معرفی سیکل توربین بخار و اصل کار آن

اساساً توربین‌های بخار موتورهایی هستند که گرمای بخار تحت فشار را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند.

مسیر بخار، توربین انرژی حرارتی را از طریق یکسری مراحل به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند که تکانه بخار در حال انبساط را جذب می‌کند.

از این تکانه‌ها و واکنش‌ها برای به حرکت درآوردن شفت استفاده می‌شود که برای تولید برق به ژنراتور متصل است.

چرخه رانکین، عملکرد سیکل توربین بخار را توصیف می‌کند.

چرخه رانکین یک چرخه ترمودینامیکی ایده آل از یک موتور حرارتی فشار ثابت است که بخشی از گرما را به کار مکانیکی تبدیل می‌کند.

در این مقاله به بررسی سیکل توربین بخار، اجزای اصلی آن، اصل کار سیکل توربین بخار، انواع سیکل توربین بخار در چرخه رانکین، کاربردها و مزایای استفاده از سیکل توربین بخار در چرخه رانکین خواهیم پرداخت.

1# سیکل توربین بخار چیست؟

چرخه رانکین مورد استفاده در توربین‌های بخار، یکی از مهمترین راه‌ها برای تبدیل انرژی حرارتی در مقیاس بزرگ به نیرو است.

به عنوان مثال در این رابطه می‌توان به نیروگاه‌های هسته‌ای و زغال سنگ اشاره کرد.

این چرخه به ترتیب شامل گرمایش و همچنین گرمایش مجدد برای جلوگیری از تراکم در توربین فشار قوی و توربین فشار پایین است.

این چرخه همچنین با عبور بخار استخراج شده از گرمکن‌های آب، بازسازی می‌شود تا آب گرم شده و کارایی چرخه بهبود یابد.

چرخه رانکین که به عنوان چرخه بخار رانکین نیز شناخته می‌شود، فرآیندی است که به صورت گسترده توسط نیروگاه‌هایی مانند نیروگاه‌های زغال سنگ استفاده می‌شود.

سیال عامل در چرخه رانکین تغییر فاز از حالت مایع به فاز بخار و بالعکس خواهد داد.

در حالی که بسیاری از مواد را می‌توان به عنوان سیال عامل در چرخه رانکین (غیر آلی یا حتی آلی) استفاده کرد، آب به دلیل خواص مطلوبی که دارد، همانند:

• خواص شیمیایی غیرسمی و غیرواکنشی
• فراوانی
• هزینه کم
• خواص ترمودینامیکی آن

معمولاً سیال انتخابی است.

به عنوان مثال، آب، بالاترین گرمای ویژه را در بین هر ماده معمولی دارد. (4.19 کیلوژول بر کیلوگرم)

علاوه بر این، گرمای تبخیر بسیار بالایی دارد که آن را به یک خنک کننده و واسطه مؤثر در نیروگاه‌های حرارتی و سایر صنایع انرژی تبدیل می‌کند.

1-1# مشخصات سیال عامل در سیکل توربین بخار

در این چرخه، آب مورد استفاده به عنوان سیال عامل دارای مشخصات ترمودینامیکی زیر است:

• وزن مولکولی: 0.018 کیلوگرم بر مول
• نقطه جوش: 101.325 کیلوپاسکال (100 درجه سانتی‌گراد)
• نقطه انجماد: 273.15 کلوین (0 درجه سانتی‌گراد)
• نقطه سه‌گانه: 611.657 کیلوپاسکال (273.16 کلوین)
• نقطه بحرانی: 22.06 مگاپاسکال (647.1 کلوین)
• گرمای نهان: حدود 2260 کیلوژول بر کیلوگرم
• گرمای ویژه: 4.18 کیلوژول بر کیلوگرم در کلوین

2-1# کلاس توربین بخار

توربین‌های بخار عمدتاً توربین‌های محوری چند مرحله‌ای هستند.

بسته به این که چگونه انبساط بین استاتور و روتور تقسیم می‌شود، آنها را می‌توان به دو کلاس بزرگ دسته بندی کرد:

• توربین‌های ضربه‌ ای که در آنها هرگونه انبساط سیال در پره‌ها یا نازل‌های ثابت، بالادست چرخ انجام می‌شود و در این حالت، فشارهای بالادست و پایین دست روتور برابر است.
• توربین‌های واکنشی که در آن انبساط سپس به صورت مساوی بین نازل و چرخ توزیع می‌شود.

