نیروگاه های بخاری – گازی – سیکل ترکیبی

در این پروژه ضمن شناخت کلی و بررسی دقیق نیروگاههای بخاری و گازی و سیکل ترکیبی سعی بر ارائه مطالبی دقیق و کامل در این زمینه شده است که میتوان نتیجه گرفت نیروگاههای سیکل ترکیبی دارای بیشترین راندمان نسبت به دیگر سیکل ها بوده و در عین بهره مندی از مدت زمان نصب کم در مقایسه با سیکل بخار،‌ از انعطاف پذیری خوب بهره برداری نیز بهره منداند، به طوری که از واحدهای گازی آن میتوان قبل از واحد سیکل ترکیبی بهره برداری نمود که این خود مزیت خوبی می باشد،‌همچنین با توجه به مشکل آب برای محل نصب نیروگاههای بخاری نیروگاههای سیکل ترکیبی به آب خنک کن کمتری نیازمند می باشد و لذا این موضوع نیز می تواند مشخصه خوب دیگری برای احداث این نوع نیروگاهها در مناطق کم آب گردد.

همین طور نیروگاههای سیکل ترکیبی دارای مزیتهای فراوان دیگری هم می باشند که با بررسی آنها میتوان یک برنامه ریزی دقیق از توربینهای گازی موجود جهت ساخت نیروگاههای سیکل ترکیبی اقدام نمود که این خود باعث کم کردن سرمایه گذاری می شود.

نیروگاه بخاری

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 باشد. از مهمترین این نیروگاهها در کشورمان می توان به نیروگاههای شهید سلیمی نکا ،‌شهید رجایی قزوین، شهید محمد منتظری 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.

سیکل ترمودینامیکی نیروگاه بخاری

تقریباً تمام سیستم هایی 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.

دیگ بخار و تجهیزات جانبی آن

یکی از مهمترین تجهیزات در نیروگاههای بخاری، دیگ بخار می باشد که در آن آب تغذیه شده توسط پمپ تغذیه با جذب حرارت، به بخار پس تافته تبدیل می گردد. دیگ بخار نیروگاهها از نظر چگونگی گرم کردن آب ورودی به دو نوع تقسیم می شود

• الف) دیگ بخار درام دار: در این نوع دیگ بخار، آب ورودی به آن پس از عبور از لوله های اکونومایزر (که در انتهای مسیر دود و گازهای داغ حاصل از احتراق نصب شده اند) 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 دیواره ای به نام اپراتور به سمت بالا انتقال می یابد. این لوله ها در معرض شعله های حاصل از احتراق در کوره ها هستند. بدین ترتیب، آب داخل لوله های اوپراتور به بخار تبدیل شده و مجدداً به درام بر می گردد. در این درام، قطرات آب از بخار خروجی اوپراتور جدا شده و بخار اشباع به سمت لوله‌هایی به نام سوپر هیتر هدایت می شود تا در آنجا به بخار پس تافته تبدیل شود. این نوع دیگ های بخار، از نظر سیرکولاسیون آب و بخار در اواپراتور به دو صورت سیرکولاسیون طبیعی و اجباری طراحی و ساخته می شوند. شکل های (1-4 الف و ب) طرحواره دیگ های بخار درام دار با گردش طبیعی و اجباری را نشان می دهد. اکثر نیروگاههای بخاری موجود در کشور، از دیگهای بخار درام دار استفاده می کنند که نمونه‌هایی از این نوع دیگ های بخاری را میتوان در نیروگاههای اسلام آباد، شهید محمد منتظری، بندرعباس، تبریز و طوس مشاهده نمود. البته در نیروگاه تبریز، دیگ بخار آن از نوع سیرکولاسیون اجباری می باشد. در دیگ های بخار درام دار با گردش اجباری، پمپ چرخش اجباری آب BCP [1]موجب گردش اجباری آب اشباع در لوله های اواپراتور می شود. نیروگاههای بخاری با قدرت زیاد و فشار بالا (نزدیک بحرانی) از این نوع دیگ بخار استفاده می کنند.
• ب ) دیگ های بخار یکبار گذر[2] : در این نوع دیگهای بخار، آب ورودی به آن، با یک بار عبور از داخل لوله های اوپراتور به بخار اشباع تبدیل می شود. سپس بخار اشباع با عبور از سوپرهیتر به صورت بخار پس تافته در می آید. این نوع دیگ های بخار از نظر نوع سیرکولاسیون ، اجباری هستند. در نتیجه، در این نوع دیگهای بخار دیگر نیازی به استفاده از درام نمی باشد. البته به جای درام میتوان از یک جدا کننده[3] استفاده نمود. طرح کلی این دیگهای بخار در شکلهای (1-4- ج و د) آورده شده است. در این نوع دیگها، مجموعه محفظه احتراق (کوره) و لوله های اوپراتور به نحوی طراحی می شوند که کلیه آبهای موجود در لوله های اواپراتور پس از طی محفظه احتراق، به بخار تبدیل شده، مستقیماً به سوپرهیترها هدایت شوند. این نوع دیگ بخار را میتوان در نیروگاه نکا مشاهده نمود. در این نیروگاه، آب تغذیه کننده دیگ بخار، پس از عبور از اکونومایزر، وارد لوله های اوپراتور می شود و پس از آن به منظور جدا کردن قطرات مایع موجود در بخار (در شرایطی که بار تولیدی واحد، کمتر از 35% بار نامی باشد) وارد یک جدا کننده می شود. در نهایت بخار خارج شده از جدا کننده پس از عبور از سوپرهیترها به سمت توربین هدایت می گردد. البته در هنگامی که بار واحد از 35% تجاوز کند، خروجی اوپراتور تماماً بخار اشباع است که در این حالت، دیگ بخار به صورت یکبار گذر بنسون عمل می کند؛ به عبارت دیگر هر چه آب وارد آن می شود، تماماً به بخار تبدیل می گردد. لازم به ذکر است که در نیروگاههایی که سیال بخار با فشار فوق بحرانی به کار میرود، باید از این نوع دیگهای یکبار گذر استفاده شود؛ زیرا در صورتی که دیگ بخار در فشار فوق بحرانی کار کند، سیال مایع به طور مستقیم به بخار تبدیل می شود و حالت اشباع مایع – بخار وجود نخواهد داشت. نمونه ای از این نوع دیگ های بخار را میتوان در واحدهای بخاری نیروگاه رامین مشاهده نمود. با این مقدمه تجهیزات موجود در دیگهای بخار را به طور جداگانه مورد بررسی قرار می دهیم.

