كان أول جهاز لاستخراج الطاقة الميكانيكية الدوارة من تيار الغاز المتدفق هو طاحونة الهواء. وتبع ذلك جهاز الدخان، الذي رسمه ليوناردو دا فينشي لأول مرة ثم وصفه بعد ذلك بالتفصيل جون ويلكنز، وهو رجل دين إنجليزي، في عام 1648. يتكون هذا الجهاز من عدد من الأشرعة الأفقية التي تم تركيبها على عمود رأسي ويتم تشغيلها بواسطة المحرك الساخن. الهواء يرتفع من المدخنة. بمساعدة نظام تروس بسيط، تم استخدام الدخان لتحويل سيخ الشواء. تم تطوير العديد من المحركات التوربينية الهوائية الدافعة والتفاعلية خلال القرن التاسع عشر، مع الاستفادة من الهواء المضغوط خارجيًا بواسطة ضاغط ترددي لتشغيل المثاقب الدوارة والمناشير وغيرها من الأجهزة. في حين أن العديد من هذه الوحدات لا تزال قيد الاستخدام، إلا أنها لا تشبه كثيرًا محرك التوربينات الغازية الحديث، والذي يتضمن ضاغطًا وغرفة احتراق وتوربينًا لتكوين محرك رئيسي قائم بذاته. تم إصدار أول براءة اختراع تقارب مثل هذا النظام لجون باربر من إنجلترا في عام 19، على الرغم من عدم بناء نموذج عملي على الإطلاق [1791].
أول توربين غاز ناجح، تم بناؤه في باريس بين عامي 1903 و1906، يتكون من ضاغط ترددي ثلاثي الأسطوانات متعدد المراحل، وغرفة احتراق، وتوربين نبضي. يعمل عن طريق إمداد الهواء من الضاغط، والذي يتم حرقه بعد ذلك في غرفة الاحتراق بالوقود السائل. تم تبريد الغازات الناتجة إلى حد ما عن طريق حقن الماء ثم تغذيتها إلى توربين نبضي. أثبت هذا النظام، الذي تبلغ كفاءته الحرارية حوالي 3 بالمائة، لأول مرة جدوى محرك توربيني غازي عملي [1]. يمكن العثور على معلومات أكثر تفصيلاً حول تاريخ تطوير وحدات توربينات الغاز في [2].
أدى التطوير الهندسي المستمر إلى زيادة الكفاءة الكهربائية بشكل كبير، حيث ارتفعت من 18% في أول توربين غازي تم تشغيله تجاريًا، توربين الغاز نيوشاتيل عام 1939، إلى المستويات القصوى الحالية التي تبلغ حوالي 40% لتشغيل الدورة البسيطة (الشكل 2، أ). تجد توربينات الغاز تطبيقات في مجالات مختلفة، بما في ذلك تشغيل الطائرات والقطارات والسفن وتوليد الكهرباء في محطات الطاقة ومضخات الطاقة وضواغط الغاز والدبابات والدفع البحري ودفع القاطرات ودفع السيارات.
توفر التحسينات على الدورة البسيطة والإضافات على دورات قاع التوربينات البخارية القدرة على زيادة الكفاءة بشكل أكبر. واليوم، أصبحت دورة التوربينات الغازية والتوربينات البخارية قادرة على تحقيق كفاءة تصل إلى 60٪ تقريبًا (الشكل 2، ب) [3]. ويبين الشكل 3 الجدول الزمني لتطور تكنولوجيا توليد الطاقة.
محطة توليد الطاقة ذات الدورة المركبة هي نوع من مرافق توليد الطاقة التي تستخدم مزيجًا من دورتين ديناميكيتين حراريتين لتوليد الكهرباء بكفاءة. وهي تشتمل على دورة توربينة غازية تعرف بدورة برايتون، ودورة توربينة بخارية تعرف بدورة رانكين، بطريقة منسقة. وحدات الدورة المركبة هي نوع واحد من مجموعة أوسع من الوحدات المركبة. تعتبر التوصيلات الداخلية بين دورتي الغاز والبخار، والتي يمكن أن تكون متغيرة في البنية، مهمة للتشغيل الفعال. يمكن أن تحتوي وحدات الطاقة البخارية والغازية المدمجة على دوائر منفصلة أو مختلطة من سائل التشغيل - الماء والبخار والغاز. في الوحدات التي تحتوي على غلاية نفايات، يتم إنتاج معظم الطاقة في دائرة الغاز. يقع استهلاك الوقود في المنشآت من هذا النوع بشكل رئيسي على دائرة الغاز، حيث يكون عامل الهواء الزائد عادة 1.3-2.5، لذلك يتم إنفاق جزء كبير من عمل التوربين في ضغط الهواء الزائد [11].
