دانلود مقاله توربین‌های گاز

نگرش کلی بر توربین‌های گاز
دنیای توربین گاز اگر چه دنیای جوانی است لیکن با وسعت کاربردی که از خود نشان داده، خود را در عرصه‌ی تکنیک مطرح کرده است .

زمینه‌های کاربرد توربین‌های گاز در نیروگاه‌ها و به‌خصوص در مواردی که فوریت در نصب و بارگیری مدنظر است می‌باشد.

همچنین‌ به عنوان پشتیبان واحد بخار و نیز مواقعی که شبکه سراسری برق از دست می‌رود یعنی در خاموشی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مضافاً این‌که توربوکمپرسورها که از انرژی حاصله روی محور توربین برای تراکم و بالا بردن فشار گاز استفاده می‌شود، در سکوهای دریایی ، هواپیماها و ترن‌ها استفاده می‌شود .

مختصری از سرگذشت توربین‌های گاز از سال 1791 میلادی تا به امروز به‌شرح زیر می‌باشد .

اولین نمونه توربین گاز در سال 1791 توسط Jonh Barber ساخته شد .

نمونه بعدی در سال 1872 توسط Stolze ساخته شد که شامل یک کمپرسور جریان محوری چند مرحله‌ای به هم‌راه یک توربین عکس‌العملی چند مرحله‌ای بود که یک اتاق احتراق نیز در آن قرار داشت .

اولین نمونه آمریکایی آن در 24 ژوئن 1895 توسط Charles G.Guritis ساخته شد.

اما اولین بهره‌برداری و تست واقعی از توربین گاز در سال 1900 م بوسیله Stolz صورت گرفت که راندمان آن بسیار پایین بود .

در همین سال ها در پاریس یک توربین گاز بوسیله برادرانArmangand ساخته شد که دارای نسبت فشار تقریبی 4 و چرخ کوریتس به ابعاد 5/93 سانتی‌متر قطر با سرعت rpm 4250 بود که دمای ورودی به توربین حدود 560اندازه‌گیری شد و راندمان آن در حدود 3% بود.

H.Holzwarth اولین توربین گاز با بهره اقتصادی بالا را طراحی کرد، که در آن از سیکل احتراق بدون پیش‌تراکم استفاده می‌‌شد و قسمت اصلی یک ماشین دوار با تراکم متناوب بود.

هم‌چنین Stanford سال 1919 یک توربین گاز که دارای سوپر شارژر بود، ساخت که در هواپیما نیز از آن استفاده شد.

اولین توربین گازی که برای تولید قدرت مورد استفاده قرار گرفت به‌وسیله Brown Boveri ساخته شد.

وی از یک توربین گاز برای راندن هواپیما استفاده کرد.

هم‌چنین در سال 1939 م، وی یک توربین گاز با خروجی MW 4 ساخت که بر اساس سیکل ساده طراحی شده بود و کارکرد پایینی داشت.

این توربین تنها به مدت 1200 ساعت مورد بهره‌برداری قرارگرفت و عیوب مکانیکی فراوان داشت .

از جمله اصلاحات وی برروی توربین ، بالا بردن راندمان آن به میزان 18% بود.

در انگلستان گروهی به سرپرستی Whittle در سال‌‌ 1936 ‌م یک کمپرسور سانتریفوژ‌تک مرحله‌ای با ورودی دوطرفه و یک توربین تک‌ مرحله‌ای کوپل شده به ‌آن را به هم‌‌راه یک اتاق طراحی کردند.

اما با تست این موتور نتایج چندان راضی‌کننده‌ای به‌دست نیامد.

در سال 1935‌م در آلمان شخصی به‌نام Hans Von یک توربوجت با کمپرسور سانتریفوژ ساخت که از مزایای خوبی نسبت به نمونه‌های قبلی برخوردار بود.

در آمریکا کمپانیAlis Chalmers اصلاحات فراوانی برروی راندمان توربین‌های گاز و کمپرسورها انجام داد و راندمان کمپرسور را به 70% - 65% و راندمان توربین را به 65% -60% رسانید.

در سال 1941‌م کمپانی British Wellond یک توربوجت ساخت که در هواپیما مورد استفاده قرار گرفت .

این توربوجت با آب خنک‌کاری می‌شد.

در سال 1942‌م کمپانی German Jumo یک توربوجت ساخت که در جنگ جهانی دوم نیز از آن استفاده شد.

در این سال‌ها استفاده از موتور توربوجت برای هواپیماها رشد فزاینده‌ای به خود گرفت و هواپیماهای جنگی بسیاری در آمریکا، آلمان و انگلیس ساخته شد.

در سال 1941‌م در سوئیس از یک توربین گاز برای راه‌اندازی لوکوموتیو استفاده شد که دارای قدرت 1700 اسب بخار و راندمان 4/18% به هم‌راه بازیاب حرارتی بود.

در سال 1950‌م کمپانی Rovet Car از توربین گاز در اتومبیل‌ها استفاده کرد که شامل کمپرسور سانتریفوژ، توربین تک‌مرحله‌ای جهت گرداندن کمپرسور و توربین قدرت جداگانه بود که از مبدل حرارتی نیز در آن استفاده شد.

در سال 1962‌م کمپانی General Motors یک توربین گاز به هم‌اه بازیاب ساخت که مصرف سوخت آن نسبت به نمونه مشابه 36% کاهش داشت .

