نیروگاه حرارتی، ایالات متحده آمریکا

دانلود پایان نامه

سوختنی باعث حرکت محور مربوط و بالاخره فعالیت ژنراتور(مولد برق) می شود.
نامگذاری نیروگاهها به عنوان بخاری، آبی، گازی و… بر اساس عامل گرداننده پره های توربین یا محور اصلی مربوط به آن است و سوخت نیروگاهها از جمله زغال سنگ، نفت کوره(مازوت)، گازوئیل، گاز و… نقشی در نامگذاری نیروگاه ندارد.
۲-۳-۵ نیروگاه
نیروگاه برق (که با نام‌های کارخانه برق یا پست نیرو هم شناخته می‌شود) مجوعه‌ای از تاسیسات صنعتی است که از آن برای تولید انرژی الکتریکی استفاده می‌شود.
وظیفه اصلی یک نیروگاه تبدیل انرژی از دیگر شکل‌های آن مانند انرژی شیمیایی، انرژی هسته‌ای، انرژی پتانسیل گرانشی و… به انرژی الکتریکی است. وظیفه اصلی در تقریبا همه نیروگاه‌ها بر عهده مولد یا ژنراتور است، ماشینی دوار که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی مورد نیاز برای چرخاندن یک ژنراتور از راه‌های مختلفی تامین می‌شود و عموما به میزان دسترسی به منابع مختلف انرژی در آن منطقه و دانش فنی گروه سازنده بستگی دارد.
۲-۳-۶ طبقه‌بندی نیرو گاه هابراساس نوع سوخت مصرفی و عامل محرک به صورت زیر است.
۲-۳-۷ طبقه بندی از نظر نوع منبع انرژی
۲-۳-۸ نیروگاه هسته‌ای
که از یک راکتور هسته‌ای برای تولید گرما و چرخاندن توربین‌های بخار استفاده می‌کند. نیروگاه هسته‌ای به تاسیساتی صنعتی و نیروگاهی می‌گویند که بر پایه فناوری هسته‌ای و با کنترل فرآیند شکافت هسته‌ای، از گرمای تولید شده آن اقدام به تولید انرژی الکتریکی می‌کند.کنترل انرژی هسته‌ای با حفظ تعادل در فرآیند شکافت هسته‌ای همراه است که با استفاده از گرمای تولیدی برای تولید بخار آب (مانند بیشتر نیروگاه‌های گرمایی) اقدام به چرخاندن توربین‌های بخار و به دنبال آن ژنراتورها می‌کند. در سوخت های هسته ای از حرارت حاصل از فعل و انفعالات شیمیایی در هسته اتم به صورت کنترل شده برای تولید بخار در نیروگاه استفاده می گردد.
۲-۳-۹ چرخه سوخت هسته‌ای
(?)این چرخه با استخراج سوخت از معادن آغاز می‌شود
(?)سوخت به نیروگاه‌های هسته‌ای فرستاده می‌شود، پس از پایان عمر سوخت، سوخت به تاسیسات بازفرآوری فرستاده می‌شود
(?)در فرآیند باز فرآوری تا ??? از سوخت مصرف شده دوباره به چرخه باز می‌گردد.
(?)یا آنکه برای انبار شدن به انبار ضایعات اتمی فرستاده می‌شود.
ایالات متحده آمریکا با تولید حدود ??? انرژی مورد نیاز خود از راکتورهای هسته‌ای در میزان کل تولید انرژی هسته‌ای جایگاه اول جهان را داراست، حال آن که فرانسه با تولید ??? انرژی الکتریکی مورد نیاز خود در ?? نیروگاه هسته‌ای از نظر درصد دارای رتبه نخست در جهان است. این درحالی است که در کل اروپا، انرژی هسته‌ای ??? برق مصرفی این قاره را تامین می‌کند.
۲-۳-۱۰ نیروگاه سوخت فسیلی
که انرژی گرمایی مورد نیاز را از سوزاندن سوخت‌های فسیلی مانند نفت، گاز طبیعی یا زغال سنگ تامین می‌کند. سوخت های فسیلی عمدتا از کربن و هیدروژن تشکیل شده اند که در صورت ترکیب با اکسیژن تولید حرارت نموده و حرارت حاصل برای تولید بخار یا انرژی در نیروگاه های بخار، گازی و دیزلی مورد استفاده قرار می گیرد. سوخت فسیلی به صورت گاز، مایع و جامد وجود دارد.
