1-2 : نیروگاه گازی:

نیروگاه های گازی، کاربردهای ویژه ای دارند. نیروگاه گازی به نیروگاهی می گویند که برمبنای سیکل گاز ( سیکل برایتون) کارمی کند؛ و ازسیکل های حرارتی می باشد، یعنی سیال عامل کار یک گاز است (عامل انتقال وتبدیل انرژی گازی است، مثلاً هوا). درنیروگاه های بخار عامل انتقال بخارمایع می باشد. نیروگاه گازی دارای توربین گازی است،یعنی باسیکل رایتون کارمی کند.ساختمان آن درمجموع ساده است : 1- کمپرسور: وظیفه فشرده کردن هوا را برعهده دارد.2- اتاق احتراق : وظیفه سوزاندن سوخت درمحفظه را دارد.3- توربین: وظیفه گرداندن ژنراتور را دارد. کمپرسور به کاررفته درنیروگاه های گازی شبیه توربین است، دارای رتوری است که برروی این رتور پره متحرک است، هوا به حرکت درآمده وبه پره های ساکنی برخوردکرده ، درنتیجه جهت حرکت هوا عوض شده واین هوا بازبه پره های متحرک برخورد کرده واین سیکل ادامه دارد ودرهرعمل هوا فشرده ترمی شود. کمپرسور مصرف کننده عظیم انرژی است. هوای فشرده گرم است .هوای فشرده کمپرسور وارد اتاق احتراق که دارای سوخت گازوئیل است می شود. چون هوای فشرده شده گرم است ودر اتاق احتراق سوخت آتش گرفته و هوافشرده وداغ می شود، هوای داغ فشرده کارهمان بخارداغ فشرده توربین های بخار را انجام می دهد. هوای داغ فشرده رابه توربین می دهیم،(توربین دارای پره های متحرک وساکن است)، (پره های ثابت چسبیده به استاتور می باشد، پره های متحرک چسبیده به رتور می باشد).حال ژنراتور رامی توان به محور وصل کرده واز ترمینال های ژنراتور می توان برق گرفت. طول نیروگاه ممکن است به 20متر برسد. ژنراتور را می توان به محل B ویا A متصل نمود ؛ اما محل A بهتراست. نیروگاه های گازی از 1Mw وتا بالای 100Mw نیز ساخته می شود. برای راه اندازی واستارت نیروگاه درابتدا نیاز به یک عامل خارجی است تا توربین رابه سرعت 3000 دور در دقیقه برساند.

1-2-1 : مزایای نیروگاه گازی:1- سادگی آن است – تمام آن روی یک شافت سوار است. 2- ارزان است، چون تجهیزات آن کم است. یکی از عواملی که برروی راندمان(بازده) تأثیرمی گذارد این است که هوای ورودی چه دمایی دارد.3- سریع النصب است.4- کوچک است. درسکوهای نفتی که نیاز به برق زیادی می باشد بایدازنیروگاه گازی استفاده کرد، تاجای کمتری بگیرد. 5- احتیاج به آب ندارد. ( درسیکل اصلی نیروگاه نیاز به آب نیست) اما درتجهیزات جنبی نیازبه آب است برای خنک کردن هیدروژن به کاررفته جهت سردکردن ژنراتور درسرعت های بالا. 6- راه اندازی این نیروگاه سریع است. 7- پرسنل کم می خواهد. زمانی نیروگاه گازی خاموش است که دراتاق احتراق سوخت نباشد. یک نیروگاه بخار را بعد از راه اندازی نباید خاموش کرد. 8- اما نیروگاه گازی بدین صورت است که صبح می توان روشن کرد و آخرشب خاموش نمود .9- نیروگاه گازی بسیارمناسب برای بارپیک است ونیروگاه بخاربرای بارپیک نامناسب است.

