دانلود مقاله توربین

واحد های نیروگاه گازی از نوع GE ,MS5001-25MW Frame 5 ساخت کشور آمریکا می باشند که هر واحد آن از اجزاء کمپرسور ، اتاق احتراق ، قطعات انتقال ، توربین ، اگزوز، گیربکس و ژنراتور تشکیل می گردند.

توربین گازی یکی از انواع مولد قدرت که بدلیل کاربرد وسیع آن در تولید انرژی در نیروگاههای زمینی و نیز عامل حرکت کشتیهای در حمل و نقل تجاری و نظامی در زندگی انسان اهمیت فراوان یافته است . توربین  گاز در حقیقت نوعی از موتورهای احتراق داخلی محسوب می شود .

در این دستگاه بعوض اینکه اعمال اصلی تراکم ،احتراق و انبساط در داخل عضو واحدی رخ می دهد بصورت متناوب و یکی بعد از دیگری در محفظه های خاصی صورت می گیرد . سه عضو اصلی هر نیروگاه عبارتند از : کمپرسور که جریان پیوسته ماده را فراهم میسازد ، اتاق احتراق که بر انرژی جنبشی گازهای در حال حرکت می افزاید و ماشین انبساط(توربین)که گاز در آن انبساط یافته و انرژی مکانیکی تولید می کند [1] .

هوای محیط مطابق شکل 1-1 بافشار جو از نقطه 1 وارد کمپرسور می شود و در طبقات مختلف آن متراکم و فشار آن بالا می رود ، تا به نقطه 2 برسد .

(تصاویر در فایل اصلی موجود است)

شکل 1-1 سیکل باز یک توربین گاز ساده]2[

هوای فشرده تولید شده آنگاه وارد اتاق احتراق یعنی جائیکه سوخت در آن محترق می گردد ، شده و در آنجا درجه حرارت گاز بالا می رود که باعث می شود حجم گاز با فشار ثابت افزایش یابد و گاز عامل کار برای توربین فراهم گردد . پس از انبساط گاز در توربین و تبدیل مقدار از انرژی گاز به کار مکانیکی روی شافت توربین ، گاز بداخل ناحیه اگزوز میرود و بالاخره بداخل هوای آزاد تخلیه می گردد .

پره هایی که روی روتور کمپرسور نصب شده اند هوا را تحت زاویه معینی بر می گردانند ، تغییر جهتی که به این طریق ایجاد می شود سرعت هوا را کم و فشار آنرا زیاد می کند . اگر سرعت هوا را تقریباً ثابت بماند ، ارتفاع طبقه بعدی می تواند کوچکتر باشد زیرا غلظت هوای فشرده زیاد می شود . هوا که وارد پروانه کمپرسور می شود با گردش پروانه هوا بسمت بیرون یعنی به سوی متفرق کننده (Diffuser) پرتاب می شود . متفرق کننده هوای خارج شده از کمپرسور را با تبدیل سرعت به فشار ، به انرژی (فشار) تبدیل می کند [2] .

در نیروگاههای گازی مقدار گازی مقدار کمی از هوایی وارد کمپرسور می شودبه مصرف احتراق می رسد و بیشترین مقدار آن در اطراف بیرونی شعله فروزان جریان یافته و برای خنک کردن اتاق احتراق پره های توربین و اگزوز استفاده می گردد .

ساختمان هر اتاق احتراق شامل قسمتهایی به شرح زیر است [3] :

الف – آستر(Liner)

سیلندری است که از یک ورقه فلزی مشبک ساخته شده است. سوراخها طوری ترتیب داده شده اند که اختلاف هوا و سوخت به بهترین وجهی انجام بگیرد و در ضمن شعله در وسط استوانه فلزی نگه داشته شود . هوا از قسمت کمپرسور بداخل اتاق احتراق جریان می یابد ، قسمتی از هوا بداخل سیلندر های احتراق راه یافته و در آنجا با سوختی که توسط نازلهایی در قسمت جلویی اتاق احتراق پاشیده می شود ، مخلوط می گردد بقیه هوا بصورت یک پوشش خنک کن و محافظ روی بدنه داخلی و بیرونی اتاق احتراق عمل می کند  .

