نیروگاه گازی چیست؟ – از صفر تا صد + انواع و تجهیزات

نیروگاه گازی یکی از مهم‌ترین منابع تولید برق در جهان است. در این نیروگاه‌ها با تبدیل انرژی گازی به انرژی الکتریکی، برق مورد نیاز صنایع و شهرها تامین می‌شود. این نیروگاه‌ها به دلیل بازده بالا، آلودگی کمتر و سرعت بالای راه‌اندازی جایگاه ویژه‌ای در تولید برق و انرژی پاک دارند. در این مطلب از از مجله فرادرس می‌آموزیم نیروگاه گازی چیست و چه انواع و عملکری دارد.

در ابتدای این مطلب می‌آموزیم مفهوم نیروگاه گازی و نحوه کار آن چیست. سپس به بررسی مراحل کار و اجزای اصلی نیروگاه گازی می‌پردازیم. در ادامه، می‌آموزیم مزایا و معایب نیروگاه گازی چیست و انواع این نیروگاه‌ها را بررسی می‌کنیم. در نهایت به بررسی کاربردهای نیروگاه گازی می‌پردازیم. با مطالعه این مطلب تا انتها می‌توانید به شکلی کامل بیاموزید نیروگاه گازی چیست.

نیروگاه گازی چیست؟

نیروگاه‌های گازی از مهم‌ترین منابع و روش‌های تولید انرژی الکتریکی مورد نیاز شهرها و صنایع مختلف هستند. در این نیروگاه‌ها، انرژی شیمیایی موجود در مواد مانند گاز طبیعی یا گازوئیل به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. اساس کار این نیروگاه‌ها سوزاندن این سوخت‌ها و تولید گرما است. گرمای تولید شده انرژی مورد نیاز حرکت توربین و به کار افتادن ژنراتور برای تولید برق را تامین می‌کند.

نیروگاه‌های گازی در زمان کمی راه‌اندازی می‌شوند و مساحت کمی را اشغال می‌کنند. همچنین، استفاده از گاز طبیعی برای تولید برق، یکی از روش‌های پاک است که آلودگی بسیار کمتری نسبت به سایر سوخت‌های فسیلی تولید می کند. این نیروگاه‌ها با استفاده از حرارت ناشی از واکنش احتراق گاز، باعث افزایش سرعت و حرارت گازهای احتراق شده و با به حرکت درآوردن توربین و ژنراتور، برق تولید می‌کنند.

مراحل اصلی کار نیروگاه گازی

در قسمت‌های قبل آموختیم نیروگاه گازی چیست و چگونه کار می‌کند. مراحل ساده‌ای که در قسمت قبل توضیح داده شد، در واقعیت نیاز به مهندسی دقیق دما و فشار دارند تا عملکرد نیروگاه بهینه باشد. مراحل کار نیروگاه گازی از ۴ مرحله اصلی مکش، فشرده‌سازی، احتراق و انبساط و خروج تشکیل شده است. در ادامه این مراحل را توضیح می‌دهیم.

۱. مرحله مکش

در این مرحله یک فن یا توربین جلویی هوا را از محیط بیرون به داخل نیروگاه می‌کشد. این هوا در مراحل بعدی با سوخت ترکیب شده و یکی از اجزای اصلی واکنش احتراق است. هوای وارد شده در این مرحله باید تمیز و عاری از ذرات گرد و غبار و آلودگی باشد تا احتراق به شکل کامل و تمیز صورت بگیرد. همچنین، وجود گرد و غبار می‌تواند به پره‌های توربین آسیب وارد کند.

به همین دلیل، اغلب در ابتدای مسیر ورود هوا، یک فیلتر هوای بزرگ نصب می‌شود تا هوای مکیده شده قبل از ورود به نیروگاه و ترکیب با گاز، به خوبی تصفیه شود.

۲. مرحله فشرده سازی

در این مرحله، هوای وارد شده توسط فن، وارد یک کمپرسور هوا می‌شود. کمپرسور هوا دستگاهی شامل تعداد زیادی پره و چرخ‌دنده است. این پره‌ها و چرخ دهنده‌ها با چرخش سریع می‌توانند هوا را به شدت فشرده کرده و فشار آن را افزایش دهند. با کاهش حجم و افزایش فشار هوا در این مرحله، در مراحل بعدی واکنش احتراق بهتر و قوی‌تری انجام می‌شود. در برخی از نیروگاه‌های گازی فشار هوای فشرده حتی به چندین برابر فشار هوای جو می‌رسد.

۳. مرحله احتراق

مرحله احتراق مرحله‌ای است که در آن گاز یا سوخت نیروگاه گازی با هوا ترکیب شده و می‌سوزد. سوخت نیروگاه که عموما گاز طبیعی یا نوعی هیدروکربن است، با واکنش سوختن حجم قابل توجهی کربن دی اکسید و بخار آب تولید کرده و گرمای زیادی تولید می‌کن. گرمای تولید شده نیز خود می‌تواند حجم گاز تولیدی را افزایش دهد و سرعت حرکت مولکول‌ها آن را زیاد کند. این فشار بالای گاز تولید شده در مراحل بعدی برای به چرخش درآوردن توربین و ژنراتور مورد نیاز است.

مرحله احتراق در نیروگاه گازی در محفظه احتراق انجام می‌شود. در این محفظه، گاز طبیعی یا سوخت به هوای فشرده شده تزریق می‌شود. برای آغاز واکنش احتراق از جریان الکتریکی یا یک مشعل استفاده می‌شود. در نتیجه این فرآیند یک واکنش احتراق قوی اما کنترل شده صورت می‌گیرد که دمای این واکنش گاهی تا ۱۲۰۰ درجه سانتی گراد نیز بالا می‌رود.

۴. مرحله انبساط و خروج

آخرین مرحله کاز نیروگاه گازی، مرحله انبساط و خروج است. در این مرحله گازهای داغ و پرفشار از روی پره‌های توربین عبور کرده و آن را به حرکت در می‌آورند. این چرخش مکانیکی به ژنراتور منتقل شده و باعث تولید برق می‌شود. پس از عبور گازها از توربین، این گازها سسردتر شده، منبسط می‌شوند و از مسیر خروجی نیروگاه دودکش) خارج می‌شوند. در برخی از نیروگاه‌ها از همین گازهای خروجی نیز برای گرم کردن آب و تولید بخار آب استفاده می‌شود تا راندمان کلی سیستم نیروگاه گازی افزایش پیدا کند.

یادگیری انواع نیروگاه‌ها با فرادرس

در قسمت‌های قبل آموختیم نیروگاه گازی چیست و چه اجزایی دارد. در صنایع و کشورهای مختلف بسته به تجهیزات و شرایط محیطی از نیروگاه‌های مختلفی مانند نیروگاه بادی، نیروگاه آبی، نیروگاه خورشیدی، نیروگاه گرمایی و بیوماس برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود. پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این نیروگاه‌ها و تکلنولوژی‌های مربوط به آن‌ها، به مجموعه فیلم آموزش مهندسی انرژی فرادرس مراجعه کنید که با زبانی ساده ولی کاربردی به توضیح این تکنولوژی‌ها می‌پردازد.

همچنین با مراجعه به فیلم‌های آموزش فرادرس که در ادامه آورده شده است، می‌توانید به آموزش‌های بیشتری در زمینه نیروگاه گازی دسترسی داشته باشید.

