توربین های گازی ، تاریخچه و عملکرد توربین های گازی ، تاریخچه و عملکرد

[smorteza 727]

معرفی توربین‌های کاربردی مورد استفاده در ایران

 

قسمت دوم

توربین‌های جنرال الکتریک سری Frame

تاکنون با توربین‌های سری MS شامل 5001، 5002 و 9001  را معرفی کردیم این توربین‌ها در اصل ساخت شرکت بیکر هیوز Baker Hughes هستد که در طول سال ۲۰۱۷ تا ۲۰۲۰ توسط جنرال الکتریک خریداری‌شده و عبارت GE به ابتدای نام توربین‌ها اضافه شد. نکته جالب در این ادغام این است که جنرال الکتریک مالک بیکر هیوز به حساب نمی‌آید و مدیریت آن به صورت تعاملی انجام می‌شود.

اما توربین‌هایی که خود جنرال الکتریک طراحی و ساخت آن را از ابتدا بر عهده داشته‌است با سری Frame شناخته ‌می‌شوند از آن جمله GE Frame 6و GE Frame9  هستندکه به بررسی ساختار آن می‌پردازیم.

 

GE Frame 6

این توربین از سال ۱۹۷۸ به بازار عرضه شد و از آن سال تا کنون ۱۲۰۰ دستگاه از آن نصب و مورد استفاده قرار گرفته است. این توربین دارای ۱۷ مرحله در بخش کمپرسور و ۳ مرحله در بخش توربین و ۱۰ مخزن احتراق است. توان نامی مکانیکی ۴۴ مگاوات و بازده ۳۳.۴ درصد دمای گاز خروجی 551 درجه سلسیوس و سرعت چرخش 5163 دور در دقیقه و فشار کاری ۱۱۰ بار را دارد. این توربین نتیجه تحقیقات در زمان افزایش قیمت نفت و نیاز روز افزون به برق است به همین جهت قابلیت استفاده از نفت کوره تا هیدروژن با خلوص 100 درصد را دارد میزان تولید اکسیدهای نیتروژن 4ppm است به وضوح می‌توان آینده نگریی در طراحی توربین‌ را در این طرح دید به گونه‌ای که احتمال جایگزینی هیدروژن به جای سوخت یا استاندارد آلایندگی را برای نیم قرن و حتی بیشتر پیشبینی کرده است.

 

این توربین جزو اولین مدل‌های توربین فشرده سازی گاز در پروژه‌های LNG است به گونه‌ای که اولین پروژه آن در سال ۱۹۸۳ در مالزی راه‌اندازی شد و تاکنون درحال بهره‌برداری است بیش از ۲۵ سایت LNG با استفاده از این توربین راه اندازی شده و عملا گلوگاه فاز ۱۱ پارس جنوبی معطل این توربین مانده و امکان تهیه آن وجود ندارد.

 

برای افزایش تولید برق باید توان توربین‌ها افزایش یابد برای این کار چهار راه وجود دارد. افزایش دما، افزایش سرعت، افزایش ابعاد، افزایش فشار کاری. افزایش ابعاد تا حد امکان انجام یافته بود، افزایش دما سبب افزایش اتلاف می‌شود راه باقی‌مانده افزایش فشار و سرعت دوران بود که به صورت ناگزیر افزایش دما و استهلاک را در پی دارد. و عمر قطعات را به شدت کاهش می‌دهد. افزایش فشار سبب افزایش خزش هوا بر روی پره‌ها و گرم‌تر شدن آنها شده و عمر آنها را به شدت کاهش می‌دهد. در دهه ۸۰ به صورت جدی بر روی این مساله کار شد اولین راهکار ایجاد انتقال دهنده‌های حرارتی بر روی نقاط گرم توربین است. که در مقاله خنک کاری قطعات توربین به آن خواهیم پرداخت.

