التوربين البخاري

توربينات بخارية هى جهاز ميكانيكي يستخرج الطاقة الحرارية من ضغط البخار ، و يحولها إلى حركة دوارة . مظهره العصري اخترعه السيرتشارلز في عام ١٨٨٤ .

و حل تقريبا محل مكبس محرك البخار الترددي في المقام الأول نظرا لزيادة الكفاءة الحرارية و زيادة الطاقة بالنسبة إلى الوزن . لأن التوربينات تولد الحركة الدوارة ، فهى مناسبة بصفة خاصة لاستخدامها لحث المولد الكهربائي -- بحوالي ٨٠ ٪ من جميع الكهرباء المولدة في العالم عن طريق استخدام التوربينات البخارية . التوربينات البخارية هى شكل من أشكال محرك الحرارة الذي يستمد جزءا كبيرا من تحسنه في الكفاءة الحرارية من خلال استخدام مراحل متعددة من التوسع فى البخار ، و الذي ينتج عنها نهج أقرب إلى العملية المعكوسة المثالية .

التاريخ

2000 كيلوواط كورتيس التوربينات البخارية حوالي عام 1905.

أول جهاز التي يمكن أن يصنف على أنه توربين بخاري فعال كان يزيد قليلا عن اللعبة ، Aeolipile الكلاسيكي ، و وصف في القرن الأول بواسطة البطل الروماني في الاسكندرية في مصر الرومانية . أكثر من ألف سنة لاحقا ، في ١٥٥١ ، وصف تقي الدين في مصر العثمانية توربينات بخارية مع التطبيق العملي لتحريك السيخ. كما تم وصف توربينات البخار من قبل الإيطالي جيوفاني برانكا (١٦٢٩) و جون ويلكنز في انكلترا (١٦٤٨) .^]

بارسونز التوربينات من البولندية المدمرة ORP Wicher الثاني

اخترعت التوربينات البخارية الحديثة في عام ١٨٨٤ من قبل الانكليزي السير تشارلز بارسونز ، حيث كان نموذجه الأول متصل ب مولد يولد ٧.٥ كيلو واط من الكهرباء . بعد اختراع التوربين البخارى لبارسون ، الأمر الذي جعل الكهرباء الوفيرة و الرخيصة ممكنة و أحدث ثورة فى النقل البحري و الحرب البحرية ، فإن العالم لن يكون نفسه مرة أخرى . تم ترخيص براءة اختراعه و تم أستخدام التوربيناتبعد فترة وجيزة من قبل أمريكا ، جورج ويستنغهاوس. كما اتضح أيضا أن توربين بارسون من السهل تنفيذه على نطاق كبير . و تملك بارسونز الارتياح لرؤية اختراعه الذي اعتمد لجميع مراكز القوى العالمية الرئيسية ، و حجم المولدات قد ارتفع من ٧.٥ كيلو واط من أول مجموعة ليصل إلى قدرة ٥٠.٠٠٠ وحدة كيلوواط . في غضون عمر بارسون فان القدرة على توليد الطاقة من الوحدة تم رفع مستواها بنحو ١٠.٠٠٠ مرة ، و اجمالي الانتاج من المولدات التوربينية التي شيدت من قبل شركته شركة بارسونز كاليفورنيا و الجهات المرخص لها من قبله ، لأغراض الأرض وحدها ، قد تجاوزت الثلاثين مليون حصان .
و تم تطوير عدد من التوربينات المختلفة التى تعمل بشكل فعال مع البخار . توربينات دي لافال (اخترعها غوستاف دي لافال عجلت البخار الى أقصى سرعة قبل تشغيله ضد ريش التوربينات . و من ثم فإن (الدافع) التوربينات هو أبسط و أقل تكلفة ، و ليس من الضروري أن يكون مقاوما للضغط. كما أنه يمكن أن يعمل مع أي ضغط البخار ، و لكن أقل كفاءة بدرجة كبيرة .
توربينات براون - كورتيس التي كانت قد طورت أصلا و حصلت على براءة اختراع من قبل الشركة الدولية الأمريكية كورتيس البحرية و تم تطوير توربينات الشركة في عام ١٩٠٠ بالاشتراك مع شركة جون براون آند كومباني. و كان يستخدم في شركة جون براون للسفن التجارية و السفن الحربية ، بما في ذلك الخطوط و السفن الحربية التابعة للبحرية الملكية .