ب – شمع های جرقه زن(Spark plugs)

مخلوط هوا و سوخت را محترق می سازند . شعله توسط لوله های انتقال عرضی (Crossfire Tubes) به سیلندر دیگر سرایت می کند . شعله در مرکز سیلندربه وجود می آیدو توسط یک بالشتک هوا که سوراخ های لاینر سیلندر وارد می شود احاطه می گردد تا از گرم شدن بیش از حد بدنه سیلندرجلوگیری نماید . قبل از خروج گازها از سیلندر احتراق تمام سوخت بطور کامل می سوزد و گاز انبساط می یابد و به این ترتیب بر سرعت گازها افزوده می شود .

ج – قطعات مکانیکی منتقل گازهای داغ (Transition Pieces) :

گاز پس از انبساط (مرحله ب) با سرعت مکانیکی سریع السیر وارد مکانیکی منتقل کنندۀ گازهای داغ می گردد ،بعد ازعبورگازهای داغ از این قطعات مکانیکی  به قسمت توربین می رسند .

توربین ها که از دو سری نازل مرحله اول و دوم سری پرۀ مرحله اول دارای 120 عدد پره و در مرحله دوم دارای 90 عدد پره می باشند نازلها به گازهای داغ جهت داده تا با زاویه مناسب به سمت پره ها هدایت شوند . پره ها انرژی جنبشی گازها را گرفته و در شافت بصورت حرکت دورانی یا قدرت مکانیکی ظاهر می سازند . دور شافت توسط یک گیربکس از 5100 به 3100 دور در دقیقه رسانده شده تا قابل استفاده در ژنراتور گردد . گاز عبور کرده از پره های مرحله دوم وارد اگزوز شده و سیلندر داخلی بعد از هر 20000 ساعت (850 روز کار مداوم) باید تعویض گردد . بیشترین خوردگی که بر روی سیلندر داخلی مشاهده می گردد مربوط به منطقه نزدیک لوله های انتقال عرضی شعله و لبه خود خود این لوله ها می باشد بطوریکه این مناطق ترک برداشته و در حالت حادتر سوراخهایی در آنها ایجاد می گردد . به وجود آمدن ترک سوراخ در این ناحیه بعلت درجه حرارت بالایی است که در این ناحیه وجود دارد و حدوداً 1200 درجه سانتیگراد است.

فصل دوم

مروری بر

خوردگی داغ

 2-1 خوردگی داغ

پدیده خوردگی داغ به نوعی از خوردگی اجزاء فلزی یا در حضور فیلم نمک مذاب یا خاکستر و غلیظ در درجه حرارت بالا در محیط اکسید کننده اطلاق می گردد . تخریب ناشی از این فرایند ، در برگیرنده پدیده هایی همچون اکسیداسیون و سولفیداسیون در دمای بالا خواهد بود .

پدیده تخریب مواد از طریق خوردگی داغ از دهه چهل میلادی مورد توجه بوده است . در همین راستا مطالعات زیادی پیرامون مکانیزمهای آن صورت گفته است . این پدیده خصوصاً در توربینهای گازی که با سوخت فسیلی ، گازوئیل ویا گاز کار می کنند بسیار جدی بوده و منجر به شکسته شدن پره ها ، ترک برداشتن قسمتهایی از آستر های محافظ و سایر قسمتها و اجزاء توربینهای گازی می شود .

