دانلود مقاله کاربرد نانو مواد در صنعت برق

بخشی از مقاله

کاربرد نانو مواد در صنعت برق

فهرست
كاربرد نانومواد درصنعت برق.۱
‌پيشرفتهاي حاصله در زمينه نانوتكنولوژي(متالوژي)۲
‌پيشرفتهاي حاصله دربهبود خواص مواد يا نانو ساختارسازي٣
ريز ساختار نانومواد.۴
تاثير نانوساختارسازي بربهبودخواص پوشش ها۱۰
نتيجه گيري۱٤
انجام تغييرات اصلاحي. بازده توربين بخار را افزايش مي دهد۱٥
گزينه هاي اصلاحات۱٦
اصلاحاتي در زمينه سيلينگ(آب بندي)۱٨
كراكينگ ديسك.۱٩
بهسازيPECO٢٠
تغيير اصلاحي بر روي توربين هاي HP و LP.۲٢
آرايش هاي مختلف توربين هاي بخار۲٤
منابع٢٦

كاربرد نانومواد درصنعت برق
‌‌‌‌زماني كه قرن بيستم آغاز شد،افراد معمولي بسيار سخت مي توانستند درك كنند كه خودروها وهواپيماها چگونه كار مي كنند·بهره گيري از انرژي اتمي فقط درحد تئوري وجود داشت و شايد اكنون نيز براي عده اي در ابتداي قرن بيست و يكم بسيار سخت باشد كه باور كنند بشر روبوتهاي ميكروسكوپي خواهد ساختو خط مونتاژ ميكروسكوپي داشته باشد·توليد چنين محصولات خارق العاده اي حاصل بخشي ازدانش بشري است كه به آن نانوتكنولوژي مي گويند·
بحث نانوتكنولوژي يكي ازرايج ترين مباحث در مجامع علمي دنيا ست و كشورهايي كه نتوانند در اين فن آوري موقعيت مناسبي بدست آورند،در آينده دربسياري زمينه هاازگردونه رقابت اقتصادي خارج مي شوند چرا كه ازجمله مهمترين شاخصه هاي قابليت اقتصادي درآينده،توانايي خروج موفقيت آميزازبحران انرژي است و ازنانوتكنولوژي به منزله سلاحي جديد براي مقابله با اين بحران ياد مي شود·
امروزه ازطرفي به دليل كاهش يافتن منابع اوليه انرژي هاي فسيلي دردنيا و از طرف ديگر به دليل ايجاد آلودگي هاي شديد زيست محيطي در اثر افزايش مصرف اين منابع،توجه خاصي به منابع جديد تامين انرژي مانند انرژي هاي خورشيدي، بادي و… مي شود· اما استفاده از اين منابع مستلزم دستيابي به
تكنولوژي تبديل كننده اين پتانسيل ها به انرژي هاي الكتريكي، مكانيكي و… است·(مثل پيلهاي سوختي سلهاي خورشيدي و…)
ازسوي ديگر، نانوتكنولوژي، به سبب بهبود كيفي ابزارها، مصرف كمتر مواد اوليه مصرف كمتر انرژي، كاهش توليد مواد زائد و افزايش سرعت توليد در كشورهاي پيشرفته به عنوان مهمترين روش توليد و ساخت اين ابزارها، مطرح است· همچنين به كمك اين فناوري گام هاي موثري در جهت كاهش آلودگي زيست محيطي حاصل از سوختهاي فسيلي برداشته شده است· از اين رو از مهمترين بسترهاي به كارگيري نانو تكنولوژي در ساخت و توليد مبدلهاي انرژي هاي نو(مثل سلهاي خورشيدي و پيلهاي سوختي)، كاهش آلاينده هاي زيست محيطي نيروگاه هاي گاز سوز(با استفاده از كاتاليست هاي احتراق)و افزايش راندمان اين نيروگاه ها(با بكارگيري نانوپوشش ها ونانومگنت ها) است·
‌پيشرفتهاي حاصله در زمينه نانوتكنولوژي(متالوژي)
تكنولوژي مواد يك تكنولوژي بنياني در زمينه فن آوري اطلاعات، حفاظت محيط زيست، بهينه سازي مصرف و توليد انرژي است·از سوي ديگر نانوتكنولوژي قابليت بالايي در اصلاح خواص مواد مورد مصرف و ابداع كاربردهاي جديد براي مواد با كنترل ريز ساختارآنها درابعاد بسياربسيار ريز دارد واز اين رومي توان ظهورآن را يك انقلاب بزرگ درآغاز قرن بيسست و

