نيروگاه ها - Power Stations


در دنيا 5 منبع انرژي ,كه تقريبا تمام برق دنيا را مهيا مي كنند , وجود دارد. آنها ذغال سنك, نفت خام, گاز طبيعي , نيروي آب و انرژي هسته اي هستند. تجهيزات هسته اي , ذغالي و نفتي از چرخه بخار براي برگرداندن گرما به انرژي الكتريكي : بر طبق ادامه متن : استفاده مي كنند.

نيروگاه بخاري از آب بسيار خالص در يك چرخه يا سيكل بسته استفاده مي كند. ابتدا آب در بويلرها براي توليد بخار در فشار و دماي بالا گرما داده مي شود كه عموما دماو فشارآن در يك نيروگاه مدرن به 150 اتمسفرو550 درجه سانتيگراد مي رسد. اين بخار تحت فشار زياد توربينها را ( كه آنها هم ژنراتورهاي الكتريكي را مي گردانند , و اين ژنراتورها با توربينها بطور مستقيم كوپل هستند ) مي گردانند يا اصطلاحا درايو مي كنند. ماكزيمم انرژي از طريق بخار به توربينها داده خواهد شد فقط اگر بعداً همان بخاراجازه يابد در يك فشار كم ( بطور ايده آل فشار خلاء) از توربينها خارج شود . اين مطلب مي تواند توسط ميعان بخار خروجي به آب بدست آيد.

سپس آب دوباره بداخل بويلرها پمپ مي شود و سيكل دوباره شروع مي گردد. در مرحله تقطير مقدرا زيادي از گرما مجبور است از سيستم استخراج شود. اين گرما در كندانسور كه يك شكل از تبادل كننده گرمايي است , برداشته مي شود. مقدار بيشتري از گرماي آب ناخالص وارد يك طرف كندانسور مي شود و آن را از طرف ديگر ترك مي كند بصورت آب گرم , داشتن گرماي به اندازه كافي استخراج شده از بخار داغ براي تقطير آن به آب. در هيچ نقطه اي نبايد دو سيستم آبي مخلوط شوند. در يك سايت ساحلي آب ناخالص داغ شده به سادگي به دريا برگشت داده مي شود در يك نقطه با فاصله كوتاه. يك نيروگاه 2 GW به حدود 60 تن آب دريا در هر ثانيه احتياج دارد. اين براي دريا مشكل نيست , اما در زمين تعداد كمي از سايتها مي توانند اينقدر آب را در يك سال ذخيره كنند. چاره ديگر بازيافت آب است. برجهاي خنك كن براي خنك كردن آب ناخالص استفاده مي شوند بطوريكه آن مي تواند به كندانسورها برگردانده بشود , بنابراين همان آب بطور متناوب بچرخش در مي آيد. يك برج خنك كن از روي ساحختار سيماني اش كه مانند يك دودكش خيلي پهن است شناخته شده است و بصورت مشابه نيز عمل مي كند. حجم زيادي از هوا داخل اطراف پايه ( در پايين و داخل و مركز لوله برج ) آن كشيده مي شود و ازميانه بالايي سرباز آن خارج ميشود. آب گرم و ناخالص به داخل مركز داخلي برج از تعداي آب پاش نرم ( آب پاش با سوراخهاي ريز ) پاشيده مي شود و هنگاميكه آن فرو ميريزد با بالارفتن هوا( توسط هواي بالا رونده ) خنك مي شود. سرانجام آب پس از خنك شدن در يك حوضچه در زير برج جمع مي شود. برج خنك كن وافعا يك تبدل دهنده كرمايي دوم , كه گرماي آب ناخالص را به هواي اتمسفر مي فرستد , است, اما نه مانند تبادل دهنده گرمايي اول , در اينجا دوسيال اجازه مي يابند با هم تماس داشته باشند و در نتيجه مقداري ار آب توسط تبخير كم مي شود.

