در حال بررسی...توربین های گاز صنعتی مشتق از موتور هوایی
توربین های گاز صنعتی مشتق از موتور هوایی با روندی مثبت در بازار جهانی توربین گاز تکامل یافته که عمدتا به دلیل مزایایی است که باعث افزایش نفوذ انرژی تجدیدپذیر در شبکه‌های برق در همه ابعاد می‌شود. ظرفیت برق مبتنی بر انرژی‌های تجدیدپذیر که در سطح جهانی به میزان بی‌سابقه‌ای افزایش پیدا کرده، در حال حاضر حدود ۹۵ درصد از ظرفیت‌های اضافه‌شده در سراسر جهان را نشان می‌دهد.
بطور کلی، این امر ممکن است به‌عنوان یک سناریوی محدودکننده برای توربین‌های گاز در نظر گرفته شود. با این وجود، استفاده از منابع تجدیدپذیر متناوب و متغیر، باعث افزایش تقاضا برای توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی در جهت حفاظت از شبکه انعطاف‌پذیر و با واکنش سریع شده‌است.
علیرغم توسعه موتورهای رفت و برگشتی، توربین‌های گاز صنعتی مشتق از موتور هوایی بطور گسترده‌ای به‌عنوان گزینه‌ای بهتر برای نفوذ بیشتر انرژی تجدیدپذیر به شبکه پذیرفته شدند. مزایای استفاده از توربین‌های گاز صنعتی مشتق از موتور هوایی شامل بهبود پایداری شبکه و کنترل فرکانس، استارت سریع و عملکرد سیکلی، تقاضای شبکه سریع‌تر، افزایش قابلیت‌اطمینان و دسترس پذیری، کاهش انتشار آلاینده ها و هزینه تعمیر و نگهداری است.
ثبات و فرکانس شبکه
یک چالش بزرگ برای حفظ یک شبکه برق پایدار و قابل اعتماد، ثابت نگه‌داشتن فرکانس است. چرا که در فرکانس متغیر سنکرون‌شدن واحدهای تولیدی با شبکه برق دشوار است و منجر به قطع و وصل شبکه برق بطور مکرر می‌شود. توربین‌های گازی مشتق از موتور هوایی با ارائه پایداری شبکه و کنترل فرکانس بهتر، می‌توانند به کاربران شبکه و ژنراتورهای برق کمک کنند تا از این خاموشی‌ها و قطعی‌ها جلوگیری کنند و در عین حال هزینه‌های نگهداری مرتبط با تجهیزات متصل به شبکه را نیز کاهش دهند.
فرکانس متغیر می‌تواند در عملکرد اینورترهای خورشیدی نیز اختلال ایجاد کند. اینورترها جهت تبدیل جریان مستقیم (DC) تولیدشده توسط سامانه خورشیدی به جریان متناوب (AC) برای تزریق به شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرد. مدارهای الکترونیکی که جریان متناوب را تولید می‌کنند، برای متصل‌ماندن به شبکه، باید فرکانس بسیار پایداری یعنی ۵۰ یا ۶۰ هرتز داشته باشند. اگر فرکانس فراتر از محدودیت‌های مشخص شده باشد، ممکن است باعث قطعی یا خرابی زودهنگام اینورترها و باتری‌ها شود.
توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی مانند LM2500، LM6000 و LMS100 محصول شرکت جنرال الکتریک، تثبیت شبکه را فراهم کرده و از یکپارچگی انرژی‌های تجدیدپذیر پشتیبانی می‌کنند.
عوامل کلیدی طراحی که توربین‌های مشتق‌شده از موتور هوایی را نسبت به موتورهای رفت و برگشتی یا توربین‌های تک محوره مناسب‌تر می‌کند شامل طراحی چند محوره، نرخ افزایش توان، حذف کامل بار، اینرسی، گستره فرکانس وسیع و عملکرد کندانسور سنکرون است.
طراحی چند محوره
واحدهای مشتق از موتور هوایی دارای طرح‌های چند محوره هستند، بنابراین توربین قدرت با چرخش آزاد متصل به ژنراتور، بطور مکانیکی به قطعات توربین یا کمپرسور پرفشار وصل نمی‌شود.