• فیلم آموزش تکنولوژی نیروگاه‌های بادی، آبی، بیوماس و امواج فرادرس
• فیلم آموزش سیستم‌های تولید انرژی ترکیبی و مدل‌سازی در متلب و Simscape فرادرس
• فیلم آموزش مبانی انرژی‌های تجدیدپذیر فرادرس

چرخه استاندارد برایتون

نیروگاه گازی براساس «چرخه برایتون» (Brayton Cycle) كار می‌كند. در توربين گازی سیال یک گاز است و به همین دلیل به آن توربین گازی می‌گویند. به بیان بهتر، عامل انتقال و تبدیل انرژی، گازی مانند هوا است. هوا به صورت بی‌دررو یا آدیاباتیک فشرده شده، احتراق در فشار ثابت رخ داده و انبساط هوای فشرده و داغ، به صورت بی‌دررو انجام می‌شود و هوا به فشار اولیه می‌رسد. در چرخه استاندارد برایتون، به جای تحول احتراق، یک تحول انتقال حرارت در نظر گرفته می‌شود. همچنین با هدایت گازهای خروجی به یک مبدل حرارتی فرضی، دمای آن را به شرایط محیط می‌رسانند تا به این ترتیب، چرخه بسته در نظر گرفته شود.

هوای این چرخه گازی را کامل (با گرمای ویژه و دبی جرمی ثابت) و تحول‌های تراکم و انبساط را برگشت‌پذیر و آدیاباتیک فرض می‌کنیم. با این شرایط، می‌توان گفت که سیال گاز، یک چرخه ترمودینامیکی بسته را طی می‌کند. شكل ۱ نمودارهای P-V (فشار-حجم) و T-S (دما-آنتروپی) اين چرخه را نشان می‌‌دهد. اهمیت این چرخه استاندارد آن است که می‌توان اثر بعضی از متغیرها را روی عملکرد چرخه به طور کمی و کیفی مطالعه کرد. البته با اعمال اصلاحاتی می‌توان چرخه برايتون را بهبود داد.

تجهيزات نيروگاه گازی

در این بخش، تجهیزات یک نیروگاه گازی را معرفی می‌کنیم. مهم‌ترين بخش يک نيروگاه گازی توربين گاز است.

یک نیروگاه گازی معمولا از اجزایی مانند خط گاز طبیعی یا لوله‌های انتقال سوخت، مخزن روغن، کمپرسور هوا، محفظه احتراق، دودکش، ژنراتور و مبدل تشکیل شده است. در ادامه هر یک از این موارد را برای یک نیروگاه گازی که با گاز طبیعی کار می‌کند، بررسی می‌کنیم.

خط گاز طبیعی

خط گاز طبیعی به لوله‌هایی اشاره دارد که گاز طبیعی یا سوخت را از شبکه گاز یا مخازن گاز وارد نیروگاه می‌کند. گاز طبیعی یکی از پاک‌ترین انواع سوخت فسیلی است که احتراقی کامل داشته و استفاده از آن برای تولید برق می‌تواند نوعی انرژی پاک در نظر گرفته شود.

مخزن روغن

مخزن روغن، مخزنی است که در آن مخلوط روغن روانکاری و خنک‌کاری نگه‌داری می‌شود. این روغن‌ها برای روانکاری یاتاقان‌ها و شفت توربین ژنراتور استفاده می‌شوند. این روانکاری باعث می‌شود اصطکاک کاهش یافته و طول عمر دستگاه‌ها افزایش یابد. در برخی از نیروگاه‌ها ممکن است از این مخزن به عنوان مخزن سوخت پشتیبان مانند گازوئیل استفاده شود.

ورودی هوا

ورودی هوا در نیروگاه گازی محلی است که از آن هوا توسط یک فن یا توربین به داخل نیروگاهه و کمپرسور کشیده می‌شود. در ابتدای مسیر ورودی هوا، یک فیلتر قرار داده می‌شود تا از ورود ذرات گرد و غبار و آلودگی‌ها جلوگیری شود.

توربين گاز

توربين‌های گاز صنعتی مولد توان الکتریکی، که «توربو ژنراتور» (Turbo Generator) گاز نیز نامیده می‌شوند، توربین‌هایی‌اند که توان تولید شده آن‌ها، به طور مستقیم یا پس از تغییر سرعت دوران در جعبه دنده، به ژنراتور منتقل شده و در آنجا به توان الکتریکی تبدیل می‌شود. این توربین گاز به دو صورت سیکل ساده یا سیکل ترکیبی است. در سیکل ساده، گازهای خروجی که تا 600 درجه سانتی‌گراد دما دارند، از اگزوز توربین مستقیماً وارد هوا شده و انرژی باقیمانده در آن هدر می‌رود.

اما در سیکل ترکیبی، یک یا دو توربین گاز با یک توربین بخار کوپل می‌شوند و گازهای خروجی از توربین گاز در بخشی به نام «بویلر بازیاب» (Regenerative Boiler)، آب بازگشتی از کندانسور توربین بخار را که توسط پمپ فشرده شده، به بخار تبدیل می‌کنند. در نتیجه، در سیکل ترکیبی، از انرژی موجود در گازهای خروجی از اگزوز توربین گاز استفاده شده و بویلر توربین بخار بدون نیاز به سوخت، بخار آب تولید می‌کند. بنابراین، با استفاده از این روش، بازده سیکل زیاد می‌شود. از توربو ژنراتورها می‌توان به صورت مولد همزمان برق و حرارت استفاده کرد که در این ترکیب، گاز خروجی برای تولید آب گرم و یا هوای گرم ساختمان‌ها و کارخانه‌ها استفاده می‌شود.

توربین در نیروگاه‌های گازی پس از محفظه احتراق قرار می‌گیرند تا گازهای داغ و پرفشار حاصل از واکنش سوختن از پره‌های توربین عبور کرده و باعث چرخش آن شود. در توربین، انرژی حرارتی این گازها نیز به انرژی مکانیکی تبدیل شده و در نتیجه آن، این گازها سرد و منبسط می‌شوند. محور عبوری از توربین با کمپرسور هوا و ژنراتور مشترک است و این چرخش حاصل از گازها باعث چرخش کمپرسور و ژنراتور نیز می‌شود. پیشنهاد می‌کنیم بری آشنایی بیشتر با این دستگاه، فیلم آموزش توربین فرادرس که لینک آن در ادامه آورده شده است را مشاهده کنید.

عملکرد توربين گاز

همان‌گونه كه گفتیم، اساس كاركرد توربين گاز چرخه برايتون است. بدین ترتیب که کمپرسور در حال گردش با دور زیاد، هوای محیط را مکیده و فشار آن را به چندین برابر فشار محیط (حدود 10 برابر) می‌رساند. ضمن این که نسبتاً درجه حرارت آن نیز زیاد می‌شود. هوای فشرده شده از کمپرسور خارج و به درون محفظه یا محفظه‌های احتراق هدایت می‌شود.

در داخل محفظه احتراق شعله دائمی برقرار است و سوخت (گاز، گازوئیل و یا بعضاً مازوت) نیز با فشار مناسبی به درون آن پاشیده می‌شود. سوخت به همراه هوای فشرده در مجاورت شعله، آتش گرفته و گاز داغی که دمای آن به 1800 درجه سانتی‌گراد می‌رسد، با حجم زیاد تولید می‌شود. گاز حاصل که نتیجه یک احتراق کامل بدون تولید دوده است، به سبب محدودیت‌های فنی مستقیماً قابل ارسال به توربین نیست و باید خنک شود. این کار توسط هوای اضافه ورودی به اتاق احتراق، از طریق کمپرسور، انجام می‌گیرد.

گاز داغ مناسب از نظر درجه حرارت، وارد توربین شده و بخش اعظم انرژی خود را به صورت انرژی مکانیکی دورانی، به توربین منتقل می‌کند و خود از طریق اگزوز خارج می‌شود. حدود دو سوم انرژی دورانی حاصل از توربین به گرداندن کمپرسور و یک سوم آن برای گردش ژنراتور صرف می‌شود. ژنراتوری که یا به صورت مستقیم و یا از طریق جعبه دنده با توربین هم محور و کوپل است، با میدان گردان خود در استاتور، جریان الکتریکی با ولتاژ از پیش طراحی شده تولید می‌کند. شكل‌های ۲ و ۳ به ترتيب طرح حرارتی و طرح كلی توربين گاز را نشان می‌دهند.

