بایگانی ها

توربین­ها، انواع آنها و عملکردشان در سد سازی

تاریخچه

واژه توربین برای اولین بار به وسیله Claude Burdin   (۱۷۹۰-۱۸۷۳) در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از لغت یونانی به معنی چرخنده یا سر گردان مشتق شده‌است. توربین، موتوری چرخنده‌ است که می‌تواند از یک سیال[1] انرژی به‌دست آورد.

مقدمه

تعریف توربين (Turbine) : وسيله پره‌دار و چرخان بوسيلة يك نيرو مانند باد، آب يا بخار پرفشار. انرژي مكانيكي توربين در حال چرخش توسط يك مولد به برق تبديل مي‌شود.

ساده‌ترین توربین‌ها یک بخش چرخنده و تعدادی پره دارند که به بخش اصلی متصل شده‌است سیال به پره‌ها برخورد می‌کند و بدین ترتیب از انرژی ناشی از متحرک بودن آن استفاده می‌کند به عنوان اولین توربین‌ها می‌توان آسیاب بادی و چرخاب را نام برد.

توربین‌های گاز، بخار و آب معمولاً پوشش محافظی در اطراف پره‌هایشان دارند که سیال را کنترل می‌کنند پوشش‌ها و پره‌ها می‌توانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشند که هر کدام برای نوع سیال و بازده متفاوت است.

کمپرسور یا پمپ دستگاهی مشابه توربین است ولی با عملکرد بر عکس به طوری که این دستگاه انرژی را می‌گیرد و باعث حرکت یک سیال می‌شود.

 

انواع توربین­ها

1) توربین‌های آبی (Water Turbines)

2) توربین‌های گاز (Gas Turbines)

3) توربین‌های بخار (Steam Turbines)

4) توربین‌های باد (Wind Turbines)

 

توربین­های آبی

توربيـــــن آبی به عنوان يك سيستم مكـــانيكي اســـت كه انــرژي پتانســــيل آب را به انـــرژي مكــانيكي تبديـــل مي كند. مقــــدار انـــرژي توليـــد شـــده به پارامترهايي از قبيل هـــد، دبي و مقدار تلفــات نشتي بستگي دارد. توربين آبي، توربيني است كه از فشار آب براي چرخاندن پره‌هاي خود استفاده مي‌كند. اولين نيروي توليد شده از اين توربين، برق است.

توربينهاي آبي، معمولا" به 3 دسته كلي پلتون، فرانسيس و كاپلان تقسيم مي‌گردند كه در هر نيروگاه متناسب با هد و دبي آب، توربين متناسب با آن، انتخاب مي‌گردد.در بسياري از نيروگاههاي بزرگ و متوسط ايران از توربين نوع فرانسيس  عمودي استفاده شده است.

بطور مثال، تــــــوربين‎هاي نيروگاه كـــارون يك،دز،كارون 3 و كرخه،از نوع فرانســـــيس، عكس‎العملي و با محــــور عمــودي مي‎باشـــــند كـــه كامــلاً در آب  غـــوطه‎ور هستند. آب باعــــــث ايجــــاد كوپل چرخشي در توربـــــين مي‎شــــــود. هر توربــــين شامل اجـــزاء زير است : محفظــــه حلزونــــــي(Spiral Case) ، حلقــــه ثابت(Stay ring) ، پره‎هــــــاي تنظــــيم‎كننده جريان آب(Wicket gate) ، رانـــر (Runner) و درافت تيوب(Draft tube).

آب وارد محفظــه حلزوني شــــده و پس از عبور از پره‎هاي ثــابت و پره‎هـــــاي ويكت گيت، با برخورد به  رانـــــر، آن را به چرخش درآورده و سپس از طــريق درافــت تيوب و تونـــل پايـــاب (Tail race)خارج مي‎شـــود. بمنظـــور جدا كردن درافت تيـــوب از آب پايـــاب، در مواقــــع لازم (براي تخلــــيه آب درافت تيوب)،در بعضي از طرحها، از استاپ لاگ (دريچه) (Stop-Log) در انتهاي درفت تيوپ استفاده مي‌شود. دبي آب توربين توسط باز و بستــه شدن پره‎هاي ويكت گيت‎ كنترل مي‎شود. گاورنــــر(Governor) از اين طـــريق(با تغيير باز شدگي دريچه‌هاي ويكت گيت)، قــــدرت خروجي و ســـرعت توربيـن را كنترل مي‎كنـــد. در بالا دست محفظه حلزوني، شيرپروانه‎اي(Butterfly Valve) قـــرار دارد كــــه در مــواقع عادي و اضطـراري براي توقـف جــريان آب از آن اســتفاده مي‎گــردد.بايد توجه كرد كه شيرپروانه‌اي براي كنترل دبي آب استفاده نمي‌شود و همواره يا كاملا" باز است و يا كاملا" بسته.

بطور مثال نيروگاه كارون يــك، داراي چــــهار واحـــد با محـــور عمــودي است. هــــر دو توربيـــن داراي يــك ورودي و پنســتاك هستــند كه هر پنستاك به دو قســــمت تقســيم شـده و هر قســمت آن به يك محفظـــه حلــــــزوني متصل شـــده است. با هــد خالص 160.4 m و دبـــي 171 m3/sce ، قــــــــدرت واحد ، حدود 254 MW و راندمان آن حـــدود 94.5% مي‌باشد.

 

اولین توربین‌های آبی چرخ‌های آبی بودند که برای گذر از چرخ‌های آبی به توربین‌های مدرن ۱۰۰ سال سپری شد. در ادامه swirl در توربین‌ها تحقق پیدا کرد که انرژی به یک جزء چرخان منتقل می‌شد. (البته در توربین‌های ضربه‌ای swirl وجود ندارد). این توربین شامل توربین‌های عکس العملی و ضربه ای است.

