نگرش كلي بر توربين‌هاي گاز

– نگرش كلي بر توربين‌هاي گاز
دنياي توربين گاز اگر چه دنياي جواني است ليكن با وسعت كاربردي كه از خود نشان داده، خود را در عرصه‌ي تكنيك مطرح كرده است . زمينه‌هاي كاربرد توربين‌هاي گاز در نيروگاه‌ها و به‌خصوص در مواردي كه فوريت در نصب و بارگيري مدنظر است مي‌باشد. همچنين‌ به عنوان پشتيبان واحد بخار و نيز مواقعي كه شبكه سراسري برق از دست مي‌رود يعني در خاموشي مورد استفاده قرار مي‌گيرد.

مضافاً اين‌كه توربوكمپرسورها كه از انرژي حاصله روي محور توربين براي تراكم و بالا بردن فشار گاز استفاده مي‌شود، در سكوهاي دريايي ، هواپيماها و ترن‌ها استفاده مي‌شود .
مختصري از سرگذشت توربين‌هاي گاز از سال ۱۷۹۱ ميلادي تا به امروز به‌شرح زير مي‌باشد .
اولين نمونه توربين گاز در سال ۱۷۹۱ توسط Jonh Barber ساخته شد . نمونه بعدي در سال ۱۸۷۲ توسط Stolze ساخته شد كه شامل يك كمپرسور جريان محوري چند مرحله‌اي به هم‌راه يك توربين عكس‌العملي چند مرحله‌اي بود كه يك اتاق احتراق نيز در آن قرار داشت . اولين نمونه آمريكايي آن در ۲۴ ژوئن ۱۸۹۵ توسط Charles G.Guritis ساخته شد. اما اولين بهره‌برداري و تست واقعي از توربين گاز در سال ۱۹۰۰ م بوسيله Stolz صورت گرفت كه راندمان آن بسيار پايين بود .

در همين سال ها در پاريس يك توربين گاز بوسيله برادرانArmangand ساخته شد كه داراي نسبت فشار تقريبي ۴ و چرخ كوريتس به ابعاد ۵/۹۳ سانتي‌متر قطر با سرعت rpm 4250 بود كه دماي ورودي به توربين حدود ۵۶۰اندازه‌گيري شد و راندمان آن در حدود ۳% بود. H.Holzwarth اولين توربين گاز با بهره اقتصادي بالا را طراحي كرد، كه در آن از سيكل احتراق بدون پيش‌تراكم استفاده مي‌‌شد و قسمت اصلي يك ماشين دوار با تراكم متناوب بود.

هم‌چنين Stanford سال ۱۹۱۹ يك توربين گاز كه داراي سوپر شارژر بود، ساخت كه در هواپيما نيز از آن استفاده شد. اولين توربين گازي كه براي توليد قدرت مورد استفاده قرار گرفت به‌وسيله Brown Boveri ساخته شد. وي از يك توربين گاز براي راندن هواپيما استفاده كرد. هم‌چنين در سال ۱۹۳۹ م، وي يك توربين گاز با خروجي MW 4 ساخت كه بر اساس سيكل ساده طراحي شده بود و كاركرد پاييني داشت. اين توربين تنها به مدت ۱۲۰۰ ساعت مورد بهره‌برداري قرارگرفت و عيوب مكانيكي فراوان داشت . از جمله اصلاحات وي برروي توربين ، بالا بردن راندمان آن به ميزان ۱۸% بود.

در انگلستان گروهي به سرپرستي Whittle در سال‌‌ ۱۹۳۶ ‌م يك كمپرسور سانتريفوژ‌تك مرحله‌اي با ورودي دوطرفه و يك توربين تك‌ مرحله‌اي كوپل شده به ‌آن را به هم‌‌راه يك اتاق طراحي كردند. اما با تست اين موتور نتايج چندان راضي‌كننده‌اي به‌دست نيامد. در سال ۱۹۳۵‌م در آلمان شخصي به‌نام Hans Von يك توربوجت با كمپرسور سانتريفوژ ساخت كه از مزاياي خوبي نسبت به نمونه‌هاي قبلي برخوردار بود. در آمريكا كمپانيAlis Chalmers اصلاحات فراواني برروي راندمان توربين‌هاي گاز و كمپرسورها انجام داد و راندمان كمپرسور را به ۷۰% – ۶۵% و راندمان توربين را به ۶۵% -۶۰% رسانيد.

