مدیر طرح توسعه توربین کلاس F گروه مپنا
صنعت برق به‌عنوان یکی از زیرساخت‌های حیاتی هر کشور، همواره در کانون توجه بوده است. در این میان، توربین‌های گازی به عنوان قلب تپنده نیروگاه‌ها، نقش بسزایی در تولید برق ایفا می‌کنند. با توجه به اهمیت استراتژیک انرژی و نیاز روزافزون به تولید برق پایدار و کارآمد، توسعه فناوری‌های بومی در این حوزه از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است آن هم در زمانه‌ای که واژه «ناترازی» در حوزه انرژی کشور به کلید واژه سیاستگذاران تبدیل شده است.
گروه مپنا، به‌عنوان پیشرو در صنعت نیروگاه‌سازی کشور، گام‌های بلندی در جهت توسعه فناوری توربین‌های گازی برداشته که یکی از مهم‌ترین آنها، طراحی و ساخت موفق توربین MGT-75 در کلاس F در داخل کشور است.
این رویداد مهم به گفته عباس فخر طباطبایی، مدیر توسعه محصول شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا (توگا) و مدیر طرح توسعه توربین کلاس F گروه مپنا نشان از توانمندی بالای متخصصان داخلی در دستیابی به فناوری‌های پیشرفته و پیچیده دارد.
در ادامه این نوشتار که حاصل گفتگو با مهندس طباطبایی است، به بررسی ابعاد مختلف این دستاورد بزرگ از جمله ویژگی‌های منحصر به فرد توربین کلاسF و مشخصا توربین MGT-75 و مزایای استفاده از این توربین در نیروگاه‌های کشور، چالش‌های پیشِ رو و چشم‌انداز آینده این فناوری در گروه مپنا خواهیم پرداخت.
نگاهی به محصولات مختلف توربین گازی در مپنا
از مزیت‌های فناورانه این محصولات می‌توان به اثرگذاری آنها بر تولید انرژی و مصرف سوخت اشاره کرد. برای فهم دقیق مسئله می‌توان به مدل‌های تولیدی و توانایی‌های فنی شرکت‌های بین‌المللی اشاره کرد.
در گروه مپنا نخستین گام‌ها برای دستیابی به دانش و فناوری ساخت توربین‌های گازی در اوایل دهه 1380 برداشته شد؛ نخست از این جهت که توربین‌های گازی و تجهیزات مرتبط با آنها به دلیل کاربرد گسترده در حوزه‌های مختلف انرژی از جمله تولید برق، نفت و گاز، نقش بسیار مهمی در صنایع مختلف ایفا می‌کنند. این تجهیزات در تولید برق و همچنین تولید انرژی مکانیکی جهت راه‌اندازی کمپرسورها، پمپ‌ها و سایر تجهیزات صنعتی استفاده می‌شوند. فناوری طراحی و ساخت توربین‌های گازی در کشورهای توسعه‌یافته، به عنوان یکی از شاخص‌های توسعه صنعتی مطرح است. این فناوری یکی از اهداف مهم کشورهای در حال توسعه نیز به شمار می‌رود؛ به همین دلیل در کشوری مانند ایران به دلیل منابع انرژی گسترده و موقعیت استراتژیک، دستیابی به این فناوری می‌تواند بسیار ارزشمند باشد.
چالش‌های صنعت توربین گازی در سطح جهانی
توسعه فناوری توربین گازی در ایران
در دهه دوم فعالیتها، تمرکز بر تحقیق و توسعه، گسترش دانش فنی، و طراحی محصولات بومی افزایش یافت. یکی از دستاوردهای مهم این دوره، طراحی و بهبود توربین‌های گازی کلاس E بود که علاوه بر توسعه فناوری، قابلیت ارتقا و اجرای بهبودهای فنی در ناوگان موجود کشور نیز فراهم شد.
نقش همکاری‌های دانش‌بنیان مپنا
بلوغ فناوری و توانمندی‌های داخلی در گروه مپنا
این اقدام نشان‌دهنده بلوغ فناوری و توانمندی‌های داخلی در این حوزه بود و گامی مهم در راستای استقلال فناوری توربین های گاز کلاس E در آن دوره به شمار می‌رفت.