در سال 1979‌م با توافق بین سازندگان بزرگ توربین گاز، استانداردی جهت کاهش میزان NOx وCO دود خروجی ازتوربین گاز نوشته شد .

در خلال سال‌های بعد تغییرات فراوانی در نوع سوخت، متریال روش‌های خنک‌کاری و کاهش نویز و سر و صدا به‌وسیله شرکت NASA صورت گرفت.

در 15 سال گذشته توربین گاز، خدمات فزآینده‌ای را در صنعت و کاربردهای پتروشیمی در سراسر جهان ارائه داده است.

انسجام ، وزن کم و امکان کاربرد سوخت چندگانه موجب استفاده از توربین گاز در سکوهای دریایی نیز شده‌است .

امروزه توربین‌های گازی وجود دارند که با گاز طبیعی ، سوخت دیزل ، نفت ،متان ، گازهای حرارتی ارزش پایین ، نفت گاز تقطیر‌شده و حتی فضولات کار می‌کنند و روز به روز تلاش‌ها در جهت تکمیل و اصلاح عملکرد آن ادامه دارد.

1-2- مقایسه نیروگاه گازی با نیروگاه‌های دیگر شکل (1-2) مقایسه میزان حرارت در چهار نمونه سیکل داده شده را نشان می‌دهد.

باتوجه به شکل (1-2) بدیهی است که هرچه درجه حرارت توربین افزایش می‌یابد میزان حرارت بیش‌تر جلب توجه می‌کند.

بعضی از عوامل قابل ملاحظه در تصمیم‌گیری برای انتخاب نوع نیروگاه که متناسب با نیازهای موجود باشند، عبارتند از: هزینه سرمایه‌گذاری زمان لازم از برنامه‌ریزی و طراحل تا اتمام کار هزینه‌های تعمیراتی و هزینه‌های سوخت.

توربین گاز کم‌ترین هزینه تعمیراتی و سرمایه‌گذاری را دارد.

هم‌چنین سریع‌تر از هر نوع نیروگاه دیگری اتمام می‌یابد و به مرحله بهره‌برداری می‌رسد.

از معایب آن می‌توان به اتلاف حرارتی زیاد اشاره کرد طراحی هر توربین گاز باید در برگیرنده معیارهای اساسی براساس ملاحظات بهره‌برداری باشد.

بعضی از معیارهای عمده عبارتند از : راندمان بالا قابلیت اطمینان بالا و در نتیجه قابلیت دسترسی بالا سهولت سرویس سهولت نصب و تست تطابق با استانداردهای مربوط به شرایط محیط ترکیب سیستم‌های کمکی و کنترل که در نتیجه درجه قابلیت اطمینان بالایی را به‌دست می‌دهند.

قابلیت انعطاف در تطابق با سرویس‌ها و نیز سوخت‌های مختلف نگاهی به هریک از این ملاک‌ها مصرف‌کننده را قادر خواهد ساخت که درک بهتری از هر یک از لوازم پیدا بنماید.

1-3 – فرآیند توربین‌های گاز توربین گاز قدرت را از طریق به‌کار بردن انرژی گازهای سوخته و هوا که دما و فشار زیادی دارند، با منبسط‌کردن آن در چندین طبقه از پره‌های ثابت و متحرک، تولید می‌کند.

برای تولید فشار زیاد ( از 4 تا 13 اتمسفر) در سیال عامل کار، که برای تراکم لازم می‌باشد، از کمپرسور استفاده می‌شود.

برای تولید قدرت زیاد، به‌جریان زیادی از سیال و سرعت زیاد آن نیاز می‌شود که برای این کار از کمپرسور گریز از مرکز یا کمپرسور جریان محوری استفاده می‌شود.

کمپرسور توسط توربین به حرکت در می‌آید و روی همین اصل محور آن‌ها به‌هم متصل می‌گردد.

اگر پس از عمل تراکم روی سیال عامل کار، سیال فوق در توربین منبسط گردد، با فرض نبودن تلفات در کمپرسور و توربین همان مقدار کار که صرف تراکم شده است، توسط توربین به‌دست می‌آید و در نتیجه کار خالص صفر خواهد بود.

ولی کار تولیدی توربین را می‌توان با اضافه‌کردن حجم سیال عامل کار در فشار ثابت، یا افزایش فشار آن در حجم ثابت، افزایش داد.

هر یک از از دو روش فوق را می‌توان با بالا بردن دمای سیال عامل کار، پس از متراکم ساختن آن به‌کار برد.

برای بالا بردن دمای سیال عامل کار، یک اتاق احتراق لازم است که در آن هوا و سوخت محترق گردند تا موجب افزایش دمای سیال عمل کار بشود.

به این‌ترتیب، یک سیکل ساده توربین گاز شامل کمپرسور، اتاق احتراق و توربین می‌باشد.

نظر به این‌که محور کمپرسور به توربین متصل شده است، کمپرسور مقداری از کار تولید شده توسط توربین را جذب می‌کند، و بازده را پایین می‌آورد.

بنابراین کار خالص، اختلاف بین کارتوربین و کار لازم برای گرداندن کمپرسور خواهد بود.

سوخت عمومی توربین گاز، گاز طبیعی، گازوئیل، نفت و مازوت می‌‌باشد.