 

GE Frame9F

این توربین اولین توربین رده F جنرال الکتریک است توان خروجی آن ۲۸۸  مگا وات و بازده آن در حالت سیکل ساده 38.7 و ۸۰ درصد قابلیت انطباق با هیدروژن را دارد در حالت سیکل ترکیبی بازده آن به ۶۰ درصد رسیده و برای رسیدن به حداکثر تولید تنها ۲۳ دقیقه زمان نیاز دارد تاکنون ۴۵۰ دستگاه از آن ساخته شده و توان گرمایی آن ۹ مگاوات است زمان سرویس مسیر گرم در 32 هزار ساعت یعنی هر سه سال و ۸ ماه و مسیر سرد در ۶۴ هزارساعت یعنی هر ۷ سال و ۴ ماه است. با طیف وسیعی از سوخت از نفت کوره تا گاز طبیعی کار می‌کند.

 

 

تغییرات خنک کردن پره‌ها در بخش توربین در رده F

 

باید توجه داشت تکنولوژی بالاتر علاوه بر بالا بردن راندمان، نیازمند هزینه بیشتر برای سرمایه گذاری و نگهداری است بهای یک توربین frame9F3 حدود ۳۰۰ میلیون دلار است. 

 

GE Frame9HA

اولین توربین رده H جنرال الکتریک Frame7H با توان 384 مگاوات و دومین آن GE frame 9HAبا توان تولید ۴۴۸ تا ۵۷۱ مگاوات! بازده ۴۲ تا ۴۴ درصد و میزان توان گرمایی ۸ مگا وات! است تنها چهار توربین از این نوع نصب شده است

 

 

 

شناسنامه وراثتی توربین‌های نسل HA

 

اعداد ذکر شده مربوط به عمر توربین است

 

 

 

تغییرات تکنولوژیک نسل H نسبت به نسل F، متاسفانه جزییات این تکنولوژی در دسترس نیست و یا جستجو زیادی نیاز دارد. انسالله ددر آینده به آن خواهیم پرداخت.

 

 

 

رده H پیشینه تحقیقاتی از سال ۱۹۹۰ را با خود دارد ولی اکنون جنرال الکتریک تحقیقات بر روی رده G را با شرکت میتسوبیشی آغاز کرده و مسیر تحقیقات بر روی رده  j را نیز طراحی نموده است

 

 

توان نسل‌های مختلف توربین جنرال الکتریک

 

 

 

 

 

 

استفاده از داده‌های این مقاله با ذکر منبع میلیتاری مجاز است.

[smorteza 727]

توربین‌های سیکل ساده و سیکل ترکیبی

 

توربین‌های گازی بخشی از انرژی سوخت را به کار قابل استفاده تیدیل می‌کنند و مابقی را به صورت حرارت از خروجی توربین به صورت حرارت خارج می‌کنند این فرایند به چرخه برایتون معروف است دمای گاز خروجی از توربین بین ۴۸۰ تا ۵۶۰ درجه است از طرفی نیروگاه‌های حرارتی زغال سنگی یا مازوت سوز آب را با صرف سوخت زیاد به دمای ۴۵۰ درجه میرساندند تا با تولید بخار خشک توربین بخار را به حرکت درآورده و نیروی برق تولید کنند.

با توجه به اینکه گاز خروکی یک توربین گازی دمایی بالاتر از نیاز یک نیروگاه حرارتی دارد می‌توان از گرمای توربین گازی برای گرم کردن آب در یک نیروگاه حرارتی استفاده کرد. به همین جهت طراحی‌ نیروگاه‌های گازی به سمت سیکل ترکیبی توسعه پیدا کرد در این نوع نیروگاه‌ها ابتدا توربین گازی از سوخت کار و گرما تولید می‌کند و سپس گرما برای تولید بخار خشک استفاده می‌شود فرایند تولید برق در نیروگاههای حرارتی یعنی تولید کار از بخار آب داغ به سیکل رانکین معروف است در شکل زیر مقایسه این دو سیکل را مشاهده می‌کنید.