به گفته مدیر توسعه محصول شرکت مهندسی و ساخت توربین مپنا (توگا) در ادامه این فعالیتها هنگامی که در محصولات قبلی توربین‌ها به عنوان نمونه توان تولیدی در حدود 157 مگاوات با راندمان حدود 34.5درصد بود، گروه مپنا توانست این رقم را به 185 مگاوات با راندمان 36درصد ارتقا دهد. در این پروژه، از ابزارها، ذهنیت طراحی و پتانسیل تیم مهندسی مپنا بهره گرفتیم و به صورت میدانی ارزیابی‌های دقیقی انجام شد.
مهندس طباطبایی ادامه می‌دهد: در همان بازه زمانی، سند تحول راهبردی توربین‌های گازی کلاس سنگین و خدمات نیروگاهی کشور در وزارت نیرو و پژوهشگاه نیرو با مشارکت بازیگران اصلی این صنعت در کشور در حال تدوین بود. این سند با حضور مسئولین و کارشناسان برجسته، از جمله قائم‌مقام مدیرعامل وقت و مدیر تکنولوژی شرکت توگا، همچنین سایر شرکت‌های فعال در این حوزه و مجامع دانشگاهی، شکل گرفت و به تصویب رسید. هدف این سند، رسیدن به فناوری توربین‌های نیروگاهی کلاس F تا افق ۱۴۰۴ بود.
از سال ۱۳۹۶ پس از تکمیل پروژه ارتقای توربین‌های کلاس E، فعالیت‌های متناسب با این سند آغاز شد. نتیجه این تلاش‌ها، توسعه توربین MGT-75 در محدوده توانی 222 مگاواتی و کلاس F بود. هدف مپنا این بود که یک توربین کلاس F کاملاً بومی و ایرانی تولید کند که علاوه بر تأمین نیاز داخلی، قابلیت رقابت و صادرات را نیز داشته باشد. این توربین با توجه به شرایط اقلیمی، تنوع سوختی نوین و الزامات بهره‌برداری در کشور، طراحی و بهینه‌سازی شد. همچنین، مجموعه تأمین قطعات استراتژیک و زنجیره تأمین نیز در داخل گروه و کشور توسعه یافت و به نوعی ریسک‌های فناوری کاهش داده شد.
کلاس بندی توربین‌های گازی
این کلاس‌ها بر مبنای قابلیت اطمینان، راندمان و میزان توان تولیدی دسته بندی می‌شوند و سطوح مختلفی از فناوری‌های پیشرفته در حوزه طراحی آیرودینامیکی، خنک کاری، متریال، روش‌های ساخت و تولید، کنترل فرآیند و انعطاف پذیری عملکردی را شامل می‌شوند.
با مرور شاخص‌های کلان بخش برق، تا پایان سال ۱۴۰۲ ظرفیت اسمی نصب‌شده نیروگاه‌های کشور به حدود ۹۲هزار مگاوات رسیده است. این ظرفیت شامل نیروگاه‌های تجدیدپذیر، سیکل ترکیبی، گازی، و بخار می‌شود. از این مقدار، حدودا 50 درصد مربوط به توربین‌های گازی است که سهم قابل‌توجهی را در تأمین انرژی کشور دارند.
توربین‌های گاز در حال حاضر سهمی معادل 48 تا 50هزار مگاوات از ظرفیت اسمی شبکه برق کشور را به خود اختصاص داده‌اند. اما بخش عمده‌ای از این توربین‌ها، از نوع فناوری کلاس E و پایین تر و راندمان کمتر هستند. با نگاهی کلی، تنها حدود ۵درصد از ظرفیت اسمی شبکه به توربین‌های کلاس پیشرفته‌تر اختصاص دارد.
به گفته مدیر طرح توسعه توربین کلاس F گروه مپنا از حدود 50 هزار مگاوات توربین گازی، تنها ۵هزار مگاوات به توربین‌های کلاس F اختصاص دارد که نسبتاً جدیدتر است. به عبارت دیگر، تنها یک دهم از این ظرفیت به فناوری‌های پیشرفته‌تر مربوط می‌شود. به همین دلیل برنامه‌ای که ما در این مقطع در دست اقدام داریم، تجاری‌سازی و معرفی توربین کلاس F جدید مپنا به بازار است.
چنانچه در یک افق زمانی 5 ساله ظرفیت اسمی نصب‌شده توربین‌های کلاس F را از ۵هزار مگاوات کنونی به دو برابر، یعنی حدود ۱۰هزار مگاوات افزایش دهیم، این افزایش ظرفیت، تأثیر قابل‌توجهی بر رفع ناترازی انرژی و کاهش مصرف سوخت نیروگاه‌ها خواهد داشت.
