نیروگاه حرارتی | چیدمان، طرزکار، اجزا و مزایای آن

توسعه نیروگاه حرارتی در هر کشور به منابع موجود در آن کشور بستگی دارد. نیروگاه آبی کاملا به در دسترس بودن طبیعی زمین و چرخه هیدرولوژیکی بستگی دارد. سایت های جدید را نمی توان به صورت دستی برای نیروگاه های آبی ایجاد کرد.

توسعه نیروگاه هسته ای نیازمند به سرمایه گذاری و فناوری بالایی است. اگر خشکسالی حتی یک بار در طول یک دهه اتفاق بیفتد بسیاری از نیروگاه های آبی کوچک آسیب می بینند. برای غلبه بر این مشکل، توسعه نیروگاه های حرارتی برای نیروگاه های بار پایه ضروری است.

طرح نیروگاه حرارتی مدرن

طرح کلی نیروگاه حرارتی مطابق شکل و از چهار مدار زیر تشکیل شده است:

1. مدار زغال سنگ و خاکستر

2. مدار خاکستر و گاز

3. مدار جریان آب و بخار

4. مدار آب خنک کننده

مدارهای فوق شامل موارد زیر هستند:

• مخزن زغال سنگ
• سیستم انتقال زغال سنگ
• مخزن خاکستر و سیستم انتقال خاکستر
• بویلر فشار بالا
• لوازم جانبی بویلر مانند پیش گرمکن هوا، اکونومایزر، سوپرهیتر و واحد تامین آب تغذیه
• کندانسور و پمپ استخراج میعانات
• برج خنک کننده و پمپ گردش آب
• توربین
• ژنراتور
• سیستم تهویه
• دودکش بویلر

طرز کار نیروگاه حرارتی

زغال سنگ دریافتی از محوطه ذخیره زغال سنگ نیروگاه توسط واحد جابجایی زغال سنگ به کوره منتقل می شود. گرمای تولید شده در اثر سوزاندن زغال سنگ در تبدیل آب موجود در درام بویلر به بخار در فشار و دمای مناسب استفاده می شود.

بخار تولید شده از سوپرهیتر عبور می کند. سپس بخار فوق گرم در توربین جریان می یابد. فشار پس از انجام برخی کارها در توربین کاهش می یابد. بخار پس از خروج از توربین از کندانسور عبور می کند، در این بخش فشار پایین خروجی توربین حفظ می شود.

فشار بخار در کندانسور به سرعت جریان و دمای جریان آب خنک کننده و کارایی تجهیزات حذف هوا بستگی دارد. آبی که در کندانسور جریان دارد ممکن است از منابع مختلفی مانند رودخانه، دریاچه یا دریا گرفته شود.

اگر مقدار کافی آب در دسترس نباشد، آب گرم خارج شده از کندانسور را می توان در برج های خنک کننده خنک کرد و دوباره در کندانسور به کار برد. بخار گرفته شده از توربین به هیترهای فشار پایین و فشار بالا فرستاده می شود.

هوای گرفته شده از محیط ابتدا از پیش گرمکن هوا عبور می کند و در آنجا توسط گازهای خروجی گرم می شود. سپس هوای گرم از کوره عبور می کند. گازهای خروجی در گردگیر و سپس در اکونومایزر و پیش گرمکن هوا جریان یافته و در نهایت از طریق دودکش به اتمسفر تخلیه می شوند.

عوامل انتخاب مکان برای نیروگاه حرارتی

برای انتخاب مکان برای نیروگاه حرارتی عوامل زیر باید در نظر گرفته شود:

1. دسترسی به زغال سنگ

زغال سنگ باید به مقدار کافی در نزدیکی نیروگاه با هزینه کم در دسترس باشد.

2. امکانات دفع خاکستر

باید فضای کافی برای دفع مقدار زیادی خاکستر وجود داشته باشد.

3. فضای مورد نیاز

زمین کافی برای ساخت نیروگاه با هزینه کم و امکان توسعه در آینده باید در دسترس باشد.

4. ماهیت زمین

محل ساخت نیروگاه باید ظرفیت بارپذیری خوبی برای تحمل بار مرده نیروگاه داشته باشد.

5. دسترسی به آب

مقدار زیادی آب باید برای آشامیدن، تغلیظ، دفع خاکستر و به عنوان آب تغذیه با هزینه کم در طول سال در نزدیکی محل در دسترس باشد.

6. امکانات حمل و نقل

محل باید به خطوط حمل و نقل مناسب مانند جاده و راه آهن برای آوردن ماشین آلات، زغال سنگ و غیره متصل باشد.

7. دسترسی به  نیروی کار

نیروی کار ارزان و زیاد باید در محل پیشنهادی در دسترس باشد زیرا در طول ساخت نیروگاه به تعداد زیادی نیروی کار نیاز است.

8. مشکلات عمومی

محل باید دور از شهرها باشد تا از مزاحمت ناشی از دود، خاکستر معلق در هوا و غیره جلوگیری شود.

