در دنیا 5 منبع انرژی ,که تقریبا تمام برق دنیا را مهیا می کنند , وجود دارد. آنها ذغال سنک, نفت خام, گاز طبیعی , نیروی آب و انرژی هسته ای هستند. تجهیزات هسته ای , ذغالی و نفتی از چرخه بخار برای برگرداندن گرما به انرژی الکتریکی : بر طبق ادامه متن : استفاده می کنند.

نیروگاه بخاری از آب بسیار خالص در یک چرخه یا سیکل بسته استفاده می کند. ابتدا آب در بویلرها برای تولید بخار در فشار و دمای بالا گرما داده می شود که عموما دماو فشارآن در یک نیروگاه مدرن به 150 اتمسفرو550 درجه سانتیگراد می رسد. این بخار تحت فشار زیاد توربینها را ( که آنها هم ژنراتورهای الکتریکی را می گردانند , و این ژنراتورها با توربینها بطور مستقیم کوپل هستند ) می گردانند یا اصطلاحا درایو می کنند. ماکزیمم انرژی از طریق بخار به توربینها داده خواهد شد فقط اگر بعداً همان بخاراجازه یابد در یک فشار کم ( بطور ایده آل فشار خلاء) از توربینها خارج شود . این مطلب می تواند توسط میعان بخار خروجی به آب بدست آید.

سپس آب دوباره بداخل بویلرها پمپ می شود و سیکل دوباره شروع می گردد. در مرحله تقطیر مقدرا زیادی از گرما مجبور است از سیستم استخراج شود. این گرما در کندانسور که یک شکل از تبادل کننده گرمایی است , برداشته می شود. مقدار بیشتری از گرمای آب ناخالص وارد یک طرف کندانسور می شود و آن را از طرف دیگر ترک می کند بصورت آب گرم , داشتن گرمای به اندازه کافی استخراج شده از بخار داغ برای تقطیر آن به آب. در هیچ نقطه ای نباید دو سیستم آبی مخلوط شوند. در یک سایت ساحلی آب ناخالص داغ شده به سادگی به دریا برگشت داده می شود در یک نقطه با فاصله کوتاه. یک نیروگاه 2 GW به حدود 60 تن آب دریا در هر ثانیه احتیاج دارد. این برای دریا مشکل نیست , اما در زمین تعداد کمی از سایتها می توانند اینقدر آب را در یک سال ذخیره کنند. چاره دیگر بازیافت آب است. برجهای خنک کن برای خنک کردن آب ناخالص استفاده می شوند بطوریکه آن می تواند به کندانسورها برگردانده بشود , بنابراین همان آب بطور متناوب بچرخش در می آید. یک برج خنک کن از روی ساحختار سیمانی اش که مانند یک دودکش خیلی پهن است شناخته شده است و بصورت مشابه نیز عمل می کند. حجم زیادی از هوا داخل اطراف پایه ( در پایین و داخل و مرکز لوله برج ) آن کشیده می شود و ازمیانه بالایی سرباز آن خارج میشود. آب گرم و ناخالص به داخل مرکز داخلی برج از تعدای آب پاش نرم ( آب پاش با سوراخهای ریز ) پاشیده می شود و هنگامیکه آن فرو میریزد با بالارفتن هوا( توسط هوای بالا رونده ) خنک می شود. سرانجام آب پس از خنک شدن در یک حوضچه در زیر برج جمع می شود. برج خنک کن وافعا یک تبدل دهنده کرمایی دوم , که گرمای آب ناخالص را به هوای اتمسفر می فرستد , است, اما نه مانند تبادل دهنده گرمایی اول , در اینجا دوسیال اجازه می یابند با هم تماس داشته باشند و در نتیجه مقداری ار آب توسط تبخیر کم می شود.

برجهای خنک کن هرگز قادر به کاهش دمای آب ناخالص تا پایینتر از دمای حدی هوا نیستند بطوریکه کارآیی کندانسور و ازآنجا کارآیی تمام نیروگاه در مقایسه با یک سایت ساحلی کاهش می یابد. همچنین ساختمان برجهای خنک کن قیمت کلی ساختمان و بنای نیروگاه را افزایش می دهد.