دورة خلية وقود التغويز المتكاملة (IGFC) هي دورة طاقة تعتمد على تغويز الوقود الصلب وخلايا وقود الأكسيد الصلب (SOFCs). وهو مشابه لمحطة توليد الطاقة ذات الدورة المركبة للتغويز المتكاملة ولكنه يستبدل وحدة توليد الطاقة بتوربينات الغاز بوحدة توليد الطاقة بخلية الوقود (نوع درجة الحرارة العالية مثل SOFC) [12]. من خلال الاستفادة من كفاءة الطاقة العالية بشكل جوهري لمركبات الكربون العضوية في الفوسفات وتكامل العمليات، يصبح من الممكن تحقيق كفاءات عالية بشكل استثنائي في محطات الطاقة. علاوة على ذلك، في دورة IGFC، يمكن تشغيل SOFCs لعزل تيار عادم أنوديك غني بثاني أكسيد الكربون، مما يتيح احتجاز الكربون بكفاءة لمعالجة مخاوف انبعاثات الغازات الدفيئة الناتجة عن توليد الطاقة المعتمدة على الفحم [1]. يعد دمج خلية الوقود وتوربينات الغاز تطورًا طبيعيًا في السعي لتحسين كفاءة التوليد مع انبعاثات نظيفة. يتم تحقيق التكامل باستخدام ضاغط التوربينات الغازية كمحرك للهواء لخلية الوقود واستخدام العادم ذو درجة الحرارة العالية لخلية الوقود ليحل محل احتراق التوربينات الغازية [13].
هناك طريقة أخرى لزيادة الكفاءة وهي رفع درجة حرارة دورة التوربينات الغازية (درجة الحرارة عند مدخل التوربينة) (الشكل 4). وفي هذه الحالة فإن ارتفاع درجة الحرارة يستلزم تبريد عناصر التوربين، خاصة في المراحل الأولى. يتم تنفيذ التطورات الواعدة بشكل أساسي في وحدات توربينات الغاز الخاصة بالطيران ويتم استخدامها لاحقًا في منشآت هندسة الطاقة. على مدار سنوات التطوير، تحول محرك الطائرة إلى منتج فريد من نوعه، والذي ليس له أي نظائر من حيث مستوى الضغط والحالة الحرارية. يتميز كل جيل جديد من محركات الطائرات بزيادة في درجة زيادة الضغط وزيادة في درجة حرارة سائل العمل عند مدخل التوربين (الشكل 5). بالنسبة لوحدات توربينات الغاز الثابتة ووحدات توربينات الغاز من الأنواع الأخرى، من المهم أيضًا اليوم زيادة درجة حرارة الغاز الأولية في دورة التشغيل ودرجة ضغط الهواء المرتبطة بالديناميكا الحرارية في الضاغط. إلا أن ارتفاع درجة الحرارة الأولية، بالإضافة إلى المشاكل المرتبطة بقوة عناصر التوربين، يؤدي إلى مشاكل بيئية. وبالتالي، فإن إحدى المشاكل التي يتم حلها عند إنشاء وحدات توربينات الغاز الحديثة هي تقليل انبعاثات المواد الضارة - أكاسيد النيتروجين (NOx)، وأكاسيد الكربون (COx)، والهيدروكربونات غير المحترقة (CxHy أو UHC). على سبيل المثال، عند حرق الغاز الطبيعي في درجات حرارة عالية نسبيًا، يحدد محتوى أكاسيد النيتروجين سمية العادم بنسبة 90-95% [5].
وبالتالي، فإن أحد التحديات الأساسية في تصميم توربينات الغاز هو تقليل الانبعاثات الضارة في غازات العادم من منشآت الطاقة والنقل. إن تحسين أوضاع التشغيل والمراقبة السليمة وصيانة وحدات توربينات الغاز أثناء التشغيل، إلى جانب إعداد الوقود والتنظيم الرشيد لأنظمة إمداد الوقود، تؤثر بشكل كبير على خصائصها البيئية [9].
