بسته آموزشی توربین های گازی (Gas Turbin)

هدف از تهیه محصول :
هدف از ساخت این نرم‌افزار، آموزش توربین‌های گازی به پرسنل فعال در واحدهای مختلف پتروشیمی و در سطح آشنایی با تجهیزات می‌باشد. همچنین این نرم‌افزار می‌تواند مورد توجه فارغ‌التحصیلان رشته‌های مهندسی و شاغلین كه در صنایع نفت، گاز، پتروشیمی و انرژی مشغول به كار هستند، قرار گیرد.

محتوا :
صنایع مختلف به جهت تامین نیازهای بشر امروزی منابع بسیار زیادی از انرژی را مورد استفاده قرار می‌دهند. در این میان انرژی الكتریكی و مكانیكی انواعی از انرژی هستند كه به لحاظ كاربرد گستره‌ای كه دارند از جایگاه ویژه‌ای برخوردار هستند. توربین‌ها تجهیزاتی هستند كه به منظور تولید انرژی‌های مذكور از دیگر منابع انرژی مانند سوخت‌های فسیلی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

به طور كلی می‌توان گفت كه یك توربین گازی دارای سه بخش اصلی كمپرسور، محفظه احتراق و توربین می‌باشد كه در ادامه به توضیحات بیشتری در این خصوص پرداخته می‌شود:

1-ورودی هوا یا Air Intake
هوای مورد نیاز جهت توربین گاز می‌بایست کاملاً تمیز بوده و از ذرات معلق در فضای اطراف خود پاک باشد. در محیط، معمولاًً ذرات معلق زیادی وجود دارد که به نسبت ارتفاع از سطح زمین قطر آنها کمتر می‌شود. وجود این ذرات در مسیر عبور خود از توربین گاز مشکلات زیادی را برای کارکرد دستگاه بوجود می آورند. از این‌رو ، تمامی توربین های گاز مجهز به سامانه های فیلتر متعددی جهت تمیز کردن این هوای ورودی هستند که به مجموعه آنها Air Intake گفته می شود.

در این سامانه‌ها چند ردیف فیلترهای مختلف جهت جلوگیری از ورود قطعات بزرگ تا کوچک وجود دارد كه بطور كلی شامل سه ردیف می‌باشند:
1-ردیف اول؛ فیلترهای توری با مش بزرگ
2- ردیف دوم؛ فیلترهای فلزی
3- ردیف سوم؛ فیلترهای اصلی كه عمدتاً كاغذی یا پارچه‌ای هستند

در بعضی از توربین‌ها به منظور پاك‌كردن فیلترهای ردیف دوم از Pulse Filter Fan ها استفاده می‌گردد كه با اعمال ضربه‌هایی به این فیلترها سبب می‌گردند تا سطوح فیلترها پاك شوند.

همچنین در ورودی هوا سیستم‌های مختلفی وجود دارند كه از آن میان می‌توان به سیستم‌های Fog و Anti Icing نام برد.

2- كمپرسور
با توجه به وظیفه اصلی یک توربین گاز که عبارت است از تبدیل انرژی نهفته در سوختهای فسیلی به انرژی مکانیکی و کار، به منظور فراهم نمودن شرایط ایده‌ال برای واکنش‌های احتراق و ترکیب کامل اکسیژن با سوخت، اطاق احتراق، نیاز به حجم زیادی از هوای فشرده دارد، که این هوا توسط یک کمپرسور تامین می‌گردد.
کمپرسورهای مورد استفاده در توربین گاز هوا را از اتمسفر مکیده و فشار آن را تا چندین برابر فشار اتمسفر بالا می برند. دو نوع متداول از کمپرسورها، برای فشرده‌سازی هوا در توربینها استفاده می‌شوند كه عبارتند از كمپرسورهای سانتریوفوژ و جریان محوری كه تفاوت ظاهری این دو نوع، مربوط به جهت جریان هوای عبوری از درون آنها می‌باشد. در کمپرسور سانتریفوژ، جهت حرکت هوا عمود بر امتداد ورود هوا و در کمپرسورهای جریان محوری، این جریان موازی جریان‌های ورودی می‌باشد.

الف- کمپرسور سانتریفوژ
در این نوع کمپرسورها، هوا از مرکز پروانه یا چشم آن، به درون کشیده می‌شود و پروانه، هوا را به اطراف پرتاب می‌کند.

جهت جریان هوا در كمپرسور سانتریفوژ

بخشهای اساسی این نوع کمپرسورها شامل چشمه ورودی، پروانه، دیفیوزر و مجرای خروج می‌باشد.

به طور کلی در اینگونه کمپرسورها، هوا از میان پروانه عبور کرده و بوسیله چرخش سریع پره‌های پروانه، سرعت، فشار و بهعبارت دیگر انرژی آن آن افزایش می‌‌یابد‌.