 

1) توربین‌های عکس العملی


در این توربین‌ها آب با گذر از بین پره‌های توربین فشار خود را از دست داده و باعث حرکت رانر می‌شود. توصیف انتقال انرژی بوسیله قانون سوم نیوتن انجام می‌گیرد. مانند:

توربین فرانسیس، توربین کاپلان (Kaplan, Propeller, Bulb, Tube, Straflo)، Tyson  و Water wheel

2) توربین‌های ضربه‌ای


در این نوع تغییر فشار بوجود نمی‌آید و با یک نازل سرعت آب افزایش داده می‌شود و آب به پره‌ها ضربه می‌زند. مانند:
توربین پلتون، Turgo ، Michell-Banki  یا Crossflow یا  Ossberger

________________________________________________________________________

* توربین فرانسیس (Francis)بوسیله James B. Francis اختراع شد. این توربین یک توربین عکس العملی با جریان داخل شونده (Inward Flow) است که از مفاهیم جریان محوری (Axial) و گردشی (Radial) بهره می‌برد.

این توربین پرکاربردترین توربین است. این توربین از نوع عکس العملی بوده و به همین دلیل در یک سوی آن آب پرفشار و در سوی دیگر آب خروجی کم فشار وجود دارد.

ورودی شکل حلزونی دارد و این ساختار به کمک دریچه‌های هدایت کننده (Wicket Gates or Guide Vanes) باعث می‌شوند آب مماس وار (tangentially) به رانر برخورد کند و رانر به چرخش درآید. هرچه آب بیشتر به دور توربین می‌چرخد شعاع مجرای آن کمتر می‌شود که در نتیجه آب سرعت از دست رفته خود را احیا می‌کند. در نهایت آب خروجی دارای حداقل انرژی جنبشی و پتانسیل است. هزینه طراحی، ساخت و نصب توربین‌های فرانسیس بسیار زیاد است اما برای سالیان متمادی کار می‌کنند.)

توربین کاپلان  (Kaplan)این توربین در سال ۱۹۱۳ توسط Viktor Kaplan اطریشی ابداع شد. این توربین یک توربین عکس العملی با جریان داخل شونده (Inward Flow) است که از مفاهیم جریان محوری (Axial) و گردشی (Radial)  بهره می‌برد. ورودی تیوبی پیچشی است که به دور دریچه‌های هدایت کننده (Wicket Gates) می‌چرخد. آب توسط دریچه‌های هدایت کننده به صورت مماسی به رانر خورده و توسط تیغه‌های ملخی رانر حالت مارپیچی به خود می‌گیرد که در نهایت باعث چرخش رانر می‌شود. دو پارامتر تنظیمی زاویه تیغه‌ها و دریچه‌های هدایت کننده باعث می‌شوند توربین‌های کاپلان در محدوده وسیعی کارایی داشته باشند. در کاربردهای خانگی با حدود تراز موثر ۶۰ سانتیمتر توربین‌های کاپلان ارزان قیمتی ساخته می‌شوند. هزینه طراحی، ساخت و نصب توربین‌های فرانسیس بسیار زیاد است اما برای سالیان متمادی کار می‌کنند.

انواع مختلف توربین کاپلان

توربین‌های ملخی  (Propeller Turbine)

پره‌های ملخ قابل تنظیم نبوده و برای کاربردهای کوچک و ارزان استفاده می‌شوند. در مدلهای تجاری این توربینها از چند دسیمتر تراز موثر چند صد وات تولید می‌کنند.

توربین حبابی (Bulb) یا لوله‌ای (Tubular)

در مسیر ورود آب طراحی می‌شوند. یک حباب بزرگ در مرکز لوله آب قرار گرفته و ژنراتور، رانر (runner) و ویکت گیت (wicket gate) را در بر می‌گیرد. توربینهای لوله‌ای طراحی کاملا محوری دارند (در حالی که توربینهای کاپلان، ویکت گیتهای شعاعی دارند.

توربین Pit

توربین‌های حبابی همراه با جعبه دنده هستند. با وجود جعبه دنده امکان استفاده از ژنراتور کوچکتر را فراهم می‌کند. در نتیجه برای ارتفاع پایین بسیار مطلوب می‌باشد.

توربین Straflo

در این توربین روتور توربین و رانر با هم ادغام شده‌اند.

توربین S یا S-Turbine

این توربین با بیرون بردن ژنراتور از کانال آب، نیاز به محفظه حبابی را از بین برده‌است. در این حالت تورفتگی در کانال ایجاد شده‌است که شفتی توربین را به ژنراتور متصل می‌کند.

________________________________________________________________________

 

عملکرد توربین­های آبی در نیروگاه ها و تولید برق

 

نيروگاه هاي آبي: در مناطقي از جهان كه رودخانه هاي پر آب دارند به كمك سد آب ها را در پس ارتفاعي محدود كرده و از ريزش آب بر روي پره هاي توربين انرژي الكتريكي توليد مي كنند. كشورهاي شمال اروپا قسمت اعظم الكتريسيته خود را از آبشارها و يا سدهايي كه ايجاد كرده اند به دست مي آورند. در كشور فرانسه حدود 30 تا 40 درصد الكتريسيته را از همين سدهاي آبي به دست مي آورند. متاسفانه در كشور ما چون كوه ها لخت (بدون درخت) هستند غالب سدهاي ساخته شده بر روي رودخانه ها در اثر ريزش كوه ها پر شده و بعد از مدتي غير قابل استفاده مي شوند.                                           

 

نیروی برق‌آبی: نیروی برق‌آبی یا هیدروالکتریسیته اصطلاحی است که به انرژی الکتریکی تولیدی از نیروی آب اطلاق می‌شود. در حال حاضر هیدروالکتریسیته چیزی در حدود ۷۱۵۰۰۰ مگاوات یا ۱۹٪ در سال ۲۰۰۳ از کل انرژی الکتریکی تولیدی جهان را پوشش می‌دهد. نیروی برق‌آبی همچنین ۶۳٪ از انرژی الکتریکی تولیدی از منابع تجدیدپذیر را نیز شامل می‌شود.

