مروری بر توربین‌های گازی مشتق‌شده از موتورهای هوایی

توربین‌های گازی مشتق‌شده از موتورهای هوایی، گزینه‌هایی محبوب برای استفاده در تولید انرژی به شمار می‌روند. قابلیت اطمینان، بهره‌وری و انعطاف‌پذیری سه ویژگی بارز این ماشین‌ها است. در مقایسه با توربین‌های گازی صنعتی هم‌رده، این ماشین‌ها مبتنی بر مواد و فناوری‌های پیشرفته موتورهای هوایی به میزان قابلملاحظه‌‌ای سبک‌تر بوده و در بهره‎‌وری عملیاتی چابک‌تر عمل می‌کنند.

در مقایسه با توربین‌های گازی سنگین‌تر با بهره‌وری میانگین 35 درصد، این ماشین‌ها با بهره‌وری متوسط 45 درصد، گزینه‌ای مناسب برای مصارف تولید انرژی تا سقف 100 مگاوات قلمداد می‌شوند.

امکان استفاده از سوخت‌های مختلف شامل ترکیبی از گاز طبیعی و سوخت مایع مزیت دیگر این توربین‌ها است. طی پنج سال گذشته، بازار توربین‌های گازی مشتق‌شده از موتور هوایی به طور متوسط سالانه با پنج درصد رشد توأم بوده‌است. مشخصا در آسیا تعداد زیادی از این ماشین‌ها در تاسیسات تولید ال‌ان‌جی به کار گرفته شده‌است. در آمریکای شمالی به طور سنتی از این ماشین‌ها در شرایط پیک یا برای جبران اختلال در شبکه توزیع برق استفاده می‌شود. در این نوشتار، برخی از موفق‌ترین نمونه‌ها در این رده معرفی شده‌است.

محصولات جنرال الکتریک

شرکت جی‌ئی بزرگ‌ترین سهم از بازار توربین‌های گازی مشتق از موتورهای هوایی را در اختیار دارد. ماشین ‌ال‌ام‌اس100 با استفاده از خنک‌کننده میانی، جریان هوا بین طبقات کم‌فشار و پرفشار کمپرسور را خنک می‌کند. بر این اساس، توربین ال‌ام‌اس100 می‌تواند با بهره‌وری 44 درصد، توان خروجی معادل 115 مگاوات را تامین کند. این توربین صنعتی بر پایه هسته اصلی موتور توربوفن سی‌اف6، تامین‌کننده نیروی پیشران خانواده بوئینگ 747 طراحی شده‌است. توربین آزاد این ماشین بدون نیاز به گیربکس می‌تواند با فرکانس 50 یا 60 هرتز کار کند.

این ماشین می‌تواند در کمتر از ده دقیقه به حالت توان بیشینه برسد. شرکت جی‌ئی تا سال 2018، بیش از 62 واحد از این ماشین به مشتریانی در ده کشور مختلف فروخته‌است. تا آغاز سال 2018، این ماشین‌ها در مجموع 650 هزار ساعت عملیاتی را به ثبت رسانده‌اند. عمدتا از این توربین برای پایدارسازی شبکه و یا پشتیبانی در حالت پیک مصرف استفاده می‌شود.

شرکت پامپا انرجیا در آرژانتین، بزرگ‌ترین مشتری توربین ال‌ام‌اس100 به‌شمار می‌رود و در تابستان 2017، این ماشین را به‌عنوان جایگزینی برای توربین‌های فریم 9ئی در پیکربندی سیکل ترکیبی خریداری کرد.

توربین ال‌ام9000 با توان خروجی 66 تا 75 مگاوات می‌تواند در پیکربندی سیکل ساده با بهره‌وری 43 درصد کار کند. این ماشین از موتور توربوفن جی‌ئی90 نصب‌شده بر روی جت مسافربری بوئینگ777 مشتق شده‌است. زمان لازم برای رسیدن به توان بیشینه کمتر از 10 دقیقه است و بازه زمانی بازرسی قطعات بخش داغ، 36 هزار ساعت و برای بازسازی کلی 72 هزار ساعت است.