فشار هوا پس از خارج شدن از پروانه و در طی عبور از دیفیوزر به مقدار قابل توجهی افزایش می‌یابد. در واقع نقش دیفیوزر كاستن سرعت هوا و افزایش فشار آن می‌باشد.
پروانه کمپرسور ممکن است هوا را از یک جهت و یا از دو جهت بمکد. پروانه تک ورودی، به راحتی جریان را به درون مسیرهای ورودی هدایت می‌کند، در حالیکه پروانه با دو ورودی، از مکانیزم هدایت پیچیده‌تری، برای هدایت هوا به قسمتهای داخلی کمپرسور استفاده می‌کند.

كمپرسور سانتریوفوژ با پروانه تك ورودی

ب-کمپرسور جریان محوری
در کمپرسورهای جریان محوری، هوا موازی با محور چرخنده کمپرسور، وارد آن شده و هم جهت با آن، ادامه مسیر داده و از آن خارج می‌شود.
دو عنصر اصلی کمپرسورهای محوری، روتور و استاتور آن می‌باشد. بر روی روتور و استاتور پره‌هایی وجود دارند كه به پره‌های روتور یا متحرك و استاتور یا ثابت موسوم هستند. در كنار هر ردیف پره‌های متحرك یك ردیف پره‌های ثابت وجود دارد. به مجموع یك ردیف پره‌های متحرك و یك ردیف پره‌های ثابت، یك مرحله كمپرسور می‌گویند. عموماً این كمپرسورها دارای چندین مرحله می‌باشند.

در هر مرحله هوای ورودی در ابتدا با پره‌های متحرك برخورد می‌كند. پره‌های متحرك ضمن به جلو راندن هوا، باعث افزایش سرعت و فشار آن نیز می‌گردند. هوای خروجی از پره‌های متحرک وارد پره‌های ثابت می‌گردد. پره های ثابت دارای شكل واگرا بوده و علاوه بر تصحیح مسیر حرکت هوا در جهت محور کمپرسور، سبب تبدیل سرعت سیال به فشار می‌گردد.در بعضی از کمپرسورهای محوری، یك یا چند ردیف پره‌های ثابت با زاویه متغیر وجود دارد كه اصطلاحاً Nozzle Guide Vane (NGV) یا Inlet Guide Vane (IGV) نامیده می‌شوند. این پره‌ها در هنگام عملیات عادی با تغییر زاویه، میزان هوای ورودی به توربین را جهت ثابت نگه‌داشتن دما كنترل می‌نماید. تغییرات دما در محفظه احتراق به دلایل زیادی از جمله تغییر ارزش حرارتی سوخت، تغییر دمای محیط، تغییرات میزان بار و ... می‌تواند اتفاق بیافتد.سرج (Surge) و استال (Stall) دو پدیده مخرب در كمپرسورها محسوب می‌گردند كه در نرم‌افزار توربین‌های گازی در این خصوص توضیحاتی همراه با انیمیشن سه بعدی ارائه گردیده است.

در كمپرسورها علاوه بر پره‌های با زاویه حمله متغیر از بلید ولوها (Blade Valve) یا بلوآف ولوها (Blow Off Valve) نیز برای جلوگیری از بروز پدیده‌های سرج و استال بهره گرفته می‌شود.

3-محفظه احتراق
در تمام توربین‌های گازی، واكنش احتراق یا آزاد سازی انرژی نهفته در سوخت، در محفظه و یا اطاقهای احتراق انجام می‌شود. در این فرایند که در فشار ثابت انجام می‌پذیرد، انرژی آزاد شده به شکل انرژی گرمایی از اطاق احتراق خارج می‌شود. در حقیقت وظیفه اصلی یک اطاق احتراق دریافت هوای فشرده‌شده از خروجی کمپرسور و انجام عمل احتراق کامل روی سوخت‌های وارد شده به آن، به شکل مداوم است.

محفظه احتراق در توربین گاز

بطور کلی یک اطاق احتراق از سه قسمت اصلی نازلهای سوخت پاش، محفظه احتراق و قطعه و یا قطعات انتقال دهنده گازهای داغ تشکیل شده است.

در هر محفظه احتراق سه منطقه قابل تشخیص است.
•منطقه مخلوط كردن سوخت و هوا یا Mixing Zone 
•منطقه اشتعال یا Combustion Zone
•منطقه رقیق كردن گازهای حاصل Dilution Zone

وظیفة اصلی نواحی اختلاط و اشتعال، تشکیل و برقراری شعله و تأمین همزمان، دما و تلاطم مناسب جهت رسیدن به احتراق کامل در حضور مخلوط سوخت و هوا است. در این ناحیه، چرخش یا سیرکولاسیون در بخشی از گازهای داغ به منظور اشتعال پیوسته در سوخت و هوای ورودی صورت می پذیرد. برخی از محفظه های احتراق شامل سوئیرلر هوا (Air swirler) جهت ایجاد جریان پیچشی است. پس از مخلوط شدن هوا و سوخت توسط هوای به دوران در آمده ، شعله توسط جرقه‌زنهای ثابت و یا موقت بر قرار می شود. پس از برقراری شعله ، مخلوط هوا و سوخت بطور كامل مشتعل شده و دمای سیال بشدت بالا می رود

4-توربین
هدف اصلی در یک توربین گاز، تبدیل انرژی نهفته در سوخت‌های فسیلی به انرژی مكانیكی و كار می‌باشد. این تبدیل در قسمتی از توربین‌گاز به نام توربین اتفاق می‌افتد. در این قسمت بخش اعظمی از انرژی گازهای حاصل از احتراق گرفته می‌شود و این انرژی به محور توربین گاز انتقال داده می‌شود. در واقع، توربین قسمتی است كه بعد از محفظه احتراق قرار گرفته و وظیفه تبدیل انرژی گرمایی گازهای خروجی از محفظه احتراق را به انرژی مكانیكی و كار بر عهده دارد.