يكم دانست بطور كلي پيشرفتهاي حاصل از نانو تكنولوژي در شاخه متالوژي را مي توان به دو دسته تقسيم كرد:
الف)پيشرفتهاي حاصله درساخت و توليد
ب)پيشرفت هاي حاصله در تغيير خواص مواد مورد مصرف به كمك نانوتكنولوژي
پيشرفتهاي حاصله در ساخت و توليد
در شاخه ساخت و توليدامروزه مهمترين كارهاي انجام شده در زمينه توليد نانوذرات و نانو پودرهاست· نانوپودرها موادي هستند كه به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد خود در نوع خاصي از توليد بنام«توليد پايين به بالا»مورد استفاده قرار مي گيرند·
درتوليد پايين به بالا به جاي اينكه ماده مورد نظر را از تراش دادن ماده توده اي بسازند،آن را از ذرات و مولكولهاي تشكيل دهنده اش مي سازند اين روش با روش معمولي(توليدازبالا به پايين) بسيارمتفاوت است زيرا درتوليد معمولي، حجم بسيارزيادي ازمواد زايد حاصل ازتراش دور ريخته مي شود ولي در توليد پايين به بالا، علاوه بر اينكه چنين مشكلي وجود ندارد، استحكام ماده توليدي نيزبه علت كم شدن نواقص ريزساختاري بالا مي رود·

