۱- یافتن منابع جدید انرژی مثل (Wind P.P, Tide P.P, GeoThermal Power Plant Solar Energy )
۲- اصلاح روش های موجود تولید انرژی ( Modernization, Rehabilitation, Optimization )
۳- بازیافت (Turbo Expander)
۱-۲ توربین انبساطی:
توربین انبساطی وسیله‌ای است جهت تبدیل انرژی فشار به جریان گاز با بخار به کار مکانیکی که نتیجه آن انبساط گاز است. هر توربین نظیر توربین بخار وظیفه انبساط سیال مربوطه و تولید انرژی را بعهده دارد می‌توان به آنها نیز این لفظ را اطلاق نمود ولی معمولاً توربین‌های انبساطی شامل توربینهای بخار و توربینهای گازی نمی‌شود و فقط به توربینهایی که در مسیر سایر جریانهای تحت فشار گاز قرارداده می‌شود اطلاق می‌گردد. در خطوط انتقال گاز، فشار گاز بالاست ، علت اصلی بالابودن فشار در این خطوط این است که بتوان گاز را توسط لوله‌های با قطر کمتر منتقل نمود. این فشار معمولاً خیلی بالاتر از فشار مورد نیاز در محل مصرف است.
توربینهای انبساطی جایگزین بسیار مناسبی برای شیرهای فشارشکن مورد استفاده در ایستگاههای تقلیل فشار نیز می‌باشند. در حال حاضر کاهش فشار گاز توسط شیرهای فشار شکن انجام می‌شود. در صورت جایگزینی این شیرها با توربینهای انبساطی، انرژی فشار موجود در گاز بازیافت خواهد بود. با قرارداد توربینهای انبساطی در مسیر جریانهای گاز تحت فشار نظیر می‌توان انرژی فشار موجود در این جریانها را بازیافت نمود جریانی که دارای دما و فشار بالا باشد منبع مناسبی برای بازیافت انژری توسط توربینهای انبساطی است.

شکل (۱-۱) طرح توربین انبساطی نیروگاه نکا
۱-۳ ژنراتور توربین انبساطی:
ژنراتور های توربین انبساطی از نوع القایی (آسنکرون) بوده و معمولا جهار قطب می باشند. روتور ژنراتور و روتور توربین با هم ، هم محور بوده و دور تحویلی به روتور ژنراتور از ۱۵۰۰ تا ۱۵۰۷ دور در دقیقه است که با گردش روتور درون استاتور برق تولیدی توسط پایانه های استاتور خارج شده و به شبکه وارد می شود.
استفاده از ژنراتور آسنکرون قفسه سنجابی در نیروگاه های توربین انبساطی دارای مزایای فوق العاده زیادی می باشد. این ژنراتورها ارزان، محکم، ساده و بدلیل نداشتن رینگ، جاروبک، کموتاتور، باطری و اینورتر، تعمیرات و نگهداری خیلی ساده ای دارند همچنین بدلیل فقدان سیستم کنترل مناسب و ارزان چندان هنگامیکه ماشین آسنکرون بصورت ژنراتور کار می کند جریان مغناطیسی (راکتیو) مورد نیاز خود را به دو روش می تواند تأمین نماید. در حالت متصل به شبکه این جریان از شبکه و در حالتی که به صورت خود تحریک مورد بهره برداری قرار می گیرد این جریان راکتیو توسط بانک خازنی فراهم می گردد. البته وجود خازن حتی در حالت اول می تواند به کاهش جریان خط انتقال منجر شود که این مسئله خود باعث کاهش تلفات و بهبود رگولاسیون ولتاژ می گردد. نکته قابل توجه در این حالت این است که میزان توان راکتیوی که ماشین آسنکرون در حالت ژنراتوری از شبکه اخذ می نماید به ازای لغزش مشخص از حالت موتوری بیشتر بوده و با افزایش توان اکتیو تولیدی آن، میزان توان راکتیوی که ماشین از شبکه اخذ می نماید افزایش می یابد و کمترین مقدار آن در سرعت سنکرون می باشد. قابل توجه است که گاهی ممکن است میزان توان راکتیوی که ژنراتور های آسنکرون از شبکه جذب می کنند حتی از میزان قدرت اکتیوی که تولید می کنند تجاوز نماید که این مشخصه نامطلوب، یک تحمیل غیر ضروری به شبکه و واحدهای سنکرون متصل به آن می باشد و در نتیجه سیستم را ممکن است از لحاظ شرایط تنظیم ولتاژ تضعیف نماید. برای حذف این پدیده بایستی توان راکتیو مورد نیاز هر ژنراتور آسنکرون را بطور محلی جبران نمود. از آنجا که میزان توان راکتیو تولیدی توسط خازن وابسته به ولتاژ ترمینال ژنراتور می باشد و امکان تغییر پیوسته در مقدار آن نیست، در شرایط مختلف بارگیری به منظور تثبیت فرکانس و دامنه ولتاژ، به مقادیر متغیری از توان راکتیو می باشد که این مسئله باعث می شود تا جهت جبران توان راکتیو مورد نیاز مهندسین و طراحان به فکر چاره اندیشی بیفتند.