نیروگاه های گازی

همان گونه که قبلاً گفته شد، یکی دیگر از نیروگاه های کاربردی در شبکه های قدرت، نیروگاه های گازی می باشد که در کشور ما سهم کمی از تولید را ( در حدود 7/20% کل تولید در سال 1381) بر عهده دارند. سیال این نیروگاه ها که بر پایه یک سیکل باز است، هوای محیط می باشد. تجهیزات اساسی این سیکل، کمپرسور، محفظه احتراق، و توربین می باشد که نسبت به نیروگاه های بخاری بسیار کم است. این نوع نیروگاه ها بیشتر در بار پیک شبکه ها مورد استفاده قرار می گیرند. تعداد نیروگاه های گازی موجود در کشور ما بسیار زیاد است که از مهمترین آنها می توان به واحد های گازی ری، بوشهر، شیروان، شیراز، چابهار، شریعتی، مشهد، و شهید سلیمی نکا اشاره نمود. در جدول (2-1) مشخصات تولیدی نیروگاه های گازی کشورمان در سال 1381 ارائه شده است. در این فصل مانند فصل قبل، ابتدا سیکل ترمودینامیکی گازی بیان می شود و سپس به بررسی تجهیزات اساسی و جانبی این نیروگاه ها می پردازیم.

با توجه به دو مشکل اساسی نیروگاه های گازی، یعنی بازده کم آن و تلفات حرارتی زیاد ( ناشی از هوای داغ خارج شده از توربین گازی)، استفاده از نیروگاه های چرخه ترکیبی مفید به نظر می رسد.

سیکل قدرت گازی

توربین های گازی از ساده ترین و ابتدایی ترین موتورهای مولد قدرت هستند با پیشرفت فن و شناخت آلیاژ های مقاوم در مقابل درجه حرارت های بالا، بازده این نوع نیروگاه های گازی افزایش یافته است. طرز کار یک نیروگاه  گازی به این صورت است که ابتدا هوا با دما و فشار محیط به طور پیوسته وارد کمپرسور می شود و پس از عمل تراکم تحت یک تحول آدیاباتیک، وارد محفظه احتراق می گردد. با پاشش سوخت و احتراق آن، هوای عبوری از محفظه احتراق تحت تحول فشار ثابت، گرم می شود. در نتیجه هوای خروجی از این محفظه، دارای فشار و درجه حرارت بالایی است که دارای جنبشی و پتانسیل بسیار زیادی می باشد. این هوا با عبور از پره های ثابت و متحرک توربین گازی، محور روتور توربین را به گردش در می آورد. در این حال، محور توربین علاوه بر این که محور کمپرسور را می چرخاند، قادر به انجام کار مفید بر روی محور روتور ژنراتور است.