 

در چرخه برایتون در مسیر یک تا دو هوا در کمپرسور فشرده می‌شود دو تا سه سوخت ترکیب شده دما و فشار را افزایش می‌دهد سه تا چهار هوای فشرده توربین را به چرخش در آورده و کار تولید می‌کند و مسیر چهار تا یک، گرما از خروجی خارج شده در جو خنک می‌شود و دوباره به چرخه بر می‌گردد.

در سیکل رانکین در میسر a-b آب گرم شده به دمای جوش می‌رسد. در مسیر b-c آب با دریافت گرما به جوش می‌آید. در c-d بخار گرم می‌شود فشار آنن افزایش و به دمای ۴۵۰ می‌رسد. در مسیر d-e بخار توربین را به چرخش در می‌آورد و در e-f بخار سرد شده و آب به مسیر باز می‌گردد.

(نمودار فوق نمودار دما- آنتروپی است و مساحت زیر نمودار برابر کار یا گرمای دریافتی/خروجی است)

اگر بتوانیم گرمای حاصل از مسیر ۴ به یک سیکل برایتون را به گرمای مورد نیاز مسیر aتا f چرخه رایکین منطبق کنیم می‌توانیم فقط با مصرف سوخت چرخه برایتون به اندازه مساحت هر دو چرخه کار تولید کنیم و این به معنی افزایش بازده ۱۵ تا ۲۵ درصدی توربین است.

 

نمودار بالا مراحل استفاده از گرمای چرخه برایتون در چرخه رایکین در مراحل گرم کردن آب، تولید بخار، و گرم کردن بخار را مشاهده می‌کنید.  در تصویر چپ نمای فعالیت یک نیروگاه سیکل ترکیبی را مشاهده می‌کنید.

 

 

 بازده توربین‌های گازی بین ۳۰تا ۴۵ درصداست اما با همان میزان مصرف سوخت می‌توان در نیروگاههای سیکل ترکیبی به راندمان ۴۵ تا ۶۲ درصد رسید.

 

 

 استفاده از داده‌های این مقاله با ذکر منبع میلیتاری مجاز است.

[smorteza 727]

خنک کاری قطعات توربین

 

 

پوشش دهی فلزات از دیرباز برای مقاومت در برابر انتقال حرارت و زنگ زدگی(اکسید شدن مورد استفاده بود

 

نیاز روز افزون به انرژی الکتریکی درخواست‌ها برای افزایش تولید برق توسط توربین‌ها را افزایش داد برای این کار چهار راه وجود دارد. افزایش دما، افزایش سرعت، افزایش ابعاد، افزایش فشار کاری. افزایش ابعاد تا حد امکان انجام یافته بود، افزایش دما سبب افزایش اتلاف می‌شود راه باقی‌مانده افزایش فشار و سرعت دوران بود که به صورت ناگزیر افزایش دما و استهلاک را در پی دارد. و عمر قطعات را به شدت کاهش می‌دهد. افزایش فشار سبب افزایش خزش هوا بر روی پره‌ها و گرم‌تر شدنآنها شده و عمر آنها را به شدت کاهش می‌دهد. در دهه ۸۰ به صورت جدی بر روی این مساله کار شد اولین راهکار ایجاد انتقال دهنده‌های حرارتی بر روی نقاط گرم توربین است.

 

 

 

 

اجرای پروژه هواپیمای SR71 با موتور پرات ویتنیj58 با استفاده از این تکنیک اجرا شد به گونه‌ای که سامانه خنک کاری نازل امکان استفاده از پس سوز را در سرعت‌های بیش از سه ماخ به صورت پیوسته مقدور کرد کاری که تا آن زمان مقدور نبود. لوله‌های خنک کاری را در نازل موتور مشاهده می‌کنید.