تولید انرژی الکتریکی بیشتر نیروگاه‌های برق-آبی انرژی مورد نیاز خود را از انرژی پتانسیل آب پشت یک سد تامین می‌کنند. در این حالت انرژی تولیدی از آب به حجم آب پشت سد و اختلاف ارتفاع بین منبع و محل خروج آب سد وابسته‌است. به این اختلاف ارتفاع، ارتفاع فشاری می‌گویند و آن را با H مخفف Head نمایش می‌دهند. در واقع میزان انرژی پتانسیل آب با ارتفاع فشاری آن متناسب است. برای افزایش فاصله یا ارتفاع فشاری، آب معمولاً برای رسیدن به توربین آبی فاصله زیادی را در یک لوله بزرگ (penstock) طی می‌کند.

 

نیروگاه آب تلمبه‌ای:  نوعی دیگر از نیروگاه آبی است. وظیفه یک نیروگاه آب تلمبه‌ای پشتیبانی شبکه الکتریکی در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) است. این نیروگاه تنها آب را در ساعات مختلف بین دو سطح جابجا می‌کند. در ساعاتی که تقاضای برای انرژی الکتریکی پایین است با پمپ کردن آب به یک منبع مرتفع انرژی الکتریکی را به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل می‌کند. در زمان اوج مصرف آب دوباره از مخزن به سمت پایین جاری می‌شود و با چرخاندن توربین آبی موجب تولید برق و رفع نیاز شبکه می‌گردد. این نیروگاه‌ها با ایجاد تعادل در ساعات مختلف موجب بهبود ضریب بار شبکه و کاهش هزینه‌های تولید انرژی الکتریکی می‌شوند.

از دیگر انواع نیروگاه‌های آبی می‌توان به نیروگاه‌های جزر و مدی اشاره کرد. همانطور که از نام این نیروگاه‌های مشخص است این نیروگاه‌ها نیروی مورد نیاز خود را از اختلاف ارتفاع آب در بین شبانه روز تامین می‌کنند. منابع در این دسته از نیروگاه‌ها نسبت به بقیه کاملاً قابل پیشبینی هستند. این نیروگاه‌ها همچنین می‌توانند در مواقع اوج مصرف به عنوان پشتیبان شبکه عمل کنند.

برخی نیروگاه‌های آبی که تعداد آنها زیاد هم نیست از انرژی جنبشی آب جاری استفاده می‌کنند. در این دسته از نیروگاه‌ها نیازی به احداث سد نیست توربین این نیروگاه‌ها شبیه یک چرخ آبی عمل می‌کند. این نوع استفاده از انرژی شاخه نسبتاً جدیدی از علم جنبش مایعات است.

 

راههای تولید برق توسط توربین­ها

 

مردم سالهای متمادی است حرکت مکانیکی را برای تولید برق مورد نیاز خود بکار می‌برند. می‌دانید اساس کار یک دستگاه مولد برق (ژنراتور) ، اعم از مولد جریان مستقیم یا متفاوت ، حرکت نسبی یک‌ هادی در میدان مغناطیسی است. ولی مولد یک عیب دارد آن این است که مانند باطری نمی‌تواند انرژی الکتریکی ذخیره کند، به عبارت دیگر برقی که مولد تولید می‌کند باید در حین تولید مصرف شود.

در همه مولد‌ها یک چیز مشترک است، همه آنها نیاز به منبع قدرت دارند تا استوانه حامل‌هادی‌ها را ، یا آهنربای مولد میدان مغناطیسی را بچرخاند یعنی حرکت مکانیکی سیم‌ها را در میدان مغناطیسی ثابت ( یا حرکت آهنربا را در مقابل سیم پیچ‌ها ثابت) تامین کند. منابع قدرت مورد استفاده انواع مختلف دارند. چهار نوع از آنها که اغلب مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از توربین آبی ، توربین بخار ، توربین گازی و موتور‌های درون سوز.

توربین آبی

 

در نیروگاه‌های هیدرولیک برای چرخاندن مولد برق (ژنراتور) از توربین آبی استفاده می‌شود. این طریقه تولید برق از لحاظ اقتصاد با صرفه است ولی محدودیت جغرافیایی محل از لحاظ سد سازی دارد.

توربین گازی

 استفاده از توربین گازی برای به کار انداختن مولد‌های برق روز افزون است. اساس کار توربین‌های گازی مانند کار موتور‌های جت است. سوخت می‌سوزد و گازهای حاصل از سوختن در توربین منبسط می‌شود. ساختن توربین‌های گازی کم خرج است ولی بهره برداری از آنها پرخرج می‌باشد، علاوه بر این ابعاد آنها محدود است. به همین جهت اغلب آنها را به عنوان واحد‌های اضافی برای تدارک الکتریسیته بیش از معمول ، بویژه هنگامی که مصارف اختصاصی مورد نیاز است ، بکار می‌روند.