نیروگاه سیکل ترکیبی

همان گونه که در مبحث ترمودینامیکی نیروگاه های گازی بیان نمودیم، بازده این نوع نیروگاه ها ( به خاطر تلفات حرارتی بسیار زیاد آنها) نسبت به نیروگاه های بخاری بسیار کم می باشد. در توربین های گازی، دمای هوای با فشار زیاد، حدود 1100 تا 1450 درجه سانتی گراد است و سیال هوا پس از انبساط در توربین به دمای حدود نصف دمای ورودی به توربین می رسد. پس انرژی بسیار زیادی در هوای خروجی از توربین وجود دارد. در قسمت نیروگاه گازی، یکی از راه های استفاده از این حرارت و افزایش بازده سیکل، استفاده از مبدل بازیاب بود. در این مبدل، 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. در آنجا نشان دادیم که استفاده از سیکل بازیاب، کار خروجی سیکل را افزایش نمی دهد، ولی با توجه به کاهش حرارت انتقالی در محفظه احتراق، بازده سیکل افزایش می یابد. البته در سیکل های بازیاب واقعی، به خاطر افت فشار سیال در لوله های مبدل بازیاب، کار سیکل هم مقداری کاهش می یابد، در نتیجه نسبت فشار سیکل هم کاهش پیدا می کند. از طرف دیگر با استفاده از مبدل بازیاب، به خاطر لوله های بزرگ و سطوح تبادل حرارتی در این مبدل، هزینه ثابت این نوع نیروگاه ها افزایش می یابد. بنابراین بالا بردن بازده نیروگاه های گازی از طریق بازیاب، روش پر هزینه ای است. یکی از راه های بسیار مناسب، در بالا بردن بازده نیروگاه های گازی و افزایش کار سیکل، استفاده از انرژی بسیار زیاد موجود در گازهای خروجی از توربین های گازی ( برای تولید بخار در یک نیروگاه بخاری) می باشد. به چنین نیروگاه هایی که ترکیبی از توربین های گازی و توربین های بخاری است. نیروگاه های چرخه ترکیبی می گویند. اجرای چنین سیکل ترکیبی امکان پذیر می باشد، زیرا دمای سیال ورودی به توربین های گازی با قدرت زیاد، بسیار بالا( بین 1100تا 1450 درجه سانتی گراد ) است و این در حالی است که دمای سیال ورودی به توربین بخاری، نسبتاً پایین ( بین 540 تا 650 درجه سانتی گراد) می باشد. پس امکان انتقال حرارت از گازهای خروجی از توربین گازی به سیال سیکل بخاری امکان پذیر می باشد. در جدول (4-2) مشخصات نیروگاه های چرخه ترکیبی کشورمان در سال 1381 ارائه شده است. التبه در بیشتر این نیروگاه ها فقط واحدهای گازی آن مورد استفاده قرار گرفته است و هنوز واحدهای بخاری آنها به مرحله بهره برداری نرسیده اند. همچنین سهم ظرفیت نامی این نوع نیروگاه از ظرفیت نصب شده کل کشور، در سال 1381 برابر 5/20% می باشد.

این سیکل ها علاوه بر داشتن بازده و توان بالا، دارای مزایای دیگری از قبیل انعطاف پذیری در تولید، راه اندازی سریع قسمتی از تولید، مناسب بودن برای بارهای پایه و عملکرد دوره ای می باشد. البته این نوع نیروگاه ها دارای مشکلات و معایبی هم هستند که از آن جمله می توان به وابستگی تولید واحدهای بخاری آن به واحدهای گازی، و تفاوت طول عمر هد دو نوع واحد اشاره نمود.

مصرف داخلی نیروگاه های بخاری- گازی و پتانسیلی

عموماً در نیروگاه های برق، سیستم تولید انرژی به صورت خودکار انجام می شود و برای این منظور به تجهیزات کمکی نیاز است. با طراحی مناسب این تجهیزات، نه تنها راه اندازی قسمت های اصلی نیروگاه مهیا می شود، بلکه موجبات مکانیزه شدن سیکل نیروگاه نیز فراهم می گردد. این تجهیزات بسته به نوع نیروگاه متنوع است؛ البته بیشترین تجهیزات کمکی در نیروگاه ها، مربوط به نیروگاه های بخاری می باشد. به طور خلاصه می توان به موارد اصلی این تجهیزات اشاره نمود:

• سیستم تخلیه و انتقال سوخت، پمپ های تزریق سوخت به مشعل های دیگ بخار، فن های تامین کننده هوای مشعل دیگ بخار (فنFD)، فن های مکش گازهای کوره (فنID)، فن های گردش گاز کوره (فنGR)، گرمکن های هوای کوره، پمپ های تغذیه آب دیگ بخار (BFP)؛
• تجهیزات کمکی مورد نیاز توربو ژنراتور (شامل پمپ آب مقطر کندانسور، پمپ ایجاد خلاء کندانسور و پمپ های آب خنک کن کندانسور، سیستم تحریک ژنراتور، برج های خنک کننده، ترانسفورماتورهای تغذیه داخلی، تابلوهای تقسیم برق، باطری های روشنایی و…)؛
• تصفیه خانه آب، آتش نشانی، سیستم تهیه گاز هیدروژن.
• آزمایشگاه های مختلف، جرثقیل ها، پمپ های تخلیه، کمپرسورهای هوا، سیستم روغن رسانی و تصفیه روغن و…؛