در سال ۱۹۴۱‌م كمپاني British Wellond يك توربوجت ساخت كه در هواپيما مورد استفاده قرار گرفت . اين توربوجت با آب خنك‌كاري مي‌شد. در سال ۱۹۴۲‌م كمپاني German Jumo يك توربوجت ساخت كه در جنگ جهاني دوم نيز از آن استفاده شد. در اين سال‌ها استفاده از موتور توربوجت براي هواپيماها رشد فزاينده‌اي به خود گرفت و هواپيماهاي جنگي بسياري در آمريكا، آلمان و

انگليس ساخته شد. در سال ۱۹۴۱‌م در سوئيس از يك توربين گاز براي راه‌اندازي لوكوموتيو استفاده شد كه داراي قدرت ۱۷۰۰ اسب بخار و راندمان ۴/۱۸% به هم‌راه بازياب حرارتي بود.
در سال ۱۹۵۰‌م كمپاني Rovet Car از توربين گاز در اتومبيل‌ها استفاده كرد كه شامل كمپرسور سانتريفوژ، توربين تك‌مرحله‌اي جهت گرداندن كمپرسور و توربين قدرت جداگانه بود كه از مبدل حرارتي نيز در آن استفاده شد. در سال ۱۹۶۲‌م كمپاني General Motors يك توربين گاز به هم‌اه بازياب ساخت كه مصرف سوخت آن نسبت به نمونه مشابه ۳۶% كاهش داشت .

در سال ۱۹۷۹‌م با توافق بين سازندگان بزرگ توربين گاز، استانداردي جهت كاهش ميزان NOx وCO دود خروجي ازتوربين گاز نوشته شد . در خلال سال‌هاي بعد تغييرات فراواني در نوع سوخت، متريال روش‌هاي خنك‌كاري و كاهش نويز و سر و صدا به‌وسيله شركت NASA صورت گرفت.
در ۱۵ سال گذشته توربين گاز، خدمات فزآينده‌اي را در صنعت و كاربردهاي پتروشيمي در سراسر جهان ارائه داده است. انسجام ، وزن كم و امكان كاربرد سوخت چندگانه موجب استفاده از توربين گاز در سكوهاي دريايي نيز شده‌است .

امروزه توربين‌هاي گازي وجود دارند كه با گاز طبيعي ، سوخت ديزل ، نفت ،متان ، گازهاي حرارتي ارزش پايين ، نفت گاز تقطير‌شده و حتي فضولات كار مي‌كنند و روز به روز تلاش‌ها در جهت تكميل و اصلاح عملكرد آن ادامه دارد.

۱-۲- مقايسه نيروگاه گازي با نيروگاه‌هاي ديگر
شكل (۱-۲) مقايسه ميزان حرارت در چهار نمونه سيكل داده شده را نشان مي‌دهد.

 

باتوجه به شكل (۱-۲) بديهي است كه هرچه درجه حرارت توربين افزايش مي‌يابد ميزان حرارت بيش‌تر جلب توجه مي‌كند.
بعضي از عوامل قابل ملاحظه در تصميم‌گيري براي انتخاب نوع نيروگاه كه متناسب با نيازهاي موجود باشند، عبارتند از:
۱- هزينه سرمايه‌گذاري

۲- زمان لازم از برنامه‌ريزي و طراحل تا اتمام كار هزينه‌هاي تعميراتي و هزينه‌هاي سوخت.
توربين گاز كم‌ترين هزينه تعميراتي و سرمايه‌گذاري را دارد. هم‌چنين سريع‌تر از هر نوع نيروگاه ديگري اتمام مي‌يابد و به مرحله بهره‌برداري مي‌رسد.

