تحقیق مقاله انواع نیروگاه

فصل اول

نیروگاه های بخاری

1-1- مقدمه

نیروگاههای بخاری یکی از مهمترین نیروگاههای حرارتی می باشند که در اکثر کشورها، از جمله ایران سهم بسیار زیادی را در تولید انرژی الکتریکی بر عهده دارند، به طوریکه سهم تولید این نوع نیروگاهها حدود 3/47% کل تولید انرژی کشورمان می اشد. از مهمترین این نیروگاهها در کشورمان می توان به نیروگاههای شهید سلیمی نکا ،‌شهید رجایی قزوین، شهید محمدمنتظری اصفهان، رامین اهواز، اسلام آباد اصفهان، طوس مشهد، بعثت تهران، شهید منتظر قائم کرج، تبریز، بیستون کرمانشاه ، مفتح (غرب) همدان، و بندرعباس اشاره نمود. مشخصات این نیروگاهها به همراه دیگر نیروگاههای بخاری کشورمان در سال 1381 را میتوان در جدول (1-1) مشاهده نمود.

در این نیروگاهها، از منابع انرژی فسیلی از قبیل نفت، گاز طبیعی، مازوت و غیره استفاده میشود؛ به این ترتیب که از این سوختها جهت تبدیل به انرژی حرارتی استفاده شده، سپس این انرژی مکانیکی، و در مرحله بعد به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد. به عبارت دیگر در این نیروگاه سه نوع تبدیل انرژی صورت می گیرد. اولین نوع، تبدیل انرژی شیمیایی (انرژی نهفته در سوخت) به انرژی حرارتی است که این تحول در وسیله ای به نام دیگ بخار صورت می پذیرد. این تبدیل انرژی باعث می شود که آب ورودی به دیگ بخار تبدیل به بخار با دمای زیاد شود. دومین نوع، تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی است که این تحول در توربین نیروگاه صورت می گیرد و انرژی حرارتی در بخار ورودی به توربین، تبدیل به انرژی مکانیکی چرخشی محور توربین می شود. سومین و آخرین نوع از تبدیل انرژی در نیروگاههای بخاری، تبدیل انرژی مکانیکی روتور به انرژی الکتریکی می باشد که این تحول در ژنراتور نیروگاهها صورت می گیرد. در نهایت، انرژی الکتریکی توسط خطوط انتقال به مصرف کنندگان منتقل می شود. در این فصل برآنیم تا تجهیزات این نوع نیروگاهها را تشریح کنیم. بدین منظور ابتدا سیکل ترمودینامیکی بخاری بیان می گردد. پس از آشنایی مقدماتی با تجهیزات اصلی یک نیروگاه از قبیل توربین، دیگ بخار، کندانسور، و پمپ تغذیه، به طور مجزا، تجهیزات اصلی و جانبی این نیروگاهها مطرح می شود.

جدول (1-1) : مشخصات نیروگاههای بخاری ایران در سال 1381

-2- سیکل ترمودینامیکی نیروگاه بخاری

1-2-1- مقدمه

تقریباً تمام سیستمهایی که انرژی ذخیره شده در سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند، دارای یک سیال در گردش سیکل هستند. این سیستم ها را میتوان بر اساس نوع سیال در گردش به صورت زیر دسته بندی نمود:

الف) سیکل های قدرت گازی: سیستم های قدرتی هستند که در آنها، سیال در گردش به صورت گاز است و تغییر فازی در سیکل صورت نمی گیرد. از مهمترین این سیستمها میتوان به توربین های گازی، موتورهای دیزلی و ... اشاره نمود. در این نوع سیکل ها معمولاً هوا و مواد سوختی در شرایط محیط و با نسبت معینی وارد سیستم می شود و پس از طی یک رشته تحول به صورت محصول های احتراق از سیستم خارج میشوند. بدین ترتیب اگر چه این سیستم ها، یک سیکل مکانیکی را طی می کنند، ولی دارای یک سیکل ترمودینامیکی نیستند و اصطلاحاً از نظر ترمودینامیکی به سیستم های باز مشهور هستند.

ب ) سیکل های قدرت بخاری: سیستم های قدرتی هستند که در آنها، سیال در گردش ضمن طی کردن سیکل، تغییر فاز می دهد و بر خلاف سیکل های قدرت گازی، یک سیکل ترمودینامیکی را طی می کنند. این سیکل ها از نظر ترمودینامیکی یک سیکل بسته را تشکیل می دهند که سیال در گردش، همواره در سیستم، جریان دارد. سیالی که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد آب است که به صورت دو فاز مایع و بخار در سیکل، جریان می یابد. سیکل قدرت بخاری که در نیروگاههای بخاری استفاده می شود، سیکل رانکین است. قبل از تشریح سیکل رانکین نیروگاه بخاری، باید سیکل ایده ال کارنو و دلایل عدم استفاده از آن را در این نیروگاهها بیان نماییم.

1-2-2- سیکل کارنو با استفاده از بخار آب

همانطور که از مباحث ترمودینامیک می دانیم سیکل کارنو، یک سیکل ایده‌ال است که بازده سیکل کارنو فقط به درجه حرارتهای منابع گرم و سرد بستگی دارد و به سیال در گردش، ارتباطی ندارد. حال باید دید که چرا چنین سیکلی که دارای بالاترین بازده است، برای سیال بخار آب استفاده نمی شود. بدین منظور، سیکل کارنو به همراه منحنی دما – انتروپی را مطابق شکل (1-1) در نظر بگیرید.

سیکل کارنو از چهار مرحله اصلی تشکیل شده است:

1) یک فرآیند دما ثابت برگشت پذیر که گرما از یک منبع با دمای بالا به سیال منتقل می شود (تحول 3-2).