۱-۴ ادوات فاکت:
وسایل FACTS در ابتدا برای حل مسائلی که به واسطه محدودیت در احداث خطوط انتقال به وجود آمد بکار گرفته شدند و در تبادل توان انتقالی رو به رشد با اهداف دوگانه زیر سهولت ایجاد کردند:
افزایش توانایی انتقال توان در سیستمهای انتقال
هدایت عبور توان در مسیرهای مورد نظر
کنترل کننده های FACTS قادرند با فراهم کردن پایداری زاویه ای و پایداری ولتاژ، توان انتقالی حالت دائمی را بطور قابل ملاحظه افزایش دهند.
با کنترل جریان خط (به عنوان مثال با تغییر دادن امپدانس موثر خط) میتوان عبور توان در مسیر خط انتقال مورد نظر را کنترل و عبور توان در مسیرهای موازی و حلقوی را تعدیل کرد. همچنین هدف این است که در شرایط پیشامد بتوان مسیر توان عبوری از سیستم اولیه به سیستم ثانویه موجود را به سرعت تغییر داد تا انتقال توان مطلوب در کل سیستم محفوظ بماند.
با برآورده شدن اهداف اساسی فوق بهره برداری از سیستم انتقال موجود بطور قابل ملاحظه ای افزایش می یابد و این اهداف می تواند نقش مهمی در تنظیم مجدد با حداقل نیازمندی به خطوط جدید ایفاء کند. همچنین مباحث جدیدی در زمینه تکنولوژی الکترونیک قدرت و سیستم کنترل همزمان و جلوگیری از تداخل نامطلوب آنها با اهداف و آرایشهای مختلف سیستم در شرایط نرمال و وقوع حادثه مطرح می شود. این مباحث جدید در جهت ایجاد استراتژی کنترل بهینه، لینکهای مخابراتی، پروتکل های ایمنی است. تحقق چنین سیستم کنترل بهینه ای را می توان بعنوان هدف سوم در FACTS عنوان کرد.
۱-۴-۱ کنترل کننده های FACTS:
توسعه کنترل کننده های FACTS دو روش فنی متمایز در پی داشته که هر دو روش منجر به گروهی از کنترل کننده ها شده اند که قادرند مشکلات مورد نظر در خطوط انتقال را حل نمایند.
گروه اول از امپدانسهای راکتیو یا ترانسفورماتورهای دارای تپ چنجر همراه با سوییچهای تایریستوری (به عنوان عناصر کنترل کننده) استفاده مینماید.
گروه دوم از کانورترهای استاتیکی با کموتاسیون خودی استفاده می نماید.
SVC:
جبران کننده های توان راکتیو استاتیکی پیشرو کنترل کننده های FACTS امروزی هستند. یک نمونه از این نوع که شامل خازنهای سوئیچ شونده با تریستور (TSC) ،راکتورهای سوئیچ شونده با تریستور (TSR) است در شکل نشان داده شده است . با هماهنگی مناسب توان راکتیو خروجی می تواند در محدوده کاپاسیتیو و اندوکتیو بطور پیوسته تغییر نماید. SVC معمولا برای تنظیم ولتاژ در نقطه مورد نظر در سیستم عمل می نماید.
STATCOM:
STATCOM قادر است جبران کننده توان اندوکتیو و کاپاسیتیو باشد و همچنین قادر است توان خروجی اش را در محدوده حداکثر جریان، مستقل از ولتاژ سیستم ac کنترل نماید. به این معنی که قادر است جریان خروجی کاپاسیتیو کامل را در هر ولتاژ سیستمی، عملا تا ولتاژ صفر، فراهم نماید.
در این پروژه سعی شده تا تاثیر ادوات فاکت همچون SVC , STATCOM جهت جبران توان راکتیو و بهبود پایداری دینامیکی ژنراتور توربین انبساطی در شرایط پایدار و گذار مورد بررسی قرار گیرد.
