انرژی الکترونیکی در مدت دو قرن، به بخش ضروری از زندگی مدرن و جزئی غیر قابل حدف از فعالیت صنایع تبدیل شده است. حتی توقف موقتی تولید و انتقال جریان برق می‌­تواند منجر به هرج و مرج نسبی، ضررهای مالی و از بین رفتن احتمالی جان عده­‌ای شود. توربین­‌ها به عنوان بازوان اصلی تامین­ کننده این قدرت عظیم از جایگاه ویژه‌­ای در صنعت تولید انرژی برق برخوردار هستند. لذا به کارگیری رویکردی جامع برای تعمیر و نگهداری توربین ها جهت جلوگیری از خواب این تجهیزات از اهمیت به سزایی برخوردار است. با نگاه به بازار توربین ­ها می‌­توان بیش از پیش به نقش آفرینی وسیع آن­‌ها پی ­برد. بر طبق گزارش‌­های منتشر شده از بازارهای مالی تا سال 2019، به ترتیب توربین­‌های بادی با 50 میلیارد دلار و توربین­‌های گازی با 19.6 میلیارد دلار بیشترین سهم را در این بازار به خود اختصاص داده‌­اند. همچنین توربین‌­های بخار و آبی سهم بازار 24.1 و 2 میلیارد دلار تخمین زده شده است.

تعمیر و نگهداری توربین ها

در طول دهه­‌های گذشته، استراتژی­‌های مرتبط با تعمیر و نگهداری توربین ها دستخوش تغییر شده است. این تغییرات در دو بخش قابل بررسی است. نگاه جدید به دارایی ‌های فیزیکی به عنوان اولین عامل تاثیرگذار در دگرگون شدن فرآیند تعمیر و نگهداری توربین ها مطرح است. عامل دیگر ازجنس فنی و در طراحی توربین­‌ها نهفته است. ساختار توربین­‌ها در سال­‌های اخیر پیچیده‌­تر و از ظرافیت بیشتری برخوردار شده است. این تغییرات فنی، دانش فنی کافی و نیز بازرسی­‌های دوره‌­ای بیشتر و با فاصله زمانی کمتر را برای حفظ کارکردهای تجهیز در طول چرخه عمرش می‌­طلبد. لذا آشنایی بیش­تر با ساختار و عملکرد آن‌­ها می‌­تواند در بهبود تعمیر و نگهداری توربین ­ها و همچنین انجام بهتر و موثرتر بازرسی­‌ها ایفای نقش کند. از طرف دیگر بعد مالی خرابی این تجهیز، مهر تایید بر ضرورت توجه به این موضوع و همچنین انجام اقدامات پیشگیرانه در جهت افزایش اثربخشی فرآیند نگهداری و تعمیرات این تجهیزات ارزشمند می‌­زند. در راستای اهمیت تعمیر و نگهداری توربین ها در این نوشتار سعی شده با تمرکز بر بخش فنی، ساختار و عملکرد این تجهیزات بررسی شود و همچنین ملاحظات تعمیر و نگهداری توربین ها مورد توجه ویژه قرار بگیرد.

معرفی ساختار و عملکرد توربین­ ها

توربین ‌­ها تجهیزاتی هستند که انرژی جنبشی برخی از سیالات را به حرکت چرخشی تبدیل می­‌کنند. این دستگاه­‌ها عموما در تولید برق و سیستم‌­های پیشرانه مورد استفاده قرار می­‌گیرند و به عنوان نوعی موتور دسته­ بندی می‌­شوند. در یک توربین، انرژی جنبشی سیال ورودی، به پره­‌ها منتقل شده و باعث چرخش آن‌­ها می‌­شوند.

در موتورهای مجهز به توربین سوخت و هوا در فشار و درجه حرارت بالا واکنش نشان می‌­دهند و انرژی جنبشی فرآورده‌­های این واکنش، پره­‌های توربین را به چرخش در می­‌آورد. توربین­‌ها بر اساس چرخه ترمودینامیکی برایتون کار می­‌کنند. در این چرخه، هوای اتمسفر فشرده، گرم و دوباره منبسط می‌­شود.

توربین­‌ها را می‌­توان براساس سیالات مورد استفاده در چهار دسته کلی آب، بخار، گاز و باد قرار داد. اگرچه که توربین­‌ها اصول یکسانی از نظر عملکردی دارند اما طراحی هر یک از انواع آن ممکن است با انواع دیگر متفاوت باشد.

