نیروگاه گرمایی چگونه کار می‌کند؟ — از صفر تا صد

در این نوشته راجع به «نیروگاه‌های تولید برق گرمایی» (thermal power plant)،‌ اجزای اصلی، مزایا و معایب آن‌ها مطالبی را خواهید خواند. نیروگاه‌های «توربین بخار» (steam turbine) که گاهی به‌ عنوان نیروگاه‌های گرمایی یا زغال‌سنگی شناخته می‌شوند، منبع بزرگی برای تولید برق کشور به شمار می‌روند. این نیروگاه‌ها معمولا بر اساس چرخه «رانکین» (Rankine) کار می‌کنند.

مشخصات و مبانی اصلی نیروگاه‌های گرمایی

احتمالا با اصطلاح «ژنراتور» (Generator) آشنا هستید. این تجهیز وسیله‌ای برای تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی است. ژنراتور با کمک نوعی از انرژی بیرونی به چرخش درمی‌آید. اگر برای چرخش ژنراتور از نیروی بخار استفاده گردد، نیروگاه به‌عنوان نیروگاه بخار شناخته می‌شود.

فیلم آموزش طراحی و شبیه سازی نیروگاه خورشیدی با نرم افزار PVSOL در فرادرس

کلیک کنید

یک نیروگاه ساده بخار بر اساس چرخه رانکین تولید انرژی می‌کند. در مرحله اول،‌ آب با استفاده از پمپ‌های آب با فشار بالا به «دیگ بخار» (boiler) تزریق می‌شود. آب پرفشار در دیگ بخار حرارت جذب می‌کند و تبدیل به «بخار فوق داغ» (Superheat steam) با فشار بالا می‌گردد. بخار که انرژی زیادی دارد در طول «توربین» (تجهیزی مکانیکی که جریان انرژی سیال را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند) جریان می‌یابد و آن را می‌چرخاند.

به‌منظور استفاده کامل از انرژی بخار، سه مرحله «توربین کم‌فشار» (Low pressure turbine)، «توربین فشار متوسط» (intermediate pressure turbine) و «توربین پرفشار» (High pressure turbine) در نظر گرفته شده است. «شفت» (shaft) توربین به شفت ژنراتور متصل است؛ بنابراین زمانی که شفت توربین به حرکت در‌می‌آید،‌ ژنراتور می‌چرخد و انرژی الکتریکی تولید می‌شود.

طی این فرآیند بخار انرژی خود را از دست می‌دهد. سپس بخار کم‌فشار اشباع از مسیر «چگالنده» (condenser) عبور می‌کند و به مایع تبدیل می‌شود. بعد از آن آب به سمت پمپ‌های مرحله‌ی اول هدایت و چرخه کامل می‌گردد. به همین تربیت این چرخه مرتبا برای تولید انرژی تکرار می‌شود.

ساخت نیرو‌گاه‌ بخار

در این نوشته اجزاء مختلف یک نیروگاه زغال‌سنگ‌سوز را شرح می‌دهیم. اساس عملکرد نیروگاه‌هایی که با سوخت فسیلی کار می‌کنند تقریبا مشابه است. برای مثال نیروگاه‌ گازسوز تنها بخش پردازش زغال‌سنگ را ندارد. هر نیروگاه بخار را می‌توان به بخش‌های زیر تقسیم کرد.

بخش پردازش زغال‌سنگ

انبار زغال‌سنگ: جایی که زغال‌سنگ ذخیره می‌گردد،‌ انبار زغال‌سنگ نام دارد. در اولین مرحله زغال‌سنگ از معادن دریافت و در جای مناسب ذخیره می‌شود.

مخزن: زغال‌سنگ از انبار به سمت مخزن روانه می‌گردد. این مخازن، ظروفی هستند که معمولا قبل از آسیاب قرار می‌گیرند و وظیفه رساندن دائم زغال‌سنگ به دستگاه آسیاب را بر عهده دارند. حداقل ظرفیت مخزن حدودا ۱۰ برابر ظرفیت آسیاب است.

«خوراک دهنده» (feeder): زغال‌سنگ از مخازن به سمت خوراک دهنده فرستاده می‌شود که تامین کننده زغال‌سنگ دستگاه آسیاب است. مهم‌ترین دلیل برای قرار دادن خوراک دهنده بین دستگاه آسیاب و مخزن، مصون ماندن دستگاه آسیاب از فشار ایجاد شده توسط زغال‌سنگ در مخازن است.

دستگاه آسیاب: زغال‌سنگ مستقیما به دیگ بخار ارسال نمی‌گردد. دستگاهی که زغال‌سنگ را به پودر تبدیل می‌کند،‌ آسیاب نام دارد. «طبقه‌بندی کننده» (classifier) مقصد بعدی زغال‌سنگ پودر شده است.