توربین گاز براساس فرآیند احتراق به انواع زیر طبقه‌بندی می‌شود: 1 – احتراق پیوسته یا نوع فشار ثابت، این نوع سیکل را سیکل ژول یا سیکل برایتون نامند.

2- انفجاری یا نوع حجم ثابت، این نوع سیکل را سیکل آتکینسون می‌نامند.

توربین‌های گاز را از روی مسیر سیال عامل کار نیز طبقه‌بندی می‌کنند که عبارتند از: توربین‌های گاز با سیکل باز (سیال عامل کار از هوای بیرون موتور وارد می‌شود و به داخل هوای محیط تخلیه می‌گردد).

توربین گاز با سیکل نیمه بسته ( مقداری از سیال عامل کار در داخل دستگاه گردش می‌کند و مقدار دیگر به داخل هوای محیط تخلیه می‌گردد).

سیکل استاندارد هوایی (برایتون) این سیکل که سیکل ژول نیز نامید می‌شود برای مولد قدرت توربین گاز ساده، مطلوب می‌باشد.

شکل‌های (1-3) و (1-4) طرح ساده توربین به همراه اجزاء آن و شکل (1-5) تجهیزات گوناگون یک توربین گاز از نوع GELM350 را نشان می‌دهد.

هوای محیط در داخل کمپرسور از فشار 1 P تا 2 P متراکم می‌گردد و بعد به اتاق احتراق فرستاده می‌شود که در آنجا سوخت پاشیده شده محترق می‌گردد.

فرآیند احتراق در فشار ثابت صورت می‌گیرد.

در اثر احتراق، دمای سیال عامل کار زیاد می‌شود و از 2T و3 T می‌رسد.

محصولات احتراق از اتاق احتراق خارج می‌شود و در داخل توربین از 3 P تا فشار جو منبسط می‌گردد و به داخل هوای محیط تخلیه می‌شود.

توربین و کمپرسور به طور مکانیکی به‌ هم متصل شده‌اند، بنابراین، کار خالص برابر است با اختلاف بین کار انجام شده توسط توربین و کار مصرف شده به‌وسیله کمپرسور .

برای آغاز کار کمپرسور ، یک راه‌انداز لازم خواهد بود.

وقتی توربین شروع به کار کرد، راه انداز قطع می‌شود.

فرآیند 2-1 تراکم ایزنتروپیک در کمپرسور می‌باشد.

فرآیند 3-2 افزودن حرارت در فشار ثابت در اتاق احتراق است.

فرآیند4-3 انبساط ایزنتروپیک در توربین می‌باشد.

فرآیند 1-4 پس دادن حرارت در فشار ثابت می‌باشد.

با توجه به شکل‌های (1-6) و (1-7)، حرارت افزوده شده به سیکل برابر است1 با ]1[ 1) که در صورتی صحیح است که مقدار Cp در فرآیند 3-2 ثابت باشد.

حرارت پس داده شده برابر است با : 2) که در صورتی صحیح است که مقدار Cp در فرآیند 1-4 ثابت باشد.

کار خالص سیکل برابر است با: 3) این مقدار کار را می‌توان از راه محاسبه کار توربین و کمپرسور نیز به‌دست آورد: 4) 5) 6) بنابراین کار خالص برابر است با 7) 8) راندمان حرارتی سیکل برابر است با نسبت کار خالص سیکل به حرارت افزوده شده به سیکل : 9) 10) 11) می‌دانیم که در فرآیند ایزنتروپیک بیان فشار، دما و حجم گاز رابطه (1-12) برقرار می‌باشد: 12) 13) نظر به این‌که و می توان نوشت: 14) 15) با قرار دادن از معادله (1-15) در معادله (1-11) می توان نوشت: 16) نسبت فشار با نمایش داده می شود: 17) 18) بنابراین ، راندمان حرارتی برابر است با : 19) باید توجه داشت که در محاسبه کار توربین و کمپرسور از تغییرات انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل صرف‌نظر شده است.

ضمناً فرض شده که گرمای ویژه در فشار ثابت (Cp ) در طول سیکل ثابت بماند.

هم‌چنین از جرم سوخت به علت کم بودن آن نسبت به جرم هوا صرف‌نظر شده است.

در شکل (1-8) منحنی تغییرات راندمان حرارتی بر حسب تغییرات نسبت فشار نشان داده شده است.

از روی این منحنی مشاهده می‌شود که راندمان حرارتی به طور پیوسته با افزایش مقدار نسبت فشار زیاد می‌شود.

1-4-نسبت فشار برای حداکثر کار خالص ویژه سیکل نظری هنگامی که دو حد دما در سیکل ایده‌آل برایتون مشخص باشد، برای تغییر قدرت خروجی‌، تنها عامل متغیر نسبت فشار می‌باشد.

حداقل مقدار نسبت فشار‌، واحد می‌باشد که به ازاء آن قدرت خروجی صفر می‌شود.

در این صورت: 20) اگر دمای خروجی کمپرسور به 3 T یعنی حداکثر دمای قابل قبول توربین برسد، حرارت افزوده شده در اتاق احتراق صفر خواهد بود.

در نتیجه مقدار کار کمپرسور و توربین با هم برابر می‌شود وکار خالص خروجی صفر خواهد شد.