هر یک از این دو نوع توربین دارای مزایا و معایب خاص خود هستند.

به عنوان مثال، توربین‌های ضربه‌ای عموماً برای مراحل سر توربین چند مرحله‌ای یا برای واحدهای با ظرفیت کوچک استفاده می‌شوند، این در حالی است که توربین‌های واکنشی به شکلی متناسب با توربین‌های فشار پایین سازگار هستند.

2# اجزای اصلی سیکل توربین بخار

اجزای اصلی سیکل توربین بخار در چرخه رانکین به صورت زیر است:

• پمپ: یک پمپ برای فشرده کردن سیال به فشار بالا استفاده می‌شود.
  آنها می‌توانند پمپ‌های گریز از مرکز در کاربردهای صنعتی باشند.
  آب به عنوان مایع اشباع وارد پمپ می‌شود و فشرده می‌گردد.
• دیگ بخار: بویلرها معمولاً مانند نیروگاه‌های حرارتی مبدل‌های حرارتی هستند.
  مایع فشرده شده، وارد دیگ بخار می‌شود تا به بخار فوق گرم تبدیل شود.
  سیال فشرده تا دمای نهایی خود (نقطه جوش) گرم می‌شود که باعث تغییر فاز آن از مایع به بخار می‌شود.
• توربین: انبساط بخار در توربین رخ خواهد داد.
  توربین‌ها یا توربین‌های بخار، ماشین‌هایی هستند که از بخار تحت فشار برای تولید کار مکانیکی استفاده می‌کنند.
  بخار فوق گرم وارد شده به توربین منبسط می‌شود و شفت را می‌چرخاند تا شرایطی را ایجاد کند که برق تولید می‌کند.
• کندانسور: چگالش بخار در کندانسور جایی است که گرمای هدر رفته به سمت هیت سینک نهایی (اتمسفر یا حجم بزرگی از آب) هدایت می‌شود.
  کندانسور دارای مجموعه ای از لوله‌ها است که یک محیط خنک کننده آن را احاطه کرده است.
  بسته به محل قرارگیری نیروگاه، محیط خنک کننده ممکن است، هوا یا آب باشد.
  بخار در حالت بخار مایع اشباع با فشار ثابت متراکم می‌شود و گرما به یک محیط خنک کننده دفع می‌شود.

نیروگاه‌ها در مناطقی که منبع آب محدود است با هوا خنک می‌شوند.

این روش خنک ‌سازی، خنک‌ کننده خشک نامیده می‌شود که در موتور خودروها استفاده می‌شود.

1-2# سایر اجزای سیکل توربین بخار

از جمله سایر اجزای سیکل توربین بخار می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• مخزن آب تغذیه: میعانات را از کندانسور برای برگشت از طریق پمپ تغذیه به دیگ جمع آوری می‌کند.
• فلومتر: برای آب خنک کننده کندانسور، امکان اندازه گیری دفع حرارت از کندانسور را فراهم می‌کند.
• دماسنج دیجیتال: وضوح 0.1 درجه سانتی گراد، با کلید انتخاب چند جهته برای تمام دماهای مربوطه ایجاد خواهد شد.
• گیج‌های فشار: برای تمام فشارهای مربوط به سیستم استفاده می‌شود.
• سرعت سنج توربین: شامل صفحه نمایش دیجیتال و قطع سرعت بیش از حد است.
• بار ترمز توربین: دارای نشانگر دیجیتال است.

گرمای زیاد تبخیر توسط سیال، کارایی چرخه رانکین را محدود می‌کند.

گرمای زائد به صورت بخار آب با متراکم شدن آب در کندانسور آزاد می‌شود که در برج‌های خنک کننده نیروگاه منتشر می‌شود.

این گرمای تلف شده در هر سیکل ترمودینامیکی مورد نیاز است.

فشار در خروجی توربین در نتیجه این مرحله تراکم کاهش می‌یابد.

این بدان معنا است که پمپ باید کمتر کار کند تا آب را فشرده کند و در نتیجه بازده کلی بالاتری دارد.

3# اصل کار سیکل توربین بخار

در یک سیکل توربین بخار در چرخه رانکین ایده آل، سیستمی که چرخه را اجرا می‌کند، تحت تأثیر یکی از چهار فرآیند زیر قرار می‌گیرد: دو فرآیند ایزنتروپیک (آدیاباتیک برگشت پذیر) متناوب با دو فرآیند ایزوباریک که در ادامه بررسی خواهیم کرد.

