 | 
|
गॅस / स्टीम टर्बाइन
जगातील वीज निर्मितीचा मोठा भाग स्टीम टर्बाइन वापरून मिळवला जातो. स्टीम टर्बाइन वापरून वीज निर्मितीचे फायदे असे आहेत:
१. टर्बाइनसाठी ऊर्जा स्रोत म्हणून वापरल्या जाणाऱ्या वाफेचे भौतिक गुणधर्म विविध दाब आणि तापमानांवर अंदाज लावता येतात आणि जगभरात ते स्थिर असतात.
२. स्टीम टर्बाइनचे डिझाइन स्केलेबल असतात आणि कोणत्याही अनुप्रयोगासाठी डिझाइन केले जाऊ शकतात.
३. स्टीम टर्बाइन ऊर्जा स्रोत आणि विद्युत वीज निर्मिती वेगळे करते, ज्यामुळे ते गॅस टर्बाइन, गॅस इंजिन, डिझेल सेट इत्यादींपेक्षा वेगळे, इंधनाच्या विविध स्रोतांशी (कोळसा, बायोमास, महानगरपालिका कचरा, वायू) सुसंगत बनते.
४. स्टीम टर्बाइनद्वारे एकत्रित उष्णता आणि वीज प्रभावीपणे हाताळता येते, ज्यामुळे ते प्रक्रिया उद्योगात वीज निर्मितीचा एक व्यापक वापरला जाणारा प्रकार बनतो.
५. त्याच्या ऑपरेशनल वैशिष्ट्यांमुळे (सुरू होण्याची वेळ आणि विश्वासार्हता) हे टर्बाइन अधिक चांगले काम करतात, आधुनिक पॉवर सिस्टममध्ये बेस लोड ऑपरेशनची पूर्तता करतात.
स्टीम टर्बाइन रासायनिकरित्या साठवलेल्या ऊर्जेचे यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतर करते. त्याला उष्णता-शक्ती इंजिन म्हणतात. स्टीम टर्बाइन पाण्याच्या टर्बाइनसारखेच काम करते, जे कदाचित सर्वांना माहित असेल. पाणी नाही, तर वाफेचा वापर कार्य माध्यम म्हणून केला जातो.
टर्बाइन प्रकार: जेव्हा लोकांनी यांत्रिक काम जिंकण्यासाठी पाण्याच्या उर्जेचा वापर करण्यास सुरुवात केली, तेव्हा त्यांनी प्रथम सर्वोत्तम प्रकारचे इंपेलर्स शोधले. त्याद्वारे तीन प्रकार स्थापित झाले आणि आज त्यांच्या विविधता विविध अनुप्रयोगांमध्ये वापरल्या जातात, ज्यामध्ये पॉवर स्टेशनमधील स्टीम टर्बाइनमध्ये, मरीन प्रोपेलर म्हणून, गॅस टर्बाइनमध्ये कंप्रेसर म्हणून इत्यादींचा समावेश आहे. हे तीन प्रकार येथे सादर केले आहेत:
पेल्टन टर्बाइन: पेल्टन टर्बाइन (फ्री-जेट टर्बाइन देखील) चा शोध १८८० मध्ये एल.ए. पेल्टन यांनी लावला. त्यात चमच्याच्या आकाराचे फावडे असतात, जेट इम्पेलरला स्पर्शिकरित्या आदळते, दोन फावड्यांद्वारे विभागले जाते आणि एक आवेग हस्तांतरित करते. पेल्टन टर्बाइन २००० मीटर पर्यंत खालच्या दिशेने असलेल्या स्टोरेज पॉवर स्टेशनमध्ये वापरले जाते आणि त्यात ६ नोझल असू शकतात.
फ्रान्सिस टर्बाइन: जे.बी. फ्रान्सिस यांनी १८४९ मध्ये शोधलेल्या रिअॅक्शन टर्बाइनला जेट जवळजवळ अक्षीयपणे (अक्षाच्या दिशेने) आणि रेडियलली (केंद्रापासून दूर) मारतो. समान धाव सुनिश्चित करण्यासाठी रोटर ब्लेड समायोजित केले जाऊ शकतात. ते खाली दर्शविलेल्या स्टीम टर्बाइनसारखे दिसते.
कॅप्लान टर्बाइन: ऑस्ट्रियन व्ही. कॅप्लानने १९१५ च्या सुमारास विकसित केलेले कॅप्लान टर्बाइन सागरी प्रोपेलरसारखे दिसते. त्यामुळे जेटला मुक्तपणे समायोजित करण्यायोग्य फावडे पृष्ठांवर अक्षीयपणे निर्देशित केले जाते.
