فصل اول
نیروگاه های بخاری
1-1- مقدمه
نیروگاههای بخاری یکی از مهمترین نیروگاههای حرارتی می باشند که در اکثر کشورها، از جمله ایران سهم بسیار زیادی را در تولید انرژی الکتریکی بر عهده دارند، به طوریکه سهم تولید این نوع نیروگاهها حدود 3/47% کل تولید انرژی کشورمان می اشد. از مهمترین این نیروگاهها در کشورمان می توان به نیروگاههای شهید سلیمی نکا ،شهید رجایی قزوین، شهید محمدمنتظری اصفهان، رامین اهواز، اسلام آباد اصفهان، طوس مشهد، بعثت تهران، شهید منتظر قائم کرج، تبریز، بیستون کرمانشاه ، مفتح (غرب) همدان، و بندرعباس اشاره نمود. مشخصات این نیروگاهها به همراه دیگر نیروگاههای بخاری کشورمان در سال 1381 را میتوان در جدول (1-1) مشاهده نمود.
در این نیروگاهها، از منابع انرژی فسیلی از قبیل نفت، گاز طبیعی، مازوت و غیره استفاده میشود؛ به این ترتیب که از این سوختها جهت تبدیل به انرژی حرارتی استفاده شده، سپس این انرژی مکانیکی، و در مرحله بعد به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. به عبارت دیگر در این نیروگاه سه نوع تبدیل انرژی صورت می گیرد. اولین نوع، تبدیل انرژی شیمیایی (انرژی نهفته در سوخت) به انرژی حرارتی است که این تحول در وسیله ای به نام دیگ بخار صورت می پذیرد. این تبدیل انرژی باعث می شود که آب ورودی به دیگ بخار تبدیل به بخار با دمای زیاد شود. دومین نوع، تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی است که این تحول در توربین نیروگاه صورت می گیرد و انرژی حرارتی در بخار ورودی به توربین، تبدیل به انرژی مکانیکی چرخشی محور توربین می شود. سومین و آخرین نوع از تبدیل انرژی در نیروگاههای بخاری، تبدیل انرژی مکانیکی روتور به انرژی الکتریکی می باشد که این تحول در ژنراتور نیروگاهها صورت می گیرد. در نهایت، انرژی الکتریکی توسط خطوط انتقال به مصرف کنندگان منتقل می شود. در این فصل برآنیم تا تجهیزات این نوع نیروگاهها را تشریح کنیم. بدین منظور ابتدا سیکل ترمودینامیکی بخاری بیان می گردد. پس از آشنایی مقدماتی با تجهیزات اصلی یک نیروگاه از قبیل توربین، دیگ بخار، کندانسور، و پمپ تغذیه، به طور مجزا، تجهیزات اصلی و جانبی این نیروگاهها مطرح می شود.
جدول (1-1) : مشخصات نیروگاههای بخاری ایران در سال 1381
| نیروگاه |
محل جغرافیایی |
زمان بهره برداری |
تعداد واحدها |
قدرت نامی هرواحد MW |
مجموع تولید MW |
| رامین |
اهواز |
78-1358 |
6 |
315 |
1890 |
| شهیدسلیمی |
نکا |
60-1358 |
4 |
440 |
1760 |
| شهیدمنتظری |
اصفهان |
78-1363 |
8 |
200 |
1600 |
| شازند |
اراک |
80-1379 |
4 |
325 |
1300 |
| بندرعباس |
بندرعباس |
64-1359 |
4 |
320 |
1280 |
| شهیدرجایی |
قزوین |
1371 |
4 |
250 |
1000 |
| مفتح غرب |
همدان |
1373 |
4 |
250 |
1000 |
| اسلام آباد |
اصفهان |
67-1348 |
5 |
320*2 |
835 |
| 120*1 |
| 5/37*2 |
| تبریز |
تبریز |
68-1365 |
2 |
368 |
736 |
| بیستون |
کرمانشاه |
1373 |
2 |
320 |
640 |
| شهیدمنتظرقائم |
کرج |
52-1350 |
4 |
25/156 |
625 |
| طوس |
مشهد |
1365 |
4 |
150 |
600 |
| شهیدمدحج |
اهواز |
1354 |
2 |
145 |
290 |
| بعثت |
تهران |
47-1346 |
3 |
May-82 |
5/247 |
| شهیدبهشتی |
لوشان |
1352 |
2 |
120 |
240 |
| ایرانشهر |
ایرانشهر |
81و76-75 |
3 |
64 |
192 |
| مشهد |
مشهد |
1353 |
3 |
60*2 |
120 |
| زرند |
کرمان |
1352 |
2 |
30 |
60 |
| شهیدفیروزی |
تهران |
1338 |
4 |
12-May |
50 |
-2- سیکل ترمودینامیکی نیروگاه بخاری
1-2-1- مقدمه
تقریباً تمام سیستمهایی که انرژی ذخیره شده در سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند، دارای یک سیال در گردش سیکل هستند. این سیستم ها را میتوان بر اساس نوع سیال در گردش به صورت زیر دسته بندی نمود:
الف) سیکل های قدرت گازی: سیستم های قدرتی هستند که در آنها، سیال در گردش به صورت گاز است و تغییر فازی در سیکل صورت نمی گیرد. از مهمترین این سیستمها میتوان به توربین های گازی، موتورهای دیزلی و ... اشاره نمود. در این نوع سیکل ها معمولاً هوا و مواد سوختی در شرایط محیط و با نسبت معینی وارد سیستم می شود و پس از طی یک رشته تحول به صورت محصول های احتراق از سیستم خارج میشوند. بدین ترتیب اگر چه این سیستم ها، یک سیکل مکانیکی را طی می کنند، ولی دارای یک سیکل ترمودینامیکی نیستند و اصطلاحاً از نظر ترمودینامیکی به سیستم های باز مشهور هستند.