1-3# فشرده سازی ایزنتروپیک (فشرده سازی در پمپ های گریز از مرکز)

میعانات مایع به صورت آدیاباتیک از حالت 1 تا حالت 2 توسط پمپ‌های گریز از مرکز (معمولاً توسط پمپ‌های میعانات و سپس توسط پمپ‌های آب تغذیه) فشرده می‌شوند.

میعانات مایع از کندانسور به دیگ با فشار بالاتر پمپ می‌شوند.

در این فرآیند، محیط اطراف روی سیال کار می‌کند و آنتالپی آن را افزایش می‌دهد (h = u + pv) و آن را فشرده می‌کند. (فشار آن را افزایش می‌دهد.)

از سوی دیگر، آنتروپی بدون تغییر باقی می‌ماند.

کار مورد نیاز برای کمپرسور توسط فرمول W _Pumps = H ₂ – H ₁ تعیین خواهد شد.

2-3# افزودن حرارت ایزوباریک (در مبدل حرارتی – دیگ بخار)

در این مرحله، انتقال حرارت با فشار ثابت به میعانات مایع از یک منبع خارجی وجود دارد؛ زیرا محفظه برای جریان به داخل و خارج باز است.

آب تغذیه (مدار ثانویه) تا نقطه جوش (2 → 3a) آن سیال گرم و سپس در دیگ بخار (3a → 3) تبخیر می‌شود.

گرمای خالص اضافه شده توسط فرمول Q _add = H ₃ – H ₂ به دست می‌آید.

3-3# انبساط ایسنتروپیک (انبساط در توربین بخار)

بخار از دیگ بخار به صورت آدیاباتیک از حالت 3 به حالت 4 در یک توربین بخار منبسط می‌شود تا کار تولید کند و سپس به کندانسور تخلیه می‌شود. (تا حدی نیز متراکم خواهد شد.)

بخار روی محیط اطراف (پره ‌ای توربین) کار می‌کند و مقدار آنتالپی برابر با کاری که از سیستم خارج می‌شود را از دست خواهد داد.

کار انجام شده توسط توربین با فرمول  W _T = H ₄ – H ₃ مشخص می‌شود. دوباره آنتروپی بدون تغییر باقی خواهد ماند.

4-3# دفع حرارت ایزوباریک (در مبدل حرارتی)

در این مرحله، چرخه با یک فرآیند فشار ثابت که در آن گرما از بخار نیمه متراکم دفع شده، تکمیل می‌شود.

انتقال حرارت از بخار به آب خنک کننده‌ای است که در مدار خنک کننده جریان دارد.

بخار متراکم می‌شود و دمای آب خنک کننده افزایش می‌یابد.

گرمای خالص دفع شده توسط فرمول Q _re = H ₄ – H ₁ تعیین خواهد شد.

در طول یک چرخه رانکین، کار پمپ‌ها روی سیال بین حالت‌های 1 و 2 یعنی فشرده سازی سنتروپی انجام می‌شود.

سیال بین مراحل 3 و 4 یعنی انبساط سنتروپی i در توربین کار می‌کند.

تفاوت بین کار انجام شده توسط سیال و کار انجام شده روی سیال، شبکه تولید شده توسط چرخه است.

سیال کار در یک چرخه رانکین از یک حلقه بسته پیروی می‌کند و دائماً مورد استفاده مجدد قرار می‌گیرد.

در یک چرخه رانکین ایده آل، پمپ و توربین ایزنتروپیک خواهند بود.

چرخه واقعی قدرت بخار با چرخه ایده آل رانکین به دلیل برگشت ناپذیری در اجزای ذاتی حاصل از اصطکاک سیال و از دست دادن گرما به محیط اطراف، متفاوت است.

اصطکاک سیال باعث افت فشار در دیگ، کندانسور و لوله کشی بین اجزا می‌شود و در نتیجه بخار با فشار کمتری از دیگ خارج می‌شود.

تلفات حرارتی خروجی خالص کار را کاهش می‌دهد، بنابراین برای حفظ همان سطح خروجی کار خالص، افزودن گرما به بخار در دیگ لازم است.

4# انواع سیکل توربین بخار در چرخه رانکین

راندمان ترمودینامیکی سیکل رانکین را می‌توان با افزایش گرمای ورودی به چرخه افزایش داد.

