مروری بر تاریخچه توربین گاز زیمنس
در دهه 1970، پاسخ زیمنس به افزایش تقاضا برای توربینهای گاز پرقدرت، توسعه توربین گازی 50 هرتز وی2،94 بود که با مقیاس کردن ماشین مدل وی2،84 بافرکانس 60 هرتز دنبال شد. این دو مدل، در حال حاضر به ترتیب اسجیتی5-2000ئی و اسجیتی6-2000ئی نامیده میشوند. اولین توربین وی2،94 در شهر والهایم آلمان در سال 1981 و اولین توربین وی2،84 در هِی رود آمریکا در سال 1989 نصب شدند.
بیش از 240 واحد از این نوع، تا سال 2008 تولید شدهاست. این طرح دارای یک کمپرسور 16 طبقه برای توربینهای وی2،94 و وی2،84 بود. در این ماشینها، دو محفظه احتراق خارجی بزرگ از نوع سیلو با برنرهای 2 در 8 و 2 در 6 برای انواع 50 و 60 هرتزی مورد استفاده قرار میگرفت. توربین چهار طبقهای آن از پرههای نیکلی با ریختهگری متداول ساخته شده بود. طبقات اول و دوم با هوا خنک میشدند.
دیسک روتور آنها دارای دندانههای شعاعی بین دیسکها و پیچ و مهره مرکزی بود. استفاده از اگزاست محوری امکان راهاندازی سرد در انتهای ژنراتور را فراهم آورده که بر این اساس، استفاده از این توربین در پیکربندی سیکل ترکیبی تسهیل میشود. هر دو نوع دارای قابلیت استارت سریع بودند. با اعمال بهسازیهای متعدد، توان خروجی وی2،94 از 112 مگاوات اولیه و بهرهوری سیکل ساده 31 درصد، به توان خروجی 163 مگاوات و بهروری 34.5 درصد افزایش یافت.
توسعه عملکرد وی2،84 مسیر مشابهی را دنبال کرد. بهبود عملکرد با افزایش دمای احتراق و جریان جرمی ورودی کمپرسور حاصل شد. افزایش دمای احتراق با توسعه سیستم هوای آببندی، استخراج هوای خنککننده داخلی از کمپرسور برای تامین هوای طبقات دوم و چهارم توربین و جایگزینی پوششهای کروم با پوششهای نوین سد حرارتی در طبقات اول و دوم امکانپذیر شد.
برای افزایش جریان جرم ورودی، چهار ردیف اول کمپرسور با استفاده از پرههای پخش کنترلشده (سیدیای) بازطراحی شدند. از آنجایی که برنر نفوذی اصلی نمیتوانست جوابگوی مقررات سختگیرانه برای کنترل آلایندهها باشد، در سال 1986 با برنر هیبریدی جایگزین شد. این یک طراحی پیشترکیبی خشک و ناکس پایین است که با سوخت گاز طبیعی، میزان ناکس را در محدوده بار 50 درصد تا بار پایه، به کمتر از 25 پیپیام و کربندیاکسید را به کمتر از 9 پیپیام محدود میکند.
بهبود عملکرد و کاهش آلایندگی با افزایش فواصل تعمیر و نگهداری و عمر قطعات متناظر بود. ماشینهای بعدی سری وی شامل وی3،94، وی 3،84 و وی3،64 بودند که در حال حاضر با نامهای اسجیتی5-4000اف، اسجیتی6-4000اف و اسجیتی-1000اف شناخته میشوند.
طراحی وی3،94ای بر پایه آخرین فناوریهای آیرودینامیک، خنککاری و مواد موتورهای هوایی پرتاندویتنی استوار بود و در عین حال، از مفاهیم طراحی مکانیکی آزمایششده زیمنس در آن زمان استفاده میشد. کمپرسور 15 طبقهای این ماشین با استفاده از پره با مفهوم پخش کنترلشده در تمامی طبقات و اصلاحات دیوار انتهایی طراحی شده بود. در اصل کمپرسور دارای استاتورهای متغیر در چهار طبقه اول بود. با این حال، استاتور زیگ زاگ طوری بهینه شد که در حال حاضر، فقط پرههای هدایتکننده ورودی متغیر هستند. محفظه احتراق دارای 24 برنر هیبریدی است. در جداره مشبک داخلی محفظه احتراق از محافظهای حرارتی فلزی خنکشده با هوا یا کاشیهای سرامیکی استفاده شدهاست.