احتیاج برای خنک کردن آب یک فاکتور مهم در انتخاب سایت نیروگاهی زغالی , نفتی و هسته ای است. یک سایت که مناسب است برای یک نیروگاه که از یک نوع سوخت استفاده می کند بناچار مناسب نیست برای یک نیروگاه که ار نوع دیگری سوخت استفاده می کند.

نیروگاه های ذغال- سوختی ( Coal-Fired Power Stations )

پیش از این نیروگاه های سوخت ذغال سنگ نزدیک باری که آنها نامین میکردند ساخته می شدند. یک نیروگاه خروجی 2GW , درحدود 5 میلیون تن ذغال در سال مصرف میکند. در بریتانیا : که بیشتر ذغال نیروگاه توسط ریل حمل میشود : , این نشان میدهد , یک مقدار متوسط در حدود 13 ترن در روز را که هرکدام 1000تن را حمل میکنند . این یعنی اینکه نیروگاه های ذغال- سوختی به یک ریل متصل نیاز دارند مگر اینکه نیروگاه درست در دهانه معدن ( بسیار نزدیک به معدن ) ساخته شود.

نیروگاه های نفت- سوختی ( Oil-Fired Power Stations )

سوخت نفتی نیروگاه میتواند مشتق بشود به نفت خام که نفتی است هنگامیکه از چاه بیرون می آید, و نفت باقیمانده که باقی می ماند هنگامیکه بخشهای قابل دسترس استخراج بشوند در تصفیه نفت. قیمت انتقال نفت توسط خطوط لوله کمتر از انتقال ذغال سنگ با ریل است, اما حتی همان نیروگاههای سوخت نفت خام هم اغلب در نزدیکی اسکله ها و لنگرگاه های با آب عمیق که برای تانکرهای اندازه متوسط (تانکرهای حمل و نقل سوخت) مناسب است , واقع میشوند. نفت باقیمانده نیرگاههای سوختی احتیاج دارد در نزدیکی تصفیه خانه که آنها را تامین می کند واقه شوند. این بدلیل است که نفت باقیمانده بسیار چسبناک است و میتواند فقط منتقل بشود در میان خطوط لوله بطور اقتصادی اگر آن گرم نگه داشته بشود.

نیروگاه های هسته ای ( Nuclear Power Stations )

در مقابله با ذغال سنگ و نفت , ارزش انتقال سوخت هسته ای ناچیزاست بدلیل مقداراستعمال خیلی کم. یک نیروگاه 1GW درحدود 41/2 تن اورانیوم در هرهفته نیاز دارد. این مقایسه میشود بطور بسیار مطلوب با 50000نت سوخت که در یک هفته در نیروگاه ذغال- سوختی سوزانده میشد. نیروگاه های هسته ای در حال حاضر تقریبا آب خنک بیشتری درمقایسه با نیروگاه های ذغال- سوختی و نفت- سوختی استفاده میکنند , بعلت کارایی و بازده پایین آنها. همه نیروگاه های هسته ای در بریتانیا , با یک چشم داشت, در ساحل واقع می شوند و از آب خنک دریا استفاده میکنند.

نیروگاه های برق- آبی ( Hydroelectric Power Stations )

نیروگاه های برق- آبی باید جایی واقع شوند که دهانه آب دردسترس هست , و نظربه اینکه این اغلب در مناطق کوهستانی است , آنها ممکن است به خطوط انتقال طولانی برای حمل توان به نزدیک ترین مرکز یا پیوستن به شبکه نیاز داشته باشند. همه طرحهای برق- آبی به دو فاکتور اساسی وابسته هستند : یکی جریان آب و یکی اختلاف در سطح یا دهانه. نیاز دهانه ممکن است فراهم بشود بین یک دریاچه و یک دره باریک, یا توسط ساختن یک سد کوچک در یک رودخانه که جریان را منحرف میکند به سمت نیروگاه, یا توسط ساختن یک سد مرتفع در مقابل یک دره برای ساخت یک دریاچه مجازی.