स्टीम टर्बाइनच्या ऑपरेशनची पद्धत: आता ते स्टीम जेट असल्याने आणि आता वॉटर जेट टर्बाइनला मिळत नसल्याने, आता थर्मोडायनामिक्सचे नियम पाळले पाहिजेत. आधुनिक स्टीम टर्बाइन ही एक अॅक्शन टर्बाइन आहे (कोणतीही प्रतिक्रिया टर्बाइन नाही), म्हणजेच स्टीम जेट मुक्तपणे फिरणाऱ्या इम्पेलरच्या एका विशिष्ट नोजलपासून मिळते. टर्बाइनच्या समोर उच्च दाब असतो, तर त्याच्या मागे कमी दाब राखला जातो, म्हणून एक दाब ग्रेडियंट असतो, स्टीम टर्बाइनमधून मागील टोकापर्यंत जाते. ते इम्पेलरला गतिज ऊर्जा पोहोचवते आणि त्यामुळे थंड होते, दाब कमी होतो.
स्टीम बॉयलरमध्ये तयार केली जाते, जी पॉवर स्टेशनमध्ये कोळसा किंवा वायू जाळून किंवा अणुऊर्जेने गरम केली जाते. स्टीम बाहेर पडत नाही, परंतु टर्बाइनमधून गेल्यानंतर ती कंडेन्सरमध्ये घनरूप होते आणि नंतर पंपद्वारे पुन्हा स्टीम बॉयलरमध्ये ढकलली जाते. याचा फायदा असा आहे की उदाहरणार्थ अणुऊर्जा केंद्रांमध्ये काम करताना- आणि थंड पाणी स्पष्टपणे वेगळे केले जाते.
बहुस्तरीय स्टीम टर्बाइन: आधुनिक स्टीम टर्बाइनमध्ये फक्त एक इंपेलर चालवला जात नाही तर अनेक एका मालिकेत असतात. त्यांच्यामध्ये आयडलर असतात, जे वळत नाहीत. पुढील इंपेलरमध्ये पुन्हा चांगल्या प्रकारे काम करण्यासाठी, गॅस एका आयडलरमधून जाताना त्याची दिशा बदलतो. अनेक इंपेलर असलेल्या टर्बाइनना बहुस्तरीय म्हणतात. हे तत्व १८८३ मध्ये पार्सन्स यांनी विकसित केले होते. तुम्हाला माहिती आहेच, थंड झाल्यावर वायूचा विस्तार होतो. म्हणून स्टीम टर्बाइन बनवताना पुढील समस्येकडे लक्ष दिले पाहिजे, पास केलेल्या इंपेलरच्या संख्येसह आकारमान देखील वाढते, ज्यामुळे इंपेलरचा व्यास मोठा होतो. त्यामुळे, बहुस्तरीय टर्बाइन नेहमीच शंकूच्या आकाराचे असतात.
अनेक टर्बाइन जोडणे: आजच्या वीज केंद्रांमध्ये, वेगवेगळ्या प्रकारच्या टर्बाइन एकाच मालिकेत वापरल्या जातात, उदा. एक उच्च दाब -, दोन मध्यम - आणि चार कमी दाबाच्या टर्बाइन. या जोडणीमुळे उत्कृष्ट कार्यक्षमता (४०% पेक्षा जास्त) मिळते, जी मोठ्या डिझेल इंजिनांपेक्षाही चांगली आहे. हे वैशिष्ट्य आणि तुलनेने अनुकूल उत्पादन यामुळे वीज केंद्रांमध्ये स्टीम टर्बाइनची स्पर्धा कमी होते. जनरेटरसह जोडलेले आणि अणुभट्टीद्वारे चालवलेले, ते प्रचंड प्रमाणात विद्युत प्रवाह निर्माण करतात. आजच्या काळातील सर्वात मजबूत स्टीम टर्बाइन १००० मेगावॅटपेक्षा जास्त कामगिरी करतात.
गॅस टर्बाइन
गॅस टर्बाइन हे एक प्रकारचे अंतर्गत ज्वलन (IC) इंजिन आहे ज्यामध्ये हवा-इंधन मिश्रण जाळल्याने गरम वायू निर्माण होतात, जे टर्बाइनला फिरवून वीज निर्माण करतात. इंधन ज्वलनाच्या वेळी गरम वायूचे उत्पादन हे गॅस टर्बाइनला नाव देते, इंधनाचे नाही. गॅस टर्बाइन नैसर्गिक वायू, इंधन तेल आणि कृत्रिम इंधनांसह विविध इंधनांचा वापर करू शकतात. गॅस टर्बाइनमध्ये ज्वलन सतत होते, परस्पर चालणाऱ्या आयसी इंजिनच्या विरूद्ध, ज्यामध्ये ज्वलन अधूनमधून होते.