1-2-2 : معایب نیروگاه گازی: 1. آلودگی زیست محیطی زیاد دارد.2. عمر آن کم است. (به علت فرسودن توربین و کمپرسور). سوخت مازوت به علت آلودگی بیشتری که نسبت به سوخت گازوئیل دارد، کمتربه کارمی رود.3. استهلاک آن زیاداست. (پره توربین، پره کمپرسور دارای استهلاک است) 4. راندمان آن کم است. ( مصرف سوخت آن نسبت به انرژی تولیدی زیاد است). این نقصی است که کشورهای اروپایی با آن مواجه اند. دلایل راندمان پایین :1-4- خروج دود بادمای زیاد 2-4- حدود 3/1 توان توربین صرف کمپرسور می شود . بنابراین درنیروگاه گازی برای استفاده درازمدت اصلا جایزنیست چراکه هزینه مصرف سوخت گران است.5. امکان استفاده ازسوخت جامد فراهم نیست. (مانند زغال سنگ) چراکه بلافاصله پره های رتور پرازدود می شود.6- نیروگاه های گازی را اگربخواهیم برای مدت طولانی استفاده کنیم ، هزینه نیروگاه گازی بالا ست. نیروگاه گازی را در جایی استفاده باید کرد که زمان بهره برداری زیر2000 ساعت در سال باشد. اگرزمان بهره برداری بالای 2000 ساعت باشد، نیروگاه بخار و اگر زمان بهره برداری درسال بالای 5000 ساعت باشد، نیروگاه آبی استفاده می شود. درکشورما برق عمده مصرفی برق خانگی است (60%) وحدود 30 % برق صنعتی است. درنتیجه 50 % نیروگاه های کشور باید هرشب روشن شود؛ بنابراین قسمت عمده برق تولیدی ماباید ازنوع نیروگاه گازی باشد. نیروگاه گازی رابه دلیل ارزانی درکارخانجات نیز می توان به کاربرد. نیروگاه گازی در نیروگاه اتمی نیز جهت سردکردن رآکتور به کارمی رود که درنتیجه هوا داغ و فشرده می شود و درنتیجه به نیروگاه گازی داده و برق مصرفی نیروگاه اتمی راتأمین می کنند. روش های افزایش راندمان در نیروگاه گازی:1- دود خروجی هوای ورودی به اتاق را گرم می کند. (سیکل پیچیده ترشده اما راندمان بالا می رود.) حالت اول: دود با هوای ورودی کمپرسور کناریکدیگر قرارداده دراین صورت راندمان تجهیزات به شدت افت می کند.حالت دوم: باروش ذیل راندمان 1 الی 2 درصدقابل افزایش است. ( هوای ورودی به اتاق احتراق گرم می شود).2- استفاده از توربین های دو مرحله ای:زیاد شدن راندمان مستلزم مخارج و صرف هزینه نیز می باشد. در استفاده از کمپرسور دومرحله ای هر چه دمای ورودی کمپرسور پایین تر باشد، راندمان بیشتراست. با این روش دمای ورودی کمپرسور به طور مصنوعی پایین نگه داشته می شود درمرحله L P به دلیل بالارفتن فشار هوا گرم می شود که ازکولر استفاده می کنند، آب سرد برروی لوله فشارهوا ریخته وهواخنک کرده آب گرم می شود وخارج می شود. بالاترین راندمان چیزیست درحدود 35% که نیروگاه دارای کمپرسور دومرحله ای توربین دو مرحله ای وپیش گرم کن می باشد.