مطابق با پیکربندی نشان داده‌شده در شکل زیر (شکل ۱)، توربین پرفشار می‌تواند به سرعت در پاسخ به افت فرکانس شبکه شتاب بگیرد و در صورت نیاز بیشتر شبکه، توان خروجی را افزایش دهد. این عمل در توربین‌های گاز تک محوره به اینصورت است که معمولا توان خروجی را در طول افت فرکانس از دست داده و کندتر پاسخ می‌دهند. در نتیجه توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی چند محوره یک شبکه پایدارتر و عملکرد بهتری را برای تمام تجهیزات متصل به شبکه فراهم می‌کند.
شکل ۱
نرخ افزایش توان
نرخ افزایش توان یک ژنراتور توربین نشان می‌دهد که توربین با چه سرعتی می‌تواند توان خروجی را در پاسخ به تغییرات تقاضای برق افزایش دهد.
نرخ نامی از صفر تا توان کامل، به میزان ۲۰ مگاوات به ازای هر دقیقه بوده، اما قادر به نرخ‌های بالاتر در شرایط خاص است. نرخ افزایش توان توربین گاز LM2500 یکی دیگر از ویژگی‌های مهم است که به حفظ پایداری شبکه کمک می‌کند. هنگام پاسخ به تغییرات سریع شبکه مانند کاهش فرکانس ناشی از افت ناگهانی تولید انرژی باد یا خورشیدی، توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی می‌توانند با نرخ‌های افزایش توان بالا پاسخ دهند.
برای مثال توربین گاز LM2500 می‌تواند به کاهش بار در عرض ۱۰۰ میلی‌ثانیه برای تامین توان اضافی واکنش نشان دهد. چنین پاسخ‌هایی با تنظیم نرخ افزایش توان یا زمان در کسری از ثانیه با قابلیت بارگذاری کامل، قابل برنامه‌ریزی هستند.
حذف کامل بار
با توجه به پیکربندی چندمحوره، توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی اساسا می‌توانند با باز کردن سوییچ اصلی بدون قطع دستگاه، بار کامل را حذف کنند و در حداقل بار باقی بمانند. در اینصورت توان نیروگاه‌های پشتیبان حفظ می‌شود. برای موتورهای رفت و برگشتی معمول است که تحت سناریوهای مشابه خاموش شوند، در حالی که توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی مانند LM2500 برای اتصال مجدد سریع به شبکه و تامین برق آماده هستند.
اینرسی
اینرسی واحدهای تولید برای حفظ پایداری شبکه به‌ویژه برای شبکه‌های کوچک‌تر زیر ۵۰۰ مگاوات بسیار مهم است. اینرسی را می‌توان به‌عنوان ظرفیت حفظ سرعت در نظر گرفت، بنابراین سامانه‌هایی با اینرسی بالاتر نسبت به سامانه‌هایی با اینرسی پایین‌تر بهتر به تثبیت فرکانس کمک می‌کنند.
با توجه به اندازه و سرعت چرخش ژنراتور و مجموعه توربین قدرت (۳ هزار دور در دقیقه برای ۵۰ هرتز و ۳۶۰۰ دور در دقیقه برای ۶۰ هرتز)، توربین گاز LM2500 می‌تواند تا ۵ برابر اینرسی یک موتور رفت و برگشتی ارائه دهند (اینرسی حاصل ضرب جرم و مجذور سرعت چرخش است). اگرچه اینرسی توربین گاز مشتق از موتور هوایی کمتر از نمونه‌های مشابه است، اما این مسئله به خوبی با زمان پاسخ و نرخ صعود سریع آنها جبران می‌شود و تعادل عالی را برای کاربران شبکه فراهم می‌کند.