از معايب آن مي‌توان به اتلاف حرارتي زياد اشاره كرد
طراحي هر توربين گاز بايد در برگيرنده معيارهاي اساسي براساس ملاحظات بهره‌برداري باشد. بعضي از معيارهاي عمده عبارتند از :
۱- راندمان بالا
۲- قابليت اطمينان بالا و در نتيجه قابليت دسترسي بالا
۳- سهولت سرويس

۴- سهولت نصب و تست
۵- تطابق با استانداردهاي مربوط به شرايط محيط
۶- تركيب سيستم‌هاي كمكي و كنترل كه در نتيجه درجه قابليت اطمينان بالايي را به‌دست مي‌دهند.
۷- قابليت انعطاف در تطابق با سرويس‌ها و نيز سوخت‌هاي مختلف
نگاهي به هريك از اين ملاك‌ها مصرف‌كننده را قادر خواهد ساخت كه درك بهتري از هر يك از لوازم پيدا بنمايد.

۱-۳ – فرآيند توربين‌هاي گاز
توربين گاز قدرت را از طريق به‌كار بردن انرژي گازهاي سوخته و هوا كه دما و فشار زيادي دارند، با منبسط‌كردن آن در چندين طبقه از پره‌هاي ثابت و متحرك، توليد مي‌كند. براي توليد فشار زياد ( از ۴ تا ۱۳ اتمسفر) در سيال عامل كار، كه براي تراكم لازم مي‌باشد، از كمپرسور استفاده مي‌شود. براي توليد قدرت زياد، به‌جريان زيادي از سيال و سرعت زياد آن نياز مي‌شود كه براي اين كار از كمپرسور گريز از مركز يا كمپرسور جريان محوري استفاده مي‌شود. كمپرسور توسط توربين به حركت در مي‌آيد و روي همين اصل محور آن‌ها به‌هم متصل مي‌گردد. اگر پس از عمل تراكم روي سيال عامل كار، سيال فوق در توربين منبسط گردد، با فرض نبودن تلفات در كمپرسور و توربين همان مقدار كار كه صرف تراكم شده است، توسط توربين به‌دست مي‌آيد و در نتيجه كار خالص صفر خواهد بود. ولي كار توليدي توربين را مي‌توان با اضافه‌كردن حجم سيال عامل كار در فشار ثابت، يا افزايش فشار آن در حجم ثابت، افزايش داد. هر يك از از دو روش فوق را مي‌توان با بالا بردن دماي سيال عامل كار، پس از متراكم ساختن آن به‌كار برد. براي بالا بردن دماي سيال عامل كار، يك اتاق احتراق لازم است كه در آن هوا و سوخت محترق گردند تا موجب افزايش دماي سيال عمل كار بشود.

به اين‌ترتيب، يك سيكل ساده توربين گاز شامل كمپرسور، اتاق احتراق و توربين مي‌باشد. نظر به اين‌كه محور كمپرسور به توربين متصل شده است، كمپرسور مقداري از كار توليد شده توسط توربين را جذب مي‌كند، و بازده را پايين مي‌آورد. بنابراين كار خالص، اختلاف بين كارتوربين و كار لازم براي گرداندن كمپرسور خواهد بود.
سوخت عمومي توربين گاز، گاز طبيعي، گازوئيل، نفت و مازوت مي‌‌باشد. توربين گاز براساس فرآيند احتراق به انواع زير طبقه‌بندي مي‌شود:

۱ – احتراق پيوسته يا نوع فشار ثابت، اين نوع سيكل را سيكل ژول يا سيكل برايتون نامند.
۲- انفجاري يا نوع حجم ثابت، اين نوع سيكل را سيكل آتكينسون مي‌نامند.
توربين‌هاي گاز را از روي مسير سيال عامل كار نيز طبقه‌بندي مي‌كنند كه عبارتند از:
۱- توربين‌هاي گاز با سيكل باز (سيال عامل كار از هواي بي

۲- توربين گاز با سيكل نيمه بسته ( مقداري از سيال عامل كار در داخل دستگاه گردش مي‌كند و مقدار ديگر به داخل هواي محيط تخليه مي‌گردد).
۱-۳- سيكل استاندارد هوايي (برايتون)
اين سيكل كه سيكل ژول نيز ناميد مي‌شود براي مولد قدرت توربين گاز ساده، مطلوب مي‌باشد. شكل‌هاي (۱-۳) و (۱-۴) طرح ساده توربين به همراه اجزاء آن و شكل (۱-۵) تجهيزات گوناگون يك توربين گاز از نوع GELM350 را نشان مي‌دهد.