از این ماشین می‌توان برای پشتیبانی شبکه، تامین برق واحدهای صنعتی، پشتیبانی از شبکه توزیع در شرایط پیک مصرف و همچنین تامین برق محلی در مناطق دورافتاده استفاده کرد. بکارگیری این توربین در فشرده‌سازی ال‌ان‌جی و کاربری‌های بارج با استقبال روبرو شده‌است. پیکربندی ال‌ا‌م9000 با تکیه بر هسته اصلی مشتق‌شده از موتور هوایی به‌گونه‌ای است که در فضای کم بر روی شناورها می‌توان برای تامین توان از آن استفاده کرد. شرکت جی‌ئی اولین توربین ال‌ام9000 را در سال 2019 به مشتریان تحویل داد.

توربین گازی ال‌ام6000 با ناوگان عملیاتی بیش از 1270 واحد و ثبت 37 میلیون ساعت عملیاتی، یکی از موفق‌ترین محصولات جی‌ئی در این کلاس است. این توربین گازی بر اساس هسته اصلی موتور توربوفن سی‌اف6، تامین‌کننده نیروی پیشران هواپیماهای بوئینگ 747 و 767 و ایرباس اِی330 توسعه یافته‌است.

توان خروجی نمونه‌های مختلف این ماشین از 44 تا 57 مگاوات در حالت سیکل ساده و از 117 تا 149 مگاوات در حالت استفاده دوتایی به صورت سیکل ترکیبی گزارش شده‌است. نمونه‌های کم‌توان این ماشین از محفظه احتراق اس‌ای‌سی مبتنی بر استفاده از آب، برای کنترل آلودگی بهره می‌گیرند و بیش از 26 میلیون ساعت عملیاتی را ثبت کرده‌اند.

نمونه‌های پر‌قدرت‌تر ماشین ال‌ام6000 به محفظه احتراق دی‌ال‌ئی مجهز هستند و بیش از 11 میلیون ساعت عملیاتی را پشت سر گذاشتند. علاوه بر پشتیبانی شبکه در حالت پیک، از این توربین گاز برای تولید همزمان برق و حرارت در مجتمع‌های صنعتی و کاربری درایومکانیکی نیز استفاده می‌شود. این ماشین بر اساس طراحی بهینه دو محوری با هدف کاهش هزینه‌های نگهداری توسعه یافته و برای رسیدن به حالت توان بیشینه تنها به پنج دقیقه زمان نیاز دارد.

نمونه ال‌ام6000 و دی‌ال‌ئی57 جدیدترین عضو این خانواده هستند که تحویل آن به مشتریان از بهار 2017 آغاز شده‌است. در مقایسه با نمونه قبلی، دمای خروجی نمونه دی‌اِل‌ئی57 به میزان 39 درجه سانتیگراد افزایش یافته‌است. همچنین توان خروجی آن در حالت سیکل ساده، هفت مگاوات بیشتر شده‌است. در مارس 2018، دو واحد از این ماشین در تایلند نصب شد. ماشین ال‌ام6000 نخستین توربین جی‌ئی به شمار می‌رود که از سامانه انرژی مبتنی بر باتری استفاده می‌کند.

ماشین ال‌ام2500، نمونه مشتق‌شده دیگر جی‌ئی از موتور توربوفن سی‌‍‌اف6 به شمار می‌رود. این ماشین که در سال 1971 معرفی شد، سه مدل مختلف دارد که به ترتیب، از 22 تا 37 مگاوات توان خروجی را تامین می‌کند. محفظه احتراق این ماشین‌ها در دو مدل اس‌ای‌سی و دی‌ال‌ئی در دسترس هستند. خانواده توربین‌های ال‌ام2500 با بیش از 2300 واحد نصب‌شده و بالغ بر 90 میلیون ساعت عملیاتی، محبوب‌ترین توربین‌های گازی مشتق‌شده از موتور هوایی جهان به شمار می‌رود.