فصل دوم
توربین انبساطی
۲-۱ مقدمه:
به هر دستگاهی که بتواند از یک جریان مداوم سیال انرژی بگیرد و یا به آن انرژی بدهد ، تربو ماشین می گویند. توربین، توربو ماشینی است که با انبساط مداوم یک سیال جاری به فشار کمتر یا آنتالپی کمتر قدرت تولید می کند . واژه توربین برای اولین بار به وسیله ((Claude Burdin ۱۷۹۰-۱۸۷۳ در سال ۱۸۲۸ به وجود آمد که از لغت یونانی به معنی چرخنده یا سر گردان مشتق شده‌است. توربین موتوری چرخنده‌است که می‌تواند از یک سیال انرژی به‌دست آورد.
ساده‌ترین توربین‌ها یک بخش چرخنده و تعدادی پره دارند که به بخش اصلی متصل شده‌است سیال به پره‌ها برخورد می‌کند و بدین ترتیب از انرژی ناشی از متحرک بودن آن استفاده می‌کند به عنوان اولین توربین‌ها می‌توان آسیاب بادی و چرخاب را نام برد.
توربین‌های گاز، بخار و آب معمولاً پوشش محافظی در اطراف پره‌هایشان دارند که سیال را کنترل می‌کنند پوشش‌ها و پره‌ها می‌توانند اشکال هندسی مختلفی داشته باشند که هر کدام برای نوع سیال و بازده متفاوت است.
کمپرسور یا پمپ دستگاهی مشابه توربین است ولی با عملکرد بر عکس به طوری که این دستگاه انرژی را می‌گیرد و باعث حرکت یک سیال می‌شود.
۲-۲ انواع توربین:
۱- توربین‌های بخار: برای تولید برق در نیروگاه‌های حرارتی که از ذغال سنگ، نفت و انرژی هسته‌ای استفاده می‌کنند به کار برده می‌شوند روزی از آنها برای هدایت وسایل نقلیه مانند کشتی استفاده می‌شد.
۲- توربین‌های گازی: این توربین‌ها معمولاً دارای یک ورودی، فن، کمپرسور، محفظه متراکم کننده و یک نازل است.
۳- توربین‌های ترانسونیک: جریان گاز در اکثر توربین‌ها همواره سرعتی زیر صفر دارد در این نوع توربین‌ها سرعت گاز هنگام خروج بالاتر از صفر است. این توربین‌ها در فشار بالاتری کار می‌کند ولی معمولاً بازده کمی دارند و خیلی هم مرسوم نیستند.
۴- توربین‌های کنترا رتاتینگ: دو توربین که یکی بالا دیگری پایین در جهت مخالف هم می‌چرخند این سیستم پیچیدگی‌هایی دارد که تولید آن را کاهش می‌دهد.
۵- توربین‌های سرامیک: توربین‌های با فشار بالا که از آلیاژ نیکل و فولاد ساخته شده‌اند معمولاً دارای سیستم‌های خنک کننده پیچیده هستند اخیرا پره‌های سرامیکی روی توربین‌های گازی امتحان شده‌است.
۶- توربین انبساطی: توربینی می باشد که در مسیر جریان لوله های گاز قرار میدهند جهت کاهش فشار گاز و از انرژی بازیافت فشار برای گردش ژنراتور استفاده میکنند.
۲-۳ توربین انبساطی:
پراکندگی منابع گاز طبیعی در نقاط خاص باعث شده است تا از سیستمهای مختلف انتقال و توزیع استفاده شود. مایع نمودن گاز طبیعی و سپس حمل آن توسط تانکر و یا کشتی و همچنین استفاده از سیستم های شبکه گازرسانی دو روش متداول جهت انتقال و توزیع گاز طبیعی می باشد. در ایران اقتصادی ترین روش، استفاده از سیستم های لوله کشی می باشد.
با توجه به تراکم پذیر بودن گاز طبیعی، انتقال آن بوسیله خطوط لوله در فشار های بالا انجام می شود. امّا با توجه به نیاز مصرف کننده های مختلف به فشارهای پائین تر، لازم است که فشار آن در محل مصرف تقلیل پیدا کند. این موضوع با کاهش انرژی فشاری ذخیره شده در یک ایستگاه تقلیل فشار انجام می گیرد. در اکثر این ایستگاهها، فشار گاز توسط شیر فشارشکن به مقدار مورد نظر کاهش پیدا می کند. در این نوع کاهش فشار در حقیقت نوعی اتلاف انرژی به وجود می آید، در صورتی که می‌توان انرژی ذخیره شده در گاز طبیعی را با بکار بردن تجهیزات مناسب به گونه‌ای مفید از انرژی تبدیل نمود.