این امر را می‌توان با افزایش دما برای تغییر فاز بخار به بخار فوق العاده گرم انجام داد.

تغییرات زیادی همانند این وجود دارد که سعی در افزایش بازده ترمودینامیکی چرخه دارد.

در این بخش برخی از انواع سیکل توربین بخار طراحی شده برای افزایش بازده حرارتی سیکل آورده شده است.

1-4# چرخه رانکین با گرم کردن مجدد

گرم کردن مجدد، رطوبت حمل شده توسط بخار را در مراحل پایانی فرآیند انبساط در چرخه حذف می‌کند.

با این طراحی چرخه، توربین‌های بخار برای انجام کار به صورت سری نگه داشته می‌شوند.

در این بخش به بررسی مختصری از نحوه عملکرد این چرخه خواهیم پرداخت که عبارت اند از:

1. بخار پرفشار دیگ بخار وارد اولین توربین می‌شود.
2. بخار به دیگ منتقل و دوباره گرم می‌شود.
3. توربین دوم در فشار کم است که این بخار گرم شده دوباره به سمت آن جریان می‌یابد.

هدف از چرخه رانکین با گرم کردن مجدد، افزایش میانگین دمای بخار در چرخه است.

گرم کردن مجدد بخار از طریق یک مرحله دیگر، راندمان چرخه را فقط نصف مرحله قبل بهبود می‌بخشد.

مزایای چرخه رانکین گرم کردن مجدد به صورت زیر خواهد بود:

• باعث بهبود راندمان حرارتی چرخه به دلیل متراکم شدن بخار در حین انبساط و کاهش آسیب به پره‌های توربین می‌شود.
• با در نظر گرفتن کل ورودی کار، کل خروجی کار توربین را افزایش می‌دهد.

معایب چرخه رانکین گرم کردن مجدد نیز به صورت زیر خواهد بود:

• این چرخه‌ها نیاز به راه اندازی لوله کشی طولانی دارند.
  از این رو، هزینه‌های بالای نصب اولیه با هزینه‌های بالای نگهداری همراه است.
• با گرم شدن مجدد، اندازه کندانسور ممکن است افزایش یابد.

2-4# چرخه رانکین احیا کننده

در این چرخه، مایع سرد شده از کندانسور توسط بخار محبوس شده در قسمت داغ چرخه با استفاده از یک احیاگر گرم می‌شود.

این فرآیند با یک مایع مخلوط می‌شود تا آن را به مایع اشباع تبدیل کند.

بنابراین، این فرآیند به عنوان بازسازی و چرخه، چرخه رانکین احیاکننده نامیده می‌شود.

فرآیند بازسازی با حذف گرمای افزوده شده از دیگ که معمولاً در یک چرخه معمولی رانکین وجود دارد، دمای ورودی گرمای چرخه را افزایش می‌دهد.

همانگونه که جریان گرما در چرخه در دمای بالا اتفاق می‌افتد، راندمان چرخه افزایش خواهد یافت.

مزایای چرخه احیاکننده به صورت زیر خواهد بود:

• با کاهش دامنه دمای کاری بخار در این چرخه، تنش‌های دمایی نیز کاهش می‌یابد.
• فرسایش توربین به دلیل ماهیت سیال کار کاهش می‌یابد.

معایب چرخه بازسازی نیز عبارت اند از:

• میزان بخار به دلیل کاهش کار انجام شده در دیگ به دلیل وجود احیا کننده افزایش می‌یابد.
• هزینه بالایی برای نیروگاه به دلیل اجزای بزرگتر به دنبال ماهیت فرآیند چرخه وجود خواهد داشت.

3-4# چرخه رانکین ارگانیک یا آلی

چرخه رانکین آلی که با نام ORC نیز شناخته می‌شود، یک چرخه ترمودینامیکی است که از مایعات آلی مانند تولوئن یا پنتان به جای آب و بخار استفاده می‌کند.

این سیالات دارای جرم مولکولی بالا با دمای تبخیر بالاتر از آب هستند.

این امر، امکان استخراج گرما از یک منبع با دمای پایین مانند یک حوضچه خورشیدی، احتراق زیست توده یا گرمای زمین گرمایی را فراهم می‌کند.

مزایای چرخه رانکین ارگانیک عبارت اند از:

• نیازی به گرمایش فوق العاده نیست، بنابراین سیستم تصفیه آب سیال وجود نخواهد داشت.
• دما و فشار ورودی توربین کم خواهد بود.

