بخشی از مقاله
كارآموزي در نيروگاه گازي شهرستان دورود
خلاصه گزارش
اين گزارش در خصوص بهره برداري از نيروگاه گازي نوع B.B.C تيپ 9 تحت ليسانس كمپاني براوان باوري ساخت مشترك كشورهاي (آلمان – ايتاليا -سوئيس) باقدرت اسمي هر واحد 25 مگاوات كه در حال حاضر در سه سايت دورود – اروميه و زاهدان هر كدام به تعداد دو واحد كه زاهدان يك واحد نصب شده اند ، تهيه و تنظيم گرديده است .
كه شامل شرح اجزا اصلي و كمكي توربين گاز ، سيستمهاي فرعي – سيستمهاي حفاظت و كنترل توربين گاز – تجهيزات سخت افزاري – طريقه بهره برداري صحيح – مزايا و معايب توربين گاز و نقش آن در صنعت برق كشور و ساير موارد مي باشد.
مقدمه
1) تعريف نيروگاه : نيروگاه مجموعه اي از دستگاهها و وسايلي است كه بر حسب نوع آن انرژي حرارتي – شيميايي – هسته اي – پتانسيل را در توربين به انرژي مكانيكي تبديل نموده و انرژي مكانيكي حاصل شده در توربين با گردش ژنراتور به انرژي الكتريكي تبديل مي گردد .
2) نام گذاري نيروگاهها : نيروگاه ها بر حسب سيال عاملي كه توربين را به چرخش در مي آورد نام گذاري مي شوند مثلاً در نيروگاه آبي سيال عامل آب – در نيروگاه بخار سيال عامل بخار و در نيروگاه گازي سيال عامل گاز داغ حاصل از احتراق است .
3) انواع نيروگاه :
1- نيروگاه حرارتي:
1- سوخت فسيل:
1) نيروگاه گازي
2) نيروگاه بخاري
3) نيروگاه ديزلي
2- سوخت اتمي : نيروگاه اتمي
3- منابع نوين انرژي :
1) نيروگاه برج خورشيدي
2) نيروگاه ماهواره خورشيدي
3) نيروگاه زمين گرمايي
4) نيروگاه سلول برق خورشيدي
5) ژنراتور MHD
2) نيروگاه آبي :
1- توليد برق از سدها
2- توليد برق از جزو مد
3- توليد برق از امواج
عمده توليد برق در جهان توسط نيروگاههاي حرارتي و آبي انجام مي پذيرد و علاوه بر انواع ياد شده در مواردي هم از نيروي باد بعنوان توليد برق (نيروگاه بادي ) استفاده مي شود .
نوع ديگري از نيروگاه وجود دارد كه به آن تلمبه ذخيره اي مي گويند كه يك نوع نيروگاه آبي كوچك است كه در صورت نياز شبكه براي توليد برق و در صورت عدم نياز شبكه و بالا بودن ولتاژ بعنوان مصرف كننده برق مورد استفاده قرار مي گيرد لازم به ذكر است كه اين نوع نيروگاهها استفاده بسيار جزئي در شبكه برق سراسري دارند .همچنين از انواع رشد نيروگاه مي تواند نيروگاه سيكل تركيبي را نام برد كه از حرارت خروجي نيروگاه گازي جهت بخار كردن آب در نيروگاه بخار استفاده مي گردد.
4) خلاصه اي در مورد نيروگاه بخار :
سيال عامل دراين نيروگاه بخار آب مي باشد آب ازطريق لوله هاي بسيار زيادي از درون بويلر عبور داده مي شود اين لوله هاي حاوي آب در بويلر توسط چندين مشعل در مجاورت حرارت قرار داده شده وآب درون آنها به بخارخشك اشباع تبديل مي گردد. بخار سوپرهيت حاصل شده بر روي پره هاي توربين فرستاده شده و عمل چرخش توربين را انجام مي دهد . براي اينكه سيال درون يك سيكل بسته حركت نموده و دوباره به مصرف برسد بايد به مايع تبديل شود . چون پمپ ها نمي توانند بخار را مكش نمايند .بخار پس از عمل روي توربين به كندانسور فرستاده مي شود و در كندانسور عمل تقطير انجام شده و بخار به مايع تبديل مي گردد . سپس مايع از چهار هيتر عبور داده شده تا درجه حرارت آن بالا برود و عمل تبديل مايع به بخار در بويلر آسانتر انجام شود . پس از عبور مايع از هيترها ، به اصطلاح «سوپر هيت » شده و در درون بويلر مجدداً به بخار تبديل مي گردد .
