آشنایی با نیروگاه حرارتی (تولید برق حرارتی)

تولید برق یکی از نیازهای اساسی بشر است که با استفاده از نیروگاه های مختلف مثل نیروگاه حرارتی امکان پذیر شده است.

این نیروگاه همانطور که از اسمش پیداست برای تولید جریان برق موردنیاز از حرارت و سوخت استفاده می کند.

اگر شما هم به آشنایی با نیروگاه های حرارتی و تولید برق حرارتی علاقه دارید پس در ادامه این مقاله با ما همراه باشید.

1# نیروگاه چیست؟

برای تولید انرژی الکتریکی که یکی از انرژی های لازم برای زندگی ما انسان هاست، از انرژی های دیگر استفاده می شود.

در نیروگاه ها منابع مختلف مثل باد، آب، خورشید و گرما برای به وجود آوردن الکتریسیته مورد استفاده قرار می گیرند.

نیروگاه های آبی، بادی و حرارتی، توربین و ژنراتور دارند که باد، آب یا بخار، توربین را به حرکت در آورده و
سپس ژنراتور نیروی مکانیکی را به نیروی الکتریکی تبدیل می کند اما
در نیروگاه خورشیدی توربین وجود ندارد و انرژی دریافت شده از خورشید توسط سلول های فتوولتاییک، به الکتریسیته تبدیل می شود.

در ادامه به معرفی نیروگاه حرارتی خواهیم پرداخت.

2# نیروگاه حرارتی (Thermal Power Plant)

نیروگاه های حرارتی همان طور که از اسمشان پیداست با حرارت و گرما کار می کنند.

یعنی در این نیروگاه ها انرژی گرمایی توسط توربین به انرژی حرکتی و سپس توسط ژنراتور به نیروی الکتریکی تبدیل می شود.

در این نیروگاه ها گرما ابتدا توسط سوخت های فسیلی مثل زغال سنگ تولید می شود.

انرژی گرمایی تولید شده در واقع به شکل گاز یا بخار به توربین ها می رسد و
گاز یا بخار با برخورد به پره های توربین، باعث چرخش توربین می شود.

از آن جا که نیروگاه های حرارتی با سوخت های فسیلی کار می کنند در دسته نیروگاه های تجدید ناپذیر قرار می گیرند.

سوخت این نیروگاه ها می تواند زغال سنگ، گازوییل، مازوت، گاز طبیعی و یا انواع سوخت های جامد، مایع و گاز باشد.

همان طور که گفته شد، در نیروگاه های حرارتی سوخت را توسط یک سیکل قدرت به انرژی حرارتی، سپس انرژی مکانیکی و در نهایت به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند.

اکنون در ایران نیروگاه های حرارتی با ظرفیتی حدود 66 هزار مگاوات، تقریبا 80 درصد از کل نیروگاه ها را تشکیل داده اند اما
نمی شود از معایب این نیروگاه ها صرف نظر کرد.

درست است که تولید برق در نیروگاه های حرارتی برخلاف نیروگاه های آبی به شرایط اقلیمی بستگی ندارد اما
آسیب هایی که به محیط زیست وارد می کنند نباید فراموش شوند.

چرا که این نیروگاه ها با استفاده از سوخت های فسیلی سبب گرمایش زمین شده و
هم چنین دائما در حال تولید دود هستند که موجب آلوده شدن هوا می شوند.

علاوه بر این، آب مورد استفاده در این نیروگاه ها ممکن است وارد رودخانه ها شده و باعث آسیب رسیدن به موجودات زنده شود.

3# انواع نیروگاه حرارتی

انواع سیکل های قدرت شامل موارد زیر می شوند:

• (دیزلی) Diesel cycle
• (گازی) Brayton cycle
• (بخاری) Rankine cycle
• (برایتون + رنکین) Combined cycle

در ادامه به بررسی هر یک از انواع نیروگاه های حرارتی مهم و رایج در تولید برق حرارتی می پردازیم.