برجهاي خنك كن هرگز قادر به كاهش دماي آب ناخالص تا پايينتر از دماي حدي هوا نيستند بطوريكه كارآيي كندانسور و ازآنجا كارآيي تمام نيروگاه در مقايسه با يك سايت ساحلي كاهش مي يابد. همچنين ساختمان برجهاي خنك كن قيمت كلي ساختمان و بناي نيروگاه را افزايش مي دهد.

احتياج براي خنك كردن آب يك فاكتور مهم در انتخاب سايت نيروگاهي زغالي , نفتي و هسته اي است. يك سايت كه مناسب است براي يك نيروگاه كه از يك نوع سوخت استفاده مي كند بناچار مناسب نيست براي يك نيروگاه كه ار نوع ديگري سوخت استفاده مي كند.

نيروگاه هاي ذغال- سوختي ( Coal-Fired Power Stations )

پيش از اين نيروگاه هاي سوخت ذغال سنگ نزديك باري كه آنها نامين ميكردند ساخته مي شدند. يك نيروگاه خروجي 2GW , درحدود 5 ميليون تن ذغال در سال مصرف ميكند. در بريتانيا : كه بيشتر ذغال نيروگاه توسط ريل حمل ميشود : , اين نشان ميدهد , يك مقدار متوسط در حدود 13 ترن در روز را كه هركدام 1000تن را حمل ميكنند . اين يعني اينكه نيروگاه هاي ذغال- سوختي به يك ريل متصل نياز دارند مگر اينكه نيروگاه درست در دهانه معدن ( بسيار نزديك به معدن ) ساخته شود.

نيروگاه هاي نفت- سوختي ( Oil-Fired Power Stations )

سوخت نفتي نيروگاه ميتواند مشتق بشود به نفت خام كه نفتي است هنگاميكه از چاه بيرون مي آيد, و نفت باقيمانده كه باقي مي ماند هنگاميكه بخشهاي قابل دسترس استخراج بشوند در تصفيه نفت. قيمت انتقال نفت توسط خطوط لوله كمتر از انتقال ذغال سنگ با ريل است, اما حتي همان نيروگاههاي سوخت نفت خام هم اغلب در نزديكي اسكله ها و لنگرگاه هاي با آب عميق كه براي تانكرهاي اندازه متوسط (تانكرهاي حمل و نقل سوخت) مناسب است , واقع ميشوند. نفت باقيمانده نيرگاههاي سوختي احتياج دارد در نزديكي تصفيه خانه كه آنها را تامين مي كند واقه شوند. اين بدليل است كه نفت باقيمانده بسيار چسبناك است و ميتواند فقط منتقل بشود در ميان خطوط لوله بطور اقتصادي اگر آن گرم نگه داشته بشود.

نيروگاه هاي هسته اي ( Nuclear Power Stations )

در مقابله با ذغال سنگ و نفت , ارزش انتقال سوخت هسته اي ناچيزاست بدليل مقداراستعمال خيلي كم. يك نيروگاه 1GW درحدود 41/2 تن اورانيوم در هرهفته نياز دارد. اين مقايسه ميشود بطور بسيار مطلوب با 50000نت سوخت كه در يك هفته در نيروگاه ذغال- سوختي سوزانده ميشد. نيروگاه هاي هسته اي در حال حاضر تقريبا آب خنك بيشتري درمقايسه با نيروگاه هاي ذغال- سوختي و نفت- سوختي استفاده ميكنند , بعلت كارايي و بازده پايين آنها. همه نيروگاه هاي هسته اي در بريتانيا , با يك چشم داشت, در ساحل واقع مي شوند و از آب خنك دريا استفاده ميكنند.

نيروگاه هاي برق- آبي ( Hydroelectric Power Stations )

نيروگاه هاي برق- آبي بايد جايي واقع شوند كه دهانه آب دردسترس هست , و نظربه اينكه اين اغلب در مناطق كوهستاني است , آنها ممكن است به خطوط انتقال طولاني براي حمل توان به نزديك ترين مركز يا پيوستن به شبكه نياز داشته باشند. همه طرحهاي برق- آبي به دو فاكتور اساسي وابسته هستند : يكي جريان آب و يكي اختلاف در سطح يا دهانه. نياز دهانه ممكن است فراهم بشود بين يك درياچه و يك دره باريك, يا توسط ساختن يك سد كوچك در يك رودخانه كه جريان را منحرف ميكند به سمت نيروگاه, يا توسط ساختن يك سد مرتفع در مقابل يك دره براي ساخت يك درياچه مجازي.