لأنواع من التوربينات البخارية ، بما في ذلك متعددة المراحل Rateau انظر مشروع ليندر .

الأنواع

يتم صنع توربينات البخار في مجموعة متنوعة من الأحجام الصغيرة التي تتراوح بين ١ حصان وحدة (٠.٧٥ كيلو واط) (نادرة) و تستخدم كمحركات ميكانيكية للمضخات و الضواغط و المعدات الأخرى التى يتم تشغيلها بالمقبض ، إلى توربينات ٢.٠٠٠.٠٠٠ حصان (١.٥٠٠.٠٠٠ كيلوواط) المستخدمة في توليد الكهرباء . وهناك تصنيفات عدة للتوربينات البخارية الحديثة .

حالات امداد البخار و العوادم

تشمل هذه الأنواع التكثيف ، دون تكاثف ، اعادة التسخين ، و استخراج و الحث .

توربينات عدم التكاثف أو backpressure هي الأكثر استخدام لتطبيقات عملية البخار . يسيطر على الضغط العادم من قبل صمام تنظيم لتتناسب مع احتياجات عملية ضغط البخار . و هي شائعة في مصافي التكرير ، وحدات تدفئة المناطق ، و مصانع الورق ، و مرافق تحلية مياه البحر حيث كميات كبيرة من عملية ضغط البخار تكون متاحة .

أما التوربينات التكثيفية هي الأكثر شيوعا في محطات توليد الطاقة الكهربائية . و هذه التوربينات تستنفذ البخار العادم في حالة مكثفة جزئيا ، و عادة من نوعية قرب ٩٠ ٪ ، عند ضغط أقل بكثير من الغلاف الجوي إلى مكثف .

تستخدم توربينات اعادة التسخين أيضا بشكل حصري تقريبا في محطات توليد الطاقة الكهربائية . في توربينات اعادة التسخين ، يخرج البخار المتدفق من جزء مرتفع الضغط من التوربينات و يتم إرجاعه إلى الغلايات حيث يتم إضافة حرارة عالية جدا . ثم يعود البخارالى القسم متوسط الضغط من التوربينات و يواصل تمدده .

و تعتبر توربينات الاستخراج نوع شائع في جميع التطبيقات . في نوع توربينات الأستخراج البخارية ، يتم بعث البخار من مراحل مختلفة من التوربينات ، و يستخدم لتلبية احتياجات العمليات الصناعية أو يتم إرساله إلى مسخنات امدادات المياه لتحسين الكفاءة الشاملة للدورة . يمكن التحكم بتدفقات الاستخراج عن طريق صمام ، أو تترك بدون سيطرة .

توربينات الحث تدخل ضغط بخار منخفض في مرحلة وسيطة لإنتاج الطاقة الاضافية .

الغلاف أو ترتيبات ذراع التشغيل

وتشمل هذه الترتيبات غلاف واحد ، مركب مزدوج و التوربينات مجمع الصليبة . وحدات الغلاف الواحد هي النمط الأكثر أساسية حيث الغلاف الواحد و المقبض يقترنوا مع مولد الكهرباء . المركبات الترادفية تستخدم حيث اثنان أو أكثر من الأغلفة معا بصورة مباشرة بالإضافة إلى محرك مولد واحد . ترتيبات التوربينات عرضية المكونات تتميز باثنين أو أكثر من المقابض ليس في خط و تقود اثنين أو أكثر من مولدات الكهرباء التي غالبا ما تعمل بسرعات مختلفة . والتوربينات عرضية المكونات عادة ما تستخدم في العديد من التطبيقات الكبيرة .

