[تجهیزات دوار] - توربین بخار چیست - steam turbine

[P O U R I A]

توربین بخار (steam turbine)، دستگاهی است که انرژی حرارتی از بخار دارای فشار می‌گیرد و از آن برای انجام کار مکانیکی به وسیله یک شافت چرخشی استفاده می‌کند. نوع مدرن توربین بخار در سال 1884 توسط سر چارلز پارسونز اختراع شد.


از آن‌جا که توربین تولید حرکت گردشی می‌کند برای رانش یک ژنراتور (generator) الکتریکی بسیار مناسب است، در سال 1996 حدود 90 درصد از کل برق ایالات متحده با استفاده از توربین های بخار تولید شده است. توربین بخار یک شکل از موتور حرارتی (heat engine) است که میزان زیادی از بهبود راندمان ترمودینامیکی خود را مدیون استفاده از مراحل (stages) متعدد انبساط بخار است که منجر ایجاد به یک روش نزدیک‌تر به فرآیند انبساط ایده‌آل برگشت‌پذیر شده است.


توربین‌های بخار در اندازه‌های مختلفی ساخته می‌شوند که از یونیت‌های کوچک‌تر از 0.75 کیلووات (1 اسب بخار) مورد استفاده به عنوان درایو‌های مکانیکی برای پمپ (pump)، کمپرسور (compressor) و شافت دیگر تجهیزات تا توربین‌های 1500 مگاواتی (2000 اسب بخار) مورد استفاده برای تولید برق متغیر است. چندین روش دسته‌بندی برای توربین های بخار مدرن وجود دارد.

یک نمونه توربین بخار کم فشار بزرگ​

 

[P O U R I A]

انواع توربین بخار از نظر شرایط ورودی و خروجی بخار


از نظر شرایط بخار ورودی و خروجی، توربین‌های بخار به صورت زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• توربین‌های بخار کندانسی یا چگالشی (condensing steam turbines)
• توربین‌های بخار غیر کندانسی (non-condensing steam turbines)
• توربین‌های بخار ری‌هیت دار (reheat steam turbines)
• توربین‌های بخار زیرکش‌دار (extraction steam turbines)
• توربین‌های بخار ورودی دار (induction steam turbines)

توربین‌های کندانسی (condensing turbines) معمولا در نیروگاه‌ها یافت می‌شوند. در این توربین‌ها بخار خروجی در حالت نیمه کندانس که معمولا دارای کیفیت نزدیک به 90 درصد و فشار زیر اتمسفر است به کندانسور (condenser) وارد می‌شود.

توربین بخار کندانسی​

توربین‌های غیر کندانسی یا توربین‌های بک‌پرشر (back pressure turbines) دارای کاربرد گسترده‌ای در فرآیندهای بخار هستند. فشار خروجی آن‌ها با توجه به فشار بخار مورد نیاز فرآیند، به وسیله یک شیر تنظیم کنترل می‌شود. این توربین‌ها معمولا در پالایشگاه‌ها، واحدهای گرمایش منطقه‌ای (district heating units)، کارخانه‌های کاغذ و خمیر کاغذ و تجهیزات شیرین‌سازی آب (desalination) که در آن‌ها مقدار زیادی بخار فرآیندی کم فشار مورد نیاز است، یافت می شوند.


توربین‌های ری‌هیت دار (reheat turbines) نیز تقریبا تنها در نیروگاه‌های برق استفاده می‌شوند. در یک توربین ری‌هیت دار، جریان بخار از بخش پر فشار توربین خارج می‌شود و به بویلر (boiler) می‌رود که در آن‌جا مجددا سوپر هیت می‌گردد. سپس بخار به بخش فشار متوسط توربین باز می‌گردد و به انبساط خود ادامه می‌دهد. استفاده از ری‌هیت در سیکل، کار خروجی توربین را افزایش می‌دهد و همچنین انبساط بخار قبل از آن که به مرحله کندانس شدن برسد، انجام می‌شود که این باعث به حداقل رسیدن فرسایش پره‌های ردیف آخر می‌شود. در بیش‌تر موارد حداکثر از دو ری‌هیت در سیکل استفاده می‌شود زیرا در غیر این صورت هزینه سوپرهیت کردن بخار از افزایش کار خروجی توربین بیش‌تر می‌شود.