توربین بخار

 

توربین بخار وسیله متداولتری برای تامین توان مکانیکی جهت چرخاندن القاء کن مولد برق از نیروگاه است. تفاوت یک نیروگاه بخار با نیروگاههای دیگر در چگونگی تولید بخار است. هر روشی که بکار می‌رود باید مقدار زیادی گرما برای تولید بخار لازم جهت بکار انداختن توربین‌های بخار تهیه شود. در نیروگاههای با سوخت فسیلی این گرما از سوختن زغال سنگ ، نفت ، یا گاز طبیعی حاصل می‌شود. در نیروگاه هسته‌ای گرما از شکافت اتمهای سوخت اورانیوم به دست می‌آید.

 

 

نمونه ای از یک سد بزرگ در جهان (سد ایتایپو) و نقش توربین­های در آن

 

سد ایتایپو که بر روی رودخانه پارانا در مرز پاراگوئه و برزیل زده شده است طولانی‌ترین سد جهان است. سد ایتایپو در سال ۱۹۹۴ از سوی انجمت مهندسی عمران آمریکا به عنوان یکی از عجیب هفت‌گانه دنیای مدرن انتخاب شد. نام این سد به معنای صدای سنگ است. ایتایپو در قالب یک پروژه دوجانبه و بر رودخانه پارانا میان دو کشور برزیل و پاراگوئه ساخته شد. ۱۸ واحد مولد برق این سد قادر به تولید ۱۴گیگا وات برق است.

این سد به عرض ۵ مایل بر روی رودخانه پارانا، بین کشورهای برزیل و پاراگوئه ساخته شده است. در زمان ساخت، کارگران مسیر این هفتمین رودخانه بزرگ جهان را با برداشتن ۵۰ میلیون تن سنگ و خاک و حفر یک گودال ۱.۳ مایلی عوض کردند. حجم آهن و فولادی که برای ساخت این سد مصرف شده است به اندازه ۳۰۰۰ برابر آهن و فولاد مصرف شده برای ساختن برج ایفل است. حجم بتن مصرفی بیشتر از ۱۳ میلیون متر مکعب می باشد . ماهیانه ۲۰۰ هراز متر مکعب و روزانه ۱۳ هراز متر مکعب بتن ریزی انجام می شود که تقریبا معادل با بتن ریزی ۱۸ ساختمان ۲۰ طبقه بتن آرمه در روز می باشد در این طرح ۲.۵ میلیون تن سیمان نوع یک مصرف شده است.با مقدار بتنی که در طرح ایتاپو مصرف شده است می توان یک اتوبان دو خطه از نیویورک تا سانفراسیسکو و از آنجا تا کاتراس ساخت .

نکته جالب ساخت این سد، ساخت موتورخانه عظیم آن می باشد که شامل ۱۸ ژنراتور تولید برق هر کدام به اندازه ۵۳ فوت می باشد که در نیم مایلی زیر دریا قرار دارد. حدود ۱۶۰ تن آب در هر ثانیه از هر توربین می گذرد. این سد دارای ظرفیت تولید برق اسمی ۱۲۶۰۰ مگاوات می باشد. این ظرفیت بالای تولید برق تاکنون چندین رکورد جهانی را در تولید برق شکسته است. این سد در حال حاضر ۲۸% انرژی الکتریکی مورد نیاز جنوب برزیل و ۷۲% انرژی الکتریکی مورد نیاز کشور پاراگوئه را تامین می کند. این سد به علت زیبایی خارق العاده، همچنین به یک جاذبه گردشگری تبدیل شده است . هزینه کل طرح ایتاپو ۱۲ میلیارد دلار بوده است

با مشاهده آمارهایی که اخیراً از میزان انرژی تولیدی این سد به دست آمده اند، می توان به عظمت سد ایتایپو پی برد. نیروگاه ایتایپو در واقع ۲۰ درصد از کل انرژی مورد نیاز صنایع برزیل و ۹۳ درصد انرژی پاراگوئه را تامین می‌کند.

این نیروگاه همچنین محل بزرگی برای جذب توریسم محسوب می شود. تاکنون بیش از ۱۰ میلیون نفر از ۱۶۲ کشور جهان از این سد نیروگاه بازدید کرده‌اند.

 

 

 

 

 

 

 

 

آب پشت سد بعداز عبور از یک مدخل وارد لوله ای بنام آبگیر (دریچه مخصوص تنظیم جریان آب) می شود. آب به تیغه های توربین فشار آورده و باعث حرکت آنها می گردد. توربین یک نیروگاه آبی مانند توربین یک نیروگاه معمولی عمل می کند، با فرق اینکه در اینجا از آب بجای بخار برای چرخاندن توربین استفاده می شود. گردش توربین باعث چرخش ژنراتور و درنتیجه تولید برق می گردد. سپس برق تولیدی از طریق خطوط انتقال به خانه ، مدرسه ، کارخانه و مراکز تجاری ارسال می شود. 

 

نگاهی به نیروگاه های آبی، توربین­ها و صنعت برق در ایران


صنعت برق یک صنعت زیر بنایی بوده وکلیه صنایع وفعالیتهای کشور مستقیم وغیر مستقیم وابسته به این صنعت می باشند.لذا بایستی سرمایه گذاری کافی در این صنعت ایجاد شود. انرژی مورد نیاز یک کشور از طرق مختلف تامین میگردد.منابع تامین انرژی کشورها سوخت فسیلی ، سوخت اتمی ، آب ،گازطبیعی وزغال وانرژی ژئوترمال یازمین گرمایی می باشند.این منابع صرف تولید برق ،حرارت وتهویه میگردند از کل انرژی مفید به کار گرفته شده بخشی به انرژی مفید تبدیل میگرددوبخشی نیز تلف خواهد شد. از نظر تولید برق نیروگاههای آبی را به چند دسته تقسیم مینمایند:

- نیروگاههای آبی بزرگ( LHP)

- نیروگاههای آبی کوچک( SHP)

- نیروگاههای آبی خیلی کوچک (MHP )

نیروگاههای آبی بزرگ معمولا با آن دسته از نیروگاهها اطلاق میگردد که ظرفیت آنها بیش از 100MW و ظرفیت نیروگاههای آبی کوچک بین 1~100MW و نیروگاههای آبی خیلی کوچک کمتراز 1MW می باشد. نیروگاههای آبی کوچک به دو صورت می توانند موجود باشند.

