بهره برداری از نیروگاه ها و تأسیسات گاز و نفت

نیروگاه های توربین گازی چگونه کار می کنند

توربین های احتراق (گاز) که در بسیاری از نیروگاه های امروزی با سوخت گاز طبیعی نصب می شوند، ماشین های پیچیده ای هستند، اما اساساً شامل سه بخش اصلی می شوند:

•  کمپرسور که هوا را به داخل موتور می‌کشد، آن را تحت فشار قرار می‌دهد و با سرعت صدها مایل در ساعت به محفظه احتراق می‌رساند.
• سیستم احتراق، معمولاً از حلقه‌ای از انژکتورهای سوخت تشکیل شده است که جریان ثابتی از سوخت را به داخل اتاقک‌های احتراق تزریق می‌کند، جایی که با هوا مخلوط می‌شود. این مخلوط در دمای بیش از 2000 درجه فارنهایت می سوزد. احتراق یک جریان گاز با دمای بالا و فشار بالا ایجاد می کند که وارد بخش توربین شده و منبسط می شود.
• توربین آرایه‌ای پیچیده از پره‌های متناوب ثابت و دوار با بخش هوافیل است. همانطور که گاز احتراق داغ از طریق توربین منبسط می شود، پره های دوار را می چرخاند. تیغه های دوار عملکرد دوگانه ای دارند: کمپرسور را به حرکت در می آورند تا هوای تحت فشار بیشتری را به قسمت احتراق بکشد و ژنراتور را برای تولید برق می چرخانند.

Land based gas turbines are of two types: (1) heavy frame engines and (2) aeroderivative engines. Heavy frame engines are characterized by lower pressure ratios (typically below 20) and tend to be physically large. Pressure ratio is the ratio of the compressor discharge pressure and the inlet air pressure. Aeroderivative engines are derived from jet engines, as the name implies, and operate at very high compression ratios (typically in excess of 30). Aeroderivative engines tend to be very compact and are useful where smaller power outputs are needed.  As large frame turbines have higher power outputs, they can produce larger amounts of emissions, and must be designed to achieve low emissions of pollutants, such as NOx.

یکی از کلیدهای راندمان سوخت به قدرت توربین دمایی است که در آن کار می کند. دماهای بالاتر به طور کلی به معنای راندمان بالاتر است که به نوبه خود می تواند منجر به عملکرد اقتصادی تر شود. گازی که در یک توربین معمولی نیروگاه جریان دارد می‌تواند تا دمای 2300 درجه فارنهایت گرم باشد، اما برخی از فلزات حیاتی در توربین می‌توانند دمایی بین 1500 تا 1700 درجه فارنهایت را تحمل کنند. بنابراین، هوای کمپرسور ممکن است برای خنک‌سازی استفاده شود. اجزای کلیدی توربین، کاهش بازده حرارتی نهایی.

یکی از دستاوردهای اصلی برنامه توربین پیشرفته وزارت انرژی، شکستن محدودیت های قبلی در دمای توربین، با استفاده از ترکیبی از فن آوری های خنک کننده نوآورانه و مواد پیشرفته بود. توربین‌های پیشرفته‌ای که از برنامه تحقیقاتی وزارتخانه پدید آمدند توانستند دمای ورودی توربین را تا 2600 درجه فارنهایت افزایش دهند - تقریباً 300 درجه گرمتر از توربین‌های قبلی و بازدهی تا 60 درصد را به دست آورند.

راه دیگر برای افزایش راندمان، نصب یک دستگاه بازیابی یا مولد بخار بازیابی حرارت (HRSG) برای بازیابی انرژی از اگزوز توربین است. یک رکوپاتور گرمای هدر رفته در سیستم اگزوز توربین را جذب می کند تا هوای تخلیه کمپرسور را قبل از ورود به محفظه احتراق پیش گرم کند. HRSG با جذب گرما از اگزوز توربین بخار تولید می کند. این بویلرها به عنوان مولد بخار بازیابی حرارت نیز شناخته می شوند. بخار پرفشار از این دیگ‌ها می‌تواند برای تولید نیروی الکتریکی اضافی با توربین‌های بخار استفاده شود که به آن سیکل ترکیبی می‌گویند.

یک توربین گازی چرخه ساده می تواند بازده تبدیل انرژی را بین 20 تا 35 درصد به دست آورد. با دمای بالاتری که در برنامه توربین وزارت انرژی به دست می‌آید، نیروگاه‌های سیکل ترکیبی توربین گازی هیدروژن و گاز سنتز در آینده احتمالاً به بازدهی 60 درصد یا بیشتر دست خواهند یافت. هنگامی که گرمای هدر رفته از این سیستم ها برای مقاصد گرمایشی یا صنعتی گرفته می شود، بازده کلی چرخه انرژی می تواند به 80 درصد برسد.

https://www.energy.gov/fecm/how-gas-turbine-power-plants-work