با توجه به نمودار دما-آنتالپی از شکل (۲-۳) می‌‌توان روابطی را برای بازده توربین محاسبه ‌نمود. سطح زیر نمودار a23b که توسط سوخت به توربین وارد‌ شده‌است. سطح زیر نمودار a14b نیز معرف مقدار انرژی است. که به صورت حرارت از اگزوز خارج‌می‌شود. در نتیجه سطح زیر نمودار ۱۲۳۴ معرف کار تولید‌شده توسط توربین است؛ لذا می‌‌توان رابطه زیر را برای بازده توربین بیان ‌نمود:

(۲-۱)
که در آن S بیانگر مساحت زیر نمودار می‌‌باشد. هر چه فشار ورودی به توربین بالاتر باشد، راندمان کلی سیکل بالاتر خواهد ‌بود. البته بالا بردن فشار نیاز به کمپروسور بزرگ‌تری دارد که در عمل این کمپروسورها نیاز به انرژی بیشتر داشته و از دید عملیاتی مناسب نمی‌‌باشند‌[۶].
در شکل زیر، نمودار بازده کل چرخه بر حسب ضریب افزایش فشار و نیز دما آورده‌شده‌است. در یک فشار مشخص، افزایش دمای احتراق موجب افزایش بازده توربین خواهد‌شد، اما در دمای ثابت، افزایش ضریب فشار ممکن‌است منجر‌به کاهش راندمان گردد؛ لذا ملاحظه ‌می‌شود که افزایش ضریب فشار همواره موجب افزایش راندمان نمی‌‌شود ‌[۱۲].

شکل(۲-۵): بازده چرخه برحسب ضریب فشار و دما ‌[۱۲].
از آنجایی که دمای سیال ورودی به اتاق احتراق در راندمان توربین تاثیر‌دارد، در صورت کم بودن دمای سیال ورودی به آن، می‌‌توان از حرارت سیال خروجی از اگزوز استفاده ‌نموده و عمل پیش حرارت^[۳۶] را بر روی سیال ورودی اعمال ‌نمود. در این صورت با رساندن دمای ورودی به مقدار استاندارد، بازده توربین افزایش‌‌‌می‌‌یابد ‌[۶].
۳-۲ ‌‌‌مدل‌سازی توربین‌گازی
مقدمه
اساساً توربین‌ها‌‌ی گازی، سیستم‌ها‌‌یی پیچیده، غیرخطی و متغیر با زمان بوده که پارامترهای آن با تغییر شرایط کاری دائماً در حال تغییر‌می‌‌باشند. پیش بینی رفتار دینامیکی این سیستم‌ها‌‌، نقش مهمی ‌‌در طراحی اجزاء، طراحی سیستم کنترل و طراحی سیستم پایش‌‌دارد. لذا ارائه یک مدل کامپیوتری مناسب جهت پیش بینی رفتار توربین‌ها‌‌ی‌گازی ضروری به نظر‌می‌‌رسد ‌[۴]
۲-۳-۲بررسی معادلات ترمودینامیکی حاکم بر توربین‌گازی
معادله تعادل جرم . و معادله تعادل گشتاور در توربین‌گازی از روابط (۲-۲) بدست‌ در این معادلات F نیرو، g شتاب جاذبه، v سرعت، z ارتفاع وl مختصات خطی است که بر حسب زمان t تغییر‌‌‌می‌‌کند‌.
(۲-۲)
محاسبه معادلات ‌‌‌غیر‌خطی ترمودینامیکی توربین‌گازی، از طریق جعبه سیاه در نظر‌گرفتن هر کدام از اجزای توربین و حل معادلات (۲-۲) برای هر بخش انجام ‌‌‌می‌‌پذیرد‌. بدین روش معادلات ‌‌‌غیر‌خطی قابل محاسبه‌است‌. مساله مهم دیگری که لازم‌است در ‌‌‌مدل‌سازی توربین‌گازی مدنظر قرار‌گیرد، تسلط به ساختمان توربین است ‌[۶].