نیروگاههای برق

تاثیر خواص تولید و انتقال

چهار خاصیت منبع الکتریسیته وجود دارد که یک تاثیر عمیق روی موضوعی که منهدسی میشود دارد. آنها بصورت زیر هستند :

1- الکتریسیته, نه مانند گاز و آب, نمیتواند ذخیره بشود و تهیه کننده کنترل کوچکی بر بار در هر زمانی دارد. مهندسان کنترل تلاش می کنند برای نگهداری خروجی ژنراتورها متناسب با با ر متصل شده در ولتاژ و فرکانس مخصوص.

2- یک افزایش متناوب در تقاضا برای توان وجود دارد. اگرچه در بسیاری از کشورهای صنعتی سرعت افزایش در سالهلی اخیر کاهش پیدا کرده است, حتی سرعت معتدل مستلزم کتسردگیها و افزایشات عظیم در سیستم های موجود است.

3- توزیع و طبیعت سوخت دردسترس. این جنبه هست جالبتر هنگامیکه ذغال سنگ اسخراج میشود در مناطقی که لروما مراکز بار اصلی نیستند : توان برق-آبی معمولا دور از مراکز بار بزرگ است. مشکل فواصل انتقال و سایت کردن(انتخاب کردن محل برای نیروگاه) نیروگاه یک تجربه مبهم و مورد بحث در اقتصاد است. استفاده عظیم انرژی هسته ای بسوی اصلاح الگوی تغذیه موجود متمایل خواهد شد.

4- در سالهای اخیر ملاحظات منابع طبیعی و محیطی عمده اهمیت و تاثیر سایتینگ, هزینه ساختار,وعملکرد کارخانجات تولیدی را بعهده گرفته است. همچنین طراحی تحت تاثیر واقع میشود بدلیل تاخیرات در شروع پروژه ها بخاطر مراحل قانونی که باید طی شوند. از مهمترین خواص در زمان حاضر ضربه زیست محیطی کارخانجات هسته ای است, خصوصا راکتور افزاینده سریع پیشنهاد شده.

تبدیل انرژی با بکارگیری بخار

احتراق ذغال یا نفت در بویلرها بخار را در بالاترین دما و فشار که به توربینهای بخاری میرود تولید میکند. نفت مزایای اقتصادی دارد هنگامیکه آن میتواند پمپ شود از تصفیه خانه به داخل خطوط لوله مستقیما بسمت بویلرهای نیرگاه. استفاده ازنتیجه انرژی شکافت هسته ای بطور افزاینده در تولید برق دراد کسترش می یابد: همچنین در اینجا اساس انرژی برای تولید بخار توربینها استفاده می شود. نوع جریان- محوری توربین بطور مشترک با چندین سیلندر در یک شافت استفاده می شود.

نیروگاه بخاری براساس سیکل رانکین عمل میکند , که آن(: سیکل رانکین) با سوپرهیتینگ: superheating , گرمایش تغیه آب : Feed-water heating و دوباره گرمایش بخار: steam reheating اصلاح شده است. کارایی گرمایی افزایش یافته, استفاده از بخار در بالاترین دما و فشار ممکن را نتیجه میدهد. همچنین برای توربینها ساختار اقتصادی , اندازه بزرگ و هزینه کلی کم میباشد. بعنوان یک نتیجه در حال حاضر توربوژنراتور500MW و بیشتر دارد استفاده میشود. با استفاده از توربینهای با ظرفیت 100MW و بیشتر , کارآیی توسط دوباره گرمایش بخار بعدازاینکه آن اندکی توسط یک گرم کننده خارجی منبسط شود, افزایش می یابد. سپس بخار دوباره گرم شده بداخل توربین که در مرحله نهایی بارگذاری منبسط می شود , برگشت داده میشود.