1-2-3 : سیکل بسته گازی:نیروگاه گازی به این معنا نیست که سوخت آن گازاست، بلکه توربین آن گازی است و سوخت آن مایع است یا گازوئیل است که اکثرا گازوئیل است. درکشورما به دلیل زیاد بودن سوخت گازوئیل، نیروگاه گازی باسوخت گازوئیل به کار می رود و مرسوم است اما درکشورهای اروپایی به دلیل زیادبودن سوخت جامد، نیروگاه گازی به نحو دیگری طراحی شده که باسوخت جامد کارمی کند ، به این نیروگاه ها، نیروگاه گازی سیکل بسته می گویند. هوای داغ ناشی ازاحتراق راداخل گرم کن می چرخانیم و بعد هوا را بیرون می فرستیم. ملاحظه می شود که هوای داغ ناشی از احتراق داخل توربین می شود. لذامی توان ازسوخت جامد استفاده کرد که این نوع ساده ترین نوع نیروگاه گازی سیکل بسته می باشد. می توان سیکل فوق را کامل تر کرد. اگر هوای ورودی به کمپرسور تصفیه شده باشد، پره های توربین دارای عمرزیادی خواهد بود. مشکل ایجاد این است که هوای خارج شده ازتوربین به دلیل تصفیه بودن باید استفاده شود، پس هوای خروجی ازتوربین را استفاده می کنیم، اما این هوا داغ است و گاز وارد کمپرسور شود راندمان افت می کند. لذا از کولراستفاده می کنیم وهوا راسرد می کنند. در نیروگاه گازی هرچه هوای ورودی به کمپرسور سردتر باشد، راندمان افزایش می یابد. لذا نیروگاه های گازی درزمستان راندمان بهتری دارند.

1-2-4 : محاسن نیروگاه های گازی سیکل بسته:

1- امکان استفاده ازسوخت جامد فراهم می شود.

2- عمرزیاد (خوردگی پره ها کم است).3- چون سیکل بسته است، لذا ضرورت ندارد که فشارهوای خروجی توربین 1Atm باشد، پس می توان سطح کارفشار هوا را بالا برد، به جای 1Atm از 10Atm که چون هوای فشرده ترشده، جای کمتری گرفته وحجم کمپرسور وتوربین درنهایت کوچک ترمی شود.

1-2-5 : معایب نیروگاه گازی سیکل بسته:

1- راندمان درمقایسه باسیکل باز کمتر است. 4 الی 5 درصد راندمان کاهش می یابد. 2- هزینه زیاد است. درسوخت مایع نیروگاه های گازی سیکل بسته ، اجازه داریم توربین را دو قسمتی بسازیم. کمپرسورهوا را گرفته و داخل اتاق احتراق می سوزاند، هوای خروجی آن را وارد گرم کن می کنیم که خود گرم کن یک سیکل بسته راتشکیل می دهد. توربین کمکی قدرت لازم از ژنراتور کوچک درقسمت توربین کمکی به کاربرد.معایب نیروگاه گازی سیکل باز: 1- قدرت کمپرسور خیلی ازانرژی توربین رامی گیرد وهمچنین دود خروجی داغ است (300C) در نتیجه سوخت ایجاد شده به هدرمی رود، لذا راندمان کاهش می یابد.2- استفاده از نیروگاه سیکل ترکیبی (نیروگاه گازی درکنار نیروگاه بخار). هوای گرم خروجی ازتوربین رابا اضافه کردن اکسیژن به آن به طرف بویلر نیروگاه بخار برده می شود.3- راندمان این قبیل نیروگاه ها50 % می باشد.

1-2-6 : توربینهای گازی :همانطور که بیان گردید از این تجهیزات در نیروگاهها برای تولید برق ( معمولا برای جبران بارپیک) موتورهای جلوبرنده (هواپیما ,کشتیها و حتی خودروها) , در صنایع نفت و گاز برای به حرکت درآوردن پمپها و کمپرسورها در خطوط انتقال فراورده ها و… استفاده می شود که امروزه کاربرد توربینهای گازی در حال گسترش می باشد . 1-2-7 :اجزای توربینهای گازی : به طور کلی کلیه توربینهای گازی از سه قسمت تشکیل می شوند : 1.کمپرسور 2.محفظه احتراق 3.توربین که بنا به کاربرد قسمتهای دیگری نیز برای افزایش راندمان و کارایی به آنها اضافه می شود . به عنوان مثال در برخی از موتورهای هواپیماها قبل از کمپرسور از دیفیوزر و بعد از توربین از نازل استفاده می شود . که دراین رابطه بعدها مفصلاً بحث خواهد گردید سیکل توربینهای گازی : سیکل ترمودینامیکی توربینهای گازی سیکل استاندارد هوایی یا برایتون می باشد که در حالت ایده ال مطابق شکل زیر شامل دو فرایند ایزنتروپیک در کمپرسور و توربین و دو فرایند ایزو بار در محفظه احتراق و دفع گازهامیباشد.سیکلهای توربینهای گازی در دونوع باز و بسته می باشند . در سیکل باز  گازهای خروجی از توربین به درون اتمسفر تخلیه می شوند که این سیکل بیشتر در موتورهای هواپیما مورد استفاده قرار می گیرد . در نوع بسته که عمدتاً در نیرو گاههای برق مورد استفاده قرار می گیرد گازهای خروجی از توربین ( مرحله 4) از درون بخش دفع گرما (cooler ) عبور کرده و بعد از خنک شدن مجددا وارد کمپرسور گردیده و سیکل تکرار می شود . همانطورکه قبلا بیان گردید توربینهای گازی از نظر کاربردی به دو گروه صنعتی و هوایی تقسیم می شوند که نوع اول در صنعت و نوع دوم در هوانوردی مورد استفاده قرار می گیریند . که ذیلا در ارتباط با هرکدام از آنها بحث خواهیم نمود .