ب ) سیکل های قدرت بخاری: سیستم های قدرتی هستند که در آنها، سیال در گردش ضمن طی کردن سیکل، تغییر فاز می دهد و بر خلاف سیکل های قدرت گازی، یک سیکل ترمودینامیکی را طی می کنند. این سیکل ها از نظر ترمودینامیکی یک سیکل بسته را تشکیل می دهند که سیال در گردش، همواره در سیستم، جریان دارد. سیالی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد آب است که به صورت دو فاز مایع و بخار در سیکل، جریان می یابد. سیکل قدرت بخاری که در نیروگاههای بخاری استفاده می شود، سیکل رانکین است. قبل از تشریح سیکل رانکین نیروگاه بخاری، باید سیکل ایده ال کارنو و دلایل عدم استفاده از آن را در این نیروگاهها بیان نماییم.
1-2-2- سیکل کارنو با استفاده از بخار آب
همانطور که از مباحث ترمودینامیک می دانیم سیکل کارنو، یک سیکل ایدهال است که بازده سیکل کارنو فقط به درجه حرارتهای منابع گرم و سرد بستگی دارد و به سیال در گردش، ارتباطی ندارد. حال باید دید که چرا چنین سیکلی که دارای بالاترین بازده است، برای سیال بخار آب استفاده نمی شود. بدین منظور، سیکل کارنو به همراه منحنی دما – انتروپی را مطابق شکل (1-1) در نظر بگیرید.
سیکل کارنو از چهار مرحله اصلی تشکیل شده است:
1) یک فرآیند دما ثابت برگشت پذیر که گرما از یک منبع با دمای بالا به سیال منتقل می شود (تحول 3-2).
2) یک فرآیند آدیاباتیک برگشت پذیر انبساطی که با انجام کار در توربین، دمای سیال از دما منبع گرم به دمای منبع سرد کاهش می یابد (تحول 4-3).
3) یک فرآیند دما ثابت برگشت پذیر که گرما از سیال، به منبع با دمای پایین منتقل می شود (تحول 1-4).
4) یک فرآیند آدیاباتیک برگشت پذیر تراکمی که با انجام کار، دمای سیال از دمای منبع سرد به دمای منبع گرم افزایش می یابد (تحول 2-1)
هر یک از فرآیندهای فوق، به طور جداگانه برگشت پذیر هستند و از این رو، سیکل به طور کامل برگشت پذیر است. اما کاربرد سیکل کارنو با استفاده از سیال بخار آب به طور کامل برگشت پذیر است. اما کاربرد سیکل کارنو با استفاده از سیال بخار آب عملی نمی باشد. دلایل غیر عملی بودن سیکل کارنو آن است که اولا تحول 1-4 یک تحول دماثابت و فشار ثابت است که در کندانسور حاصل می گردد، اما نمی توان کیفیت نقطه (1) را که سیال ورودی به پمپ تغذیه است کنترل نمود؛ زیرا اگر نقطه (1) در محل مطلوب و مورد نظر نباشد، فشردن بخار به طور انتروپی ثابت در پمپ تغذیه غیر ممکن است ثانیاً تراکم یک ماده در حالت دو فاز با شرط انتروپی ثابت (مثل ترکیب مایع – بخار در نقطه (1) از سیکل کارنو) تحول مشکلی خواهد بود. ثالثاً امکان انتقال حرارت در دیگ بخار تحت یک تحول دما ثابت وجود ندارد؛ زیرا این کار مستلزم سطح انتقال حرارت بی نهایت می باشد لذا همواره انتقال حرارت، فرآیندی برگشت ناپذیر تلقی می شود.