در نيروگاههاي بخار با توجه به شرايط آب و هوايي محلي كه در آن نيروگاه نصب مي گردد از دو نوع برج خنك كننده استفاده مي شود . در مناطقي كه آب كم است از برج «خشك» و در مناطقي كه مشكل كم آبي وجود ندارد از برج «تر» استفاده مي شود . چون عمل تقطير توسط كندانسور انجام مي گردد . آب كندانسور بايد خنك شود كه اين عمل در برج خنك كن امكان پذير است .آب درون كندانسور پس از گرفتن حرارت بخار و انجام عمل تقطير جهت خنك شدن به برج خنك كننده فرستاده شده و پس از خنك شدن دوباره به كندانسور برگردانيده مي شود و اين عمل در يك سيكل بسته انجام مي گردد لازم به يادآوري است كه در برج خشك آب كندانسور توسط هوا و در برج «تر» آب كندانسور توسط آب خنك مي شود .
مزايا و معايب نيروگاه بخار :
مزايا :
هزينه جاري نيروگاه بخار نسبت به نيروگاه گازي بسيار كم است . راندمان نيروگاه بخار از نيروگاه گازي بسيار بيشتر است .براي تأمين بار پايه شبكه استفاده مي شود.
معايب :
هزينه نصب و احداث نيروگاه بخار زياد است . احداث و نصب نيروگاه بخار زمان زيادي را سپري مي نمايد .
5) نيروگاه آبي :
سيال عامل در اين نيروگاه آب است . آب در پشت سد جمع شده و با اختلاف پتانسيل به پره هاي توربين برخورد مي نمايد و توربين را به چرخش در مي آورد دور توربين در اين نيروگاه نسبت به نيروگاه و بخار كمتر است كه براي جبران دور و ايجاد فركانس 50HZ از ژنراتور هاي چند جفت قطبي استفاده مي شود .
در نيروگاه آبي از سه نوع توربين استفاده مي شود .
الف –توربين كاپلان
ب- توربين پلتن
ج- توربين فرانسيس
الف ) توربين كاپلان براي ارتفاع زياد و فشار آب كم
ب) توربين پلتن براي ارتفاع متوسط و فشار متوسط
ج) توربين فرانسيس براي ارتفاع كم و فشار آب زياد استفاده مي گردد .
ارزانترين راه توليد برق و به صرفه ترين آن توليد برق از طريق نيروگاه آبي مي باشد . احداث سد مستلزم صرف زمان و هزينه هاي زياد مي باشد .علاوه بر آن به علت كمبود منابع آب در همه مناطق هم امكان احداث سد و راه اندازي توربين آبي ميسر نمي باشد . ولي پس از احداث و راه اندازي توربينها ، هزينه جاري آن نسبت به ساير نيروگاهها بسيار كم است .از اين جهت مقرون به صرفه مي باشند .
مزايا :
هزينه جاري كم كم و زياد كردن سريع بار ، استفاده هم زمان براي توليد برق و مصارف كشاورزي ، مهار آبها جهت جلوگيري از سيلاب علاوه بر موارد ياد شده مزيت ديگر احداث سد كه شايد بهترين مزيت آن هم باشد نه تنها زيانهاي زيست محيطي ندارد بلكه براي محيط زيست مفيد هم مي باشد .
6) نيروگاه ديزلي :
ديزل يك موتور چهار زمانه احتراق داخخلي است كه با انجاام عملي متداوم تنفس –تراكم ،انفجار و تخليه و رسيدن به دور نامي ،روتور ژنراتور را به چرخش در مي آورد .اين نوع نيروگاهها قديمي هستند و در بسياري از كشورها از رده توليد برق خارج شده اند . نصب اين نيروگاهها ارزان ، زمان راه اندازي آنها كم است راندمان نيروگاه ديزلي از نيروگاه گازي بيشتر و از ساير نيروگاهها كمتر است . توليد برق در اين نيروگاه اندك است . امكان نصب آنها روي سازه ها و وسايل سيار وجود دارد . با توجه به اينكه اين گزارش در خصوص نيروگاه گازي مي باشد با صرف نظر از جزئيات ساير نيروگاهها به بحث و بررسي نيروگاه گازي بخصوص نوع B.B.C مي پردازيم .