کاربرد اصلی این توربین، درایومکانیکی و تامین توان فراساحلی و همچنین تولید همزمان برق و حرارت است. جنرال الکتریک همچنین نمونه متحرکی موسوم به تی‌ام2500 را بر اساس این توربین عرضه کرده‌است. مجموع کامل تجهیزات این توربین توسط سه تریلر حمل می‌شود و در مدت کمتر از 11 روز، در محل استقرار تریلرها آماده بهره‌برداری خواهد بود. در مدت ده سال پس از عرضه اولیه، بیش از 200 واحد از این ماشین‌ها به مشتریانی از 25 کشور مختلف فروخته شده‌است.

محصولات زیمنس

زیمنس مالکیت چندین توربین گازی مشتق‌شده از موتورهای هوایی را از رولزرویس خریداری کرده‌است. این ماشین‌ها شامل اس‌جی‌تی-ای05 با توان 4 تا 7 مگاوات مشتق‌شده از موتورتی56 (501-کی)، ماشین اس‌جی‌تی-ای20 با توان 10 تا 15 مگاوات مشتق‌شده از موتور آوون 200، ماشین‌های اس‌جی‌تی-‌ای30 و اس‌جی‌تی-‌ای35 با توان 27 تا 38 مگاوات مشتق‌شده از موتور توربوفن آربی211، ماشین اس‌جی‌تی-‌ای45 با توان 41 تا 44 مگاوات و ماشین اس‌جی‌تی-‌ای65 با توان 53 تا 66 مگاوات مشتق‌شده از موتور توربوفن ترنت 800 می‌باشند. مجموع ناوگان نصب‌شده این توربین‌های گازی به 2500 واحد در سراسر جهان می‌رسد.

زیمنس در سال 2014، بخش توربین‌های گازی مشتق از موتور هوایی رولزرویس را خریداری کرد و نام‌گذاری آنها را بر اساس سیستم خود تغییر داد. بر این اساس، نمونه صنعتی تی56 (501-کی)، از این پس با نام زیمنس اس‌جی‌تی-‌ای05 شناخته می‌شود. بیش از 1600 واحد از این ماشین برای مصارف صنعتی در 40 کشور مختلف دنیا مورد استفاده قرار گرفته‌است.

این ماشین‌ها در مجموع 110 میلیون ساعت کاری را از زمان عرضه در سال 1963 به ثبت رسانده‌اند. ماشین اس‌جی‌تی-ای05 بر اساس هسته اصلی موتور هوایی توربوپراپ تی-56 طراحی شده‌است.

این موتور هوایی نیروی پیشران هواپیمای ترابری تاکتیکی سی-130 هرکولس، هواپیمای تجسس و شناسایی ئی2سی ‌هاوک‌آی و هواپیمای گشت‌زنی دریایی پی-3 اوریون را تامین می‌کند. از ویژگی‌های این توربین گازی مشتق‌شده از موتور هوایی می‌توان به ساختار کاملا ماژولار، سهولت تعمیر میدانی و استفاده از سوخت‌های مختلف اشاره کرد. ماشین‌های ای05 با توان خروجی بین 3.9 تا 6.4 مگاوات در مصارف مختلف شامل تولید همزمان برق و حرارت و تاسیسات فراساحلی و تامین توان در شرایط اضطراری بکار گرفته می‌شوند.

نمونه صنعتی آوون200 هم اکنون با نام اس‌جی‌تی-ای20 شناخته می‌شود. نمونه اولیه این ماشین در سال 1964 معرفی شد و بطور ویژه در آمریکای شمالی در صنعت نفت و گاز مورد استقبال قرار گرفت. از سایر کاربردهای آن می‌توان به خطوط انتقال و پمپاژ و همچنین استفاده به‌عنوان واحد ذخیره در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی اشاره کرد. بیش از 1200 واحد از این ماشین تاکنون فروخته شده‌است.

