توربین های گاز استانداردهای زندگی جوامع را به طور قابل ملاحظه ای با تولید نیروی شافت یا نیروی رانش برای بهبود زندگی و فعالیت های روزمره ما ارتقا داده اند، ما استفاده از پریزهای برق را بدیهی می دانیم و برای کارکردن شهرها و وسایل خود به شدت به برق تکیه می کنیم. امروزه، توربین‌های گاز هنوز نقش مهمی در ترکیب انرژی جهانی تا جایی که احتراق سوخت‌های فسیلی مد نظر باشد، دارند. با این حال، برای رسیدن به هدف ۲ درجه C، باید تولید برق کارآمد و مقرون به صرفه در میان دیگر گروه ها باید وجود داشته باشد تا بشریت را به سمت اقتصادهای پایدار، عادلانه و شکوفا سوق دهد.
اهمیت حیاتی عملکرد توربین گازی
توربین های گازی به طور گسترده در تولید برق مورد استفاده قرار می گیرند، جایی که راه اندازی سریع، در دسترس بودن و قابلیت اطمینان بالا برای پاسخگویی به تقاضای فزاینده انرژی در همه شرایط حالت پایدار و گذرا مورد نیاز است. در سطح جهانی، منابع نشان دادند که نیروی تولید شده از توربین های گازی زمینی به یک چهارم تولید جهانی می رسد [۱]. آژانس بین‌المللی انرژی در گزارش اخیر خود تاکید کرده است که پیش‌بینی می‌شود تقاضا در سال ۲۰۲۴ به دلیل چشم‌انداز اقتصادی شکوفا رشد ۳.۳ درصدی داشته باشد، اگرچه اخیراً رشد کندی داشته است[۱]. در نهایت، عملکرد توربین گاز به عنوان حیاتی ترین پارامتر عملیاتی برای ارزیابی موفقیت تولید برق و به حداقل رساندن تأثیر اقتصادی قطعی ظاهر می شود. افزایش تقاضا برای کابرد های سرمایش، رشد جمعیت ، افزایش سرعت شهرنشینی بر اهمیت بهبود عملکرد توربین گاز در عین رعایت مقررات زیست محیطی تاکید دارد. توربین های گازی که در محیط هایی با غلظت بالای گرد و غبار و دماهای شدید کار می کنند، دچار کاهش و اختلال در عملکرد می شوند. نیروگاه‌ها و شبکه‌های برق برای تامین ظرفیت خنک‌کننده بسیار تحت فشار هستند تا از کاهش بار و در نهایت قطع برق جلوگیری شود. سیستم های تهویه مطبوع حدود یک پنجم برق تولیدی جهانی را مصرف می کنند[۲]. این امر بر طراحی بهتر ساختمان، قوانین سختگیرانه تر ساختمان و نصب کارآمد تهویه مطبوع تاکید می کند که به مقابله با رشد تقاضای برق مرتبط با سرمایش کمک می کند.
در نهایت، تامین منابع تولید انرژی مسئولانه و پذیرش استانداردهای زندگی پایدار، فرصت را برای اقتصاد کربن زدایی شده را مهار می کند و محدودیت های زیست محیطی ما را تشخیص می دهد.
اصول عملکرد
اصل عملکرد توربین گاز در شتاب دادن به گاز به سرعت های بالا با افزایش آنتالپی مخصوص آن و تبدیل آن به انرژی جنبشی است. هوای اتمسفر از طریق یک محفظه فیلتر نصب شده وارد می شود. در واقع هوا قبل از ورود به کمپرسور از طریق دهانه شیپوری مانند (bell mouth) از مراحل فیلتراسیون عبور می کند. سپس هوای فیلتر شده تا فشار و دمای بالا فشرده می شود تا وارد محفظه احتراق شود، جایی که سوخت اضافه می شود و احتراق رخ می دهد. سپس انرژی از گاز خروجی تحت فشار داغ استخراج می شود و در نتیجه فشار و دما کاهش می یابد. انرژی در توربین به کار تبدیل می شود که ۵۰ تا ۶۰ درصد آن کمپرسور را به حرکت در می آورد و مابقی ژنراتور را برای تولید نیرو یا عملکرد تجهیزات مکانیکی (کمپرسورها و پمپ های گاز) به حرکت در می آورد. نمونه ای از نیروگاه سیکل ترکیبی در شکل ۱ نشان داده شده است.
کاهش عملکرد توربین گازی
توربین‌های گاز در اقلیم‌های مختلف کار می‌کنند و با آلاینده‌های جوی متعدد با غلظت‌های مختلف مواجه می‌شوند که می‌تواند منجر به کاهش عملکرد و خرابی قطعات شود[۳].