فصل اول
1- تاريخچه و نقش واحدهاي گازي در صنعت برق
بعد از جنگ جهاني دوم مطالعات زيادي بر روي توربين گاز صورت گرفت .يكي نقش توربين گاز در صنعت هواپيمايي و ديگري نقش آن در شبكه هاي برق . با آنكه اصول در هر دو جا يكي است ولي تفاوتهاي بسياري در استفاده از توربين گاز در موتورهاي جت با توربين هاي زميني وجود دارد . در موتورهاي هواپيما مسائل وزن ، تحمل قطعات بكار رفته ، قابليت مانور و غيره داراي اهميت است . ولي در توربين هاي زميني مسائل طول عمر ، راندمان بيشتر و اصولاً مسائل اقتصادي را مي توان در نظر گرفت .
در صورتي كه براي موتور هواپيما اولويت اول مسائل فني و طراحي است و بعد مسائل اقتصادي مطرح است .
بدون شك بزرگترين استفاده از توربين گاز در زمينه توليد نيروي محركه هواپيما جت بوده است .
مهمترين نقطه عطف در اين توسعه اولين موتور آزمايشي «واتيل» در سال 1937 بود . بعد از آن تاريخ توربين هاي گازي به علت زيادتر بودن نسبت قدرت به وزنشان (kg/kw) بطور كامل جايگزين موتورهاي رفت و برگشتي شدند .
در اولين روزهاي طراحي توربين گاز دو سيستم قابل استفاده مطرح بود . يكي احتراق در فشار ثابت و ديگرري احتراق در حجم ثابت . از نظر تئوري راندمان حرارتي احتراق در سيكل حجم ثابت بزرگتر از سيكل فشار ثابت است اما مشكلات مكانيكي نيز خيلي زيادتر خواهند شد . با اضافه كردن حرارت در حجم ثابت شيرها بايد بطور كامل اتاق احتراق را از كمپرسور جدا كنند.
به اين ترتيب احتراق متناوباً انجام مي شود ، كه با كار يكنواخت توربين منافات دارد . در ضمن طراحي مكانيكي توربيني كه تحت اين شرايط اقتصادي كار كند مشكل است .گرچه كوششهاي موفقيت آميزي در آلمان طي سالهاي 1908 تا 1930 براي ساخت توربين هايي از اين نوع انجام شد ، ليكن توسعه سيستم با حجم ثابت ادامه نيافت و با توجه به اينكه در توربين هاي گازي با فشار ثابت احتراق يك فرآيند مداوم است كه در آن نيازي به شير قطع كننده نيست بسيار زود مورد قبول واقع شد ، كه سيكل ها با فشار ثابت امكانات بيشتري براي توسعه دارند .
توربين گازي در اواخر دهه 50 قرن بيستم به عنوان توليد برق در شبكه ها مورد استفاده قرار گرفت . در سال 1956 در حدود 5/1 % برق توليد شده در جهان توسط توربين گاز صورت گرفت . در صورتيكه در سال 1976 اين مقدار به عنوان 5% رسيد كه طي بيست سال افزايش قابل ملاحظه اي را نشان مي دهد . در حال حاضر حدود 25% توليد برق كشورمان توسط واحدهاي گازي انجام مي پذيرد. امروزه براي بار پايه از نيرو گاههاي آبي و بخار و براي بار متوسط از نيروگاههاي كوچكتر واحياناً قديمي تر و براي پيك بار از نيرو گاههاي گازي استفاده مي شود .و اين نوع طرز استفاده بهترين حالت اقتصادي را دارا مي باشد.
1) فلسفه نام گذاري توربين گاز :
از آنجا كه سيال عامل در اين توربين ها گاز داغ حاصل از احتراق مي باشد به آنها توربين گازي گفته مي شود . همانطور كه در توربين هاي بخار سيال عامل بخار و و در توربين هاي آبي سيال عامل آب مي باشد .
2) سيكل توربين گاز :
سيكل ترموديناميكي توربين گاز بر مبناي سيكل برايتون استوار است كه در آن هوا بصورت ايزنتروپيك توسط كمپروسور متراكم مي شود و سپس احتراق در فشار ثابت صورت مي گيرد . آنگاه انبساط ايزونتروپيك (برگشت پذير و بدون انتقال حرارت ) در توربين انجام مي شود و با دادن حرارت به محيط در فشار ثابت سيكل تكميل مي شود .