نیروگاههای آبی کوچک با ارتفاع کم LOW HEAD (L.H)  

نیروگاههای آبی کوچک با ارتفاع زیاد  HIGH HEAD (H.H)

به طورعمومی نیروگاههای آبی از نوع ارتفاع زیاد H.H ارزانتر از نوع کم ارتفاع بوده واین امر به واسطه ارزانتر بودن توربینهای مورد نیاز برای نوع H.H  نسبت به نوع L.H  میباشد .

 

جایگاه و نقش توربین در تاسیسات سد

در نیروگاههای آبی بزرگ محل نصب توربین در داخل تاسیسات سد می باشد وآب از یک کانال به طرف توربین هدایت میشود وباعث به چرخش در آمدن رانر که متصل به شافت توربین می باشد، میشود چرخش شافت موجب چرخش ژنراتور وتولید برق میشود.

با عنایت به توانمندیهای موجود و تجارب کسب شده طی مشارکت در اجرای پروژه های سنگین کشور و با توجه به پتانسیل بازار و شرایط حاکم بر آن فرصتها و تهدیدات موجود ، توسعه کمی و کیفی بازار ، از سال   1374ساخت تجهیزات توربین­های آبی از نوع فرانسیس به شرح زیر در شرکت صنایع آذرآب شروع شده است :

1. توربین آبی کارون 1 به تعداد چهار واحد با توان خروجی    4*250 MW

 2. توربین آبی کارون 3 به تعداد هشت واحد با توان خروجی   8*250 MW 

3. توربین آبی کرخه به تعداد سه واحد با توان خروجی   3*133.3 MW    

4. توربین آبی مسجد سلیمان به تعداد چهار واحد با توان خروجی  4*250 MW  

5. توربین آبی طرح توسعه مسجد سلیمان به تعداد چهار واحد با توان خروجی    4*250 MW

6. توربین آبی گتوند به تعداد چهار واحد با توان خروجی    4*250 MW 

7. توربین آبی کارون چهار به تعداد چهار واحد با توان خروجی 4*250 MW

8. توربین آبی سیاه بیشه به تعداد چهار واحد با توان خروجی  4*250 MW

9. توربین آبی سیمره به تعداد سه واحد با توان خروجیMW 163.3*3

ساخت توربینهای آبی با ظرفیت بالا  برای اولین بار در کشور انجام میشود . شرکت صنایع آذرآب با همکاری و مساعدت شرکت فرآب به لحاظ داشتن پتانسیل قوی تخصصی چه در زمینه نرم افزار و یا سخت افزار توانست یکی پس از دیگری مشکلات از سر راه این حرکت برداشته و در حال حاضر با کیفیت بسیار مناسب محصولات تولید می نماید. به عنوان مثال، موضوع ریخته گری قطعات سنگین یکی از مشکلات عمده در مسیر حرکت این پروژه ها بود و امروز خوشحالیم که تمام مشکلات در این زمینه به نحو شایسته در کشور با مساعدت و همکاری و رهنمود متخصصین آذرآب حل و فصل گردیده است. فعالیت آذرآب درشاخه نیروگاههای آبی  در  دو بخش متمرکز بوده : 1-   طراحی و ساخت شیرهای پروانه ای 2-   طراحی وساخت توربینهای آبی

 

ـ توربینهای آبی شامل بخشهای زیر با عملکردهای ویژه ای است :

SPIRAL CASE -

وظیفه اصلی آن توزیع یکنواخت سیال ورودی به پره های ثابت STAY RING  می باشد بطوریکه سرعت ورودی سیال تقریبا ثابت است تا از شوک ناشی از عدم تقارن اندازه حرکت سیال برروی ورودی جلوگیری به عمل آید. شکل هندسی SPIRAL CASE به صورت حلزونی است که این انحنا باعث می شود افت فشار سیال به حداقل مقدار خود برسد.

DISTRIBUTOR - 

وظیفه اصلی آن هدایت جریان آب ورودی به پره های (RUNNER) می باشد و یک مجموعه دینامیکی است که از حدود پنج هزار قطعه کوچک و بزرگ که با همدیگر دارای انطباق مکانیکی می باشند ساخته شده است و جنس اکثر قطعات آن از فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی می باشد که در مقابل سایش مقاوم است.

WICKET GATE -

ویکیت گیت در نیروگاه های آبی نقش مهمی را ایفا می کند مقدار افزایش دور توربین و پس از پارالل شدن با شبکه ، افزایش بار ، با فرمان گاورنر توسط ویکیت گیت صورت می پذیرد. تغییر مکان  چرخشی این قطعه باعث کاهش یا افزایش مقدار دبی جریان یافته به داخل رانر توربین می گردد. این تغییر دبی باعث افزایش سرعت یا قدرت رانر می گردد .

 

 

 علاوه بر این ویکیت گیت نقش هدایت صحیح جریان آب به داخل رانر را بعهده دارد بگونه ای که آب هنگام ورود کمترین مقدار افت را دارا باشد.