‌‌‌پيشرفت هاي حاصله دربهبود خواص مواد با نانو ساختارسازي
محققان و دانشمندان علم مواد و فيزيك بر اين باورند كه بسياري از خواص فيزيكي مواد ارتباط تنگاتنگي با ريز ساختار ماده(آرايش اتمي، تركيب شيميايي و همگني آرايش كريستالي يك جامد در يك يا دو يا سه بعد)دارد· بديهي است با پذيرش چنين اصلي مي توانيم انتظار تغيير خواص فيزيكي يك جامد را دراثر تغيير يافتن يكي از پارامترهاي مذكور داشته باشيم· در ارتباط با نانومواد گزارشات متعددي درخصوص تغييرات خواص دراثراين تحولات ارايه شده است كه با توجه به كاربردهاي بسيار جالب آنها، تلاشهاي زيادي جهت درك پديده هاي نوظهورايجاد شده درحال انجام است درواقع تغييردر ساختار اتمي مواد، نقش تعيين كننده اي در كنترل خواص مواد نانوساختار دارد· به عنوان مثال كم شدن ابعاد دانه درحد نانومتراثر شديدي بر توليد و حركت نابجائي ها و در نتيجه افزايش چشمگير استحكام تسليم، سختي و چقرمگي دارد·همچنين مقاومت به سايش و خوردگي مواد نانوساختار از نمونه هاي معمول بيشتر است·
ريز ساختار نانومواد:
در يك تقسيم بندي كلي انواع مواد نانوساختار مي توانند بر اساس تركيب شيميايي كريستاليت ها يا مرز دانه ها، شكل بلوك ها و… در چهار گروه دسته بندي شوند·
برا ساس این مدل در ساده ترین حالت ( گروه اول ) کریستالیتها و نواحی مرزی دارای ترکیب شیمیمایی یکسان هستند . مثل پلیمرهای نیمه هادی که درآنها لایه های کریستالی روی هم چیده شده ، توسط لایه های غیر کریستالی جدا می شود . این کریستالیتها ، ساختار کریستالی متفاوت اما ترکیب شیمیایی یکسانی دارند .
گروه دوم نیز مشابه گروه اول است با این تفاوت که علاوه برساختار کریستالی ترکیبی شیمیایی کریستالیتها نیز با یکدیگر متفاوت است . حالت سوم حالت یاست که یک کریستالیت غالب وجود دارد که بین دانه های آن مرزدانه است . در اینحالت یک نوع اتم یا مولکول در نواحی مرزی به گونه ای تجمع می یابد که هم تغییرات ساختاری و هم شیمیایی را به طور مضاعف داشته باشیم . نوع چهارم جامدهای نانوساختار ، می تواند به صورت توزیع کریستالهای نانومتری با اشکال مختلف ( نظیر صفحه ای ،میله ای و غیره ،) در یک زمینه با ترکیب شیمیایی متفاوت پدیدار شود ( مثل آلیاژهای رسوب سختی شده ) . بدین ترتیب با اعمال کنترلهای بسیار دقیق ، شاهده تأثیرات نانو ساختار سازی بر بهبود خواص مواد مورد استفاده بود . بکارگیر نانو تکنولوژی در پوشش قطعات داغ توربین های گازی قطعات داغ توربین های گازی زمینی از سوپر آلیاژهای گران قیمت ساخته می شوند که دوام خزشی نسبتا بالایی داشته باشند . هزینه تأمین مواد اولیه از یک سو و پیچیدگی روشهای تولید ، ماشین کاری و کنترل کیفی از سوی دیگر سبب شده است که این قبیل قطعات قیمت تمام شده بالایی داشته باشند . قطعات مذکور در تماس مستقیم با گازهای داغ هستند ودر اثر عوامل تخریبی مختلفی از جمله سوخت مورد استفاده شوکهای حرارتی و شرایط محیطی آسیب می بینند. آسیبهای وارده به صورت کاهش ضخامت و تضعیف فلز پایه به دلیل خوردگی داغ ، اکسیداسیون ، فرسایش و پوسته شدند یا افت خواص مکانیکی در اثر نفوذ عوامل مضربه داخل زمینه آلیاژ بروز می کند . در سه دهه گذشته تلاشهای زیادی برای افزایش مقاومت این آلیاژها انجام شده است تا بدین وسیله افزایش توام با استحکام و مقاومت به اکسیداسیون و خوردگی امکان بالا بردن دما جهت افزایش راندمان توربین فراهم شود و نیز بتوان از سوختهای ناخالص تر و ارزان تر برا ی احتراق استفاده کرد . افزایش مقاومت به خوردگی آلیاژ، با بهبود ترکیب شیمیایی ، اصلاح ریز ساختار ، کنترل دمای کاری و کاهش عوامل خورنده در محیط کاری صورت می گیرد . همچنین افزودن یکسری از عناصر مانند کروم و آلومینوم سبب افزایش مقاومت به خوردگی و اکسید اسیون می شود . اما افزودن این عناصر سایر خواص آلیاژ مثل استحکام و مقاومت ضربه را به شدت کاهش می دهد . از طرفی کاهش دمای کاری توربین ها ، راندمان را کاهش داده و مقرون به صرفه نخواهد بود .
به منظورکاهش عوامل خورنده می توان از فیلتر کردن سوخت ، هوا و غیره استفاده کرد و لی حذف کامل این عوامل امکان پذیر نیست . از این رو جهت بر طرف کردن معظلات مذکور ، استفاده از پوشش مطرح شده که فلسفه آن طراحی سیستمی مشتمل از یک آلیاژ با استحکام بالا برای تحمل تنش ها و یک پوشش سطحی برای رسیدن به بالاترین خواص حفاظتی در برابر محیط باشد .