توربین بخار ری‌هیت دار​

 

[P O U R I A]

توربین‌های نوع زیرکش دار یا استخراجی یا اکسترکشن‌ (extraction turbines) در همه کاربردها به کار می‌روند. در توربین‌های اکسترکشن بخار از مراحل مختلف توربین خارج می‌شود و برای مصارف فرآیند‌های صنعتی و یا ارسال به هیترهای آب تغذیه بویلر (feed water heaters) برای بهبود راندمان کلی سیکل به کار می‌رود. جریان اکسترکشن را می‌توان با یک شیر کنترل و یا آن را کنترل نشده رها نمود.

توربین بخار اکسترکشن یا زیرکش دار​

در توربین های القایی یا اینداکشن (induction turbines) برای تولید توان بیش‌تر، بخار کم فشار درمرحله‌های میانی به توربین وارد می‌شود.

توربین بخار اینداکشن​

 

[P O U R I A]

انواع توربین‌های بخار از نظر پوسته یا آرایش شافت

از نظر آرایش کیسینگ‌ها یا آرایش شافت، می‌توان توربین بخار را به صورت زیر دسته‌بندی کرد:

• توربین‌های بخار تک پوسته‌ای یا تک محفظه‌ای یا تک کیسینگ (single casing steam turbine)
• توربین‌های بخار ترکیبی پشت به پشت یا تاندم (tandem compound steam turbine)
• توربین‌های بخار ترکیبی متقابل یا کراس کامپاند (cross compound steam turbine)

ترکیب‌های تاندم زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند که دو یا چند پوسته به یکدیگر کوپل مستقیم شوند تا یک ژنراتور را برانند. آرایش ترکیب متقابل توربین به این صورت است که دو یا چند شافت غیر هم خط، دو یا چند ژنراتور را می‌رانند که اغلب در سرعت‌های مختلفی کار می‌کنند. ترکیب متقابل که به طور معمول برای کاربردهای بسیار بزرگ استفاده می‌شود.

توربین بخار کراس کامپاند​

توربین بخار تاندم کامپاند​

 

[P O U R I A]

توربین بخار با خروجی دوگانه

بخار در حال حرکت دو نیروی محوری و مماسی را بر روی شافت توربین وارد می‌کند. اما نیروی محوری در یک توربین ساده هیچ نیروی متقابلی ندارد. برای حفظ موقعیت درست روتور و بالانس کردن آن، این نیرو را باید توسط یک نیروی مخالف خنثی شود. می‌توان از یاتاقان‌های تراست (thrust bearings) بر روی شافت استفاده کرد و یا روتور را طوری طراحی کرد که بخار از وسط شافت وارد شده و از دو انتهای آن خارج گردد. پره‌ها در هر یک از تکه‌ها در سمت مخالف قرار گرفته‌اند به طوری که نیروهای محوری یک‌دیگر را خنثی می‌کنند ولی نیروهای مماسی در یک جهت عمل می‌کنند. این طراحی روتور جریان دوگانه (two-flow) و یا دابل اگزوز یا خروجی دوگانه (double-exhaust) نامیده می‌شود. این آرایش در پوسته‌های کم فشار توربین‌های ترکیبی رایج است.

 

[P O U R I A]

اصول کارکرد و طراحی توربین بخار

یک توربین بخار ایده‌آل به صورت یک فرآیند آیزنتروپیک (isentropic) یا فرآیند انتروپی ثابت در نظر گرفته می‌شود که در آن انتروپی بخار ورودی به توربین با انتروپی از بخار خروجی از توربین برابر است. هیچ توربین بخاری واقعا آیزنتروپیک نیست و راندمان آیزنتروپیک بر حسب کاربرد توربین معمولا در بازه 20 تا 90 درصد تغییر می‌کند. داخل یک توربین شامل چند مجموعه پره (blades) یا باکت (buckets) است. یک دسته از پره‌های ثابت به پوسته و دسته دیگر از پره‌های دوار به شافت متصل است. این مجموعه دارای یک شبکه داخلی با حداقل فضای خالی است که اندازه و آرایش مجموعه‌های مختلف باعث بهره برداری بهینه از انبساط بخار در هر مرحله می‌شود.