1-2-8: توربینهای گازی صنعتی : منظور از توربینهای گازی صنعتی اشاره به کاربرد آنها غیر از بخش هوانوردی می باشد .توربینهای گازی که در صنعت برق مورد استفاده قرار می گیرند دارای ظرفیتهای متفاوتی می باشند که شکل قبل نوعی از این توربینها با ظرفیت 400 مگاوات را نشان می دهد. توربینهای گازی هوایی یا موتورهای جتهمانطور که گفته شد سیکل توربینهای گازی موتورهای هواپیما شبیه به توربینهای گازی صنعتی می باشد بجز اینکه قبل از ورود هوا به کمپرسور از یک دیفیوزر و بعداز توربین از یک نازی برای بالا بردن سرعت گازهای خروجی و حرکت هواپیما به سمت جلو استفاده می کنند . این گازهای پرسرعت بر هوای خارج از موتور نیرویی وارد می کنند که طبق قانون سوم نیوتن نیروی عکس العمل آن سبب حرکت هواپیما به سمت جلو می شود . شایان ذکر است که نازل در هواپیماهای جت از نوع متغیر می باشد . یعنی دهانه آن با توجه به دبی (گذرجرمی) گازهای خروجی قابل تغییرو تنظیم است .

موتورهای هواپیما انواع مختلفی دارند که به دو سته کلی تقسیم می شوند : 1-موتورهای پیستونی : که از نظر کاری شبیه به موتور خودروها می باشند.

2-موتورهای توربینی : این موتورها به سه دسته کلی توربوجت, توربوفن و توربوپراپ تقسیم بندی می شوند. توربوجتها اولین موتورهای جت می باشند که امروزه به دلیل مسائلی مثل صدای زیاد و آلودگی محیط زیست بجز در موارد خاص استفاده ای از انها نمی شود . توربوفنها نوع پیشرفته موتورهای توربوجت هستند . به این صورت که ردیف اول کمپرسور در این موتورها به عنوان فن عمل کرده و مقداری از هوای ورودی به موتور را از اطراف موتور by pass کرده که این عمل علاوه بر افزایش نیروی جلوبرندگی باعث کاهش صدا,آلودگی محیطی و … می شود . در موتورهای توربوفن با اتصال یک ملخ به گیربکس و سپس به کمپرسور , نیروی جلوبرندگی ایجاد می شود . در این حالت سعی می شود که بیشترین انرژی جنبشی گازها صرف چرخاندن توربین و از آنجا کمپرسور و در نتیجه ملخ شود . وجود گیربکس به این خاطر است که سرعت دورانی ملخ از حد معینی تجاوز نکند . یعنی باید سرعت انتهای ملخ از عدد ماخ کوچکتر باشد . زیرا سرعتی بیش از این سبب ایجاد ارتعاشات شدید و در نتیجه شکستگی ملخ می شود. موتورهای توربوشفت نیز نوعی موتور توربوپراپ می باشند که از آنها جهت به حرکت درآوردن هلیکوپترها استفاده می شود .بطور کلی موتورهای توربوپراپ بدلیل اینکه در ارتفاع پروازی کم از قدرت زیادی برخوردار هستند از آنها در هواپیماهای ترابری استفاده می شود ( مثل C130 )

