توربین گازی یکی از پرکاربردترین فناوری های تولید برق هستند. سرعت توربین بسته به سازنده و طراحی بسیار متفاوت است و از 2000 دور در دقیقه (rpm) تا 10000 دور در دقیقه متغیر است.
فرآیند ترمودینامیکی مورد استفاده در توربین‌های گازی سیکل برایتون است. دو پارامتر عملکرد در توربین گازی عبارتند از نسبت فشار و دمای پخت.
توربین‌های گازی می‌توانند چند مرحله کمپرسور و توربین داشته باشند.
امروزه توربین گازی یکی از پرکاربردترین فناوری های تولید برق میباشد. توربین های گاز نوعی موتور احتراق داخلی (IC) هستند که در آن سوختن مخلوط هوا و سوخت گازهای داغی تولید میکند که ژنراتور را برای تولید برق میچرخاند.
توربین گازی چگونه کار میکند
کمپرسور می‌تواند جریان محوری یا جریان گریز از مرکز باشد. کمپرسورهای جریان محوری بیشتر در تولید برق رایج هستند زیرا سرعت دور و راندمان آنها بالاتر است.
کمپرسورهای جریان محوری از مراحل متعددی از پره‌های دوار و ثابت (یا استاتورها) تشکیل شده‌اند که از طریق آنها هوا به موازات محور چرخش کشیده می‌شود و در حین عبور از هر مرحله به صورت تدریجی فشرده می‌شود.
شتاب هوا از طریق پره های دوار و انتشار توسط استاتورها، باعث افزایش فشار و کاهش حجم هوا می‌شود.
اگرچه گرما اضافه نمیشود، اما فشرده شدن هوا باعث افزایش دما نیز می‌شود.
از آنجایی که کمپرسور باید قبل از اینکه فرآیند احتراق پیوسته (یا خود نگهدار باشد) به سرعت معینی برسد، تکانه اولیه از یک موتور خارجی، مبدل فرکانس ساکن یا خود ژنراتور به روتور توربین داده می‌شود.
قبل از وارد شدن سوخت و احتراق، کمپرسور باید به آرامی شتاب گرفته و به سرعت شلیک برسد.
توربین‌های گازی هوایی و توربین‌های گازی صنعتی
فرآیند ترمودینامیکی مورد استفاده در توربین‌های گازی سیکل برایتون است. دو پارامتر عملکرد در موتور برق گازی عبارتند از نسبت فشار و دمای پخت.
راندمان سوخت به قدرت موتور با افزایش اختلاف (یا نسبت) بین فشار تخلیه کمپرسور و فشار هوای ورودی بهینه می‌شود. این نسبت تراکم به طراحی بستگی دارد.
توربین گازی برای تولید برق می‌تواند صنعتی (قاب سنگین) و یا هوایی (aeroderivative) باشد. توربین‌های گازی صنعتی برای کاربردهای ثابت طراحی شده‌اند و نسبت فشار کمتری دارند معمولاً تا 18:1.
توربین‌های گازی هوایی، موتورهای فشرده‌تر و وزن سبک‌تری دارندکه از طراحی موتور جت هواپیما اقتباس شده‌اند و با نسبت تراکم بالاتر تا 30:1 کار می‌کنند.
آنها راندمان سوخت بالاتر و آلایندگی کمتری دارند، اما کوچکتر هستند و هزینههای اولیه (سرمایه) بالاتری دارند. توربین‌های گازی هوایی نسبت به دمای ورودی کمپرسور حساس‌تر هستند.
مقدار زیادی گرما در گاز خروجی باقی میماند که دمای آن در هنگام خروج از توربین به حدود 600 درجه سانتیگراد میرسد.
با بازیابی گرمای تلف شده برای تولید کار مفیدتر در یک پیکربندی سیکل ترکیبی، راندمان نیروگاه توربین گازی می‌تواند از 40 درصد به 55 تا 60 درصد برسد.
با این حال، محدودیت‌های عملیاتی مرتبط با کارکرد توربین‌های گازی در حالت سیکل ترکیبی، از جمله زمان راه‌اندازی طولانی‌تر، الزامات پاکسازی برای جلوگیری از آتش‌سوزی یا انفجار، و نرخ شیب تا بار کامل وجود دارد.
فرایند تولید برق در توربین گازی
هوای فشرده با سوخت تزریق شده از طریق نازل مخلوط می‌شود. سوخت و هوای فشرده را میتوان از قبل مخلوط کرد یا هوای فشرده را مستقیماً به محفظه احتراق وارد کرد.
مخلوط سوخت و هوا تحت شرایط فشار ثابت مشتعل می‌شود و محصولات احتراق داغ (گازها) از طریق توربین هدایت میشوند که در آنجا به سرعت منبسط می‌شود و چرخش را به شفت میدهد.
توربین همچنین از مراحلی تشکیل شده است که هر کدام دارای یک ردیف پره‌های ثابت (یا نازل) هستند تا گازهای در حال انبساط را به دنبال ردیف پره‌های متحرک هدایت کنند.
چرخش شفت، کمپرسور را به سمت داخل و فشرده کردن هوای بیشتری هدایت میکند تا احتراق مداوم را حفظ کند.
نیروی شفت باقیمانده برای به حرکت درآوردن ژنراتوری که برق تولید میکند استفاده می‌شود.
تقریباً 55 تا 65 درصد از توان تولید شده توسط توربین برای به حرکت درآوردن کمپرسور استفاده می‌شود.
برای بهینه‌سازی انتقال انرژی جنبشی از گازهای احتراق به چرخش شفت، توربین‌های گازی می‌توانند چند مرحله کمپرسور و توربین داشته باشند.