گستره فرکانس وسیع
پکیج ژنراتور LM2500 محصول جنرال الکتریک می‌تواند بطور مداوم در محدوده ۵ درصد از فرکانس نامی کار کند. از آنجایی که هیچ تریپی تحت فرکانس (فقط هشدار) وجود نداشته و تنها یک تریپ اضافه سرعت برای محافظت از تجهیزات وجود دارد، محدوده عملیاتی وسیع‌تری نیز امکان‌پذیر است. این عمل به این معنی است که در صورت وقوع یک رویداد تحت فرکانس در شبکه، واحدها می‌توانند در حالت عملیاتی باقی بمانند و در صورت نیاز، با تریپ تحت فرکانس وضعیت را بدتر نمی‌کنند.
انتظار می‌رود پکیج LM2500 توان را تا ۳ درصد از بار کامل بین ۴۷ هرتز و ۵۰ هرتز یا بین ۵۷ هرتز تا ۶۰ هرتز، در محدوده دمای محیطی حفظ کند، بدون اینکه تاثیری بر عمر تجهیزات داشته باشد و تریپ تحت فرکانس نداشته باشد. کنترل فرکانس اولیه و کنترل مارجین ذخیره بطور کامل با باندهای سکون داخلی و خارجی، نرخ افزایش توان (پس فاز یا پاسخ خطی) و سهم ذخیره فرکانس اولیه قابل برنامه‌ریزی هستند.
عملکرد کندانسور همگام (سنکرون)
به دلیل نقش مهم توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی که می‌توانند در افزایش پایداری شبکه ایفا کنند، یک ویژگی اختیاری به پکیج ژنراتور آنها اجازه می‌دهد تا به عنوان یک کندانسور همگام عمل کنند.
در این حالت، ژنراتور الکتریکی به شبکه متصل باقی می‌ماند و از اینرسی و ضریب ولتاژ یا قدرت (از طریق کنترل MVAR) پشتیبانی می‌کند، در حالی که موتور اصلی عملا بی‌حرکت است و هیچ سوختی مصرف نمی‌کند. در اینصورت، پکیج‌ها می‌توانند بطور یکپارچه از کندانسور سنکرون به حالت تولید برق تغییر کنند.
مخصوصا برای توربین گاز LM2500 که دارای یک توربین قدرت چرخش آزاد است، می‌توان این حالت کارکردن را بدون نیاز به کلاچ بین توربین قدرت چرخش آزاد و ژنراتور داشت که پیچیدگی عملیاتی و هزینه‌های تعمیر و نگهداری را کاهش می‌دهد. در این حالت بدون کلاچ، توربین قدرت به ژنراتور جریان متناوب موتور متصل باقی می‌ماند. جریان هوای حاصل، به اندازه کافی چرخش مجموعه توربین/کمپرسور با فشار بالا را ایجاد می‌کند تا امکان راه‌اندازی سریع فراهم شود.
هنگامی که به‌عنوان یک کندانسور سنکرون کار می‌کند، ژنراتورکارکرد موتوری، کنترل توان راکتیو را فراهم کرده که بسته به نیاز شبکه، تا حد مجاز ظرفیت ژنراتور، توان راکتیو را تولید یا مصرف می‌کند. اگر به میزان MVAR بالاتری برای کاربرد موردنظر نیاز باشد، ممکن است ژنراتورهای بزرگتر نیز مورد استفاده قرار گیرند. حالت کندانسور همگام به کاربران شبکه در تنظیم ولتاژ کمک می‌کند تا پایداری شبکه را حفظ کنند و از هرگونه قطع ولتاژ بیش از حد یا کمتر در منطقه کنترل‌‍‌شده جلوگیری کنند. علاوه بر این، امکان انتقال توان اکتیو بیشتر را فراهم می‌کند.
استارت سریع
پیکربندی سبک وزن توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی عملا زمان راه اندازی سرد سریع‌تری را در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی و توربین‌های گاز پرقدرت امکان‌پذیر می‌سازد. به‌عنوان مثال، پکیج توربین گاز LM2500 می‌تواند در کمتر از پنج دقیقه، از حالت سرد تا بار کامل راه‌راندازی شود (شکل ۲). علاوه بر این، زمان برای دستیابی به توان کامل، هنگام عمل به‌عنوان ذخیره چرخان (spinning reserve) با بار حداقلی که با مقررات آلایندگی سازگار است، بین ۱۵ تا ۳۰ ثانیه متغیر است و بستگی به پارامترهای کنترلی دارد.