از بین پوشش های مرسوم می توان به پوشش های سرامیکی ، (تک فاز و کامپوزیتی ،) و پوشش های کروم سخت اشاره کرد . اما همه این روشها مشکلات مهمی دارند که باعث محدودیت در استفاده از آنها می شود . آبکاری کروم ، همراه با مواد سمی و خطرناک است و رفع آنها هزینه بسیار زیادی می طلبد ، از طرف دیگر پوششهای پاشش پلاسمایی سرامیکی ، قیمت کمتری نسبت به کروم سخت دارند ، اما تردند و چسبندگی خوبی با زمینه ایجاد نمی کنند . از این رو جایگزینی این پوشش ها با پوشش هایی که این مشکلات را نداشته باشند بسیار مورد توجه است و دربین راههای مختلف ، نانو ساختار سازی پوشش های سرامیکی از بهترین و جدیدترین شیوه ها محسوب می شود . با توجه با تأثیر بسزای بکارگیری نانو ساختار ها در بهبود خواص پوشش ها ، تا کنون تأثیر نانو ساختار ساز روی خواص پوشش های مختلف مورد بررسی قرار گرفته است . در این میان نانو پوششهای سد حرارتی ( TBC) از اهمیت بسزایی جهت ایزوله کردن حرارتی اجزای داغ ، برخوردارند ، چراکه این
پوشش ، فلز را ایزوله می کند و باعث می شود که بالاتر رفتن دمای کاری ، بازدهی موتور افزایش یابد ، دمای اجزای فلزی پایین تربیاید و درنتیجه زوال ، دیرتر صورت گیرد ، احتیاج کمتری به خنک کننده باشد و احتمال زوال حرارتی کم شود ، که اینها در مجموع منجر به بهبود کارآیی ، بازدهی بیشتر و طول عمر بیشتر اجزای موتور توربین های گازی می شود.
پوشش های سد حرارتی نانو ساختار
بر اساس تحقیقا بعمل آمده ، زوال پوششهای سد حرارتی در سیکل های حرارتی ، هنوز مشکل مهمی محسوب می شود که شدیداً عمر قطعه پوشش داده شده را کم می کند . این زوال ناگهانی معمولا بر اثر پوستهای شدن پوشش سرامیکی واقع می شود که با ریز کردن ابعاد ذرات و کریستالها در پوششهای نانو ساختار معضل مذکور برطرف می شود . عمده ترین روشی که برای پوشش سد حرارتی در حالت نانو ساختار بکار گرفته می شود . پوشش دهی پلاسمایی است .
اصول پوشش دهی پلاسمایی معمولی و نانو ساختار ، عملا تفاوتی با یکدیگر ندارند . مبانی پوشش دهی پلاسمایی بدین صورت است که یک گازخنثی از ناحیه ای که تخلیه الکتریکی شده ، عبور می کند و دمای آن بسیار بالا می ورد تا گاز یونیزه شود . گاز یونیزه شده از داخل یک نازل ، با نیروی بسیار وسرعت زیاد خارج شده ، از طرف دیگر ذرات پودری تغذیه در مسیر حرکت پلاسما قرار گرفته ، داغ و ذوب شده ، به طرف فلز پایه هدایت می شوند . نکته ای که در این راستا مطرح است این است که استفاده مستقیم از پودر باذرات نانو ، امکان پذیر نیست چون نانو ذرات نمی توانند با تزریق در ناحیه پلاسما به خوبی اسپری شوند چراکه اندازه این ذرات بسیار کوچک است و اندازه حرکت لازم برای رسوخ به پلاسما و ضربه زدن مناسب به سطح فلز پایه را ندارند از این رو تنها نکته این روش رعایت شرایط ویژه تهیه تغذیه مناسب برای پاشش به روی زمینه جهت رسیدن به پوشش های نانو ساختار است.
در روش پوشش دهی ، پلاسمایی قطره های مذاب که روی فلز پایه یا پوشش منجمد شده قبلی پرتاب می شوند ، پس از انجماد مرزی با بخش منجمد شده تشکیل می دهند که به آن مرز پرتابی گفته می شود . درنمونه های پاشش حرارتی شده معمولی ، نواحی مرزهای پرتابی مکان مناسبی برای رشد ترک هستند اما در پوششهای نانو ساختار ، مرزهای پرتابی توسط نواحی ذوب کامل نشده قطع می شوند و ترک از داخل مرزهای پرتابی رشد می کند که بارسیدن به این نواحی متوقف می شود و یا مسیرش منحرف می شود . علت بهبود سایش پوشش های نانو در مقایسه پوششهای معمولی این است که به دلیل ساده گی رشد ترک از مرزهای پرتابی . کنده شدن ذرات ماده در اثر سایش راحت تر واقع می شود در حالی که در مورد پوشش های نانو ساختار به دلیل ریز بودن ترک ها و منحرف یا متوقف شدن آنها در نواحی ذوب کامل نشده ، کنده شدن جسم به سختی صورت می گیردو مقاومت سایش بهبود می یابد .
تأثیر نانو ساختار سازی بر بهبود خواص پوشش ها :
بنا بر عقیده محققان ، مهم ترین پارامترها در بهبود و کارآیی پوشش های
( TBC ) عبارتند از :
الف ) افزایش استحکام و سختی
ب) افزایش مقاومت به خوردگی
ج) کاهش هدایت حرارتی
د) بهبود مقاومت به سایش
در نانو ساختار ها به علت ریز شده ابعاد دانه ها ، سختی افزایش می یابد .
همچنین به علت کوتاه شدن فاصله لغزش و دامنه حرکت نابجایی ها با ریز شدن ابعاد دانه ها ، استحکام این مواد در اثر تجمع نابجایی ها پشت موانع بالاتر از استحکام مواد معمول است . از سوی دیگر افزایش شدید مرز دانه در پوشش های نانو ساختار ، سبب می شود که برای غلظت معینی از ناخالصی های داخل دانه های میزان ناخالصی در واحد مرز دانه کمتر از پوشش های معمول است واین خالص شدن مرز دانه ها باعث ایجاد مورفولوژی یکنواخت تری از مرز دانه می شود و در اثر این امر ، مقاومت به خوردگی نسبت به پوششهای معمول بیشتر می شود .