طبقه‌بندی کننده: دستگاه‌های طبقه‌بندی برای جداسازی زغال‌سنگ پودر شده از زغال‌سنگی که هنوز پودر نیست،‌ استفاده می‌شوند. بر این اساس این دستگاه پودر زغال‌سنگ را به کوره و بقیه را به دستگاه آسیاب برگشت می‌دهد. طرز کار این قسمت مانند الک کردن است.

بخش هوا

فن PA: فن PA اولین فن در چرخه هوا و کار آن انتقال پودر زغال‌سنگ به مخزن است. از دیگر کاربرد‌های آن می‌توان به جداسازی اجزای مرطوب از پودر زغال‌سنگ اشاره کرد.

فن ID: علت نام‌گذاری این نوع فن به این دلیل است که مکش مصنوعی ایجاد می‌کند. وظیفه فن ID مکش دود ناشی از سوخت زغال‌سنگ از دیگ بخار و انتقال آن توسط دودکش است.

فن FD: کاربرد فن FD تزریق هوا و درنتیجه اکسیژن بیشتر برای به‌سوزی زغال‌سنگ در کوره‌ها است. این نوع فن هوای داغ را به سمت کوره می‌فرستد.

«پیش‌گرم کننده هوا» (air preheater): این تجهیز یک نوع «مبدل حرارتی» (heat exchanger) است که گرمای موجود در گاز‌های تولیدی از کوره را در تبادل با هوای ورودی از فن‌های FD و PA قرار می‌دهد. هوای ورودی به این شیوه قبل از ورود به کوره گرم می‌شود و تا حد زیادی مصرف انرژی پایین می‌‌آيد.

«غبارگیر الکترواستاتیک» (‌Electrostatic Precipitator): این وسیله مابین دودکش دیگ بخار و فن ID قرار می‌گیرد و از خروج ذرات خاکستر و زغال‌سنگ جلوگیری می‌کند. وظیفه دیگر آن کنترل آلودگی هوای خروجی است.

دودکش: معمولا دودکش‌ها مکشی طبیعی را برای خروج گاز‌های سوزانده شده فراهم می‌کنند. هر دودکش برای استفاده در دو واحد صنعتی کافی است.

بخش تولید ‌بخار

«اکونومایزر» (Economizar): اولین دستگاه مورد استفاده برای تولید بخار اکونومایزر است. اکونومایزر تجهیزی است که استفاده از آن باعث افزایش بازده نیروگاه بخار می‌شود. در حقیقت این تجهیز گرمای حاصل از گاز‌های خروجی را می‌گیرد و صرف گرم کردن آب می‌کند. آب گرم شده سپس به ظروف تولید بخار انتقال می‌یابد.

دیگ بخار: آب از مرحله قبل به سمت دیگ بخار جریان می‌یابد. دیگ بخار اصلی‌ترین قسمت نیروگاه گرمایی است. از این تجهیز برای تبدیل آب به بخار استفاده می‌گردد. در هر نیروگاه بخار، دیگ بخار را از نوعی که آب در لوله‌ها جریان پیدا می‌کند (water tube boiler) انتخاب می‌کنند. زیر دیگ بخار کوره قرار دارد که زغال‌سنگ در این قسمت می‌سوزد. «جداکننده» (Separator) نیز جز بزرگی از نیروگاه بخار را تشکیل می‌دهد. جداکننده ظرفی است که بر روی دیگ بخار قرار می‌گیرد و آب را از بخار تفکیک می‌کند. به جداکننده گاهی «steam drum» می‌گویند. بخار آب از قسمت دیگ بخار به «فوق‌ داغ کننده» (Super Heater) فرستاده می‌شود.

فوق‌ داغ کننده: بازده نیروگاه‌ گرمایی مستقیما با دمای بخار رابطه دارد. دیگ بخار در حال تولید بخار با دمای کم است که برای هر نیروگاهی اقتصادی نیست؛ بنابراین از فوق‌داغ کننده برای رساندن دمای بخار به حد مناسب استفاده می‌گردد. از آنجایی که مواد سازنده توربین توان تحمل دمایی بالاتر از ۶۰۰ درجه سانتی‌گراد را ندارد، بخار در این مرحله تا ۵۵۰ درجه گرم و سپس به توربین پرفشار فرستاده می‌شود.

«باز گرم کن» (re heater): زمانی که انرژی بخار تولیدی در توربین پرفشار تخلیه می‌شود، دما و فشار آن افت می‌کند. اگر مستقیما بخار از این مرحله به توربین فشار متوسط فرستاده شود،‌ انرژی کمی تولید می‌گردد. برای افزایش بازده و قدرت این مرحله، بعد از خروجی توربین پرفشار، بخار مجددا گرم می‌گردد. گفتنی است که دوباره دمای  بخار به ۵۵۰ درجه سانتی‌گراد می‌رسد.

بخش توربین

توربین فشار بالا (HP): بخار از فوق‌ داغ کننده به سمت توربین پرفشار حرکت می‌کند. هر سه نوع توربین به یک شفت متصل هستند که باعث چرخاندن شفت ژنراتور می‌گردد. توربین پرفشار با دمای ۵۵۰ درجه و فشار ۱۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع کار می‌کند و ازنظر اندازه از همه توربین‌ها کوچک‌تر است.