شکل ۲
یکی از ویژگی‌های مهم یک نیروگاه توربین گاز مشتق از موتور هوایی چند واحدی این است که واحدها ممکن است بطور همزمان راه‌اندازی شوند. این در تضاد با نیروگاه‌های موتورهای رفت و برگشتی است که در آن موتورهای منفرد به دلیل محدودیت در تامین هوای فشرده معمولا بطور متوالی راه‌اندازی می‌شوند و در نتیجه دوره راه‌اندازی به دلیل تعداد واحدهای زیاد بطور قابل‌توجهی طولانی‌تر است.
اغلب ادعا می‌شود که موتورهای گازی رفت و برگشتی قادر به راه‌اندازی در پنج دقیقه هستند، در واقعیت این امر فقط در حالت آماده به کار گرم (hot standby) صادق است و به دمای آب بالاتر از ۶۰ درجه سانتیگراد و دمای روغن روان‌کننده بالای ۷۰ درجه سانتیگراد نیاز دارد. از آنجایی که برای حفظ این دماها به بویلرهای الکتریکی نیاز است، مصرف توان ناهمگون مصرفی ممکن است بیش از ۱۰۰ کیلووات در هر واحد یا ۱ مگاوات برای یک سایت معمولی ۱۰ واحدی باشد.
بار ناهمگون برای حفظ شرایط آماده بکار گرم برای واحدهای بزرگ رفت و برگشتی می‌تواند هزینه سالانه‌ای در حدود ۱۰۰ هزار دلار در هر واحد را داشته باشد که به راحتی به بیش از ۱ میلیون دلار در سال برای یک سایت با مقیاسی مصرفی و کاربردی می‌رسد. هنگام عملیات با نفت سنگین، هزینه حفظ شرایط آماده بکار گرم بیشتر نیز است.
عملکرد سیکلی روزانه
برخلاف توربین‌های گاز پرقدرت، توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی مانند LM2500 می‌توانند استارت و توقف روزانه را بدون تاثیر بر چرخه تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی شده و هزینه آنها انجام دهند. این ویژگی مدت‌ها است که در صنعت تولید برق شناخته شده و عامل اصلی در استفاده گسترده از آنها در سراسر جهان به‌عنوان واحدهای پیک‌یابی بوده که برای استارت سریع در هر زمان لازم است.
در شبکه‌هایی با نفوذ انرژی تجدیدپذیر بالا، این توانایی برای خاموش کردن و راه‌اندازی مجدد موتورهای مشتق‌شده در روز بدون تاثیر بر هزینه‌های تعمیر و نگهداری، برای کاربران شبکه ارزش زیادی دارد. زیرا هزینه‌های دیسپاچینگ چنین واحدهایی را در صورت نیاز برای جبران تغییرپذیری تولید انرژی‌های تجدیدپذیر در شبکه کاهش می‌دهد. در صورت مجهز بودن، واحدهایی که در صورت عدم نیاز خاموش می‌شوند، می‌توانند به‌عنوان کندانسور سنکرون به کار خود ادامه دهند.
قابلیت‌اطمینان و در دسترس بودن
قابلیت‌اطمینان بالای موتور برای ایمنی در دنیای هوانوردی امری ضروری است. در نتیجه، توربین‌های گاز مشتق‌شده از موتور هوایی مبتنی بر فناوری هوانوردی، این ویژگی را به ارث برده‌اند و میانگین قابلیت‌اطمینان ناوگان بالای ۹۹ درصد را نشان می‌دهند. علاوه بر این، حداقل نیمی از این ناوگان با قابلیت اطمینان ۱۰۰ درصد عمل می‌کنند. این قابلیت‌اطمینان ویژه نشان داده‌شده به‌ویژه برای شبکه‌های کوچکی که به عملکرد هر واحد تولیدی در سامانه متکی هستند، حیاتی است.
در دسترس بودن بالا یکی دیگر از عوامل کلیدی است. در حالی که قابلیت‌اطمینان بالاتر به معنی کاهش قطعی‌های برنامه‌ریزی‌نشده است، در دسترس بودن بیشتر بر کاهش تعداد قطعی‌های تعمیر و نگهداری برنامه‌ریزی‌شده و زمان توقف تمرکز دارد.