بازده توربين گاز

همان‌طور كه گفتیم، بخش زيادی از انرژی در توربين گاز از بين می‌رود. بنابراين، دلايلی چون خروج گاز با دمای زیاد، صرف حدود دو سوم توان توربین در كمپرسور و عدم امكان استفاده از سوخت جامد سبب می‌شود كه توربين گاز بازده پايينی داشته باشد. از پارامترهای مؤثر بر بازده چرخه توربین گاز (چرخه برايتون) می‌توان به نسبت فشار یا نسبت تراکم کمپرسور، دمای محیط، دمای احتراق و بازده کمپرسور اشاره كرد. بر همين اساس می‌توان راه‌های زير را برای افزايش بازده توربين گاز پيشنهاد داد:

• افزایش دمای ورودی به توربین گاز
• افزایش بازده توربین و کمپرسور
• اصلاح چرخه توربین گاز
• بهبود مقاومت مواد مورد استفاده در توربين و كمپرسور در برابر دما
• بهبود راه‌های خنک‌کاری توربین
• طراحی‌های جدید توربوماشین‌ها
• بهبود روش‌های نگهداری کمپرسورها و توربین‌ها

اجزای اساسی توربين گاز

در این بخش، اجزای توربین گاز را معرفی می‌کنیم.

كمپرسور

کمپرسور يا فشارنده یکی از انواع تجهیزات متحرک دوار مورد استفاده در صنایع فرایندی است. كمپرسورها برای فشرده كردن گازها یا مایعات به کار می‌روند. البته در حالت دوم به آن‌ها پمپ می‌گویند. پس می‌توان گفت كه كمپرسور دستگاهی برای بالا بردن فشار گاز و يا انتقال آن از نقطه‌ای به نقطه ديگر در طول يک فرايند است. در حقیقت، کمپرسورها با صرف انرﮊی مکانیکی فراوان، گاز را با سرعت به درون خود مکیده و سپس آن را فشرده می‌سازند، به عبارت ديگر با افزايش سرعت گاز و تبديل آن به فشار، گردش جريان گاز را در سيستم آسان‌تر می‌كنند. البته افزايش فشار در نوعی از كمپرسورها به وسيله كاهش حجم صورت می‌گيرد. در اثر این عملیات، دمای گازی که فشرده شده (فشار آن افزایش يافته) نیز افزایش می‌یابد.

معمولاً گاز پرفشار خروجی از کمپرسورها را از یک سیستم خنک‌کننده عبور می‌دهند تا دمای گاز دوباره به مقدار معمول باز گردد.

انواع گوناگونی از کمپرسور وجود دارد که برای مصارف صنعتی و خانگی طراحی شده‌اند. حتی پمپ آکواریوم که برای وارد کردن هوا به آکواریوم ماهی‌ها استفاده می‌شود نیز یک نوع کمپرسور است. در برخی دستگاه‌ها و ماشین‌آلات مانند توربين‌های گازی، هوا توسط كمپرسورها فشرده شده و سپس به سمت قسمت احتراق فرستاده می‌شود.

کمپرسورها عموماً به دو نوع «ديناميكی» (Dynamic) و «جابه‌جایی مثبت» (Positive Displacement) تقسیم می‌شوند. کمپرسورهای ديناميكی خود به دو نوع «جريان محوری» (Axial) و «جريان شعاعی» (Radial Flow) تقسیم می‌شوند.

کمپرسور جريان محوری گاز را از میان پره‌های خود عبور داده و در راستای محور كمپرسور به سمت عقب می‌راند. اين نوع كمپرسور دبی زياد و قدرت تراكم كمی دارد. كمپرسور شعاعی (گريز از مركز) بيشتر در موتورهای قديمی استفاده می‌شد. این کمپرسور دارای پره‌های بسته و خميده‌تری بوده و گاز ورودی را در جهت شعاع پره‌ها (با زاويه نسبت به محور) خارج می‌كند. هوا پس از برخورد به پخش كننده، سرعتش كاسته شده و به دما و فشارش افزوده می‌شود. اين نوع كمپرسور دارای قدرت تراكم بيشتری نسبت به نوع جريان محوری است.

از کمپرسورهای ديناميکی در فشارهای با نرخ پایین و دبی‌های بالاتر استفاده میی‌شود. كمپرسورهای جابه‌جایی مثبت خود دارای دو نوع «دوار» (Rotary) و «رفت و برگشتی» (Reciprocating) هستند و قدرت تراكم آن‌ها نسبت به نوع ديناميک بيشتر است. البته دبی اين كمپرسورها به مراتب كمتر از نوع ديناميک است.

نیروی محرکه کمپرسورها بسته به قدرت آن‌ها می‏‌تواند برقی (موتور الکتریکی) یا توربین باشد. مسئله مهمی كه در كمپرسورها مطرح است، نسبت فشار خروجی، به ورودی كمپرسور است. زيرا در ورودی كمپرسورها با افزايش فشار دمای گاز نيز بالا می‌رود و اين افزايش دما در كار قطعات مختلف كمپرسور و سيستم روغن‌كاری و... اختلال ايجاد می‌كند. البته در كمپرسور می‌توان نسبت فشار را حتی تا 10 برابر رساند، ولی اين امر با تدابير خاصی امكان‌پذير است.

محفظه احتراق

تنها وظیفه محفظه‌های احتراق، افزایش درجه حرارت هوای فشرده شده خروجی است. در «محفظه احتراق» (Combustion Chamber) مقدار كمی مواد سوختی با هوای فشرده مخلوط شده و در اثر سوختن گاز با این مواد، حرارت تولید می‌شود. ساختمان این محفظه باید به گونه‌ای باشد كه آتش در لایه‌ای از هوا قرار گیرد و علاوه بر آن، هوای زیاد باعث خاموش شدن شعله نشود. بدین منظور، مقدار كمی از هوا از راه سوراخ‌های اطراف مشعل با سوخت مخلوط می‌شود كه اصطلاحاً به این هوا، «هوای اولیه» (Primary Air) می‌گویند. این هوا برای روشن نگه داشتن سوختی كه از مشعل وارد می‌شود، كافی است.

باقیمانده هوای ورودی به محفظه احتراق، از سوراخ‌های مجرای داخلی زنبیلی شكل وارد قسمت اصلی محفظه احتراق می‌شود. این هوا، «هوای ثانویه» (Secondary Air) نام دارد كه مقدار آن نسبت به هوای اولیه به مراتب بیشتر است.

هوای اولیه با حرارت مشعل‌ها بسیار داغ می‌شود، اما هوای ثانویه با حرارت حاصل از سوختن گاز (كه با هوای اولیه مخلوط شده) گرم خواهد شد. هوای اولیه و ثانویه پس از مخلوط شدن با هم از محفظه خارج می‌شوند. تاز زمانی که مواد سوختی و هوا، در محفظه‌های احتراق وجود دارند، مشعل باید روشن بماند، زیرا احتمال انفجار وجود دارد. در بعضی نیروگاه‌ها از چندین محفظه احتراق استفاده می‌شود.

در این نیروگاه‌ها، همزمانی ایجاد شعله و نیز یكسان بودن دبی سوخت‌های ورودی به محفظه‌های احتراق اهمیت زیادی دارد، زیرا در غیر این صورت نیروهایی كه به توربین اعمال می‌شود، یكسان نخواهد بود و باعث ارتعاشات توربین می‌شود. به همین دلیل، محفظه‌های احتراق از طریق لوله‌هایی با یکدیگر ارتباط دارند و كافی است تنها در یكی از آن‌ها جرقه زده شود. عموماً سوخت به كار رفته در محفظه‌های احتراق، گاز طبیعی یا مایع سوختی مثل گازوئیل است. در محفظه‌های احتراقی كه با سوخت مایع كار می‌كنند، از سوخت‌پاش به منظور پخش سوخت به شكل پودر به داخل محفظه احتراق استفاده می‌شود.