علاوه بر آن، در توربین چهار طبقهای، از آلیاژ تک کریستال پیدبلیو1483روی پرههای طبقه اول و دوم استفاده شدهاست. پوششهای ضد حرارتی بر روی برخی از ایرفویلها اعمال شده و طراحی روتور آن از مفهوم اثباتشده زیمنس پیروی میکند. سری 3ای با نمونه اولیه مدل وی3.84ای عرضه شد و در پایان سال 1994، در سلول تست زیمنس برلین تا رسیدن به بار کامل مورد آزمایش قرار گرفت. این توربین در آن زمان با بهرهوری 38 درصدی، به رکورد جدیدی دست یافت. در سال 1997، نمونه دندهای 70 مگاواتی کلاس وی3.64ای برای شرایط عملیاتی 50 و 60 هرتزی، بطور گسترده در سلول تست برلین آزمایش شد.
از زمان معرفی آنها، در عملکرد آیرودینامیکی کمپرسور و توربین سه نوع بهبود حاصل شد و همچنین جریان جرمی و دمای ورودی توربین افزایش پیدا کردند. بهینهسازی لقی هیدرولیکی در نوک پره برای به حداقل رساندن فاصله نوک پره توربین در بار پایه با حرکت دادن روتور به سمت بالادست نسبت به محفظه، انجام شد. با استفاده از گاز طبیعی، انتشار ناکس کمتر از 25 پیپیام نگه داشته شده بود.
تا سال 2008، بیش از 120 واحد وی94، 3ای تولید شدهاست. بین سالهای 1993 و 2001، وستینگهاوس (و از سال 1998، زیمنس)، در برنامه توسعه 3 مرحلهای وزارت انرژی آمریکا موسوم به برنامه سامانههای توربین پیشرفته (ایتیاس) با سرمایهگذاری مشترک طرفین مشارکت داشت. هدف برنامه ایتیاس، توسعه توربینهای گاز جدید با بهرهوری حرارتی بیش از 60 درصد، ناکس کمتر از 10 پیپیام، کاهش هزینه تولید برق تا 10 درصد و با قابلیت اعتماد، تداوم تولید و قابلیت نگهداری (آرایام) نسبت به سامانههای روزآمد تولید توان بود.
تلاشهای مربوط به توسعه فناوری، بر روی طراحیهای آیرودینامیک و خنککاری پیشرفته، سامانه احتراق، مواد و پوششها متمرکز بود. طرحهای مفهومی و همچنین جزئیات طراحی بر روی قطعات موتور ایتیاس انجام شد. علاوه بر جابهجایی استاتورها، خنککاری با جریان حلقه بسته قرار بود در برخی از استاتورهای توربین به منظور افزایش عملکرد موتور و کاهش انتشار ناکس گنجانده شود. نتایج این تلاشها نشان داد که دستیابی به اهداف مربوط به عملکرد برنامه ایتیاس و انتشار گازهای گلخانهای امکانپذیر است. بسیاری از فناوریهای پیشرفته توسعهیافته در این برنامه، در مدلهای اسجیتی6-6000جی و قدیمیتر گنجانده شدهاند تا عملکرد و آرایام آنها را افزایش داده و همچنین انتشار گازهای گلخانهای را کاهش دهند.
در اکتبر 2005، وزارت انرژی آمریکا، دو مرحله اولیه برنامه توسعه توربین پیشرفته هیدروژنی را به زیمنس محول کرد. یکی از اهداف این برنامه 3 مرحلهای و بلندمدت، توسعه یک توربین گاز پیشرفته با قابلیت استفاده از سوخت گاز سنتز، هیدروژن و گاز طبیعی بود که بطور کامل در نیروگاههای سیکل ترکیبی زغالسوز ادغام شوند.