داده‌های ناوگان جمع‌آوری‌شده نشان می‌دهد که توربین گاز LM2500 میانگین قابلیت‌اطمینان بیش از ۹۹ درصد و در دسترس بودن بالاتر از ۹۸ درصد را طی یک دوره ۲۰ ساله نشان داده‌است. در شکل ۳، آخرین داده‌های مربوط به قابلیت‌اطمینان و دسترس‌پذیری از سال ۲۰۱۸ تا ۲۰۲۱ نشان داده شده‌است. بسیاری از واحدهای حیاتی، قابلیت دسترسی ۹۹.۵ درصد را هنگام عملیات بر روی بار پایه نشان داده‌اند.
شکل ۳
میراث دیگر صنعت هوانوردی، توانایی تعویض سریع موتورها برای کاهش زمان خاموشی موردنیاز برای تعمیرات اساسی است. با جایگزینی یک موتور در سایت با موتوری که تحت تعمیر و نگهداری مورد نیاز بوده، نیروگاه می‌تواند در کمتر از دو روز کار خود را از سر بگیرد، در حالی که برای سایر فناوری‌ها این زمان بیش از ۲۰ روز است.
تعمیر و نگهداری کمتر
ویژگی در دسترس بودن بالا که در توربین‌های گاز مشتق‌شده از موتورهای هوایی وجود دارد، مستقیما ناشی از تعمیر و نگهداری کمتر و کوتاه‌تر در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی است. شکل ۴ نوع و فرکانس رویدادهای تعمیر و نگهداری جزئی و عمده و ساعات قطع تعمیر و نگهداری تخمین زده‌شده برای توربین‌های گاز مشتق‌شده از موتور هوایی را در مقابل موتورهای رفت و برگشتی در تاسیسات نیروگاهی چند واحدی با توان کل سایت تقریبا یکسان مقایسه می‌کند.
شکل ۴
بطور معمول، یک توربین گاز مشتق‌شده از موتور هوایی تنها باید هر ۴ هزار ساعت عملیاتی یا حداقل یکبار در سال تحت بازرسی بوروسکوپ (حدود ۱۲ ساعت طولمدت قطع) قرار گیرد. یک قطعی جهت تعمیر و نگهداری بخش داغ، معمولا ۳ روز طول می‌کشد و در ۲۵ یا ۳۵ هزار ساعت عملیاتی انجام می‌شود. تعمیرات اساسی که می‌تواند در کمتر از ۲ روز تکمیل شود، بسته به نمونه و عملکرد، پس از ۵۰ یا ۷۰ هزار ساعت انجام می‌شود.
زمان‌بندی واقعی تعمیر و نگهداری بر اساس نتایج بازرسی بوروسکوپ تا حدودی منعطف است، و بر اساس نتایج بازرسی، به این معنی است که زمان‌های عملیاتی توربین‌های گازی ممکن است قبل از نیاز به نگهداری یا بازسازی بخش داغ آنها گسترش یابد. تحت این شرایط نگهداری برنامه‌ریزی‌شده، حدود ۱۸ روز خاموشی در ۱۰۰ هزار ساعت کارکرد یا تقریبا ۱۲ سال عملیاتی مداوم موردنیاز است.
در عین حال، موتورهای رفت و برگشتی معمولی که برای تولید برق استفاده می‌شوند، نیاز به توقف برنامه‌ریزی‌شده پس از هر ۲ هزار ساعت کارکرد برای انجام رویدادهای مختلف تعمیر و نگهداری جزئی و عمده دارند که به زمان‌های خاموشی از حدود ۱۲ ساعت تا ۱۵ روز نیاز دارند. در طول یک دوره عملیاتی مشابه و چرخه تعمیر و نگهداری کامل برای دستیابی به تعمیرات اساسی، زمان قطع برنامه‌ریزی‌شده انباشته برای موتورهای رفت و برگشتی بیش از ۱۰۰ روز که بیشتر از ۵ برابر توربین‌های گاز مشتق‌شده است، نیاز هست.