1-3# نیروگاه گازی (Gas Power Plant)

هوا توسط کمپرسور فشرده شده و به همراه سوختی که در تانک سوخت ذخیره شده است،
به عنوان تغذیه توربین گازی وارد محفظه احتراق (combustion chamber) می شود.

combustion chamber مانند محفظه احتراق موتور اتومبیل عمل می کند.

به این صورت که با ورود سوخت و هوای فشرده شده و عمل کردن igniter مخلوط مشتعل می شود.

هنگامی که احتراق صورت گرفت و دما به دمای طراحی رسید، گاز حاصل از سوختن (flue gas) با دمای بسیار زیاد وارد توربین گازی (GT) می شود و
توربین انرژی گرمایی را به حرکت تبدیل می کند.

توربین به یک شفت متصل به ژنراتور وصل است و ژنراتور از این حرکت انتقال یافته برق تولید می کند.

سپس flue gas از طریق دودکش خارج می شود.

2-3# نیروگاه بخاری (Steam Power Plant)

آب، درون یک بویلر گرم می شود و دما تا جایی بالا می رود که آب تبخیر شده و به صورت بخار در آید.

بخار توسط لوله هایی وارد توربین بخار شده و توربین انرژی حرارتی را به حرکت تبدیل می کند.

شفت ژنراتور که به توربین متصل است از کار توربین برق تولید می کند.

بخاری که از توربین خارج می شود وارد کندانسور شده و میعان می شود.

پس از آن، آب خارج شده از کندانسور توسط پمپ های مختلف هدایت می شوند و
در این مسیر پالایش های مختلفی روی این آب صورت می گیرد تا به شرایط مناسب سیکل برسد،
تا این که به مرحله اول بویلر وارد شود و سیکل ادامه پیدا کند.

3-3# نیروگاه سیکل ترکیبی (Combined Gas-Steam Power Plant)

نیروگاه سیکل ترکیبی، در واقع ترکیبی از نیروگاه های گازی و بخاری است.

ابتدا توربین گاز قرار می گیرد و بعد از آن توربین بخار.

عملکرد این نیروگاه ها به این صورت است که در ابتدا هوا توسط کمپرسور فشرده شده و
به همراه سوختی که در تانک سوخت ذخیره شده است به عنوان تغذیه توربین گازی وارد محفظه احتراق (combustion chamber) می شود.

1) نحوه عملکرد نیروگاه سیکل ترکیبی

combustion chamber مانند محفظه احتراق موتور اتومبیل عمل می کند.

به این گونه که با ورود سوخت و هوای فشرده شده و عمل کردن igniter مخلوط مشتعل می شود.

هنگامی که احتراق صورت گرفت و دما به دمای طراحی رسید گاز حاصل از سوختن (flue gas) با دمای بسیار زیاد وارد توربین گازی (GT) می شود و
توربین متصل به شفت ژنراتور به حرکت در می آید.

از این رو حرکت توربین باعث چرخش شفت ژنراتور شده و نیروی مکانیکی را به برق تبدیل می کند.

flue gas که دمای زیادی دارد، از طریق لوله هایی وارد قسمت ژنراتور مبدل بخار حرارت (HRSG – Heat Recovery Steam Generator) می شود.

HRSG از لوله های U شکل متصل به هم که دما و فشار در سرتاسر لوله یکسان نیست تشکیل شده که
آب با دمای پایین در آن ها در حرکت است.

دمای زیاد flue gas باعث تبخیر آب داخل لوله ها می شود و
این بخار از طریق لوله ها به drum های بالای لوله ها و سپس توسط لوله های مرتبط به توربین بخار (ST) وارد می شود.

مقداری از این بخار وارد لوله های Gland seal steam برای آب بندی توربین می گردد.

بخار وارد شده به توربین باعث تولید برق خواهد شد.