سوخت های گازی بعد از سوخت هسته ای تمیز ترین نوع سوخت در حال حاضر شناخته شده است، این نوع سوخت بصورت گاز طبیعی در مخازن گاز، گاز طبیعی در مجاورت مخازن نفت خام یا گازهای تولید شده در پالایشگاه ها و یا در فرآیند های شیمیایی قابل دسترس می باشد. گاز طبیعی بهترین سوخت آماده مصرف است که ترکیبی از متان(ch4) به میزان ۸۰ تا ۹۹ درصد و ۱۰ درصد بقیه آن شامل اتان، پروپان، بوتان و نیتروژن می باشد. ممکن است ناخالصی هایی مانند دی اکسید کربن وH2S و ترکیبات الی سولفور به میزان یک درصد نیز در گاز طبیعی موجود باشد. مصرف صنعتی گاز برای نیروگاه ها از طریق لوله های گاز تحت فشار به محل نیروگاه انتقال داده می شود و پس از تقلیل فشار گاز در مجاورت محل مصرف مستقیما به مشعل های دیگر منتقل می گردد.
۲-۳-۱۱ سوخت های مایع مورد استفاده در نیروگاه ها شامل :
نفت کوره(Residual oil) نفت کوره یکی از محصولات پالایش نفت خام است که در درجات مختلف از طریق تقطیر، کراکینگ یا مخلوطی از آنها به دست می اید که نوع سبک آن گازوئیل و نوع نیمه سنگین آن مازوت می باشد. مازوت یکی از پس مانه های پالایش نفت است که دارای پایین ترین کیفیت از نظر سوختن و بالاترین درجه در آلوده سازی هوا می باشد. در حال حاضر حدود ۳۰ تا ۴۰ درصد از تولید پالایشگاه های ایران مازوت است. مواد اصلی تشکیل دهنده نفت کوره شامل ترکیبات پارافینیک، پارافین ها، الفین های خطی، نفتن های حلقویو ترکیبات اروماتیک است، گوگرد و خاکستر نیز از مواد زائد موجود در نفت کوره می باشند ارزش حرارتی نفت کوره به طور متوسط ۹۲۳۰ کیلو کالری بر کیلو گرم است. مطابق استاندارد های ASTMنفت کوره را به پنج درجه (D6, D5, D4, D2, D1) تقسیم بندی می کنند. این درجه بندی بر حسب وزن مخصوص و ویسکوزیته نفت کوره انجام می شود. لازم به توضیح است کهدر مصارف جدید درصد گوگرد موجود در نفت کوره را نیز مورد نظر قرار می دهند. در صورتی که نفت کوره حاوی بیش از ۵/۰ درصد وزنی سولفور باشد مسایل خوردگی جدی و شکل رسوب گذاری روی صفحات حرارت گیرنده را همراه خواهد داشت. خاکستر موجود در نفت کوره موجب از بین رفتن مواد نسوز جداره های کوره خواهد شد.
۲-۳-۱۲ سوخت های جام
د
سوخت های جامد مصرفی در نیرو گاه ها شامل زغال سنک و کک می باشد. ذغال سنگ(Coal) یکی از سوخت های فسیلی است که طی میلیون ها سال از بقایای گیاهان تحت فشار و درجه حرارت بالا به وجود آمده است. مطابق استاندارد های ASTM رتبه بندی زغال سنگ بر اساس کربن غیر فعال فرار و ارزش حرارتی بر مبنای زغال عاری از مواد معدنی و رطوبت انجام می شود.
کک(Coke) چنانچه زغال سنگ در غیاب هوا حرارت داده شود مواد سبک تبخیر و هیدروکربوها سنگین شکسته شده و هیدروژن آنها آزاد می شود و کربن باقی می ماند این کربن باقیمانده که حاوی خاکستر وسولفور نیز می باشد کک نامیده می شود.
۲-۳-۱۳ نیروگاههای انرژی‌های تجدید پذیر
نیروگاه‌هایی که انرژی مورد نیاز خود را از انرژی بادی، انرژی خورشیدی، انرژی جزر و مد دریا، انرژی حرارتی موجود در آبهای اعماق زمین، سوزاندن ضایعات مزارع نیشکر، زباله‌های شهری، بیوگازها و دیگر منابع این چنینی تامین می‌کند.