गॅस टर्बाइन कसे काम करतात?: गॅस टर्बाइनमध्ये एकाच शाफ्टवर बसवलेले तीन प्राथमिक विभाग असतात: कॉम्प्रेसर, ज्वलन कक्ष (किंवा ज्वलन कक्ष) आणि टर्बाइन. कॉम्प्रेसर अक्षीय प्रवाह किंवा केंद्रापसारक प्रवाह असू शकतो. वीज निर्मितीमध्ये अक्षीय प्रवाह कॉम्प्रेसर अधिक सामान्य आहेत, कारण त्यांचा प्रवाह दर आणि कार्यक्षमता जास्त असते. अक्षीय प्रवाह कॉम्प्रेसरमध्ये फिरणारे आणि स्थिर ब्लेड (किंवा स्टेटर) च्या अनेक टप्प्यांचा समावेश असतो, ज्याद्वारे हवा रोटेशनच्या अक्षाशी समांतर ओढली जाते आणि प्रत्येक टप्प्यातून जाताना ती हळूहळू संकुचित केली जाते. फिरणाऱ्या ब्लेडमधून हवेचा वेग आणि स्टेटरद्वारे प्रसार यामुळे दाब वाढतो आणि हवेचे प्रमाण कमी होते. उष्णता जोडली जात नसली तरी, हवेच्या कॉम्प्रेसनमुळे तापमान देखील वाढते.
संकुचित हवा नोझल्सद्वारे इंजेक्ट केलेल्या इंधनात मिसळली जाते. इंधन आणि संकुचित हवा पूर्व-मिश्रित केली जाऊ शकते किंवा संकुचित हवा थेट ज्वलन यंत्रात टाकता येते. इंधन-हवेचे मिश्रण सतत दाबाच्या परिस्थितीत प्रज्वलित होते आणि गरम ज्वलन उत्पादने (वायू) टर्बाइनमधून निर्देशित केली जातात, जिथे ते वेगाने विस्तारते आणि शाफ्टला रोटेशन देते. टर्बाइनमध्ये देखील टप्प्यांचा समावेश असतो, प्रत्येक टप्प्यात स्थिर ब्लेड (किंवा नोझल्स) असतात जे विस्तारणाऱ्या वायूंना निर्देशित करतात आणि त्यानंतर हलणाऱ्या ब्लेडची एक रांग असते. शाफ्टच्या रोटेशनमुळे कंप्रेसर सतत ज्वलन टिकवून ठेवण्यासाठी अधिक हवा आत ओढतो आणि संकुचित करतो. उर्वरित शाफ्ट पॉवर जनरेटर चालविण्यासाठी वापरली जाते जी वीज निर्माण करते. टर्बाइनद्वारे उत्पादित होणाऱ्या उर्जेपैकी सुमारे ५५ ते ६५ टक्के वीज कॉम्प्रेसर चालविण्यासाठी वापरली जाते. ज्वलन वायूंपासून शाफ्ट रोटेशनमध्ये गतिज उर्जेचे हस्तांतरण ऑप्टिमाइझ करण्यासाठी, गॅस टर्बाइनमध्ये अनेक कंप्रेसर आणि टर्बाइन टप्पे असू शकतात.
ज्वलन प्रक्रिया सतत - किंवा स्वयं-शाश्वत - होण्यापूर्वी कंप्रेसरला एका विशिष्ट गतीपर्यंत पोहोचणे आवश्यक आहे, बाह्य मोटर, स्थिर कन्व्हर्टर किंवा जनरेटरमधून टर्बाइन रोटरला प्रारंभिक गती दिली जाते. इंधन सादर करण्यापूर्वी आणि प्रज्वलन होण्यापूर्वी कंप्रेसर सहजतेने प्रवेगित झाला पाहिजे आणि फायरिंग गतीपर्यंत पोहोचला पाहिजे. उत्पादक आणि डिझाइननुसार टर्बाइनचा वेग मोठ्या प्रमाणात बदलतो, प्रति मिनिट २,००० rpm ते १०,००० rpm पर्यंत. कंबस्टर डिझाइनवर अवलंबून, प्रारंभिक प्रज्वलन एक किंवा अधिक स्पार्क प्लगमधून होते. एकदा टर्बाइन स्वयं-शाश्वत गतीपर्यंत पोहोचला - पूर्ण गतीच्या ५0% पेक्षा जास्त - कंप्रेसर चालविण्यासाठी पॉवर आउटपुट पुरेसे आहे, ज्वलन सतत चालू राहते आणि स्टार्टर सिस्टम बंद केली जाऊ शकते.
