نیروگاه بخار - نسخه‌ی قابل چاپ

نیروگاه بخار از مهم ترین نیروگاه های حرارتی است که سهم بسیاری در تولید انرژی الکتریکی بر عهده دارند. سهم تولید این نوع نیروگاه ها حدود ۴۷/۳ درصد کل تولید انرژی کشورمان می باشد. در این نیروگاه سه نوع تبدیل انرژی صورت می گیرد. اولین نوع، تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی حرارتی است که این تحول در وسیله ای به نام دیگ بخار صورت می پذیرد.

این تبدیل انرژی، آب ورودی به دیگ بخار را به بخار با دمای زیاد تبدیل می کند. دومین نوع، تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی است. این تحول در توربین صورت می گیرد و انرژی حرارتی بخار ورودی به توربین، تبدیل به انرژی مکانیکی چرخشی محور توربین می شود. سومین نوع از تبدیل انرژی در نیروگاه بخار، تبدیل انرژی مکانیکی روتور به انرژی الکتریکی می باشد که این تحول در ژنراتور نیروگاه صورت می گیرد.

در این سیستم های قدرت، سیال در گردش، ضمن طی کردن سیکل، تغییر فاز می دهد. (بر خلاف سیکل های قدرت گازی) به عبارت دیگر یک سیکل ترمودینامیکی بسته را تشکیل می دهند که سیال در گردش، همواره در سیستم، جریان دارد. سیال معمولاً آب می باشد و به صورت دو فاز مایع و بخار در سیکل جاری است. سیکل قدرتی که در نیروگاه های بخار استفاده می شود سیکل رانکین است.

در بحث ترمودینامیک، سیکل کارنو، یک سیکل ایده آل است به طوری که بازده این سیکل فقط به درجه حرارت های منابع گرم و سرد بستگی دارد و ارتباطی به سیال در گردش ندارد. سیکل کارنو به دلایلی که به آن ها خواهیم پرداخت برای سیال بخار آب استفاده نمی شود.

یک فرآیند دما ثابت و برگشت پذیر است که گرما از یک منبع با دمای بالا به سیال منتقل می شود.

یک فرآیند آدیاباتیک برگشت پذیر انبساطی می باشد، که با انجام کار در توربین، دمای سیال از درجه حرارت منبع گرم به درجه حرارت منبع سرد کاهش می یابد.

در فرآیند دما ثابت برگشت پذیر، گرما از سیال، به منبع با دمای پایین منتقل می شود.

مرحلۀ چهارم:

یک فرآیند آدیاباتیک برگشت پذیر تراکمی است که با انجام کار، دمای سیال از دمای منبع سرد به دمای منبع گرم افزایش می یابد.

تحولی است که آنتروپی (S) ثابت ولی دما (T) تغییر می کند. با توجه به برگشت پذیر بودن همه ی مراحل فوق، سیکل کار نو به طور کامل برگشت پذیر است.

در این سیکل، آب با فشار کم توسط پمپ تغذیه (BFP) به آب با فشار زیاد تبدیل می شود و آب با فشار زیاد به سمت دیگ بخار می رود. در دیگ بخار به دلیل انتقال حرارت از منبع گرم به سیال آب، دمای آب ورودی افزایش می یابد. انتقال حرارت به حدی است که آب ورودی به دیگ بخار، تبدیل به بخار اشباع می شود.

این تحول به صورت یک تحول بافشار ثابت است. بخار اشباع خارج شده از دیگ بخار، پس از عبور از پره های توربین منبسط می شود که این انبساط باعث ایجاد کار در طول محور توربین می گردد. این تحول، یک تحول آدیاباتیک است که باعث می شود سیال خروجی از توربین به صورت بخار مرطوب در آید. حرارت موجود در این بخار مرطوب در وسیله ای به نام کندانسور جذب میشود. سیال خروجی از کندانسور به صورت مایع اشباع وارد پمپ تغذیه می گردد.

در این سیکل، گرمای داده شده به سیال در دیگ بخار معادل با سطح (۵-۶-۳-۲-۵) و مقدار کار انجام شده توسط توربین معادل با سطح (۱-۴-۳-۲-۱) است. در نتیجه مقدار حرارت تلف شده در کندانسور برابر با سطح (۵-۶-۴-۱-۵) می باشد.

بازده سیکل رانکین در عملکرد بین دو دمای حداکثر و حداقل کمتر از بازده سیکل کارنو است، زیرا دمای متوسط در دیگ بخار سیکل رانکین، کم تر از دمای سیال در دیگ بخار کارنو است. از مشکلات این سیکل، کاهش بازده آن نسبت به سیکل کارنو و وجود مایع در سیال بخار خروجی از توربین می باشد.