این اقدام گرچه راهگشا بود اما مشکل خزش هوا بر روی پره‌ها و ساییدگی شدید قعات را حل نمی‌کرد. قدم بعد در این زمینه پوشش دهی قطعات با اکسید آلومینیوم بود اکسید آلومینیوم ماده‌ای سخت است که عملا بر روی قطعات بالاخص پره‌ها فرایند اکسید شدن را متوقف و با خاصیت سرامیکی خود خزش را کاهش می‌دهد نکته دیگر سهولت ایجاد این پوشش است با روش‌هایی چون آبکاری، پوشش دهی با بخار حرارتی، پوشش دهی با بخار الکترونی یا پوشش دهی با بخار لیزری آلومینیوم خالص این روش مقدور است در اثر حرارت توربین آلومینیوم به سرعت اکسید شده و پوشش کریستالی را ایجاد می‌کند.

در سال ۱۹۵۸ نیروی هوایی درخواست پرند‌ه‌ای با سریع‌ترین سرعت و بالاترین ارتفاع ممکن را داد که به پروژه X15 معروف شد این هواپیما باید در لبه فضا و با بیشترین سرعت پرواز می کرد به همین منظور پیشران این هواپیما از نوع راکت تعریف گردید و نمونه اولیه آن در ۱۹۶۳ پرواز کرد و به ارتفاع پروازی ۸۰ کیلومتر رسید اما در سال ۱۹۶۷ پرواز این نمونه در ارتفاع ۱۸ کیلومتری سبب سقوط آن گردید هنگامی که خلبان در سرعت بالای صوت مانور چرخش (Spin) را انجام داد پرنده فشار ۱۵ جی را متحمل و خزش شدید هوا سبب نوسان در قطعات بدنه گردید صفحات کنترلی و هیدرولیک نتوانستند بر این نوسانات غلبه کنند و پرنده از کنترل خارج شد و پس از طی مسیر ۱۸۰ کیلومتری به زمین خورد.

نسخه بعدی مورد بازبینی قرارگرفت و مسیرهای مایع خنک  کننده آمونیاک در نازلها و پوشش دهی بدنه و موتور با استفاده از اکسید زیرکونیوم بود

 

 

بخشی از خروجی نازل را در شکل پایین چپ مشاهده‌ می‌کنید برش انتهای نازل لوله‌ها و مسیرهای خنک کننده آمونیاک را نشان می‌دهد کل بدنه داخلی نازل با اکسید زیرکونیوم پوشش داده شد.

( این هواپیما در سال ۱۹۶۴ به سرعت ۷۲۷۴ کیلومتر بر ساعت ۶.۷ ماخ دست یافت که تاکنون پرنده‌ای به آن دست نیافته است)

پروژه X15 تحولی در ساخت توربین‌ها ایجاد کرد چرا که ناسا به عنوان مجری پروژه و با هزینه پنتاگون به عنوان کارفرما هر چهار توربین‌ساز آمریکایی (پرات ویتنی، جنرال الکتریک، گرت توربیین و موسسه تحقیقات جنوب شرق) را به کار گرفت و در تعامل با آنها نمونه‌ها را ارتقا داد. این مساله در Frame 6B جنرال الکتریک وهمچنین Frame7B به وضوح قابل مشاهده است.

 

 

نمونه‌ای از تحقیقات و خوردگی ناشی از خزش بر روی لایه‌های مختلف پوشش دهی را مشاهده می‌کنید رویه خروجی نازل با ۴ لایه مختلف پوشش داده شده است.

این تحقیقات به سرعت اثر خود را در توربین‌ها نشان داد در تصویر زیر عملکرد دو پره یکی با پوشش و دیگری بدون پوشش مشاهده می‌کنید میزان کارکرد هر دو پره ۱۵۰۰۰ ساعت و قطعه موتور بویینگ ۷۴۷ است به وضوح عدم پوشش دهی سبب اکسید شدن( به عبارتی سوختن) قطعه شده است.