هواي محيط در داخل كمپرسور از فشار ۱ P تا ۲ P متراكم مي‌گردد و بعد به اتاق احتراق فرستاده مي‌شود كه در آنجا سوخت پاشيده شده محترق مي‌گردد. فرآيند احتراق در فشار ثابت صورت مي‌گيرد. در اثر احتراق، دماي سيال عامل كار زياد مي‌شود و از ۲T و۳ T مي‌رسد. محصولات احتراق از اتاق احتراق خارج مي‌شود و در داخل توربين از ۳ P تا فشار جو منبسط مي‌گردد و به داخل هواي محيط تخليه مي‌شود. توربين و كمپرسور به طور مكانيكي به‌ هم متصل شده‌اند،

بنابراين، كار خالص برابر است با اختلاف بين كار انجام شده توسط توربين و كار مصرف شده به‌وسيله كمپرسور . براي آغاز كار كمپرسور ، يك راه‌انداز لازم خواهد بود. وقتي توربين شروع به كار كرد، راه انداز قطع مي‌شود.
فرآيند ۲-۱ تراكم ايزنتروپيك در كمپرسور مي‌باشد.
فرآيند ۳-۲ افزودن حرارت در فشار ثابت در اتاق احتراق است.
فرآيند۴-۳ انبساط ايزنتروپيك در توربين مي‌باشد.
فرآيند ۱-۴ پس دادن حرارت در فشار ثابت مي‌باشد.
با توجه به شكل‌هاي (۱-۶) و (۱-۷)، حرارت افزوده شده به سيكل برابر است۱ با ]۱[
۱)
كه در صورتي صحيح است كه مقدار Cp در فرآيند ۳-۲ ثابت باشد.
حرارت پس داده شده برابر است با :
۲)
كه در صورتي صحيح است كه مقدار Cp در فرآيند ۱-۴ ثابت باشد.
كار خالص سيكل برابر است با:
۳)
اين مقدار كار را مي‌توان از راه محاسبه كار توربين و كمپرسور نيز به‌دست آورد:
۴)
۵)
۶)
بنابراين كار خالص برابر است با

۷)

۸)
راندمان حرارتي سيكل برابر است با نسبت كار خالص سيكل به حرارت افزوده شده به سيكل :

۹)

۱۰)

۱۱)
مي‌دانيم كه در فرآيند ايزنتروپيك بيان فشار، دما و حجم گاز رابطه (۱-۱۲) برقرار مي‌باشد:

۱۲)

۱۳)
نظر به اين‌كه و مي توان نوشت:
۱۴)

۱۵)
با قرار دادن از معادله (۱-۱۵) در معادله (۱-۱۱) مي توان نوشت:
۱۶)
نسبت فشار با نمايش داده مي شود:
۱۷)

۱۸)
بنابراين ، راندمان حرارتي برابر است با :
۱۹)
بايد توجه داشت كه در محاسبه كار توربين و كمپرسور از تغييرات انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل صرف‌نظر شده است. ضمناً فرض شده كه گرماي ويژه در فشار ثابت (Cp ) در طول سيكل ثابت بماند. هم‌چنين از جرم سوخت به علت كم بودن آن نسبت به جرم هوا صرف‌نظر شده است. در شكل (۱-۸) منحني تغييرات راندمان حرارتي بر حسب تغييرات نسبت فشار نشان داده شده است. از روي اين منحني مشاهده مي‌شود كه راندمان حرارتي به طور پيوسته با افزايش مقدار نسبت فشار زياد مي‌شود.

