نیروگاه گازی و سیکل ترکیبی

 

نیروگاه گازی و سیکل ترکیبی

 

 

  • نیروگاه گازی

یکی دیگر از نیروگاه های پر کاربرد در شبکه های قدرت، نیروگاه های گازی می باشند. سیال این نیروگاه ها، هوای محیط می باشد و تجهیزات اصلی سیکل گازی، کمپرسور، محفظۀ احتراق و توربین هستند.

  طرز کار یک نیروگاه گازی به این صورت است که ابتدا هوا با دما و فشار محیط وارد کمپرسور شده و پس از متراکم شدن تحت تحول آدیاباتیک، وارد محفظۀ احتراق می گردد. با پاشش و احتراق سوخت، هوای ورودی به محفظه ی احتراق تحت یک فشار ثابت، گرم می شود.

گاز خروجی از این محفظه، دارای فشار و درجه حرارت بالایی است که انرژی پتانسیل و جنبشی زیادی دارد. این گاز با عبور از پره های ثابت و متحرک توربین گازی، باعث چرخش محور توربین و در نتیجه چرخش محور روتور ژنراتور می شود. در کشور ما نیروگاه های گازی در حدود ۲۱٪ کل تولید انرژی الکتریکی را بر عهده دارند.

 

 

 

  • سیکل استاندارد براتیون

 در سیکل براتیون استاندارد، در محفظۀ احتراق به جای تحول احتراق عمل انتقال حرارت صورت می گیرد. همچنین با فرستادن گازهای خروجی از توربین به یک مبدل حرارتی، گازها را به شرایط محیط می رسانند. هوای این سیکل را گازی با گرمای ویژه و دبی جرمی ثابت در نظر میگیریم و تحول های تراکم و انبساط را برگشت پذیر و آدیاباتیک فرض می کنیم.

در این شرایط سیال گاز، یک سیکل ترمودینامیکی بسته را طی می کند. باید بدانیم که در هر صورت نتایج حاصل شده از یک سیکل براتیون استاندارد با سیکل واقعی کاملاً متفاوت است.

 

منحنی T-S سیکل برایتون

 

شکل (۱) منحنی T-S سیکل برایتون

 

 

  • تجهیزات نیروگاه گازی

همانطور که گفته شد، تجهیزات اساسی یک نیروگاه گازی، شامل کمپرسور، محفظۀ احتراق و توربین می باشد. در کمپرسور فشار هوای ورودی زیاد می شود و در محفظۀ احتراق، گاز با فشار زیادی گرم می شود. برای این که هوای ورودی به توربین محور چرخندۀ آن را به حرکت در آورد، باید گاز با فشار زیاد تبدیل به گاز با سرعت زیاد شود. این عمل توسط نازل که در ابتدای ورودی توربین قرار دارد انجام می شود. گاز با سرعت بالا باعث چرخش روتور توربین و تولید انرژی می شود.

 

  • کمپرسور

کمپرسورها وسایلی هستند که فشار گاز ورودی را افزایش می دهند. کمپرسورهایی که در توربین های گازی به کار می روند از دو نوع کمپرسورهای محوری و کمپرسورهای گریز از مرکز هستند. در نیروگاه های گازی اکثراً از کمپرسورهای محوری استفاده می شود. 

 

 

  • بازیاب

برای استفاده بیشتر از حرارت خروجی از توربین گازی، بازیاب به کار برده می شود. در واقع بازیاب ها سبب بالا رفتن بازده سیکل شده و با کاهش میزان سوخت مصرفی در محفظۀ احتراق، استفاده از انرژی مربوطه را بیشتر ممکن می سازند. در توربین های گازی، هوای تازه وارد فیلتر ورودی می شود و در کمپرسور تا حدود فشار atm ۶/۸ و درجه حرارت ۲۶۰ درجه سانتیگراد، متراکم می گردد و سپس به بازیاب می رود تا در آنجا بیش تر گرم شود. پس از منبسط شدن گاز در توربین، درجه حرارتش به ۵۳۸ درجه سانتیگراد و فشار آن به فشار محیط می رسد سپس این گاز دوباره به بازیاب می رود تا حرارت تولید شده را به هوای ورودی بدهد.

 

 

  • محفظۀ احتراق

محفظۀ احتراق برای بالا بردن درجه حرارت گاز متراکم خروجی از بازیاب به کار می رود. در محفظۀ احتراق مقدار کمی مواد سوختنی با هوای فشرده مخلوط می شود و حرارت تولید می گردد. ساختمان این محفظه باید طوری باشد که آتش در لایه ای از هوا قرار گیرد و در ضمن، هوای زیاد باعث خاموش شدن شعله نگردد.

به این منظور در محفظه های احتراق دو نوع هوا داریم، هوای اولیه و ثانویه که مسیر ورود آن ها وابسته به طراحی محفظۀ احتراق است. اگر به دلیل طراحی نامناسب این محفظه، هوای اولیه و ثانویه کاملاً با هم مخلوط نشوند. توده های بسیار داغ گاز ایجاد می شود که ممکن است بر اثر حرارت زیاد این توده ها، دیواره های محفظه و تیغه های فلزی آسیب ببینند.