3 ) انواع سيكلهاي توربين گاز
سيكل توربين گاز به دو صورت باز و بسته مي باشد . در نوع بسته هواي تميز و يا گازي كه خاصيت خورندگي نداشته باشد وارد سيكل كرده و فشار آن را توسط كمپرسور بالا مي برند و سپس بدون اينكه با سوخت مخلوط شود ، در داخل يك مبدل درجه حرارت آن را بالا مي برند و سپس آن را وارد توربين كرده و توسط توربين كار مي گيرند بعد از خروج از توربين ان را سرد كرده و عمل را تكرار مي كنيم در صورتي كه در سيكل باز محصولات احتراق مستقيماً وارد توربين شده و از اگزوز خارج مي شوند و توسط كمپرسور مجدداً هواي تازه مكيده مي شود .
4-) سيكلهاي پيش رفته توربين گاز
سيكل باز با مبدل حرارتي
1- راندمان بيشتر
2- راندمان پايين تر
از نوع 2 در مواردي استفاده مي شود كه سوخت كثيف با قيمت ارزان در دسترس باشد .
5 ) مزايا و معايب توربين گاز
الف ) مزايا :
1- سرعت در نصب و بهره برداري : به دليل كچك بودن ، حمل نقل آن آسان است .و كارهاي نصب آن هم ساده و هم كم مي باشد و به دليل سادگي و كم بودن قسمتهاي كمكي و فرعي آن بهره برداري از آن آسان وسريع صورت مي گيرد .
2- راه اندازي و بارگيري سريع : طي حدود 10 دقيقه مي توان راه اندازي شده و به شكل قدرت دهد و تغيير بار اخذ شده از آن سريع صورت مي گيرد.
3- هزينه نصب پايين :
a) به ازاي قدرتي كه مي دهد داراي وزن كمي است.
b) اجزاء كمكي كمي دارد و احتياج به سرويس هاي زيادي ندارد .
c) فونداسيون كوچكي دارد و عموماً براي آماده كردن زمين احتياج به كارهاي گران قيمت ندارد .
d) براي نصب فضاي كمي را اشغال مي نمايد .
e) امكان نصب بر روي سازهها و پايه هاي سبك وجود دارد ، در نتيجه هزينه پايه ها يا اسكلت بنديها و نصب آن كم مي باشد .
4- امكان استفاده از سوخت هاي مختلف و تعويض سوخت در زير بار : در توربين هاي گاز مي توان از سوخت هاي مختلف گاز – گازوئيل – نفت سفيد و مازوت استفاده نمود و هيچگونه محدوديتي ندارد . همچنين مي توان از دو سوخت با هم نيز استفاده نمود .
5- عدم نياز به آب خنك كن : بدن آب خنك كن مي تواند كار كند و قسمت هاي مختلف آن توسط هوا هم مي تواند خنك شود و احتياج لازم و قطعي به آب ندارد بنابراين مي توان در نقاطي آن را نصب نمود كه منابع آب وجود ندارد .
6- كنترل از راه دور : از راه دور مي توان توربين را استارت كرد ، با شبكه پارالل نمود و ميزان بار را كم و زياد نمود بدون اينكه نياز به اپراتور محلي باشد .
7- استارت در خاموشي (Black start) : زماني كه شبكه بدون برق باشد تغذيه داخلي از طريق باطري خانه تامين مي شود و از اين طريق مي توان واحد را استارت نمود (فقط واحدهايي كه با ديزل استارت مي شوند).
8- تامين بارپيك : با توجه به هزينه هاي نصب پائيني كه دارد و با توجه به راه اندازي سريع آن مي تواند در موق پيك ، بار مورد نياز را تامين كند .
9- استفاده به صورت موتور سنكرون (كندانسور شدن) : ژنراتور توربين گازي مي تواند در مواقع لزوم به صورت موتور سنكرون عمل كند . بدون آنكه دور آن تغيير كند . از اين طريق مي توان جهت استارت توربين گاز استفاده نمود . همچنين در مواقعي كه لازم است برق اضافي شبكه به مصرف برسد مورد استفاده قرار مي گيرد .
10- استفاده از حرارت خروجي توربين گاز جهت بخار كردن آب در بويلر نيروگاه بخار و طراحي نيروگاه سيكل تركيبي .
كندانسور كردن :
جدا كردن توربين از ژنراتور و جداكردن ژنراتور به صورت موتور سنكرون را كندانسور مي گويند . كندانسور كردن ژنراتور مستلزم آن است كه ژنراتور به دور سنكرون (300.r.p.m) رسانده شود .
