توربین بخار

توربین بخار یک موتور حرارتی دوار است که انرژی حرارتی و فشار بخار را به انرژی مکانیکی (دوران) تبدیل می‌کند. این انرژی مکانیکی عمدتاً برای به حرکت درآوردن ژنراتورهای الکتریکی (تولید برق) در نیروگاه‌ها استفاده می‌شود. توربین‌های بخار یکی از حیاتی‌ترین اجزا در تولید برق در سراسر جهان هستند، زیرا در نیروگاه‌های حرارتی (فسیلی، هسته‌ای، زمین‌گرمایی، زیست‌توده و حتی خورشیدی) به کار می‌روند.

انواع توربین بخار

•توربین‌های بخار را می‌توان بر اساس فاکتورهای مختلفی دسته‌بندی کرد:

•بر اساس نحوه عملکرد بخار بر روی پره‌ها:

•توربین ضربه‌ای (Impulse Turbine): در این نوع، بخار با سرعت بسیار بالا از طریق نازل‌ها (Nozzles) به پره‌های متحرک برخورد می‌کند و نیروی ضربه‌ای ایجاد شده، پره‌ها را به حرکت درمی‌آورد. کاهش فشار بخار عمدتاً در نازل‌ها اتفاق می‌افتد.

•توربین عکس‌العملی (Reaction Turbine): در این نوع، بخار هم در پره‌های ثابت (راهنما) و هم در پره‌های متحرک انبساط می‌یابد و باعث ایجاد نیروی عکس‌العمل می‌شود. کاهش فشار بخار هم در پره‌های ثابت و هم در پره‌های متحرک رخ می‌دهد. اکثر توربین‌های بخار صنعتی ترکیبی از این دو نوع هستند.

•بر اساس جهت جریان بخار:

•توربین محوری (Axial Flow Turbine): رایج‌ترین نوع، که بخار به موازات محور توربین از پره‌ها عبور می‌کند.

•توربین شعاعی (Radial Flow Turbine): بخار به صورت شعاعی از مرکز به بیرون جریان می‌یابد. (کمتر رایج در مقیاس‌های بزرگ)

•بر اساس تعداد مراحل و فشار:

•توربین فشار بالا (HP – High Pressure Turbine): مرحله اول توربین که بخار با فشار و دمای بالا وارد آن می‌شود.

•توربین فشار میانی (IP – Intermediate Pressure Turbine): بخار پس از خروج از HP و غالباً پس از بازگرمایش (Reheat)، وارد این مرحله می‌شود.

•توربین فشار پایین (LP – Low Pressure Turbine): مرحله نهایی که بخار با فشار و دمای پایین‌تر (نزدیک به خلاء) به سمت کندانسور هدایت می‌شود.

•توربین‌های چند مرحله‌ای (Multi-Stage Turbines): اکثر توربین‌های بخار مدرن چندین مرحله پره و گاهی اوقات چندین بخش HP، IP و LP دارند تا راندمان را به حداکثر برسانند.

•بر اساس نحوه ورود بخار به کندانسور:

•توربین‌های کندانسینگ (Condensing Turbines): بخار خروجی به کندانسور منتقل می‌شود و به آب تبدیل می‌گردد تا خلاء حفظ شده و راندمان افزایش یابد.

•توربین‌های بک‌پرسر (Back-Pressure Turbines): بخار خروجی از توربین به جای کندانسور، با فشار بالاتر برای مصارف صنعتی یا گرمایشی (بخار فرآیندی) استفاده می‌شود.

•توربین‌های استخراجی (Extraction Turbines): بخشی از بخار در مراحل میانی توربین برای مصارف فرآیندی استخراج می‌شود.

قطعات اصلی و جنس آن‌ها

•یک توربین بخار از اجزای اصلی زیر تشکیل شده است:

•روتور (Rotor): بخش چرخان اصلی توربین که پره‌ها روی آن نصب شده‌اند.

•جنس: از فولاد آلیاژی با استحکام بالا و مقاوم به خزش (Creep-resistant alloy steel) مانند فولاد کروم-مولیبدن-وانادیم (CrMoV) ساخته می‌شود تا در برابر دماهای بالا، فشار و تنش‌های مکانیکی ناشی از چرخش مقاومت کند.