هم چنین flue gas عبوری از طریق دودکش هایی خارج می گردد.

بخاری که در ST برق تولید کرده است پس از خروج از توربین وارد محفظه کندانسور و سیستم های خنک کننده (cooling) می شود.

بخار در این قسمت ها کم دما شده و به مایع تبدیل می شود.

آبی که در این قسمت تشکیل شده دوباره وارد لوله های HRSG شده و این سیکل بسته ادامه می یابد.

2) انواع سیکل ترکیبی به اختصار

مطابق شکل زیر دو نوع سیکل ترکیبی برای نیروگاه حرارتی وجود دارد:

4# اجزای نیروگاه حرارتی

برای تولید برق حرارتی در هر یک از نیروگاه های حرارتی اجزای ثابتی وجود دارند که
انرژی حاصل از سوخت را به انرژی الکتریکی تبدیل کنند.

1. رودخانه یا کانال آب (River or Canal): مورد استفاده برای سیستم خنک سازی
2. پمپ آب گردشی (Circulating Water Pump): مورد استفاده برای ایجاد گردش آب از رودخانه به نیروگاه
3. کندانسور (Condenser): برای خنک کردن یا از بین بردن حرارت موجود در آب
4. هیتر (Heater): این تجهیز ممکن است متناسب با ظرفیت نیروگاه در فشار های پایین یا بالا مورد استفاده باشد و
   و باعث گرم شدن و تغییر فشار در آب موجود می شود.
5. اکونومایزر (Economizer): زمانی که فشار آب بالا برده می شود، حرارتی به صورت بخار و گاز در اطراف آن ایجاد می شود که
   در حالت عادی اتلاف خواهد شد.
   اکونومایزر از این اتلاف جلوگیری کرده و این حرارت را به بویلر می رساند.
6. دیگ بخار (Boiler): بخشی است که در آن سوخت اصلی مورد مصرف سوزانده شده و
   باعث گرم شدن آب می شود.
7. سوپر هیتر (Super heater): در این قسمت به آب گرم شده مجددا حرارت بالا داده می شود تا به بخار آب تبدیل شود.
8. توربین (Turbine): توربین همانطور که در بالاتر گفته شد بخش اصلی یک نیروگاه حرارتی است و
   در این مرحله بخار آب ایجاد شده که دارای انرژی حرارتی است باعث چرخش توربین شده و
   انرژی مکانیکی تولید می کند.
9. ژنراتور (Generator): بخش نهایی هر نیروگاه حرارتی ژنراتور است که
   انرژی مکانیکی حاصل از توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.

توجه داشته باشید که در نیروگاه های حرارتی گازی بخش های مرتبط با دریافت آب و مسیر تغییراتش تا ارسال آن به سوپر هیتر وجود نخواهد داشت و
این گاز حاصل از سوخت نیروگاه هاست که به خودی خود توربین را به چرخش در می آورد.

5# مزایا و معایب نیروگاه حرارتی

مزایا:

1. هزینه های ساخت نیروگاه حرارتی نصب به سایر انواع نیروگاه مثل برق آبی بسیار کمتر است.
2. فضای کوچکتری برای رسیدن به میزان مشخصی از توان تولیدی لازم است.
3. هزینه سوخت مورد استفاده در حال حاضر بسیار کمتر است.
4. قابلیت ساخته شدن در هر منطقه جغرافیایی را به شرط داشتن سوخت و منبع آب دارد.

معایب:

1. باعث اثرات مخربی بر محیط زیست مثل افزایش گرمای جهانی و اضافه شدن گازهای گلخانه ای به هوا می شود.
2. بازده این نوع نیروگاه عموما کمتر از %30 بوده که بسیار پایین است.
3. برای تبدیل آب به  بخار نیاز به منابع آبی بسیاری هست.
4. هزینه تعمیرات و نگهداری این نیروگاه بالا است.