همچنین ریز شدن دانه ها ، منجر به افزایش مرزدانه شده و کاهش هدایت حرارتی بر اثر پراکنده شدن فونون ها دراین مرزها می شود.
بکارگیری نانو تکنولوژی در افزایش راندمان سلهای خورشید که به یک نیروگاه اتمی شباهت دارد ، منبع شگفت انگیزی است . انرژی خورشید در اثر همجوشی هسته ای بوجود می آید . درجه حرارت درون خورشید حدود 15 میلیون درجه سانتی گراد برآورد شده است . به صورتی که تنها انرژی تشعشعی آن که پس از طی 15000 میلیون کیلومتر در مدت هشت دقیقه به زمین می رسد . هزاران برابر مصرف کنون جهان است . میزان تابش خورشید و امکان استفاده از آن در کشورهای مختلف متفاوت است . ایران از این نظر در ردۀ نخستین کشورها قرار دارد ، زیرا بنا بر محاسبات انجام شده میانگین سالیانه ی خورشید بر هر متر مربع ، 2200 کیلو وات است . در سالیان گذاشته حدود 6 میلیارد دلار در جهان در زمینه ی استفاده از انرژی خورشیدی سرمایه گذاری شده است انرژی خورشیدی می توان با روشهای گوناگون به سایر انواع انرژی تبدیل کرد یکی از این روشها ، استفاده سلهای خورشید ی است . سلهای خورشیدی ابزارهایی هستند که انرژی خورشیدی را به انرژ ی الکتریکی تبدیل می کنند . در این تبدیل انرژی خورشیدی ابتدا به حرارت یا انرژی شیمیایی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می شود . معمول ترین نوع سلهای خورشیدی بر اساس تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسته ( فوتوولتائیک ) بوده و ولتاژ حاصل ازآنها می تواند در یک مدار خارجی ، جریان ایجاد کند و کار انجام دهد .
در میان سلهای فوتوولتائیک مختلف سلهای سیلیکونی از جمله سلهای معروفی هستند که به سه دسته تک کریستال،پلی کریستال وامورف تقسیم می شوند. اما در مجموع راندمان هیچیک از انواع سلهای سلیکونی قابل ملاحظه نیست.
در واقع نیمه هادی های بکار رفته در سلهای فوتوولتائیک تأثیر بسزایی در راندمان نمونه های تولیدی دارند، چراکه در صورت مناسب بودن نیمه هادی انرژی کافی به اتم رسیده و با آزاد سازی الکترون جریان الکتریکی ایجاد می شود . عمده مشکل این است که این پدیده فقط با برخی طول موجها ایجاد می شود چون فوتون ها باید یک حداقل انرژی برای برانگیختن الکترون ها داشته باشند ، از سوی دیگر اگر انرژی فوتون بیشتر از میزان انرژی لازم برای برانگیختن یک مولکول باشد ، منجر به ایجاد خلاء می شود . این پدیده باعث می شود که هفتاد درصد انرژی خورشید بدون مصرف باقی بماند ، در حالی که با اعمال تمهیدات مناسب ، می توان از هدر رفتن انرژی ، از پروسه فتوسنتز ایده گرفته شده است . بدین صورت که جذب نور و پروسه تبدیل آن به الکترون های آزاد با دو سیستم مجزا صورت گیرد همانگونه که فتو سنتز نور توسط مولکولهای کلروفیل که طیف جذبی آن دقیقاً منطبق بر نور خورشید است
جذب شده و حتی یک فوتون هم به هدر نمی رود . پس از جذب انرژی توسط مولکول های کلروفیل ، در قسمت دیگری پروسه تولید کربوهیدراتها و اکسیژن صورت می گیرد .
ایده فتوسنتز منجر به بکارگیری یک لایه از مولکول های ذرات رنگی جاذب نور شده . بدین صورت که این ذرات با نور خورشید تحریک شده ،الکترون ازدست داده و این باعث تحریک الکترون نیمه هادی می شود .
تحقیقات انجام شده حاکی از این است که گرچه مولکولهای ذرات رنگی به میزان قابل توجهی در جذب فوتون ها موثرند اما همواره مشکل عبور الکترون ها از لایه رنگی به نیمه هادی مطرح بوده است تا اینکه استفاده از نانو ذرات TiO2 به عنوان نیمه هادی مطرح شد. نانو ذرات TiO2 در اثر حرارت دیدن و سینتر شدن ساختار بسیار متخلخلی ساخته که این ساختار متخلخل توسط لایه بسیار نازکی از ذرات رنگی پوشانده می شود . به علت ریز بودن ذرات (TiO2 کمتر از 20 نانو متر ) ، سطح موثر آنها به میزان قابل توجهی در مقایسه یک قطعه حجیم غیر اسفنجی ) افزایش یافته و به این علت میزان جذب نورخورشید بسیار بالا می رود .
نتیجه گیری
بطور کلی ، تأثیر نانو تکنولوژی بر مواد می توان بر دو جنبه خلاصه کرد ، اول پیشرفت هایی که به واسطه نانو تکنولوژی در ساخت و تولید مواد صورت گرفته و دوم تأثیر چشمگیر نانو تکنولوژی بر خواص مواد مورد مصرف . پیشرفت در این دو جنبه منجر به تغییراتی اساسی در تولید انرژی و افزایش راندمان سیستم های سنتی تولید انرژی در صنعت برق ، شده است .از جمله این پیشرفت ها می توان به ساخت پوشش های نانو ساختار سد حرارتی پره های توربین گازی و تغییرات اساسی در ساخت سلهای خورشیدی اشاره کرد که راندمان مصرف و تولید انرژی را به طرز قابل توجهی افزایش داده است .

