مقدمه :

مصرف انرژی در دنیای امروز به طور سرسام آوری رو به افزایش است . بشر مترقی امروز ، برای تولید آب آشامیدنی ، برای تولید مواد غذایی و برای کلیه کارهای روزمره خود به استفاده از انرژی نیاز دارد و بدون آن زندگی او با مشکلات فراوانی روبرو خواهد بود .

طبق برآوردهایی که دانشمندان می نمایند ، از ابتدای خلقت تا سال 1230 ه .ش ، بشر معادل  کیلووات ساعت و در فاصله 1230 تا 1330 نیز  کیلووات ساعت انرژی مصرف نموده است.

و پيش بيني مي شود که فاصلۀ 1330 تا 1430 مصرف انرژي  تا  کيلو وات ساعت باشد.

امروزه قسمت اعظم مصرف انرژي به وسيله کشورهاي صنعتي بوده و هر چه کشوری صنعتي تر بوده و از نظر اقتصادي مرفه تر باشد مصرف انرژي سرانه آن نيز بيشتر خواهد بود. به طوري که رابطه مستقيمي بين مصرف انرژي به خصوص مصرف انرژي الکتريکي و درآمد سرانه هر کشوري وجود دارد. با افزايش روزافزون مصرف انرژي در دنيا بشر همواره در جستجوي منابع جديد و يافتن راههاي اقتصادي استفاده از آنها براي تأمين احتياجات خانگي و صنعتي بوده است و در اين بين، چون انرژي الکتريکي صورتي از انرژي است که راحت تر به انرژي هاي ديگر ( قابل استفاده بشر) تبديل مي شود و انرژي تميزي از نظر ضايعات مي باشد ، تلاش هاي بشري بيشتر در زمينه توليد انرژي الکتريکي مي باشد . چند نمونه از منابع شناخته شده انرژي که خداوند در اختيار بشر قرار داده است و بشر مي تواند از آن براي توليد انرژي الکتريکي استفاده کند عبارتند از :

1- انرژي سوخت هاي فسيلي      2- انرژي آب                   3- انرژي باد

4- انرژي واکنش هاي هسته اي   5- انرژي  جزر و مد امواج دريا  

6- حرارت زير پوستۀ زمين

که هر يک از اين انرژيهاي براي اينکه بتواند به انرژي الکتريکي تبديل شود بايد مراحلي را طي کند که مسائل و مشکلات توليد برق براي بشر امروز نيز در طي همين مراحل است. براي مثال يکي از راه هايي که بشر از انرژي سوخت براي توليد سوخت استفاده مي کندايجاد نيروگاههاي حرارتي بخار، گازي و يا سيکل ترکيبي مي باشد. که فرايند هاي زيادي را شامل مي شود و تمام اين فرايند ها در مجموع سيکل نيروگاه بخار توليد برق (Power Plant) را تشکيل مي دهد که موضوع اصلي گزارش ما نيز مي باشد.

انواع نيروگاه ها :

در حال حاظر نيروگاه هايي که براي توليد برق استفاده مي شوند و متداول هستند را مي توان به 6 دسته طبقه بندي کرد :

1-   نيروگاه ديزلي

2-   نيروگاه آبي

3-   نيروگاه اتمي

4-   نيروگاه گازي

5-   نيروگاه بخاري

6-   نيروگاه ترکيبي

از آنجا که اکثر نيروگاه هاي توليد برق در ايران و همچنين مهمترين منبع توليد برق در کشور نيروگاه هاي گازي، بخاري ، آبي و يا سيکل ترکيبي هستند به اختصار در مورد آنها توضيحي داده مي شود :

نيروگاه گازي :

اصول کار نيروگاه گازي بدين صورت است که هواي آزاد توسط يک کمپرسور فشرده شده و سپس همراه سوخت در اتاق احتراق ، محترق شده و داراي درجه حرارت بالا مي گردد. حال این گازهای پر فشار و داغ وارد توربین شده و محور  ژنراتور را می گرداند و سپس از اگزوز توربین به بیرون رانده می شود . توان گرفته شده از توربین معمولاً به محور ژنراتور و کمپرسور منتقل می گردد . حدود یک سوم این توان در ژنراتور تبدیل به انرژی الکتریکی می گردد و بقیه جهت چرخاندن محور کمپرسورغلبه بر تلافات مصرف می گردد و بهمین خاطر راندمان توربینهای گازی پایین و حدود 27 درصد است .