गॅस टर्बाइन कामगिरी: गॅस टर्बाइनमध्ये वापरली जाणारी थर्मोडायनामिक प्रक्रिया म्हणजे ब्रेटन सायकल. दोन महत्त्वाचे पॅरामीटर्स म्हणजे दाब गुणोत्तर आणि फायरिंग तापमान. कॉम्प्रेसर डिस्चार्ज प्रेशर आणि इनलेट एअर प्रेशरमधील फरक (किंवा गुणोत्तर) वाढवून इंजिनची इंधन-ते-शक्ती कार्यक्षमता ऑप्टिमाइझ केली जाते. हे कॉम्प्रेशन रेशो डिझाइनवर अवलंबून असते. वीज निर्मितीसाठी गॅस टर्बाइन औद्योगिक (हेवी फ्रेम) किंवा एरो डेरिव्हेटिव्ह डिझाइन असू शकतात. औद्योगिक गॅस टर्बाइन स्थिर अनुप्रयोगांसाठी डिझाइन केल्या जातात आणि त्यांचे दाब प्रमाण कमी असते - सामान्यत: १८:१ पर्यंत. एरो डेरिव्हेटिव्ह गॅस टर्बाइन हे हलके वजनाचे कॉम्पॅक्ट इंजिन असतात जे विमान जेट इंजिन डिझाइनपासून बनवले जातात, जे उच्च कॉम्प्रेशन रेशोवर चालतात - ३०:१ पर्यंत. ते उच्च इंधन कार्यक्षमता आणि कमी उत्सर्जन देतात, परंतु लहान असतात आणि त्यांचे प्रारंभिक (भांडवल) खर्च जास्त असतो. एरो डेरिव्हेटिव्ह गॅस टर्बाइन कॉम्प्रेसर इनलेट तापमानाला अधिक संवेदनशील असतात.
टर्बाइन ज्या तापमानावर चालते (फायरिंग तापमान) कार्यक्षमतेवर परिणाम करते, उच्च तापमानामुळे कार्यक्षमता वाढते. तथापि, टर्बाइन इनलेट तापमान टर्बाइन ब्लेड मेटल मिश्र धातुद्वारे सहन करता येणाऱ्या थर्मल परिस्थितीमुळे मर्यादित असते. टर्बाइन इनलेटवरील गॅस तापमान १२००ēC ते १४००ēC असू शकते, परंतु काही उत्पादकांनी ब्लेड कोटिंग्ज आणि कूलिंग सिस्टम्सना थर्मल नुकसानापासून वाचवण्यासाठी इंजिनिअरिंग करून इनलेट तापमान १६००ēC पर्यंत वाढवले आहे.
कंप्रेसर चालविण्यासाठी आवश्यक असलेल्या उर्जेमुळे, साध्या सायकल गॅस टर्बाइन पॉवर प्लांटसाठी ऊर्जा रूपांतरण कार्यक्षमता साधारणपणे सुमारे ३० टक्के असते, अगदी सर्वात कार्यक्षम डिझाइन देखील ४० टक्क्यांपर्यंत मर्यादित असतात. एक्झॉस्ट गॅसमध्ये मोठ्या प्रमाणात उष्णता राहते, जी टर्बाइन सोडताना सुमारे ६००ēC असते. एकत्रित सायकल कॉन्फिगरेशनमध्ये अधिक उपयुक्त काम करण्यासाठी त्या टाकाऊ उष्णतेची पुनर्प्राप्ती करून, गॅस टर्बाइन पॉवर प्लांटची कार्यक्षमता ५५ ते ६० टक्के पर्यंत पोहोचू शकते. तथापि, एकत्रित सायकल मोडमध्ये गॅस टर्बाइन चालवण्याशी संबंधित काही ऑपरेशनल मर्यादा आहेत, ज्यामध्ये जास्त वेळ सुरू करणे, आग किंवा स्फोट टाळण्यासाठी शुद्धीकरण आवश्यकता आणि पूर्ण लोड करण्यासाठी रॅम्प रेट यांचा समावेश आहे.
 |
 |