 

 

نکته دیگر در پوشش دهی قطعات روش پوشش دهی است در شکل زیر دو قطعه با عمر ۴۲۲۳ ساعت و پوشش زیرکونیوم رامشاهده می‌کنید.قطعه سمت چپ با روش بخار پلاسما و سمت راست با روش بخار الکترونی پوشش دهی شد. به وضوح اثر بهتر پوشش دهی با روش بخار الکترونی را مشاهده می‌کنید.

 

 

           

 

روش پوشش دهی بخار الکترونی، تبخیر فلز پوشش به وسیله توپ الکترونی انجام شده و با اعمال ولتاژ مثبت لایه زیرین بخار بر روی قطعه می‌نشیند این فرایند در خلا اتفاق می‌افتد تا غلظت اکسیژن تاثیری بر آلیاژ یا ضخامت پوشش نداشته باشد.

 

 

تاثیر اضافه کردن اکسید ایتریوم بر اکسید زیرکونیوم را در دیاگرام فاز مشاهده می‌نمایید فازهای T,Cو Mهرکدام ساختار یک نوع کریستال را نشان می‌دهند به عنوان مثال غلظت ۱۰ درصد اکسید ایتریوم در زیر دمای ۲۰۰۰ درجه ترکیب کریستال سه وجهی و مکعبی را دارد و در بالای ۲۰۰۰ درجه ساختار مکعبی خالص می‌شود این ساختارها مقاومت فلز در برابر تنش و رسانایی حرارتی فلز را افزایش می‌دهد اما برای استفاده به عنوان عایق حرارتی و برای مقاومت در برابر ترک خوردگی اصلا مناسب نیستند فاز L‌ آلیاژ مایع و بدون ساختار است که بیشترین مقاومت حرارتی و بیشترین مقاومت در برابر شکست را دارد. با استفاده از سرد کردن سریع ساختار مایع را در فلز حفظ می‌کنند و آن ساختار را در دمای پایین ایجاد می‌کنند. حفظ این ساختار عمر قطعه را مشخص می‌کند. شکل زیر محاسبه زمان عمر عایق حرارتی را مشخص می کند.

 

 

نوع آلیاژ نیز بر فرایند تخریب قطعه تاثیر گذار است شکل زیر میزان مقاومت آلومینیوم، پلاتین و آلیاژ نیکل-کروم-آلومینیوم- ایتریوم را نشان می‌دهد. به صورت مشخص کار بر روی آلیاژهای تخصصی نیازمند تجربه و آزمایش‌های متعدد است و هزینه بالای قطعه مربوط به خود فلز نیست بلکه هزینه آزمایشات ناموفق برای رسیدن به قطعه مناسب است.

 

 

 

نمودار فوق میزان مقاومت آلیاژهای مختلف در برابر سوختگی(اکسید شدن) را نشان می‌دهد این نمودار مربوط به سندی با قدمت بیش از ۴۰ سال است و در آن تاریخ استفاده آلیاژ تیتانیوم برای توربین‌ها منسوخ شده بود.

 

نمودار فوق نتیجه تست برروی یک قطعه با روش پوشش دهی پلاسما و پوشش دهی بخار الکترونی است که به ۴ تولید کننده سفارش داده شده بود تولید کنندگان شامل جنرال الکتریک-پرات ویتنی- گریت توربین و دفتر تحقیقات جنوب شرق است.

 

 

 

نکته‌ای که در کشور ما مغفول مانده و از ترس شکست آزمایش و هزینه آن به جای هزینه بر روی تحقیق، تمام تلاش خود را معطوف به مهندسی معکوس می‌کنیم.

 

منبع

https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20090018047/downloads/20090018047.pdf

 

استفاده از این مقاله با ذکر نام انجمن میلیتاری مجاز است.