نيروگاههاي برق

تاثير خواص توليد و انتقال

چهار خاصيت منبع الكتريسيته وجود دارد كه يك تاثير عميق روي موضوعي كه منهدسي ميشود دارد. آنها بصورت زير هستند :

1- الكتريسيته, نه مانند گاز و آب, نميتواند ذخيره بشود و تهيه كننده كنترل كوچكي بر بار در هر زماني دارد. مهندسان كنترل تلاش مي كنند براي نگهداري خروجي ژنراتورها متناسب با با ر متصل شده در ولتاژ و فركانس مخصوص.

2- يك افزايش متناوب در تقاضا براي توان وجود دارد. اگرچه در بسياري از كشورهاي صنعتي سرعت افزايش در سالهلي اخير كاهش پيدا كرده است, حتي سرعت معتدل مستلزم كتسردگيها و افزايشات عظيم در سيستم هاي موجود است.

3- توزيع و طبيعت سوخت دردسترس. اين جنبه هست جالبتر هنگاميكه ذغال سنگ اسخراج ميشود در مناطقي كه لروما مراكز بار اصلي نيستند : توان برق-آبي معمولا دور از مراكز بار بزرگ است. مشكل فواصل انتقال و سايت كردن(انتخاب كردن محل براي نيروگاه) نيروگاه يك تجربه مبهم و مورد بحث در اقتصاد است. استفاده عظيم انرژي هسته اي بسوي اصلاح الگوي تغذيه موجود متمايل خواهد شد.

4- در سالهاي اخير ملاحظات منابع طبيعي و محيطي عمده اهميت و تاثير سايتينگ, هزينه ساختار,وعملكرد كارخانجات توليدي را بعهده گرفته است. همچنين طراحي تحت تاثير واقع ميشود بدليل تاخيرات در شروع پروژه ها بخاطر مراحل قانوني كه بايد طي شوند. از مهمترين خواص در زمان حاضر ضربه زيست محيطي كارخانجات هسته اي است, خصوصا راكتور افزاينده سريع پيشنهاد شده.

تبديل انرژي با بكارگيري بخار

احتراق ذغال يا نفت در بويلرها بخار را در بالاترين دما و فشار كه به توربينهاي بخاري ميرود توليد ميكند. نفت مزاياي اقتصادي دارد هنگاميكه آن ميتواند پمپ شود از تصفيه خانه به داخل خطوط لوله مستقيما بسمت بويلرهاي نيرگاه. استفاده ازنتيجه انرژي شكافت هسته اي بطور افزاينده در توليد برق دراد كسترش مي يابد: همچنين در اينجا اساس انرژي براي توليد بخار توربينها استفاده مي شود. نوع جريان- محوري توربين بطور مشترك با چندين سيلندر در يك شافت استفاده مي شود.

نيروگاه بخاري براساس سيكل رانكين عمل ميكند , كه آن(: سيكل رانكين) با ********هيتينگ: superheating , گرمايش تغيه آب : Feed-water heating و دوباره گرمايش بخار: steam reheating اصلاح شده است. كارايي گرمايي افزايش يافته, استفاده از بخار در بالاترين دما و فشار ممكن را نتيجه ميدهد. همچنين براي توربينها ساختار اقتصادي , اندازه بزرگ و هزينه كلي كم ميباشد. بعنوان يك نتيجه در حال حاضر توربوژنراتور500MW و بيشتر دارد استفاده ميشود. با استفاده از توربينهاي با ظرفيت 100MW و بيشتر , كارآيي توسط دوباره گرمايش بخار بعدازاينكه آن اندكي توسط يك گرم كننده خارجي منبسط شود, افزايش مي يابد. سپس بخار دوباره گرم شده بداخل توربين كه در مرحله نهايي بارگذاري منبسط مي شود , برگشت داده ميشود.