أساس التشغيل و التصميم

تعتبر التوربينات البخارية المثالية أن تكون عملية متعادلة الحرارة ، أو عملية تعادل حرارى مستمرة ، حيث أن التعادل الحرارى للبخار الداخل الى التوربين يساوي التعادل الحرارى للبخار المغادر من التوربين . لا يوجد توربينات بخارية هى حقا "متعادلة حراريا" ، و لكن ، مع كفاءات عدم التغيير في الانتروبيا النموذجي التى تتراوح بين ٢٠ ٪ ‎-٩٠ ٪ على أساس تطبيق التوربين . تضم المناطق الداخلية من التوربينات عدة مجموعات من ريش ، أو "دلو" لأنها أكثر شيوعا أن يشار إليها . مجموعة واحدة من الريش الثابتة تكون متصلة بالغلاف و مجموعة واحدة من الريش الدوارة تكون متصلة بالمقبض . و تتناغم المجموعات مع درجة وضوح دنيا معينة ، مع حجم و تكوين المجموعات المتفاوت ليتم استغلال تمدد و توسع البخار في كل مرحلة بكفاءة .

كفاءة التوربينات

رسم تخطيطي يبين الفرق بين دفعة وعنفة رد فعل

لتعظيم كفاءة التوربينات البخارية , يتم تمديد البخار , مع عمل التوليد ، في عدد من المراحل . و تتميز هذه المراحل بكيفية أستخراج الطاقة منهم و هى المعروفة باسم إما توربينات نابضة أو رد فعل . تستخدم معظم التوربينات البخارية مزيج من تصاميم ردود الفعل و النبض : تتصرف كل مرحلة كما إما واحدة أو أخرى ، و لكن عموما يستخدم التوربين الأثنين على حد سواء . عادة ، أقسام الضغط العالى من النوع الدافع و مراحل الضغط المنخفض هي من نوع رد الفعل .

التوربينات النابضة

و ثبتت التوربينات النابضة خراطيم توجه البخار للتدفق داخل نفاثات عالية السرعة . هذه النفاثات تحتوي على طاقة حركية مهمة ، و التي هى الريش الدوارة ، على شكل دلاء ، متحولة حركة عمودية كلما غير بخار النفاث الأتجاه . و يحدث هبوط فى الضغط عبر فقط الريش الثابتة ، مع زيادة صافية في سرعة البخار عبر المرحلة .

كما يتدفق البخار عبر الخرطوم فان ضغطه يهبط من ضغط الدخول الى ضغط الخروج (الضغط الجوي ، أو غالبا ، الفراغ المكثف) . نظرا إلى هذه النسبة الأعلى من تمدد البخار في الخرطوم فان البخار يترك الخرطوم بسرعة عالية جدا . و البخار الذى يترك الريش المتحركة هو جزء كبير من السرعة القصوى للبخار عند مغادرته للخرطوم . و يكون فقدان الطاقة نتيجة لارتفاع سرعة الخروج و التى يشيع تسميتها ب "تحمل أكثر من السرعة" أو "خسارة المغادرة" .

توربينات رد الفعل

في توربين رد الفعل ، يتم ترتيب الريش الدوارة أنفسهم لتشكيل فتحات متقاربة . هذا النوع من التوربينات يستخدم قوة الرد المنتجة كلما تسارع البخار خلال الفتحات التي شكلتها الدوار . يتم توجيه البخار على الدوار عن طريق دليل ادخال الهواء المثبت للدوارات الثابتة . فهو يترك الجزء الثابت كمحرك نفاث يملأ المحيط الكامل للدوار . ثم عندها يغير البخار أتجاهه و يزيد من سرعته بالنسبة لسرعة الريش . و يحدث هبوط فى الضغط عبر كل من الجزء الثابت و المتحرك ، مع تسارع البخار خلال الجزء الثابت و تباطؤه خلال الجزء الدوار ، مع عدم وجود أي تغيير في صافي سرعة البخار عبر المرحلة و لكن مع انخفاض في كل من الضغط و درجة الحرارة ، الأمر الذي يعكس العمل المنجز في القيادة من الدوار .