شکل1-2

- شکل ها در متن انگلیسی مقاله مجود می باشد

یک دیاگرام از یک نیروگاه ذغال- سوختی در شکل 1-2 نشان داده شده است. در شکل 2-2 , جریان انرژی در یک نیروگاه بخاری مدرن نشان داده شده است. باوجود مزایای دائم در طراحی بویلرها و در توسعه مواد بهبود یافته, طبیعت چرخه بخار آنچنان است که کارآییها نسبتا کم هستند و مقادیر وسیع گرما در مرحله میعان ( در کندانسور ) بهدر می رود. به هرحال مزیتهای بزرگ در طراحی و مواد در سالهای اخیر کارآیی های دمایی و حرارتی نیروگاههای ذغالی را در حدود 40 درصد افزایش داده است.

شکل2-2

در نیروگاه های ذغال- سوختی , ذغال سنگ به یک کارخانه جداسازی ذغال از سنگ حمل میشود وخورد می شود به و به ظرافت ساییده میشود. سوخت ساییده و پودر شده به داخل بویلر دمیده می شود بطوریکه با هوا برای احتراق مخلوط می شود. خروجی از توربین فشار ضعیف سرد میشود برای شکل گرفت عمل معیان توسط عبور از میان میعان کننده(کندانسور) وسط مقادیر زیاد آب دریا یا رودخانه, درجاییکه امکان سرد کردن توسط برجهای خنک کن وجود ندارد.

بویلرها در بستر جریانی

برای ذغالهای نوعی , گازهای احتراق شامل 2/0 - 3/0 درصد اکسیدسولفور بر حجم می باشند. اگر سرعت جریان گاز در میان بستر دانه ای یک بویلر نوع بزرگ افزایش می یابد کشش گرانش متعادل می شود توسط نیرری بسمت بالای گاز و بستر سوخت روی خاصیت یک سیال می رود. در یک پیمایش سایش این گرمای خروجی و دما را افزایش میدهد. خاکستر شکل گرفته جوش می خورد و بصورت کلوخ در می آید و ته نشین می شود بداخل صافی و به داخل چاه خاکستر برده می شود. بستر به دمای خاکستر سوزی(زینتر کردن خاکستر) در حدود 1050 - 1200 درجه سانتیگراد محدود می شود. احتراق ثانویه در بالای بستر جاییکه که گازCO به گازCO2 میسوزد و H2S به SO2 تبدیل می شود , اتفاق می افتد. این نوع از بویلر دستخوش بهبود وسیعی می شود و بدلیل تراز آلودگی کم و کارآیی بهتر جذاب است.

تبدیل انرژی با استفاده از آب

شاید قدیمی ترین شکل تبدیل انرژی استفاده از نیروی آب است. دریک نیروگاه برق-آبی انرژی با هزینه رایگان فراهم می شود. این چهره جذاب همواره تاحدی توسط هزینه کلی بسیار بالای ساختار خنثی شده است, خصوصا از منظر کارهای مهندسی عمران. بهرحال امروزه هزینه کلی به ازای کیلووات نیروگاههای برق-آبی با نوع بخاری نیروگاهها در مقایسه است. متاسفانه, شرایط جغرافیایی لازم برای تولید آبی بطور عادی یافت نمی شوند. در بیشتر کشورهای توسعه یافته منابع برق-آبی در دوردست استفاده می شوند.

یک راه حل برای استفاده مرسوم از انرژی آب , ذخیره پمپی است, که آب را قادر می سازد تا دروضعیتی که متمایل به طرحهای مرسوم نخواهد بود , استفاده بشود. بهره برداری از انرژی درجریانهای جذرومد در کانالها مدتها موضوع بحث و تفکر بوده است. مشکلات فنی و اقتصادی خیلی عظیم هستند و تعداد کمی محل وجود دارد که طرح در آنها عملی باشد. یک تاسیسات که از جریان جذرومد استفاده میکند در دهانه رود لارنس در شمال فرانسه که رنج ارتفاع جذرومد 2/9 متر است و جریان جذرومد 18000مترمکعب بر ثانیه تخمین زده می شود, قرار دارد.