مهندس طباطبایی گفت: در این حالت اگر توربین‌های جدید در سیکل ساده بهره‌برداری شوند، معادل یک میلیارد مترمکعب گاز صرفه‌جویی خواهد شد. در صورت افزودن این ظرفیت به سیکل ترکیبی، صرفه‌جویی سوخت به حدود چهار میلیارد مترمکعب گاز خواهد رسید. این مقدار صرفه‌جویی علاوه بر کاهش هزینه‌های انرژی، به کاهش اثرات مخرب زیست‌محیطی نیز کمک شایانی خواهد کرد.
اثر سیاست‌گذاری‌های اقتصادی بر توسعه توربین‌ها
علاوه بر این یارانه سوخت در حوزه نیروگاهی منجر به کاهش ارزش راندمان در نیروگاه‌ها شده و این موضوع از نظر اقتصادی از جذابیت سرمایه‌گذاری در حوزه‌های زیرساختی مانند توربین‌های گازی پیشرفته با راندمان بالا یا سایر فناوری‌های کاسته است.
از سوی دیگر، سرمایه‌گذاری در این حوزه‌ها نیازمند سیاست‌گذاری‌های کلان و شفاف است؛ چرا که توسعه این فناوری‌ها مستلزم هزینه‌های سنگین است و بازگشت سرمایه نیز زمان‌بر است. برای مثال، فرآیند ساخت و راه‌اندازی یک نیروگاه از زمان تصمیم‌گیری تا بهره‌برداری، در سیکل ساده حدود ۱۸ ماه و در سیکل ترکیبی حدود 36 ماه به طول می‌انجامد.
نقش دولت و سیاستگذاران در این میان بسیار حائز اهمیت است. ایجاد انگیزه‌های لازم برای سرمایه‌گذاران، کاهش موانع اداری و تامین مالی از جمله اقداماتی است که می‌تواند به توسعه این صنعت کمک کند. شرکت‌های فعال در این حوزه نیز باید با ارائه راهکارهای فناورانه و حل مسئله‌های زیرساختی، نقش خود را در ارتقای صنعت انرژی کشور ایفا کنند.
چنانکه اشاره شد، صرفه‌جویی در مصرف گاز یا استفاده از سوختهای جایگزین در نیروگاه‌ها زمانی ارزش واقعی خود را نشان می‌دهد که این انرژی به بخش‌های دیگری مانند صنایع یا صادرات انتقال یابد. این انتقال می‌تواند از حوزه تولید برق نیروگاهی به حوزه‌های دیگر مانند کاربردهای خانگی یا صنعتی انجام شود و بهینه‌سازی منابع انرژی را تضمین کند.
از نظر فنی، توربین‌های کلاس F می‌توانند مزیت‌های فناورانه‌ای همچون راندمان بالا و کاهش آلاینده‌ها ارائه دهند.
موضوع دیگری که از سوی برخی رسانه‌ها مطرح شده امکان ایجاد تنوع در خوراک توربین‌های گازی است. از جمله این خورک‌ها بعضا به گاز فلر نیز اشاره شده است. مدیر توسعه محصول شرکت توگا در این خصوص گفت: استفاده از سوختهای غیرمتعارف، مانند گازهای فلر (گازهای حاصل از مشعل‌سوزی)، علیرغم ارزان بودن این نوع خوراک چالشهایی را به همراه دارد. این چالش‌ها شامل ارزش حرارتی پایین این گازها و محتوای بالای مواد آلاینده است که می‌توانند عمر قطعات حساس توربین، به‌ویژه در مسیر داغ آن را کاهش داده و هزینه‌های تعمیر و نگهداری را افزایش دهند.
به‌طور کلی، استفاده از گاز فلر به دلیل ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی آن، برای توربین‌های کوچک‌تر و با راندمان پایین‌تر مناسب‌تر است. این توربین‌ها اغلب در پروژه‌های صنعتی یا نیروگاه‌های محلی و تولید پراکنده به کار گرفته می‌شوند، جایی که قابلیت اطمینان و هزینه پایین سوخت اهمیت بیشتری از راندمان دارد.