۲-۳-۱۴ طبقه‌بندی نیرو گاه ها از نظر نوع عامل محرک
۲-۳-۱۵ توربین بخار نیروگاه حرارتی
در این دستگاه‌ها از فشار دینامیکی بخار برای چرخاندن پره‌های دستگاه استفاده می‌شود. تقریبا همه توربین‌های بزرگ غیر آبی از این نوع هستند. در یک نیروگاه حرارتی انرژی مکانیکی مورد نیاز برای به حرکت در آوردن مولدها به وسیله حرارتی که معمولا از سوختن سوخت‌ها به وجود می آید تامین می‌شود. بیشتر نیروگاه‌های حرارتی (در حدود ?? درصد آنها) از بخار برای انتقال حرارت و ایجاد انرژی مکانیکی استفاده می‌کنند و به همین دلیل این نیروگاه‌ها را نیروگاه‌های بخاری نیز می‌نامند. بر طبق قانون دوم ترمودینامیک هرگز نمی‌توان تمامی انرژی حرارتی را به انرژی مکانیکی تبدیل کرد بنابر این همیشه مقداری از حرارت اضافی در محیط آزاد می‌شود، حال اگر از این حرارت برای انجام فرآیندهای صنعتی یا گرمایش ناحیه‌ای استفاده کنیم می‌توانیم راندمان استفاده از انرژی را بالا ببریم، این روش که در برخی تاسیسات حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرد، سیستم ترکیبی گرما و نیرو یا CHP نام دارد.
۲-۳-۱۶ اصول عملکرد توربین های گازی
طبق تعریف، کار مکانیکی عبارت است از حاصل ضرب نیروی مقاوم در جا به جایی برای استخراج کار مکانیکی از انرژی ذخیره شده در گاز، باید به نحوی آن را منبسط کرد، اما این انبساط تنها در شرایط خاصی می تواند تولید کار کار نماید. فرض کنید به گاز داخل یک سیلندر، که در فشار اتمسفر قرار دارد، گرما دهیم، در اثر گرم شدن گاز منبسط می شود و بخشی از آن سیلندر را خواهد شکافت، بدین ترتیب چون هیچ نیروی مقاومی در برابر این انبساط وجود ندارد تا جابجا گردد، کاری هم تولید نمی شود. به عبارت دیگر، برای اینکه بتوان از این انبساط حجم، کاری بدست آورد، باید یک نیروی مقاوم در برابر انبساط گاز وجود داشته باشد.
برای ایجاد این نیروی مقاوم می توانیم با یک پیستون، گاز را محبوس کرده و وزنه ای روی پیستون قرار دهیم. با این کار، گاز در داخل سیلند فشرده می شود. مقدار کار صرف شده برای ایجاد این فشرده سازی، برابر با ۱mgx می باشد. چنانچه در زیر این سیلند شعله ای قرار گیرد، در اثر بالا رفتن دمای سیلندر، گاز شروع به انبساط می کند، ولی سنگینی وزنه بر خلاف نیروی انبساط گاز، فشار وارد میکند. با حرارت دهی بیشتر نیروی حاصل از انبساط گاز، بر سنگینی وزنه غلبه کرده و وزنه را بالا می برد. در نهایت بر اثر انبساط گاز،جابجایی بوجود می آید که به مفهوم انجام کار می باشد. مقدار این کار، برابر است با میزان نیروی مقاوم وزنه در مقدار جابجایی آن یعنی ۲mgx این مقدار کار را میتوان از طریق پارامتر های مربوط به سیلندر تعریف کرد. به عبارت دیگر کار انجام شده برابر است با حاصل ضرب فشار د رتغییر حجم سیلندر.