1-2-9 : کمپرسور ها (Compressors)

ماشین هایی که جذب کننده قدرت مکانیکی هستند و این قدرت را به صورت های مختلفی از قبیل انرژی حرارتی،انرژی جنبشی و یا پتانسیل به سیال اعمال می کنند طیف وسیعی را شامل می شوند از قبیل : فن ها، دمنده ها و کمپرسور ها .یکی از موارد استفاده از کمپرسور ها، جهت افزایش فشار گازها تا یک حد معین برای کاربرد های صنعتی می باشد.

شکل1-2 :سیکل نیروگاه گازی

1-2-10 : تقسیم بندی کلی کمپرسور ها :از عمده معیار های تقسیم بندی کمپرسور ها، می توان به تقسیم بندی بر اساس مکانیزم و اصول کارکرد و نحوه اعمال انرژی به سیال، اشاره داشت که بر این اساس تقسیم بندی های زیر را برای کمپرسور ها خواهیم داشت : 1) کمپرسور های رفت و برگشتی یا جابجایی مثبت یا جریان منقطع2) کمپرسور های سانتریفیوژ یا دینامیک یا جریان پیوستهتفاوت های مهم این دو گروه فوق را می توان در موارد زیر خلاصه کرد :1) کمپرسور های رفت و برگشتی برای فشارهای زیاد و متوسط و شدت جریان های پایین به کار می رود در حالیکه کمپرسور های سانتریفیوژ برای فشارهای متوسط و پایین یا جریان های متوسط و بالا به کار می رود.2) فشارهای ایجاد شده در کمپرسور های سانتریفیوژ مقدار محدود و مثبتی دارد در حالیکه، در کمپرسور های رفت و برگشتی این فشارها می تواند متغیر و قابل تنظیم بوده و اصولا تابع نیاز سیستم می باشد.3) همان طوری که از نام گذاری این دو گروه ملاحظه می شود جریان در کمپرسور های رفت و برگشتی ناپیوسته بوده، به گونه ای که مقداری گاز به درون کمپرسور کشیده شده و عمل تراکم روی آن انجام می شود، سپس تخلیه شده و دوباره سیکل تکرار می گردد. ولی در کمپرسور های سانتریفیوژ سیکلی وجود نداشته و جریان پیوسته و ممتد می باشد.4) کمپرسور های دینامیکی (سانتریفیوژ) بر اساس نیروی گریز از مرکز که روی قطعه ای به نام پره اعمال می کند، ایجاد انرژی می نماید و این انرژی که از نوع انرژی جنبشی می باشد در خروجی کمپرسور، به فشار مبدل می شود در حالیکه کمپرسور های رفت و برگشتی مستقیما فشار گاز را توام با کاهش حجم، افزایش می دهند.

1-2-11 : کاربرد کمپرسور ها :بطور کلی کمپرسور ها جهت افزایش فشار سیالات قابل تراکم (گاز و بخار) تا یک حد معین، مورد استفاده قرار میگیرد.این فشار ممکن است نیازهای مختلفی را تأمین کند از قبیل: غلبه بر اصطکاک و تلفات مسیر، تاثیر در یک واکنش معین در نقطه تحویل گاز و بهبود خواص ترمودینامیکی گاز .به بیان ساده تر، کمپرسور ها کاری مشابه پمپ ها دارند با این تفاوت که سیال آنها بخار یا گاز می باشد. گازهای جابجا شده بوسیله کمپرسور از نقطه نظر وزن ملکولی و دیگر خواص شیمیایی و فیزیکی دامنه وسیعی را تشکیل میدهند ولی امروزه از سبک ترین تا سنگین ترین گازها توسط کمپرسور های گوناگون جابجا می شوند صنایع و زمینه های متعددی وجود دارند که در هر کدام از آنها نیازهای بخصوصی با انتخاب کمپرسور های مناسب تأمین میگردد که این زمینه ها عبارتند از:1) تهویه ساختمان، تونل ها، معادن و کوره ها 2) تأمین هوای فشرده جهت احتراق در ماشینهای احتراق داخلی و دیگ های بخار3) انتقال انواع گازها4) تأمین فشار مخازن ذخیره تحت فشار5) تزریق گاز به میدان های نفتی6) سیستم های تبرید7) فرآیند های شیمیایی و تصفیه گازها1-2-12 : کمپرسور های دینامیک (Dynamic Compressors)که شامل انواع زیر می شود :1) کمپرسور های گریز از مرکز (Centrifugal Compressors)2) کمپرسور های محوری (Axial Compressors)3) کمپرسور های جریان مختلط (Diagonal Or Mixed Flow Compressors)