2) یک فرآیند آدیاباتیک برگشت پذیر انبساطی که با انجام کار در توربین، دمای سیال از دما منبع گرم به دمای منبع سرد کاهش می یابد (تحول 4-3).

3) یک فرآیند دما ثابت برگشت پذیر که گرما از سیال، به منبع با دمای پایین منتقل می شود (تحول 1-4).

4) یک فرآیند آدیاباتیک برگشت پذیر تراکمی که با انجام کار، دمای سیال از دمای منبع سرد به دمای منبع گرم افزایش می یابد (تحول 2-1)

هر یک از فرآیندهای فوق، به طور جداگانه برگشت پذیر هستند و از این رو، سیکل به طور کامل برگشت پذیر است. اما کاربرد سیکل کارنو با استفاده از سیال بخار آب به طور کامل برگشت پذیر است. اما کاربرد سیکل کارنو با استفاده از سیال بخار آب عملی نمی باشد. دلایل غیر عملی بودن سیکل کارنو آن است که اولا تحول 1-4 یک تحول دماثابت و فشار ثابت است که در کندانسور حاصل می گردد، اما نمی توان کیفیت نقطه (1) را که سیال ورودی به پمپ تغذیه است کنترل نمود؛ زیرا اگر نقطه (1) در محل مطلوب و مورد نظر نباشد، فشردن بخار به طور انتروپی ثابت در پمپ تغذیه غیر ممکن است ثانیاً تراکم یک ماده در حالت دو فاز با شرط انتروپی ثابت (مثل ترکیب مایع – بخار در نقطه (1) از سیکل کارنو) تحول مشکلی خواهد بود. ثالثاً امکان انتقال حرارت در دیگ بخار تحت یک تحول دما ثابت وجود ندارد؛ زیرا این کار مستلزم سطح انتقال حرارت بی نهایت می باشد لذا همواره انتقال حرارت، فرآیندی برگشت ناپذیر تلقی می شود.

1-2-3- سیکل رانکین

یک نمونه از سیکل ساده رانکین با سیال بخار آب به همراه نمودار (T-S) را مطابق شکل (1-2) در نظر بگیرید.

در این سیکل، ابتدا آب با فشار کم توسط پمپ تغذیه (BFP) به آب با فشار زیاد تبدیل می شود (تحول 2-1) و آب با فشار زیاد به سمت دیگ بخار منتقل می شود. در دیگ بخار به وسیله انتقال حرارت از منبع گرم به سیال آب، دمای آب ورودی افزایش می یابد. این انتقال حرارت به حدی است که سیال آب ورودی به دیگ بخار، افزایش می‌یابد. این انتقال حرارت به حدی است که سیال آب ورودی به دیگ بخار، تبدیل به بخار اشباع می شود (تحول 3-2) . این تحول به صورت یک تحول با فشار ثابت است. بخار اشباع خارج شده از دیگ بخار، پس از عبور از پره های توربین منبسط می شود که این انبساط، باعث ایجاد کار در طول محور توربین می گردد (تحول 4-3). این تحول، یک تحول آدیاباتیک است که باعث می شود تا سیال خروجی از توربین به صورت بخار مرطوب (بخار همراه مایع) در آید. حرارت موجود در این بخار مرطوب در وسیله ای به نام کندانسور جذب می شود (تحول 1-4).

نهایتاً سیال خروجی از کندانسور به صورت مایع اشباع وارد پمپ تغذیه می گردد.

در این سیکل، مقدار گرمای داده شده به سیال در دیگ بخار معادل با سطح (5-6-3-2-5) و مقدار کار انجام شده توسط توربین معادل با سطح (1-4-3-2-1) در شکل (3-2-ب) است. در نتیجه میتوان گفت که مقدار حرارت تلف شده در کندانسور، برابر با سطح (5-6-4-1-5) می باشد با توجه به سطح فوق میتوان بازده سیکل مذکور را به صورت زیر به دست آورد:

(3-1)

مساحت 1-4-3-2-1

=

مقدار کار انجام شده

= بازده

مساحت 5-6-3-2-5

مقدارگرمای داده شده به سیکل

بازده سیکل رانکین در عملکرد بین دو دمای حداکثر و حداقل مشابه با سیکل کارنو، کمتر از باده سیکل کارنو است؛ زیرا دمای متوسط در دیگ بخار سیکل رانکین، کمتر از دمای سیال در دیگ بخار سیکل کارنو است. از مشکلات سیکل مذکور، کاهش بازده آن نسبت به سیکل کارنو ، و وجود مایع در سیال بخار خروجی از توربین می باشد. در سیکل های عملی نیروگاههای بخاری، به منظور افزایش بازده سیکل رانکین و رفع مشکلات مربوطه، تمهیداتی صورت می گیرد که عبارتند از:

1) افزایش دمای بخار ورودی به توربین به وسیله پس تافتن بخار

2) افزایش فشار سیال ورودی به توربین

3) کاهش فشار سیال خروجی از توربین

حرارت انتقال یافته به خار به اندازه سطح (b-3-3-b-b) افزایش می یابد. از آنجایی که در عمل، نسبت این دو سطح بیشتر از نسبت کار خالص به حرارت دریافتی برای بقیه سیکل است، لذا میتوان نتیجه گرفت که با پس تافتن بخار ورودی به توربین، بازده سیکل افزایش می یابد. به عبارت دیگر میتوان نوشت:

بازده بدون پس تافتن بخار =

سطح 1َ1234

> 

سطح 41َ1233

= بازده با پس تافتن بخار

سطح baَ234a

سطح baَ233a

همچنین عمل پس تافتن بخار آب، سبب می گردد تا رطوبت بخار خروجی از توربین کم گردد که این موضوع موجب کاهش خوردگی پره های دهانه خروجی توربین میشود.