 

 

بر این اساس زاویه ورود آب به رانر نیز بسیار مهم و حیاتی است و تاثیر مهمی در راندمان و کاهش پدیده کاویتاسیون دارد .

به دلیل ماهیت آبهای جاری در مسیر توربین در نیروگاه های آبی وجود ماسه های ریز و مواد ناخالص وجود پدیده کاویتاسیون ، پدیده سایش و ناخالصی های مواد روغن کاری اجتناب نا پذیر می باشد. بدین ترتیب پس از مدت زمانی که وابسته به شرایط بهره برداری و کیفیت آب و مواد روغن کاری می باشد سطح محل ژورنال ، مسیر آب بندی و محل سیل بر روی ویکیت گیت ها دچار آسیبهای سایش و خوردگی می گردند.

در چنین شرایطی خرید و یا ساخت ویکیت گیت هزینه بالا و زمان طولانی را بدنبال خواهد داشت . لذا وجود روش تعمیراتی مطمئن می تواند مقرون به صرفه بوده و زمان آماده به کار شدن نیروگاه را بهتر نماید.

مطابق روش اجرائی ذیل ویکیت گیتها پس ازمدت کوتاهی آماده بهره برداری می شوند.

مراحل انجام کار شامل تمیز کاری کل ویکیت گیت ، کنترل کیفی کلیه سطوح، برداشت سطوح تخریب شده بر اثر عوامل ذکر شده ، تمیز کاری سطوح انجام جوشکاری بر روی سطوح تخریب شده به روش زیر پودری یا با هر روش ممکن دیگر، عملیات حرارتی جهت تنش زدائی ، تراشکاری و رساندن محلهای باز سازی شده به اندازه های استاندارد، کنترل کیفی و در صورت امکان انجام روکش کروم کامپوزیت در محلهای سایش و نشیمنگاه های ویکیت گیت .

نحوه ماشین کاری این قطعه نیز بسیار مهم می باشد بدین ترتیب بایستی ویکیت گیت در شرایطی تحت ماشین کاری قرار گیرد که محور و زاویه نشست آب بندی آن نسبت به یکدیگر در یک راستا قرار داشته باشند.

 RUNNER -

وظیفه رانر تبدیل گشتاور اندازه حرکت سیال و باعث گردش ژنراتور خواهد شد. از آنجا که فشار استاتیکی در دو طرف پره های رانر تقریبا برابر است لذا این فشار کار قابل توجهی انجام نخواهد داد.

شکل آیرو دینامیکی پره ها طوری است که در طول پره فشار تبدیل به انرژی جنبشی می شود و بنابراین فشار استاتیکی در خروجی پره ها کمتر از ورودی آن است .

 

 

تقسیم اندازه حرکت سیال بر روی پره ها در حد امکان باید متقارن باشد تا از وارد آمدن شوک به شفت توربین جلوگیری شود. از آنجائیکه توربین از نوع فرانسیس می باشد جریان ورودی شعاعی و در طول پره مؤلفه مماسی سرعت کمتر شده و به مؤلفه محوری تبدیل خواهد شد.

رانر به عنوان یکی از محوری ترین قطعات توربین می باشد و شرایط طراحی و جنس آن طوری است که پره ها مقاومت لازم در برابر تنشهای ناشی از اصطکاک پوسته ای و کاویتاسیون را دارا می باشد. جنس آن از فولادهای ضد زنگ مارتنزیتی می باشد قطعات اصلی آن یعنی BAND , CROWN , BLADE به روش ریخته گری و با جنس فولاد ضد زنگ تهیه میشود . با توجه به اینکه جنس قطعات از استیل می باشد جهت انجام جوشکاری می بایست از روش و تجهیزات و تکنولوژی خاصی استفاده کرد که شرکت آذرآب برترین امکانات را در این زمینه دارا است ، با توجه به دینامیک بودن این قطعات حساسیت و دقت خاصی در پروسه ساخت اعمال می شود .

 DRAFT TUBE ELBOW -

چون جریان خروجی از رانر دارای انرژی جنبشی می باشد و فشار در خروجی رانر بسیار کم است جهت جلوگیری از اتلاف انرژی و وقوع پدیده کاویتاسیون از لوله تخلیه استفاده می شود.

 

 

SERVOMOTOR -

برای باز و بسته کردن شیرهای پروانه ای و همچنین باز و بسته کردن پره های متحرک توربین جهت تنظیم دبی آب ورودی به رانر از دو عدد جک هیدرولیکی با فشار 40 و 60 بار استفاده می شود و به لحاظ اینکه زمان باز و بسته شدن می بایست در یک پریود خاص انجام شود دقتهای ساخت این مجموعه بسیار بالاست به عنوان مثال سطح داخلی سیلندر می بایست سنگ زنی شود تا به صافی سطح مورد نظر تامین شود  و همچنین تستهای هیدرواستاتیک ، نشتی و تست عملکرد جهت کنترل فرآیند ساخت ، مقاومت و صحه گذاری طراحی انجام می شود .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

توربین­های گاز

 

توربین گاز، یک ماشین دوار است که بر اساس انرژی گازهای ناشی از احتراق کار می‌کند. هر توربین گاز شامل یک کمپرسور برای فشرده کردن هوا، یک محفظه احتراق برای مخلوط کردن هوا با سوخت و محترق‌کردن آن و یک توربین برای تبدیل کردن انرژی گازهای داغ و فشرده به انرژی مکانیکی است. بخشی از انرژی مکانیکی تولیدشده در توربین، صرف چرخاندن کمپرسور خود توربین شده و باقی انرژی، بسته به کاربرد توربین گاز، ممکن است ژنراتور برق را بچرخاند (توربوژنراتور)، به هوا سرعت دهد (توربوجت و توربوفن) و یا مستقیماً یا بعد از تغییر سرعت چرخش توسط جعبه دنده به همان صورت مصرف شود (توربوشفت، توربوپراپ و توربوفن).