مواد مورد نیاز نیروگاه حرارتی

مواد اولیه زیر در نیروگاه حرارتی مورد نیاز است:

• آب تغذیه
• زغال سنگ
• آب خنک کننده
• آب برای دفع خاکستر
• گاز SO₂
• هوا

1) آب تغذیه

آب تغذیه، آبی است که از طریق مدار بسته نیروگاه به گردش در می آید و در بویلر به بخار تبدیل می شود. به عنوان مثال، یک نیروگاه با ظرفیت 100 مگاوات ممکن است به حدود 500 تن آب در ساعت نیاز داشته باشد تا در سیستم گردش کند.

2) زغال سنگ

زغال سنگ برای تبدیل آب تغذیه به بخار لازم است. بنابراین زغال سنگ باید به مقدار کافی موجود باشد به طوری که نیروگاه به دلیل کمبود زغال سنگ متوقف نشود. نزدیک به 1500 تن زغال سنگ در روز برای نیروگاه با ظرفیت 100 مگاوات که  5kg/kWh بخار تولید می کند مورد نیاز است.

3) آب خنک کننده

آب خنک کننده برای متراکم کردن بخار خروجی از توربین ها مورد نیاز است. برای یک نیروگاه 100 مگاواتی نزدیک به 25000 تن در ساعت آب لازم است.

4) آب برای دفع خاکستر

مقدار زیادی آب برای دفع خاکستر مورد نیاز است. به ازای هر کیلوگرم خاکستر تقریبا 5 کیلوگرم آب مورد نیاز است.

5) گاز SO₂ (گوگرد کم حاوی زغال سنگ)

ما همیشه باید زغال سنگی حاوی گوگرد کم داشته باشیم زیرا با سوزاندن زغال سنگ SO₂ تولید می شود که این گاز سمی برای سلامتی انسان و حیوانات و همچنین برای محصولات بسیار مضر است. در نیروگاه 100 مگاواتی با سوزاندن زغال سنگ حاوی گوگرد 1 تا 1.5 درصد نزدیک به 1.8 تن در ساعت مقدار SO₂ تولید می شود. این SO₂ باید با استفاده از تکنولوژی کاملا از گازهای خروجی حذف شود.

6) هوا

هوا برای احتراق سوخت و همچنین برای خنک کردن آب در برج خنک کننده مورد نیاز است. نزدیک به 1200 تن هوا در ساعت برای نیروگاه با ظرفیت 100 مگاوات و حدود25000 تن هوا در ساعت برای گردش در برج خنک کننده مورد نیاز است.

انواع سوخت های مصرفی در نیروگاه های حرارتی

• گازطبیعی
• زغال سنگ
• نفت
• انرژی زمین گرمایی
• سوخت هسته ای
• گرمای اتلافی حاصل از فرآیندهای صنعتی
• زیست توده  (بیومس) – سوخت این نیروگاه ها از زباله های نیشکر، گاز متان ناشی از دفن زباله و زباله های شهری و غیره تامین می شود.
• گرمای خورشید
• گاز کوره بلند

مزایای نیروگاه حرارتی

• هزینه سوخت نیروگاه حرارتی نسبتا پایین است
• انرژی حرارتی در همه جای دنیا قابل تولید است
• سیستم تولید حرارت در مقایسه با سایر سیستم ها ساده است
• به طور کل سیستم آن مقرون به صرفه است
• مکانیزم آسان
• از همان حرارت می توان دوباره استفاده کرد
• تعمیر و نگهداری آسان تر
• استفاده از آب در اینجا ضروری است، بنابراین هر مکان با آب کافی جای مناسبی برای ساخت نیروگاه حرارتی است
• این نیروگاه ها برای نصب به فضای نسبتا کوچکی نیاز دارند
• هزینه ساخت آن به دلیل نزدیک بودن به مناطق شهری ارزان تر است
• این نیروگاه ها ظرف چند سال تکمیل می شوند
• به طور کلی در نزدیکی مناطق شهری قرار دارند
• دامنه گسترش آن نامحدود است
• می توانند در نزدیکی مراکز مصرف قرار گیرند
• نسبت هزینه به فایده آن در مقایسه با نیروگاه برق آبی (هیدروالکتریک) همیشه بهتر است

معایب نیروگاه حرارتی

• مواد خام مورد استفاده منابع تمام شدنی هستند
• توانایی این نیروگاه ها به کیفیت زغال سنگ بستگی دارد
• هزینه نگهداری بالا
• تولید بالای CO₂ در جو
• گازهای خروجی به محیط زیست آسیب بدی می زنند
• راندمان کلی پایین
• موتورهای حرارتی به مقدار زیادی روغن روان کننده نیاز دارند که بسیار گران است
• نیروگاه های حرارتی هسته ای برای خنک سازی به مقدار زیادی آب نیاز دارند
• نیروگاه حرارتی زغال سنگ به زمان بیشتری نیاز دارد تا توان تولیدی را به شبکه برساند
• طول عمر کوتاه تر
• حفظ تولید بهینه برای مدت طولانی بسیار دشوار است