در ذیل معادلات ‌‌‌غیر‌خطی دینامیک ترمودینامیکی تک خطی توربین‌گازی با در نظر‌گرفتن فرضیات فوق و با ساختمان تشریح‌شده در بخش حاضر آورده‌ شده ‌است‌. تقسیم بندی‌ها‌‌ی صورت‌ گرفته نیز بر اساس اجزای اصلی توربین‌گازی صورت‌ شده‌است.
ورودی هوا: سیستم هوای ورودی به منظور فیلتر کردن هوای ورودی به اتاق احتراق V94.2 طراحی شده است. هوای ورودی از طریق سیستم موسوم به AirIntake وارد کمپروسور شده وسپس در اتاق احتراق مورد استفاده قرارمی گیرد. همچنین از بین بردن صدای حاصل از کمپروسور در محیط اطراف از وظایف اصلی سیستم AirIntake است [۷]. در این بخش هیچ تبدیل ترمودینامیکی صورت ‌نمی‌‌گیرد و تنها یک انتقال جرم انجام ‌می‌شود. در برخی از مدل سازی‌ها‌‌ی توربین‌گازی، از در نظر‌گرفتن مدل این بخش صرف‌نظر می‌‌نمایند. اما در اینجا به‌منظور افزایش دقت مدل‌سازی از نقش ورودی هوا در تغییر معادلات حاکم برآن، معادلات به‌صورت جزیی بیان شده‌اند. معادلات حاکم بر ورودی هوا به شرح زیر خواهد‌بود:
(۲-۳)
لازم‌ به‌ذکر‌ است که معرفی تمامی ‌‌متغیرهای مورد استفاده در ‌‌‌مدل‌سازی توربین‌گازی در جدولی در انتهای پایان‌نامه آورده ‌شده‌است.
کمپروسور: کمپروسور وظیفه افزایش فشار سیال ورودی را بر‌عهده‌‌دارد. در تخمین برخی از متغیرهای کمپروسور، نیاز به مقدار بازده ایزنتروپیک است. که این مقدار با بهره گرفتن از نقشه‌ها‌‌ی عملکرد^[۳۷] برای آن کمپروسور و در حالت معلوم بودن مقادیر نسبت فشار^[۳۸]، سرعت دورانی و زاویه بازشدگی ^[۳۹]IGV (در صورت وجود) قابل محاسبه‌‌‌می‌‌باشد‌. با در نظر‌گرفتن این شرایط، روابط دینامیک ترمودیناکی حاکم بر کمپروسور را می‌‌توان به صورت زیر خلاصه‌نمود‌. در آن معادلات مقدار راندمان کمپروسور به صورت است ( نشان‌گر تابع می‌‌باشد) برای محاسبه آن عموما از جدول مراجع استفاده‌می‌‌شود ‌[۶].
(۲-۴)
دیفیوزر خروجی کمپروسور: کمپروسور دارای یک داکت خروجی است. که به نوبه خود بر معادلات دینامیک ترمودینامیکی حاکم بر توربین‌گاز اثر‌می‌‌گذارد. اثر دیفیوزر مذکور بر روی دما، فشار و فلو است‌. معادلات حاکم بر این بخش به صورت روابط (۲-۵) هستند:
(۲-۵)
لازم‌ به‌ذکر است همان گونه که در معادلات بالا نیز نشان داده‌شده‌، توربین‌گازی مورد مطالعه دارای دو بخش خنک‌کاری است که یکی وارد محفظه احتراق‌شده و دیگری به توربین می‌‌رود.
محفظه احتراق: تبدیل ترمودینامیکی در محفظه احتراق صورت‌‌‌می‌‌گیرد. اثر تبدیل مذکور، افزایش دمای سیال در محفظه است‌، بر همین اساس، به‌منظور ‌‌‌مدل‌سازی تبدیل ترمودینامیکی صورت‌گرفته، از روند تغییرات دمای سیال موجود در محفظه استفاده ‌می‌‌شود‌. برای این منظور به نقشه‌ای از تغییرات دما در شرایط طراحی توربین‌گازی نیاز است. این نقشه می‌‌تواند. به‌منظور ‌‌‌مدل‌سازی محفظه مورد استفاده‌ قرار‌بگیرد.