این نسبت فشار ماکزیمم برابر است با: 21) بنابراین هیچکدام از دو نسبت فشار ماکزیمم و مینیمم عملی نیست و یک نسبت فشار میانی وجود دارد که به ازای آن قدرت خروجی یا راندمان حداکثر شود.

ماکزیمم کار خالص هنگامی اتفاق می‌افتد که : 22) نسبت فشار میانی به ازای ماکزیمم کار خالص برابر است با: 23) در به ازای مقادیر مختلف نسبت گرمای 4/1 ، 35/1 و 3/1 منحنی فشار اپتیموم بر حسب نسبت رسم شده است.

تغییرات کار خالص با نسبت فشار را برای یک توربین با مشخصات زیر نشان می‌دهد.

cْ15 = دمای ورودی به کمپرسور cْ1127 = دمای ورودی به توربین شکل (1-10) دیاگرام تغییرات کار خالص نسبت فشار با ثابت آدیاباتیک4/1= این نمودار نشان می‌دهد که کار خالص با افزایش نسبت فشار افزایش می‌یابد ولی بعد از این‌که به نسبت فشار اپتیموم رسید مقدار آن تقریباً ثابت می‌ماند.

سیکل عملی برایتون سیکل عملی ( واقعی ) توربین گاز از نقطه‌نظرهای زیر با سیکل ایده‌آل تفاوت دارد: به علت وجود تلفات اصطکاکی در کمپرسور توربین، فرآیند تراکم و انبساط بدون اصطکاک نیست و با مقداری افزایش در انتروپی هم‌راه می‌باشد.

( این فرآیندها آدیاباتیک برگشت ناپذیر می‌باشند.) در حالت ایده‌آل، بازده کمپرسور و توربین 100 درصد می‌باشد ولی در عمل از 100 درصد کمتر است.

در اتاق احتراق افت فشار مختصری وجود دارد.

این افت فشار بسیار کم است و معمولاً از آن صرفنظر می‌شود.

جرم گازی که از داخل توربین عبور میکند، ((1 + fبرابر جرم هوایی است که از داخل کمپرسور عبور می‌کند، که f نشان‌دهنده‌ی نسبت جرم سوخت به جرم هوا می‌باشد .

گرمای ویژه گازهای حاصل از احتراق، کمی بیش‌تر از گرمای ویژه هوا می‌باشد.

البته این فزونی به قدری کم است که گرمای ویژه گازهای حاصل از احتراق را می‌توان برای ساده شدن مسأله هر جا که لازم باشد، با گرمای ویژه هوا مساوی فرض کرددیا گرام T- S فرآیند َ2-1 عبارتست از تراکم ایزنتروپیک فرآیند 2-1 عبارتست از تراکم واقعی فرآیند َ 4 -3 عبارتست از انبساط ایزنتروپیک فرآیند 4-3 عبارتست از انبساط واقعی بازده کمپرسور برابر است با: 24) 25) 26) بازده توربین عبارتست از : 27) کار توربین واقعی برابر است با: 28) اگر گرمای ویژه گازهای حاصل از احتراق( (Cpgو هوا با هم برابر فرض شوند، خواهیم داشت 29) کار واقعی توربین 30) بنابراین راندمان توربین برابر است با: 31) 32) راندمان حرارتی سیکل به صورت زیر محاسبه می‌شود.

(1-33)کار مصرفی کمپرسور-کار واقعی توربین=W neta = کار خالص واقعی 34) که در آن f نسبت سوخت به هوا است.

ضمناً این مقدار کار به ازاء kg 1 هوای مصرف شده در کمپرسور به‌دست می‌آید.

حرارت افزوده شده به سیکل عملی برابر است با: 35) بنابراین راندمان حرارتی سیکل برابر است با: 36) 37) که در آن C pg گرمای ویژه گازهای حاصل از احتراق و C pa گرمای ویژه هوا می‌باشد.

اگر از جرم سوخت در مقایسه با جرم هوای مصرف شده صرفنظر شود، خواهیم داشت: 38) و اگر گرمای ویژه گاز حاصل از احتراق و هوا با هم برابر باشد، می‌تواند نوشت: 39) 40) اگر به‌جای 1T -2 T و 2T -3 T مقدار آنها را از معادله (1-26) و (1-32) را در معادله (1-40) قرار دهیم خواهیم داشت: 41) و با توجه به تصحیح معادله‌ی (1-14) خواهیم داشت: 1-42) و با توجه به معادله‌ی (1-26) داریم: 1-43) و با فرض این‌که: 1-44) و نتیجتاً خواهیم داشت: 1-45) 1-6-نسبت فشار برای حداکثر کار خروجی در سیکل عملی توربین گاز با توجه به می‌توان نوشت: 1-46) کار واقعی کمپرسور برابر است با: 1-47) کار واقعی توربین برابر است با: 1-48) بنابراین کار خالص خروجی برابر است با: 1-49) 1-50) بنابراین نسبت فشار برای حداکثر کار خروجی برابر است با: 1-51) 1-10- نسبت فشار برای حداکثر راندمان حرارتی سیکل عملی حرارت افزوده شده به سیکل برابر است با: 1-52) با توجه به معادله‌ی (1-41) راندمان حرارتی واقعی سیکل برابر است با: 1-53) بنابراین نسبت فشار اپتیموم برای حداکثر راندمان حرارتی برابر است با: 1-54) دیاگرام تغییرات r p ) opt ) برای ماکزیمم شدن راندمان حرارتی سیکل عملی برایتون بر حست حداکثر دمای سیکل به ازای مقادیر مختلف راندمان کمپرسور و توربین را با فرضیات زیر نشان می‌دهد: شکل (1-12): تغییرات برای ماکزیمم شدن راندمان حرارتی سیکل عملی برایتون برحسب دمای حداکثر سیکل به ازای مقادیر مختلف راندمان کمپرسور و توربین با توجه به، با بالا رفتن حداکثر دمای سیکل و بالا رفتن راندمان کمپرسور و توربین، rp ) opt ) هم افزایش می‌یابد.