پدیده خوردگی داغ در محیط های احتراق نظیرتوربینهای گازی دریایی ، هوایی وصنعتی ، بویلرهای با سوخت فسیلی و بویلرهای با سوخت ضایعات شهری ، وسائل ذخیره سازی انرژی خورشیدی، سلولهای سوخت ، کوره های عملیات حرارتی و کلیه مکانهایی که با سوخت فسیلی در دمای بالا در تماس می باشند و همچنین محیطهای حاوی نمک مذاب ، مشاهده شده اند . نوع سوخت موجود در محیطهای احتراق در ایجاد پدید خوردگی داغ دارای اهمیت خاصی می باشد . از آغاز کشف سوختهای فسیلی از آنها در تولید انرژی الکتریکی بدلیل پایین بودن نسبی قیمت به همراه توان حرارتی بالای آنها مورد توجه خاصی بوده است . اما به مرور زمان در جهت افزایش راندمان سوختهای فسیلی دمای کاری توربین ها افزایش یافته که مشکل خوردگی داغ از این جهت بیشتر مطرح می شود با توجه به اهمیت این موضوع از دهه شصت میلادی مطالعات تئوریک زیادی بر روی مکانیزم های خوردگی داغ انجام گرفت . عمده ترین این مسائل که به دلیل بالای تصفیه سوخت مورد مصرف در توربین ها می باشد ، خلوص پایین گازهای موجود در این محیط ها می باشد و با توجه به اینکه ناخاصیهای موجود در سوخت عمدتاً از نوع گوگرد و سدیم و وانادیم بوده و در هوای احتراق خصوصاً اتمسفر های دریایی ناخالصی های ویژه آن محیط یافت می شوند ، در طی فرآیند احتراق مواد مذکور در هنگام عبور از مشعل و بعد داخل شدن در محیط تشکیل رسوبات سدیم یا ترکیبات وانادیم در فاز گازی را موجب می شود . در حالتی که فشار بخار ترکیبات مذکور از نقطه شبنم آن در شرایط سرویس بیشتر باشد ، لایه ای از نمک مذاب بر اجزاء سردتر توربین رسوب می نمایند که نتیجه حاصل از این فرایند تخریب مواد واکنشهای اکسیداسیون – سولفیداسیون خواهد بود [3] .

مطالعات انجام شده در مورد مکانیزم های خوردگی داغ نشان می دهند از لحاظ نوع مورفولوژی محصولات ، نوع محیط و درجه حرارت فرآیند ها عملاً دو نوع خوردگی داغ وجود دارد.

نوع اول خوردگی در دمای بالا (High -Temperature Hot-corrosion) بوده که در حرارتهای بالاتر از نقطه ذوب سولفات سدیم (C ْ884) مشاهده می گردد و طیف حرارتی این نوع خوردگی بیشتر در حدود 800 تا 950 سانتیگراد می باشد . مورفولوژی این نوع خوردگی همراه با پدیده سولفیداسیون و تخلیه زمینه از عناصر آلیاژی بوده و نسبتاً غیر حساس به ترکیب اتمسفری می باشد.

نوع دوم تحت عنوان خوردگی در دمای پائین (Low- Temperature Hot- corrosion) مطرح است که در دمای بین 650 تا 800 درجه سانتیگراد رخ می دهد و مورفولوژی این نوع خوردگی در بر گیرنده بخش کوچکی از پدید سولفیداسیون و فرایند تهی شدن عناصر آلیاژی مشاهده نمی گردد و مورفولوژی بارز این نوع تخریب خوردگی حفره ای می باشد . برای رسیدن به افزایش راندمان در توربینهای گازی رسیدن به دماهای بالاتر الزامی است با توجه به این مطلب آلیاژهایی که بتوانند در این دماها مقاوم باشند حائز اهمیت بوده ، لذا افزودن عناصری برای جلوگیری از تشکیل فازهای ترد کاهش مقدار کرم موجود در آلیاژ مد نظر است ، اما با کاهش مقدار کرم مقاومت آلیاژ ها نسبت به اکسیداسیون وخوردگی داغ کاهش خواهد یافت .

برای بدست آوردن خواص مطلوب از لحاظ مقاومت به عوامل مکانیکی و شیمیایی ، پوشش دادن آلیاژها مود توجه قرار دارند زیرا در عین نگهداری خواص مکانیکی مطلوب آلیاژ ، مقاومت به خوردگی داغ  اکسیداسیون را نیز می توان توسط پوشش بدست آورد .

2-2 واکنش های مربوط به تشکیل مواد خورنده در فرآیند های احتراق

 بویلر ها، توربین های گاز و انواع دیگری از سیستم ها که انرژی سوخت را به طورمستقیم به حرارت تبدیل می کنند، باید مدت های طولانی در شرایط دمای بالا در حضور محصولات حاصل از احتراق هوا و سوخت و نا خالصی ها وارد شده ناشی از سوخت و هوا، به طور مناسب عمل نمایند. فاکتور کلیدی در کنترل عمر اجزا مواجه با این چنین حملاتی تنوع و مقدار ناخالصی ها می باشد. لذا بررسی چگونگی تشکیل و رفتار آنها در سیستم احتراق  می تواند مهم باشد. عناصر مضر در چنین محیط هایی سدیم، وانادیم و گوگرد می باشند [5].