قسمت‌های مختلف محفظه احتراق را در شكل زیر می‌بینیم.

توربین

توربین نیروگاه گازی انرژی حرارتی و فشار موجود در هوای ورودی را به انرژی مكانیكی چرخشی تبدیل می‌كند. پره‌های این توربین باید در مقابل دمای بالای گازهای حاصل از احتراق و همچنین خوردگی در مقابل عناصر زائدی از قبیل گوگرد و فسفر و سدیم و... مقاوم باشند.

هوای فشرده شده توسط کمپرسور در توربین منبسط و کم‌فشار و از قسمت اگزوز خارج می‌شود. تعداد ردیف‌های پره در توربین کمتر از کمپرسور است. دلیل این امر آن است که هنگام فشرده شدن گاز، امکان جدایی هوا از سر پره وجود دارد و همین موضوع میزان ازدیاد فشار را در هر مرحله محدود می‌کند. به همین جهت است که مراحل کمپرسور زیاد می‌شود. ولی در توربین پدیده جدایی بروز نمی‌کند. در نتیجه، میزان افت فشار در هر مرحله محدودیت زیادی ندارد و تعداد مراحل توربین کم است. توربین نیروگاه گازی همانند كمپرسور دارای دو نوع جریان محوری و جریان شعاعی است که توربین با جریان محوری در بیش از 80 درصد موارد کاربرد دارد.

لوله خروج

لوله خروجی یا اگزوز در نیروگاه‌های گاز وظیفه خارج کردن گازهای سرد و منبط شده را بر عهده دارد. پس از سرد شدن گازهای حاصل از احتراق و انبساط آن‌ها، از این مسیر به خارج از نیروگاه هدایت می‌شوند. در برخی از نیروگاه‌ها از انرژی حرارتی باقی‌مانده این گازها برای گرمایش مجدد آب و تولید بخارآب و افزایش راندمان نیروگاه استفاده می‌شود.

ترانسفورمر

ترانسفورمر وظیفه تقویت برق تولید شده توسط ژنراتور را بر عهده دارد. برق تولید شده توسط ژنراتور دارای ولتاژ ضعیفی بین ۱۱ تا ۱۵ کیلوولت است. ترانسفورمر این جریان را تا ۲۳ تا ۴۰۰ کیلو ولت بالا می‌برد. این تقویت ولتاژ برای انتقال به شبکه سراسری برق مورد نیاز است.

سایر تجهیزات توربین نیروگاه گازی

تا اینجا، تجهیزات اساسی توربین گاز را معرفی کردیم. سایر بخش‌های متصل به توربین گاز عبارتند از:

• پره‌های هدایت‌كننده هوای ورودی
• اگزوز
• اجزای راه‌اندازی شامل: دیزل (راه انداز اولیه)، مبدل گشتاور، رچت، كلاچ راه‌انداز و جعبه‌دنده كمكی
• محور توربین
• محور كمپرسور
• محور ژنراتور
• جعبه‌دنده بار
• یاتاقان‌ها

اتاق كنترل نیروگاه

مهم‌ترین بخش‌های كنترل و مانیتورینگ توربین و نیروگاه گازی در اتاق كنترل انجام می‌شود. این اتاق شامل تابلوهای برق كنترلی مهمی چون كنترل واحد، كنترل تحریک ژنراتور، كنترل و حفاظت ژنراتور و مدیریت توان است و هر واحد تابلوی مخصوص به خود را دارد. همچنین، راه‌اندازی و توقف توربین و دسترسی به سایر اعمال كنترلی توسط اپراتور و با واسط انسان-ماشین در این اتاق انجام می‌شود. در ادامه، هریک از این بخش‌ها را توضیح می‌دهیم.

تابلوی كنترل واحد (UCP)

«تابلوی كنترل واحد» (Unit Control Panel)، كنترل اصلی توربین را انجام می‌دهد. کنترلرهای UCP توربین به وسیله کابل‌های ارتباطی با تمام تجهیزات ابزار دقیق که روی توربین نصب شده‌اند، در ارتباط هستند. کنترل‌کننده‌ها با استفاده از سیگنال‌های دریافتی از محل توربین و همچنین فرامین صادر شده به وسیله اپراتور، بر اساس برنامه کنترلی بارگذاری شده، توربین را کنترل می‌کنند. UCP از تجهیزات الكتریكی مختلفی مانند رله، فیوز، كنتاكتور و... تشكیل شده است.

اگر سیستم کنترل به هر علتی از کار بیفتد، برای حفاظت توربین در برابر شرایط خطرناک، سیستم حفاظت پشتیبان سیستم کنترل مانع از آسیب دیدن ماشین می‌شود. وقتی مقادیر پارامترها به محدوده‌های از پیش تعیین شده برسند، هشدارها فعال شده و اپراتور را از شرایط غیرنرمال و قبل از پیش آمدن شرایط خطرناک آگاه می‌کند. در شرایط خطرناک، سیستم حفاظت بلافاصله توربین را متوقف می‌كند.

واسط انسان-ماشین (HMI)

واسط انسان-ماشین (HMI) پل برقراری ارتباط با کنترلرها از طریق تابلوی كنترل واحد است. HMIها معمولاً کامپیوترهای صنعتی هستند. در واقع، امکان ویرایش برنامه کنترلی را که در کنترلرها بارگذاری می‌شود به وجود می‌آورند. همچنین برای مانیتور کردن تقریباً تمام فرایندهای توربین از این کامپیوترها استفاده می‌شود. با کمک HMI، اعمال دستورات اپراتور به توربین از طریق برنامه‌های گرافیکی و به وسیله ماوس یا صفحه کلید (مثلاً کم و زیاد کردن سرعت توربین) میسر می‌شود.

سیستم مدیریت توان (PMS)

«سیستم مدیریت توان» (Power Management System) سیستمی است که با استفاده از PLCهای آن می‌توان کنترل دقیقی بر روی میزان توان تولیدی ژنراتورها و توان رد و بدل شده با شبکه داشت. در PMS، بارها برحسب اهمیتی که دارند به چند گروه تقسیم و از نظر اهمیتشان اولویت‌بندی و از اولویت کم به زیاد گروه‌بندی می‌شوند. چنان‌چه فرمان حذف بار صادر شود، مصرف‌کننده‌هایی که در گروه اول قرار دارند، از مدار خارج می‌شوند و اگر توانی که موجود است کافی نباشد، گروه بعدی خارج می‌شود.

توابع حذف بار در PMS، سیستم الکتریکی را در مقابل خطا یا عدم ثبات ناشی از اضافه بار ناگهانی در هنگام از دست دادن یک یا دو ژنراتور یا اضافه بار زیاد حفاظت می‌کنند. پایداری سیستم تولید و توزیع برق به سرعت عملکرد حذف بار بستگی دارد تا کاهش بار سیستم به سطح قابل قبولی برسد. فرمان حذف بار از PLC اصلی PMS صادر و فرستاده می‌شود. برای انجام این عمل، به PLCهای محلی که روی کلیدهای قدرت قرار گرفته‌اند، انتقال فرمان‌های حذف بار را از تجهیزات مرکزی به تجهیزات هر کدام از پست‌ها در کوتاه‌ترین زمان ممکن داده می‌شود. فرمان حذف بار در موارد افت فرکانس، بار اضافه و از دست دادن ژنراتور عمل می‌كند.

