سورین توربوماشین - اندازه‌گیری دمای گازهای خروجی توربین گاز یکی از مهم‌ترین پارامترهای پایش عملکرد، کنترل، حفاظت و عیب‌یابی در نیروگاه‌ها و صنایع نفت، گاز و پتروشیمی است. بسیاری از متخصصان توربین گاز معتقدند که دمای اگزوز مهم‌ترین متغیر اندازه‌گیری‌شده در یک توربین گاز صنعتی است، زیرا مستقیماً با راندمان، سلامت سیستم احتراق، عمر پره‌های توربین و ایمنی بهره‌برداری ارتباط دارد.

اهمیت اندازه‌گیری دمای گازهای خروجی

دمای گازهای خروجی (Exhaust Gas Temperature یا EGT) اطلاعات ارزشمندی درباره موارد زیر ارائه می‌دهد:

• راندمان احتراق
• سلامت محفظه احتراق
• توزیع سوخت بین برنرها
• وضعیت پره‌های توربین
• عملکرد کمپرسور
• میزان آلودگی و آلاینده‌ها
• شرایط بارگذاری توربین
• تشخیص خرابی‌های اولیه

افزایش غیرعادی EGT معمولاً نشانه‌ای از مشکلات احتراق، افت راندمان کمپرسور، گرفتگی مسیر جریان یا خرابی اجزای داغ توربین است.

مقاله مرتبط: تست توربین گاز صنعتی: استانداردهای ASME PTC ۲۲ ،ISO ۲۳۱۴ و API ۶۱۶

---

EGT چیست؟

EGT مخفف Exhaust Gas Temperature است و به دمای گاز در خروجی آخرین طبقه توربین اشاره دارد.

در توربین‌های صنعتی سنگین:

• معمولاً بین 450 تا 650 سانتیگراد است.
• در برخی توربین‌های کلاس F و H ممکن است بالاتر باشد.

EGT با دمای ورودی توربین (TIT) متفاوت است. TIT دمای ورودی اولین طبقه توربین (Turbine Inlet Temperature) است.

به دلیل دشواری اندازه‌گیری مستقیم TIT، بسیاری از سیستم‌های کنترل از EGT برای تخمین شرایط حرارتی توربین استفاده می‌کنند.

مقاله مرتبط: استانداردهای طراحی، ساخت، تأمین و تست توربین‌های گاز

---

ترموکوپل‌های اگزوز توربین گاز

ترموکوپل‌های گازهای خروجی یا اگزوز، سنسورهای اصلی اندازه‌گیری دمای خروجی توربین هستند.

ترموکوپل‌های EGT بر اساس عواملی مانند دمای گازهای خروجی، سطح ارتعاشات، هندسه نصب، زمان پاسخ‌دهی و نحوه اتصال به سیستم کنترل توربین انتخاب می‌شوند.

این سنسورهای دما باید:

• در دمای بالا کار کنند.
• در برابر ارتعاش مقاوم باشند.
• در محیط اکسیدکننده دوام داشته باشند.
• زمان پاسخ مناسبی داشته باشند.
• پایداری طولانی‌مدت داشته باشند.

یک ترموکوپل اگزوز معمولاً شامل بخش‌های زیر است:

• اتصال داغ (Hot Junction)
• سیم‌های ترموکوپل
• غلاف فلزی مقاوم به حرارت
• کابل رابط
• هد یا ترمینال باکس

---

انواع ترموکوپل مورد استفاده

ترموکوپل نوع K

ترموکوپل تیپ K رایج‌ترین نوع در توربین‌های گاز است که از مواد کرومل-آلومل ساخته می‌شود بازه‌ی دمایی کمابیش تا ۱۲۶۰ سلسیوس را اندازه‌گیری می‌کند.

مزایا:

• قیمت مناسب
• مقاومت خوب در اکسیداسیون
• در دسترس بودن

معایب:

رانش (Drift) در دماهای بالا

ترموکوپل نوع N

ترموکوپل تیپ N در بسیاری از توربین‌های مدرن استفاده می‌شود و بازه‌ی دمایی آن در حدود ۱۳۰۰ سلسیوس است.

مزایا:

• پایداری بیشتر نسبت به نوع K
• مقاومت بهتر در برابر رانش حرارتی

مزایا:

• دقت بسیار بالا
• پایداری عالی

معایب:

• قیمت بسیار زیاد
• جنس غلاف ترموکوپل‌های اگزوز

---

متداول‌ترین مواد و متریال

جنس غلاف (Sheath Material) به شرایط کاربرد بستگی دارد. در بسیاری از کاربردها، در صورتی که شرایط کاری اجازه دهد، استنلس استیل 316 به‌عنوان گزینه اولیه انتخاب می‌شود. با این حال، برای نقاطی با دمای بالاتر یا محیط‌های خورنده‌تر، استفاده از آلیاژهای مقاوم‌تر مورد بررسی قرار می‌گیرد.