وزن کم و توان خروجی نسبتا بالای توربین‌های گازی اس‌جی‌تی-‌ای35 مشتق‌شده از موتور هوایی آربی211، آن را به گزینه مطلوب برای کاربران در حوزه نفت و گاز فراساحلی تبدیل کرده‌است. این ماشین، در دو نمونه مختلف با توان خروجی 34 و 38 مگاوات عرضه می‌شود. زیمنس بر اساس هسته اصلی موتور آربی211، نمونه جدیدی از توربین اس‌جی‌تی-‌ای35 را با تجهیزات درِسر-‌رَند ترکیب کرده و مجموعه‌ای بهینه‌شده برای استفاده در شناورها را معرفی کرده‌است. این نمونه 30 درصد سبک‌تر از ماشین‌های صنعتی مشتقی از آربی211 می‌باشند.

نمونه‌های صنعتی مشتق‌شده از آربی211 تاکنون بیش از 37 میلیون ساعت عملیاتی را به ثبت رسانده‌اند. نمونه 38 مگاواتی این ماشین، بر اساس بهسازی ژنراتور گاز با اضافه کردن یک طبقه به ابتدای کمپرسور معرفی شده و بدون هیچ تغییری در بخش توربین 10 درصد بر توان خروجی آن بدون تغییر در دمای احتراق افزوده شده‌است. این افزایش توان با افزایش جریان عبوری از هسته موتور و بالا بردن بهره‌وری کمپرسور تامین شده‎‌است.

ماشین اس‌جی‌تی-‌ای65 روزآمدترین توربین گازی سه محوری مشتق‌شده از موتور هوایی زیمنس به شمار می‌رود. این ماشین، بر اساس موتور هوایی ترنت 800 طراحی شده و می‌تواند بین 3000 تا 3600 اسب بخار توان را بدون نیاز به گیربکس تامین کند. برای افزایش توان تنها کافی است تعداد پره‌ها را در بخش کم‌فشار کمپرسور تغییر داد. این ماشین، دارای دو طبقه کمپرسور کم‌فشار، هفت طبقه کمپرسور با فشار متوسط و چهار طبقه کمپرسور پرفشار است.

زیمنس همچنین یک نمونه متحرک از این ماشین موسوم به اس‌جی‌تی-‌ای45 را توسعه داده که قادر است توانی معادل 44 مگاوات را تامین کند و برای نصب و راه‌اندازی آن دو هفته زمان نیاز است. کلیه تجهیزات مرتبط با این ماشین توسط سه دستگاه تریلر حمل و جابجا می‌شود. این ماشین برای رسیدن به توان بیشینه تنها به هشت دقیقه زمان نیاز دارد.

محصولات مبتنی بر موتورهای پرت‌اندویتنی

شرکت سامانه‌های نیروگاهی پی‌دبلیو (پی‌دبلیو‌پی‌اس) مجموعه‌ای از شرکت‌های وابسته به گروه صنعتی میتسوبیشی هیتاچی است. این شرکت توربین‌های گازی خود را به صورت مشتق‌شده از موتورهای هوایی محصول پرت‌اندویتنی توسعه داده‌است. بیش از دو هزار واحد از محصولات این شرکت در 50 کشور مختلف دنیا نصب و راه‌اندازی شده‌است.

این محصولات قادر به تامین توان از 30 تا 140 مگاوات می‌باشند. ماشین اِف‌تی4000 سوئیفت‌پَک جدیدترین توربین گازی عرضه‌شده توسط شرکت پی‌دبلیوپی‌اس به شمار می‌رود. این ماشین دارای دو محور و ژنراتور گاز جریان محوری بوده و بر اساس موتور هوایی پی‌دبلیو4000 طراحی شده‌است. خانواده موتورهای هوایی پی‌دبلیو4000 قادر به تامین نیروی پیشران بین 52 هزار تا 90 هزار پاوند می‌باشند.

نمونه صنعتی شده این موتور هوایی متصل‌شده به یک توربین آزاد، ماشین اِف‌تی4000 را تشکیل می‌دهد که به صورت تک موتوره می‌تواند 60 تا 70 مگاوات توان را تولید کند و در پیکربندی دو موتوره بین 120 تا 140 مگاوات توان توسط آن تامین می‌شود. بهره‌وری این توربین گازی در پیکربندی سیکل ساده 41 درصد است و بر اساس طراحی کاملا ماژولار به راحتی قابل نصب و راه‌اندازی است و کمتر از 10 دقیقه برای رسیدن به توان حداکثر نیاز دارد.