التشغيل و الصيانة

عند احماء التوربينات البخارية للاستخدام ، يوقف البخار الرئيسي صمامات (بعد المرجل) الذى له خط للسماح للبخار المسخن لتجاوز الصمام ببطء ، و الشروع في تسخين الخطوط في النظام جنبا الى جنب مع التوربينات البخارية . كما أن علبة تروس التدوير تنشغل لا يكون هناك بخار إلى التوربينات لتدوير التوربينات ببطء لضمان التسخين المتساوى لمنع التمدد المتفاوت . بعد أول تحريك للتوربين عن طريق علبة التروس الدوارة ، بما يتيح وقتا للدوار لفرض سطح مستو (لا انحناء) ، ثم تتحرر علبة التروس الدوارة و يتم ادخال البخار الى التوربين ، فى البداية الى الريش فى المؤخرة ثم إلى الريش الأمامية ببطء لتدوير التوربين من ١٠ الى ١٥ لفة في الدقيقة لتسخين التوربين ببطء .

تعتبر المشاكل مع التوربينات الآن نادرة و متطلبات الصيانة صغيرة نسبيا . يمكن أن يؤدي أي خلل في الدوار إلى اهتزاز ، و الذى في الحالات القصوى يمكن أن يؤدي إلى حل الشفرة من مكانها و ثقب الغلاف مباشرة . فإنه ، و مع ذلك ، من الضروري أن يتم تشغيل التوربينات بالبخار الجاف . أما إذا دخل الماء الى البخار على الريش (حمل الرطوبة ) فان قد يحدث إصطدام و تآكل سريع للريش ، و ربما يؤدي إلى اختلال التوازن و الفشل الكارثي . و أيضا ، فان المياه التي تدخل في الريش من المرجح أن تؤدي إلى تدمير القوة الدافعة لعمود التوربين . و لمنع حدوث هذا ، جنبا إلى جنب مع الضوابط و الحواجز في الغلايات لضمان الجودة العالية للبخار و المكثفات المثبتة في أنابيب البخار المؤدية إلى التوربينات .

تنظيم السرعة

السيطرة على التوربينات مع أداة ضبط هو شيئ ضروري ، حيث أن التوربينات تحتاج إلى التشغيل ببطء ، لمنع وقوع أضرار في حين أن بعض التطبيقات (مثل توليد الكهرباء البديلة الحالية) تتطلب دقة التحكم بالسرعة . يمكن أن يؤدي التسارع غير الخاضع للرقابة لدوار التوربين إلى غلطة السرعة الزائدة ، التي تتسبب غلق فوهة الصمامات التي تتحكم في تدفق البخار إلى التوربينات . و إذا فشل هذا فان التوربين قد يواصل التسارع حتى ينهار ، بشكل مذهل . التوربينات غالية الثمن فى صنعها ، و تتطلب دقة تصنيع و مواد ذات نوعية خاصة . أثناء العملية العادية في التزامن مع محطات الكهرباء الصافية فانها تخضع ل ٥ % تدلى التحكم السريع . و هذا يعني أن سرعة التحميل الكامل بنسبة ١٠٠ ٪ و ليس سرعة تحميل هو ١٠٥ ٪ . و هذا هو المطلوب للتشغيل المستقر من الصافي بدون مطاردة و تسرب من محطات الطاقة . و عادة ما تكون التغيرات في السرعة طفيفة . التعديلات في انتاج الطاقة ادليت بها رفع منحنى التدلى ببطء من خلال زيادة الضغط على أداة الضبط للطرد المركزى . و عموما فان هذا هو جزء أساسي من متطلبات النظام لجميع محطات لأن المحطات القديمة و الجديدة يجب أن تكون متوافقة في الاستجابة للتغيرات الفورية في وتيرة الاتصالات من دون الاعتماد على الخارج .