برای افزایش بازده سیکل رانکین تمهیداتی صورت می گیرد که عبارتند از:

۱- افزایش دمای بخار ورودی به توربین

۲- افزایش فشار سیال ورودی به توربین

٣- کاهش فشار سیال خروجی از توربین

دیگ بخار، یکی از مهم ترین تجهیزات نیروگاه های بخار می باشد که در آن آب تغذیه شده به وسیلۀ پمپ با جذب حرارت، به بخار پس تافته تبدیل می شود. دیگ بخار از نظر چگونگی کارکرد به دو نوع تقسیم می شود:

در این نوع دیگ بخار، آب ورودی پس از عبور از لوله های اکونومایزر وارد مخزن درام می شود. آب موجود در درام از طریق لوله هایی به پایین دیگ بخار منتقل می گردد و سپس توسط لوله های دیوارهای به نام اواپراتور به طرف بالا می رود. با عبور این لوله ها از کنار مشعل ها آب داخل لوله ها به بخار تبدیل شده و مجدداً به درام باز می گردد.

در درام، قطرات آب از بخار خروجی لوله های اواپراتور جدا شده و بخار اشباع به سمت سوپر هیتر هدایت می شود تا در آنجا به بخار پس تافته تبدیل شود. این نوع، دیگ های بخار، از نظر سیر کولاسیون آب و بخار در اواپراتور به دو صورت سیرکولاسیون طبیعی و اجباری طراحی می شوند.

در این نوع دیگ های بخار، آب ورودی با یک بار عبور از لوله های دیوارهای اواپراتور به بخار اشباع تبدیل می شود. سپس بخار اشباع با عبور از سوپر هیتر به صورت بخار پس تافته در می آید. این دیگ های بخار از نظر نوع سیرکولاسیون، اجباری هستند. به همین دلیل در این نوع دیگ های بخار، نیازی به درام نمی باشد.

در این دیگ های بخار، کوره و لوله های اواپراتور طوری طراحی می شوند که تمام آب موجود در لوله های اواپراتور پس از طی محفظۀ احتراق، به بخار تبدیل شده و مستقيماً به سوپر هیترها منتقل شوند.

اکونومایزر از تعدادی لوله های سری تشکیل شده است که در مراحل آخرین مسیر گازهای حاصل از احتراق قرار می گیرد. لوله های اکونومایزر پس از لوله های ری هیتر و سوپر هیتر در دیگ بخار قرار می گیرند تا از حرارت خارج شده از دیگ بخار نهایت استفاده برده شود.

آب تغذیه در ابتدای ورود به دیگ بخار از داخل این لوله ها عبور می کند و پس از گرم شدن ابتدایی وارد درام می شود. در واقع اکونومایزر را می توان گرم کنندۀ آب تغذیه نامید.

درام دارای وظایفی به شرح زیر می باشد:

به کمک درام امکان عبور بخار بدون ذرات آب به طرف لوله های سوپر هیتر فراهم می شود. جداسازی به این صورت است که مخلوط آب و بخار، وارد جدا کننده های سیلیکون می شود و با حرکت چرخشی که به سال داده می شود و نیروی گریز از مرکزی که ایجاد می گردد، قطرات آب از بخار جدا می شوند.

این بخار کاملاً عاری از قطرات آب نیست و باید از صفحاتی لایه لایه عبور کند تا به صورت بخار اشباع خالص به سمت سوپر هیتر برود. درام باید تحمل فشار بالای سیال عبوری را داشته باشد، زیرا سیال موجود در درام، فشاری تقریباً معادل با فشار سیال خروجی از پمپ تغذیه دارد شکل (۴) قسمت های داخلی درام را نشان می دهد.

اطراف محفظۀ احتراق دیگ های بخار، تعداد زیادی لوله های موازی نزدیک به هم به نام اواپراتور قرار گرفته است. وظیفۀ این لوله ها از یک طرف جذب بخشی از حرارت حاصل از احتراق به روش های تشعشی و جابجایی و از طرف دیگر انتقال حرارت جذب شده به وسیلۀ هدایت به آب داخل خود می باشد. به این ترتیب بخار تولیدی دیگ بخار ایجاد می شود.

همچنین، جذب حرارت توسط لوله های دیواره های، باعث خنک شدن فضای اطراف کوره می گردد. لذا مشکلی از نظر عایق کاری دیواره های اطراف محفظه پیش نخواهد آمد. جریان آب در داخل لوله های اواپراتور از پایین به بالاست هر چه آب در طول لوله به طرف بالا حرکت کند، حرارت بیشتری جذب و در نتیجه بخار بیشتری تولید می نماید.

به منظور استفادۀ بیشتر از انرژی و حرارت بخار در نیروگاه ها، بخار اشباع شده را در وسیله ای به نام سوپر هیتر مجدداً توسط گازهای گرم کوره حرارت می دهند تا به بخار خشک تبدیل شود. سوپر هیتر از لوله های موازی تشکیل شده که در تماس با حرارت گازهای کوره می باشد و حرارت این گازها را به سیال درون خود منتقل می کند.

جهت افزایش بازده سیکل نیروگاه های بخاری از ری هیترهایی که در بین توربین های نیروگاه قرار دارد استفاده می شود. ری هیترها درجه حرارت بخار خروجی از توربین فشار قوی را تا درجه اولیه ی بخار بالا می برند و سپس آن را به سمت توربین فشار متوسط هدایت می کنند.