البته شایان‌ذکر است، ﺟﺮﻳﺎن ﺳﻴﺎل درون ﻣﺤﻔﻈﻪ اﺣﺘﺮاق ﺷﺎﻣﻞ ﭘﻴﭽﻴﺪﮔﻲﻫﺎی ﻓﺮآﻳﻨﺪﻫﺎی اﺣﺘﺮاق، آﺷﻔﺘﮕﻲ، اﻧﺘﻘﺎل ﺣﺮارت، ﺗﻐﻴﻴﺮ ﻓﺎز و اﻧﺘﻘﺎل ﺟﺮم ﻣﻲﺑﺎﺷﺪ. ﺑﻪ‌ﻫﻤﻴﻦ‌دﻟﻴﻞ ﺷﻨﺎﺧﺖ دﻗﻴﻖ و ﺻﺤﻴﺢ ﻣﻴﺪان ﺟﺮﻳﺎن ﻧﻴﺎز ﺑﻪ ﻣﺪلﺳﺎزی دﻗﻴﻖ ﺟﺮﻳﺎن درون ﻣﺤﻔﻈﻪ دارد. ﺑﺎﺗﻮﺟﻪ ﺑﻪ ﭘﻴﭽﻴﺪه ﺑﻮدن ﺟﺮﻳﺎن، ﺷﻨﺎﺧﺖ ﻣﻴﺪان ﺟﺮﻳﺎن ﺗﻨﻬﺎ ﺑﺎ روشﻫﺎی ﺳﻪﺑﻌﺪی ﻋﺪدی ﭘﻴﺸﺮﻓﺘﻪ اﻣﻜﺎنﭘﺬﻳﺮ اﺳﺖ. ﭘﮋوﻫﺶﻫﺎﻳﻲ ﻧﻴﺰ در اﻳﻦ زﻣﻴﻨﻪ اﻧﺠﺎم ﺷﺪه اﺳﺖ ﻛﻪ ﺑﻪﻣﻨﻈﻮر ﺷﻨﺎﺧﺖ روشﻫﺎی ﻣﺪلﺳﺎزی اﺣﺘﺮاق و آﺷﻔﺘﮕﻲ در ﻣﺤﻔﻈﻪ اﺣﺘﺮاق ﺗﻮرﺑﻴﻦ ﮔﺎز بوده‌است [۶].
در ادامه معادلات حاکم بر این بخش را با توجه به اجزای موجود در محفظه، می‌‌توان در نظر‌گرفت:
معادلات بخش ورودی محفظه احتراق:
(۲-۶)
معادلات مربوط به محفظه احتراق:
(۲-۷)
که در آن تابعی از نسبت هوا به سوخت است‌. از آنجایی که محاسبه رابطه‌ای به‌منظور توصیف دارای پیچیدگی بسیار بالایی است‌، برای محاسبه مقدار آن عموما از جدول مراجع استفاده‌ می‌‌شود.
معادلات حاکم بر قطعه انتقال دهنده گاز داغ:
(۲-۸)
توربین: فرایند ترمودینامیکی صورت‌گرفته در بخش توربین به صورت ایده آل یک فرایند آدیاباتیک است.در این بخش برای خنک‌سازی پره‌ها‌‌ی ردیف اول توربین به‌منظور جلوگیری از سوختگی آنها‌‌، از هوای خنک‌سازی گرفته‌شده از داکت کمپروسور استفاده‌ می‌‌شود. در این بخش نیز همانند بخش کمپروسور نیازمند دانستن مقدار بازده ایزنتروپیک هستیم. که برای محاسبه آن از نقشه‌ها‌‌ی عملکرد توربین استفاده‌می‌‌شود ‌[۶]. با این شرایط معادلات حاکم بر بخش توربین را می‌‌توان به صورت زیر خلاصه‌نمود:
(۲-۹)
که در آن مقدار بازده توربین در نقطه کار طراحی ‌شده و نسبت فشار توربین در نقطه کار است. یکی از فرض‌ها‌‌یی که در ‌‌‌شبیه‌سازی رفتار دبی جرمی ‌‌مورد استفاده‌ قرار‌‌‌می‌‌گیرد، آن است که دبی جرمی‌‌ورودی به توربین در تمام نقاط کاری آن مقداری ثابت است‌. لازم به‌ذکر ‌است. که فرض بالا در صورت عدم ‌‌‌مدل‌سازی روشن شدن و خاموشی توربین‌گاز قابل‌ قبول‌ است.