در مورد توربین‌های بزرگ و پیشرفته مانند توربین‌های کلاس F، عمدتا استفاده از سوختهای غیر متعارف مرسوم نیست. این فرآیند نیازمند زیرساخت‌های پیچیده‌ای در بخش بالادستی است که ممکن است از نظر اقتصادی برای این نوع توربین‌ها منطقی نباشد. در نتیجه، استفاده از سوختهای جایگزین در این حوزه به دلیل ملاحظات فنی و اقتصادی، کمتر عملیاتی می‌شود.
در نهایت، ارزش اقتصادی سوخت و انتقال آن به حوزه‌های دیگر مانند صادرات، صنایع یا مصارف خانگی، یک راهبرد کلیدی در مدیریت منابع انرژی است. این راهبرد می‌تواند کمک کند تا از سوختهای ارزان یا کم‌ارزش مانند گاز فلریا سوختهای جایگزین مانند LPG یا نفت سفید به بهترین شکل ممکن در نیروگاه‌های کوچک و صنعتی استفاده شود، در حالی که توربین‌های بزرگ و پیشرفته برای بهره‌وری حداکثری از گاز طبیعی یا سوختهای باکیفیت‌تر به کار گرفته می‌شوند.
هزینه‌های تعمیر و نگه‌داشت توربین‌های گازی کلاس F
مجموعا پس از حدود ۱۰۰هزار ساعت کارکرد، یک دوره تعمیرات اساسی برای تمدید یک دوره عمر به توربین گاز و قطعات داریم که شامل تعویض قطعات بیشتری نسبت به اورهال می‌شود. تقسیم‌بندی این زمان‌ها به این شکل است: ۲۵هزار ساعت، ۵۰هزار ساعت، ۷۵هزار ساعت و ۱۰۰هزار ساعت که هرکدام نیاز به اقدامات مختلفی در زمینه تعمیر و نگهداری دارند. به عنوان مثال در توربین‌های کلاسF، رژیم تعمیرات معمولاً ۲۵هزار ساعت است. در حالی که در بعضی نیروگاه‌ها، دوره های تعمیرات توربین‌های کلاس F با مضارب ۳۳هزار ساعت کارکرد برنامه ریزی می شوند.
با این حال در برخی از نیروگاه‌ها که توربین آنها بدون پشتیبانی سازنده داخلی تامین شده اند، مشکلاتی در زمینه سطح آمادگی و تامین قطعات استراتژیک وجود دارد. این مسائل می‌توانند باعث کاهش کارکرد پیوسته و بروز مشکلات در طول زمان بهره برداری شوند. اما نکته مهم این است که ما زمینه تامین و ساخت قطعات برای انواع توربین های کلاس F در کشور را ایجاد کرده ایم.
یکی از مزیت‌های اصلی فناوری در توربین‌های کلاس Fاستفاده از قطعات داغ و تکنولوژی‌های پیشــرفته ساخــت پره است. برای مثــال، مپنا از ریخــته‌گری دقیــق (Single Crystal) و انجماد جهت‌دار برای تولید قطعات استفاده می‌کند. این تکنولوژی به ما این امکان را می‌دهد که قطعات با کیفیت بالا و سایز بزرگ را برای توربین‌های کلاس F تولید کنیم.
در حال حاضر در گروه مپنا امکان ارائه و ساخت این قطعات با فناوری پیشرفته وجود دارد که می‌تواند در بهبود و مدیریت هزینه‌های مربوط به تعمیرات و نگهداری توربین‌ها راهگشا باشد، هرچند که به طور گسترده نمی‌توان هزینه‌ها را کاهش داد.
شکستن انحصار در ساخت قطعات توربین‌های کلاس F
به گفته مدیر طرح توسعه توربین کلاس F گروه مپنا این تغییر در فرآیند تولید به ما این اجازه را می‌دهد که یک راهکار منطقی و اقتصادی برای تامین قطعات مورد نیاز و حفظ آمادگی نیروگاه‌ها ارائه دهیم. یکی از مهم‌ترین نکات در این زمینه، توانایی مپنا در تامین و تحویل به موقع قطعات است که باعث می‌شود نیروگاه‌های پیشرفته به طور مستمر در حال بهره‌برداری باقی بمانند.