1-2-13 : کمپرسور های جا به جایی مثبت (Positive Displacement Compressors)این کمپرسور ها شامل انواع زیر می شود :1) کمپرسور های رفت و برگشتی (Reciprocating Compressors)2) کمپرسور های دوار یا گردشی (Rotary Compressors)

 

– اکنون به تعریف برخی از این کمپرسور ها می پردازیم :

1-2-14 : کمپرسور های گریز از مرکز (Centrifugal Compressors)هر جا که ظرفیت و قدرت بالا مد نظر باشد بدون شک کمپرسور های سانتریفیوژ حرف اول را می زنند. از نظر تعداد مورد استفاده در صنعت نیز این ماشین ها با نوع رفت و برگشتی در مقام دوم هستند. راندمان آن ها در مقایسه با کمپرسور های رفت و برگشتی پایین بوده و لذا منبع انرژی را طلب می کنند. اصول کار در این کمپرسور ها بدین شکل است که افزایش فشار با شتاب گیری جریان گاز، در حرکت شعاعی در طول پره ها و تبدیل انرژی سرعت گاز به انرژی فشاری در عبور از دیفیوزر صورت می گیرد. این کمپرسور ها شامل قسمت های زیر هستند : 1) پوسته (Shell) ، 2) دیافراگم ها و دیفیوزر ها ، 3) آب بندی شانه ای ( Labyrinths) ،4) پره ها (Impellers) « کمپرسور های جریان مختلط (Diagonal Or Mixed Flow Compressors)»کمپرسور های جریان مختلط یا قطری یا جریان محوری و شعاعی، مشابه کمپرسور های گریز از مرکز هستند. یعنی سیال موازی محور وارد چرخ می گردد و به طور مایل نسبت به محور از چرخ خارج می شود. در این کمپرسور ها دیفیوزر اغلب برای تبدیل جریان قطری به جریان محوری به کار می رود. کمپرسور های جریان مختلط دارای قطر دیفیوزر کمتری نسبت به کمپرسور های گریز از مرکز هستند. در این نوع کمپرسور ها متوسط شعاع خروجی بیش از ورودی است. تا کنون تعداد بسیار کمی از کمپرسور های پژوهشی جریان مختلط در سراسر جهان تست شده اند.این کمپرسور ها در ایالات متحده به کمپرسور های قطری(Diagonal Compressors) معروفند.« کمپرسور های رفت و برگشتی (Reciprocating Compressors)»کمپرسور های رفت و برگشتی قدیمی ترین و رایج ترین نوع کمپرسور ها بوده و عمل تراکم گازها با کاهش اجباری حجم توسط حرکت پیستون در داخل یک سیلندر صورت می گیرد.ورود گاز به سیلندر و خروج از آن به وسیله سوپاپ ها بر اساس اختلاف فشار ما بین خط لوله و درون سیلندر، باز و بسته می شوند.مشخصه بارز کمپرسور های رفت و برگشتی، امکان استفاده از آنها برای چندین سرویس در یک دستگاه واحد می باشد. مثلا از یک سیلندر برای کمپرس کردن پروپان و از سیلندرهای دیگر برای کمپرس گازهای دیگر می توان استفاده کرد.

---