شكل1-2

- شكل ها در متن انگليسي مقاله مجود مي باشد

يك دياگرام از يك نيروگاه ذغال- سوختي در شكل 1-2 نشان داده شده است. در شكل 2-2 , جريان انرژي در يك نيروگاه بخاري مدرن نشان داده شده است. باوجود مزاياي دائم در طراحي بويلرها و در توسعه مواد بهبود يافته, طبيعت چرخه بخار آنچنان است كه كارآييها نسبتا كم هستند و مقادير وسيع گرما در مرحله ميعان ( در كندانسور ) بهدر مي رود. به هرحال مزيتهاي بزرگ در طراحي و مواد در سالهاي اخير كارآيي هاي دمايي و حرارتي نيروگاههاي ذغالي را در حدود 40 درصد افزايش داده است.

شكل2-2

در نيروگاه هاي ذغال- سوختي , ذغال سنگ به يك كارخانه جداسازي ذغال از سنگ حمل ميشود وخورد مي شود به و به ظرافت ساييده ميشود. سوخت ساييده و پودر شده به داخل بويلر دميده مي شود بطوريكه با هوا براي احتراق مخلوط مي شود. خروجي از توربين فشار ضعيف سرد ميشود براي شكل گرفت عمل معيان توسط عبور از ميان ميعان كننده(كندانسور) وسط مقادير زياد آب دريا يا رودخانه, درجاييكه امكان سرد كردن توسط برجهاي خنك كن وجود ندارد.

بويلرها در بستر جرياني

براي ذغالهاي نوعي , گازهاي احتراق شامل 2/0 - 3/0 درصد اكسيدسولفور بر حجم مي باشند. اگر سرعت جريان گاز در ميان بستر دانه اي يك بويلر نوع بزرگ افزايش مي يابد كشش گرانش متعادل مي شود توسط نيرري بسمت بالاي گاز و بستر سوخت روي خاصيت يك سيال مي رود. در يك پيمايش سايش اين گرماي خروجي و دما را افزايش ميدهد. خاكستر شكل گرفته جوش مي خورد و بصورت كلوخ در مي آيد و ته نشين مي شود بداخل صافي و به داخل چاه خاكستر برده مي شود. بستر به دماي خاكستر سوزي(زينتر كردن خاكستر) در حدود 1050 - 1200 درجه سانتيگراد محدود مي شود. احتراق ثانويه در بالاي بستر جاييكه كه گازCO به گازCO2 ميسوزد و H2S به SO2 تبديل مي شود , اتفاق مي افتد. اين نوع از بويلر دستخوش بهبود وسيعي مي شود و بدليل تراز آلودگي كم و كارآيي بهتر جذاب است.

تبديل انرژي با استفاده از آب

شايد قديمي ترين شكل تبديل انرژي استفاده از نيروي آب است. دريك نيروگاه برق-آبي انرژي با هزينه رايگان فراهم مي شود. اين چهره جذاب همواره تاحدي توسط هزينه كلي بسيار بالاي ساختار خنثي شده است, خصوصا از منظر كارهاي مهندسي عمران. بهرحال امروزه هزينه كلي به ازاي كيلووات نيروگاههاي برق-آبي با نوع بخاري نيروگاهها در مقايسه است. متاسفانه, شرايط جغرافيايي لازم براي توليد آبي بطور عادي يافت نمي شوند. در بيشتر كشورهاي توسعه يافته منابع برق-آبي در دوردست استفاده مي شوند.

يك راه حل براي استفاده مرسوم از انرژي آب , ذخيره پمپي است, كه آب را قادر مي سازد تا دروضعيتي كه متمايل به طرحهاي مرسوم نخواهد بود , استفاده بشود. بهره برداري از انرژي درجريانهاي جذرومد در كانالها مدتها موضوع بحث و تفكر بوده است. مشكلات فني و اقتصادي خيلي عظيم هستند و تعداد كمي محل وجود دارد كه طرح در آنها عملي باشد. يك تاسيسات كه از جريان جذرومد استفاده ميكند در دهانه رود لارنس در شمال فرانسه كه رنج ارتفاع جذرومد 2/9 متر است و جريان جذرومد 18000مترمكعب بر ثانيه تخمين زده مي شود, قرار دارد.

