کشور ایران با 34 تریلیون مترمکعب ذخایر گازی، از حیث حجم ذخایر، عنوان نخست را در جهان داراست. ظرفیت پالایشگاه های گاز کشور در سال 1392، روزانه 548 میلیون مترمکعب است. همچنین طول خطوط انتقال گاز (فشار قوی) که تا پایان سال 1392 در کشور احداث شده، 35393 کیلومتر است. خطوط فشار قوی به طور متوسط psi1000 فشار دارند، در حالی که فشار گاز مناسب جهت مصرف در مناطق شهری یا نیروگاهی در حدود psi250 است. تا پیش از سال 2001 برای فراهم کردن فشار مناسب جهت مصرف در نواحی شهری یا نیروگاهها، از ایستگاههای تقلیل فشار با شیر فشارشکن ژول-تامسون[1] بهره میبرده اند. شیر فشار شکن، طی یک فرآیند اختناق، فشار مازاد سیال درون لوله را بکلی تلف میکند. سیکل ترمودینامیکی مربوط به شیر ژول-تامسون در شکل 1.1 نشان داده شدهاست. در یک فرآیند اختناق بین نقاط a و b، آنتروپی به شدت افزایش می یابد. بنابراین فرآیند بازگشت ناپذیر است.
شکل 1-1 فرآیند ترمودینامیکی طی شده در شیر فشار شکن ژول-تامسون
در فرآیند برگشت ناپذیر اکسرژی جریان تلف میشود. برای افزایش بازده خطوط انتقال گاز، فرآیند تقلیل فشار به صورت آیزنتروپیک باید انجام شود. بنابراین توربین انبساطی[2] در خطوط لوله نصب میشود. فرآیند بین نقاط 1 و 2 در شکل 2.1، که به موازات خطوط آنتروپی-ثابت رسم شده است، انبساط آیزنتروپیک در یک توربین انبساطی را نشان می دهد. مقایسه نمودار فرآیندی، برای شیر ژول-تامسون و توربین انبساطی مزیت توربین انبساطی را روشن می کند. انبساط در توربین انبساطی آیزنتروپیک است در حالی که اختناق در شیر ژول-تامسون، اتلاف انرژی دارد. همچنین طی هر دو فرآیند، افت دما رخ میدهد. اما افت دما در توربین انبساطی بیشتر است. بنابراین، برای پیشگیری از تولید قطره، گاز باید پیشگرم شود.
شکل 1-2 فرآیند ترمودینامیکی طی شده در انبساط آیزنتروپیک برای توربین انبساطی
توربین انبساطی در دو پیکربندی شعاعی و محوری طراحی میشود. مهمترین پارامترهای انتخاب نوع ماشین دوار، سرعت دورانی و نسبت فشار است . در حالت کلی هر اندازه سرعت دورانی بیشتر باشد، توربین محوری عملکرد بهتری دارد. شکل 3.1 بازده انواع توربینها را بر اساس سرعت دوران مقایسه کردهاست. توربینهای شعاعی در سرعت های کم، بازده بهتری دارند. از طرفی، هر اندازه نسبت فشار بیشتر باشد، توربین شعاعی، نسبت به توربین محوری، عملکرد بهتری دارد. در کاربردهای عملی، همواره نسبت فشار بالا با سرعت دورانی کم همراه است. بنابراین با توجه به نسبت فشار بالا در پستهای تقلیل فشار، در خطوط انتقال گاز از توربینهای شعاعی استفاده می شود.
شکل 1-3 بازده انواع توربین های شعاعی و محوری بر حسب سرعت دورانی
نخستین بار لمن[3] و همکاران در سال 2001، پیشنهاد تولید الکتریسیته از طریق بازیابی فشار را ارائه کردند. در طرح پیشنهادی، بجای شیر فشار شکن، از توربینهای انبساطی استفاده شده است. توان خروجی این ماشینها بین KW75 تا MW25 متغیر است؛ که آنها را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب کرده است. مهمترین کاربرد آنها در صنایع نفت و گاز و در فرآیند تبرید و میعان و همچنین بازیابی فشار لوله ها است.
در سالهای اخیر ارزیابیهای بسیاری پیرامون کارایی توربینهای انبساطی در خطوط انتقال گاز کشور انجام شدهاست. بر این اساس، ظرفیت تولید برق در خطوط انتقال گاز طبیعی، با توربینهای انبساطی در حدود MW1500 اعلام شده است. این میزان توان الکتریکی به معنای 1.3 میلیارد مترمکعب صرفه جویی در مصرف سالانه ی گاز و جلوگیری از ورود 2.4 میلیون تن کربن دی اکسید به اتمسفر است. مقایسه توان تولیدی توربین انبساطی با توان الکتریکی توربین بادی نشاندهنده اهمیت فناوری توربین انبساطی است. یک توربین بادی با پرهای به قطر 50 متر، تنها در حدود MW2.5 توان تولید میکند، در حالی که توربین انبساطی با قطر ایمپلر[4] cm650، در حدود MW6 توان تولید می کند. بنابراین توسعه این فناوری برای کشور بسیار حایز اهمیت است.
در حال حاضر در سه نیروگاه رامین ، نکا و شهید منتظری طرح نصب توربین انبساطی اجرا شده است. این توربینها شعاعی بوده و مطابق شکل 4.1، به صورت موازی با یک شیر ژول-تامسون، در خط لوله انتقال گاز به نیروگاه، نصب می شوند. علت این امر افزایش قابلیت اطمینان سیستم و امکان تامین گاز در مواقع تعمیر توربین است.
شکل 1-4 قرارگیری توربین انبساطی به صورت موازی با شیر فشارشکن ژول-تامسون در پستهای تقلیل فشار نیروگاه های نکا، رامین و شهید منتظری
طراحی توربینهای انبساطی سایز کوچک و متوسط (توان بین kw50 تا MW5) با چالشهایی در طراحی یاتاقان مغناطیسی[5]، انتقال حرارت، آببندی و تاثیر عدد رینولدز بر جریان کاری روبروست. در کاربردهای با نسبت فشار بالا، عدد رینولدز در نازل پره توربین، به حد صوتی رسیده و تداخل جریان لایه مرزی در چرخ دوار[6] با موجهای ضربهای شکل گرفته در خروجی نازل، موجب افزایش اتلاف می شود.
جمع بندی
یک توربین بادی با طول پره 50 متر (توربین باد ساخته شده توسط شرکت مپنا) در حدود 2.5 مگاوات برق تولید می کند. مواردی مانند نصب ژنراتور در ارتفاع، نگهداری تجهیزات، آسیب های زیست محیطی و عملکرد محدود در طول سال که به وزش باد وابسته است، چالش هایی است که اهمیت یک توربین انبساطی صنعتی که تنها 70 سانتی متر قطر دارد و تا 10 مگاوات برق تولید می کند را آشکار می کند.