نیروگاه آبی :

اساس کار نیروگاه آبی آنست که از انرژی پتانسیل آب ذخیره شده در پشت سد برای چرخاندن توربین آبی و در نتیجه چرخاندن ژنراتور استفاده می شود و برق تولید می گردد . احداث این نیروگاهها بستگی به شرایط جغرافیایی و مکانی و وجود آب رودخانه دارد در کشورهایی که منابع آبی فراوان دارند احداث نیروگاه آبی بسیار مفید است چرا که برق تولیدی آنها بسیار ارزانتر است و راندمان این نیروگاهها بسیار بالا ست ( 80 تا 90 درصد ) و راه اندازی آن ساده است و در زمان کوتاهی می تواند وارد شبکه شود . همچنین از دیگر مزایای نیروگاههای آبی کنترل آبهای سطحی در پشت سد و استفاده در بخش کشاورزی است .

نیروگاه بخار:

اساس کار نیروگاه های بخاری بدین منوال است که بخار تولید شده در دیگ بخار به توربین هدایت پس از به دوران در آوردن محور توربین به کندانسور رفته و توسط آب خنک کن تقطیر و بصورت آب در می آید . در ژنراتور با گردش روتور آن که سه محور توربین به آن متصل است الکتریسته تولید می گردد . نیروگاههای بخار برای بارهای اصلی یا پایه ساخته می شوند و عمر آنها نسبت به نیروگاههای گازی بیشتر است از محاسن دیگر این نیروگاهها بالا بودن راندمان ( حدود 45% ) نسبت به نیروگاه های گازی می باشد .

نیروگاه ترکیبی ( مختلط ) :

در اینگونه نیروگاهها با استفاده از حرارت خروجی از اگزوز توربین گاز آب را در دیگ بخاری که معمولاً Heatrecovery boiler  نامیده می شود گرم کرده و بصورت بخار در می آید . سپس این بخار، توربین بخار را به حرکت در می آورد .

با این روش چون از حرارت گازهای اگزوز توربین گاز استفاده شده دیگ بخار گرم می شود و راندمان کل نیروگاه بالاتر از نیروگاه بخاری گردیده و به 48 درصد هم می رسد .

مشخصات نیروگاه سیکل ترکیبی شهید رجایی :

موقعیت جغرافیایی : نیروگاه سیکل ترکیبی شهید رجایی در قسمت جنوبی نیروگاه بخار شهید رجایی در 25 کیلومتری اتوبان قزوین – تهران قرار دارد .

شرایط محیطی:

رطوبت نسبی                             46%

متوسط حداکثر دمای محیط        41 درجه

متوسط حداقل دمای محیط          14- درجه

متوسط درجه حرارت محیط        5/14 درجه

این نیروگاه شامل 6 واحد توربین گازی هر کدام به ظرفیت MW123 و به همراه 3 واحد حرارتی بخار به قدرت MW6/100 به صورت سیکل ترکیبی در می آید .

 توربین های گازی ساخت شرکت جنرال موتور آمریکا و توربین های بخار ساخت شرکت زیمنس آلمان می باشد .

تلاش برای یافتن بازده بالاتر موجب ایجاد تغییراتی در نیروگاه ها و از جمله نیروگاه های بخار شده است . چرخه ی گاز – بخار یا اصطلاحاً سیکل ترکیبی یکی از این اصطلاحات می باشد . توربین ها ی گاز بدلیل داشتن دمای بالاتر 1150 درجه در مقابل توربین های بخار در حدود 600 درجه قابلیت ایجاد بازده حرارتی بیشتری دارند اما چرخه های گازی دارای یک عیب بزرگ  می باشد و آن بالا بودن دمای خروجی اگزوز آنها می باشد معمولاً بالای 500 درجه که قسمت بزرگی از مزایای آن را محو می کند .

علم امروز این امکان را به وجود می آورد که از گازهای خروجی با دمای بالای اگزوز به عنوان یک منبع انرژی حرارتی برای یک سیکل بخار استفاده کنیم .

پیشرفت های اخیر در تکنولوژی چه در توربین های گاز و چه در بخار این امکان را می دهد که بازده را بدون افزایش زیادی  در هزینه در سیکل های ترکیبی تا حدود 40% افزایش دهیم .

در سال 1988 شرکت زیمنس SIEMENSتوانست نیروگاهی ترکیبی به ظرفیت 1350 MWو بازده 5/55% در یکی از شهرهای ترکیه احداث نماید .

در نیروگاه شهيد رجايي، تعداد 6 واحد توربین گازی هر کدام به قدرت MW123 نصب و راه اندازی گردیده است که این واحدها با نصب 3 واحد حرارتی به قدرت MW6/100 × 3 به صورت سیکل ترکیبی در آمده است .