در مورد اجزای سیستم احتراق و قطعات مورد استفاده در این توربین ها، باید توجه داشت که این قطعات در معرض گازهای داغ با دمای بین ۱۵۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد قرار دارند. بنابراین، باید در ساخت آنها از آلیاژهای ویژه‌ای استفاده شود که توانایی تحمل چنین دماهایی را داشته باشند. ترکیب این آلیاژها با تکنولوژی‌های خنک‌کاری و مواد سرامیکی باعث افزایش عمر مفید قطعات می‌شود.
برای مثال، فناوری‌های خنک‌کاری و استفاده از مواد سرامیکی مقاوم در کنار پوشش‌های خاص و پیشرفته، این امکان را فراهم می‌آورد که قطعات داغ در دماهای بالا به مدت طولانی‌تری عمل کنند. در نهایت، این روش‌ها باعث می‌شوند که قطعاتی که به طور متوسط در دمای بین ۹۰۰ تا ۹۵۰ درجه سانتی‌گراد عمل می‌کنند، بتوانند عمر مفید بیشتری داشته باشند.
در نتیجه، هزینه تعمیرات بالاتر در توربین‌های کلاس F نسبت به توربین‌های با فناوری سطح پایین‌تر به نوعی توجیه‌پذیر است. این هزینه‌ها به واسطه راندمان بالاتر و کاهش مصرف سوخت، در بلندمدت جبران می‌شوند.
به طور معمول در سطح جهانی، حدود ۷۰درصد از هزینه تولید برق مربوط به هزینه سوخت است. بنابراین با توجه به اهمیت مدیریت هزینه و پایداری و بهینه‌سازی فرآیندهای ساخت و تولید، مپنا همواره به دنبال ارائه راهکارهایی جامع برای بازسازی قطعات کلیدی توربین های پیشرفته و تکمیل زنجیره ارزش انجام تعمیرات در داخل کشور بوده است.
MGT-75 اولین توربین کلاس F تمام ایرانی
توربین‌های کلاس F گروه مپنا به دلیل راندمان بالا، قابلیت اطمینان بیشتر و اثرات زیست‌محیطی کمتر در تولید انرژی برق بسیار مؤثر هستند. به ازای هر یک درصد افزایش راندمان در توربین گاز، حدود ۲.۵درصد کاهشCO₂ در تولید برق داریم که این یک دستاورد بزرگی در صنعت برق کشور است. به این معنا که تفاوت راندمان کلاس F و E در حدود 4درصد است. با این فناوری، در افق زمانی پنج تا ۱۰ ساله، می‌توانیم گام‌های بلندی در راستای بهبود تولید برق و کاهش اثرات زیست محیطی ناشی از آن در کشور برداریم.
در مسیر توسعه توربین MGT-75، فناوری‌ها و ابزارهای طراحی و تولید به صورت کاملاً بومی و ایرانی ارتقا یافته است. مپنا توانسته نه تنها در حوزه طراحی نرم‌افزار و سخت‌افزار، بلکه در نیروی انسانی و امکانات تولید نیز به سطح بالاتری برسد. این دستاوردها به ما این امکان را می‌دهند که در پروژه‌های دیگر، مانند طراحی و توسعه توربین برای میادین نفتی جنوب کشور نیز از این ظرفیت‌ها بهره‌برداری کنیم.
مهندس طباطبایی، مدیر توسعه محصول شرکت توگا می‌گوید: در حال حاضر در کشور حدود ۱۵ توربین کلاس F نصب شده است و به زودی یک توربین دیگر نیز اضافه خواهد شد. قطعات استراتژیک این توربین‌ها نیز به صورت بومی در دست تولید است و از طریق پشتیبانی دقیق می‌توانیم این ناوگان را به طور کامل پوشش دهیم. همچنین، ظرفیت و دانش تعمیرات و سرویس‌دهی به این توربین‌ها تا سطح تعمیرات اساسی داخل کشور نیز توسط گروه مپنا فراهم شده است.
در نهایت، پس از رفع نیاز داخلی کشور و با توجه به پتانسیل‌های موجود، امکان صادرات خدمات مهندسی و قطعات پیشرفته این توربین‌ها می‌تواند فرصتی عالی برای ارزآوری و تأمین نیازهای بازارهای برق و انرژی منطقه باشد. در مجموع، مپنا توانسته است قدم‌های مثبتی در این راستا برای کشور عزیزمان ایران بردارد و امید داریم متخصصان گروه مپنا همچون همیشه نقشی مهم و سازنده در آینده صنعت کشور ایفا کنند.