انجام تغییرات اصلاحی .بازده توربین بخار را افزایش می دهد .
ایالات متحده وارد هزاره جدید می شود و صنایع برق این کشور دارای بیش از1300 نیروگاه توربین بخار است که عمر حداقل 30 ساله دارند . با بازار خصوصی شده و رقابتی جدید برای آنکه شرکتهای برق ، رقابتی باقی بمانند باید کارکرد این نیروگاههای کهنسال بهینه سازی و اصلاح شود . ژنراتورهای توربین بخار قلب این ناوگان سالخورده هستند . البته در برخی موارد نیروگاهها جایگزین خواهند شد. با اینحال در بسیاری موارد از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است که بجای جایگزینی با توربین های نو ، توربین های بخار موجود ، بهینه شوند . هم اکنون تولیدکنندگان با استفاده از آخرین پیشرفتها در زمینه ی سیستم های رایانه ای می توانند پره های کار آمد تری را برای توربین ها ، طراحی و تولید کنند .این فناوری پیشرفته پره را می توان به سادگی در توربین های بخار موجود به عنوان یک تغییر اصلاحی ، اعمال کرد .علاوه بر اینکه پره روتور، پوستها و دیسکهای بهینه سازی شده در ناحیه کم فشار (LP ) با مواد جدیدی طراحی شده اند که نسبت به خوردگی ، کمتر آسیب پذیرند ، بلکه در مورد بسیاری از سیلهای (seal )مورد استفاده در توربین های بخار نیز ، اصلاحاتی انجام شده است .