اولین واحد گازی این نیروگاه در تاریخ 5/5/73 و دومین واحد در تاریخ 25/5/73 و سومین واحد در تاریخ 10/6/73 ، چهارمین واحد در تاریخ 2/7/1373 و پنجمین واحد در تاریخ 30/8/1373 و آخرین واحد ( ششم ) در تاریخ 3/4/1374 وارد شبکه سراسری گردید .

مشخصات فنی توربین گاز :

1-   کمپرسور :

فشار نهایی کمپرسور : bar11                  تعدادطبقات کمپرسور : 17 مرحله

2-   توربین:

تعدادمحور : 1 عدد                                   تعداد طبقات : 3 مرحله

3-   اتاق احتراق :

تعداد محفظه احتراق : 14 عدد                     تعداد مشعل هاي به ازاي هر محفظه : 1 عدد

نوع سيستم کنترل : اسپيدترونيک مار 4

4-   ژنراتور:

داراي سيستم تحريک ديود گردان مي باشد.

ماکزيمم توان خروجي : MW4/123 (در شرايط استاندارد ايزو) ولتاژ خروجي : KV8/13

جريان نامي : A6443   دور ژنراتور : r.p.m3000

5- سيستم تحريک

نوع تحريک : خود تحريک            ولتاژ خروجي : 240 ولت دي . سي

جريان خروجي :1590 آمپر دي سي

  مشخصات پست : 400 کيلووات

سيکل ترکيبي :

پست 400 کيلووات نيروگاه سيکل ترکيبي شهيد رجايي يک پست کليد زني (Swiching) با سيستم شينه بندي 5/1 کليدي مي باشد.

اين پست داراي 6 بي 400 کيلووات مي باشد که مدارهاي ورودي از سمت غرب پست، شامل 6 ترانسفرماتور ژنراتور و از سمت شرق پست، 3 خط انتقال 400 کيلووات که دو خط به پست 400 کيلووات نيروگاه حرارتي شهيد رجايي و يک خط به پست رودشور وصل مي گردد.

مشخصات کليد هاي پست 400 کيلووات:

سازنده شرکت : A.BB    تيپ: 1002-H.p.h           جريان نامي :A(4000-2000)

زمان قطع : ms20

بويلر:

آب پس از خروج از کندانسور و عبور از فيلتر ها و ميکس بدها و و بوسترپمپها و يک جفت Main ejectors  و گلند کندانسور وارد مجموعه اي به نام بويلر سيکل ترکيبي مي شود که اجزاء آن به شرح زير مي باشد.

1- Feed water heater             2-Dearator

3-storage tank              4-LP evaprator

5-Boiler feed pump    6-IP  وEconomizer HP 1,2                        7-  Drum IP     8-Drum HP

9-(1و2) HP، evaporator                10-Down Comer

11-(Primary , Final) HP،IPSuper heater  12-Blow down

13- Flash tank    14- Diverter Damper

15- Gutine Damper    16-Fans

روند کلي سيکل در بويلر :

آب خروجي از گلند کندانسور ابتدا وارد Feed water heaterشده ( آب به صورت مايع متراکم ) و پس از مقداري افزايش درجۀ حرارت وارد dearator  مي شود که در Dearatorعلاوه بر عمل هوا زدايي ( زدودن گازهاي  و ) آب مقداري گرمتر مي شود و پس از آن آب در محفظه ای به نام Storage tank  ذخیره می گردد . آب موجود در تانک از طریق لوله های Down comer  وارد لوله های به نام Lp evaprator   شده و مجدداً پس از گرم شدن از طریق دو سری لوله وارد تانک می شود . آنگاه از طریق یک لوله وارد B.F.P   ها می شود ، تعداد B.F.P   ها 2 تا است که همیشه یکی از آنها در مدار قرار دارد . از هر B.F.P    ، 2 لوله خارج می شود که هر کدام از آنها پس از اتصال به لوله مشابه از پمپ دیگر بطور جداگانه وارد IP  economizerو economizerHP  می شوند وپس از آنکه در آن مقداری افزایش درجه حرارت دادند آب خروجی از IP economizerوارد Drum IP  می شود ، اما آب خروجی از HP economizerپس از مقداری افزایش دما وارد HP economizerو مجدداً  پس  از مقداری گرم شدن به Drum IP  وارد می گردد .