متداول‌ترین مواد عبارت‌اند از:

• فولاد زنگ‌نزن یا استنلس استیل
• اینکونل
• هستلوی
• سایر آلیاژهای مقاوم به حرارت و خوردگی

در توربین‌های گاز صنعتی، متریال اینکونل انتخاب رایج‌است زیرا مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر اکسیداسیون، خزش (Creep) و شوک حرارتی دارد.

انتخاب نهایی متریال با توجه به موارد زیر انجام می‌شود:

• دمای کاری
• شرایط خوردگی
• سطح ارتعاشات
• الزامات مشتری

کابل‌های غلاف‌دار فلزی با عایق اکسید منیزیم (MgO) که با نام کابل عیاق معدنی یا مینرال (MI Cable) و یا MIMS (Mineral Insulated Metal Sheathed) شناخته می‌شوند، تنها نوع ساختار ترموکوپل هستند که می‌توانند ارتعاشات پهن‌باند و مداوم بدنه توربین گاز را تحمل کنند.

در مقابل، المان‌های سیم‌پیچی‌شده که داخل عایق‌های سرامیکی قرار دارند، در معرض شکست ناشی از ارتعاش قرار می‌گیرند.

غلاف‌های مینرال (MI) هیچ اتصال مکانیکی داخلی ندارند که در اثر خستگی ناشی از ارتعاش دچار خرابی شوند.

---

روش نصب ترموکوپل‌ها در خروجی توربین  

اندازه‌گیری دمای گازهای خروجی توربین گاز (EGT) معمولاً با استفاده از یک مجموعه چندسنسوره (Multi-Sensor Rake) یا هارنس (Harness) انجام می‌شود که شامل ۶ تا ۱۶ المان ترموکوپل است و در محیط حلقوی خروجی توربین (Exhaust Annulus) توزیع می‌شوند.

هر المان به‌صورت مستقل کالیبره می‌شود و به یک کانال اختصاصی در سیستم کنترل توربین متصل می‌شود.

---

چرا از چند ترموکوپل استفاده می‌شود؟

• گازهای خروجی کاملاً یکنواخت نیستند.
• هر محفظه احتراق الگوی حرارتی متفاوتی تولید می‌کند.
• به همین دلیل سیستم کنترل نیاز دارد تا دمای متوسط اگزوز را بداند و نقاط داغ (Hot Spot) را شناسایی کند و همچنین نقاط سرد را تشخیص دهد.
• به همین دلیل شبکه‌ای از ترموکوپل‌ها در اطراف محیط اگزوز نصب می‌شود.

پراکندگی گازهای خروجی چیست؟

اختلاف میان گرم‌ترین و سردترین ترموکوپل اگزوز را پراکندگی دمای خروجی (Exhaust Temperature Spread) می‌گویند یعنی:

Spread = Tmax − Tmin

این پارامتر یکی از مهم‌ترین پارامترهای پایش توربین گاز است.

برای نمونه اگر 4 ترموکوپل در خروجی داشته باشیم و دمای این چهار ترموکوپل به ترتیب ۵۲۰ و ۵۲۲ و ۵۱۸ و ۵۲۱ سلسیوس باشد آنگاه پراکندگی (Spread) برابر با ۴ سلسیوس است و نشان‌دهنده وضعیت طبیعی می‌باشد.

اما اگر دمای این 4 ترموکوپل برای مثال ۵۲۰، ۵۸۵، ۵۱۸ و ۴۷۰ سلسیوس باشد، آنگاه پراکندگی (Spread) برابر با ۱۱۵ سلسیوس و نشان‌دهنده وجود مشکل در احتراق است.

---

پروژه‌های سورین توربوماشین در این رابطه:

• سنسورگذاری و روش اندازه‌گیری برای تست‌ عملکردی و مکانیکی توربین گاز زیمنس SGT-۶۰۰
• تست و اندازه‌گیری پارامترهای دبی و فشار توربین گاز جی‌ئی فریم ۹ و زیمنس V۹۴.۲

اتصال ایزوله (Ungrounded Junction)؛ حذف حلقه‌های زمین

در یک هارنس EGT که شامل ۶ تا ۱۶ سنسور است، اگر حتی یکی از ترموکوپل‌ها دارای اتصال زمین‌شده (Grounded Junction) باشد، یک مسیر الکتریکی موازی از طریق بدنه توربین ایجاد می‌شود.

این موضوع می‌تواند باعث ایجاد خطا در اندازه‌گیری، تشکیل Ground Loop و افزایش نویز سیگنال شود.

استفاده از اتصال ایزوله یا Ungrounded Junction این منبع خطا را حذف کرده و فرآیند عیب‌یابی سیستم را نیز ساده‌تر می‌کند.

---

خرابی‌هایی که توسط ترموکوپل‌های اگزوز تشخیص داده می‌شوند

• مشکلات احتراق (نازل سوخت معیوب، گرفتگی نازل، شعله نامتقارن)
• خرابی قطعه انتقال (Transition Piece)
• شکستگی لاینر محفظه (Combustion Liner)
• نشتی هوا
• خرابی پره‌های توربین
• گرفتگی مسیر جریان
• خرابی خود ترموکوپل

---

ویژگی‌های مهم ترموکوپل اگزوز

۱. زمان پاسخ سریع

برای تشخیص سریع افزایش دما.