با زیاد شدن این نسبت فشار‌‌‌، حداکثر راندمان حرارتی سیکل نیز طبق معادله راندمان سیکل عملی افزایش می‌یابد.

نیز تغییرات راندمان حرارتی سیکل ساده توربین گاز برحسب تغییرات نسب فشار برای دماهای مختلف ورودی به توربین را با فرضیات زیر نشان می‌دهد: تغییرات رانمان حرارتی سیکل ساده توربین گاز برحسب تغییرات نسبت فشار برای دماهای مختلف ورودی توربین نشان می‌دهد که یک نسبت فشار اپتیموم وجود دارد که راندمان حرارتی در آن حداکثر می شود.

تغییرات راندمان حرارتی سیکل بر حسب نسبت فشار برای مقادیر مختلف راندمان توربین و کمپرسور با فرضیات زیر را نشان داده است.

تغییرات (1-14): تغییرات راندمان حرارتی سیکل برحسب نسبت فشار برای مقادیر مختلف راندمان کمپرسور و توربین نشان می‌دهد که داندمان حرارتی در برابر تغییرات راندمان کمپرسور و توربین بسیار حساس است.

منحنی خط‌چین راندمان حرارتی سیکل ساده ایده‌آل را نشان می‌دهد.

وقتی راندمان توربین و کمپرسور زیاد شود راندمان حرارتی سیکل نیز زیاد می‌شود.

به ازاء هر راندمان توربین و کمپرسور ، یک نسبت فشار اپتیموم وجود دارد که به ازاء آن راندمان حرارتی سیکل حداکثر می‌شود.

تغییرات راندمان حرارتی بر حسب نسبت فشار برای دماهای مختلف ورودی کمپرسور با فرضیات زیر را نشان می‌دهد.

دمای1T بر حسب درجه کلوین روی هر منحنی نوشته شده است.

نشان می‌دهد که با کاهش دمای هوای ورودی به کمپرسور، راندمان سیکل افزایش می‌یابد.

هرچه انحناء منحنی‌ها کمتر شود، حد وسیع‌تر برای به‌ترین نسبت فشار وجود خواهد داشت.

فصل دوم با توجه به احتیاج روزافزون برق، لازم می آید که به بررسی راهنمای افزایش قدرت خروجی توربینهای گاز بپردازیم.

مهمترین این روشها عبارتند از : از بین روشهای ذکر شده برای افزایش قدرت خروجی توربینهای گازی ما به راهنمای ازدیاد این پارامتر به وسیله خنک ‌کردن هوای ورودی به کمپرسور خواهیم پرداخت: سیستم ذخیره سازی سرما Thermal Energy Storage )) سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری( E vaporative Cooling ) 3- سیستم‌های خنک‌کننده برودتی Refrigerated Coling)) 1-سیستم‌های ذخیره‌سازی سرما یکی از روش‌های خنک کردن هوای ورودی توربین گاز، استفاده از یخ جهت ذخیره‌سازی سرما می‌باشد.

این سیستم‌ها به صورت پریودیک استفاده می‌شوند.

بدین شکل که سرما ( یخ ) در ساعات غیر پیک ساخته می‌شود و در ساعات گرم روز که عموماً مقارن با پیک مصرف برق می‌باشد، برای خنک‌کردن هوای ورودی و در نتیجه افزایش ظرفیت توربین، از این سرمای ذخیره شده استفاده می‌شود.

در این روش، از تانک‌های یخ ( ice tank) که درجه حرارت آب خنک شده خروجی آن‌را می‌توان در حدود 45 تا 50 درجه فارن‌هایت نگه داشت، استفاده می‌شود.

آب خنک شده، در حین عبور از کویل‌ها ، هوای ورودی توربین را سرد و خود حدود 10 درجه فارن‌هایت گرم می‌شود.

البته مقدار دقیق این درجه حرارت، به وضعیت و تعداد کویل‌هایی بستگی دارد که در مسیر هوا قرار گرفته‌اند.

هزینه اولیه ذخیره سرما زیاد است اما مزایای عمده دیگر آن باعث شده است که استفاده از آن علاوه بر خنک کردن هوای ورودی توربین‌های گازی ، در سیستم‌های تهویه منازل نیز رواج یابد.

در روش ذخیره سرما، از چیلرهای کمپرسوری استفاده می‌شود که قادرند سرمای زیر صفر ایجاد کنند و یخ تولید نمایند.

به علت مصرف برق زیاد، این چیلرها در ساعات غیر پیک شبکه برق به‌کار گرفته شده ، یخ تولید می‌نمایند و در ساعات پیک شبکه، سرمای تولیدی این یخ‌ها برای خنک‌کردن هوای ورودی توربین گازها استفاده می‌شود.