آب ورودی به Drum IP   از طریق لوله های Down comer   وارد Lp evaprator   می شود و پس از تبخیر مقداری از آب و رسیدن به حالت 2 فازی مجدداً وارد Drum IP    می شود در Drum IP    پس از جدا شدن آب و بخار ، بخار مرطوب حاصل وارد IP Superheater  شده و پس از رسیدن به حالت بخار مافوق گرم ( خشک شده ) به سمت LP  توربین می رود .

اما آبی که به  Hp drum   وارد شده بود نیز از طریق Down comer    به 2 سری لوله موازی بنام  evapratorHP   بر می گردد . بخار خروجی از Hp drumوارد SuperheaterHP-Primary  شده و پس از مقداری خشک شدن بهSuperheaterHP-final  وارد می شود و برای ورود به توربین HP   به حالت سوپر هیت ( خشک ) در می آید .

سیکل ترکیبی نیروگاه شهید رجایی در ابتدای ساخت تنها شامل سیکل گازی بود که گاز خروجی از توربین آن به اتمسفر می رفت اما پس از ملحق شدن سیکل بخار به آن گاز خروجی از توربین وارد H.R.S.G  شده و باعث گرم شدن بخشهای مختلف آن ( Feed water heater , LPevaprator  ) می شود .

  توربین Turbin :

بخار پس از گذشتن از super Heater  فاینال در بویلر وارد خط Main Steamشده و به توربین می رود . توربین بخار سیکل ترکیبی طیف وسیعی از ماشینها را شامل می شود که در آنها انتقال انرژی بواسطه جریان دائمی یک سیال عامل ( بخار ) در میان آنها تعبیه شده بر روی محور ماشین صورت می پذیرد . توربینهای بخار شامل پره های ضربه ای و عکس العملی می باشد .

توربیت شامل قسمتهای مختلفی است که در پایین به این قسمتها و انواع آنها اشاره می شود .

1) فوندانسیون توربین :

برای اینکه قسمتهای ثابت ( سیلندر و پوسته ) و متحرک ( روتور ) توربین در وضعیت نسبی صحیح قرار گیرند لازم است قسمتهای ثابت توربو ژنراتور بر روی یک صفحه فلزی که به نام صفحه فونداسیون نامیده می شود نصب شود . این صفحه به نوبه خود بر روی یک پایه بتنی مناسب قرار می گیرد . در توربو ژنراتور های با قدرت پایین صفحه فوندانسیون بشکل قاب و از جنس چدن می باشد . و قدرتهای متوسط از چند قسمت مجزا تشکیل یافته که در موقع نصب در محل نقاط اتصالی علامت گذاری شده توسط پیچهای مخصوصی به یکدیگر متصل می شوند  و در توربوژنراتور های با قدرت بالاتر از چندین قاب مجزا استفاده می شود . صفحه فوندانسیون بصورت مجموعه بر روی پایه بتونی نصب می شوند که جهت تراز نمودن آن نسبت به سطح افق از تعدادی گوه های فولادی که در زیر قاب قرار می گیرند استفاده می کنند با حرکت دادن گوه ها می توان قاب را نسبت به سطح فوندانسیون بهمان اندازه از پیش تعیین شده تنظیم نمود . پس از نصب کلیه قسمتهای توربو ژنراتور بر روی صفحه ، بمنظور تحمل نمودن نیروهای استاتیکی و دینامیکی و انتقال آن به فوندانسیون ، گوه ها را با قطعاتی ( لقمه های فولادی ) که دارای ضخامت مساوی با مجموعه گوه ها هستند تعویض می نماید . صفحه فوندانسیون با پیچهای مخصوصی به فونداسیون محکم می شوند . پس از بررسیهای نهائی از نظر تنطیم دقیق فاصله صفحه و فوندانسیون و مناسب بودن قسمتهای لقمه های پیچهای مذکور توسط ملاط سیمان پوشانده می شوند ، بدیهی است تنظیم دقیق صفحه نسبت به فوندانسیون بر نحوه کار قطعات توربین و طول عمر آنها اثر مستقیم دارد .

فوندانسیون نبایستی با فوندانسیون بقیه تجهیزات و نیز پایه ساختمان کارگاه مرتبط باشد . در غیر اینصورت ارتعاشات ناشی از کار توربین برای قسمتهای مذکور ایجاد اشکال می نماید .

