توربینهای گازی پیشرفته، چالش در بازار

در آوریل سال ۲۰۰۱ اولین نیروگاه براساس توربین احتراقی پیشرفته مدل W۵۰۱G، Siemens Westing houseدر واحد پنج McIntosh فلوریدا وارد بهره‌برداری تجاری شد. در حال حاضر تعداد هفت واحد از توربینهای مدل W۵۰۱G در بهره‌برداری تجاری وجود دارد و انتظار میرود ده واحد دیگر از این مدل نیز در مدت دوازده ماه دیگر وارد بهره‌برداری تجاری شود. شركت Siemens Westing houseدر معرفی توربین مدل W۵۰۱G به بازار جاییكه شركتهای دیگر با مشكل مواجه شده بودند موفق عمل كرد. توسعه تكنولوژی توربین گازی پیشرفته به نوبه خود یك وظیفه پیچیده میباشد اما بسیاری از تولیدكنندگان دریافتند كه بزرگترین چالش آنها در همان چند ماه اولیه بهره‌برداری تجاری در متقاعد كردن بازار به اینكه محصول جدیدشان قابل اعتماد خواهد بود و برآورنده همه توقعات است به وجود می آید.
توربین مدل W۵۰۱G زیرنظر بخش برنامه سیستمهای توربین پیشرفته انرژی (Advanced Turbine system) مربوط به بخش آمریكایی انرژی توسعه یافت. هدف از اجرای چنین برنامه ای كه به مدت ده سال به طول انجامید عبارت بود از گسترش تكنولوژی كه باعث كاهش هزینه برق، دستیابی به انعطاف پذیری سوخت (Fuel flexibility) كاهش آلاینده زیست محیطی NOx به كمتر از ۹ppm و افزایش كارایی سیستم به شصت درصد برای سیستمهای سیكل تركیبی با مقیاس كاروری (Utility-Scale) . سطح كارایی شصت درصد برای سیستمهای توربین گازی سیكل تركیبی به مدت طولانی به عنوان یك هدف دستیافتنی مطرح بوده است. از آنجایی كه رسیدن به این قبیل اهداف نیازمند به تحقیق است شركت siemens westing houses قسمتی از تكنولوژیهای داخلی مدلهای ابتدایی W۵۰۱G را به منظور تكمیل آن محصول به منظور دستیابی به كارایی شصت درصد معرفی كرد. این استراتژی جدید به این شركت اجازه داد تا یك تجربه تجاری یا تكنولوژیهای جدید از قبیل خنك سازی بخار Steam cooling به دست آورد.
سیستم H شركت جنرال الكتریك GE كه همچنان تحت برنامه ATS توسعه یافته بود، به عنوان اولین سیستم سیكل تركیبی كه قادر است به سطوح كارایی شصت درصد دست یابد معرفی گردید و بازار با علاقه مفرط منتظر شروع اولین طرح سیستم H میباشد كه قرار است در اواخر امسال در Baglan Bay ، ویلز راه اندازی شود. توربین مدل W۵۰۱G به یك كارایی سیكل تركیبی خالص پنجاه و هشت درصد دست یافت و دستیابی به سطح كارایی شصت درصد چیزی است كه شركت در نظر دارد از طریق تكمیل تكنولوژیهای توربین گازی siemens westting house به دست آورد. (نقل قول از پروفسور Klaus Riedle رئیس بخش توربین گازی تولید نیروی (siemens westtig house. با نوع ابتدایی از توربین W۵۰۱G ما امیدوار هستیم كارایی پنجاه و هشت درصدی را نشان دهیم. (نقل قول از Riedle ما همچنین امیدواریم به كارایی پنجاه و نه درصد و كارایی شصت درصد كه در مرحله بعدی توسعه به عنوان یك هدف میطرح است، دست پیدا كنیم.