۱-۴-نسبت فشار براي حداكثر كار خالص ويژه سيكل نظري
هنگامي كه دو حد دما در سيكل ايده‌آل برايتون مشخص باشد، براي تغيير قدرت خروجي‌، تنها عامل متغير نسبت فشار مي‌باشد. حداقل مقدار نسبت فشار‌، واحد مي‌باشد كه به ازاء آن قدرت خروجي صفر مي‌شود. در اين صورت:
۲۰)
اگر دماي خروجي كمپرسور به ۳ T يعني حداكثر دماي قابل قبول توربين برسد، حرارت افزوده شده در اتاق احتراق صفر خواهد بود. در نتيجه مقدار كار كمپرسور و توربين با هم برابر مي‌شود وكار خالص خروجي صفر خواهد شد. اين نسبت فشار ماكزيمم برابر است با:
۲۱)
بنابراين هيچكدام از دو نسبت فشار ماكزيمم و مينيمم عملي نيست و يك نسبت فشار مياني وجود دارد كه به ازاي آن قدرت خروجي يا راندمان حداكثر شود. ماكزيمم كار خالص هنگامي اتفاق مي‌افتد كه :
۲۲)
نسبت فشار مياني به ازاي ماكزيمم كار خالص برابر است با:

۲۳)
در به ازاي مقادير مختلف نسبت گرماي ۴/۱ ، ۳۵/۱ و ۳/۱ منحني فشار اپتيموم بر حسب نسبت رسم شده است.
تغييرات كار خالص با نسبت فشار را براي يك توربين با مشخصات زير نشان مي‌دهد.
cْ۱۵ = دماي ورودي به كمپرسور
cْ۱۱۲۷ = دماي ورودي به توربين
شكل (۱-۱۰) دياگرام تغييرات كار خالص نسبت فشار با ثابت آدياباتيك۴/۱=
اين نمودار نشان مي‌دهد كه كار خالص با افزايش نسبت فشار افزايش مي‌يابد ولي بعد از اين‌كه به نسبت فشار اپتيموم رسيد مقدار آن تقريباً ثابت مي‌ماند.

۱-۴- سيكل عملي برايتون
سيكل عملي ( واقعي ) توربين گاز از نقطه‌نظرهاي زير با سيكل ايده‌آل تفاوت دارد:
۱- به علت وجود تلفات اصطكاكي در كمپرسور توربين، فرآيند تراكم و انبساط بدون اصطكاك نيست و با مقداري افزايش در انتروپي هم‌راه مي‌باشد. ( اين فرآيندها آدياباتيك برگشت ناپذير مي‌باشند.) در حالت ايده‌آل، بازده كمپرسور و توربين ۱۰۰ درصد مي‌باشد ولي در عمل از ۱۰۰ درصد كمتر است.
۲- در اتاق احتراق افت فشار مختصري وجود دارد. اين افت فشار بسيار كم است و معمولاً از آن صرفنظر مي‌شود.
۳- جرم گازي كه از داخل توربين عبور ميكند، ((۱ + fبرابر جرم هوايي است كه از داخل كمپرسور عبور مي‌كند، كه f نشان‌دهنده‌ي نسبت جرم سوخت به جرم هوا مي‌باشد .
۴- گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق، كمي بيش‌تر از گرماي ويژه هوا مي‌باشد. البته اين فزوني به قدري كم است كه گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق را مي‌توان براي ساده شدن مسأله هر جا كه لازم باشد، با گرماي ويژه هوا مساوي فرض كردديا گرام T- S

فرآيند َ۲-۱ عبارتست از تراكم ايزنتروپيك
فرآيند ۲-۱ عبارتست از تراكم واقعي
فرآيند َ ۴ -۳ عبارتست از انبساط ايزنتروپيك
فرآيند ۴-۳ عبارتست از انبساط واقعي
بازده كمپرسور برابر است با:

۲۴)

۲۵)

۲۶)
بازده توربين عبارتست از :

۲۷)
كار توربين واقعي برابر است با:

۲۸)
اگر گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق( (Cpgو هوا با هم برابر فرض شوند، خواهيم داشت
۲۹) كار واقعي توربين
۳۰)
بنابراين راندمان توربين برابر است با:
۳۱)

۳۲)