۲. مقاومت ارتعاشی بالا

توربین گاز محیطی با ارتعاش شدید است.

۳. مقاومت خستگی حرارتی

هزاران سیکل استارت و توقف را تحمل می‌کند.

۴. مقاومت اکسیداسیون

به دلیل حضور گازهای داغ.

۵. پایداری بلندمدت

جهت کاهش دریفت.

---

منابع خطا در اندازه‌گیری EGT

مهم‌ترین منابع خطا عبارتند از:

• پیرشدگی ترموکوپل (Aging)
• تغییر تدریجی مشخصات ترموالکتریکی (Drift)
• اکسید شدن سیم‌ها (Oxidation)
• عمق نفوذ ناکافی سنسور (Poor Immersion)
• تبادل حرارتی تشعشعی (Radiation Error)
• قطع شدن اتصال داغ (Broken Junction)
• خطاهای سیم‌کشی (Wiring Errors)

---

کالیبراسیون ترموکوپل‌های اگزوز توربین

کالیبراسیون معمولاً در زمان اورهال انجام می‌شود.

روش‌های متداول کالیبراسیون عبارت‌‌اند از:

• کالیبراتور بلوک خشک (Dry Block Calibrator)
• کالیبراسیون مقایسه‌ای (Comparison Calibration)
• کالیبراسیون با استفاده از کوره مرجع آزمایشگاهی (Laboratory Furnace Calibration)

در بسیاری از نیروگاه‌ها علاوه بر کالیبراسیون، تست مقاومت عایقی (Insulation Resistance Test) نیز انجام می‌شود.

---

نقش EGT در سیستم کنترل توربین

دمای گاز خروجی (EGT) در موارد زیر استفاده می‌شود:

• کنترل بار توربین (Temperature Control)
• حفاظت در برابر افزایش بیش از حد دما (Overtemperature Protection)
• پایش کیفیت احتراق (Combustion Monitorin)
• پایش وضعیت تجهیز (Condition Monitoring)
• نگهداری پیش‌بینانه (Predictive Maintenance)

---

فناوری‌های جدید

در سال‌های اخیر سازندگاه اصلی توربین گاز مانند جی‌ای ورنووا (GE Vernova)، زیمنس انرژی (Siemens Energy) و میتسوبیشی پاور (Mitsubishi Power) از تحلیل هوشمند پروفیل دمای اگزوز برای تشخیص زودهنگام خرابی‌های احتراق استفاده می‌کنند. سامانه‌های مبتنی بر هوش مصنوعی می‌توانند تغییرات غیرعادی الگوی دمایی را هفته‌ها قبل از وقوع خرابی شناسایی کنند.

---

پرسش‌های متداول

ترموکوپل اگزوز توربین گاز معمولاً از چه نوعی است؟

رایج‌ترین انواع، نوع K‌ و N هستند. تیپ K هنوز پرکاربردترین نوع در بسیاری از توربین‌های صنعتی است.

چرا در اگزوز چندین ترموکوپل نصب می‌شود؟

برای محاسبه میانگین دما و همچنین تشخیص نقاط داغ و سرد ناشی از مشکلات احتراق.

مقدار مجاز پراکندگی دمای خروجی (Spread) چقدر است؟

وابسته به مدل توربین است، اما افزایش ناگهانی یا غیرعادی Spread معمولاً نشانه وجود نقص در سیستم احتراق یا مسیر گاز داغ است.

آیا خرابی یک ترموکوپل می‌تواند باعث تریپ (Trip) توربین شود؟

بله. در برخی سیستم‌های کنترل، خرابی یا قرائت اشتباه ترموکوپل می‌تواند موجب ایجاد هشدار یا حتی توقف حفاظتی توربین شود.

عمر معمول ترموکوپل اگزوز چقدر است؟

بسته به نوع توربین، دمای کاری، تعداد سیکل‌های راه‌اندازی و جنس غلاف، عمر می‌تواند از چند هزار تا چند ده هزار ساعت متغیر باشد.

بخوانید: ارائه سیستم‌های اندازه‌گیری و داده‌برداری برای تست توربین گاز و تجهیزات دوار

---

مراجع

• GE Vernova – Gas Turbine Exhaust Thermocouple
• Thermocouple Technology – Gas Turbine Exhaust Monitoring
• AMETEK – LM6000 Exhaust Gas Temperature Thermocouple
• AMETEK – LM2500 Exhaust Gas Thermocouple
• SAE Technical Paper – Temperature Measurement for Gas Turbine Engines
• EnergX - Temperature Measurement Solutions
• https://www.mdpi.com/2075-1702/14/6/630
• MD&A Turbines – Exhaust Temperature Spread Analysis