یکی دیگر از اهداف این برنامه توسعه، بهبود بازدهی 3 تا 5 درصدی نسبت به وضعیت موجود، کمتر از 2 پیپیام ناکس در شرایط 15 درصد اکسیژن و کاهش هزینه نیروگاه برحسب دلار به ازای یک کیلووات تولیدی بود. مرحله اول دو ساله که در سپتامبر 2007 تکمیل شد، شناسایی فناوریهای موردنیاز، تهیه طرح اجرای تحقیق و توسعه، آغاز توسعه فناوریهای پیشرفته و ایجاد طرحهای مفهومی قطعات توربین گاز را در برمیگرفت.
فاز دوم که در حوالی 2008 در حال انجام بود، بر توسعه فناوریهای جدید، اعتبارسنجی و انتخاب درست و طراحی جزئیات پیشرفته توربین گاز تمرکز داشت. فاز سوم شامل ساخت توربین گاز و نیروگاه سیکل ترکیبی زغالسوز یکپارچه و آزمایشهای اعتبارسنجی است تا نشانگر تحقق اهداف در حوزه بهرهوری، آلایندگی و هزینه باشد و در نهایت، قابلیت تجاری سیستم را اثبات میکند.
در فاز اول، پیشرفت قابلتوجهی در توسعه فناوریهای پیشرفته در طراحی اجزای آیرودینامیک، مفاهیم خنککاری، مواد و پوششها حاصل شد. عملکرد حرارتی و هزینه نیروگاه حرارتی ارزیابی شد، علاوه بر آن، تحقیق در خصوص ادغام نیروگاههای سیکل ترکیبی زغالسوز یکپارچه صورت گرفت و طرحهای مفهومی اجزای توربین گاز جدید نیز تهیه شد.
توربین گاز اسجیتی5-8000اچ زیمنس
پس از خرید وستینگهاوس توسط شرکت زیمنس در اوت 1998، تصمیم به توسعه یک توربین گازی جدید گرفته شد تا امکان استفاده از تجربه و فناوری توسعهیافته قبلی توسط زیمنس و وستینگهاوس فراهم شود. توربین گاز جدید که با نام اسجیتی5-8000اچ معرفی شد، نتیجه سالها تحقیق و توسعه این شرکت برای تکامل یک ماشین کارآمد و انعطافپذیر با هزینههای عملیاتی کم بود. تلاش در زمینه طراحی این ماشین، استفاده از آموختههای قبلی، ویژگیهای طراحی اثباتشده و استفاده از جدیدترین ابزارهای طراحی برای ارائه محصولی رقابتی با تمرکز بر کاهش هزینههای عملیاتی، عملکرد بالا، قابلیت تعمیر و نگهداری، انعطافپذیری، قابلیت اطمینان و آلایندگی را دربرمیگرفت.
این توربین گاز جدید 340 مگاوات توان تولید میکند و برای کار در نیروگاههای سیکل ترکیبی با بهرهوری بیش از 60 درصد، توان خروجی خالص 530 مگاوات و کاهش آلایندگی بهینه شدهاست. نیاز مشتری و مزایای آن، از محرکهای اصلی توسعه ماشین جدید اسجیتی5-8000اچ بشمار میرود. ویژگی خنککاری با هوا در ماشین اسجیتی5-8000اچ، ارزش افزودهای را از طریق بالا بردن انعطافپذیری عملیاتی در محیط بازار بدون مرز ارائه میدهد.