راندمان حرارتي سيكل به صورت زير محاسبه مي‌شود.
(۱-۳۳)كار مصرفي كمپرسور-كار واقعي توربين=W neta = كار خالص واقعي
۳۴)
كه در آن f نسبت سوخت به هوا است. ضمناً اين مقدار كار به ازاء kg 1 هواي مصرف شده در كمپرسور به‌دست مي‌آيد.
حرارت افزوده شده به سيكل عملي برابر است با:
۳۵)
بنابراين راندمان حرارتي سيكل برابر است با:
۳۶)

۳۷)

كه در آن C pg گرماي ويژه گازهاي حاصل از احتراق و C pa گرماي ويژه هوا مي‌باشد. اگر از جرم سوخت در مقايسه با جرم هواي مصرف شده صرفنظر شود، خواهيم داشت:
۳۸)
و اگر گرماي ويژه گاز حاصل از احتراق و هوا با هم برابر باشد، مي‌تواند نوشت:
۳۹)

۴۰)
اگر به‌جاي ۱T -2 T و ۲T -3 T مقدار آنها را از معادله (۱-۲۶) و (۱-۳۲) را در معادله (۱-۴۰) قرار دهيم خواهيم داشت:
۴۱)
و با توجه به تصحيح معادله‌ي (۱-۱۴) خواهيم داشت:

۱-۴۲)
و با توجه به معادله‌ي (۱-۲۶) داريم:

۱-۴۳)
و با فرض اين‌كه:
۱-۴۴)
و نتيجتاً خواهيم داشت:
۱-۴۵)
۱-۶-نسبت فشار براي حداكثر كار خروجي در سيكل عملي توربين گاز
با توجه به مي‌توان نوشت:

۱-۴۶)
كار واقعي كمپرسور برابر است با:

۱-۴۷)
كار واقعي توربين برابر است با:

۱-۴۸)
بنابراين كار خالص خروجي برابر است با:

۱-۴۹)

۱-۵۰)
بنابراين نسبت فشار براي حداكثر كار خروجي برابر است با:

۱-۵۱)
۱-۱۰- نسبت فشار براي حداكثر راندمان حرارتي سيكل عملي
حرارت افزوده شده به سيكل برابر است با:
۱-۵۲)
با توجه به معادله‌ي (۱-۴۱) راندمان حرارتي واقعي سيكل برابر است با:

۱-۵۳)
بنابراين نسبت فشار اپتيموم براي حداكثر راندمان حرارتي برابر است با:

۱-۵۴)

دياگرام تغييرات r p ) opt ) براي ماكزيمم شدن راندمان حرارتي سيكل عملي برايتون بر حست حداكثر دماي سيكل به ازاي مقادير مختلف راندمان كمپرسور و توربين را با فرضيات زير نشان مي‌دهد:

شكل (۱-۱۲): تغييرات براي ماكزيمم شدن راندمان حرارتي سيكل عملي برايتون برحسب دماي حداكثر سيكل به ازاي مقادير مختلف راندمان كمپرسور و توربين

با توجه به، با بالا رفتن حداكثر دماي سيكل و بالا رفتن راندمان كمپرسور و توربين، rp ) opt ) هم افزايش مي‌يابد. با زياد شدن اين نسبت فشار‌‌‌، حداكثر راندمان حرارتي سيكل نيز طبق معادله راندمان سيكل عملي افزايش مي‌يابد.
نيز تغييرات راندمان حرارتي سيكل ساده توربين گاز برحسب تغييرات نسب فشار براي دماهاي مختلف ورودي به توربين را با فرضيات زير
نشان مي‌دهد:

تغييرات رانمان حرارتي سيكل ساده توربين گاز برحسب تغييرات نسبت فشار براي دماهاي مختلف ورودي توربين
نشان مي‌دهد كه يك نسبت فشار اپتيموم وجود دارد كه راندمان حرارتي در آن حداكثر مي شود.
تغييرات راندمان حرارتي سيكل بر حسب نسبت فشار براي مقادير مختلف راندمان توربين و كمپرسور با فرضيات زير را نشان داده است.