مزایا : استفاده از کل ظرفیت توربین در تمامی ساعات امکان استفاده‌ی مجدد از آب استفاده شده برای تولید یخ از بین بردن قلّه پیک و داشتن ظرفیت کافی در هنگام پیک خلوص آب مصرفی برای تولید یخ مهم نمی‌باشد و از آب با سختی زیاد نیز می‌توان استفاده کرد، زیرا آب به علت داشتن سختی زیاد و عناصر محلول در درجه‌ی حرارت پایین‌تری یخ می‌زند که این امر باعث افزایش قابلیت سرد سازی می‌شود.

معایب : حجم تانک ذخیره‌ی یخ بسیار بزرگ می‌باشد.

هزینه‌ی اولیه‌ی زیاد سیستم هزینه‌های راه‌بری و نگه‌داری مناسب سیستم سیستم برای استفاده از یخ در خنک‌سازی هوای ورودی به کمپرسور بسیار حجیم است.

2- سیستم‌های خنک‌کننده تبخیری : در کلیه روش‌های تبخیری، از تبخیر آب که یک فرآیند طبیعی است برای خنک‌کردن استفاده می‌شود.

هنگامی که آب می‌خواهد تغییر فاز دهد ( تبخیر شود )، از محیط اطرافش گرما می‌گیرد.

به عنوان مثال هنگامی که یک پوند آب می‌خواهد تبخیر شود، حدود 1160 BTU گرما لازم دارد.

در سیستم‌های تبخیری ، آب مورد نیاز جهت خنک‌کردن هوا، به طرق مختلفی در معرض تماس با هوا قرار گرفته ، انرژی مورد نیاز جهت تبخیر را از هوای ورودی توربین می‌گیرد و آن را خنک می‌سازد.

قبل از تشریح بیش‌تر سیستم تبخیری ، لازم است تا اصطلاحاتی را در این زمینه توضیح دهیم: دمای خشک Dry Bulb : درجه حرارتی است که توسط دماسنج و به روش معمول اندازه‌گیری می‌شود.

دمای تر Wet Bulb : درجه حرارتی است که با توجه به میزان رطوبت نسبی هوا و در نتیجه قدرت تبخیرکنندگی آن اندازه‌گیری می‌شود.

رطوبت نسبی Relative Humidity : نسبت وزن آب موجود در هوا به وزن آبی که هوا را در درجه حرارت ثابت، از نظر رطوبت اشباع کند را درصد رطوبت نسبی می‌گویند.

راندمان اشباع Sat .

eff : راندمان سیستم خنک‌کننده در نزدیک کردن درجه حرارت خشک به درجه حرارت تر محیط را راندمان اشباع می‌گویند.

به عنوان مثال اگر بتوان توسط یک سیستم خنک‌کننده ، درجه حرارت خشک محیط را به درجه حرارت تر تقلیل داد، راندمان اشباع 100% است.

سیستم‌های تبخیری جهت خنک کردن هوای ورودی توربین‌ها خود به سه دسته تقسیم می‌شوند که به تفصیل مورد بررسی قرار خواهند گرفت، 2-1- سیستم Air Washer در این روش حجم زیادی آب توسط پمپ‌های با دبی بالا، از طریق یک سری نازل‌هایی که در یک شبکه منظم درون اتاق Air Washerقرار گرفته‌اند، به روی هوای ورودی پاشیده می‌شوند و در نتیجه به‌واسطه خاصیت تبخیر آب (که یک فرآیند گرماگیر است )هوای ورودی را خنک می‌کنند.

شماتیک ساده یک Air Washer که جهت خنک کردن هوای ورودی یک توربین گاز استفاده شده است، در شکل (2) نمایش داده شده است .

این روش آب با کیفیت بسیار بالا نیاز ندارد، بلکه تنها باید ذرات ریز را از آب در گردش سیستم حذف کرد تا احتمال گرفتن نازل‌ها از بین برود.

عملکرد این سیستم به رطوبت هوای محیط وابسته است به‌طوری‌که هر چه محیط خشک‌تر باشد، قابلیت خنک‌کنندگی آن که بستگی به تفاوت درجه حرارت WB و DBدارد، بیش‌تر می‌گردد.

در هر حال معمولاً رطوبت نسبی تا حدود 95% می‌تواند افزایش یابد و نه بیش‌تر .

محفظه Air Washer را هم درون و هم بیرون اتاق فیلتر می‌توان قرار داد.

البته در بعضی سایت‌های خاص ، امکان دارد فضای موجود درون اتاق فیلتر، برای نصب Air Washer کافی نباشد و به ناچار باید آن‌را در بیرون و جلوی فیلترها قرار داد.

نصب اتاق Air Washer در بیرون اتاق فیلتر ، مزایا و معایبی به دنبال دارد که در این‌جا به آن‌ها اشاره می‌شود.

اگر اتاق Air Washer در بیرون اتاق فیلتر قرار گیرد، به علت این‌که پاشش آب و عبور هوا از درون آن باعث شسته شدن هوای ورودی می‌شود، وظیفه فیلترها را سبک‌تر می‌کند.

به عبارت دیگر می‌تواند عمر فیلترها یا دوره تعویض آن‌ها را افزایش دهد.