تجهیزات کمکی در نیروگاه های بخاری با نیروگاه های گازی و آبی متفاوت است. البته بعضی از تجهیزات فوق در تمامی نیروگاه ها مشترک می باشند. این دستگاه های کمکی که تعداد آنها در نیروگاه ها قابل توجه است، خود احتیاج به انرژی الکتریکی یا حرارتی دارند. اصولاً مصرف بخشی از انرژی تولیدی نیروگاه های برق جهت در مدار ماندن و ادامه کار واحدها لازم و ضروری است. از این جهت نیروگاه های برق با یک سری مصارف، به نام مصارف داخلی روبرو هستند. این مصارف داخلی درصدی از انرژی تولیدی نیروگاه ها را به خود اختصاص می دهند.

مقایسه اجمالی نیروگاه های بخاری – گازی – سیکل ترکیبی

سیکل های تولید قدرت حرارتی، عمدتاً از سیکل های بخاری، گازی و سیکل ترکیبی تشکیل شده اند. نیروگاههای بخاری در دنیا در اکثریت می باشند و چندین سال است که (با توجه به استفاده ری هیت ها،‌پیش گرم کن ها و روش های متنوع دیگر برای بالا بردن راندمان حرارتی) به حد راندمان ثابتی رسیده اند و تغییرات محسوس در راندمان حرارتی آنها مشاهده نشده است.

راندمان توربین های گازی خیلی پایین می باشد و طبق روابط ترمودینامیکی یکی از عوامل قابل توجه جهت بالا رفتن راندمان سیکل گازی بالا بودن درجه حرارت ورودی به توربین گاز و دیگری پایین بودن گاز خروجی از توربین گاز می باشد.

اما با توجه به محدودیت تکنولوژی درجه حرارت ورودی به توربین گاز تا حدود معینی می تواند بالا رود. وجود درجه حرارت بالا در خروجی نیز باعث افت حرارتی میشود.

در سیکل ترکیبی گاز خروجی از توربین گاز به داخل یک بویلر برده شده و از حرارت آن برای گرمایش آب و تولید بخار استفاده می کنند بخار تولیدی در یک توربین بخار، کار را انجام داده و در نهایت ژنراتور را به حرکت در می آورد و تولید برق می نماید که در نتیجه سیکل مرکب باعث افزایش راندمان حرارتی می شود.

واحدهای بخاری

سیکل تولید قدرت در واحدهای بخاری عبارت است از : تولید بخار در در دیگ و استفاده از بخار در توربین برای تولید قدرت و تقطیر بخار خروجی از توربین در کندانسور (با استفاده از سیستم خنک کن ) و پمپاژ آب خروجی از کندانسور به داخل دیگ و تکرار سیکل.

در این فرآیند به منظور افزایش راندمان و کاهش انرژی اتلافی از گرمکن های آب تغذیه با استفاده از بخار انشعابی از توربین و بخار مجدد گرم شده (گرمکن مجدد ) استفاده می‌شود.

سیکل ترکیبی

در سیکل ترکیبی گاز خروجی از توربین گاز به داخل یک بویلر برده شده و از حرارت آن برای گرمایش آب و تولید بخار استفاده می کنند. بخار تولیدی در یک توربین بخار کار را انجام داده و در نهایت توربین گاز اولیه و توربین بخار، ژنراتور واحد بخار را به حرکت در می آورند و این ژنراتور برق مورد نیاز را تامین می کند.

هدف اصلی استفاده از یک سیکل مرکب افزایش راندمان حرارتی و یا به زبان دیگر جلوگیری از به هدر رفتن انرژی حرارتی می باشد.

تبدیل نیروگاه گازی به نیروگاه سیکل ترکیبی

بنا به اصل دوم ترمودینامیک نمی توان موتور حرارتی ساخت که تنها با یک منبع حرارتی گرم یا سرد تبادل حرارت کند و کار مفید انجام دهد. از تبادل گرما با محیط سرد به عبارت دیگر اتلاف حرارتی در ایده آل ترین سیکل قدرت نیز نمی توان دوری کرد. در سیکل قدرت گازی حتماً پس از توربین گازی اتلاف انرژی حرارتی وجود دارد و این اتلاف است که باعث پایین آمدن راندمان سیکل گازی می شود. لذا می توان از حرارت تلف شده آن استفاده مفید کرد.

[1] – Boiler Circulation

[2] – Once Through

[3] – Separator