در توربین بخار فشارهای ورودی و خروجی و دمای مربوط به آن‌­ها انرژی موجود در توربین را تعیین می­‌کنند. برای آزاد کردن انرژی درون توربین، بخار از یک سری محفظه ثابت یا متحرک و تیغه­‌ها عبور می­‌کند. در نتیجه این عمل فشار کاهش می‌­یابد. در یک توربین تک مرحله­‌ای یک مجموعه تازل در کنار تیغه­‌های روتور انرژی بخار را به انرژی جنبشی تبدیل می­‌کنند. انرژی تولیدی به صورت ضربه­‌ای یا واکنشی شافت را به حرکت درآورده و نیرو تولید می­‌شود. در نوع ضربه‌­ای فرآیند کامل انبساط بخار در درجه اول انجام می­‌شود­ و در نازل­‌های ثابت انرژی جنبشی به مکانیکی تبدیل می‌­شود. افت فشار در این نوع در تیغه­‌های توربین اتفاق می‌­افتد.

توربین بخار واکنشی متشکل از تیغه­‌های ثابت و متحرکی است که در آن تیغه­‌های ثابت نقش نازل را ایفا می­‌کنند.

ملاحظات تعمیر و نگهداری توربین­ های بخار

امر تعمیر و نگهداری توربین ­های بخار امروزی به دلیل پیچیده‌­تر شدن، توجه بیشتری را می­‌طلبد. بازرسی­‌های دوره‌­ای منظم‌تری برای جلوگیری از خرابی آن­‌ها لازم است. ابعاد فنی بخش جدای ناپذیر برنامه‌­های تعمیر و نگهداری توربین ­های بخار است. ورود بخار و رطوبت به محفظه یاتاقان­‌ها توربین خرابی زودرس آن­‌ها را به همراه دارد. به همین جهت باید این قطعات به درستی روغن کاری شوند. همچنین یاتاقان­‌ها در معرض دمای بالا و بارهای تکانشی گذرا قرار دارند و لازم است بازرسی­‌های پیوست‌ه­ای برای جلوگیری از خرابی آن­‌ها انجام شود. نکته دیگر در بخش فنی تعمیر و نگهداری توربین­ های بخار، آلودگی است. آلودگی در کنار روغن کاری نامناسب و همچنین مشکل در خروج بخار از کنار بست­‌های شافت می‌­تواند با خرابی زود هنگام بلبرینگ­‌ها همراه باشد. برای چلوگیری از این اتفاق از بست­‌های تو در تو استفاده می‌­شود که از نفوذ بخار جلوگیری می­‌کند.

جدول زیر خرابی­‌های رایج این نوع توربین و دلایل بروز آن را به طور موجز دسته‌­بندی و تشریح می­‌کند. آشنایی با این خرابی­‌ها و عوامل رخ داد آن­‌ها در انجام صحیح تعمیر و نگهداری توربین­ های بخار بسیار راهگشاست.

توربین ­­های گازی

در توربین­‌های گازی، گاز نقش سیال را برای چرخاندن ایفا می­‌کنند. بیشتر موتورهای توربین گازی شامل حداقل یک کمپرسور، محفظه احتراق و توربین هستند. این­ مجموعه به عنوان یک حرکت­ دهنده اصلی در یک چرخه به اصطلاح بازعمل می­‌کنند، که در آن هوا از جو گرفته می‌­شود و محصولات احتراق در نهایت دوباره به جو باز می­‌گردد. عملکرد موفقیت آمیز به یکپارچه‌سازی کل دستگاه بستگی دارد لذا مهم است که کل دستگاه را به عنوان یک موتور درون­سوز در نظر بگیریم تا توربین به تنهایی. به همین دلیل توربین­‌های گازی در موتورهای احتراق داخلی مورد استفاده قرار می­‌گیرند. یکی از کاربردهای رایج توربین­‌های گازی استفاده در موتورهای جت است. در این نوع توربین­‌ها هوای فشرده شده با سوخت مخلوط می‌­شود. هنگامی که شعله‌­ور شد، سریعا منبسط و به داخل توربین رانده می­‌شود و آن را به چرخش در می‌­آورد. در تصویر زیر عملکرد توربین گازی را می‌­بینید.

ملاحظات تعمیر و نگهداری توربین ­های گازی

تعمیر و نگهداری توربین­ های گازی را از دو جهت می‌­توان بررسی کرد. گام اولیه در تعمیر و نگهداری این نوع توربین ها در نظر گرفتن برنامه‌­ای برای سرویس و نگهداری است که موارد زیر بطور ویژه در آن لحاظ شده است:

• مسیر ترمودینامیکی گاز به صورت منظم و کامل چک شود.
• لرزش و بی ثباتی توربین به سرعت شناسایی شود.
• شرایط روانکار و سیستم روانکاری به صورت منظم بازدید و پایش شود.
• پارامترهایی برای نظارت آنلاین بر تجهیز تعریف شود.
• فعالیت‌­های بازرسی برنامه ­ریزی شده برای تمامی اجزاء درنظر گرفته شود.