تغييرات (۱-۱۴): تغييرات راندمان حرارتي سيكل برحسب نسبت فشار براي مقادير مختلف راندمان كمپرسور و توربين
نشان مي‌دهد كه داندمان حرارتي در برابر تغييرات راندمان كمپرسور و توربين بسيار حساس است. منحني خط‌چين راندمان حرارتي سيكل ساده ايده‌آل را نشان مي‌دهد. وقتي راندمان توربين و كمپرسور زياد شود راندمان حرارتي سيكل نيز زياد مي‌شود. به ازاء هر راندمان توربين و كمپرسور ، يك نسبت فشار اپتيموم وجود دارد كه به ازاء آن راندمان حرارتي سيكل حداكثر مي‌شود. تغييرات راندمان حرارتي بر حسب نسبت فشار براي دماهاي مختلف ورودي كمپرسور با فرضيات زير را نشان مي‌دهد.
دماي۱T بر حسب درجه كلوين روي هر منحني نوشته شده است.

نشان مي‌دهد كه با كاهش دماي هواي ورودي به كمپرسور، راندمان سيكل افزايش مي‌يابد. هرچه انحناء منحني‌ها كمتر شود، حد وسيع‌تر براي به‌ترين نسبت فشار وجود خواهد داشت.
فصل دوم
با توجه به احتياج روزافزون برق، لازم مي آيد كه به بررسي راهنماي افزايش قدرت خروجي توربينهاي گاز بپردازيم.
مهمترين اين روشها عبارتند از :
از بين روشهاي ذكر شده براي افزايش قدرت خروجي توربينهاي گازي ما به راهنماي ازدياد اين پارامتر به وسيله خنك ‌كردن هواي ورودي به كمپرسور خواهيم پرداخت:
۱- سيستم ذخيره سازي سرما Thermal Energy Storage ))
2- سيستم‌هاي خنك‌كننده تبخيري( E vaporative Cooling )
3- سيستم‌هاي خنك‌كننده برودتي Refrigerated Coling))

۱-سيستم‌هاي ذخيره‌سازي سرما
يكي از روش‌هاي خنك كردن هواي ورودي توربين گاز، استفاده از يخ جهت ذخيره‌سازي سرما مي‌باشد. اين سيستم‌ها به صورت پريوديك استفاده مي‌شوند. بدين شكل كه سرما ( يخ ) در ساعات غير پيك ساخته مي‌شود و در ساعات گرم روز كه عموماً مقارن با پيك مصرف برق مي‌باشد، براي خنك‌كردن هواي ورودي و در نتيجه افزايش ظرفيت توربين، از اين سرماي ذخيره شده استفاده مي‌شود.

در اين روش، از تانك‌هاي يخ ( ice tank) كه درجه حرارت آب خنك شده خروجي آن‌را مي‌توان در حدود ۴۵ تا ۵۰ درجه فارن‌هايت نگه داشت، استفاده مي‌شود. آب خنك شده، در حين عبور از كويل‌ها ، هواي ورودي توربين را سرد و خود حدود ۱۰ درجه فارن‌هايت گرم مي‌شود. البته مقدار دقيق اين درجه حرارت، به وضعيت و تعداد كويل‌هايي بستگي دارد كه در مسير هوا قرار گرفته‌اند.
هزينه اوليه ذخيره سرما زياد است اما مزاياي عمده ديگر آن باعث شده است كه استفاده از آن علاوه بر خنك كردن هواي ورودي توربين‌هاي گازي ، در سيستم‌هاي تهويه منازل نيز رواج يابد.

در روش ذخيره سرما، از چيلرهاي كمپرسوري استفاده مي‌شود كه قادرند سرماي زير صفر ايجاد كنند و يخ توليد نمايند. به علت مصرف برق زياد، اين چيلرها در ساعات غير پيك شبكه برق به‌كار گرفته شده ، يخ توليد مي‌نمايند و در ساعات پيك شبكه، سرماي توليدي اين يخ‌ها براي خنك‌كردن هواي ورودي توربين گازها استفاده مي‌شود.
مزايا :
– استفاده از كل ظرفيت توربين در تمامي ساعات
– امكان استفاده‌ي مجدد از آب استفاده شده براي توليد يخ
– از بين بردن قلّه پيك و داشتن ظرفيت كافي در هنگام پيك
– خلوص آب مصرفي براي توليد يخ مهم نمي‌باشد و از آب با سختي زياد نيز مي‌توان استفاده كرد، زيرا آب به علت داشتن سختي زياد و عناصر محلول در درجه‌ي حرارت پايين‌تري يخ مي‌زند كه اين امر باعث افزايش قابليت سرد سازي مي‌شود.