هم‌چنین نصب Air Washer قبل از فیلترها ، می‌تواند هرگونه احتمال ورود قطره آب به داخل کمپرسور را حذف کند زیرا هرچند قطره‌گیرها ( Eliminators ) طوری طراحی و ساخته می‌شوند که تمام قطرات خروجی از اتاق را می‌گیرند، ولی در هر حال با فرض عبور مقداری قطره آب از میان قطره‌گیرها ، فیلترهای Inertial هوا، باعث به‌دام افتادن قطعی آن‌ها می‌شوند.

تنها عیبی که می توان برای قراردادن Air Washer ، قبل از محفظه اتاق فیلتر برشمرد، امکان گرفتگی نازل‌های پاشش آب است.

زیرا همان‌طور که قبلاً بیان شد ، گرد و خاک هوای عبوری ، شسته شده و درون تشک Air Washer ریخته می‌شود و توسط پمپ‌ها، مجدداً در سیکل به گردش درآمده و از نازل‌ها عبور می‌کنند که در صورت درشت بودن ، این آلودگی‌ها می‌توانند باعث گرفتگی نازل‌ها شوند.

در صورت قرار گرفتن Air Washer درون اتاق فیلتر، امکان خروج قطرات آب از Air Washer و ورود آن‌ها به درون کمپرسور افزایش می‌یابد.

هرچند که قطره‌گیرهای تعبیه شده در قسمت انتهایی Air Washer باید تمام قطرات آب خروجی را بگیرند.

در هر حال قراردادن A .

W .

بین پیش‌فیلتر و بک‌فیلتر بهترین راه حل می‌باشد که کاملاً مشابه کارکرد توربین در یک فصل بارانی می‌باشد.

میزان افت فشار مسئله دیگری است که در طراحی سیستم خنک‌کننده باید به آن توجه کرد.

برای کاهش میزان افت فشار ایجاد توسط Air Washer می‌توان شبکه نازل‌ها را طوری طراحی کرد که به جای این‌که در خلاف جهت یکدیگر ، عمل پاشش آب را انجام دهند ( opposite flow )، در یک جهت آب را به درون هوا بپاشند ( parailel flow ) .

الته تمهیدات لازم باید اندیشیده شود تا در حالت parailel flow)) ، راندمان اشباع دستگاه کاهش نیابد زیرا در صورتی‌که پاشش نازل‌ها در یک جهت باشد، هوای ورودی فرصت کمتری خواهد داشت تا خنک شود.

به عنوان یک مثال،‌ افت فشار حاصل از محفضه Air Washer ، هنگامی‌که نازل‌ها در یک جهت عمل پاشیدن آب را انجام می‌دهند، حدود 14 میلیمتر آب و هنگامی که در خلاف جهت یکدیگر آب را می‌پاشند، حدود 20 میلیمتر آب است.

مزایا: مصرف انرژی الکتریکی نسبتاً کم سیستم عملیات نگه‌داری پیچیده و طولانی نیست معایب: موجود بودن فضای کافی در جلوی اتاق فیلتر توربین جهت نصب سیستم Air Washer امکان تهیه آب مناسب برای سیستم برای جلوگیری از گرفتگی در نازل‌ها ارتفاع اتاق فیلتر توربین از سطح زمین این سیستم برای مناطق مرطوب مناسب نمی‌باشد افت فشار سیستم ( حدود 0.6 H2O ) 2-2- سیستم خنک‌کننده Media این سیستم یکی دیگر از روش‌های خنک کردن هوای ورودی توربین گاز می‌باشد و عموماً از یک سری سلول‌های فایبرگلاس تشکیل می‌شود ( شبیه شانه عسل ).

با پاشیدن آب روی این سلول‌ها و مرطوب کردن آن‌ها، می‌توان از روش تبخیر سطحی آب ، خنکی ایجاد کرد.

می‌دانیم هرچه سطوح تماس آب و هوا زیادتر باشد،‌ تبخیر سطحی سریع‌تر و بیش‌تر صورت خواهد گرفت .

انتخاب این سلول‌ها به‌صورت مارپیچ و به‌صورت شانه عسل ، دقیقاً به منظور افزایش سطح تماس آب و هوا صورت گرفته است.

حداکثر راندمان اشباعی که می‌تواند توسط این سیستم ایجاد شود، 90% می‌باشد.

سلول‌های Media را هم در بیرون و هم درون اتاق فیلتر می‌توان قرار داد.

چنانچه سیستم خنک‌کننده Media ، در خارج اتاق فیلتر قرار گیرد ، خاصیت شویندگی هوا را برعهده خواهد داشت و بنابراین هوای تمیزتری از فیلترها عبور کرده و باعث افزایش عمر فیلترها می‌گردد.

در عوض شستشوی سلول‌های Media و هم‌چنین تعویض آن‌ها ، باید سریع‌تر انجام گیرد.

در هر حال باید توجه داشت که غالباً این سیستم در داخل اتاق فیلتر نصب می‌گردد.

خطر ورود قطرات آب و هم‌چنین اشیاء خارجی به داخل کمپرسور در صورت استفاده از سیستم Media و نصب آن در خارج از اتاق فیلتر ، کاهش می‌یابد .