راندمان توربین بخار

برای به حداکثر رساندن راندمان توربین، در چند مرحله بخار منبسط شده و کار انجام می‌دهد. این مراحل بر حسب این که چگونه انرژی از آنها را استخراج می‌شود دسته‌بندی می‌شوند و به عنوان توربین‌های ضربه‌ای یا ایمپالس (impulse turbine) یا واکنشی (reaction turbine) شناخته شده‌اند. بیش‌تر توربین‌های بخار از ترکیبی از طرح واکنشی و ضربه‌ای استفاده می‌کنند: هر مرحله به شکل یکی از این دو رفتار می‌کند ولی کل توربین از هر دو استفاده می‌کند. به طور معمول، بخش‌های پر فشارتر نوع واکنشی و مراحل کم فشارتر از نوع ضربه‌ای هستند. در صورتی که توربین بخار از مراحل مختلف پره برای انبساط بخار استفاده کند، شرایط انبساط بخار به شرایط آیزنتروپیک نزدیک‌تر می‌شود. در این صورت به توربین بخار، توربین بخار کامپاند گفته می‌شود.

توربین ضربه‌ای

توربین ضربه‌ای (impulse turbine) دارای نازل‌هایی (nozzle) است که جریان بخار را به جت‌های با سرعت بالا تبدیل می‌کنند. این جت‌ها دارای انرژی جنبشی قابل توجهی هستند که در اثر تغییر جهت جت بخار، به وسیله پره‌های روتور سطلی شکل (bucket) به چرخش شافت تبدیل می‌شود. افت فشار تنها در پره‌های ثابت رخ می دهد و در گذر از آن مرحله سرعت خالص بخار افزایش می‌یابد. زمانی که بخار در نازل جریان می‌یابد، فشار آن از فشار ورودی تا فشار خروجی ( فشار اتمسفر و یا خلاء کندانسور) کاهش می‌یابد. به دلیل این نسبت بالای انبساط، بخار با سرعت بسیار بالا نازل را ترک می‌کند. بخار خروجی از پره‌های متحرک دارای بخش بزرگی از حداکثر سرعتی است که در زمان خروج از نازل داشته است. اتلاف انرژی به دلیل این سرعت خروج بالاتر معمولا به نام سرعت انتقال (carry over velocity) یا تلفات خروجی (leaving loss) خوانده می‌شود.

مجموعه پره یک توربین ایمپالس​

قانون ممان مومنتوم (law of moment of momentum) بیان می‌کند که ممان نیروهای خارجی که بر مایعی که به صورت موقت حجم کنترل را اشغال نموده است وارد می‌شود، برابر است با میزان تغییر خالص در مومنتوم زاویه‌ای شار عبوری از حجم کنترل.

 

[P O U R I A]

توربین واکنشی

در توربین واکنشی (reaction turbine)، پره‌های روتور به شکل نازل‌های همگرا آرایش داده شده‌اند. این نوع توربین از نیروی واکنشی تولید شده در اثر شتاب گرفتن بخار در نازل‌هایی که توسط روتور تشکیل شده‌اند استفاده می‌کند. بخار به وسیله پره‌های ثابت استاتور بر روی روتور هدایت می‌شود. این بخار به صورت جت استاتور را ترک و تمام دور روتور را پر می‌کند. پس از آن بخار مسیر خود را تغییر می‌دهد و سرعت خود را نسبت به سرعت پره‌ها افزایش می‌دهد. افت فشار هم در استاتور و هم روتور رخ می‌دهد، از طرفی بخار در استاتور شتاب می‌گیرد و در روتور شتاب از دست می‌دهد، بدون این که سرعت بخار تغییر خالصی در یک مرحله داشته باشد، دما و فشار آن کاهش می‌یابد که این منعکس کننده کار انجام شده برای رانش روتور است.

یک نمودار شماتیک، نشان دهنده تفاوت بین یک ردیف توربین ضربه‌ای و توربین واکنشی 50٪​

 

[P O U R I A]

بهره‌برداری و نگهداری

از آن‌جا که در مدارهای بخار و مواد مورد استفاده از فشارهای بالا استفاده می‌شود، توربین‌های بخار و پوسته آن‌ها دارای اینرسی حرارتی بالایی هستند. هنگام گرم کردن (warming up) یک توربین بخار برای استفاده، شیرهای قطع‌کننده (stop valves) بخار اصلی که پس از بویلر قرار دارند، دارای یک خط بای‌پس (bypass line) هستند که به بخار فوق‌گرم اجازه می‌دهد تا به آرامی شیر را دور بزند و خطوط سیستم و نیز توربین بخار را گرم کند.