1-2-4- سیکل عملی قدرت در نیروگاههای بخاری

نمای کلی سیکل ترمودینامیکی یک نیروگاه بخار به همراه تجهیزات اساسی آن در شکل (4-3) نشان داده شده است. این شکل، یک روند کلی را نسبت به سیکل و تجهیزات نیروگاه به ما نشان می دهد. در این قسمت، روند تغییرات سیال سیکل را با عبور از تجهیزات مورد نظر به طور خیلی خلاصه بررسی می کنیم و در بخش های بعدی هر قسمت را به طور مفصل بیان خواهیم کرد.

مسیر سیال سیکل را از خروجی توربین فشار ضعیف آغاز می کنیم. بخار خارج شده از توربین پس از عبور از کندانسور تبدیل به مایع می گردد که توسط پمپ تخلیه [1] به سمت پمپ تغذیه نیروگاه هدایت می شود. با استفاده از بخارهای زیرکشی شده از توربین در دو پیش گرمکن فشار ضعیف و فشار قوی، عملکرد بازیاب سیکل انجام میشود. با افزایش فشار سیال مایع توسط پمپ تغذیه، سیال وارد دیگ بخار نیروگاه می گردد. به منظور استفاده بهینه از حرارت موجود در دیگ بخار در انتهای آن، لوله هایی به نام اکونومایزر[2] قرار می دهند تا سیال مایع پس از ورود به دیگ بخار از این لوله ها عبور کند و سپس وارد مخزن درام گردد. در این مخزن، سیال آب به طرف لوله های اوپراتور [3] که در جداره اصلی دیگ بخار تعبیه شده اند، حرکت می کند و پس از جذب حرارت از مشعل های کوره به صورت بخار دوباره وارد درام می شود. در این مخزن، بخار از مایع جدا می شود. بخار خارج شده از درام به منظور پس تافته شدن از سوپر هیتر اولیه و ثانویه عبور داده می شود. علت تقسیم سوپرهیتر به دو قسمت در بخشهای بعد بیان می شود بخار پس تافته در سوپرهیترها، بخار با فشار زیاد و دمای زیادی می باشد که دارای انرژی حرارتی بسیار فراوانی است که برای انجام کار به توربین فشار قوی منتقل می شود. پس از انبساط بخار در توربین فشار قوی، فشار و دمای سیال کاهش می یابد. برای افزایش حرارت موجود در سیال، بخار خارج شده از توربین فشار قوی، دوباره وارد دیگ بخار می شود و در ری هیتر تحت فشار ثابت حرارت مطلوبی را دریافت می کند. در نهایت، بخار خارج شده از ری هیتر وارد توربین فشار متوسط و ضعیف می شود و پس از انجام باقی مانده کار در توربین، برای خنک شدن سیال و تبدیل بخار به مایع، سیال وارد کندانسور می گردد. با انجام کار در توربین های فشار قوی، متوسط و ضعی محور ژنراتور که متصل به محور توربین است، شروع به چرخش می کند که با چرخش آن، انرژی الکتریکی در استاتور ژنراتور ایجاد می شود.

لازم به ذکر است که حرارت ایجاد شده در کوره (که توسط مشعل ها ایجاد میشود) پس از انتقال حرارت با اوپراتور، سوپرهیتر ثانویه و اولیه، ری هیتر و اکونومایزر از دیگ بخار خارج می شود و توسط فن مکش گاز به سمت دودکش نیروگاه هدایت می گردد. با توجه به این که در مشعلهای کوره، باید سوخت و هوا با دمای مناسب با هم ترکیب شوند تا حرارت مورد نیاز را تولید کنند، بدین منظور باید توسط فن مکش هوا، هوای مورد نیاز مکش شود. برای رساندن دمای هوا به دمای مناسب برای احتراق کامل، در وسیله ای به نام گرمکن هوا[4] ، انتقال حرارتی بین دودهای خارج شده از دیگ بخار و هوای مورد نظر صورت می گیرد تا هوا با دمای مناسب به سمت مشعل های کوره هدایت و در آنجا با سوخت ترکیب شده و حرارت مطلوب را در کوره ایجاد نماید. این یک مرور بسیار سریع بر روی سیکل کامل ترمودینامیکی نیروگاههای بخاری است. در بخشهای بعدی به بیان مطالب بیشتر در مورد هر یک از تجهیزات نیروگاه و سیستمهای کنترلی آنان خواهیم پرداخت.

1-3- دیگ بخار و تجهیزات جانبی آن

1-3-1- مقدمه

یکی از مهمترین تجهیزات در نیروگاههای بخاری، دیگ بخار می باشد که در آن آب تغذیه شده توسط پمپ تغذیه با جذب حرارت، به بخار پس تافته تبدیل می گردد. دیگ بخار نیروگاهها از نظر چگونگی گرم کردن آب ورودی به دو نوع تقسیم می شود

الف) دیگ بخار درام دار: در این نوع دیگ بخار، آب ورودی به آن پس از عبور از لوله های اکونومایزر (که در انتهای مسیر دود و گازهای داغ حاصل از احتراق نصب شده اند) وارد مخزن درام می شود. آب موجود در درام از طریق لوله هایی به پایین دیگ بخار منتقل می گردد و سپس توسط لوله های دیواره ای به نام اپراتور به سمت بالا انتقال می یابد. این لوله ها در معرض شعله های حاصل از احتراق در کوره ها هستند. بدین ترتیب، آب داخل لوله های اوپراتور به بخار تبدیل شده و مجدداً به درام بر می گردد. در این درام، قطرات آب از بخار خروجی اوپراتور جدا شده و بخار اشباع به سمت لوله‌هایی به نام سوپر هیتر هدایت می شود تا در آنجا به بخار پس تافته تبدیل شود. این نوع دیگ های بخار، از نظر سیرکولاسیون آب و بخار در اوپراتور به دو صورت سیرکولاسیون طبیعی و اجباری طراحی و ساخته می شوند. شکل های (1-4 الف و ب) طرحواره دیگ های بخار درام دار با گردش طبیعی و اجباری را نشان می دهد. اکثر نیروگاههای بخاری موجود در کشور، از دیگهای بخار درام دار استفاده می کنند که نمونه‌هایی از این نوع دیگ های بخاری را میتوان در نیروگاههای اسلام آباد، شهید محمد منتظری، بندرعباس، تبریز و طوس مشاهده نمود. البته در نیروگاه تبریز، دیگ بخار آن از نوع سیرکولاسیون اجباری می باشد.

در دیگ های بخار درام دار با گردش اجباری، پمپ چرخش اجباری آب BCP [5]موجب گردش اجباری آب اشباع در لوله های اوپراتور می شود. نیروگاههای بخاری با قدرت زیاد و فشار بالا (نزدیک بحرانی) از این نوع دیگ بخار استفاده می کنند.

ب ) دیگ های بخار یکبار گذر[6] : در این نوع دیگهای بخار، آب رودی به آن، با یک بار عبور از داخل لوله های اوپراتور به بخار اشباع تبدیل می شود. سپس بخار اشباع با عبور از سوپرهیتر به صورت بخار پس تافته در می آید. این نوع دیگ های بخار از نظر نوع سیرکولاسیون ، اجباری هستند. در نتیجه، در این نوع دیگهای بخار دیگر نیازی به استفاده از درام نمی باشد. البته به جای درام میتوان از یک جدا کننده[7] استفاده نمود. طرح کلی این دیگهای بخار در شکلهای (1-4- ج و د) آورده شده است. در این نوع دیگها، مجموعه محفظه احتراق (کوره) و لوله های اوپراتور به نحوی طراحی می شوند که کلیه آبهای موجود در لوله های اوپراتور پس از طی محفظه احتراق، به بخار تبدیل شده، مستقیماً به سوپرهیترها هدایت شوند. این نوع دیگ بخار را میتوان در نیروگاه نکا مشاهده نمود. در این نیروگاه، آب تغذیه کننده دیگ بخار، پس از عبور از اکونومایزر، وارد لوله های اوپراتور می شود و پس از آن به منظور جدا کردن قطرات مایع موجود در بخار (در شرایطی که بار تولیدی واحد، کمتر از 35% بار نامی باشد) وارد یک جدا کننده می شود. در نهایت بخار خارج شده از جدا کننده پس از عبور از سوپرهیترها به سمت توربین هدایت می گردد. البته در هنگامی که بار واحد از 35% تجاوز کند، خروجی اوپراتور تماماً بخار اشباع است که در این حالت، دیگ بخار به صورت یکبار گذر بنسون عمل می کند؛ به عبارت دیگر هر چه آب وارد آن می شود، تماماً به بخار تبدیل می گردد. لازم به ذکر است که در نیروگاههایی که سیال بخار با فشار فوق بحرانی به کار میرود، باید از این نوع دیگهای یکبار گذر استفاده شود؛ زیرا در صورتیکه دیگ بخار در فشار فوق بحرانی کار کند، سیال مایع به طور مستقیم به بخار تبدیل می شود و حالت اشباع مایع – بخار وجود نخواهد داشت. نمونه ای از این نوع دیگ های بخار را میتوان در واحدهای بخاری نیروگاه رامین مشاهده نمود. با این مقدمه تجهیزات موجود در دیگهای بخار را به طور جداگانه مورد بررسی قرار می دهیم.

1-3-2- اکونومایزر

اکونومایزر از تعدادی لوله های سری تشکیل شده است که در مراحل آخرین مسیر گازهای حاصل از احتراق در کوره قرار می گیرد. در شکل (1-5) لوله های جوش داده شده اکونومایزر نشان داده شده است که گازهای داغ کوره با برخورد به صفحات اکونومایزر، حرارت خود را به آب داخل لوله ها منتقل می کنند. آب تغذیه در ابتدای ورود خود به دیگ بخار از داخل این لوله ها عبور می کند و پس از گرم شدن ابتدایی وارد درام می شود. به عبارت دیگر، اکونومایزر را میتوان به عنوان گرم کننده آب تغذیه (با استفاده از حرارت موجود در گازهای خروجی از دیگ بخار) نام برد. میزان افزایش درجه حرارت آب ورودی به اکونومایزر بستگی به طراحی دیگ بخار و حرارت موجود در گازهای خروجی از دیگ بخار دارد. به عنوان مثال در نیروگاه طوس ، دمای آب ورودی به اکونومایزر 442 و دمای خروجی294 می باشد و این در حالیست که در نیروگاه شهید محمد منتظری، دمای آب ورودی 244 و دمای آب خروجی از آن، 366 (با سوخت گاز در مشعل ها) می باشد. جایگاه این لوله ها پس از لوله های ری هیتر و سوپرهیتر در انتهای دیگ بخار است تا از گازهای گرم خارج شده از دیگ بخار نهایت استفاده صورت گیرد. باید توجه داشت که توزیع آب در این لوله ها باید یکنواخت باشد تا در قسمتهایی از لوله ها مایع گرم، تبدیل به بخار نشود که در این صورت لوله ها صدمه خواهند دید.

1-3-3- درام

درام به عنوان مخزن در دیگ بخار عمل می کند که دارای وظایف زیر می باشد:

الف) جدا کردن قطرات آب از بخار: آب و بخار ایجاد شده در لوله های اوپراتور وارد درام می شود که باید قطرات آب از آن جدا شود و بخار اشباع از بالای درام به سمت سوپرهیترها جاری شود. بنابراین، توسط درام امکان عبور بخار بدون ذرات آب به طرف لوله های سوپرهیتر فراهم میشود. اساس کار جداسازی به این صورت است که مخلوط آب و بخار، داخل جداکننده های سیکلون [8] می شود و با حرکت چرخشی که در سیکلون به سیال داده می شود و نیروی گریز از مرکزی که ایجاد می گردد، قطرات آب (به علت سنگینی) از بخار جدا می شوند. البته بخارهای خروجی از سیکلون کاملاً عاری از قطرات آب نیستند و باید از صفحاتی لایه لایه عبور کنند که در این لایه ها آخرین قطرات آب از بخار جدا شده و بخار اشباع خالص به سمت سوپر هیتر می رود. طرح کلی درام در شکل (1-6) نشان داده شده است.

با توجه به این که سیال موجود در درام، دارای فشاری تقریباً معادل با فشار سیال خروجی از پمپ تغذیه است، پس باید درام، تحمل فشار بالای سیال عبوری را داشته باشد به عنوان نمونه ، فشار درام در دیگهای بخار نیروگاههای شهید رجایی، طوس، شهید محمد منتظری و نکا، به ترتیب برابر 8/169 و 45/148 و 158 و 210 اتمسفر می باشد. البته به خاطر افت فشار در لوله های اکونومایزر، اوپراتور و لوله های ارتباطی ، فشار درام مقداری از فشار سیال خروجی از پمپ تغذیه کمتر می باشد.

ب) عمل نمودن به عنوان مخزن ذخیره آب: با آب و بخار ذخیره شده در درام، میتوان در شرایط بحرانی، بهره برداری مطلوبی از دیگ بخار انتظار داشت تا نیازهای ضروری آب و بخار را تأمین نماید.

ج ) با استفاده از سطح آب درام میتوان مقدار آب تغذیه به سیکل را کنترل نمود.

1-3-4- لوله های دیواره های محفظه احتراق یا اوپراتور

اطراف محفظه احتراق دیگهای بخار، از تعداد زیادی لوله های موازی نزدیک به هم که به لوله های اوپراتور موسوم هستند، پوشیده شده است. وظیفه این لوله ها از یک طرف آن است که بخشی از حرارت حاصل از احتراق را از طریق تشعشعی و جابجایی جذب نماید و از طرف دیگر، حرارت جذب شده را به وسیله هدایت به آب داخل خود منتقل کند. بنابر این در کوره، هر سه نوع انتقال حرارت با یکدیگر انجام می گیرند. حاصل این تبادل حرارت، جذب حرارت توسط آب داخل لوله ها و تبدیل آن به بخار است. به عبارت دیگر کلیه بخار تولیدی دیگ بخار، در این لوله ها ایجاد میشود. از طرف دیگر جذب حرارت توسط لوله های دیواره ای باعث خنک شدن فضای اطراف کوره می گردد و لذا مشکلی از نظر عایق کاری دیواره های اطراف محفظه احتراق پیش نخواهد آمد. به عبارت دیگر لوله های دیواره ای با جذب حرارت و انتقال آن به آب داخل خود، دیواره کوره را خنک می نمایند. لازم به ذکر است که جریان آب در داخل لوله های دیواره ای از پایین به بالا است. هر چه آب در طول کوره به طرف بالا حرکت نماید، حرارت بیشتری جذب می نماید و در نتیجه بخار بیشتری تولید می گردد.

1-3-5- سوپر هیتر

برای استفاده بیشتر از انرژی و حرارت بخار در نیروگاهها، بخار اشباع شده را مجدداً توسط گازهای گرم کوره و در وسیله ای به نام سوپرهیتر حرارت می دهند تا بخار به صورت پس تافته (خشک یا داغ) تبدیل شود. سوپرهیترها از مجموعه لوله های موازی تشکیل شده اند که در تماس با حرارت گازهای کوره هستند و حرارت این گازها را به سیال بخار عبوری از درون خود منتقل می کنند تا بخار عبوری از آن به صورت بخار پس تافته با دمای بسیار بالا درآید. معمولاً دمای بخار خروجی از سوپرهیترها بیش از 500 درجه سانتیگراد می باشد. به عنوان نمونه، این دما در نیروگاه شهید رجایی، تبریز، طوس، شهید محمدمنتظری، نکا، بندرعباس و ایرانشهر به ترتیب در حدود 546، 538، 540 ، 545 ، 530 ، 540 و 540 درجه سانتیگراد می باشد. البته برای این نیروگاهها دمای سیال خروجی از سوپرهیتر ثانویه، با فشارهای زیاد و به ترتیب برابر 145،5/178،133،140،190،169، و67/137 کیلو گرم بر سانتیمتر مربع می باشد.

با توجه به حجم زیاد دیگ بخار، و به منظور: الف) استفاده هر چه بیشتر از گرمای خروجی از دیگ بخار، و ب) کنترل درجه حرارت بخار در سوپرهیتر، سوپرهیترها را به صورت یکپاره نمی سازند. سوپرهیترها بر اساس تعداد زیاد لوله ها و محل هدرها به سه دسته تقسیم می شوند:

الف) سوپرهیترهای[9]: در این نوع سوپرهیترها، لوله ها از هدرها آویزان می شوند و توسط آنها نگهداری می شوند.

ب و ج) سوپرهیترها ی افقی و L شکل: در این نوع سوپرهیترها تخلیه بار به صورت طبیعی انجام می شود. در شکل (1-7) طرح کلی سوپرهیترها ی آویزان و افقی نشان داده شده است.

نوع دیگر تقسیم بندی سوپرهیترها بر اساس نوع جذب حرارت می باشد که عبارتند از:

الف) سوپرهیتر تشعشعی یا ثانویه[10]

در صورتی که لوله های سوپرهیتر مستقیماً در بالای محفظه احتراق قرار گرفته باشند، قسمت اعظم حرارت این محوطه به صورت تشعشعی ( و در صدی هم به صورت جابجای) به سیال درون لوله ها منتقل می شود. به این نوع، سوپرهیتر تشعشعی یا سوپرهیتر ثانویه گویند.

ب) سوپرهیتر جابجایی یا اولیه[11]

1-3-6- دی سوپرهیتر یا اتمپراتور[12]

وظیفه دیسوپرهیتر، کنترل درجه حرارت بخار است. بخار خروجی از دیگ بخار باید دارای درجه حرارت مشخصی باشد که در غیر این صورت، مشکلاتی را از قبیل آسیب رسیدن به پره های توربین، کاهش بازده سیکل و … را به همراه خواهد داشت. بدین منظور بین دو سوپرهیتر اولیه و ثانویه از وسیله ای به نام دی سوپرهیتر استفاده می شود که عموماً وظیفه آن، کاهش دمای بخار موجود دی سوپرهیترها می باشد.

دی سوپرهیترها به دو نوع زیر ساخته می شوند:

الف) دی سوپرهیتر غیر تماسی: این نوع دی سوپرهیتر، شبیه یک مدل حرارتی است که آب تغذیه ( که متصل به آب موجود در مخزن درام است) در دور بدنه آن جریان پیدا میکند و بخاری را که از لوله های تعبیه شده عبور می کند، خنک می سازد. شیرهای کنترل موتوری، مقدار جریان بخار به دی سوپرهیتر را طوری تنظیم می کند که درجه حرارت در خروجی سوپرهیتر ثانویه مطابق دلخواه باشد. با توجه به اینکه این انتقال حرارت با آب موجود در درام صورت می گیرد، در نتیجه اتلاف حرارتی در دی سوپرهیتر صورت نمی گید. شکل (1-8- الف) این نوع دی سوپرهیتررا نشان می دهد.

ب) دی سوپرهیتر تماسی یا پاششی: در دی سوپرهیتر تماسی، آب تغذیه مستقیماً به داخل بخار موجود ( بخار خارج شده از سوپرهیتر اولیه) پاشیده می شود و درجه حرارت بخار را به مقدار مطلوب کم می کند. همچنین شیر کنترل موتوری در مسیر آب وجود دارد که می تواند مقدار آب تزریقی را بسته به درجه حرارت، تنظیم کند. با توجه به این که این سوپرهیتر، قبل از سوپرهیتر ثانویه است، در نتیجه کلیه قطرات آبی که در داخل بخار پاشیده می شود، در ضمن گذشتن از سوپرهیتر ثانویه، فرصت بخار شدن را خواهد داشت. شکل (1-8-ب) این نوع دی سوپرهیتر را نشان میدهد. لازم به ذکر است که آب ورودی به این نوع  دی سوپرهیتر باید کاملاً خالص باشد تا هیچ گونه مشکلی را برای توربین ایجاد نکند. در نیروگاه شهید محمد منتظر قائم کرج و شهید سلیمی نکا از این نوع دی سوپرهیتر برای کنترل دمای بخار پس تافته استفاه می شود.

شکل (1-8) : انواع دی سوپرهیتر، الف) غیر تماسی، ب) تماسی

1-3-7- ری هیترها

از نظر اقتصادی، مقرون به صرفه است تا جهت بالا بردن بازده سیکل از ری هیترهایی ه در بین توربین های نیروگاه قرار دارد، استفاده شود. در ری هیترها درجه حرارت بخار خروجی از توربین فشار قوی را تا درجه حرارت اولیه بخار بالا می برد. و سپس آن را به سمت توربین فشار متوسط هدایت می کنند. این عمل هم می تواند بین توربین های فشار متوسط و ضعیف صورت گیرد. ساختمان و طرز قرار گرفتن آنه شبیه سوپرهیترها است و مشابه آنها به دو بخش ری هیتر اولیه و ثانویه، و در بعضی موارد به چندین بخش تقسیم می شوند.

البته وجود ری هیتر در کلیه نیروگاه های بخاری الزامی نیست، و معمولاً در دیگ های بخار با ظرفیت پایین استفاده نمی شود. اما  در دیگ های بخار با ظرفیت بالا، استفاده از آنها اجتناب ناپذیر می گردد، زیرا بازده سیکل را افزایش و مقدار رطوبت سیا خروجی ازتوربین را به مقدار قابل توجهی کاهش می دهد. به عنوان نمونه در نیروگاه بعثت به خاطر کوچک بودن واحدهای بخاری آن ( سه واحد 5/82 مگاواتی) و به علت منفرد بودن توربین، نیازی به ری هیتر نمی باشد، ( این موضوع را می توان در نیروگاه زرگان اهواز هم مشاهده نمود) ولی در نیروگاه شهید رجایی، هر واحد دارای دو ری هیتر است. در ری هیتر اول. دمای بخار ورودی و خروجی آن، 356 و 375 می باشد و در ری هیتر دوم ، درجه حرارت بخار ورودی، 375 و درجه حرارت بخار خروجی، 541 است که این بخار، مناسب برای توربین واحد می باشد. البته فشار بخار ورودی به ری هیتر اول، kg/cm2 8/38 و فشار بخار خروجی از ری هیتر دوم kg/cm2 1/37 است که این کاهش فشار، ناشی از افت فشار در لوله های دو ری هیتر می باشد. همچنین در نیروگاه شهید محمد منتظری و طوس  مشهد هم دو ری هیتر وجود دارد که دماهای بخار ورودی به ری هیتر اول و بخار خروجی از ری هیتر دوم در این نیروگاه تقریباً مشابه نیروگاه شهید رجایی می باشد. شکل ( 1-9) مکان تجهیزات اساسی موجود در دیگ بخار یک نیروگاه بخاری را به طور کلی نشان می دهد.