زیرا اولاً نازل‌های پاشش آب به تعداد کم هستند و فشار کارکرد آن‌ها نیز کم است و ثانیاً به‌علت این که فشار پاشش زیاد نیست، قطره آب وجود ندارد و تنها سطوحی از آب درون سلول‌های Media تشکیل می‌شود.

یکی از معایب عمده سیستم خنک‌کننده Media ، افت فشار آن است .

زیرا این سیستم نسبت به سایر سیستم‌های تبخیری، افت فشار بیش‌تری در هوای ورودی توربین ایجاد می‌کند .

به این ترتیب که سیستم خنک‌کننده Media حدود یک اینچ آب افت فشار در هوای ورودی توربین ایجاد می‌کند که در طراحی‌ها باید سعی شود هر چقدر که امکان دارد، میزان این افت فشار، کاهش یابد.

یکی دیگر از معایب این سیستم ایجاد تغییر ساختارنسبتاً زیاد در اتاق فیلتر و یا داکت خروجی هوااست.

علت این امر این است که جهت رسیدن به راندمان اشباع زیاد، سرعت عبور هوا کاهش داده شده و به مقدار مورد نظر می‌رسد.

این گسترش فضا یا تغییر ساختار علاوه برافزایش هزینه، زمان انجام کار را نیز طولانی می‌کند.

مزایا : 1 – 4- هزینه و زمان راه‌اندازی سیستم نسبتاً کم می‌باشد فضای اشغال شده توسط این سیستم از Air Washer کمتر است.

پس در صورت نصب در بیرون اتاق فیلتر، در جاهایی استفاده می‌شود که فضای کمتری در جلوی اتاق فیلتر در دسترس است.

معایب : صرفاً در مناطق خشک بکار برده می‌شود زیرا وابستگی شدیدی به رطوبت نسبی دارد.

افت فشار این سیستم از سیستم‌های دیگر نسبتاً زیادتر است.

مصرف برق این سیستم کم است ( به علت عدم نیاز به پاشش آب با فشار زیاد) آب با کیفیت بالا مورد نیاز نیست ولی در هر حال، مصرف آب مقطر ترجیح دارد.

عملیات نگه‌داری زیادی لازم دارد ( تعویض سلو‌ل‌ها بصورت دوره‌ای ) هزینه نصب سیستم نسبت به سایر سیستم‌های تبخیری بیش‌تر است.

تغییر ساختار اتاق فیلتر برای نصب این سیستم زیاد است.

2 ـ3 ـ سیستم فشار قوی Fog (High Pressure Fogging) در این روش، آب مورد نیاز جهت خک کردن هوای ورودی به صورت قطرات بسیار ریز (مثل ذرات مه) به درون هوای ورودی توربین پاشیده می‌شود.

این قطرات به علت ریز بودن، سریعاً گرمای نهان تبخیر خود را از هوا اخذ کرده و تبخیر می‌شوند و از طرف دیگر هوای عبوری که گرما از دست داده‌است، خنک می‌گردد.

مقدار آبی که برای ایجاد سرما توسط سیستم F og لازم است، برای شرایط حداکثر گرما محاسبه می‌شود ( با در نظر گرفتن درجه حرارت تر متناظر با آن).

سیستمFog هم در توربین‌های بارپایه و هم بار پیک کاربرد دارد.

در اکثر موارد عمل‌کرد بهینه توربین در صورتی بدست خواهد آمد که نازل‌ها، پس از فیلتر‌های هوا و قبل از Silencer ها قرار گیرند.

این طزیقه نصب عموماً نیاز به یک تا دو روز خواب توربین دارد و احتیاجی به تغییر ساحتار اتاق فیلتر و یا اطراف آن ندارد.

در حالتی که نازل‌ها پس از فیلترهای هوا و درون اتاق فیلتر قرار می‌گیرند، دقت ویژه‌ای در کنترل اندازه قطره‌ها باید صورت گیرد.

زیرا قطرات تولید شده مه، فرصت کوتاهی برای تبخیر شدن دارند.

بنابراین باید به اندازه‌ای ریز باشند که در این فاصله حتماً تبخیر شوند.

هم‌چنین برای کاهش احتمال ورود اشیاء خارجی به کمپرسور، شبکه فشار قوی نازل‌ها باید دارای ساختار محکمی باشد.

میزان افت فشار سیستم فشار قوی Fog، از سایر روش‌های خنک کننده کمتر است و یکی از مزایای عمده این سیستم بهشمار می‌رود.

زیرا عملاً این سیستم محفظه جداگانه‌ای ندارد و هم‌چنین به علت خروج مه با سرعت زیاد از درون نازل‌ها، مقاومت چندانی در برابر عبور هوای ورودی ایجاد نمی‌شود.

برای تولید قطرات ریزمه، از نازل‌های پاشش آب مخصوصی استفاده می‌کنند.

زمانی که آب با فشار زیاد از این نازل‌ها عبور می‌کند، قطرات بسیارریزی تولید می‌شود که قطرات سریعاً تبخیر شوند.

چون پره‌های کمپرسور مستقیماً درمعرض هوای مرطوب قرار می‌گیرند، آب مصرفی در سیستم F o g عموماً آب مقطر با کیفیت از پیش تعیین شده است.

سه نکته مهمی که در طراحی یک سیستم F 0 g باید همواره در نظر قرارگیرند، عبارتند از :