چالش اصلی همه موتورهای توربین گاز، رسوب گیری کمپرسور است. همانطور که در شکل ۲ نشان داده شده است، این فرآیند زمانی رخ می دهد که آلاینده های مختلف روی مجموعه کمپرسور رسوب کنند و ناحیه گلوگاهی (فاصله ) بین پره ها را کاهش دهند.
این رسوب گیری (شکل ۳) نرخ جریان جرمی، نسبت فشار، راندمان کمپرسور و خط موج (surge line) را کاهش می‌دهد که منجر به کاهش عملکرد می‌شود و سوخت بیشتری برای حفظ توان خروجی طراحی‌شده باید سوزانده شود[۴،۵]. در نتیجه، پره‌های توربین دماهای احتراق بالاتری را تجربه می‌کنند که تنش‌های حرارتی و مکانیکی بالایی را به دلیل نیروی گریز از مرکز، تنش‌های ارتعاشی و خمشی ایجاد می‌کنند و روی عمر پره‌های توربین تأثیر منفی می‌گذارد [۶،۷].
فیلترهای هوای مختلف همانطور که در شکل ۴ نشان داده شده است در توربین های گازی زمینی برای جداسازی و به دام انداختن ذرات از طریق رسوب در عمق و سطح فیلتر دسته بندی می شوند (شکل ۵). از طرف دیگر، فیلتراسیون سطحی، عمل فیلتراسیون را از طریق تشکیل کیک گرد و غبار روی سطح مدیای فیلتر تسهیل می کند. بازسازی محیط با استفاده از یک سیستم پالس انجام می شود به گونه ای که آن را برای یک چرخه فیلتر اضافی آماده کند، همانطور که در شکل ۶ نشان داده شده است. در حالی که هر دو تکنیک مزایا و چالش های خاص خود را دارند، ارائه نرخ جریان جرمی مورد نیاز هوا ضروری است. موتور توربین گاز را راه اندازی کنید – گرسنگی کمپرسور هوا نمی تواند یک گزینه باشد. از سوی دیگر، یک کمپرسور رسوب‌دار عملکرد موتور را کاهش می‌دهد و توان خروجی و در دسترس بودن توربین گاز را کاهش می‌دهد. تحقیقات نشان داده است که ۷۰ درصد کاهش عملکرد ناشی از رسوب کمپرسور است[۸،۹]، که بر اهمیت کیفیت هوای ورودی به موتور و محلول‌های شستشوی کمپرسور مورد نیاز برای بازگرداندن مجموعه کمپرسور به نقطه طراحی و عملکرد آن تأکید می‌کند[۱۰،۱۱] . بنابراین، انتخاب مناسب فیلتر هوا برای ایجاد تعادل بین گرفتن ذرات و نفوذپذیری هوا ضروری است. در نهایت، هدف اصلی در این مرحله تغذیه مجموعه کمپرسور با جریان جرمی مورد نیاز هوا است که برای هدف مناسب است.
شکل ۴- نمونه های مختلفی از فیلترهای استاتیک [A,B] و پالسی [C] که در کاربردهای توربین گازی استفاده می شود.
شکل ۵-نمونه های معمولی از رسوب ذرات به صورت عمقی [چپ] و سطحی [راست].
حساسیت موقعیت جغرافیایی
خصوصیات فیزیکی و شیمیایی هوا به یک موقعیت جغرافیایی معین حساس است و می تواند بر انتخاب فیلترهای هوا تأثیر بگذارد. در حالی که نمی توان نقش فیلترهای هوای کارآمد و قابل نفوذ را اغراق کرد، اما باید به الزامات خاص توربین های گازی توجه داشت که می توانند دینامیک، متفاوت و چالش برانگیز باشند و وابسته به شرایط اقلیم اطراف باشند. عملکرد فیلترهای هوای نصب شده در توربین گاز از پیش بینی نتایج آزمایشگاهی انحراف دارد [۱۲]. چنین انحراف عملکرد را می توان به تغییرات در ویژگی های فیزیکی ذرات، شرایط بارگذاری از طریق مراحل متفاوت فیلتراسیون، شرایط عملیاتی و محیطی نسبت داد.
