منبع: کتاب صنعت برق ایران، حمیدرضا ناصری

آشنایی کلی

در حالت کلی «موتور بخار» یا «سیکل بخار» به یک سیکل تبدیل انرژی گرمایی به انرژی حرکتی گفته می‌شود که سیال فعال آن آب است. در اصطلاح تخصصی چنین سیکلی را «سیکل رانکین» می‌نامند. در بیشتر نیروگاه‌های بخار یا نیروگاه های رانکین آب به‌عنوان سیال عامل در نظر گرفته می‌شود زیرا آب فراوان، ارزان، غیرسمی و از نظر شیمیایی پایدار است. همچنین ظرفیت گرمایی آب نسبتاً بالا است و هنگامی که در مبدل حرارتی بویلر به بخار تبدیل می‌شود، انرژی نسبتاً زیادی در واحد جرم جذب می‌کند. این به آن معنا است که با مقدار کمتری از سیال عامل و با نیروگاه کوچک‌تری می‌توان به توان مورد نظر دست یافت. سیال عامل یعنی آب در بخشی از این سیکل به شکل گاز (بخار) و در بخشی دیگر از آن به شکل مایع آب است. در شکل 1 یک دیاگرام کلی از اجزای این سیکل دیده می‌شود.

در مرحله نخست آب سرد با فشار کم با عبور از پمپ آب تغذیه به آب سرد با فشار بالا تبدیل می‌شود. آب سرد با فشار بالا، پس از قرار گرفتن در معرض شعله‌های حاصل از احتراق سوخت‌هایی مانند گاز یا زغال‌سنگ، در مجموعه‌ای به نام بویلر (دیگ بخار) به بخار با فشار حجم بالا تبدیل می‌شود. در شکل 2 نمودار تغییرات فشار-حجم برای سیال آب در یک چرخه رانکین را مشاهده می‌کنید.

این بخار ضمن انبساط در توربین و گرداندن پره‌های آن یا پس راندن پیستون در موتور بخار و افزایش حجم، فشار خود را از دست می‌دهد ولی همچنان دمای آن بالا بوده و به شکل بخار است. در آخرین مرحله از این چرخه، بخار کم‌فشار با از دست دادن گرمای خود به مایع تبدیل شده و مجدداً به شکل آب سرد کم‌فشار به سمت پمپ تغذیه حرکت می‌کند.

نخستین نیروگاه‌های برق تجاری از نوع بخار و دارای موتورهای پیستونی (رفت و برگشتی) بودند، اما از سال‌های حدود ۱۹۰۵ کم‌کم مشخص شد که توربین‌های بخار که مستقیماً فشار بخار را به انرژی جنبشی بخار و انرژی جنبشی بخار را به چرخش پره‌های توربین تبدیل می‌کنند، کارایی بهتری دارند. همچنین می‌توان آن‌ها را تقریباً بدون هیچ محدودیتی بزرگ و بزرگ‌تر ساخت. صدای توربین‌ها کمتر از موتور پیستونی بوده و به دلیل یکنواختی عملکرد و ناچیز بودن ارتعاشات و ضربه‌ها، فرسایش کمتری دارند.

اجزای نیروگاه بخار

الف- بویلر

بویلر یا دیگ بخار در بسیاری از کاربردهای صنعتی وجود دارد و وظیفه آن انتقال حرارت از منبع حرارت (مثلاً شعله ناشی از احتراق سوخت) به آب و تبخیر کردن آن است. در نیروگاه‌های بخار نیز وظیفه تبدیل آب مایع با فشار بالا به بخار با فشار بالا بر عهده بویلر می‌باشد. انواع مختلفی از بویلر وجود دارد که انتخاب آن برای یک کاربرد خاص بستگی به پارامترهای متعددی از جمله دانش فنی در دسترس، شرایط ساختگاه، ظرفیت نیروگاه و مانند آن دارد.

اولین دسته‌بندی که می‌توان در مورد بویلرها قائل شد درباره نوع مواجهه شعله و آب است. از این دیدگاه دو نوع بویلر داریم: نوعی که به آن «لوله‌آتش» (فایر تیوب) می‌گویند و نوعی که به آن «لوله‌آب» (واتر-تیوب) گفته می‌شود. تفاوت این دو نوع کم و بیش از نام‌گذاری آن‌ها پیدا است. در نوع فایر-تیوب لوله‌هایی داریم که گازهای داغ از درون آن‌ها می‌گذرند. لوله‌ها از درون یک مخزن آب عبور می‌کنند و در نتیجه انتقال حرارت از جداره لوله‌ها به آب منجر به جوشیدن آب خواهد شد. در نوع واتر-تیوب آنچه از درون لوله‌ها گذر می‌کند کند آب است. آب در این نوع بویلر در اطراف لوله‌ها قرار دارد در حالی که انتقال حرارت شعله در اطراف لوله‌ها قرار دارد و حین عبور آب از داخل لوله‌ها انتقال حرارت صورت گرفته و بخار آب تشکیل می‌شود. در شکل 3 نمایی از دو گونه یادشده دیده می‌شود.