معایب چرخه رانکین ارگانیک نیز به صورت زیر خواهند بود:

• ORCها توان کمتری نسبت به یک چرخه معمولی در شرایط کاری یکسان تولید می‌کنند.
• سیالات آلی مورد استفاده برای این چرخه قابل احتراق هستند. یک نشتی کوچک می‌تواند، منجر به خطرات زیست محیطی شود.

4-4# چرخه رانکین فوق بحرانی

در یک چرخه رانکین فوق بحرانی، گرما به یک سیال فوق بحرانی با فشار بالا منتقل شده و سپس به فاز فوق بحرانی تبدیل می‌شود.

سیال در این فاز به یک توربین فرستاده شده، در آنجا منبسط می‌شود و به تولید برق کمک می‌کند.

بخار مورد استفاده به عقب فرستاده خواهد شد تا به مایع تبدیل شده و در طول چرخه بازیافت شود.

سیال فوق بحرانی که معمولاً به عنوان SCF شناخته می‌شود، سیالی است در دما و فشار بالاتر از نقطه بحرانی خود.

این نقطه ای است که مایع و گاز همزمان با هم وجود ندارند.

این مایعات توسط نوعی دریچه گرمایی روی زمین یافت می‌شوند.

مزایای چرخه رانکین فوق بحرانی به صورت زیر هستند:

• راندمان چرخه از همه چرخه‌های دیگر بیشتر است.
• خروجی توربین نیز از کیفیت بالایی برخوردار است.

معایب چرخه رانکین فوق بحرانی نیز به شرح زیر خواهد بود:

• دیگ‌های معمولی ممکن است، دما و فشار بالا را تحمل نکنند.
  از این رو، دیگ مخصوص باید ساخته شود.
• به همین دلیل، هزینه کلی افزایش خواهد یافت.

5# کاربردهای چرخه رانکین

در این بخش به بررسی کاربردهای عملی سیکل توربین بخار در چرخه رانکین خواهیم پرداخت:

• چرخه رانکین با گرم کردن مجدد در نیروگاه‌هایی که روی سیالات در فشار فوق بحرانی کار می‌کنند، برای تولید نیرو استفاده می‌شود.
• چرخه رانکین احیاکننده با تغییرات کوچک در حال حاضر در نیروگاه‌های حرارتی مانند نیروگاه‌های هسته ای استفاده می‌شود.
• ORC در صنایع مختلفی مانند موارد زیر استفاده می‌شود:
  • نیروگاه‌های بازیابی حرارت زباله
  • نیروگاه‌های زیست توده
  • نیروگاه‌های زمین گرمایی
  • نیروگاه‌های حرارتی خورشیدی
  • ایستگاه‌های انرژی گرمایی بادی
• چرخه‌های رانکین فوق بحرانی در کاربردهای توان متوسط ​​مانند نیروگاه‌های فوق بحرانی استفاده می‌شوند؛ به عنوان مثال:
  • نیروگاه فیلو در اوهایو
  • اکثر نیروگاه‌های چینی با سوخت زغال سنگ

6# سیکل توربین بخار واقعی در چرخه رانکین

یک سیکل واقعی رانکین یا سیکل غیر ایده آلی که در نیروگاه‌های واقعی استفاده می‌شود، به ترتیب تحت فشار و انبساط ایزنتروپیک توسط پمپ و توربین قرار نمی‌گیرد.

این فرآیندها در مقایسه با چرخه ایده آل برگشت ناپذیر هستند و در آنها احتمال افزایش آنتروپی وجود دارد.

سیکل واقعی، دارای افت فشار در کندانسور و دیگ بخار است؛ در حالی که فرآیندهای برگشت ناپذیری در پمپ و توربین نسبت به سیکل واقعی وجود دارد.

این شرایط باعث افزایش توان مورد نیاز و کاهش توان تولیدی می‌شود.

7# مزایای سیکل توربین بخار در چرخه رانکین

از جمله مزایای عمده سیکل توربین بخار در چرخه رانکین این است که فرآیند فشرده سازی در پمپ، روی یک مایع انجام می‌شود.

با متراکم کردن بخار کار به یک مایع (داخل کندانسور) فشار در خروجی توربین کاهش می‌یابد و انرژی مورد نیاز پمپ تغذیه تنها 1 تا 3 درصد از توان خروجی توربین را مصرف می‌کند و این عوامل به بازده بالاتر برای سیکل توربین بخار می‌انجامد.