این عمل بین توربین های فشار متوسط و فشار ضعیف هم انجام می شود. ساختمان و طرز قرار گرفتنشان شبیه سوپر هیترهاست. وجود ری هیترها در دیگ های بخار با ظرفیت بالا، به دلیل افزایش بازده سیکل و کاهش رطوبت سیال خروجی الزامی است.

کوره فضایی است که عمل احتراق در آن صورت می گیرد. برای احتراق کامل، ضمن این که هوا و سوخت باید در تماس نزدیک با هم باشند، نسبت هوا به سوخت باید مقدار مشخصی باشد. برای رسیدن به این منظور سه شرط زیر لازم است:

الف۔ وجود زمان کافی جهت انجام فعل و انفعالات شیمیایی

ب- تلاطم کافی برای مخلوط شدن کامل سوخت و هوا

ج- درجه حرارت کافی برای آتش گرفتن سوخت و پایداری شعله.

آخرین جز در مسیر دود، دودکش است که گازهای خروجی از دیگ بخار را به محیط بیرون هدایت می کند. ارتفاع نقش تعیین کننده ای در هدایت دود و بالطبع کاهش آلودگی محیط دارد.

فن ها در دیگ بخار نیروگاه برای حمل هوای مورد نیاز مشعل ها یا گازهای گرم کوره به کار می روند. فن ها از نظر ساختمانی به دو دسته تقسیم می شوند.

در این نوع فن، هوا از یک طرف به پره ها می رسد و در امتداد محور پره ها به طرف دیگر دمیده می شود. مزیت این فن ها، کوچکی و ارزان بودن آن ها می باشد.

در این نوع از فن ها، هوا از یک یا دو طرف در امتداد محور به پره ها می رسد و سپس در جهت شعاعی جریان پیدا می کند.

به منظور استفادۀ مجدد از بخار خارج شده از توربین، آن را در وسیله ای به نام کندانسور، تبدیل به مایع اشباع می کنند. زیرا پس از این که بخار، حداکثر انرژی را به توربین منتقل کرد باید دوباره به دیگ بخار برگردانده شود. مقدار بخار خروجی از توربین، بسیار زیاد است و خارج شدن آن از سیکل از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نیست.

چون باید دوباره همین مقدار آب مقطر تولید شود. با توجه به حجم بسیار زیاد بخار خروجی از توربین، امکان این که بخار را توسط پمپ تغذیه به سمت دیگ بخار هدایت کنیم وجود ندارد. از این رو بخار در کندانسور تبدیل به مایع شده تا حجم آن کاهش یابد که در این حالت، پمپاژ کردن آن هم راحت تر و مقرون به صرفه تر خواهد بود.

توربین های نیروگاه های بخاری، انرژی حرارتی موجود در بخار را به انرژی مکانیکی چرخشی تبدیل می کند. بخار خروجی از دیگ بخار، انرژی پتانسیل زیادی دارد. این بخار با عبور از شیپوره انبساط می یابد. در واقع در شیپوره، انرژی پتانسیل موجود در بخار به انرژی جنبشی تبدیل می شود. بخار ورودی به توربین با سرعت زیاد به پره های توربین برخورد می کند و باعث چرخش پره ها می شود. با شروع چرخش پره ها، محور روتور به گردش در می آید.

با چرخش روتور توربین، محور روتور ژنراتور که به توربین متصل است شروع به چرخش نموده و در ژنراتور، انرژی مکانیکی چرخشی روتور به انرژی الکتریکی تبدیل می شود. توربین های بخار از جهات مختلفی دسته بندی می شوند که در این جا آنها را از نظر فشار کار کرد به سه دسته تقسیم می کنیم:

الف) توربین های با فشار قوی (HP)

ب) توربین های با فشار قوی و متوسط (IP. HP)

ج) توربین های با فشار قوی و متوسط و ضعیف (LP. IP . HP)

در توربین های نوع اول، تمام بخار پس از عبور از یک توربین فشار قوی وارد کندانسور می شود. در نوع دوم، بخار پس از عبور از دو توربین فشار قوی و فشار متوسط، وارد کندانسور می گردد. در توربین های نوع سوم که در نیروگاه های با توان بالا به کار برده می شوند، مراحل انبساط بخار در سه توربین صورت می پذیرد. در این نوع، بین دو انبساط بخار در توربینهای فشار قوی و فشار متوسط از ری هیتر استفاده میشود تا بازده سیکل افزایش یابد. در بعضی نیروگاهها، توربینهای فشار قوی و فشار متوسط را در یک پوسته قرار می دهند.

محل احداث نیروگاه ها با توجه به جوانب ایمنی، اقتصادی و همچنین نوعشان (آبی،گازی،بخاری و … ) و پارامترهای پیچیدۀ دیگر تعیین می گردد. انتخاب محل نیروگاه به عوامل زیر بستگی دارد: