منبع: کتاب صنعت برق ایران، حمیدرضا ناصری

 

اجزای نیروگاه‌ های بخار

در مقاله قبلی، در رابطه با اولین جزء نیروگاه‌ های بخار یعنی بویلر توضیحات کافی داده شد و در این مقاله به جزء دیگر توربین های بخار که توربین است، می‌پردازیم.

ب- توربین

اولین وسیله‌ای که می‌توان آن را به عنوان یک توربین بخار واکنش طبقه‌بندی کرد، توربین بادی است که توسط هیرو الکساندریا (شکل 1) در قرن اول میلادی پیشنهاد شد.

 

 

در این دستگاه بخار از طریق یک شکاف توخالی به یک کره چرخنده‌ی توخالی می‌رسد. سپس از طریق دو لوله‌ی منحنی، در جهت‌های مخالف بیرون می‌آید، درست همان‌طور که آب از یک آب‌پاش چمن‌چرخان خارج می‌شود، این دستگاه کم و بیش یک اسباب‌بازی بود، زیرا هیچ کار مفیدی تولید نمی‌کرد.

ماشین بخار دیگری که در سال ۱۶۲۹ توسط جیووانی برانکا¹ در منابعی در ایتالیا توصیف شده، به‌گونه‌ای طراحی شده بود که یک جت بخار به تیغه‌هایی که از دور تا دور یک چرخ قرار گرفته‌اند برخورد می‌کند و باعث چرخش آن بر اساس اصل فیزیک «القای تکانه» می‌شود. جیمز وات کسی که نخستین موتور بخار کارآمد را ابداع نمود و در سال ۱۷۸۴ آن را ثبت کرد. پس از آن، تعدادی توربین واکنشی و ضربه‌ای توسط مخترعان دیگر پیشنهاد شد که کم و بیش همگی بر اساس تجربیاتی که از دیرباز درباره‌ی توربین آبی وجود داشت طراحی شده بودند. هیچ‌کدام از این ابداعات کارآمد نبودند؛ به‌جز توربین ساخته‌شده توسط ویلیام اوری از ایالات‌متحده در سال ۱۸۳۷. در یکی از این توربین‌های اوری، دو بازوی توخالی به طول حدود ۷۵ سانتی‌متر، در زوایای قائم به یک محور توخالی متصل شدند که از طریق آن بخار تأمین می‌شد. نازل‌ها در انتهای بیرونی بازوها به بخار اجازه می‌دادند تا در جهت مماسی خارج شود. در نتیجه‌ی عکس‌العمل خروج بخار، چرخش ایجاد می‌شد. حدود ۵۰ عدد از این توربین‌ها برای کارخانه‌های چوب‌بری، پنبه‌پاک‌کنی و مغازه‌های تجاری ساخته شد و حداقل یکی از آن‌ها روی لوکوموتیو آزمایش شد. درحالی‌که این توربین از نظر راندمان با موتورهای بخار هم‌عصر خود رقابت خوبی داشت، اما سروصدای زیاد، تنظیم سرعت دشوار و نیاز مکرر به تعمیرات منجر به کنار گذاشته شدن آن‌ها شد.

تا پایان قرن نوزدهم، زمانی که مخترعان مختلف کارهایی اساسی درباره‌ی توربین بخار مدرن انجام دادند، هیچ پیشرفت دیگری رخ نداد. در سال ۱۸۸۴ سر چارلز پارسونز، مهندس بریتانیایی، مزیت استفاده از تعداد زیادی از مراحل پشت سر هم به‌جای یک توربین تک‌طبقه را کشف کرد. این روش، امکان استخراج گام‌به‌گام انرژی حرارتی بخار را در مراحل کوچک فراهم می‌کرد. پارسونز همچنین اصل «مرحله واکنش» را توسعه داد که بر اساس آن افت فشار و آزاد شدن انرژی تقریباً برابر در هر دو دسته تیغه‌های ثابت و تیغه‌های متحرک توربین اتفاق می‌افتد. علاوه بر این، او متعاقباً اولین توربین‌های بخار بزرگ دریایی (شکل 2) را ساخت.

 

 

در طول دهه ۱۸۸۰، کارل جی. پی. دلاوال از سوئد توربین‌های واکنشی کوچکی ساخت که با سرعت ۴۰۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخید تا ماشین‌های جداکننده‌ی خامه (سرشیر) از شیر را به حرکت درآورد. با این حال، سرعت بسیار بالا، آن‌ها را برای سایر کاربردهای تجاری نامناسب کرده بود. دلاوال سپس توجه خود را به توربین‌های ضربه‌ای تک‌مرحله‌ای معطوف کرد که از نازل‌های همگرا ـ واگرا استفاده می‌کردند، مانند آنچه در شکل 3 نشان داده شده است.

دلاوال از سال ۱۸۸۹ تا ۱۸۹۷، توربین‌های دریایی با ظرفیت‌های زیادی با حدود ۱۵ تا چند ۱۰۰۰ اسب بخار ساخت. توربین‌های ۱۵ اسب بخاری او اولین توربین‌هایی بودند که برای به‌پیش‌راندن کشتی‌ها استفاده شدند (۱۸۹۲).

آگوست راتو از فرانسه برای اولین بار در دهه ۱۸۹۰ توربین‌های ضربه‌ای چندمرحله‌ای را توسعه داد. تقریباً در همان زمان، چارلز جی. کرتیس از ایالات‌متحده، توربینی دارای مرحله‌ی مرکب تکانه ـ سرعت را توسعه داد.

 

 

تا سال ۱۹۰۰، بزرگ‌ترین واحد توربین ـ ژنراتور بخار ۱۲۰۰ کیلووات تولید می‌کرد، اما تنها تا ۱۰ سال بعد ظرفیت چنین ماشین‌هایی به بیش از ۳۰۰۰۰ کیلووات افزایش یافت. این به‌مراتب از خروجی حتی بزرگ‌ترین موتورهای بخار فراتر رفته بود و توربین‌های بخار را به پیشرفته‌ترین نوع اصلی نیروگاه‌های بزرگ پس از دهه اول قرن بیستم تبدیل کرد.

تا سال ۱۹۴۰، واحدهای تک توربین با ظرفیت توان صد هزار کیلووات رایج بود. توربین‌های بزرگ‌تر (با راندمان بالاتر) در نیمه‌ی دوم قرن گذشته ـ عمدتاً به دلیل افزایش مداوم هزینه‌ی سوخت‌های فسیلی ـ ساخته شدند. این امر مستلزم افزایش قابل توجهی در فشار و دمای مولد بخار بود. برخی از واحدهایی که با بخار فوق بحرانی در فشارهای بالای ۳۴۵ اتمسفر و تا دمای ۶۵۰ درجه سانتی‌گراد کار می‌کنند تا پیش از سال ۱۹۷۰ ساخته شدند.

در توربین‌های بخار مدرن، دو دسته پره وجود دارد: پره‌های متحرک (شکل 4) که بر روی شفت روتور نصب می‌شود و آن را به گردش درمی‌آورد و پره‌ی ثابت (شکل 5) که روی پوسته‌ی توربین قرار دارد و نمی‌چرخد. میان هر دو طبقه‌ی پره‌ی چرخان، یک طبقه پره‌ی ثابت قرار دارد.

 

 

 

با توجه به نوع پره‌های چرخان، دو نوع توربین بخار وجود دارد:

– ضربه‌ای: فشار بخار هنگام عبور از تیغه‌های متحرک تغییر نمی‌کند و تنها سرعت حرکت بخار کاهش می‌یابد (شکل 6).

– واکنشی: با عبور بخار از میان تیغه‌های متحرک، هم فشار و هم سرعت کم می‌شود (شکل 6).

 

 

دو نوع توربین یادشده به چهار روش با پره‌های ثابت قابل ترکیب هستند:

1. ترکیب سرعتی توربین ضربه‌ای (شکل 7)
2. ترکیب فشاری توربین ضربه‌ای (شکل 8)
3. ترکیب فشاری ـ سرعتی توربین ضربه‌ای (شکل 9)
4. ترکیب فشاری توربین واکنشی (شکل 10)

در اشکال 7  الی 10، نوع پره‌های ثابت و متحرک و تغییرات سرعت و فشار در طول حرکت بخار در توربین نمایش داده شده است.

 

 

 

 

 

معمولا در نیروگاه‌ها دو یا سه مجموعه توربین جدا از یکدیگر داریم که در ترکیب دوتایی به آن‌ها توربین فشار بالا (HP) و فشار پایین (LP) گفته می‌شود و در ترکیب سه‌تایی، میان این دو، مجموعه فشار متوسط (IP) قرار می‌گیرد. بخار خروجی مرحله‌ی HP پیش از ورود به مرحله‌ی بعدی (IP) یا (LP) دوباره به بویلر رفته و «باز گرم» می‌شود. این گرمایش دوباره، توان سیکل را افزایش می‌دهد. در ترکیب سه‌تایی، ممکن است خروجی IP نیز پیش از رفتن به LP دوباره توسط گازهای داغ بویلر گرم شود. توربین LP در نیروگاه‌های بزرگ بیشتر به‌صورت متقارن ساخته می‌شود و در واقع دو مجموعه توربین همانند هستند که روبه‌روی هم قرار دارند و ورودی آن‌ها مشترک است. این امر برای خنثی کردن نیروهای محوری بزرگی است که به دلیل سرعت بسیار زیاد بخار در مراحل پایانی، به این توربین‌ها وارد می‌شود.

در اشکال 11 و 12 نمایشی از آرایش توربین‌ها و مسیر آب و بخار در یک نیروگاه بخار دیده می‌شود. همان‌طور که در شکل 5 به نمایش درآمده است، تقریباً همواره همه‌ی طبقه‌های توربین روی یک شفت قرار می‌گیرند و نهایتاً این شفت ژنراتور را به گردش درمی‌آورد.

 

 

 

اگر شما هم مشتاق یادگیری تخصصی و حرفه ای مهندسی برق با اساتیدی مجرب هستید، می‌توانید فیلم‌های آموزشی دپارتمان برق  آکادمی کاشانه را مشاهده کنید.

این مقاله ادامه دارد.