تابلوی كنترل و حفاظت ژنراتور (GCPP)

حفاظت ژنراتور یکی از مباحثی است که توجه بسیار زیادی را به خود جلب داده است. برای اطمینان از سلامت ژنراتورها باید آن‌ها را در برابر هر خطری بیمه کرد و پارامترهای مختلفشان را هنگام تولید برق مشاهده و كنترل كرد. GCPP تابلویی است كه كنترل و حفاظت ژنراتور را بر عهده دارد. یكی از تجهیزات بسیار مهم این تابلو رله است. حفاظت ژنراتور را رله دیجیتالی بر عهده دارد. حفاظت‌های گوناگون ژنراتور در این رله در نظر گرفته شده است. توسط ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ نصب شده جریان و ولتاژ نمونه‌برداری می‌شود.

انواع حفاظت‌هایی که این رله انجام می دهد عبارتند از: حفاظت دیفرانسیل ژنراتور، اضافه بار، اضافه ولتاژ، افت ولتاژ، فرکانس اضافه، افت فرکانس، برگشت توان، میدان تحریک اضافی، افت تحریک، اتصال زمین استاتور، اتصال زمین روتور، حفاظت دیفرانسل ترانسفورماتور و دیفرانسل ژنراتور و ترانسفورماتور.

تابلوی تحریک ژنراتور (GEP)

این تابلو شامل تجهیزاتی است كه پارامترهای مختلف تحریک ژنراتور را نشان می دهند. از روی این تابلو می‌توان از پارامترهایی چون ولتاژ و جریان تحریک ژنراتور اطلاع داشت و در صورت نیاز آن‌ها را تغییر داد. كنترل سیستم تحریک روی این تابلو، هم می‌تواند به صورت اتوماتیک و هم به صورت دستی و به واسطه اپراتور انجام شود. علاوه بر این، می‌توان تغییرات سیستم تحریک را براساس تغییر بار تنظیم کرد.

یو پی اس و باتری‌خانه

یكی از مشكلات برق شهر نوسان‌های شدید لحظه‌ای است. این رخداد كه دلایل گوناگونی از جمله صاعقه و القای كابل‌های ارتباطی دارد، موجب صدمات جدی به تجهیزات الكتریكی می‌شود.

باید توجه كرد كه كوچک‌ترین نوسانات برق كه حتی ممكن است نامحسوس باشد، می‌تواند برای پردازنده مضر بوده و موجب سوختن و یا نیم‌سوز شدن ترانزیستورهای موجود در رایانه شود. علاوه بر رایانه، این مورد درباره وسایل و تجهیزات مهم كنترلی نیروگاه گازی مانند رله‌ها، واسط ماشین-انسان و... نیز صدق می‌كند. اینجاست كه برای جلوگیری از صدمات ناشی از اختلالات برق شهر نام منبع تغذیه بدون وقفه یا UPS به میان می‌آید. UPS علاوه بر خاصیت‌های شوک‌گیری، تقویت و تنظیم برق شهر، خصوصیات منحصر به فرد دیگری دارد كه آن را برای رایانه‌ها و تجهیزات مهم موجود در واحدهای صنعتی ضروری می‌كند. UPS‌های كوچک معمولاً درون خود، یک باتری دارند كه هنگام وجود برق در حالت عادی آن را شارژ می‌كنند.

برخی UPSها تنها برای مدت كوتاهی برق‌رسانی می‌كنند. اما برای مكان‌های مهم و بزرگ UPSهایی طراحی شده است كه هنگام قطع برق مدت زمان زیادی سیستم را تغذیه و پشتیبانی را تأمین می‌کنند. برای كاربردهای بزرگ، UPS دارای باتری درون ساخته نبوده و تنها حكم یک شارژ كننده و سوئیچ كننده را دارد. برای این UPSها باتری‌های بیرونی در نظر گرفته شده كه بنا به نوع نیاز و به تعداد معین به UPS متصل می‌شوند.

نیروگاه گازی نیز به UPS مجهز است که باتری‌های آن درون اتاقی به نام «باتری‌خانه» (Battery House) قرار گرفته‌اند.

مركز كنترل موتور (MCC)

«مركز كنترل موتور» (Motor Control Center) در نیروگاه گازی اتاقی است كه شامل تابلوهای برق برای مواردی مانند راه‌اندازی و كنترل موتورهای مورد استفاده در نیروگاه است. برای راه‌اندازی موتورهای AC روش‌های مختلفی وجود دارد که با توجه به نوع بار، این روش‌ها کاربرد پیدا می‌کنند.

پست داخلی نیروگاه گازی

پست داخلی نیروگاه گازی مهم‌ترین ساختمان برقی است. برق برای همه مصرف‌كننده‌ها از این ساختمان توزیع می‌شود. همان‌گونه كه گفته شد برق سراسری و برق تولیدی واحدهای نیروگاه گازی پس از تبدیل به ولتاژ مشخص وارد این ساختمان می‌شوند. پست نیروگاه گازی شامل تابلوهایی برای توزیع برق است كه خود این تابلوها شامل اجزای مختلفی مانند كلیدهای قدرت، ترانسفورماتورهای ولتاژ و جریان، رله‌ها، فیوزها و... هستند.

تجهیزات الكتریكی نیروگاه گازی

در این بخش، تجهیزات الکتریکی مهم نیروگاه گازی را معرفی می‌کنیم.

ژنراتور

برای تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه‌ها (به عبارت دیگر تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی) از ژنراتورهای سنکرن سه‌فاز جریان متناوب استفاده می‌شود. این ژنراتورها را به دو گروه توربو ژنراتورها (ژنراتور سنکرونی که گرداننده آن توربین بخاری یا گازی است) و هیدرو ژنراتورها (ژنراتور سنکرونی که گرداننده آن توربین آبی است) تقسیم می‌کنند. با توجه به اینکه عموماً در نیروگاه‌های حرارتی با قدرت بالا (گازی، بخاری، سیکل ترکیبی، هسته‌ای) سرعت گردش توربین 3000 دور در دقیقه است، ژنراتور سنکرون کوپل شده با توربین، دو قطبی است.

در نيروگاه‌های آبی به خاطر کم بودن سرعت توربین‌های آبی، باید تعداد قطب‌های هیدرو ژنراتورها زیاد باشد تا بتوان به فرکانس تولیدی ۵۰ هرتز در تولید الکتریکی ژنراتور دست یافت. لازم به ذکر است که همه ژنراتورهای قطب صاف نیروگاه‌های بخار، دو قطبی با سیم پیچی اتصال ستاره و فرکانس ۵۰ هرتز هستند. همچنین در اکثر این ژنراتورها، مواد عایق‌بندی کلاس B به کار می‌رود. ژنراتور دستگاهی است که می‌تواند انرژی مکانیکی توربین را به انرزی الکتریکی تبدیل کند. در قسمت قبل آموختیم که محور توربین و ژنراتور مشترک است. در نتیجه، چرخش توربین باعث چرخش موتور ژنراتور و به کار افتادن آن می‌شود. در ژنراتور با استفاده از قانون القای الکترومغناطیسی جریان برق تولید می‌شود. برق تولید شده در ژنراتور دارای جریان متناوب AC است.

از دیگر خصوصیات ژنراتورهای سنکرون، سهولت در عملکرد موازی آن‌ها است. در واقع، شبکه‌های قدرت از تعداد بسیار زیادی ژنراتورهای سنکرون (واقع در نیروگاه‌ها) تشکیل شده‌اند که توسط خطوط انتقال با هم موازی می‌شوند. این شبکه‌های بسیار بزرگ پیشرفته، با وجود مواجه بودن با اغتشاشات و مشکلات خاص خود، به سبب برخورداری از طرح‌ها و امکانات ضروری باید سنکرونیزم خود را حفظ کنند که این سنکرونیزم، به معنای هماهنگی در عملکرد ژنراتور نیروگاه‌ها است.

