربین در مقیاس بزرگ‌تر کمک می‌کند.
استراتژی‌هایی وجود دارد که از جدیدترین علوم برای بهبود عملیات استفاده می‌کنند.
این شامل بهبود جریان هوا و استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده جدید می‌شود.
این پیشرفت‌ها نشان می‌دهد که محققان چقدر سخت تلاش می‌کنند تا استانداردهای جدیدی را برای عملکرد بهتر توربین‌های گازی تعیین کنند.
همانطور که در تکنولوژی به سمت امکانات جدید حرکت می‌کنیم، تغییرات دقیقی که امروز ایجاد می‌شود، نشانگر دوران جدیدی از تعالی در ساخت نیروگاه‌های گازی است.
درباره نویسنده : معصومه آذری
نظرتون درباره این مقاله چیه؟
ما رو راهنمایی کنید تا اون رو کامل تر کنیم و نواقصش رو رفع کنیم.
توی بخش دیدگاه ها منتظر پیشنهادهای فوق العاده شما هستیم.