●مشخصه های پیشرفته: توربین مدل W۵۰۱G بزرگترین و پربازده ترین واحد قدرت ۶۰HZ در عملیات تجاری جهانی است. این توربین با مشخصات ۲۶۰۰F(۱۴۲۷۰)۳۶۰۰r/min است كه به منظور عملیات سیكل تركیبی طراحی شده . این توربین شامل یك كمپرسور محوری شانزده مرحله ای با بازده بالا، یك محفظه احتراق متشكل از شانزده مشعل (Combustor) با ناشر آلاینده زیست محیطی خشك و پایین و یك توربین واكنشی چهار مرحله ای است. یكی از ویژگیهای طرح پیشرفته این ماشین عبارت است از تركیب سیستمهای خنك كننده توربین گازی و چرخه بخار این تركیب اجازه می دهد تا بازده گرمایش روی ماشینهای دیگر از خانواده W۵۰۱ كه اساس آنها نیز براساس طرح W۵۰۱G است افزایش یابد. طرح پروانه مدل W۵۰۱G كه برگرفته از سری ۵۰۱ میباشد شامل یك پروانه واحد است كه بوسیله دو یاتاقان با بالشتك قابل تنظیم خمیده حمایت میشود. آن پروانه دارای یك طرح پیچ و مهره ای است و از كمپرسور و دیسكهای توربین تشكیل شده و به یكدیگر پیچ شده اند.
● كمپرسور (تراكم ساز) : این كمپرسور براساس طرح كمپرسورهای سری ۵۰۱ است و تشكیل دهنده تكنولوژی است كه تحت برنامه ATS گسترده و معتبر شده است. دیسك و پروانه مربوطه برگرفته از موتور ۵۰۱F میباشد و به منظور دستیابی به جریان و بازدهی كه به منظور دستیابی به نیروی لازم و نرخهای گرمایش (Heat rates) موردنیاز مییاشد طراحی شده كمپرسور فوق دارای یك نسبت فشار ۱۹: l است. مشعل (Combustor): مشعل شامل ۱۶ مشعل حلقوی قوطی مانند واحد است و مجهز به سیستم با انتشار (PLN)NOx پایین و خشك Siemens westting house میباشد كه برای دمای احتراق بالا (the increased firing temperature) طراحی شده. مراحل سوخت چندگانه برای كاهش آلاینده‌های زیست محیطی، دینامیكهای مشعل و دماهای فلز یك انعطاف پذیری فراهم می آورد.مدل ابتدایی W۵۰۱G به منظور دستیابی به آلاینده زیست محیطی NOx در سطح ۲۵ppm طراحی شده شركت Siemens westting house به دنبال كاهش بیشتر این آلاینده زیست محیطی میباشد. هر كدام از شانزده مشعل ذكر شده دارای یك گذرگاه است كه گازهای احتراق داغ را به بخش مجاور آن توربین انتقال میدهد. گذرگاهها قادر به انجام عملیات در دمای بالای (۱۴۲۷C) ۲۶۰۰F هستند در حالیكه استفاده از مواد متعارف راحفظ میكنند زیرا این گذرگاهها، گذرگاههای مدار بسته ای هستند كه با بخار خنك میشوند. پوششهای حافظ گرمایش (TBC) دمای بالا به منظور محافظت از گذرگاهها و بهبود مدت خدمت دهی استفاده می شوند. گذرگاههای خنك شونده با بخار به توربین گازی این امكان را می دهند تا در سطح دمای بالای پروانه فعالیت كند در حالیكه دمای خروجی مشعل را اساسا مانند توربین گازی W۵۰۱F بوسیله حذف خنك سازی ضعیف گذرگاهها حفظ میكنند.
خنك سازی گذرگاهها با استفاده از یك چرخه بخار مدار بسته برای توربین گازی و سیكل تركیبی مفید است،‌از آن جهت كه هوای كمتری از كمپرسور برداشته میشود و میتواند به منظور تولید نیرو و پیش اختلاط اضافی به منظور كاهش آلاینده زیست محیطی NOx استفاده شود، همچنین بدین دلیل برای سیكل تركیبی مفید است كه گرما را به داخل سیستم بخار گرمایش مجدد انتقال میدهد. بخش توربین: توربین مدل W۵۰۱G براساس طرح چهار مرحله ای مدل W۵۰۱F میباشد هر چند كه توربین مدل W۵۰۱G دارای قطعات كمتری است. پره این توربین با استفاده از تحلیل جریان سه بعدی پیشرفته طراحی شد كه به طرحهای بال واره (air foil) پیشرفته منجر شد و بازدهی آیرودینامیك بالایی رابدست آورد. سیستم خنك سازی روتور، دیسكتهای توربینNiCrMoV را در دمایی حفظ میكند كه آن دما به منظور حفظ دیسك زیر محدوده خزش (creep range) ماده كافی باشد.