انضم إلينا في الجزء الثاني من هذه المدونة حيث نستكشف استراتيجيات مختلفة لتقليل الانبعاثات مثل:
- حقن الماء أو البخار في غرفة الاحتراق لوحدة توربينات الغاز لتعزيز الطاقة وتقليل محتوى أكاسيد النيتروجين.
- إنشاء غرف احتراق متعددة المناطق منخفضة الانبعاثات ذات أشكال هندسية متغيرة وفوهات هوائية ومثبتات خاصة للهب.
- استخدام غرف الاحتراق التحفيزي أو أنظمة الاحتراق اللاحق المتماسكة.
- استخدام الوقود الصديق للبيئة – الهيدروجين كوقود رئيسي وإضافي.
مهتم بمعرفة كيف اكسستريم و محاكاة نظام AxSTREAM هل يمكن أن تساعدك في تطوير توربينات الغاز أو الدورة؟ طلب المحاكمة هنا!
المراجع:
- https://www.britannica.com/technology/gas-turbine-engine/Development-of-gas-turbine
- https://blog.softinway.com/the-evolution-of-gas-turbines-from-the-first-designs-to-the-latest-environmentally-friendly-development-trends-part-1/
- تحليل أنظمة توربينات الغاز لتحويل الطاقة المستدامة. - ماري أنهيدن، - المعهد الملكي للتكنولوجيا ستوكهولم، السويد 2000 TRITA-KET R112 ISSN 1104-3466 ISRN KTH/KET/R-112–SE.
- York, M. Hughes, J. Berry, T. Russell، تطوير توربينات غاز الهيدروجين/IGCC المتقدمة، التقرير الفني النهائي، DE-FC26-05NT42643 (2015) المقدم إلى وزارة الطاقة الأمريكية
- تخفيض أكاسيد النيتروجين في غازات عادم التوربينات الغازية، Postnikov A.M. – دار النشر التابعة لمركز سمارة العلمي التابع لأكاديمية العلوم الروسية. – 2002 – 286 صفحة.
- http://energetika.in.ua/ru/books/book-3/part-1/section-3/3-9
- https://www.cambridge.org/core/journals/aeronautical-journal/article/abs/performance-analysis-of-an-aero-engine-with-interstage-turbine-burner/FB31C38A3C51C5EE83FEAF4E3112FFE1
- مانوشين إي. توربينات الغاز: المشاكل والآفاق م.: Energoatomizdat، 1986. – 168 ص.
- https://dspace.library.khai.edu/xmlui/bitstream/handle/123456789/1623/Gerasim.pdf?sequence=1
- https://myengineeringworld.net/2013/06/gas-turbine-combustor-concepts-low-emissions.html
- https://ela.kpi.ua/bitstream/123456789/39487/1/2020-7.pdf
- https://en.wikipedia.org/wiki/Integrated_gasification_fuel_cell_cycle
- https://vibrationacoustics.asmedigitalcollection.asme.org/GT/proceedings/GT1999/78590/V002T02A067/248338
- https://link.springer.com/article/10.3103/S1068799811020103
- https://www.mdpi.com/1996-1073/13/19/5230
- https://www.researchgate.net/publication/346054984_Review_of_Gas_Turbine_Combustion_Chamber_Designs_to_Reduce_Emissions
- https://www.hindawi.com/journals/ijce/2022/9123639/
- https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/steam-injection
- https://en.wikipedia.org/wiki/Catalytic_combustion
- https://technology.matthey.com/article/23/4/134-141/
- https://www.ge.com/content/dam/gepower-new/global/en_US/downloads/gas-new-site/future-of-energy/hydrogen-overview.pdf
- https://www.turbomachinerymag.com/view/the-future-of-hydrogen-as-a-gas-turbine-fuel
- https://blog.softinway.com/the-evolution-of-gas-turbines-from-the-first-designs-to-the-latest-environmentally-friendly-development-trends-part-2/
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://blog.softinway.com/gas-turbine-units-and-their-impact-on-the-environment-part-1/