دليل آن اين است كه در هر دوري بجز دور 3000 انجام عمل كندانسور كردن موجب صدمه ديدن ژنراتور مي شود . مصرف مگا وات موجود در شبكه در ساعات مختلف شبانه روز متفاوت است . به گونه اي كه در ساعاتي از شبانه روز مگاوات موجود در شبكه بيش از از حد لزوم مي باشد . وجود اين مگاوات اضافي در شبكه باعث صدمه ديدگي خطوط شبكه در اثر عوامل گوناگوني از قبيل گرم شدن خطوط انتقال ، بالا رفتن ولتاژ در شبكه و به طور كلي موجب بروز اختلال در ضريب قدرت (cos o) مي شود . اشكال ديگري كه در صورت وجود مگا وات اضافي در شبكه بوجود مي آيد احتمال پيدايش اختلاف در فركانس و ولتاژ شبكه است . براي جلوگيري از اين اختلافان به طور كلي مي توان مگا وات توليدي توسط توربين هاي مختلف در نيروگاه ها را به حداقل كاهش داد .
ولي در بعضي مواقع حتي با وجود كاهش مگا واتي تا مرز ممكن ، همچنان مگا وات اضافي در شبكه وجود دارد و در اين مرحله است كه نقش توربين هاي گازي مطرح مي شود كه مي توان با تبديل ژنراتور اين واحدها به موتور نه تنهاي باري به شبكه نداد بلكه مقداري از بار شبكه را نيز مصرف كرد .
ب) معايب توربين هاي گازي :
1- بازده ماكزيمم توربين هاي گازي كمتر از موتورهاي احتراقي داخلي و حتي توربين بخار است چون گازهاي داغ و خروجي از اگزوز هنوز داراي مقدار زيادي انرژي مي باشند ، كه به هدر مي روند .
2- كاهش بازده در شرايط نيمه بار (Part load) : ماكزيمم بازده در ماكزيمم بار اتفاق مي افتد .
3- چون محصولات احتراق مستقيماً و دردماي بالا وارد توربين مي شوند ، لذا نسبت به مواد خورنده در سوخت و هوا حساس مي باشند و به همين دليل بايد بر تعداد بازرسيهاي مسير داغ افزوده وحجم تعميرات در قطعات مسير داغ بالا است .
4- بالا بودن خرج جاري : با توجه به مصرف بالاي سوخت و حجم تعميرات واحدهاي گازي خرج جاري آنها زياد است .
5- تاثير زياد دماي محيط و فشار هوا : افزايش دماي محيط و ارتفاع محل نصب از سطح دريا (كاهش فشار محيط )راندمان واحدهاي گازي را كاهش مي دهد . چون در هر دو حالت حجم مخصوص هوا كاهش مي يابد و كمپرسور براي دبي معين از هوا كار بيشتري را بايد انجام دهد .
6- شتاب گرفتن آن كند است در نتيجه در وسايل نقليه زميني از آن استفاده نمي شود .
توربين هاي گازي مورد استفاده در ايران :
توربين هاي گازي كه در نيروگاههاي ايران مورد استفاده قرار گرفته اند اكثراً از چهار نوع جنرال الكتريك ، وستنگهاوس ، براون باوري و زيمنس مي باشند كه در جدول زير مشخصات هر كدام به طور خلاصه آورده شده است .
نوع تعداد مراحل كمپرس تعداد مراحل توربين تعداد اتاقهاي احتراق سرعت
R.P.M توان توليدي ناخالص توان توليدي خالص ولتاژKV
جنرال الكتريكي 17 2 10 5100 25 18 5/10
وستنگهاوس 18 3 8 4894 35 29 00/11
براون باوري 17 4 1 4700 25 20 5/11
زيمنس 16 4 2 3000 60 48 5/10
جدول 1-1 – مشخصات توربين هاي بكار رفته در ايران
جنرال الكتريك : هيناچي – آليتوم – AEG
وستگهاوس : A.C.E.C
اصول كار يك توربين گازي :
اصول كار يك توربين گازي :
اصول كار يك توربين گازي از نظرمراحل مانند يك موتور چهار زمانه احتراق داخلي است بدين ترتيب كه الف : تنفس : هواي آزاد توسط كمپرسور مكيده مي شود .
ب : تراكم : در كمپرسور هو مرتكم مي شود .
ج – احتراق : توسط سوخت پاش در اتاق سوخت پاشيده شده و احتراق مي شود و توسط توربين كار صورت مي گيرد .