1-4-گرمکن های آب تغذیه[13] و دی اریتور[14]

1-4-1- گرمکن های آب تغذیه

شکل ( 1-9) : بخش های یک دیگ بخار نمونه 500مگاواتی

به منظور افزایش بازده نیروگاه های بخاری باید آب ورودی به دیگ بخار گرم شود تا به صورت مایع اشباع وارد دیگ بخار شود. این کار، توسط مبدل های حرارتی یا گرمکن های آب تغذیه انجام می شود. روش گرم کردن آب، از طریق زیرکشی های بخار گرفته شده از توربین می باشد. این گرمکن ها به دو نوع فشار ضعیف و فشار قوی تقسیم می شوند که نوع فشار ضعیف آن، قبل از پمپ تغذیه و نوع فشار قوی آن، پس از پمپ تغذیه قرار می گیرد. تعداد گرمکن های آب تغذیه و تقسیم بندی فشار ضعیف و قوی آن، بستگی به ظرفیت تولید نیروگاه و مشخصات ترمودینامیکی سیکل دارد.

1-4-2- دی اریتور

آب تغذیه دیگ های بخار باید دارای مشخصات بخصوصی باشد تا اثرات نامطلوبی بر روی دیگ بخار نداشته باشد. به عبارت دیگر آب تغذیه باید به دور از نمک های خورنده و گازهای محلول در آن باشد، زیرا گازهای دی اکسید کربن (CO2) و بخصوص گاز اکسیژن (O2) باعث ایجاد خوردگی روی سطوح داخلی لوله های دیگ بخار و درام می شود. گاز زدایی از آب تغذیه را می توان به دو صورت روش حرارتی و روش شیمیایی انجام داد. روش متداول در نیروگاه ها، روش حرارتی است که در وسیله ای به نام دی اریتور صورت می گیرد. روش کار بر این اصل پایدار است که حلالیت گازها در آب با افزایش درجه حرارت کاهی می یابد. بدین طریق که اگر آب به مدت کافی در درجه حرارت جوش قرار گیرد، تمام گازهای محلول در آن از آب، خارج شده و به اتمسفر می رود. دی اریتور باید قادر باشد تا علاوه بر آنکه آب را تا درجه حرارت جوشش گرم کند، آن را به قطرات بسیار ریز تبدیل نماید. پس می بینیم که دی اریتور علاوه بر جدا سازی گازهای ناخالص از آب ( به خاطر سبکتر بودن اکسژن موجود در آب)، با پاشش مستقیم بخار زیر کشی شده به آن عبوری از گرمکن های فشار ضعیف، دمای آب سیکل را تا حد مطلوب افزایش می دهد. در طریقه گاز زدایی به روش شیمیایی، با استفاده از ماده هیدرازین ( N2H4)، اکسیژن موجود در آب جذب می شود. در شکل (1-10) ساختمان یک دی اریتور نشان داده شده است.

1-5- کوره یا محفظه احتراق[15]

کوره یا محفظه احتراق فضایی است که احتراق در آن صورت می گیرد. لذا برای احتراق کامل، ضمن این که هوا

شکل(1-10):ساختمان یک دی اریتور

 و سوخت باید در تماس نزدیک با هم باشند، نسبت هوا به سوخت نیز باید به مقدار مشخصی باشد. برای رسیدن به این منظور سه شرط زیر در کوره لازم است.

الف) زمان کافی جهت انجام فعل و انفعالات شیمیایی،

ب) تلاطم کافی برای حصول اطمینان از مخلوط شدن کامل سوخت و هوا،

ج) درجه حرارت کافی برای آتش گرفتن سوخت و پایداری شعله،

1-5-1- مشخصات سوخت مایع مصرفی در کوره

در بین تمام مشخصات سوخت های مایع، چهار ویژگی آن بیشتر مورد توجه است که عبارتند از:

الف) ویسکوزیته[16] : که مشخص کننده روان بودن سوخت است و بستگی زیادی به درجه حرارت آن دارد.

ب) نقطه اشتعال[17]: درجه حرارتی است که در آن، هوای بالای سوخت که دارای مقدار کافی بخار سوخت است، به وسیله یک شعله مشتعل می شود.

ج) درصد گوگرد: گوگرد موجود در سوخت بعد از احتراق به صورت SO2 و SO3 در می آید که خاصیت خورندگی شیمیایی دارد. لذا مقدار آن از اهمیت خاصی برخوردار است.

د) نقطه جاری شدن[18] : درجه حرارتی است که در آن، سوخت بر اثر وزن خود جریان طبیعی پیدا می کند. در نیروگاه ها جهت ارسال سوخت از مخازن به سر مشعل ها، دمای سوخت را بالاتر از نقطه جاری شدن می رسانند تا عمل پمپ کردن آن، راحت تر صورت پذیرد.