جنبه های طراحی برای فیلتر هوای توربین گاز
چندین پارامتر موثر بر عملکرد فیلتر هوا شامل ویژگی های ذرات (اندازه، شکل)، مکانیسم های بارگذاری در شرایط عملیاتی مختلف، و پارامترهای طراحی (تعداد پلیسه و مساحت سطح موثر)وجود دارند. شکل ۷ اشکال مختلف ذرات و محدوده اندازه موجود در فیلترهای بارگذاری شده را نشان می دهد. اندازه و شکل ذرات در تعیین مکانیسم جذب غالب و در نهایت بر نوع رسوب گذاری عمقی یا سطحی روی مدیای فیلتر نقش دارد. از سوی دیگر، ذرات معلق و ویژگی های بارگذاری آنها به اندازه و شکل بستگی دارد. علاوه بر این، ویژگی‌های ساختار منافذ متوسط فیلتر نیز می‌تواند بر میزان بارگذاری و گرفتگی فیلتر تأثیر بگذارد.
با توجه به سرعت جریان بالای جرمی مورد نیاز، هر غلظت کم ذرات منجر به بارگذاری ذرات بزرگ می شود که منجر به افت فشار بالاتر می شود که با نفوذپذیری نسبت معکوس دارد. در چنین نرخ‌های جریان جرمی بالاتر، و با توجه به پایداری ساختاری و ویژگی‌های محیط فیلتر مورد استفاده، چین ها و پانل‌های چین دار می‌توانند تغییر شکل دهند و باعث کاهش سطح و نفوذپذیری می‌شود. این امر اهمیت ویژگی‌های فیزیکی مدیا و یکپارچگی ساختاری را برای پشتیبانی کافی از نیروهای القا شده توسط نرخ جریان جرمی نشان می‌دهد. از منظر عملکرد، کاهش نفوذپذیری هوا به دلیل افزایش بارگذاری ذرات و/یا انتخاب نامناسب فیلتر می‌تواند بازدهی کلی فیلتر را به کاهش دهد.
مفهوم سطح موثر فیلتراسیون
افزودن سطح کارتریج فیلتر از طریق افزایش چگالی چین ها ، نکته مهمی نیست. در واقع سطح موثر فیلتراسیون که در فرآیند جداسازی و نگهداری به کار گرفته می شود از اهمیت بیشتری برخوردار می باشد. . علاوه بر ویژگی های مدیا و شرایط عملیاتی و آب و هوایی، طراحی فیلتر می تواند در مهندسی دینامیک جریان از طریق عبور از کارتریج فیلتر چین دار برای دستیابی به عملکرد بهینه فیلتر نقش داشته باشد. نفوذپذیری فیلتر و جذب ذرات باید به عنوان یکی از ملاحظات اصلی عملکرد توربین گاز برای افزایش عملکرد در نظر گرفته شود. بنابراین، طراحی بهینه فیلتر، انتخاب مدیای مناسب و عملکرد فیلتر آیرودینامیکی می‌تواند به دستیابی به راندمان مطلوب بدون ایجاد مانع در جریان کمک کند. تغییر شکل فیلتر و خرابی نهایی و/یا گرفتگی زودرس منجر به تعمیر و نگهداری برنامه ریزی نشده و اختلال در عملکرد توربین گاز می شود. به همین دلیل، فیلترهای هوا نمی توانند در توربین های گازی در سطح زمین از کار بیفتند.
دستور روز
کارکردن یک توربین گاز نزدیک به نقطه طراحی برای استفاده از حداکثر عملکرد موتورهای نصب شده ضروری است. پذیرش پایداری در حالی که هدف ما کربن زدایی اقتصادی است، مستلزم این است که همه بخش ها با سرعتی باورنکردنی مشارکت کنند. با توجه به اینکه وقتی نوبت به یک سیاره پایدار و آینده دیجیتالی می شود، رویاهای بلندپروازانه ای داریم، و نقش فرآیندهای کارآمد به خوبی مشخص می شود.
اتکای ما به سوخت های فسیلی را نمی توان نادیده گرفت. با این حال، استفاده از آنها در ۱۰۰ سال گذشته به تغییرات اقلیمی کمک کرده است و زمان آن فرا رسیده است که ذهن و تدابیر خود را به سمت بهبود عملکرد و مصرف مسئولانه سوخت‌های فسیلی خود مهندسی کنیم. سیاره زمین به ساکنان مسئولی نیاز دارد که به آن اجازه می دهند تا خود را احیا کند، اگر به قولی که به آیندگانمان در رابطه با سیاره ای سالم تر از سیاره ای که به ارث برده ایم عمل کنیم.
برای حمایت از سیاست‌های انرژی سازگارتر با محیط‌زیست و پذیرش زندگی پایدار، باید به انرژی‌های تجدیدپذیر نقش بیشتری در ترکیب انرژی جهانی داد و آنها مسئولانه تر مصرف کرد.
منابع :
نویسنده: Dr. Iyad Al-Attar
تاریخ انتشار مقاله: ۹ اکتبر ۲۰۲۳
مترجم: فروغ خلیلی
ذخیره پست 