ژنراتور نیروگاه‌ها از اجزای زیادی تشکیل شده است، اما معمول آن است که ماشین‌ها را بر حسب دو جزء مهم آن‌ها یعنی استاتور و روتور بررسی می‌کنند. استاتور قسمتی از ژنراتور است که ثابت است و شامل بدنه، هسته و سیم‌پیچ‌ها است. توان نامی ماشین از استاتور گرفته می‌شود و استاتور باید نسبت به تنش‌های ناشی از بارگذاری عادی و تنش‌های شدید ناشی از خطاهای گذرا و شرایط اتصال کوتاه، مقاوم باشد. روتور این ژنراتورها بسته به تعداد دور آن‌ها، به صورت قطب صاف یا قطب برجسته ساخته می‌شود.

با توجه به اینکه سرعت محور توربین در نیروگاه‌های حرارتی بسیار بالا است، تعداد قطب آن کم بوده و روتور از نوع قطب صاف ساخته می‌شود. سرعت این ژنراتورها از 1200 الی 3000 دور بر دقیقه تغییر می‌کند؛ اما در نیروگاه‌های آبی که سرعت توربین‌های آن بسیار کم است، روتور از نوع قطب برجسته ساخته می‌شود.

به سه روش می‌توان سنكرونيزم را انجام داد:

1. سنکرونیزم دستی
2. سنکرونیزم نیمه اتوماتیک
3. سنکرونیزم اتوماتیک

در صورتی که شرایط سنکرونیزم کاملاً مهیا نشود و اقدام به وصل کلید شود، هم ژنراتور و هم کلید در معرض خطرات ناشی از جریان‌های سنکرونیزم اکتیو و راکتیو قرار می‌گیرند.

سیستم کنترل ولتاژ

در عمل، تمام تجهیزات مورد استفاده در یک سیستم قدرت برای سطح ولتاژ معینی (که به آن، ولتاژ نامی گفته می‌شود) طراحی می‌شوند. اگر ولتاژ سیستم از مقدار نامی کمتر یا بیشتر شود، کارایی تجهیزات سیستم و احتمالاً عمر آن‌ها کاهش می‌یابد؛ مثلاً گشتاور یک موتور القایی متناسب با مجذور ولتاژ پایانه آن است. شار نوری لامپ‌ها شدیداً وابسته به ولتاژ است. در سیستم‌های قدرت، موارد مشابه این امر، بسیار است. علاوه بر بارها، اغلب عناصر یک شبکه قدرت، مصرف‌کننده توان راکتیو هستند. بنابراین باید توان راکتیو در بعضی نقاط شبکه، تولید و سپس به محل‌های مورد نیاز منتقل شود.

با تزریق توان راکتیو به بعضی نقاط شبکه و انجام پخش بار شبکه مشخص می‌شود که ولتاژ تمام شین ها بالا می‌رود که بیش از همه، روی ولتاژ همان شین تزریقی تأثیر می‌گذارد. البته این تزریق توان راکتیو، تأثیر چندانی بر روی فرکانس شبکه ندارد. بنابراین می‌توان گفت که توان راکتیو و ولتاژ شبکه دارای تغییراتی در جهت یکسان هستند که آن را کانال کنترل (توان راکتیو-ولتاژ یا مگاوار-ولتاژ) می‌نامیم.

با توجه به اینکه توان راکتیو مصرفی بارهای شبکه در ساعات مختلف در حال تغییر است، لذا ولتاژ و توان راکتیو باید دائماً کنترل شوند. در ساعات حداکثر بار، توان راکتیو مورد نیاز شبکه بیشتر می‌شود و در نتیجه نیاز به تولید توان راکتیو زیادی در شبکه است. اگر توان راکتیو مورد نظر تأمین نشود، اجباراً ولتاژ نقاط مختلف شبکه کاهش یافته، ممکن است از محدوده مجاز خود خارج شود. بدین منظور، نیروگاه‌ها دارای سیستم کنترل ولتاژ هستند که این سیستم‌ها، کاهش ولتاژ پایانه ژنراتور را حس می‌کنند تا فرمان‌های کنترل لازم را برای بالا بردن جریان تحریک ژنراتور (و در نتیجه افزایش ولتاژ تا سطح ولتاژ نامی) صادر کنند.

با افزایش جریان تحریک (حالت فوق تحریک) توان راکتیو توسط ژنراتور تولید می‌شود؛ اما توان راکتیو تولیدی ژنراتورها به خاطر مسائل حرارتی سیم‌پیچ‌ها محدود است و ژنراتورها به تنهایی نمی‌توانند در ساعات حداکثر بار، تمام توان راکتیو مورد نیاز سیستم را تأمین کنند. بنابراین در این ساعات به وسایل دیگری نیاز است که بتوانند توان راکتیو به شبکه تزریق کنند تا سطوح ولتاژ در محدوده مجاز قرار گیرند.

در برخی شرایط و ساعات کم‌بار شبکه، بارها و عناصر آن، توان راکتیو کمی مصرف می‌کنند و ظرفیت خازنی خطوط طویل سیستم انتقال می‌تواند باعث افزایش توان راکتیو تولیدی در شبکه شود. در این‌گونه مواقع، ممکن است ژنراتورها به صورت زیرتحریک کار کنند تا مقداری از توان راکتیو شبکه را جذب کنند و از بالا رفتن بیش از حد ولتاژ شبکه جلوگیری شود.

البته دریافت توان راکتیو توسط ژنراتورها با محدودیت‌هایی همراه است که در بعضی شبکه‌ها علاوه بر ژنراتورها به وسایل دیگری برای کنترل ولتاژ (به صورت راکتور) نیاز است. در نهایت می‌توان گفت که توازن توان راکتیو شبکه، تضمینی بر ثابت بودن ولتاژ (و کنترل توان راکتیو به منزله کنترل ولتاژ شبکه) است، پس به طور کلی، کنترل توان راکتیو و ولتاژ شبکه به صورت زیر انجام می‌شود:

1. کنترل تحریک ژنراتورها
2. تزریق توان راکتیو به شبکه قدرت توسط جبران‌کننده‌هایی که به صورت موازی وصل ‌می‌شوند؛ مثل خازن، راکتیو، کندانسور سنکرون و جبران‌کننده‌های استاتیک
3. جابه‌جا کردن توان راکتیو در شبکه توسط تغییر تپ ترانسفورماتورهای قدرت
4. کم کردن راکتانس القایی خطوط انتقال با نصب خازن‌های سری

تنظيم‌كننده خودكار ولتاژ (AVR)

«تنظيم‌كننده خودكار ولتاژ» (Automatic Voltage Regulator) با تغییر جریان تحریک استاتور ولتاژ خروجی ژنراتور اصلی را کنترل می‌کند. برای اینکه این وسیله بتواند ولتاژ خروجی ژنراتور اصلی را کنترل کند، باید از آن نمونه‌برداری کند. علاوه براین AVR از این ولتاژ تغذیه می‌شود. ولتاژ خروجی ژنراتور كه در اين جا ۱۱/۵ كيلوولت است، ابتدا توسط یک ترانسفورماتور کاهنده کاهش داده می‌شود و به 125 ولت می‌رسد.

حال می‌توان AVR را با این ولتاژ تغذیه کرد. یکی دیگر از مسائلی که در AVR قابل توجه است، یک عدد معین است که باید به عنوان مبنا به آن داده شود تا ولتاژ خروجی ژنراتور اصلی که نمونه‌برداری شده با آن مقایسه شود. هرگاه بر اثر اضافه بار ولتاژ خروجی ژنراتور اصلی کاهش یابد، دستگاه جریان تحریک بار را اضافه می‌کند تا کاهش ولتاژ جبران شود و اگر ولتاژ به دلایلی اضافه شد، جریان تحریک کاهش داده می‌شود تا ولتاژ خروجی ژنراتور اصلی نیز کاهش یابد.

سیستم تحریک

وظیفه اصلی سیستم تحریک این است که با تغییر جریان DC سیم‌پیچ تحریک واقع بر روی روتور، نیروی محرکه تولید شده ژنراتور را کنترل کند. با تغییر نیروی محرکه ژنراتور، نه تنها ولتاژ خروجی قابل تنظیم است؛ بلکه ضریب توان و دامنه جریان نیز کنترل می‌شود.