1-5-2-ساختمان مشعل ها و روش های پودر کردن سوخت در آنها

تعداد مشعل های موجود در هر واحد بخاری بستگی به قدرت نیروگاه و دبی بخار تولید شده دارد. همچنین طریقه نصب این مشعل ها در محفظه احتراق در بین واحدهای بخاری متفاوت می باشد. در بعضی نیروگاه ها در یک طرف محفظه و در بعضی دیگر در هر چهار طرف نصب می شوند. به عنوان مثال در نیروگاه تبریز برای هر دیگ بخار، 16 عدد مشعل با سوخت مایع وجود دارد که در دو طبقه و در چهار گوش محفظه احتراق نصب می شوند، ولی در نیروگاه شهید محمد منتظری، 12 عدد مشعل در دو طبقه ( ردیف) و در یک طرف محفظه به کار می رود. در نیروگاه رامین، تعداد مشعل ها 16 عدد می باشد که در دو ردیف 4 تایی در جلو و عقب کوره نصب شده اند. البته در نیروگاه شهید رجایی، تعداد مشعل ها برای هر دیگ بخار به 20 عدد و در نیروگا نکا به 14 عدد می رسد.

مشعل های سوخت مایع در کوره از دو قسمت زیر تشکیل شده است:

الف) اتومایزر[19]: در این قسمت، سوخت وارد شده توسط بخار یا هوا و یا فشار خود سوخت به شکل پودر در می آید.

ب ) رجیستر هوا[20]: در این قسمت، هوای لازم جهت احتراق سوخت تأمین می شود. رجیستر هوا، در دور تا دور اتومایزر واقع شده است و دارای دمپرهای است که میزان ورود هوا را تنظیم می کند. سوخت به وسیله پمپ های به سر مشعل ها جاری شده و در آنجا به صورت پودر در می آید.

پودر کردن سوخت توسط اتومایزر به روش های زیر صورت می گیرد:

اتومایزر با تزریق فشار[21]: در این روش، سوخت در سر مشعل ها به علت عبور از نازل های خاص و در اثر فشار خود سوخت به شکل پودر در می آید. در نیروگاه شهید منتظر قائم و در شرایط استفاده از سوخت مازوت، پودر کردن سوخت به وسیله شکل خاص سر مشعل ها ( به صورت نازل) و فشار خود سوخت انجام می شود. این روش را می توان در واحد چهارم 320 مگاواتی نیروگاه اسلام آباد اصفهان هم مشاهده نمود.

 اتومایزر با مسیر برگشتی[22]: این روش، ماند روش اول است، با این تفاوت که یک مسیر برگشت سوخت در سر مشعل ها در نظر گرفته می شود تا سوخت اضافی از آن طریق به مخزن برگردد. این کار، موجب یکنواختی در پودر شدن سوخت در سر مشتعل ها می شود.

 اتومایزر با بخار[23]: در این روش، مشعل ها از لوله دو جداره ساخته شده اند که از مسیر بیرونی، سوخت و از مسیر مرکزی، بخار با فشاری بیشتر از فشار سوخت جریان می یابند تا این که به سر مشعل ها می رسند. در سر مشعل ها، بخار با فشار زیاد وارد سوخت می شود و پس از پودر کردن آن، از نازل های سر مشعل به طرف کوره فرستاده می شود. به عنوان نمونه، در نیروگاه نکا و در واحد پنجم 320 مگاواتی نیروگاه اسلام آباد اصفهان، از این نوع اتومایزر استفاده می شود.

1-6- تجهیزات جانبی دیگ بخار

1-6-1- گرمکن هوا

معمولاً گرمکن هوا بعد از اکونومایزر و در مسیر گازهای داغ حاصل از احتراقی که در حال خارج شدن از دیگ بخار هستند، قرار می گیرد. این گرمکن هوا، قسمتی از حرارت باقیمانده در گازها را جذب کرده و به هوای مورد نیاز کوره منتقل می کند. این گرمکن ها را می توان از نظر چگونگی طراحی در سیستم انتقال حرارت به دو دسته تقسیم کرد:

1) گرمکن های برگرداننده[25] : در این طرح، گازهای گرم از یک طرف صفحه یا لوله، و هوای تغذیه کوره از طرف دیگر عبور می کند. به عبارت دیگر، واسطه انتقال حرارت، لوله یا صفحه می باشد. این نوع گرمکن ها دارای ساختمان ثابت هستند. گرمکن های هوا از نوع لوله ای و صفحه ای از این طرح استفاده می کنند. طرح این نوع گرمکن ها در شکل ( 1-11) قابل مشاهده است.

2) گرمکن های باز تولید کننده[26] : در این طرح از گرمکن ها، گازهای گرم از میان یک شبکه فلزی می گذرد و باعث گرم شدن شبکه می گردد. سپس هوا از میان همین شبکه 

شکل (1-11) : گرمکن های هوا از نوع برگرداننده ( لوله ای)

می گذرد و گرما را از شبکه دریافت می کند و در نیتجه باعث گرم شدن هوا می شود. گرمکن های دورانی معروف به گرمکن های ژانگستروم از این نوع می باشند که در شکل ( 1-11) نشان داه شده است. از این نوع گرمکن ها در نیروگاه های شهید منتظر قائم و بعثت کرج به کار رفته است.

1-6-2- دریچه های کنترل هوا یا دمپرها

 برای کنترل مقدار هوای ورودی به کوره ( و به منظور تنظیم حرارت مشعل ها) از

شکل ( 1-11) : گرمکن های هوا از نوع باز تولید کننده

دریچه های کنترل هوا[27] استفاده می شود. این دریچه ها در ورودی فن مکش هوا و یا خروجی آن، و همچنین در محل هوای ورودی به هر مشعل نصب می گردند. غالباً این دریچه ها به صورت اتوماتیک کنترل می شوند، ولی با دست هم قابل کنترل هستند.