دیفیوزر خروجی توربین: دیفیوزر خروجی توربین وظیفه انتقال گاز به بخش اگزوز را بر عهده‌‌دارد‌. معادلات حاکم بر آن بصورت روابط (۲-۱۰) هستند:
(۲-۱۰)
اگزوز: بخش اگزوز وظیفه افزایش فشار سیال و رساندن آن به فشار‌جو را داراست‌. در حالت ایده آل مقدار دمای سیال در این قسمت تغییری‌نمی‌‌کند اما تغییر فشار، موجب تغییر در دبی جرمی‌‌سیال می‌‌شود ‌[۱۲] معادلات به صورت زیر هستند:
(۲-۱۱)
سرعت: محاسبه سرعت دوران محور توربین‌گازی هم به صورت زیر انجام‌‌‌ می‌‌پذیرد:
(۲-۱۲)
که در آن میزان گشتاور انتقالی به بار^[۴۰] (ژنراتور) است‌. لازم‌ به‌ذکر است که مدل‌سازی توربین‌گازی به آنچه در بالا بیان‌شد خلاصه ‌نمی‌‌شود‌. به عنوان مثال در نظر‌گرفتن شرایط لازم برای اجرای ‌‌‌شبیه‌سازی‌ها‌‌ بسیار حائز اهمیت ‌است‌. از‌جمله این شرایط می‌‌توان به تغییر مقدار در شرایط دمایی مختلف اشاره ‌نمود ‌[۶].
۲-۴ کنترل‌، مانیتورینک وحفاظت توربین گاز
۲-۴-۱ مقدمه
مجموعه وظایف کلی که می‌توان در یک توربین‌گاز طبقه‌بندی نمود از سه بخش تشکیل می‌شود که عبارتنداز:
وظایف کنترلی
وظایف نظارتی
وظایف حفاظتی
وظایف کنترلی: وظایف کنترلی عبارتند از مجموعه اهداف و اعمال آنالوگ و دیجیتال بر روی فرایند^[۴۱] به‌نحوی که متغیرهای سیستم در سطح مطلوب باقی بمانند.
وظایف نظارتی: وظایف نظارتی این امکان را به اپراتور می‌دهد تا بطور دستی وظایف کنترلی و حفاظتی را دنبال کرده و بطور مداوم اعمال درحال اجرا، را بطور خودکار دنبال‌نماید، علاوه‌بر‌این اپراتور می‌تواند. اطلاعات مرتبط با وضعیت فرایند و تجهیزات را در اختیار داشته‌باشد.
وظایف حفاظتی: جلوگیری از شکل‌گیری وضعیت‌ها‌‌ی خطرناک برای تجهیزات و کل نیروگاه و نگهداری سیستم در موقعیت مناسب و ایمن از وظایف بخش حفاظتی GTCMPS94^[42]1 می‌باشد. کلیه وظایف کنترلی، حفاظتی ونظارتی سیستم‌ها و تجهیزات استفاده‌شده در مجموعه توربین ژنراتور V94.2 حین ‌‌‌بهره‌برداری و در هر یک از مدهای ‌‌‌بهره‌برداری بعهده سیستم GTCMPS94 می‌باشد. تمامی تجهیزات سخت افزاری سیستم فوق در تابلوهای اتاق کنترل واحد نصب گردیده‌اند. GTCMPS94 در بخش پردازش، مدارهای‌ واسط، ارتباطات و منابع تغذیه دارای قابلیت افزونگی^[۴۳] است‌. که برای کنترل تمام اتوماتیک مجموعه توربین‌گاز و ژنراتور و انجام وظایف اصلی، که در ادامه‌ اشاره ‌می‌شود؛ طراحی ‌شده ‌است :