قبل از بحث در مورد انواع توربینها , یک توضیح خلاصه بر روشهای کلی عملکرد نیروگاههای برق-آبی داده خواهد شد. اختلاف عمودی بین مخزن بالایی و تراز توربینها باعنوان هد(head یا دهانه) شناخته میشود. آب ریزان از میان این دهانه انرژی جنبشی که پس از آن به تیغه های توربین می رسد را ایجاد و تقویت می کند.

در زیر 3 نوع اصلی از تاسیسات آورده شده است :

1- دهانه بلند یا ذخیره بلند - منطقه ذخیره سازی یا منبع بصورت نرمال در بالای 400 h میریزد.

2- دهانه متوسط یا حوضچه ای - ذخیره در 200-400 h میریزد.

3- حرکت رودخانه ای( Run of River ) - مخزن در کمتر از 2 h میریزد ارتفاع دهانه آن بین 3 تا 15 متر است. یک دیاگرم برای نوع سوم در شکل 3-2 نشان داده شده است.

در ارتباط و هماهنگی با این ارتفاعات و دهانه مختلف که در بالا آورده شد , توربینها از انواع خاصی از توربین هستند. آنها بصورت زیر هستند:

1- پیلتون. این برای دهانه های بین 1840 - 184 متر استفاده می شود و شامل یک سطل چرخ رتور با نازل جریان تعدیل پذیراست.

2- فرانسیس. که برای دهانه های بین 490- 37 متر استفاده می شود و از انواع جریان مخلوط است.

3- کاپلن. که برای نیروگاههای جریان-رودخانه ای و حوضچه ای با دهانه های بالای 61 متر استفاده می شود. این نوع این نوع یک روتور محور- جریانی با گام تیغه های متغیر ( تیغه های گام - متغیر ) است.

شکل3-2

منحنی های بازده برای هر توربین در شکل 4-2 نشان داده شده است. هنگامیکه کارآیی به دهانه آب که دائما در نوسان است بستگی دارد, اغلب آب مصرفی در مترهای مکعب به ازای کیلووات ساعت استفاده می شود و به دهانه آب ارتباط دارد. کارخانه برق-آبی توانایی شروع سریع را دارد و در زمان تعطیلی متضرر نمی شود. بناراین آن مزیتهای بزرگی دراد برای تولید در برخورد با پیک بارها در کمترین هزینه, در عطف با نیروگاه حرارتی یا گرمایی. با استفاده از کنترل ازراه دور جایگاههای آبی, زمان مورد نیلز از زمان راهنمایی و هدایت برای راه اندازی تا رسیدن به یک اتصال واقعی به شبکه قدرت میتواند تا کمتر از 2 دقیقه کوتاه شود.

شکل4-2

توربینهای گازی

استفاده از توربین گازی بعنوان یک محرک اصلی مزیتهای خاصی را بر کارخانه بخار دارد , اگرچه با گردش نرمال آن از نظر اقتصادی درعملکرد کمتر اقتصادی است. مزیت اصلی در توانایی برای راه اندازی و بارگذاری سریع نهفته است. از این رو توربین گازی برای استفاده بعنوان یک روش برای رسیدگی کردن به پیکهای بار سیستم بکارمی آید. یک استفاده بیشتر برای این نوع از ماشین , استفاده بعنوان متعادل کننده یا جبران کننده سنکرونیزم برای کمک به ترازهای ولتاژی ناخواسته و اتفاقی است. حتی در زمینه های اقتصادی بطور محتمل آن مفید است در برخورد با پیک بارها توسط راه اندازی توربینهای گازی از حالت سرد برای 2 دقیقه نسبت به گردش کارخانه یدکی ( اضافی ) بطور پیوسته.

 تهیه و ترجمه : مهندس حبیب کرمی پور