گزینه های اصلاحات :
در طول مدت عمر یک توریبن بخار ،کاهش بازده می تواند از حداقل دو درصد تا حداکثر پنج درصد باشد . میزان کاهش بازده، بستگی به تعداد ساعات کارکرد و کیفیت تعمیرات و نگهداری انجام شده ، دارد . با این وجود با انجام مجموعه ای از تغییرات اصلاحی بر روی توربین های بخار که بر طبق آخرین پیشرفتهای علمی در مورد پره ها باشد دستیابی به بازده های بالاتر امکان پذیر است .

علیرغم آنکه تلفات پره ثابت برای توربین های بخار قدیمی یک مساله عمده است ،تولید کنند گان توربین با بهینه سازی طراحی پروفیل نازلها بر این مساله ، فائق آمده اند . متاسفانه در توربین های ضربه ای پر فشار (HP) افت فشار ، میزان بالاتری دارد و باید نازل های قویتری قرار داده شود . شرکت (A ) تولید کننده ای است که نازلهای موجود در توربین های بخار را مجددا طراحی کرده است تا از افت پروفیل ها بکاهد .

چالش دیگر که رو در روی تولید کنندگان توربین نیاز به اصلاح عملکرد اولین طبقات توربین است. شرکت A با مشخص کردن این چالش ، طرح دیواره جانبی اولین طبقه HP را مجدداً طراحی کرده است . هم اکنون طرح دیواره جانبی جدید برای اولین طبقات بخشهای HP و فشار متوسط IP توربینهای ضربه ای ، بکار برده شده است .

آخرین طبقه توربین LP تقریبا 10 درصد از خروجی توربین را تولید می کند . متاسفانه چون توربین LP در معرض شرایط رطوبتی ناشی از بخار قرار دارد فرسایش آن یک مساله عمده بوده است . با این وجود در آخرین طرحهای توربین LP این مساله کاهش پیدا کرده و در عین حال بطور همزمان بازده و انرژی مفید آن بهبود یافته است . طبق گزارش Ansaldo Energia تیغه های LP جدید می توانند بازده توربین را از 8 درصد به 10 درصد افزایش دهند . تیغه های مدرن ، زمان افت تولید وتعمیر و نگهداری رانیز کاهش می دهد . بدون وجود جدید ترین رایانه های قدرتمند ، بهینه سازی طرح تیغه های توربین بخار امکان پذیر نبوده

است . رایانه ها اکنون قادرند تحلیل جریان سه بعدی مفصل را انجام دهند . در نتیجه تولید کنند گان توربین بخار نسل کاملا جدیدی از تیغه های پر بازده توربین را تکمیل کرده اند . طبق گزارش زیمنس – وسیتینگهاوس ، یک ابتکار عمده در طراحی تیغه های جدید این است که هر کدام از طبقات توربین بخار اکنون می تواند به تنهایی برای عملکرد بهینه طراحی شود. اصلاحات دیگر در طراحی توربین شامل به حداقل رسیدن افتهای ثانویه در ریشه و نوک تیغه و کاهش افتهای فن (fan ) در پایین دست طبقات توربین هستند. به طریق مشابه جریان سیال در محفظه ( casing) معبر خروجی شیرها و لوله ها بهینه سازی شده است.
اصلاحاتی در زمینه سیلینگ ( آب بندی)
از نقطه نظر تاریخی، توربینهای بخار مسائل زیادی را در زمینه سیلهاتجزیه کرده اند . با این حال در طول ده سال اخیر اصلاحات چشمگیری در مورد سیستم های سیلینگ صورت گرفته است . توربین های بخار رد مجراهای بین محفظه و اجزاء آن نیاز به یک سیل سفت و کیپ دارند . علاوه بر نیاز به سیل کیپ ، رینگ ها باید انعطاف پذیر باشند به طوری که انبساط حرارتی در اثنای راه اندازه و کارکرد امکان پذیر شود .

در اثنای کارکرد توربین های بخار ، اجزاء محفظه آن در معرض در جه حرارتها و نرخ های انبساط حرارتی متفاوتی هستند . از این رو سیلها باید بدون ایجاد شدن نشتی اضافی بتوانند دما و رشد دیفرانسیلی آن را تحمل کنند .

دو عامل ، مساله نشتی را تشدید کرده است.در وهله اول چون محفظه و سیلها از مواد متفاوتی ساخته می شوند در معرض اکسید اسیون قرار دارند در وهله دوم سیلها بطور تغییر ناپذیری بر روی شافت منقبض می شوند . غالباً ترکیب این دو عامل سبب می شود که سیل و رینگهای قفل کننده دچار خرابی بشوند . وقتی که این اتفاق می افتد نه تنها سیل باید تعویض شود . بلکه علاوه بر آن لازم است تا برای لوله ورودی نیز تعمیراتی برای رفع خراشیدگی و سوزان صورت گیرد.