زمانی که بخاری وارد توربین نمی‌شود، یک چرخ‌دنده گرداننده یا ترنینگ گیر (turning gear) درگیر می‌شود و به آرامی توربین را می‌چرخاند تا از گرم شدن یکنواخت و جلوگیری از انبساط غیر یکنواخت اطمینان حاصل کند. پس از اولین چرخش توربین توسط چرخ‌دنده گرداننده، به روتور زمانی برای صاف شدن داده می‌شود تا خمیدگی نداشته باشد، پس از آن ترنینگ گیر آزاد شده و بخار به توربین وارد می‌شود که در ابتدا به پره‌های عقبی و سپس به پره‌های جلویی برخورد می‌کند و به آرامی توربین را در سرعت 10-15rpm می‌چرخاند تا آن را به آرامی گرم کند. پروسه گرم کردن توربین‌های بخار بزرگ ممکن است بیش از ده ساعت طول بکشد.

یک توربین بخار مدرن​

در زمان کارکرد عادی، عدم توازن در روتور منجر به ارتعاش می‌شود، که به دلیل سرعت‌های چرخشی بالا می‌تواند منجر به شکستن پره روتور درون پوسته شود. برای کاهش این خطر، تلاش‌های قابل توجهی برای بالانس کردن توربین انجام می‌شود. همچنین توربین‌ها با بخار با کیفیت بالا کار می‌کنند: بخار سوپر هیت خشک یا بخار اشباع با میزان خشکی بالا. این بخار از فرسایش سریع پره که در اثر برخورد آب کندانس با پره‌ها اتفاق می‌افتد جلوگیری می‌کند. همچنین، آب مایع وارد شده به پره‌ها می‌تواند به یاتاقان‌های تراست شافت توربین آسیب برساند. برای جلوگیری از این مشکل، در کنار کنترل‌ها و بافل‌هایی که برای اطمینان از کیفیت بالای بخار در بویلر نصب شده‌اند، خطوط درین کندانس در لوله‌کشی بخار به سمت توربین نصب شده‌اند.

نیاز به تعمیر و نگه‌داری توربین های بخار مدرن ساده و دارای هزینه های پایین است (معمولا در حدود 0.005 دلار به ازای هر کیلووات ساعت) و عمر کارکرد آن‌ها اغلب بیش از 50 سال خواهد بود.

 

[P O U R I A]

تنظیم سرعت توربین بخار

کنترل توربین با گاورنر (governor) ضروری است زیرا توربین برای جلوگیری از آسیب نیاز به افزایش سرعت آرام دارد و در برخی از کاربردها مانند تولید برق با جریان متناوب نیازمند به کنترل دقیق سرعت است. افزایش سرعت کنترل نشده روتور توربین می‌تواند منجر به خاموشی (trip) ناشی از افزایش سرعت (overspeed) شود که باعث می شود ولوهای نازلی (nozzle valves) که کنترل جریان بخار به توربین را بر عهده دارند بسته شوند. اگر این ولوها خراب شوند، توربین ممکن است همچنان شتاب بگیرد تا زمانی که به شکل اغلب فاجعه‌باری دچار انفجار شود. ساختن توربین‌ها گران و نیازمند ساخت با دقت و مواد با کیفیت خاص می‌باشد.

در زمان کارکرد عادی و سنکرون شدن (synchronization) با شبکه برق (electricity network)، نیروگاه‌ها با کنترل سرعت دروپ (droop speed control) پنج درصد اداره می‌شوند. به این معنی که سرعت بار کامل (full load speed) برابر است با 100 درصد و سرعت بدون بار (no-load speed) برابر است با 105 درصد است که برای بهره‌برداری پایدار از شبکه بدون ایجاد مشکل در نیروگاه‌ مورد نیاز است. به طور معمول تغییرات در سرعت اندک هستند. تنظیمات در توان خروجی به وسیله بالا بردن آهسته منحنی دروپ با افزایش فشار بر روی فنر گاورنر سانتریفوژ (centrifugal governor) انجام می‌شود. به طور کلی این یک نیاز اساسی سیستم برای تمام نیروگاه‌ها است زیرا به این ترتیب نیروگاه‌های قدیمی و جدید در پاسخ به تغییرات آنی در فرکانس سازگار می‌شوند بدون این که به ارتباط با خارج وابسته باشند.