 

 

تاریخچه

در سال ۱۷۹۱، یک مخترع انگلیسی به نام جان باربر، یک ماشین طراحی کرد که از نظر ماهیت کارکرد شبیه به توربین‌های گاز امروزی بود و حق امتیاز این طرح را به نام خود ثبت کرد. او این توربین را برای به حرکت درآوردن یک کالسکه بدون اسب طراحی کرده بود. در سال ۱۹۰۴، یک پروژه ساخت توربین گاز توسط فرانتس استولز در برلین انجام شد که اولین کمپرسور محوری جهان در ساخت آن مورد استفاده قرار گرفته بود، ولی این پروژه ناموفق بود. در طی سال‌های بعد، افراد مختلف بر روی ایده توربین گاز فعالیت کردند، به طوری که شرکت جنرال الکتریک آمریکا که امروزه بزرگ‌ترین تولیدکننده توربین گاز در جهان است، در سال ۱۹۱۸ بخش توربین گاز خود را راه‌اندازی کرد. با این وجود، نخستین توربین گازی برای تولید انرژی برق، در سال ۱۹۳۹ میلادی و در شرکت براون باوری در سوئیس ساخته شد که ظرفیت آن ۴ مگاوات بود.

مبنای کارکرد

مبنای کار توربین‌های گاز از نظر ترمودینامیکی، بر اساس چرخه برایتون است که در آن، هوا به صورت بی‌دررو فشرده شده، احتراق در فشار ثابت رخ داده و انبساط هوای فشرده و داغ در توربین، به صورت بی‌دررو رخ می‌دهد و هوا به فشار اولیه می‌رسد. در عمل، اصطکاک و توربولانس باعث می‌شوند که:

1) فشرده‌سازی هوا در کمپرسور به صورت بی‌دررو نباشد. این موجب می‌شود که برای دست‌یافتن به یک نسبت فشار معین، دمای خروجی کمپرسور بیشتر از حالت ایده‌ال باشد.

2) انبساط هوا در توربین به صورت بی‌دررو نباشد. این موجب می‌شود که با ثابت بودن مقدار کاهش دما در توربین، کاهش فشار ناشی از آن افزایش یافته و انبساط کمتری برای تولید کار در توربین فراهم باشد.

3) افت فشار در ورودی هوا، محفظه احتراق و اگزوز وجود داشته باشد. این موضوع باعث می‌شود که نسبت فشار موجود برای تولید کار کاهش یابد. افت فشار در ورودی هوا باعث کاهش فشار در ورودی کمپرسور و در نتیجه کاهش فشار ورودی محفظه احتراق و توربین می‌شود. افت فشار در محفظه و اگزوز، به ترتیب به کاهش فشار ورودی به توربین و افزایش فشار خروجی توربین می‌انجامند که همهٔ این عوامل، باعث کاهش نسبت فشار موجود در توربین برای تولید کار می‌شوند.

با افزایش دمای هوای ورودی به توربین، راندمان توربین‌های گاز افزایش می‌یابد. بنابراین، بهتر است که این دما هر چه بیشتر انتخاب شود. اما در این مورد از نظر تحمل مواد تشکیل‌دهنده محفظه احتراق و پره‌های توربین، محدودیت وجود دارد. بنابراین، در این قسمت‌ها که به آنها بخش‌های داغ گفته می‌شود، از مواد مقاوم به دماهای زیاد مانند سوپرآلیاژها استفاده می‌شود. همچنین این قسمت‌ها با استفاده از تکنولوژی‌های پیچیده‌ای، خنک‌کاری می‌شوند.

 

توربین بخار نوعی توربین است که از بخار، انرژی گرمایی را می‌گیرد و تبدیل به حرکت دورانی می‌کند. نوع مدرن آن در سال ۱۸۸۴ توسط چارلز پارسون ابداع شد. این نوع توربینها برای تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی که از ذغال سنگ، نفت و انرژی هسته‌ای استفاده می‌کنند به کار برده می‌شوند. در گذشته از آنها برای هدایت وسایل نقلیه مانند کشتی استفاده می‌شد.

 

توربین بخار، از بهترین گزینه های برای ساخت نیروگاههای حرارتی استفاده از توربین های بخار است چون این توربین ها عمر طولانی دارند و با توجه به اینکه در حرارت و فشار کمتری در مقایسه با توربین های گازی کار می کنند عمر طولانی تری هم دارند و نیز کمتر به تعمیرات اساسی نیاز دارند . از این رو می توان از آنها بعنوان توربین های برای تولید برق پایه کمک گرفت.  اما عیب عمده آنها این است که اولا دستگاههای پر حجم و بزرگی هستند جای زیادی را اشغال می کنند و ثانیا دیر وارد مدار می شوند و مدتی برای پیش گرم کردن =WARM UP آنها باید زمان صرف شود . از همه اینها گذشته توربین های بخاز نیاز به نصب دیگ های بخار =BOILER دارند که این نیز خودش نیاز به تاسیسات و فضای فراوان دارد . ونیز تاسیساتی برای تصفیه آب مورد نیاز برای تغذیه دیگ بخار که همه آنها مستلزم صرف هزینه و فضای لازم است . اما با این حال استفاده از توربین های بخار یک سرمایه گذاری دائمی و با ارزش است نمونه اش نیروگاه حرارتی رامین اهواز که در شمال اهواز قرار دارد و بخش عمد ه ای از برق ما را تامین می کند .