1-2-3- سیکل رانکین
یک نمونه از سیکل ساده رانکین با سیال بخار آب به همراه نمودار (T-S) را مطابق شکل (1-2) در نظر بگیرید.
در این سیکل، ابتدا آب با فشار کم توسط پمپ تغذیه (BFP) به آب با فشار زیاد تبدیل می شود (تحول 2-1) و آب با فشار زیاد به سمت دیگ بخار منتقل می شود. در دیگ بخار به وسیله انتقال حرارت از منبع گرم به سیال آب، دمای آب ورودی افزایش می یابد. این انتقال حرارت به حدی است که سیال آب ورودی به دیگ بخار، افزایش مییابد. این انتقال حرارت به حدی است که سیال آب ورودی به دیگ بخار، تبدیل به بخار اشباع می شود (تحول 3-2) . این تحول به صورت یک تحول با فشار 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 (تحول 4-3). این تحول، یک تحول آدیاباتیک است که باعث می شود تا سیال خروجی از توربین به صورت بخار مرطوب (بخار همراه مایع) در آید. حرارت موجود در این بخار مرطوب در وسیله ای به نام کندانسور جذب می شود (تحول 1-4).
نهایتاً سیال خروجی از کندانسور به صورت مایع اشباع وارد پمپ تغذیه می گردد.
در این سیکل، مقدار گرمای داده شده به سیال در دیگ بخار معادل با سطح (5-6-3-2-5) و مقدار کار انجام شده توسط توربین معادل با سطح (1-4-3-2-1) در شکل (3-2-ب) است. در نتیجه میتوان گفت که مقدار حرارت تلف شده در کندانسور، برابر با سطح (5-6-4-1-5) می باشد با توجه به سطح فوق میتوان بازده سیکل مذکور را به صورت زیر به دست آورد:
(3-1)
مساحت 1-4-3-2-1
=
مقدار کار انجام شده
= بازده
مساحت 5-6-3-2-5
مقدارگرمای داده شده به سیکل
بازده سیکل رانکین در عملکرد بین دو دمای حداکثر و حداقل مشابه با سیکل کارنو، کمتر از باده سیکل کارنو است؛ زیرا دمای متوسط در دیگ بخار سیکل رانکین، کمتر از دمای سیال در دیگ بخار سیکل کارنو است. از مشکلات سیکل مذکور، کاهش بازده آن نسبت به سیکل کارنو ، و وجود مایع در سیال بخار خروجی از توربین می باشد. در سیکل های عملی نیروگاههای بخاری، به منظور افزایش بازده سیکل رانکین و رفع مشکلات مربوطه، تمهیداتی صورت می گیرد که عبارتند از:
1) افزایش دمای بخار ورودی به توربین به وسیله پس تافتن بخار
2) افزایش فشار سیال ورودی به توربین
3) کاهش فشار سیال خروجی از توربین
حرارت انتقال یافته به خار به اندازه سطح (b-3-3-b-b) افزایش می یابد. از آنجایی که در عمل، نسبت این دو سطح بیشتر از نسبت کار خالص به حرارت دریافتی برای بقیه سیکل است، لذا میتوان نتیجه گرفت که با پس تافتن بخار ورودی به توربین، بازده سیکل افزایش می یابد. به عبارت دیگر میتوان نوشت:
بازده بدون پس تافتن بخار =
سطح 1َ1234
>
سطح 41َ1233
= بازده با پس تافتن بخار
سطح baَ234a
سطح baَ233a
همچنین عمل پس تافتن بخار آب، سبب می گردد تا رطوبت بخار خروجی از توربین کم گردد که این موضوع موجب کاهش خوردگی پره های دهانه خروجی توربین میشود.
1-2-4- سیکل عملی قدرت در نیروگاههای بخاری
نمای کلی سیکل ترمودینامیکی یک نیروگاه بخار به همراه تجهیزات اساسی آن در شکل (4-3) نشان داده شده است. این شکل، یک روند کلی را نسبت به سیکل و تجهیزات نیروگاه به ما نشان می دهد. در این قسمت، روند تغییرات سیال سیکل را با عبور از تجهیزات مورد نظر به طور خیلی خلاصه بررسی می کنیم و در بخش های بعدی هر قسمت را به طور مفصل بیان خواهیم کرد.