بوسیله توربین انبساطی می توان از انرژی حاصل از تقلیل فشار گاز استفاده نمود. گاز طبیعی با فشار بالا وارد توربین انبساطی شده و با فشار پائین از آن خارج می شود . انرژی حاصل از کاهش فشار به حرکت دورانی تبدیل می گردد و ژنراتور به دوران درمی آید وبرق تولید می کند. به این فن آوری، تبدیل فشار به انرژی (PIP) می گویند.
کشور ایران دارای شبکه وسیع انتقال و توزیع گاز طبیعی است. برای انتقال راحتر گاز و کاهش اندازه لوله ها و تلفات انتقال ، فشار آم را در مبدا افزایش می دهند و در طول مسیر نیز سعی می شود تا فشار آن ثابت بماند (همانند انتقال برق که برای کاهش تلفات و حجم سیم ها ولتاژ را در مبدا افزایش می دهند). فشار نوعی گاز در این لوله ها در محدوده ۲۰۰ الی psi1500 می باشد. معمولا در محل مصرف برای کاهش فشار و کنترل گاز مصرفی ، تجهیزات فشار شکن با مشخصات مورد نظر نصب می شود . فشار گاز ورودی به ایستگاه فشار شکن با توجه به مشخصات نیروگاه و یا حجم گاز ورودی به سیستم غالبا بسیار بیشتر از فشار خروجی از ایستگاه است که در جریان وقوع فرایند کاهش فشار ، مقدار قابل توجهی انرژی نهفته در گاز فشار بالا در اثر خفه کردن به صورت گرما تلف می گردد. توربین های انبساطی ، انبساط گرهای چرخانی هستند که ضمن کاهش فشار لوله های گاز طبیعی ، می توانند این انرژی را بازیافت نموده و برای تولید برق به ژنراتور الکتریکی یا مصارف دیگر از قبیل بارهای کمپرسوری تحویل دهند.
۲-۳-۱ مزایای استفاده از توربین انبساطی:
به طور کلی مزایای استفاده از این سیستم را به صورت زیر می توان خلاصه کرد:
الف - بازیافت انرژی و تبدیل آن به کار محوری و در نهایت تولید انرژی الکتریکی
ب - تولید انرژی بدون مصرف سوخت
ت - به دلیل عدم استفاده از سوخت های فسیلی جهت ایجاد انرژی، این سیستم آلودگی زیست محیطی به وجود نیاورده و جزء صنایع پاک (سبز) محسوب می شود.
ث - کاهش فشار گاز به وسیله توربین های انبساطی و یا شیرهای فشار شکن سبب کاهش دمای گاز خروجی می شود. با بهره گرفتن از توربین های انبساطی به جای شیرهای فشار شکن جهت کاهش فشار گاز ، افت دمایی بیشتری در گاز خروجی رخ می دهد که می توان از کاهش دمای تولیدی در ایجاد سرمایش در صنایع مختلف استفاده نمود.
ج - هرچند این سیستم در مقایسه با بهره گرفتن از شیر فشار شکن هزینه اولیه ، نگهداری و نصب بیشتری دارد ولی به دلیل مزایای فوق، در مجموع اقتصادی تراست. هزینه تولید یک کیلو وات ساعت برق به این روش بسیار کم تر از هزینه تولید همان مقدار انرژی در یک نیروگاه می باشد.
به طور کلی توربین انبساطی دستگاهی جهت تبدیل انرژی گاز به برق می باشد، این دستگاه فوق العاده ارزشمند در ایستگاه های تقلیل فشار گاز مورد استفاده قرار می گیرد، در واقع این دستگاه جهت جلوگیری از اتلاف انرژی در ایستگاه های تقلیل فشار گاز کاربرد دارد چرا که در گذشته در ایستگاه ها مقدار انرژی که از گاز گرفته می شد تا فشار گاز به فشار دلخواه برسد توسط رگولاتور صورت می پذیرفت که این خود سبب هدر رفتن انرژی بود، این دستگاه همین مقدار انرژی لازمه را از گاز گرفته با این تفاوت که توسط یک سیستم دوار آن را به سمت یک ژنراتور برق هدایت می کند و در نهایت این انرژی را به انرژی برق زیادی تبدیل می کند.
۲-۳ -۲ ساختار توربین انبساطی:
توربین ها از نظر نوع ساختار به دو دسته زیر تقسیم میشوند:
الف) توربین های ضربه ای : در این نوع توربینها ، توان حاصله نیروی وارده از طرف سیال به پره های توربین است.
ب) توربین های عکس العملی : در این نوع توربین توان حاصله نتیجه عکس العمل خروج سیال از بین پرده ها است .