2) پوسته: casing

پوسته توربین بعنوان یک مخزن تحت فشار است که وزن آن توسط پایه های یاتاقانها تحمل می شود . در داخل پوسته پره های ثابت که بر روی حاملهای متعدد نصب شده اند قرار می گیرند علاوه بر این در محل های تقاطع روتور با پوسته از یکسری تجهیزات جهت آببندی پوسته بنام گلند استفاده می شود بخار اصلی و بخار گرفته شده از بویلر پس از عبور از ولوهای متعددی به پوسته توربین وارد می گردد . همچنین بخار تغذیه هیترها از طریق انشعابات متعدد در طول پوسته به هیترها در سیکل بخار فرستاده می شود . مرحله اول پره های ثابت بعنوان چرخ شیپور ( چرخ کورتیس ) ، در ابتدای پوسته قرار دارد که وظیفه آنها تبدیل انرژی حرارتی بخار به انرژی جنبشی و در واقع فشار قابل استفاده در پرده های متحرک است . پوسته های توربین از جنس چدن یا فولاد مخصوصی هستند ، در توربینهایی که دمای کار پوسته آنها از 250 درجه کمتر است از چدن استفاده می شوند . برای دماهای بیشتر از این بدلیل بروز پدیده متالوژیک در ساختار چدن که باعث افزایش حجم و تغییر شکل دائمی و نهایتاً کاهش مقاومت مکانیکی چدن می شود از آنها استفاده نمی شود . پوسته توربینهایی که در آنها دمای بخار در محدوده 350-400 سانتیگراد باشد از فولاد مخصوصی که در کوره های کم عمق و از ذوب آهن قراضه با افزودن آهن خالص  حاصل می شود استفاده می کنند در پوسته های با دمای کار بالاتر از آلیاژ مخصوصی که حاوی 6/0 -4/0 درصد فلز مولیبیدن است استفاده می کنند که در اینصورت مقاومت مکانیکی آن در شرایط خاص از دما و فشار بخار تضمین می گردد .

3)  روتور Rotor :

از نظر ساختمان روتور بصورت زیر تقسیم بندی می شود:

الف) روتور با دیسکهای مجزا: محور این روتورها از بتن ماشینکاری شده و سپس دیسکهای مجزایی در نقاط مختلف آن بصورت پرس گرم و یا توسط خار نصب می گردد هزینه ساخت آن نسبت به انواع دیگر کمتر بوده و علاوه بر آن چون دیسکها و روتور از هم جدا هستند ماشینکاری آنها سریعتر و سهلتر بوده و نیز بررسی دیسکها براحتی انجام می گیرد.

ب) روتور یکپارچه: در این محور و دیسکها به عنوان یک مجموعه یکپارچه از طریق عملیات forging شکل داده می شود و در نهایت پس از تراشکاری آماده می گردد. هزینه ساخت این نوع روتور زیاد بوده و انجام عمليات بر روی آن مشکل می باشد.

این نوع روتور، تسهیلات روتور دیسکی را ندارد و در توربینهای مدرن مخصوصاً در مرحله HPو ندرتاً در LPمورد استفاده قرار می گیرند.

روتور درامی: روتور درامی در توربینهای با قدرت پایین که پره های آنها هر یک (ضربه ای . عکس العمل) است مورد استفاده قرار می گیرند. زیاد بودن جرم روتور مشکلاتی از قبیل افزایش تنش های حرارتی و نیز اختلاف انبساط بین روتور و پوسته را موجب می گردد. لذا از نظر ابعاد کاربرد آنها محدود می گردد و در انواع روتور درامی توخالی و توپر مورد استفاده قرار می گیرند.

ج) روتور جوش داده شده: این نوع روتور شامل تعداد معینی دیسک آماده که فاقد سوراخ مرکزی هستند می باشد که آنها را کنار یکدیگر گذاشته و بهم جوش می دهند. در اینصورت می توان روتورهای بزرگ را با استفاده از کوپلینگهای یکپارچه با آنها طراحی و تهیه نمود.

4- پره ها: Blades

پره های توربین به دو دسته ثابت و متحرک تقسیم می شوند:

1) پره های ثابت: که به پره های هادی نیز مشهورند. دیسکهای مذکور که به دیافراگم نیز مشهورند به تعداد معین بر روی حاملها نصب شده سپس حاملها را در شیارهای  تعبیه شده در داخل پوسته توربین محکم می نمایند. هر دو پره مجاور بر روی دیافراگم تشکیل مجرای خاصی می دهند که اصطلاحاً به آنها شیپور، می گویند. بنابراین هر دیافراگم مشتمل بر تعداد زیادی شیپور است که بخار از داخل آنها عبور داده و ضمن تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی بخار، مسیر حرکت بخار از یک طبقه به طبقه مجاور هدایت می نماید. یک دیسک متحرک و دیافراگم مجاور آنرا مجموعاً یک طبقه توربین می نامیم.