در هنگام روشن شدن مشعل نباید مقدار زیادی مواد سوختنی و هوا در محفظۀ احتراق باشد، زیرا احتمال انفجار در آن وجود دارد.

 

 

  • توربین گازی

توربین های گازی، مانند توربین های نیروگاه های بخاری دارای دو نوع جریان محوری و جریان شعاعی است. توربین های جریان محوری بسیار پرکاربردتر هستند و از دو نوع پرۀ متحرک ضربه ای و عکس العملی استفاده می کنند.

 

  • تفاوت توربین های نیروگاه های گازی با توربین های نیروگاه های بخار

توربین های نیروگاه های گازی دو تفاوت عمده با توربین های نیروگاه های بخار دارند:

الف) دمای گازهای ورودی به توربین نیروگاه گازی، خیلی بیشتر از دمای بخار پس تافته ورودی به توربین نیروگاه بخار است. دمای گازهای احتراق در حدود ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد، است.

ب) در گاز های احتراق ورودی به توربین گازی، عناصر زائدی از قبیل گوگرد، فسفر، سدیم، وانادیوم و … وجود دارد که باعث خوردگی پره های توربین می شود. این عناصر در سوخت تزریق شده به محفظه ی احتراق موجود می باشند. از آنجایی که این مواد غیرقابل اشتغالند این مواد به همراه گازهای داغ وارد توربین می شوند و روی سطح پره ها می نشینند و باعث خوردگی شیمیایی و مکانیکی سطح پره ها می شوند، لذا استقامت پره های توربین گازی در مقابل خوردگی باید بسیار بیشتر از پره های توربین بخاری باشد.

 

 

  • تجهیزات جانبی نیروگاه های بخار

تجهیزات جانبی این نیروگاه گازی عبارتند از:

۱-دیزل ۲- مبدل گشتاور و چرخ دندۀ آن ۳- راچت ۴- کلاچ راه انداز ۵- جعبه دندۀ کمکی ۶۲- کوپلینگ انعطافی ۷- محفظۀ یاتاقان شماره (۱) ۸- محور کمپرسور ۹- لولۀ گشتاوری ۱۰- محور توربین ۱۱- محفظۀ یاتاقان شمارۀ (۲) ۱۲- جعبه دنده بار ۱۳- کلاچ عمل کنندۀ خود کار ۱۴- یاتاقان ژورنال ژنراتور ۱۵- محور ژنراتور (روتور) ۱۶- یاتاقان دوم ژنراتور ۱۷- ژنراتور تحریک.

 

 

 

  • نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه های چرخۀ ترکیبی در واقع ترکیبی از توربین های گازی و توربین های بخاری می باشند. در بحث سیکل ترمودینامیکی نیروگاه های گازی گفتیم که بازده این نیروگاه ها به دلیل اتلاف حرارتی زیاد نسبت به نیروگاه های بخاری بسیار کم می باشد. در نیروگاه های گازی دمای هوای ورودی به توربین حدود ۱۱۰۰ تا ۱۴۵۰ درجۀ سانتیگراد است و دمای هوای خروجی از توربین به حدود نصف دمای ورودی می رسد.

این انرژی فراوان موجود در سیال خروجی اکثرا با استفاده از مبدل بازیاب مورد استفاده واقع می شد. در بازیاب با توجه به اختلاف دمای سیال خروجی از توربین و کمپرسور، انتقال حرارت از سیال خروجی از توربین به هوای خروجی از کمپرسور صورت می گیرد. با این روش تا حدودی بازده سیکل افزایش می یابد، از طرف دیگر به خاطر لوله های بزرگ و سطوح تبادل حرارتی در این مبدل، هزینه ی ثابت این نوع نیروگاه ها افزایش می یابد. بنابراین یکی از راه های بسیار مناسب در بالا بردن بازده نیروگاه های گازی، استفاده از انرژی بسیار زیاد موجود در گازهای خروجی از توربین های گازی برای تولید بخار در یک نیروگاه بخاری می باشد. این سیکل به دلیل این که دمای سیال ورودی به توربین بخار در آن در حدود ۵۴۰ تا ۶۵۰ درجۀ سانتیگراد است امکان پذیر می باشد. این سیکل ها دارای مزایای دیگری از قبیل انعطاف پذیری در تولید، راه اندازی سریع، مناسب برای بارهای پایه، و عملکرد دوره ای می باشد.

از مشکلات این نیروگاه ها وابسته بودن تولید واحدهای بخاری به واحدهای گازی است. طرح کلی سیکل ترمودینامیکی نیروگاه چرخۀ ترکیبی در شکل (۲) نشان داده شده است که از حرارت خروجی از توربین گازی در دیگ بخار بازیاب نیروگاه بخاری استفاده می کند.

 

 

طرح کلی یک سیکل ترکیبی

 

شکل (۲) طرح کلی یک سیکل ترکیبی

 

 

 

مقالات مرتبط