توربین‌ فشار متوسط (IP): همان‌طوری که از اسم آن پیداست این توربین در فشار حدود ۷۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع کار می‌کند. بخار خارج شده از مرحله پرفشار به سمت گرم‌کن‌ها می‌رود و بعد از رسیدن به دمای ۵۵۰ درجه به سمت این توربین می‌آید تا با انبساط خود انرژی مکانیکی تولید کند.

توربین فشار پایین (LP): اصلی‌ترین منبع قدرت که حدود ۴۰ درصد کل انرژی تولیدی است، در این توربین تولید می‌شود. بخار از توربین فشار متوسط به سمت توربین‌ کم‌فشار می‌آید و آن را می‌چرخاند. لازم به ذکر است در بخش توربین، بزرگ‌ترین آن‌ها توربین کم‌فشار است.

«استخراج‌کننده» (Extractor): باهدف افزایش بازده، بخش کوچکی از بخار در مراحل کم‌فشار و پرفشار خارج و برای گرم کردن آب قبل از ورود به اکونومایزر استفاده می‌شود.

بخش چگالنده

چگالنده: به جهت تکمیل چرخه بهره‌برداری، آب باید با فشار بالا به اکونومایزر فرستاده شود. بخار خروجی از مرحله LP توربین، مایع نیست. همچنین توجیهی اقتصادی برای فشرده‌سازی بخار در فشار حدود ۱۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع وجود ندارد؛ بنابراین تجهیزی نیاز است که بتواند بخار را به حالت آب برگرداند و میعان کند. نام این تجهیز چگالنده است.

فیلم آموزش تولید انرژی الکتریکی (تولید و نیروگاه) – بخش یکم در فرادرس

کلیک کنید

به روایتی دیگر چگالنده مبدلی حرارتی است که آب سرد در طول لوله‌ها و بخار در قسمت پوسته آن جریان می‌یابد. آب سرد گرما را از بخار می‌گیرد و درنتیجه بخار تبدیل به آب می‌گردد. فشار عملیاتی چگالنده بسیار کم و در حدود یک کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع است که به آن فشار خلا نیز می‌گویند. همین اختلاف فشار بین مرحله LP توربین و چگالنده است که باعث جریان یافتن بخار در چگالنده می‌گردد. آب تولید شده از خنک‌سازی بخار به مخزنی به نام «Hotwell» فرستاده می‌شود.

پمپ‌های استخراج آب: آب تولید شده توسط این پمپ‌ها مکش و به مرحله گرم کردن با فشار پایین انتقال می‌یابد.

گرم‌کن‌های فشار پایین: آب گرفته شده از چگالنده فشار پایینی دارد. درنتیجه برای افزایش بازده نیروگاه، آب با استفاده از بخار خروجی مرحله LP توربین گرم می‌شود.

«اکسیژن‌‌زدا» (Dearator): معمولا مقداری گاز از جمله اکسیژن همراه آب خروجی از چگالنده وجود دارد. به دلیل ایجاد خوردگی، آب همراه با گاز را نمی‌توان مستقیما به دیگ بخار و توربین فرستاد. برای کاهش احتمال خوردگی، گازهای محلول در آب باید قبل از تبدیل به بخار از آن حذف گردند. بدین منظور از تجهیزی به نام اکسیژن‌زدا استفاده می‌شود.

اکسیژن حل شده در آب دیگ بخار باعث خسارت‌های شدید ناشی از خوردگی در سیستم بخار می‌شود. به این صورت که به دیواره فلزی لوله‌ها و دیگر تجهیزات فلزی می‌چسبد و تشکیل اکسید (زنگ) می‌دهد. کربن دی اکسید حل شده در آب نیز با آن واکنش می‌دهد و تولید اسید کربنیک می‌کند که باعث خوردگی بیشتر می‌شود.

پمپ‌های ورودی آب یا ورودی دیگ بخار (BFP): پمپ‌های ورودی آب را باید در دسته «پمپ‌های گریز از مرکز» (centrifugal pumps) قرار داد. کاربرد آن‌ها افزایش فشار آب تا ۱۵۰ کیلوگرم بر سانتی‌متر مربع و فرستادن آن به اکونومایزر است.

گرم‌کن فشار بالا: برای افزایش بازده نیروگاه، آب خروجی از پمپ‌های ورودی مدتی در گرم‌کن‌ها حرارت می‌بینند. حرارت مورد نیاز در این مرحله از خروجی مرحله HP توربین تهیه می‌گردد.

برج‌ خنک‌کننده: برج خنک‌کننده وظیفه تولید آب سرد برای استفاده از چگالنده جهت تبدیل بخار به آب را بر عهده دارد.

بخش ژنراتور: شفت توربین به ژنراتور متصل است؛ بنابراین زمانی که این شفت به چرخش درمی‌آید، شفت ژنراتور نیز می‌چرخد و تولید الکتریسیته می‌نماید.