المحرك المباشر

تستخدم محطات توليد الطاقة الكهربائية توربينات بخارية كبيرة تحرك مولد كهربائي لإنتاج أكثر من (حوالي ٨٠ ٪) من الكهرباء في العالم . معظم هذه المحطات المركزية هي من نوعين ، محطة تعمل بطاقة الوقود الحفرى و محطات الطاقة النووية ، و لكن بعض الدول تستخدم الطاقة الشمسية المركزة (CSP) لإنشاء البخار . و يمكن أن تستخدم توربينات البخار أيضا بشكل مباشر لتدير مضخات الطرد المركزي الكبيرة ، مثل ليالي feedwater مضخة في محطة الطاقة الحرارية .

فقد اقترح أنه ، في ضوء ما يكفي من الطاقة الشمسية ، فانه يمكن تكرير السيليكون لاستخدامه كبديل للفحم لهذا النوع من المحركات .

التوربينات المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية هي في معظم الأحيان يتم اقترانها بشكل مباشر إلى مولدات الكهرباء . كما يجب تدوير المولدات المتزامنة بسرعات ثابتة وفقا لتردد نظام الطاقة الكهربائية ، و السرعات الأكثر شيوعا هي بسرعة ٣٠٠٠ دورة / دقيقة لنظم ٥٠ هرتز ، و ٣٦٠٠ دورة / دقيقة لنظم ٦٠ هرتز . في المنشآت مع ارتفاع انتاج البخار ، كما الموجودة فى محطات الطاقة النووية ، قد رتبت مجموعة من المولدات لتعمل بنصف هذه السرعات ، و لكن مولدات رباعية القطب .

التسيير البحرى

وTurbinia -- أول التوربينات البخارية التي تعمل بالطاقة السفينة

يظهر استخدام آخر للتوربينات البخارية في السفن ؛ حيث أن صغر حجمها ، و قلة الصيانة و خفة الوزن ، و انخفاض الاهتزاز هي المزايا التي لا تقهر . و تكون التوربينات البخارية فعالة فقط عندما يتم تشغيلها بمعدل آلاف الدورات في الدقيقة ، في حين أن أكثر الطرق فعالية هي لتصاميم المروحة بسرعة أقل من ١٠٠ لفة في الدقيقة. لذا فان علب التروس المقللة الدقيقة (و بالتالي المكلفة) تستخدم عادة ، على الرغم من أن العديد من السفن ، مثل Turbinia ، قد تدفع مباشرة من التوربينات البخارية إلى مهاوي المروحة . و يقابل تكلفة الشراء احتياجات أقل بكثير من الوقود و الصيانة و صغر حجم التوربينات بالمقارنة مع المحرك الترددي مع وجود قوة معادلة له . و مع ذلك ، فان محركات الديزل هي قادرة على زيادة الكفاءة : كفاءة دورة التوربينات البخارية حتى الآن لكسر ٥٠ ٪ ، و مع ذلك فان محركات الديزل بشكل روتيني تزيد على ٥٠ ٪ ، لا سيما في التطبيقات البحرية .
تستخدم السفن و الغواصات التى تعمل بالطاقة النووية مفاعل نووي لخلق البخار و إما استخدام التوربينات البخارية مباشرة للدفع الرئيسي ، مع توفير مولدات للطاقة المساعدة ، أو توظيف دفع اكهربائى توربينى ، حيث تدفع التوربينات البخارية ، مع مجموعة مولدات الدفع المنصوص من المحركات الكهربائية . يتم اختيار الطاقة النووية في كثير من الأحيان ، حيث يكون الديزل غير عملي (كما هو الحال في تطبيقات الغواصات) أو المشاكل اللوجستية للتزود بالوقود (على سبيل المثال ، كاسحات الثلج) . فقد قدر أن وقود المفاعل النووي للبحرية الملكية ل الغواصة فانجارد يكفي ل ٤٠ دورة بحرية للعالم -- يحتمل أن تكون كافية لخدمة السفينة بأكملها مدى الحياة .

اتمنى اني اكون افدتكم

» كيفية عمل المحرك البخاري