•پره‌ها (Blades/Buckets): عناصر آیرودینامیکی که انرژی جنبشی و فشار بخار را جذب کرده و روتور را به حرکت در می‌آورند.

•جنس: پره‌های فشار بالا از فولاد آلیاژی مقاوم به حرارت (مشابه روتور) ساخته می‌شوند. پره‌های فشار پایین که بلندتر هستند، ممکن است از فولاد ضد زنگ یا آلیاژهای تیتانیوم برای مقاومت در برابر خوردگی و خستگی ناشی از ارتعاش ساخته شوند.

•کیسینگ یا محفظه (Casing/Shell): محفظه خارجی که روتور و پره‌های ثابت (دیافراگم‌ها) را در خود جای می‌دهد و فشار بخار را تحمل می‌کند.

•جنس: معمولاً از فولاد ریخته‌گری یا فولاد آلیاژی برای مقاومت در برابر فشار و دمای بخار ساخته می‌شود.

•پره‌های ثابت/نازل‌ها (Stationary Blades/Nozzles/Diaphragms): این پره‌ها مسیر جریان بخار را هدایت کرده و در توربین‌های ضربه‌ای، بخار را شتاب می‌دهند.

•جنس: مشابه پره‌های روتور، از فولاد آلیاژی مقاوم به حرارت یا فولاد ضد زنگ.

•سیستم آب‌بندی شفت (Shaft Sealing System): برای جلوگیری از نشت بخار به بیرون یا ورود هوا به داخل محفظه (به خصوص در قسمت LP که خلاء وجود دارد).

•انواع:

•آب‌بندی لابیرنتی (Labyrinth Seals): رایج‌ترین نوع، شامل ردیف‌هایی از دندانه‌ها که شکاف‌های بسیار کوچکی را با شفت تشکیل می‌دهند تا جریان بخار را محدود کنند. از فولاد ضد زنگ یا برنز ساخته می‌شوند.

•آب‌بندی مکانیکی (Mechanical Seals): در برخی موارد خاص.

•بلبرینگ‌ها/یاتاقان‌ها (Bearings): برای حمایت از روتور و کاهش اصطکاک.

•جنس: از آلیاژهای بابیت (Babbitt) که روی پایه فولادی یا چدنی پوشانده شده‌اند.

•سیستم روغن‌کاری (Lubrication System): برای تامین روغن روان‌کننده و خنک‌کننده برای بلبرینگ‌ها و گاهی اوقات برای سیستم کنترل هیدرولیک.

•شامل پمپ روغن، فیلترها، خنک‌کننده‌ها و مخزن روغن است که از فولاد و مس ساخته می‌شوند.

•سیستم گاورنر و کنترل (Governor and Control System): سرعت و خروجی توان توربین را تنظیم و نظارت می‌کند.

•شامل سنسورها، شیرآلات کنترل بخار (Valve Chest/Governor Valves) و سیستم کنترل الکترونیکی یا هیدرولیکی. جنس شیرآلات از فولاد آلیاژی مقاوم به حرارت است.

اصول طراحی توربین بخار

•طراحی توربین‌های بخار فرآیندی مهندسی دقیق و پیچیده است که بر اصول ترمودینامیک، مکانیک سیالات، مکانیک جامدات و متالورژی استوار است:

•راندمان ترمودینامیکی: هدف اصلی، تبدیل حداکثری انرژی حرارتی بخار به انرژی مکانیکی. این شامل طراحی بهینه شکل پره‌ها، انتخاب صحیح مراحل (تعداد و ابعاد)، و استفاده از سیکل‌های پیشرفته (مانند بازگرمایش و استخراج) است.

•تحمل فشار و دما: تمام اجزا، به ویژه کیسینگ و پره‌ها، باید برای تحمل فشار و دمای بالای بخار در هر مرحله طراحی شوند. انتخاب مواد مقاوم به خزش (Creep) در دماهای بالا بسیار حیاتی است.

•دینامیک روتور و ارتعاشات: طراحی شفت و پره‌ها باید به گونه‌ای باشد که از ارتعاشات رزونانس (تشدید) در سرعت‌های کاری جلوگیری شود. بالانس دینامیکی روتور برای عملکرد آرام و طولانی‌مدت ضروری است.