●تركیب سیستم: در عملیات سیكل تركیبی، توربین مدل W۵۰۱G از یك سیكل به شدت یكنواخت استفاده میكند كه این سیكل به منظور حداكثر كردن خروجی و بازدهی آن طراحی شده در حالیكه از یك طرف انعطاف پذیری عملیاتی را حفظ میكند از طرف دیگر شرایط خنك سازی را فراهم میكند گذرگاههای مشعل (Combustor) خنك شده با بخار توربین مدل W۵۰۱G نیازمند به یك منبع قابل اعتماد از بخاری است كه از سیستم فشار متوسط عرضه میگردد و به عنوان گرمایش مجدد داغ به توربین بخار برمیگردد. تعادل بخار فشار متوسط كه به بازیافت گرما از ژنراتور بخار (HRSG) گسترده شده برای خنك سازی توربین گاز استفاده نمیشود. این بخار با بخار بازگرمایش سرد قبل از ورود به بخش بازگرمایش HRSG تركیب میشود. این چرخه دارای شرایط كیفیت آب تركیبی نرمال است و به سرعت میتواند سطح خالص بخار توربین گازی قابل قبولی را در مدت شروع تولید كند حتی وقتی با آب نسبتا ناخالص برای پركردن ابتدایی اقدام میشود. بلیره‌های كمپرسور میان مرحله ای، برای خنك سازی اجزا ثابت توربین و برای آغاز به كار توربین گازی استفاده میشوند. توربین مدل W۵۰۱G همانند مدل W۵۰۱ هوای استخراج شده را با یك مبدل گرمایش در آن سیكل خنك كرده سپس هوا را قبل از آنكه به توربین گازسوز برگردانده شود تصفیه میكند. انرژی بدست آمده از هوای خنك كن (Coolingair) به منظور تولید نیروی توربین بخار اضافی به داخل سیكل انتقال داده میشود. ●تجربه عملی: نمونه ابتدایی از توربین مدل W۵۰۱G در نیروگاه واحد پنج Mcintosh در Lake Land Electric در ایالت فلوریدا به روش سیكل ساده در سال ۱۹۹۹ به اجرا درآمد این توربین حدودا به مدت یكسال قبل از ورود به بهره‌برداری تجاری و تبدیل شدن به سیكل تركیبی تحت بررسی و آزمایش قرار گرفت. همانند یك دستگاه سیكل ساده توربین مدل W۵۰۱G در Lake Land به منظور تولید بخار شامل یك بویلر یك بارگذر once through steam generator) ) میباشد. این دستگاه در حال حاضر یك دستگاه سیكل تركیبی یك به یك میباشد و حدود ۲۰۰۰ ساعت احتراق فراهم آورده. آزمایش توربین مدل W۵۰۱G در نیروگاه Mcintosh تحت قراردادی با همكاری Lake land Electric به اجرا درآمد.