قبل از بحث در مورد انواع توربينها , يك توضيح خلاصه بر روشهاي كلي عملكرد نيروگاههاي برق-آبي داده خواهد شد. اختلاف عمودي بين مخزن بالايي و تراز توربينها باعنوان هد(head يا دهانه) شناخته ميشود. آب ريزان از ميان اين دهانه انرژي جنبشي كه پس از آن به تيغه هاي توربين مي رسد را ايجاد و تقويت مي كند.

در زير 3 نوع اصلي از تاسيسات آورده شده است :

1- دهانه بلند يا ذخيره بلند - منطقه ذخيره سازي يا منبع بصورت نرمال در بالاي 400 h ميريزد.

2- دهانه متوسط يا حوضچه اي - ذخيره در 200-400 h ميريزد.

3- حركت رودخانه اي( Run of River ) - مخزن در كمتر از 2 h ميريزد ارتفاع دهانه آن بين 3 تا 15 متر است. يك دياگرم براي نوع سوم در شكل 3-2 نشان داده شده است.

در ارتباط و هماهنگي با اين ارتفاعات و دهانه مختلف كه در بالا آورده شد , توربينها از انواع خاصي از توربين هستند. آنها بصورت زير هستند:

1- پيلتون. اين براي دهانه هاي بين 1840 - 184 متر استفاده مي شود و شامل يك سطل چرخ رتور با نازل جريان تعديل پذيراست.

2- فرانسيس. كه براي دهانه هاي بين 490- 37 متر استفاده مي شود و از انواع جريان مخلوط است.

3- كاپلن. كه براي نيروگاههاي جريان-رودخانه اي و حوضچه اي با دهانه هاي بالاي 61 متر استفاده مي شود. اين نوع اين نوع يك روتور محور- جرياني با گام تيغه هاي متغير ( تيغه هاي گام - متغير ) است.

شكل3-2

منحني هاي بازده براي هر توربين در شكل 4-2 نشان داده شده است. هنگاميكه كارآيي به دهانه آب كه دائما در نوسان است بستگي دارد, اغلب آب مصرفي در مترهاي مكعب به ازاي كيلووات ساعت استفاده مي شود و به دهانه آب ارتباط دارد. كارخانه برق-آبي توانايي شروع سريع را دارد و در زمان تعطيلي متضرر نمي شود. بناراين آن مزيتهاي بزرگي دراد براي توليد در برخورد با پيك بارها در كمترين هزينه, در عطف با نيروگاه حرارتي يا گرمايي. با استفاده از كنترل ازراه دور جايگاههاي آبي, زمان مورد نيلز از زمان راهنمايي و هدايت براي راه اندازي تا رسيدن به يك اتصال واقعي به شبكه قدرت ميتواند تا كمتر از 2 دقيقه كوتاه شود.

شكل4-2

توربينهاي گازي

استفاده از توربين گازي بعنوان يك محرك اصلي مزيتهاي خاصي را بر كارخانه بخار دارد , اگرچه با گردش نرمال آن از نظر اقتصادي درعملكرد كمتر اقتصادي است. مزيت اصلي در توانايي براي راه اندازي و بارگذاري سريع نهفته است. از اين رو توربين گازي براي استفاده بعنوان يك روش براي رسيدگي كردن به پيكهاي بار سيستم بكارمي آيد. يك استفاده بيشتر براي اين نوع از ماشين , استفاده بعنوان متعادل كننده يا جبران كننده سنكرونيزم براي كمك به ترازهاي ولتاژي ناخواسته و اتفاقي است. حتي در زمينه هاي اقتصادي بطور محتمل آن مفيد است در برخورد با پيك بارها توسط راه اندازي توربينهاي گازي از حالت سرد براي 2 دقيقه نسبت به گردش كارخانه يدكي ( اضافي ) بطور پيوسته.