اگر از اتلاف انرژی در این سیستم صرف نظر نماییم، با خاموش شدن شعله زیر سیلند، دیگر وزنه بالاتر نرفته و در ارتفاعی ساکن می ماند. در این حالت فشار درون سیلندر برابر با p می ماند. حال از پایین این سیلندر و بوسیله یک شیر، مجرایی به بیرون باز می کنیم و پره ای را در مقابل مسیر خروج گاز ها قرار می دهیم. با باز شدن شیر، جریانی از گاز تحت فشار به بیرون از سیلندر جریان می یابد. در حین خروج گاز از شیر، سرعت آن افزایش یافته و پس از برخورد با پره، سبب چرخش آن می شود. به عبارت دیگر با حرکت پره، انرژی جنبشی گاز به کار مکانیکی تبدیل می گردد. با فرض ثابت بودن سرعت حرکت پیستون، فشار داخل سیلندر تقریبا ثابت می ماند. به مرور زمان و با خروج گاز، پیستون پایین می اید تا جاییکه همه گاز درون سیلندر تخلیه گردد و دیگر گازی، برای خارج شدن باقی نماند. در این زمان درون فشار درون نیز برابر فشار محیط می شود. با صفر شدن اختلاف فشار محیط و درون سیلندر، دیگر جریان هوایی با انرژی جنبشی بالا برای چرخاندن پره وجود نخواهد داشت و لذا پره از حرکت باز می ماند. برای انکه بتوانیم در پره حرکت مستمر داشته باشیم، باید مقدار انرژی جنبشی مورد نیاز را در مقداری خاص حفظ نماییم. به عبارت دیگر اختلاف فشار هوای درون و بیرون سیلندر باید ثابت باشد. فشار محیط برابر اتمسفر و ثابت است، در نتیجه فشار درون سیلندر نیز باید حفش شود تا اختلاف فشار ثابت بماند. به همین دلیل با خارج شدن هوا از داخل سیلندر، باید به شکلی آنرا جبران نمود. برای حصول این مقصود، از نقطه ای دیگر در سیلندر، مقدار هوای معادل با هوای خارج شده، وارد می گردد. برای اینکه بتوانیم دائما به سیلندر هو
ای جایگزین وارد نماییم، باید هوای ورودی دارای فشاری بالاتر از فشار سیلندر باشد. لذا باید انرژی صرف شود تا هوایی با فشار بالاتر تولید و درون سیلندر تزریق شود. این انرژی را می توان از کار تولید شده در پره ها تامین نمود. با گرم کردن هوای فشرده شده درون سیلندر، حجم آن افزایش یافته و انرژی پتانسیل آن نیز افزایش می یابد. این انرژی افزوده شده، با گرداندن پره به انرژی مکانیکی قابل استحصال تبدیل می شود. در نتیجه برای استمرار کارکرد پایدار سیستم باید به طور مداوم انرژی گرمایی به هوای فشرده شده، تزریق شود. این مثال ساده اساس کار کرد توربین های گازی می باشد. ابتدا هوا در بخشی به نام کمپرسور فشرده می شود تا وارد محفظه احتراق گردد. در محفظه احتراق با سوزاندن سوخت فسیلی، هوای فشرده می شود تا وارد محفظه احتراق گردد. در محفظه احتراق با سوزاندن سوخت فسیلی، هوای فشرده تزریقی گرم می شود و تولید سیال با انرژی جنبشی بالا می نماید. این سیال به سمت پره های توربین هدایت می شود تا به کمک آن کار مکانیکی تولید نماید. کار تولید شده صرف چرخاندن کمپرسور هوا و دستگاه های دیگر مانند ژنراتور می گردد. به طور کلی می توان گفت که یک توربین گازی دارای سه بخش اصلی است:
۱- وسیله ای برای فشرده کردن هوا یا کمپرسور
۲- بستری برای انجام واکنش احتراق یا محفظه احتراق
۳- وسیله ای برای استخراج کار یا توربین
در این دستگاه‌ها از گاز به عنوان عامل محرک استفاده می‌شود. به عبارت دیگر این توربین‌ها از فشار گازهای ناشی از سوختن سوخت‌ها برای به حرکت درامدن استفاده می‌کنند. مزیت این توربین‌ها در قابلیت راه‌اندازی سریع آنهاست و از این رو برای جبران مصرف بالا در ساعات اوج مصرف (ساعات پیک) از آنها استفاده می‌شود اما با این حال هزینه‌های مربوط به این توربین‌ها بالاست و بنابراین استفاده از آنها محدود است.
۲-۳-۱۶ سیکل ترکیبی
در این چرخه از ترکیبی از توربین‌های گازی و بخار استفاده می‌شود به این ترتیب که با سوختن سوخت از گازهای ایجاد شده برای به حرکت درآوردن توربین‌های گازی و از گرمای تولیدی از سوختن برای بخار کردن آب و به حرکت درآوردن توربین‌های بخار استفاده می‌شود. استفاده از این روش به علت بازده بالای آن به سرعت در حال افزایش است. . توربین‌های گازی مرکب انرژی خود را به طور هم‌زمان از اب و فشار گاز می‌گیرند. در این نیروگاه‌ها انرژی مورد نیاز به وسیله سوختن گاز طبیعی و از طریق گازهای داغ در یک توربین گازی تامین می‌گردد و از مازاد انرژی برای گرم کردن آب و تبدیل بیشتر انرژی استفاده می‌شود. راندمان این نیروگاه‌ها معمولا بالاتر از ???