در طول این مدت، این توربین برای ۲۰۰۰ ساعت روشن بود و حدود صد و پنجاه سیكل خاموش و روشن را تجربه كرد. این آزمایش شامل به اجرا درآوردن آن واحد با سوخت گاز حرارت داده شده، سوخت نفت، با افزایش نیروی بخار، و روش بارگذاری ادواری مییاشد.آن واحد براساس عملكرد كلی اش، بازدهی و عملكرد محیطی مورد ارزیابی قرا ر گرفت در حالیكه اجرایی كه در معرض بارهای پویا قرار گرفتند به منظور تایید مدت كاركرد و تعیین نقاط ضعف مورد بررسی قرار گرفتند. این تحقیقات و همچنین اجرای برخی دیگراز تحقیقات كه روی واحدهای بعدی انجام گرفت به ساده سازی این دسته از ماشینها انجامید. این ساده سازیها شامل حذف سیستم فرعی مشعل و ساده سازی گذرگاههای خنك شونده یا بخار میباشد. این ساده سازیها باعث منطقی تر شدن آن دستگاه گردید. همه توربینهای مدل W۵۰۱F و W۵۰۱G با سیستم NOx خشك پایین از یك سیستم فرعی مشعل استفاده میكرد كه این سیستم به منظور تغییر نسبت هوا – سوخت در مدت شروع مورد استفاده قرار گرفت، پیشرفتهایی كه در داخل فرایند احتراق اتفاق افتاد منجر به حذف سیستم فرعی در مدل ۵۰۱F و مدل ۵۰۱G گردید. مدل W۵۰۱G دارای گذرگاههای خنك شونده با بخار است كه گازهای داغ را از مشعل به توربینها انتقال میدهد و انتقال بخار به این ناحیه بسیار چالشی است چرا كه شرایط از دمای فراگیر به دمای نزدیك به هزار درجه سانتیگراد در كمتر از یك دقیقه تغییر میكند . بنابراین ، شركت Siemens آن طرح را بوسیله كاهش تعداد خطوط فرعی بخار ساده كرد.
●تاثیر بازار: به گفته Riedle با توجه به تغییرات شرایط بازار در آمریكای شمالی تعدیلات دیگری نیز در توربین مدل W۵۰۱G انجام گرفت. توربین مدل W۵۰۱G ماهیتا بدین منظور طراحی شده كه این توربین بزرگترین، پربازده ترین موتور بار پایه (base Load engine) در بازار باشد. رفع ممنوعیت از بعضی مناطق ایالات متحده كه دارای بزرگترین بازار ۶۰HZ در جهان است به این معنی است كه تقاضاهای جدید در نیروگاهها در حال جایگزین شدن هستند. با توجه به اینكه، در حال حاضر موتورها در معرض سیكلهای روزانه توقف شروع قرار گرفته اند "بنابراین ما نگاه میكنیم بر آنچه كه ما میتوانیم به منظور آسان كردن شروع و توقفهای روزانه انجام دهیم و ما آن طرح را بویژه به منظور مورد توجه قرار دادن آن موضوع اصلاح كردیم." (نقل قول از Riedle) "باز كردن برخی فواصل امكان ترتیب سریع و راه‌اندازی مجدد بدون تماس كمپرسور یا پره‌های توربین امكان پذیر شد. " آزمایش تائید در جایگاه Lake Land، و در گروه انرژی ملی PG&E صاحب نیروگاه Millennium، جایگاه دومی كه با یك توربین مدل ۵۰۱G وارد عملیات تجاری گردید، در حال حاضر كامل است.
●پیشنهادات آتی : شركت زیمنس در حال حاضر مشغول به برنامه ریزی و كار كردن روی گسترش آتی توربین مدل W۵۰۱G و توربین گازی هم خانواده آن میباشد. در ابتدا، آن شركت افزایش میزان خروجی توربین مدل W۵۰۱G را بوسیله افزایش جریان جرمی (mass flow) و اصلاح آیرودینامیكها و همچنان اصلاح نرخ گرمایش بوسیله بهینه سازی سیستم خنك سازی مورد توجه قرار داد. شركت زیمنس همچنان روی گسترش بیشتر كارایی بالای توربینهای گازی كه شامل تكنولوژیهای تركیبی شركت Siemens و طرحهای توربین گاز سوز westing house میباشد كار میكند. این خانواده جدید به گفته Riedle به طور خاص هم برای ۵۰HZ و هم برای ۶۰HZ هم راستا خواهند شد و به سطوح كارایی سیكل تركیبی شصت درصدی دست می‌یابند.

مجله‌Pei May ۲۰۰۲
مترجم: رهام واقعی

منبع : مجله بولتن بین الملل