اجزای سیستم تحریک را می‌توان به صورت زیر معرفی کرد:

1. تحریک‌کننده (اکسایتر): این بلوک وظیفه تأمین جریان مستقیم مورد نیاز در سیم‌پیچ تحریک را بر عهده دارد.
2. تنظیم‌کننده (رگولاتور): این بلوک کنترلی، وظیفه تقویت و پردازش سیگنال‌های کنترل ورودی را (به سطح و شکلی که برای کنترل تحریک‌کننده، مناسب باشد) بر عهده دارد.
3. مبدل ولتاژ پایانه و جبران‌کننده بار: این بلوک، ولتاژ پایانه ژنراتور را اندازه‌گیری می‌کند و پس از یکسوسازی، آن را به یک ولتاژ جریان مستقیم تبدیل می‌کند. سپس این ولتاژ با یک ولتاژ مرجع (که بیانگر ولتاژ مطلوب پایانه از ژنراتور سنکرون است) مقایسه می‌شود. همچنین اگر بخواهیم ولتاژ را در نقطه‌ای که از نظر الکتریکی از ژنراتور دور باشد (مثل ترانسفورماتور افزاینده) ثابت نگه داریم، این بلوک مجهز به سیستم جبران‌کننده بار خواهد بود.
4. پایدارساز سیستم قدرت: این بلوک، به منظور میرا کردن نوسانات سیستم‌های قدرت، سیگنال ورودی اضافی و تنظیم‌کننده ولتاژ را ایجاد می‌کند. سیگنال‌های وروردی مورد نظر، معمولاً انحراف سرعت روتور، توان شتاب‌دهنده و انحراف فرکانس است.
5. مدارهای محدودکننده و حفاظتی: این بلوک شامل مجموعه وسیعی از توابع کنترلی و حفاظتی است و برای اطمینان از این موضوع طراحی شده می‌شود که از حدود توانایی تحریک‌کننده و ژنراتور خارج نشود. بعضی از توابع مرسوم، شامل محدودکننده جریان تحریک و محدودکننده زیرتحریک است. معمولاً این توابع شامل مدارهای مشخصی هستند و سیگنال خروجی آن‌ها را می‌توان در محل‌های مختلف به صورت جمع‌کننده به سیستم تحریک اعمال کرد.

سیستم‌های تحریک ژنراتورها بر اساس منبع توان تحریک به سه نوع عمده تقسیم می‌شوند:

• الف. سیستم‌های تحریک جریان مستقیم
• ب. سیستم‌های تحریک جریان متناوب
• ج. سیستم‌های تحریک جریان استاتیکی

سیستم کنترل فرکانس

با توجه به تغییر مصرف بار شبکه در ساعات مختلف شبانه‌روز و لزوم تأمین مصرف شبکه توسط ژنراتورهای قدرت، لازم است تا قدرت تولیدی ژنراتورها به طور منظم کنترل شود. قدرت خروجی یک ژنراتور با تغییر دادن توان مکانیکی ورودی آن کنترل می‌شود. برای این کار، با باز کردن یا بستن شیر گاز (و یا دریچه آب)، جریان گاز (و یا آب) ورودی به توربین‌های گازی (و یا آبی) تنظیم می‌شود و کنترل قدرت مکانیکی (و در نتیجه قدرت اکتیو خروجی ژنراتور) را میسر می‌کند.

اگر قدرت مصرفی بار افزایش یابد، باید شیر گاز و یا دریچه آب بیشتر باز شود تا به همان میزان، قدرت تولیدی ژنراتور افزایش یابد و چنانچه قدرت مصرفی بار کاهش یابد، باید عمل بسته شدن شیرها به نسبت مشخص و معینی صورت گیرد. لازم به ذکر است که عدم توازن قدرت را می‌توان از تأثیر آن بر سرعت و یا فرکانس ژنراتور احساس کرد، زیرا در صورت کاهش بار و یا اضافه بودن تولید، ژنراتور تمایل به افزایش سرعت و فرکانس خود دارد و در صورت افزایش بار و کمبود تولید، سرعت و فرکانس ژنراتور رو به کاهش می‌رود.

انحراف فرکانس شبکه (یا سرعت محور ژنراتور) از مقدار نامی آن به عنوان سیگنالی جهت تحریک سیستم کنترل اتوماتیک انتخاب می‌شود، زیرا توازن قدرت اکتیو به منزله ثابت بودن فرکانس سیستم است. یکی از مشخصات مهم هر سیستمی که در حالت عادی کار می‌کند، ثابت بودن فرکانس آن است. حداقل چهار دلیل اساسی را می‌توان برای این موضوع که چرا نباید فرکانس سیستم از یک مقدار ثابت تعیین شده تغییر کند، به صورت زیر بیان کرد:

1. اغلب موتورهای AC در سرعت‌هایی کار می‌کنند که عملکرد مطلوب آن‌ها با فرکانس رابطه دارند.
2. توربین‌های ژنراتورها به ویژه توربین‌های بخاری برای کار در یک سرعت بسیار دقیقی طراحی می‌شوند.
3. اگر خطای فرکانس در محدوده معینی ثابت نگه داشته شود، کارکرد کلی یک سیستم قدرت را بهتر می‌توان کنترل کرد.
4. در حال حاضر، از ساعت‌‌های برقی (که نیروی محرکه آن‌ها به وسیله موتورهای سنکرون تأمین می‌شود) به فراوانی استفاده می‌شوند. دقت این ساعت‌ها نه‌تنها تابعی از خطای فرکانس، بلکه در واقع تابع انتگرال این خطا است.

ترانسفورماتور قدرت نيروگاه

همان‌گونه كه می‌دانيم، ترانسفورماتورهای قدرت تجهيزاتی هستند كه سطح ولتاژ را تغيير می‌دهند و اين تغيير ولتاژ در نيروگاه‌های برق به صورت افزايش آن است. ولتاژ برق توليدی ژنراتورهای هر واحد توسط ترانسفورماتور افزاینده افزايش داده می‌شود.

ساير تجهيزات الكتريكی نيروگاه

در اين بخش برخی از تجهيزات الكتريكی نیروگاه گازی را به صورت مختصر معرفی می‌كنيم.

ترانسفورماتورهای جريان (CT) و ولتاژ (PT)

در شبکه برق برای دو هدف اندازه‌گیری و حفاظت به اندازه‌گیری پارامترهای ولتاژ و جریان نیاز داریم، ولی از آنجا که اعلب این مقادیر اعداد بزرگی هستند، دسترسی به آن‌ها نه عملی بوده و نه از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. بنابراین، ناچار به استفاده از ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ هستیم تا این مقادیر را به مقادیر کوچکتری که کسری از مقادیر واقعی هستند تبدیل كنيم. رله‌های حفاظتی بر اساس میزان جریان و ولتاژ ثانویه این تجهیزات ساخته می‌شوند، بنابراین می‌توان به كمک این ترانسفورماتورها به اهداف حفاظت و اندازه گیری دست یافت.

ترانسفورماتورهای جریان و ولتاژ دو وظيفه اصلی دارند:

1. پايين آوردن مقدار جريان و ولتاژ سمت فشارقوی به گونه‌ای كه قابل استفاده برای دستگاه‌های اندازه‌گيری از قبيل آمپرمتر، ولت‌متر، وات‌متر و كنتورهای اكتيو و راكتيو و همچنين رله‌های حفاظتی باشد.
2. ايزوله و جدا كردن دستگاه‌های اندازه‌گيری و حفاظتی از ولتاژ فشارقوی در اوليه.

ترانسفورماتورهای جريان در انواع هسته پايين، رزينی، بوشينگی و پنجره‌ای و ترانسفورماتورهای ولتاژ در انواع رزينی و خازنی موجودند.