راندمان آیزنتروپیک توربین بخار

برای سنجش این که یک توربین چقدر خوب کار می‌کند، می‌توانیم به راندمان آیزنتروپیک (isentropic efficiency) آن نگاه کنیم. این راندمان، عمل‌کرد واقعی توربین را با عمل‌کرد توربین ایده آل در حالت آیزنتروپیک مقایسه می‌کند. در هنگام محاسبه این راندمان، اتلاف حرارت به محیط اطراف صفر در نظر گرفته می‌شود. فشار و دمای شروع برای هر دو توربین واقعی و ایده‌آل یک‌سان است، اما محتوای انرژی خروجی از توربین یا آنتالپی ویژه برای توربین واقعی بیش‌تر از توربین ایده‌آل است که دلیل آن برگشت‌ناپذیری (irreversibility) در توربین واقعی است. آنتالپی ویژه در فشار یکسان برای توربین‌های واقعی و ایده‌آل محاسبه می‌شود تا بتوان یک مقایسه خوب بین این دو انجام داد.

راندمان آیزنتروپیک به وسیله تقسیم کار واقعی بر کار ایده آل به دست می‌آید.


درایو مستقیم توسط توربین بخار

نیروگاه‌های برق از توربین‌های بخار بزرگ برای راندن ژنراتورهای الکتریکی (electric generators) استفاده می‌کنند و از این راه حدود 80 درصد از برق جهان را تامین می‌کنند. ظهور توربین‌های بخار بزرگ، تولید متمرکز برق را عملی کرده است، زیرا اندازه موتورهای بخار رفت و برگشتی (reciprocating steam engines) بسیار بزرگ می‌شود و عمل‌کرد آن‌ها با سرعت آهسته خواهد بود. بیش‌تر نیروگاه‌های مرکزی از نوع نیروگاه‌های سوخت فسیلی (fossil fuel power plants) و نیروگاه‌های هسته‌ای هستند، برخی از تاسیسات از بخار زمین گرمایی (geothermal) و یا از انرژی خورشیدی متمرکز (concentrated solar power) یا CSP استفاده می‌کنند. توربین‌های بخار همچنین می‌توانند به طور مستقیم برای درایو پمپ‌های سانتریفوژ (centrifugal pumps) بزرگ مانند پمپ‌های آب فید (feedwater pumps) در نیروگاه‌های حرارتی مورد استفاده قرار گیرند.

توربین های مورد استفاده برای تولید برق اغلب به طور مستقیم به ژنراتور خود کوپل می‌شوند. ژنراتورها باید در سرعت ثابت سنکرون (synchronous speeds) مطابق با فرکانس سیستم برق قدرت بچرخند، معمول‌ترین سرعت‌ها 3000 دور در دقیقه برای سیستم‌های 50 هرتز و 3600 دور در دقیقه برای سیستم‌های60 هرتز است.

یک سیستم توربین و ژنراتور با تجهیزات جانبی​

تست توربین بخار

کدهای تست ملی و بین المللی بریتانیا، آلمان و غیره برای استاندارد کردن روش‌ها و تعاریف مورد استفاده برای تست توربین‌های بخار استفاده می‌شوند. انتخاب کد تست مورد استفاده، به توافق بین خریدار و سازنده بستگی دارد اهمیت بالایی در طراحی توربین و سیستم های مرتبط دارد. در ایالات متحده، ASME چندین کد تست کارایی (performance test) توربین‌های بخار تولید کرده است که شامل: ASME PTC 6-2004 برای توربین‌های بخار، ASME PTC 6.2-2011 برای توربین‌های بخار در سیکل ترکیبی، PTC 6S – 1988 برای روش انجام تست روتین عمل‌کرد توربین‌های بخار می‌شود. این کدهای تست عمل‌کرد ASME دارای رسمیت و پذیرش جهانی برای تست توربین‌های بخار شده‌اند. تنها مشخصه مهم و برجسته استانداردهای تست عمل‌کرد ASME، از جمله PTC 6 این است که عدم قطعیت (uncertainty) در اندازه‌گیری‌ها تست نشان دهنده کیفیت تست است و به عنوان تولرانس در نظر گرفته نمی‌شود.