بسیاری از نیروگاه‌های بخار مدرن از بویلرهایی با ساختمان واتر-تیوب استفاده می‌کنند. در بالاترین قسمت این سازه استوانه‌ای بزرگ قرار دارد که به آن «درام» گفته می‌شود. در داخل درام آب جوشان قرار دارد. این آب از طریق لوله‌هایی که به آن‌ها پایین‌بر (دان کامر) می‌گوییم به سمت پایین بویلر حرکت کرده و سپس از طریق لوله‌های بالابر (رایزر) به سمت درام برمی‌گردد. درام هم وظیفه ذخیره آب و هم جداسازی آب و بخار از یکدیگر را به عهده دارد. در خروجی مسیر خروجی که از قسمت بالای درام است تجهیزات برای جلوگیری از خروج قطرات آب پیش‌بینی شده است. بخار خروجی از درام پیش از ترک بویلر و رفتن به سمت توربین‌ها با گذر از مجموعه لوله‌هایی که به آن‌ها «سوپر هیتر» می‌گوییم، به حداکثر دمای خود می‌رسند و در اصطلاح بخار «سوپرهیت» می‌شود. این موضوع از اهمیت فوق‌العاده‌ای برخوردار است، زیرا در اصطلاح بخار در این مرحله خشک می‌شود و بخار محتوی هیچ‌گونه قطرات آب نخواهد بود، چراکه حتی ریزترین قطرات آب در سرعت بسیار بالایی که بخار ورودی به توربین دارد می‌تواند آسیب قابل توجهی به پره‌های توربین وارد نماید. یک نمونه داخلی بویلر در شکل شماره 4 نشان داده شده است.

گونه ای دیگر از بویلرهای نیروگاه بخار که در نیروگاهی مانند نکا نیز به کار گرفته شده، بویلرهای “یک‌بار گذر” یا “وانستر” مشابه شکل 5 است. در این بویلرها درام وجود ندارد و آب مایع در هیچ بخشی از بویلر ذخیره نمی‌شود بلکه آب ورودی به بویلر پس از گذر از مجموعه‌ای از لوله‌ها و تماس با شعله تبخیر و سوپرهیت می‌گردد و بولر را ترک می‌کند. بویلرهای یکبار گذر قادر به تولید بخار در فشار و دمای بالای بالاتر نسبت به بویلرهای درام هستند. در نیروگاه‌های حرارتی، افزایش شرایط بخار (فشار و دما) می‌تواند باعث افزایش بهره‌وری در تجهیزات تولید برق شود و به اپراتور اجازه می‌دهد مصرف سوخت را کاهش دهد.

یک مسئله بسیار مهم درباره بویلر، کیفیت آبی است که در چرخه عملکرد نیروگاه به کار گرفته می‌شود. آبی که در سیکل رانکین به گردش در می‌آید باید در به اصطلاح “آب دیونیزه”، یعنی عاری از هرگونه سختی و خورندگی شیمیایی شده باشد. این موضوع به ویژه در درون بویلر که بیشترین دما و تقریبا بیشترین فشار وجود دارد؛ اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. وجود هرگونه مواد فعال شیمیایی مانند اسیدها و قلیاها حتی در مقدار اندک می‌تواند منجر به آسیب دیدگی جدی تجهیزات بویلر گردد. همچنین وجود سختی در آب می‌تواند به ویژه در لوله‌های بالارونده یا رایزر، منجر به شکل گرفتن رسوب و ایجاد اختلال در فرایند انتقال حرارت در پوسته این لوله‌ها میان شعله و آب گردد. این امر به شکل‌گیری نقاط داغ در اطراف محل رسوب و تضعیف دیواره لوله خواهد انجامید. با توجه به فشار بسیار بالای آب در داخل این لوله‌ها نهایتا تسلیم فلز و پارگی لوله‌ها از آن نقطه رخ خواهد داد که اصطلاحا به آن “پارگی پنجره‌ای” گفته می‌شود. نمونه‌ای از این پارگی در شکل 6 نشان داده شده است.

از این رو همواره در نیروگاه‌های بخار، یک واحد تصفیه و کنترل کیفیت آب مورد نیاز است که ضمن فراهم آوردن آب با کیفیت برای تزریق به چرخه و جبران آب از دست رفته احتمالی در بخش‌های مختلف، به صورت منظم از آب سیکل در نقاط مختلف نمونه‌برداری کرده و کیفیت را با مقادیر مرجع مقایسه کند.

برای تصفیه آب خام که از منابع مختلف مانند رودخانه، دریا و چاه به دست می‌اید و تبدیل آن به به آب دیونیزه قابل تزریق به سیکل، از روش‌های مختلفی که به کیفیت آب خام اولیه فناوری در دسترس و شرایط محیطی ساختگاه نیروگاه مرتبط است، امکان‌پذیر خواهد بود؛ مانند روش‌های شیمیایی، اسمز معکوس، تقطیر و غیره.

معمولا بویلرها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که توانایی کار با بیش از یک نوع سوخت را داشته باشند. این موضوع از آن جهت اهمیت دارد که قابلیت اطمینان بیشتری برای پایداری تأمین انرژی ایجاد می‌نماید. در ایران نیز تقریبا تمام نیروگاه‌های بخار، هم توانایی کار با گاز طبیعی و هم توانایی سوزاندن سوخت‌های مایع مانند گازوئیل و مازوت را دارا هستند.

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای دوره های تاسیسات مکانیکی با اساتیدی مجرب هستید میتوانید فیلم‌های آموزشی دپارتمان برق را مشاهده کنید.

این مقاله ادامه دارد.