رله‌ها

رله دستگاهی است كه در اثر تغيير كميتی الكتريكی مانند ولتاژ یا جريان و يا كميتی فيزيكی مانند درجه حرارت و حركت روغن، تحريک می‌شود و دستگاه‌های ديگر را به کار انداخته و در نهايت سبب قطع مدار (در سيستم توليد و انتقال و توزيع به وسيله كليد قدرت) می‌شود. وظايف رله حفاظتی عبارتند از جداسازی محل وقوع عيب از شبكه و محافظت از تجهيزات، دستگاه‌ها و افراد در مقابل عيوب

مزایا و معایب نیروگاه گازی چیست؟

در قسمت‌های قبل آموختیم نیروگاه گازی چیست و از چه قسمت‌هایی تشکیل شده است. این نیروگاه‌ها بازدهی بالا و آلودگی کمی دارند اما منابع سوخت استفاده شده برای آن‌ها گران بوده و تجهیزات آن‌ها نسبت به سایر نیروگاه‌ها، عمر کوتاه‌تری دارد. در ادامه مزایا و معایب نیروگاه‌های گاز را بررسی می‌کنیم.

مزایای نیروگاه گازی

نیروگاه گازی یک منبه تولید انرژی پاک و با بازدهی بالا است. در ادامه مزیایای نیروگاه گازی توضیح داده شده است.

• بازدهی بالا: نیروگاه‌های گازی به دلیل استفاده از توربین‌های پیشرفته می‌توانند برق را با کارایی بیشتری تولید کنند. این نیروگاه‌ها با مصرف سوخت کمتر، برق بیشتری را تولید می‌کنند.
• ساخت سریع: نیروگاه‌ههای گازی را می‌توان بر خلاف نیروگاه‌های هسته‌ای و زغالی در عرض چند ماه ساخت و راه‌اندازی کرد.
• آلودگی کمتر: در اکثر نیروگاه‌های گازی از گاز طبیعی و سوخت پاک استفاده می‌شود. این نیروگاه‌ها نسبت به نیروگاه‌های زغالی میزان آلاینده‌های آلی کمتری تولید کرده و اثرات مخرب کمتری بر محیط زیست دارند.
• راه‌اندازی سریع: روشن کردن و تولید برق از نیروگاه‌های گازی تنها چند دقیقه زمان می‌برد.
• نیاز به فضای کم: نیروگاه‌های گازی نیازی به بویلرها و سیستم‌های بخار عظیم ندارند. به همین علت فضای استقرار این نیروگاه‌ها فضای کمی را اشغال می‌کند.
• نگهداری آسان: به دلیل استفاده از تجهیزات ساده و کم‌حجم، هزینه نگهداری و تعمیر نیروگاه‌های گازی نسبت به سایر نیروگاه‌ها کمتر است.

معایب نیروگاه گازی

نیروگاه‌های گازی از سوخت گران گاز طبیعی استفاده می‌کنند و همچنین به دلیل دمای بالای کار این نیروگاه عمر تجهیزات آن نسبت به سایر نیروگاه‌ها مانند نیروگاه آبی کمتر است. در ادامه، معایب نیروگاه گازی را بررسی می‌کنیم.

• سوخت گران: نیروگاه‌های گازی از گاز طبیعی برای تولید برق تولید می‌کنند که قیمت این سوخت نسبت به سایر سوخت‌های فسیلی یا آب بیشتر است و این موضوع هزینه تولید برق را نیز بالا می‌برد.
• تولید گاز گلخانه‌ای: با وجود پایین‌تر بودن میزان آلودگی ناشی از نیروگاه گازی، این نیروگاه‌ها حجم بالایی کربن دی اکسید و بخار آب تولید می‌کنند که از گازهای گلخانه‌ای به شمار می‌آیند. این گازها می‌توانند اثرات مخرب زیست محیطی داشته باشند.
• افت راندمان در گرما: نیروگاه‌های گاز در دماهای بالا با بازده کمتری عمل می‌کنند. به همین دلیل این نیروگاه‌ها را نمی‌توان در مناطق گرم‌تر احداث کرد.
• عمر کوتاه‌تر تجهیزات: به دلیل کار کردن توربین‌ها و تجهیزات نیروگاه گازی در دماهای بسیار بالا، عمر این تجهیزات کاهش یافته و زودتر از تجهیزات نیروگاه آبی یا بخار نیاز به تعمیر و تعویض دارند.

انواع نیروگاه‌های گازی

به طور کلی چندین نوع نیروگاه گازی وجود دارد  که هر یک برای شرایط خاص محیط، تجهیزات و فرآیند طراحی شده‌اند. اصلی‌ترین انواع نیروگاه گازی شامل نیروگاه گازی ساده، نیروگاه سیکل ترکیبی و نیروگاه توید همزمان برق و حرارت هستند.

درادامه این انواع نیروگاه را توضیح می‌دهیم.

نیروگاه گازی ساده

در نیروگاه گازی ساده، گازهای داغ حاصل از فرآید سوختن به شکل مستقیم از نیروگاه خارج شده و وارد هوای محیط اطراف نیروگاه می‌شوند. راندمان این نوع نیروگاه‌های گازی حدود ۳۰ تا ۳۵ درصد است. با وجود پایین بودن راندمان این نوع نیروگاه، به دلیل راه‌اندازی ساده و سریع تر، بسیار کاربرد دارد. از این نیروگاه به خصوص برای پوشش پیک مصرف برق در فصول گرما استفاده می‌شود.

نیروگاه سیکل ترکیبی

در نیروگاه سیکل ترکیبی گازهای داغ عبور داده شده از توربین بازیافت شده و از آن‌ها برای حرارت دادن به آب و تولید بخار آب استفاده می‌شود. در این نیروگاه‌ها توربین دیگری در مسیر این بخارات قرار داده شده که باعث تولید میزان بیشتری انرژی الکتریکی و برق شده و راندمان کلی نیروگاه را بالا می‌برد. میزان راندمان این نوع نیروگاه‌های گازی حدود ۵۵ تا ۶۰ درصد است. در واقع این نوع نیروگاه ترکیبی از توربین‌های گازی و توربین‌های بخار است.

نیروگاه تولید همزمان برق و حرارت

در نیروگاه تولید همزمان برق و حرارت (CHP) علاوه بر نیروی برق، انرژی حرارتی تولید شده نیز جمع آوری و استفاده می‌شود. برای مثال در شهرک‌های صنعتی از این حرارت برای گرمایش ساختمان‌ها یا فرآیندهای دیگر استفاده می‌شود. بنابراین در  این نوع نیروگاه‌ها انرژی هدر رفته به حداقل مقدار خود رسیده و میزان راندمان نیروگاه تا بالای ۸۰ درصد نیز می‌رسد.

پیشنهاد می‌کنیم برای آشنایی بیشتر با این نوع نیروگاه، مطلب تولید همزمان برق و حرارت (CHP) مجله فرادرس را مطالعه کنید.

تاریخچه نیروگاه گازی

در سال ۱۷۹۱، «جان باربر» (John Barber)، مخترع انگلیسی، ماشینی ساخت که کارکرد آن مشابه توربین‌های گاز امروزی بود. در سال ۱۹۰۴، «فرانتس استولز» (Franz Stolze) یک توربین گاز را در برلین ساخت که شامل نخستین کمپرسور محوری جهان بود، اما این طرح به موفقیت نرسید. بعدهای افراد زیادی در زمینه توربین گاز به فعالیت پرداختند و نخستین توربین گازی مولد برق، در سال ۱۹۳۹ میلادی توسط شرکت «براون، باوری و سی» (Brown, Boveri & Cie) در سوئیس ساخته شد و ظرفیت آن ۴ مگاوات بود. امروزه شرکت جنرال الکتریک بزرگ‌ترین تولیدکننده توربین گاز نیروگاه گازی در جهان است.