•مقاومت در برابر فرسایش و خوردگی: بخار حاوی ناخالصی‌ها و قطرات آب می‌تواند باعث فرسایش و خوردگی پره‌ها، به خصوص در مراحل LP، شود. انتخاب مواد مقاوم و پوشش‌های محافظ اهمیت دارد.

•سیستم‌های آب‌بندی: طراحی سیستم‌های آب‌بندی مؤثر (مانند آب‌بندی‌های لابیرنتی) برای به حداقل رساندن نشتی بخار و حفظ خلاء در کندانسور.

•کنترل سرعت و توان: طراحی سیستم گاورنر دقیق برای حفظ سرعت ثابت و کنترل توان خروجی توربین تحت بارهای مختلف.

•قابلیت مونتاژ و نگهداری: طراحی باید امکان مونتاژ، دمونتاژ، بازرسی و تعمیرات دوره‌ای را فراهم کند. این شامل طراحی کیسینگ دو تکه (Split Casing) و دسترسی آسان به بلبرینگ‌ها و آب‌بندی‌ها است.

ملاحظات تعمیرات و نگهداری

•نگهداری صحیح و برنامه‌ریزی شده توربین بخار برای تضمین عملکرد ایمن، کارآمد و افزایش طول عمر آن حیاتی است:

•بازرسی‌های دوره‌ای:

•بازرسی بصری: بررسی پره‌ها (به خصوص پره‌های LP برای فرسایش)، نازل‌ها، محفظه، بلبرینگ‌ها و آب‌بندی‌ها برای یافتن ترک، خوردگی، رسوب یا آسیب.

•پایش ارتعاشات و دما: پایش مستمر ارتعاشات روتور و دمای بلبرینگ‌ها. افزایش غیرعادی نشانه‌ای از مشکل (عدم بالانس، عدم هم‌راستایی، خرابی بلبرینگ) است.

•بررسی کیفیت روغن: پایش منظم کیفیت و سطح روغن روان‌کننده.

•روان‌کاری: اطمینان از روان‌کاری مناسب بلبرینگ‌ها و سایر اجزای متحرک. تعویض یا فیلتراسیون روغن بر اساس ساعات کارکرد یا آنالیز روغن.

•تنظیم و بازرسی آب‌بندی‌ها: بررسی آب‌بندی‌های لابیرنتی برای اطمینان از عملکرد صحیح و به حداقل رساندن نشت. در صورت نیاز، جایگزینی یا تنظیم اجزا.

•هم‌راستایی (Alignment): بررسی و تنظیم دقیق هم‌راستایی بین شفت توربین و ژنراتور. عدم هم‌راستایی می‌تواند باعث ارتعاش، افزایش سایش بلبرینگ‌ها و آسیب به شفت شود.

•تمیزکاری پره‌ها و نازل‌ها: رسوب‌گرفتگی روی پره‌ها (ناشی از ناخالصی‌های بخار) می‌تواند راندمان را به شدت کاهش دهد. تمیزکاری با بخار، آب یا روش‌های مکانیکی باید به صورت دوره‌ای انجام شود.

•بازرسی و کالیبراسیون سیستم کنترل و گاورنر: اطمینان از عملکرد صحیح شیرآلات کنترل بخار و سیستم کنترل سرعت و توان.

•بازرسی کندانسور و پمپ‌های خلاء: اطمینان از حفظ خلاء مناسب در کندانسور که برای راندمان توربین حیاتی است. تمیزکاری لوله‌های کندانسور و بررسی عملکرد پمپ‌های خلاء.

•تعمیرات اساسی (Major Overhaul): در فواصل زمانی طولانی‌تر (چندین سال)، توربین به طور کامل باز شده، تمام اجزا بازرسی، تعمیر یا تعویض می‌شوند. این شامل بازرسی دقیق پره‌ها، روتور، بلبرینگ‌ها و محفظه است.

•ثبت سوابق: نگهداری دقیق سوابق تعمیرات، بازرسی‌ها و پارامترهای عملیاتی برای تحلیل روندها و پیش‌بینی مشکلات احتمالی.