معايب :
– حجم تانك ذخيره‌ي يخ بسيار بزرگ مي‌باشد.
– هزينه‌ي اوليه‌ي زياد سيستم
– هزينه‌هاي راه‌بري و نگه‌داري مناسب سيستم
– سيستم براي استفاده از يخ در خنك‌سازي هواي ورودي به كمپرسور بسيار حجيم است.
۲- سيستم‌هاي خنك‌كننده تبخيري :
در كليه روش‌هاي تبخيري، از تبخير آب كه يك فرآيند طبيعي است براي خنك‌كردن استفاده مي‌شود. هنگامي كه آب مي‌خواهد تغيير فاز دهد ( تبخير شود )، از محيط اطرافش گرما مي‌گيرد. به عنوان مثال هنگامي كه يك پوند آب مي‌خواهد تبخير شود، حدود ۱۱۶۰ BTU گرما لازم دارد.
در سيستم‌هاي تبخيري ، آب مورد نياز جهت خنك‌كردن هوا، به طرق مختلفي در معرض تماس با هوا قرار گرفته ، انرژي مورد نياز جهت تبخير را از هواي ورودي توربين مي‌گيرد و آن را خنك مي‌سازد.
قبل از تشريح بيش‌تر سيستم تبخيري ، لازم است تا اصطلاحاتي را در اين زمينه توضيح دهيم:
۱- دماي خشك Dry Bulb : درجه حرارتي است كه توسط دماسنج و به روش معمول اندازه‌گيري مي‌شود.
۲- دماي تر Wet Bulb : درجه حرارتي است كه با توجه به ميزان رطوبت نسبي هوا و در نتيجه قدرت تبخيركنندگي آن اندازه‌گيري مي‌شود.

۳- رطوبت نسبي Relative Humidity : نسبت وزن آب موجود در هوا به وزن آبي كه هوا را در درجه حرارت ثابت، از نظر رطوبت اشباع كند را درصد رطوبت نسبي مي‌گويند.
۴- راندمان اشباع Sat . eff : راندمان سيستم خنك‌كننده در نزديك كردن درجه حرارت خشك به درجه حرارت تر محيط را راندمان اشباع مي‌گويند. به عنوان مثال اگر بتوان توسط يك سيستم خنك‌كننده ، درجه حرارت خشك محيط را به درجه حرارت تر تقليل داد، راندمان اشباع ۱۰۰% است.
سيستم‌هاي تبخيري جهت خنك كردن هواي ورودي توربين‌ها خود به سه دسته تقسيم مي‌شوند كه به تفصيل مورد بررسي قرار خواهند گرفت،

۲-۱- سيستم Air Washer
در اين روش حجم زيادي آب توسط پمپ‌هاي با دبي بالا، از طريق يك سري نازل‌هايي كه در يك شبكه منظم درون اتاق Air Washerقرار گرفته‌اند، به روي هواي ورودي پاشيده مي‌شوند و در نتيجه به‌واسطه خاصيت تبخير آب (كه يك فرآيند گرماگير است )هواي ورودي را خنك مي‌كنند. شماتيك ساده يك Air Washer كه جهت خنك كردن هواي ورودي يك توربين گاز استفاده شده است، در شكل (۲) نمايش داده شده است .

اين روش آب با كيفيت بسيار بالا نياز ندارد، بلكه تنها بايد ذرات ريز را از آب در گردش سيستم حذف كرد تا احتمال گرفتن نازل‌ها از بين برود.
عملكرد اين سيستم به رطوبت هواي محيط وابسته است به‌طوري‌كه هر چه محيط خشك‌تر باشد، قابليت خنك‌كنندگي آن كه بستگي به تفاوت درجه حرارت
WB و DBدارد، بيش‌تر مي‌گردد. در هر حال معمولاً رطوبت نسبي تا حدود ۹۵% مي‌تواند افزايش يابد و نه بيش‌تر .