نیروگاه‌های توربین گاز مشتق‌شده از موتور هوایی به دلیل واحدهای کمتر و فعالیت‌های تعمیر و نگهداری معمول کمتر در مقایسه با یک نیروگاه مبتنی بر موتور رفت و برگشتی با اندازه مشابه، به نیروی انسانی به میزان قابل‌توجهی کمتر نیاز دارد. این به معنای هزینه‌های سالانه بسیار کمتر برای برای مصارف عملیات و نگهداری، کارکنان و نیروی کار است.
برای نیروگاه‌های زمان پیک که در سال حدود ۱۰۰۰ ساعت فعالیت دارند، هزینه‌های کارکنان و نگهداری برای توربین‌های رفت و برگشتی ممکن است به میزان هزینه‌های سوخت بر اساس نرخ دلار بر مگاوات-ساعت باشد، زیرا تمامی کارکنان باید زمانی که نیروگاه باید به کار افتد، آماده باشند.
همچنین، به دلیل در دسترس بودن کمتر، نیروگاه‌های مبتنی بر موتورهای رفت و برگشتی معمولا به ازای هر پنج تا شش واحد در حال بهره‌برداری، به یک واحد آماده بکار نیاز دارند. این منجر به CAPEX بالاتر، هزینه‌های تعمیر و نگهداری بیشتر و افزایش موجودی قطعات می‌شود.
توربین های گاز صنعتی مشتق از موتور هوایی و آلایندگی پایین
تولید توان موتورهای صنعتی زمینی در مقایسه با موتورهای هوایی، مشمول الزامات انتشار گازهای گلخانه‌ای بسیار شدیدتری است. فناوری پیشرفته احتراق توربین‌های گاز با آلایندگی کم که عمدتا بر کاهش ناکس متمرکز است، به منظور رعایت مقررات سختگیرانه برای توربین‌های گاز در آمریکا و جاهای دیگر توسعه یافته‌است.
با تکامل فناوری‌های کنترل ماشین‌های دوار، قابلیت‌های توربین‌های گاز روزآمد با آلایندگی کمتر مبنایی برای محدودیت‌ها و دستورالعمل‌های نظارتی سختگیرانه‌تر شد که ناتوانی سایر اشکال تولید برق را برای برآوردن چنین محدودیت‌های سخت‌گیرانه‌ای تایید می‌کند.
به‌عنوان مثال، دستورالعمل‌های ایمنی و بهداشت محیطی بانک جهانی، حد انتشار ناکس را برای توربین‌های گاز که با گاز طبیعی کار می‌کنند، حدود ۵۱ میلی‌گرم بر نیوتن متر مکعب در ۱۵ درصد اکسیژن، معادل حد مجاز EPA آمریکا به میزان۲۵ پی‌پی‌ام‌وی یا به میزان ۱۵۲ میلی‌گرم بر نیوتن متر مکعب هنگام راه‌اندازی با سوخت‌های دیگر مانندروغن دیزل یا پروپان تعیین کرده‌است.
در همین حال، موتورهای رفت و برگشتی دوگانه‌سوز با همان دستورالعمل‌ها اجازه دارند تا ۴۰۰ میلی‌گرم در نیوتن متر مکعب ناکس یا تقریبا هشت برابر آلایندگی بیشتر در مقایسه با سوخت گاز طبیعی و تا ۲ هزار میلی‌گرم در نیوتن متر مکعب یا ۱۳ برابر بیشتر هنگام کار با سوخت مایع منتشر کنند.
میزان تخمینی آلایندگی در انتشار میزان ناکس و دی‌اکسیدکربن بین توربین‌های گاز مشتق‌شده از موتور هوایی به ویژه LM2500 و موتورهای رفت و برگشتی در شکل ۵ نشان داده شده‌است. مطابق با شکل، توربین گاز LM2500 با میزان آلایندگی کم با استانداردهای نظارتی پایین‌تر تعیین‌شده برای توربین‌های گاز صنعتی در هنگام سوزاندن نفت دیزل یا سوخت گاز طبیعی مطابقت دارد.