در سوخت های مشتق از نفت خام  و زغال سنگ غیر از کربن و هیدروژن مقادیر قابل ملاحظه ای از عناصر دیگر نیز  وجود دارد، بطوریکه در محیط های احتراق ناشی از سوخت زغال سنگ ناخالصی های عمده گوگرد، سدیم، وانادیم، پتاسیم و گوگرد می باشند در حالیکه در محیط های احتراق نفتی عمده عناصر مضر گوگرد، وانادیم و سدیم می باشند و غلظت عناصر مذکور بسته به نوع نفتی که استفاده می شود، متفاوت خواهد بود. غالب خسارات حاصل از خوردگی ناشی از وجود عناصر سدیم، وانادیم و گوگرد می باشد.

بر اساس تحقیقات صورت گرفته توسط Hock و Allen [5] محصولات نهایی اصلی در اتمسفر احتراق توربین ها، سولفات سدیم و وانادات سدیم می باشند و واکنش تشکیل رسوب در محفظه احتراق توربین های گازی بصورت زیر بیان می شود:

(2-1)

در معادله فوق Na ، O2 ،V،S،Cl در فاز بخار می باشند. در سیستم Na-S-O-Cl ، Na2SO4 تشکیل می شود ( معادله 2-7) و در سیستم Na-V-S-O-Cl ، NaVO3 تشکیل می گردد( معادله 2-11) .اثر هر یک از این عناصر در مجموع ترکیبات خورنده به صورت زیر می باشد:

2-2-1 گوگرد

سولفور مو جود در سوخت در طی فرایند احتراق اکسید گردیده و به شکل دی اکسید گوگرد و تری اکسید گوگرد تبدیل خواهد شد. از نقطه نظر خوردگی گاز تری اکسید گوگرد دارای اهمیت خاصی می باشد، زیرا در اثر ترکیب این ماده با آب موجود در جریان گاز و تشکیل اسید سولفوریک بر سطوح نسبتاً سرد، خوردگی شدید قسمتهای مختلف دستگاه ها بوقوع می پیوندد. واکنش های محتمل در طی فرایند عبارتند از:

(2-2)                                                                        

(2-3)                                                                                   

(2-4)                                                                                      

گوگرد به صورت عنصری یا ترکیباتی از سولفات های قلیائی می باشد.

2-2-2 سدیم

اساساً عنصر سدیم در سوختهای نفتی به صورت کلرید سدیم بوده و در طی فرآیند احتراق به آسانی تبخیر و سدیم موجود آن در فاز بخار بصورتهای کلرید سدیم و یا هیدروکسید سدیم یافت می گردد. مقدار نسبی این مواد توسط واکنش زیر قابل تعیین است.

(2-5)                                                               H2O + NaCl (g) ® NaOH(g) + HCl       SO3حاصل از سولفور می تواند با NaOH(g) حاصل از واکنش مذکور ترکیب شده و طبق واکنش زیر سولفات سدیم را تولید نماید که این ماده می تواند در سطح فلز تبدیل به مایع گردد.

2NaOH(g) + SO3 ® Na2SO4(g) + H2O(g)                                                                        (2-6) 

از نظر ترمودینامیکی با کاهش درجه حرارت تشکیل سولفات مساعدتر خواهد بود.

همچنین با وجود NaCl موجود در سوخت یا هوای ورودی خصوصاٌ برای محیطهای نزدیک دریا واکنشهای زیر برای تشکیل رسوب سولفات امکان دارد.

2NaCl + SO2 + O2 ® Na2SO4 + Cl2                                                            (2-7)

2NaCl + SO3 + ½O2 ® Na2SO4 + Cl2                                                              (2-8)  

2NaCl + SO3 + H2O ® Na2SO4 + 2HCl                                       (2-9)

2NaCl + H2O + SO2 + ½ O2 ® Na2SO4 + 2                                 (2-10)            

همچنین در صورت وجود وانادیم در محیط، واکنش زیر محتمل است:

2NaCl + H2O + V2O5 ® 2Na VO3 + 2HCl                                (2-11)    

از مقایسه Kp واکنشهای (2-9) و (2-11) می توان به این نتیجه ر سید که تشکیل وانادات مساعدتر از تشکیل سولفات می باشد. ترکیب وانادات بدلایل مذاب بودن در اتمسفر توربین، هدایت یونی بیشتر نسبت به V2O5 وفشار بخار کمتر نسبت به V2O5 مهم می باشد