 

نیروگاههای برق حرارتی که با توربین بخار کار می کنند انرژی حرارتی سوخت های  فسیلی نظیر ذغال سنگ و گاز و نفت را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند . اغلب واحدهای تولید برق از طریق بخار در ایالات متحده آمریکا وجود دارند . سوخت هایی که رد دیگ بخار سوزانده می شوند گرمای خود را صرف گرم کردن آب دیگ بخار و  تولید بخار فوق گرم و پر فشار high-pressure superheated steam می شود که  چرخاندن توربینهای بخار استفاده  می شود این بخار هنگامی که وارد توربین بخار می شود منبسط شده و گرما و فشار خود را از دست می دهد و تبدیل به انرژی مکانیکی می کند که صرف چرخاندن پره های توربین می شود و سب چرخاندن محور توربین بخار می شود که آنهم به یک ژنراتور برق متصل است و باعث چرخاندن ژنراتور و تولید برق می گردد . بخار خروجی از توربین نیز به کندانسور و چگالنده فرستاده می شود و پس از سرد شدن و تبدیل شدن به آب مجددا به دیگ بخار فرستاده می شود تا برای تولید بخار مورد استفاده قرار گیرد و این چرخه مرتب تکرار می شود . این فرآیند را می توان برای همه سوخت های فسیلی مورد استفاده قرار داد و اساس آن برای همه انها یکسان است . تنها در مورد ذغال سنگ ابتدا باید ذعال را خرد کرد تا آسان تر سوخته شود و البته خاکستری هم دارد که باید تخلیه شود . نقت هم که غالب نفت کوره واز فرآورده های پائینی برج تقطیر است را بصورت اسپری بدرون  محفظه احتراق دیک بخار می پاشند سوخت های گازی نیز نظیر گاز های بی ارزش وتصفیه نشده LEAN GAS هم مسقیما به مشعل دیگ بخار فرستاده می شوند تا سوزانده شوند . در شرکت ما که لین گاز LEAN GAS به فور وجود دارد از همین روش برای سوخت دیگهای بخار واحد    UT-500 استفاده می شود . سوخت مایع هم بصورت اسپری و ذرات ریز به درون هوای داغ پاشیده می شود . که   می تواند گازوئیل یا سوخت های کم ارزش تر و از جمله نفت کوره باشند .

 

توربین­های باد

1) نحوه به وجود آمدن انرژي باد :

 انرژي باد، انرژي حاصل از هواي متحرك مي باشد. هنگامي كه تابش خورشيد بطور نامساوي به سطوح ناهموار زمين ميرسد سبب ايجاد تغييرات دما و فشار مي گردد و در اثر اين تغييرات باد بوجود مي آيد. همچنين اتمسفر كره زمين بدليل حركت وضعي زمين، گرما را از مناطق گرمسيري به مناطق قطبي انتقال مي دهد كه اين امر نيز باعث بوجود آمدن باد می گردد. جریان اقیانوسی نیز بصورت مشابه عمل نموده و عامل 30% انتقال حرارت کل در جهان می باشد.  در مقياس جهاني اين جريانات اتمسفري بصورت يك عامل قوي جهت انتقال حرارت و گرما عمل مي نمايند. دوران كره زمين نيز مي تواند در برقراري الگوهاي نيمه دائم جريانات سياره اي در اتمسفر، انرژي مضاعف ايجاد نمايد.

 2) توليد برق از طريق انرژي باد با استفاده از توربين بادي :

مراحل كار يك توربين، كاملاً عكس مراحل كار پنكه مي باشد. در پنكه انرژي الكتريسيته به انرژي مكانيكي تبديل شده و باعث چرخيدن پره مي شود. در توربينهاي بادي چرخش پره ها انرژي جنبشي باد را به انرژي مكانيكي تبديل كرده، سپس الكتريسيته توليد مي گردد. باد به پره ها برخورد مي كند و آنها را مي چرخاند. چرخش پره ها باعث چرخش محور اصلي مي شود و اين محور به يك ژنراتور برق متصل مي باشد. چرخش اين ژنراتور، برق متناوب توليد مي نمايد.

3) انواع توربين هاي بادي بر اساس محور چرخش پره ها :‌

الف- توربينهاي بادي با محور چرخش عمودي VAWT

 اين توربينها از دو بخش اصلي تشكيل شده اند: يك ميله اصلي كه رو به باد قرار مي گيرد و ميله هاي عمودي ديگر كه عمود بر جهت باد كار گذاشته مي شوند. اين توربينها شامل قطعاتي با اشكال گوناگون بوه كه باد را در خود جمع كرده و باعث چرخش محور اصلي مي گردد. ساخت اين توربينها بسيار ساده بوده و همچنين بازده پايين نيز دارند. عمده ترين توربين هاي بادي محور عمودي عبارتند (ساوينيوس داريوس، صفحه اي و كاسه اي). در اين نوع توربينها در يك طرف توربين، باد بيشتر از طرف ديگر جذب مي شود و باعث مي گردد كه سيستم لنگر پيدا كرده و بچرخد. يكي از مزاياي اين سيستم وابسته نبودن آن به جهت وزش بادمي باشد. 





ب – توربينهاي بادي با محور چرخش افقيHAWT

اين توربينها نسبت به مدل محور عمودي رايج تر بوده همچنين از لحاظ تكنولوژيك پيچيده تر و گرانتر نيز مي باشند. ساخت آنها مشكلتر از نوع محور عمودي بوده ولي راندمان بسيار بالايي دارند. در



۰ نظر
  • عنوان سایت منبع عنوان تحقیق (مجتبی کیانی – تیمور قربانپور)