شکل ۵
مسائل مربوط به متان در موتورهای رفت و برگشتی
متان، به‌عنوان یک گاز گلخانه‌ای قوی، یکی از مهم‌ترین آلایندگی خروجی است که باید هنگام ارزیابی گزینه‌های تولید برق در نظر گرفته شود. پتانسیل گرمایش جهانی متان در اتمسفر طی ۲۰ سال ممکن است ۸۶ برابر بیشتر از دی‌اکسیدکربن باشد.
هنگام سوزاندن گاز طبیعی، ممکن است مقدار نسبتا کمی متان به صورت نسوخته از هر واحد تولید برق ساطع شود. برای توربین‌های گاز، نرخ پایین آلایندگی توسط EPA آمریکا منعکس می‌شود که ضریب انتشار متان را ۰.۰۰۸۶ پاوند به ازای هر MMBtu سوخت مصرفی تعریف می‌کند.
اما به دلیل آلایندگی بالای متان موتورهای رفت و برگشتی، میزان EPA ضریب انتشار متان ۱.۲۵ پوند / MMBtu را نشان می‌دهد که ۱۴۵ برابر بیشتر از توربین‌های گاز است و تا حد زیادی به انتشار گازهای گلخانه‌ای در هنگام تولید برق تقریبا معادل یک نیروگاه زغال‌سنگ کمک می‌کند.
مقایسه انتشار گازهای گلخانه‌ای
شکل ۶، انتشار گازهای گلخانه‌ای ویژه که به صورت معادل کیلوگرم بر MWh برای فناوری‌های مختلف تولید برق، مقایسه نیروگاه‌های زغال سنگ/بخار با موتورهای رفت و برگشتی گاز طبیعی و توربین‌های گاز مشتق‌شده از موتور هوایی، برای هر دو سیکل ساده و سیکل ترکیبی را نشان می‌دهد.
شکل ۶
بر اساس این داده‌ها و با در نظر گرفتن میزان متان منتشر شده از موتورهای رفت و برگشتی که حدود ۸۰ درصد (معادل) به دی‌اکسیدکربن منتشر شده در اثر احتراق اضافه می‌کند، تغییر از موتورهای رفت و برگشتی به توربین‌های گازی سیکل ساده مشتق از موتور هوایی منجر به کاهش ۳۶ درصد انتشار گازهای گلخانه‌ای در هر مگاوات ساعت تولید شده می‌شود.
بر اساس همان نمونه توربین گاز مشتق‌شده از موتور هوایی یعنی LM6000 که در یک پیکربندی سیکل ترکیبی استفاده می‌شود، افزایش مگاوات ساعت تولیدشده بدون سوزاندن سوخت اضافی منجر به کاهش میزان کربن در حدود ۵۰ درصد می‌شود. با امضای ۱۱۱ کشور “تعهد جهانی متان” در COP26 (2021)، انتظار می‌رود که انتشار گاز متان به شدت کنترل شود. این توافق خواستار کاهش ۳۰ درصدی انتشار گازهای گلخانه‌ای در سراسر جهان از سال ۲۰۲۰ است.
توربین های گاز صنعتی مشتق از موتور هوایی انعطاف پذیری سوخت را برای امنیت انرژی ارائه می‌دهند
توانایی توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی برای کار بر روی طیف گسترده‌ای از سوخت‌ها اعم از گازی و مایع، به تامین امنیت انرژی در صورت در دسترس نبودن سوخت اصلی به هر دلیلی کمک می‌کند. آنها می‌توانند بطور یکپارچه بین سوخت حتی از گاز به مایع، بدون خاموش شدن و با کمترین کاهش خروجی یا بهره‌وری تعویض شوند.
واحدهای مشتق از موتور هوایی همچنین می‌توانند در محدوده کاملی از ۱۰۰ درصد گاز تا ۱۰۰ درصد سوخت مایع کار کنند، بدون اینکه نیازی به نگهداری سوخت‌های گران قیمت مایع پرواز در طول عملیات گاز داشته باشند. با این حال، موتورهای رفت و برگشتی دوگانه‌سوز، زمانی که با گاز طبیعی کار می‌کنند، به حدود ۱ تا ۲ درصد روغن دیزل نیاز دارند که هم هزینه و هم آلایندگی را افزایش می‌دهد.