فلسفه طراحی
ویژگیهای اصلی توربین گاز اسجیتی5-8000اچ:
- کمپرسور محوری 13 طبقهای، جریان جرمی بالا، بهرهوری بالای قطعات، طراحی پره با مفهوم پخش کنترلشده در طبقات اولیه، طراحی پره با عملکرد بالا در طبقات آخر، پرههای هدایتکننده متغیر و پرههای استاتور یک سر گیردار
- سامانه احتراق با دمای بالا، خنککاری با هوا
- روتور تک پیچ با دیسکهای کمپرسور و توربین، بهینهسازی روش هیدرولیکی برای کنترل لقی توربین
ویژگیهایی برای بهرهوری بالا:
- سیستم آببندی پیشرفته برای طراحی خنککاری با هوا با نشتی کم توربین گاز
- مواد پیشرفته برای افزایش دمای احتراق و گازهای خروجی
- کمپرسور جدید با طراحی پیشرفته پره
- فرآیند سیکل ترکیبی بسیار کارآمد، با فشار و دمای بالا با استفاده از بویلر بنسون، بر اساس جریان جرمی و دمای گاز خروجی بالا
ویژگیهایی برای هزینه کم عملیاتی:
- بهرهوری بیش از 60 درصدی در حالت سیکل ترکیبی
- پیچیدگی کمتر در موتور و قطعات که منجر به کاهش هزینههای تعمیر و نگهداری و عملیاتی میشود.
- مفهوم عملیاتی ساده
آزمایش نمونه اولیه
مطابق یک قرارداد با بزرگترین شرکت سرمایهگذاری آلمانی در زمینه تولید و توزیع برق در جهان موسوم به ئی.اوآن، نمونه اولیه توربین گاز جدید اسجیتی5-8000اچ بطور گسترده در سیکل ساده در سایت مشتری در ایرشینگ4 که مالکیت آن بر عهده زیمنس است، آزمایش شد. این موضوع ایجاد خطوط تولید را با توجه به تاریخچه آزمایشهای موفق تضمین میکرد. این رویکرد کیفیت و قابلیتاطمینان محصولات را قبل از معرفی به بازار به حداکثر میرساند.
پس از نتیجه موفقیتآمیز آزمایش، نیروگاه موردنظر از سیکل ساده به یک نیروگاه سیکل ترکیبی با اجزای چرخه آب بهینهشده تبدیل شد. پیشرفتهای حاصل از آزمایش نمونه اولیه، برای پیادهسازی در یک نیروگاه سیکل ترکیبی بسیار کارآمد در کلاس جهانی در نظر گرفته شد. این توربین گاز در ابتدا، بازارهای 50 هرتزی در آسیا و اروپا را هدف قرار داد. پس از آزمایشهای لازم برای ماشین 50 هرتزی، یک نسخه 60 هرتزی نیز ساخته شد. در ابتدا، این موتور با سوخت گاز طبیعی و نفت کوره توسعه یافت، اما در نهایت، امکان استفاده از سوخت کم انرژی موردنیاز در نیروگاههای سیکل ترکیبی زغالسوز یکپارچه نیز فراهم شد.
در یک دوره نسبتا کوتاه 60 ساله، توربینهای گازی هوایی سبک و کوچک زیمنس که در زمان جنگ جهانی دوم با توان خروجی تقریبا یک مگاوات تولید شده بودند، به توربینهای گازی با توان خروجی 340 مگاوات (و 530 مگاوات در سیکل ترکیبی) ارتقا پیدا کردند. بهرهوری آنها در سیکل ساده از 18 درصد به 39 درصد افزایش یافته و در سیکل ترکیبی تا 60 درصد قابلدستیابی است. نقطه شروع برای هر دو توربین زیمنس و وستینگهاوس یک موتور جت بسیار شبیه به هم بود و آخرین محصول ارائهشده اسجیتی5-8000اچ، ترکیبی از بهترین و جدیدترین فناوریهای وستینگهاوس و زیمنس بشمار میرود.
منبع:
Hans-Juergen Kiesow, The history of the Siemens Gas Turbine, Proceedings of ASME Turbo Expo 2008-
*تاریخچه توربین گاز زیمنس (بخش اول)
*تاریخچه توربین گاز زیمنس (بخش دوم)
