روش کار نیرو بخار

 

روش کار نیروگاه بخار

 

  • نیروگاه بخار

نیروگاه های بخار از مهم ترین نیروگاه های حرارتی می باشند 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.

 

 

  • سیکل های قدرت بخار

 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. 

 

 

  • سیکل ایده آل کارنو

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.

 

مرحلۀ اول:

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

 

مرحلۀ دوم:

 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.

 

مرحلۀ سوم:

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.

 

 

سیکل ایده آل کار نو و منحنی دما-آنتروپی

 

شکل (۱) سیکل کار نو و منحنی دما-آنتروپی

 

  • تحول آدیاباتیک

 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.

 

 

  • دلایل عدم استفاده از سیکل کارنو برای سیال بخار آب:

  • یک تحول دما و فشار ثابت است که در کندانسور حاصل می گردد، اما نمی توان کیفیت نقطۀ (۱) را که سیال ورودی به پمپ تغذیه است کنترل نمود زیرا اگر نقطۀ (۱) در محل مطلوب و مورد نظر نباشد، فشردن بخار به طور آنتروپی ثابت در پمپ تغذیه غیرممکن است.

 

  • متراکم کردن یک ماده در حالت دو فاز با شرایط آنتروپی ثابت تحول مشکلی می باشد.

 

 

  • امکان انتقال حرارت در دیگ بخار تحت یک تحول دما ثابت وجود ندارد، زیرا این کار مستلزم سطح انتقال حرارت بینهایت می باشد به همین دلیل انتقال حرارت فرآیندی برگشت ناپذیر تلقی می شود.

 

 

  • سیکل رانکین

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. 

 

سیکل رانکین و منحنی دما- آنتروپی

 

شکل (۲) سیکل رانکین و نمودار دما-آنتروپی

 

 

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.

 

  • افزایش بازده سیکل رانکین

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

 

 

 

  • تجهیزات اصلی نیروگاه بخار

  • دیگ بخار

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:

 

الف – دیگ بخار درام دار

  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.

 

 

 ب- دیگ بخار یکبار گذر

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. شکل (۳)، لوله های اکونومایزر را نشان می دهد.

 

 

لوله های اکونومایزر

شکل (۳) لوله های اکونومایزر

 

  • درام

درام دارای وظایفی به شرح زیر می باشد:

جدا کردن قطرات آب از بخار

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.

 

قسمت های داخلی درام

 

شکل (۴) قسمت های داخلی درام

 

 

 

  • لوله های دیواره های کوره (اواپراتور)

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.

 

 

  • سوپر هیتر

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.

 

 

  • ری هیتر

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 یا محفظۀ احتراق

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.

 

 

  • دودکش

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 های نیروگاه

 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.

 

الف) فن با جریان محوری

 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.

 

 ب) فن با جریان شعاعی

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.

 

 

مسیر گازهای حاصل از احتراق و سیال سیکل در قسمت دیگ بخار

 

شکل (۵) مسیر گازهای حاصل از احتراق و سیال سیکل در قسمت دیگ بخار

 

 

  • کندانسور

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

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.

 

 

 

  • انتخاب محل نیروگاه

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:

۱- دسترسی به سوخت

۲- نزدیکی متعادل به مراکز مصرف

٣- امکان دفع فرآورده های ناخواسته

۴- وجود نیروی کارگر متخصص

۵- دسترسی به آب

۶- زمین مورد نیاز

۷- عدم آلودگی برای محیط زیست

۸- رشد منطقی همۀ نقاط یک کشور

۹- بررسی های زمین شناسی

۱۰- مطالعۀ شبکه

 

 

 

مقالات مرتبط