دو نوع متداول از این توربینها وجود دارند: توربینهای با جریان گردشی و توربین‌های با جریان محوری كه تفاوت اصلی آنها در جهت عبور سیال از آنها می‌باشد. در واقع در توربین‌های با جریان گردشی جهت حركت گازهای خروجی عمود بر امتداد ورود گازهای داغ و در توربین‌های با جریان محوری، این جهت، موازی گازهای داغ ورودی می‌باشد. به عبارت دیگر در توربین‌های با جریان گردشی، جریان گازها از مركز محور توربین به سمت بیرون و شعاعی می‌باشد كه باعث حركت و چرخش توربین می‌شود. در حالیكه در توربین‌های با جریان محوری، گازها در موازات محور مركزی توربین وارد می‌شوند و با برخورد به پره‌ها باعث چرخش آنها شده و سپس بدون تغییر مسیر از توربین خارج می‌شوند.

الف-توربین‌های سانتریوفوژ
این توربین‌ها در مقایسه با توربین‌های با جریان محوری، بسیار ساده‌تر و ارزان‌تر می‌باشند. این نوع توربین به جهت طراحی و ساخت، بسیار شبیه به كمپرسورهای سانتریفیوژ هستند كه در بخش كمپرسورهای این نرم افزار آورده شده است.از این نوع توربین‌ها، معمولا در توربین‌های‌گاز كوچك که برای فشرده کردن سیالات گوناگون و یا سایر سامانه‌های انتقال‌دهنده سیالات كاربرد دارند، استفاده می‌شود.

ب-توربین‌های محوری
توربین‌های محوری از دو قسمت اصلی پره‌های ثابت و پره‌های متحرک تشكیل شده‌اند. توربین‌های محوری میتوانند، یک مرحله و یا چند مرحله داشته باشند. در هر مرحله از توربین، دوجزء اصلی وجود دارد كه عبارتند از: ابتدا پره های ثابت وسپس پره های متحرک. در هر مرحله از توربین ، گازهای داغ حاصل از احتراق پس از برخورد به پره‌های ثابت که به شکل نازل نیز هستند، تغییر مسیر می‌دهند و علاوه بر کاهش فشار گازهای عبور و افزایش سرعت آنها، در زاویه‌ای مناسب به پره‌های روتور برخورد می‌كنند و باعث چرخش آن می‌شوند. این چرخش باعث حركت و گردش محور توربین شده و تولید كار می‌كند.

5-اگزوز
گازهای داغ در عبور از مراحل مختلف توربین تمامی انرژی فشاری و مقدار زیادی از انرژی حرارتی خود را از دست می دهند. توربین های گازی عموما به شکلی طراحی می شوند که فشار گازهای داغ در خروجی توربین و پس از آخرین پره متحرک اندکی از فشار اتمسفر کمتر است. لذا برای غلبه بر فشار محیط و خروج از طریق اگزوز یک مجرای واگرا در خروجی توربین گاز، بین توربین و اگزوز، وجود دارد. در این مجرای واگرا با استفاده از سرعت سیال و تبدیل آن به فشار، بر فشار محیط غلبه کرده و از این طریق گازهای خروجی که دارای دمای نسبتاً بالایی هستند از طریق اگزوز به اتمسفر اطراف فرستاده می شود.?

این نرم‌افزار شامل مجموعه مباحث ذیل می باشد:
1.مقدمه
2.اصول و مبانی عملكرد
3.ساختمان و اجزاء: شامل قسمت‌های ذیل:
               ورودی هوا (Air Intake)
               اجزاء داخلی (كمپرسور، محفظه احتراق و توربین)
               اگزوز
4.سامانه‌ها یا سیستم‌ها: شامل قسمت‌های ذیل:
               سیستم راه‌اندازی اولیه
               سیستم سوخت‌رسانی
               سیستم كنترل و حفاظت
               سیستم روغن‌كاری
               سیستم شستشوی كمپرسور
               سیستم كوپلینگ
5.بهره برداری؛ شامل قسمت‌های ذیل:
               بازرسی‌های قبل از راه‌اندازی
               راه اندازی
                بارگذاری
                از سرویس‌خارج كردن
6.عیوب و نحوه تشخیص
7.تصاویر سه بعدی
8.تعاریف و اصطلاحات
9.خودآزمایی