توربین‌های گازی مشتق‌شده جنرال الکتریک سوخت‌های جایگزین مانند گاز طبیعی که از آن گازهای پروپان بوتان وایزوبوتان جدا شده است، گاز غنی، نفت سبک، بیواتانول، بیوگاز و گازهای باقی مانده پالایشگاهی و بسیاری دیگر بهره گرفته‌اند. این انعطاف‌پذیری عملیاتی اثبات‌شده در طیف گسترده‌ای از سوخت‌ها به میزان زیادی به امنیت انرژی می‌افزاید.
مزیت دیگر توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی، توانایی آنها برای عملیاتی بودن بر روی غلظت ۸۵ درصد هیدروژن مخلوط با گاز طبیعی است. هنگامی که مقادیر کافی هیدروژن در دسترس باشد، این امر منجر به کاهش شدید انتشار دی‌اکسیدکربن می‌شود. این قابلیت هم در مورد توربین‌های گاز جدید و هم برای واحدهای موجود که می‌توانند برای کار با سوخت هیدروژن بالا مجهز شوند، صدق می‌کند.
مصرف روغن روانکاری
توربین‌های گاز مشتق‌شده از موتور هوایی به میزان قابل‌توجهی روغن روان‌کننده کمتری نسبت به موتورهای رفت و برگشتی مصرف می‌کنند که نشان‌دهنده صرفه‌جویی در هزینه‌های بالقوه قابل‌توجهی است.
به‌عنوان مثال، مصرف روغن روانکاری توربین گاز LM2500 حدود ۲ میلی لیتر در مگاوات ساعت است. این در مقایسه با حدود ۴۰۰ میلی لیتر در مگاوات ساعت برای یک موتور رفت و برگشتی یا ۲۰۰ برابر بیشتر است. روغن روانکاری به تنهایی می‌تواند صرفه‌جویی بیش از ۲ میلیون دلار در سال را برای یک نیروگاه توربین گاز مشتق‌شده از موتور هوایی با بار پایه ۲۰۰ مگاواتی در مقایسه با یک نیروگاه موتور رفت و برگشتی (با فرض روغن روانکاری ۳ دلار در لیتر) نشان دهد.
برای یک نیروگاه استندبای، مصرف روغن روانکاری ممکن است تاثیر قابل‌توجهی بر هزینه نداشته باشد. با این حال، روغن باید بطور منظم به دلیل ماندگاری محدود تعویض شود.
چگالی توان بالاتر
یکی دیگر از ویژگی‌های مهم توربین گاز مشتق از موتور هوایی، چگالی توان بالای آن است که به نیروگاه‌های چند واحدی را قادر می‌سازد تا مساحت کوچکتری اشغال کنند. به‌عنوان مثال، شکل ۷ طرح یک نیروگاه با واحدهای ۷xLM2500 را در یک سایت ۳ هکتاری نشان می‌دهد. چنین نیروگاهی مطابق استاندارد ایزو دارای ۲۵۰ مگاوات توان خروجی، می‌تواند توان ۲۱۵ مگاوات را در عملیات روز گرم تامین کند.
شکل ۷
در پایان می‌توان گفت که توربین‌های گاز مشتق از موتور هوایی به‌طور گسترده‌ای برای پشتیبانی از شبکه‌هایی با ضریب نفوذ بالای انرژی‌های تجدیدپذیر استفاده می‌شوند، به گونه‌ای که قابل اعتمادتر و مقرون به صرفه‌تر از راه‌حل‌های دیگر باشد.
قابلیت اطمینان و در دسترس بودن بالاتر، آلایندگی کمتر و انعطاف‌پذیری عملیاتی بیشتر در مقایسه با موتورهای رفت و برگشتی، توربین‌های گاز مشتق‌شده را به تجهیزی ارزشمند هم برای ژنراتورهای برق و هم برای کاربران شبکه تبدیل کرده است.
منبع:
#توربین گاز صنعتی #آلایندگی زیست محیطی