. Turbo Care این مساله را با طراحی کردن یک سیل برای لوله ورودی مشخص کرده است . این طرح یک آب بندی سفت و کیپ را فراهم می آورد که بدون تخریب رینگها دارای فواصل لقی (Clearance ) بزرگتری هستند سوار کردن آنها ساده تر است .
با استفاده از مواد ابر آلیاژ ، برای سیل لوله ورودی استحکام بالا و ضریب اصطکاک پایین به دست آمده و تشکیل رسوب اکسید برای سیل لوله ورودی ، سیلهیا بین روتور و دیافراگم و سیلهای بین تیغه و محفظه (casing ) نیز مجددا طراحی شده اند تا عملکرد آنها اصلاح شود .

کراکینگ دیسک
توربین های بخار LP با دیسکهای جازدۀ گرمایی که به روتورهای صلب جفت شده اند در نواحی که جاخار وجود دارد در اثر خوردگی ، کراکینگ را تجربه کرده اند . این در سطح جهان یک مساله بوده و در شرایط زیر رخ می دهد:
محیط مرطوب و خورنده ، تنش ، کششی بالا در سطح استفاده از موادی که درمقابل اکسید اسیون و خوردگی ناشی ، از تنش آسیب پذیرند . این پدیده به بیشترین شکل در هنگامی محسوس بوده است که دیسکهای توربین LP از فولاد NicrMov تولید شده اند. فولاد NicrMov تا حد بسیار بالایی نسبت به خوردگی آسیب پذیر است .دیسکها باید برای بازسازی یا تعویض و در نتیجه رفع مساله برداشته شوند . راه حل دیگر مساله تعویض روتورهای صلب با روتورهای جوشکاری شده است . راه حل اخیر نیاز به بازرسی پی درپی و تعمیر و نگهداری دیسک ها را از برنامه کار حذف می کند . به منظور جبران کردن هزینه تعویض روتورها و کاهش دادن هزینه های کارکرد نیروگاه ،نصب تیغه های پر بازده مدرن توصیه می شود .
بهسازی PECO :

پایگاه تولید PECO Limerick در توربین های LP خود کراکینگ دیسک را تجربه کرده است . نیروگاه هسته ای و دوواحدی در آغاز با ژنراتورهای توربین بدون ری هیت GE در داخل فضای سر پوشیده طراحی شده بود که به داخل کند انسورهایی با فشار چند گانه تخلیه می شد . ترکیب توربین اصلی شامل یک توربین HP منفرد و سه توربین LP دو جریانه بود که تیغه های LP آخرین طبقه این سه توربین طولی معادل 38 اینچ داشتند . واحد اول در سال 1986 و واحد دوم در سال 1989 وارد سرویس شدند .

مسائل توربین LP در Limerick مانند مسائل دیگر نیروگاه ها بخاطر دیسکهای فولادی NiCrMov بودند . در Limerick محیط خوردنده عبارت بود از آلودگی مواد خارجی موجود در بخار که در جاخارها متمرکز بودند . بعلاوه شکل هندسی جاخار و جازنی گرمایی دیسک در شافت روتور در ایجاد تنشهای کششی بالا در سطح دیسک سهم داشتند . به منظور تعیین کردن وسعت کراکینگ دیسک تمامی شش روتور LP مورد بازرسی قرار گرفتند . در این بازرسیها معلوم شد که تمامی دیسکها دارای

مسائلی در رابطه با کراکینگ در جاخارهستند .علیرغم آنکه ادامه کار واحدها هنور هم امکان پذیر بود کمیسیون تنظیم هسته ای دستور داد تا دیسک ها در فواصلی نه کمتر از شش سال مورد بازرسی مجدد قرار گیرند . با این حال فواصل شش ساله تنها هنگامی امکان پذیر بود که روتور پیش از اوقات کاری از پیش گرم شود . متأسفانه پیش گرمایش باعث می شود که انعطاف پذیری واحد در اثنای اوقات کاری محدود شودو اگر به درستی انجام نگیرد می تواند شروع به کار واحد را به تأخیر اندازد . همچنین بازرسی های روتور و آزمایش شیرهای توربین نیز باید انجام شود . علیرغم اینکه آزمایش شیر توربین هزینه بر نیست از بار موجود بر روی واحد باید تحت شرایط خاص کاسته شود .

برای انتخاب موثرترین واقتصادی ترین روش جهت رفع این مسائل ، شرکت سه راه انتخابی را مورد تحلیل و بررسی قرار داد :
تجارت مطابق معمول *