در سال 2015، پس از پایان مراحل آزمایش و ارزیابی، نخستین نمونه‌های توربین گازی اِف‌تی4000 مورد بهره‌برداری عملیاتی قرار گرفت. مشتریانی از آمریکا و آرژانتین نخستین نمونه‌های آن را تحویل گرفتند و تا آغاز سال 2018، این ماشین‌ها بیش از 19 هزار ساعت عملیاتی را پشت‌سر گذاشته‌اند.

توربین گازی اف‌تی-8 موبایل‌پَک با توان 30 مگاوات با قابلیت جابجایی محصول دیگر پی‌دبلیو‌پی‌اس در این حوزه به شمار می‌رود. تجهیزات کامل این مجموعه توسط دو تریلر حمل می‌شود که یکی شامل توربین گاز، ژنراتور الکتریکی، کالکتور خروجی، دیفیوزر و سامانه روغن موتور است. خودرو دوم، سوئیچ 15 کیلووات، سامانه کنترل، پانل عملیات، رله‌های حفاظتی، باتری‌ها و شارژرها، مرکز کنترل موتور و تجهیزات راه‌اندازی هیدرولیک را حمل می‌کند. مجموعه کامل توربین اف‌تی-8 موبایل‌پَک در کمتر از 9 روز قابل راه‌‌اندازی است.

تا سال 2018، بیش از 130 واحد از توربین اف‌تی-8 به مشتریانی در گوشه و کنار جهان فروخته شده‌ که از این میان، بیش از 40 واحد از محل استقرار اولیه به محل دیگری منتقل و مستقر شدند. فضای موردنیاز برای نصب این توربین تنها 22 در 16 متر است و نیازی به پی‌ریزی یا آماده‌سازی زمین محل نصب نیست.

توربین گازی اف‌تی-8 را می‌توان در کمتر از 30 روز راه‌اندازی کرد. این ماشین، توان خروجی بین 30 تا 60 مگاوات را تامین می‌کند. مجموعه کامل آن شامل ژنراتور گاز، توربین قدرت، ورودی آب‌بندی شده، سامانه روغن‌کاری و بخش خروجی است. این ماشین را می‌توان در پیکربندی سیکل ترکیبی بکار گرفت.

نصب این توربین بسیار ساده است و از آن برای تامین توان در مناطق دورافتاده و کمک به شبکه در زمان پیک مصرف و یا پایدارسازی شبکه توزیع استفاده کرد. توربین گازی اف‌تی-8 نمونه مشتق‌شده از موتور توربوفن جِی‌تی8دی محصول پرت‌اندویتنی است. تولید این ماشین از سال 1991 آغاز شده و تا سال 2018، بیش از 500 واحد از آن مورد بهره‌برداری قرار گرفته‌است.

ناوگان عملیاتی این ماشین بیش از 6.5 میلیون ساعت عملیاتی را به ثبت رسانده‌اند. شرکت پی‌دبلیوپی‌اس علاوه بر تولید و عرضه توربین‌های گازی مشتق‌شده از موتورهای هوایی، در زمینه تامین خدمات بلندمدت نگهداری و پشتیبانی، تامین قطعات یدکی، انجام بازرسی‌های سالانه و پشتیبانی میدانی نیز فعالیت می‌کند.

علاوه بر تولیدکنندگان اصلی که در این نوشتار محصولات آنها در حوزه توربین‌های مشتق‌شده از موتور هوایی مورد اشاره قرار گرفت، برخی شرکت‌های فعال در حوزه انرژی مانند سولزر، ام‌تی‌یو، آردبلیوجی و اتوس انرژی به طور فعال در زمینه تعمیر، نگهداری و پشتیبانی از این توربین‌ها در سطح جهان فعالیت می‌کند.