در سمت دیگر تعمیر و نگهداری توربین­ های گازی توجه به مشکلات متداولی است که برای این تجهیز رخ می‌­دهد. باید به این نکته توجه کرد که شناسایی درست خرابی می‌­تواند تسهیل کننده این مهم باشد. فیلتراسیون مناسب نقش کلیدی در جلوگیری از خرابی­‌های بلقوه این تجهیز دارند. عدم فیلتراسیون مناسب باعث می‌­شود تا رسوبات مختلفی بر روی تیغه­‌ها و سایر اجزای توربین قرار بگیرد. این اتفاق می‌­تواند منجر به افت عملکرد، خردگی و نیز خرابی اجزا شود. لذا استفاده از فیلتر مناسب در تسهیل امر تعمیر و نگهداری توربین­ های گازی بسیار ضرورت دارد. گاهی در این نوع توربین به علت عدم فیلتراسیون درست ذرات وارد شده به توربین، به جای اینکه به سطوح بچسبند، به آن برخورد کرده و باعث فرسایش می‌­شوند. این فرسایش می­‌تواند در هر دو لبه جلو و عقب ایرفویل رخ دهد. این اتفاق می‌­تواند عملکرد صحیح توربین را مختل نماید.

سایش یکی از مشکلات رایجی است که باید در تعمیر و نگهداری توربین­ های گازی مورد توجه قرارداد. فرسایش به دلیل تماس سطوح متحرک به سطوح ثابت ایجاد می ­شود. این اتفاق در توربین ­های گازی می‌­تواند به دلایل مختلفی مانند تنظیم نادرست، اصطکاک یاتاقان­‌ها، خزش حرارتی و عدم تغییر جهت در اجزا رخ دهد. ایجاد سایش مانند خردگی می‌­تواند باعث خروج روتورها از تراز خود و متعاقب آن افزایش لرزش و ایجاد فشار بیشتر بر یاتاقان­‌ها و خرابی آن­‌ها و سایر قطعات شود.

خستگی یکی دیگر از مشکلات رایجی است که باید در تعمیر و نگهداری توربین‌­های گازی مورد توجه قرار گیرد. خستگی به دلیل گرمای شدید تیغه­‌های توربین رخ می­‌دهد. عوامل زیادی می‌­تواند در این رخداد نقش داشته باشد، رسوبات و خوردگی، مشکلات احتراق و جریان هوا که باعث افت دما می‌­شود، ارتعاش بیش از حد و عدم کنترل تنش گرمایی در هنگام راه­ اندازی و خاموشی از دلایل ایجاد خستگی در توربین­ های گازی است. خستگی منجر به ایجاد خرابی­‌های اساسی در پره‌­ها و متعاقب آن یاتاقان­‌ها می­‌شود. لذا لازم است که در برنامه تعمیر و نگهداری توربین ­های گازی انجام اقدامات پیشگیرانه در راستای جلوگیری از وقوع این مشکلات متداول برنامه­ ریزی شود.

توربین­ های بادی

توربین­‌های بادی به عنوان جانشینان آسیاب­‌های بادی، بر یک اصل ساده استوار هستند و با استفاده از باد، برق تولید می‌­کنند. باد پره­‌های پروانه توربین را به دور یک روتور می­‌چرخاند که باعث چرخش ژنراتور می­‌شود و درنهایت برق تولید می­‌گردد. به طور دقیق‌­تر، توربین بادی با استفاده از نیروی آیرودینامیکی از تیغه­‌های روتور که مانند بال هواپیما یا تیغه روتور هلیکوپتر کار می­‌کنند، انرژی باد را به برق تبدیل می­‌کنند. وقتی باد از روی تیغه عبور می­‌کند، فشار هوا در یک طرف تیغه کاهش می­‌یابد. اختلاف فشار هوا در دو طرف تیغه باعث بالا رفتن و کشیدن می‌­شود. نیروی بالابرنده از کشیدن بیشتر است و این باعث چرخش روتور می‌­شود. روتور به طور مستقیم یا از طریق یک شافت و تعدادی چرخ دنده به ژنراتور متصل می‌­شود و جریان برق تولید می­‌گردد.

توربین­‌های بادی براساس محور چرخش در دو نوع محور افقی (HAWTs) و محور عمودی (VAWTs) دسته­ بندی می‌­شوند. در نوع افقی، محور چرخش به صورت افقی با زمین و تقریبا موازی با جریان باد قرار دارد. توربین­‌های بادی محور افقی عمدتا براساس اصل بالابر کار می­‌کنند و همانطور که پیش‌­تر گفته شد پره­‌های روتور را به چرخش در می­‌آورند. در نوع دیگر این توربین­‌ها محور چرخش عمود بر زمین و جهت باد است. این مدل هم مانند همتای خود توربین بادی محور افقی کار می­‌کند با این تفاوت که نسبت به آن برتری‌­هایی دارد. یکی از مهم‌ترین امتیازات این نوع توربین این است که باد را می­‌توان از هر جهت دریافت نماید. همچنین به علت قرارگیری جعبه دنده و ژنراتور در نزدیکی زمین، سازه برجی ساده ­تر و تعمیر و نگهداری آن راحت­‌تر است.