به مجموعه ای از دستگاه ها تجهیزات و سیستم های اصلی وکمکی که به همراه نیروهای متخصص انسانی دست به دست هم داده تا انرژی الکتریکی تولید کنند را نیروگاه گویند.
در حالت کلی نیروگاهها را می توان به دو دسته تقسیم کرد:
نیروگاههای حرارتی مانند نیروگاه بخاری، گازی، سیکل ترکیبی، هسته ای و…
در تمام نیروگاههای ذکر شده فصل مشترکی وجود دارد که آن همان تبدیل انرژی مکانیکی حاصل از چرخش پره های توربین به انرژی الکتریکی توسط ژنراتور می باشد.صرفه نظر از مقایسه نوع دستگاهها، توربین ژنراتور و تجهیزات بکار رفته در نیروگاهها این مسئله که همه آنها هدفشان تبدیل انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی است مشهود است.آنچه نیاز به توضیح دارد فرآیندی است که تا قبل از این مرحله به وقوع می پیوندد.
در نیروگاههای بادی عمل چرخش پره ها توسط نیروی باد انجام می شود. در نیروگاههای آبی که معمولاً در کنار سدها یا دریاچه ها ساخته می شوند، عمل چرخش توربین توسط آبی که در گذر از پره ها به آنها اعمال می شود، صورت می پذیرد. اما در نیروگاههای حرارتی عامل چرخش پره های توربین انرژی حرارتی می باشد. این انرژی حرارتی در نیروگاههای گازی، هوای محیط است که در کمپرسور فشرده شده، در اتاق احتراق محترق می شود و در توربین گاز به کار مکانیکی تبدیل می شود، که در واقع عامل چرخش پره های توربین می باشد. در نیروگاههای بخاری و هسته ای عمل چرخش پره های توربین توسط بخار صورت می گیرد. بخاری که انرژی گرمائی خود را به انرژی مکانیکی چرخش پره های توربین مبدل می سازد.آنچه نیروگاههای بخاری را از نیروگاه های اتمی متمایز می گرداند همانا نحوه تولید بخاری است که به روی پره های توربین فرستاده می شود.
در نیروگاههای بخار در اثر سوختن مواد آلی مثل نفت، گاز، زغال سنگ، حرارتی ایجاد می شود، که این حرارت می تواند آب را به بخار تبدیل کند اما در نیروگاههای هسته ای تولید حرارت از فرایند تبدیل انرژی هسته ای به انرژی حرارتی صورت می گیرد که با شکافت هسته اورانیوم یا پلوتونیوم همراه می باشد.حرارت ناشی از شکافت هسته اتم است که نهایتا منجر به تولید بخار می شود. بنابراین همانطور که ملاحظه فرمودید تا مرحله تولید انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی فرآیند و شکل وشمایل متفاوتی داشت که این تفاوت ها در واقع وجه تمایز نیروگاه ها می باشد.
نیروگاه گازی به نیروگاهی می گویند که برمبنای سیکل گاز(سیکل برایتون) کارمی کند؛ و از سیکل های حرارتی می باشد، یعنی سیال عامل کار یک گاز است.(عامل انتقال وتبدیل انرژی گازی است، مثلا هوا)
در نیروگاه های بخار عامل انتقال« بخارمایع» می باشد. نیروگاه گازی دارای توربین گازی است،یعنی با سیکل برایتون کارمی کند.
ساختمان آن درمجموع ساده است:
کمپرسور: وظیفه فشردن کردن هوا
اتاق احتراق: وظیفه سوزاندن سوخت در محفظه
توربین: وظیفه گرداندن ژنراتور
هوای فشرده کمپرسور وارد اتاق احتراق که دارای سوخت گازوئیل است می شود.
چون هوای فشرده شده گرم است و در اتاق احتراق سوخت آتش گرفته و هوا فشرده و داغ میشود.
هوای داغ فشرده کار همان بخار داغ فشرده توربین های بخار را انجام می دهد.
کمپرسور به کار رفته در نیروگاه های گازی شبیه توربین است، دارای رتوری است که بر روی این رتور پره متحرک است، هوا به حرکت درآمده و به پره های ساکنی برخوردکرده، در نتیجه جهت حرکت هوا عوض شده و این هوا باز به پره های متحرک برخورد کرده و این سیکل ادامه دارد و در هر عمل هوا فشرده ترمی شود.
کمپرسور، مصرف کننده عظیم انرژی است.
هوای فشرده گرم است. هوای فشرده کمپرسور وارد اتاق احتراق که دارای سوخت گازوئیل است می شود.
چون هوای فشرده شده گرم است و در اتاق احتراق سوخت آتش گرفته و هوا فشرده وداغ می شود. هوای داغ فشرده کار همان بخار داغ فشرده توربین های بخار را انجام می دهد.
هوای داغ فشرده را به توربین می دهیم؛ توربین دارای پره های متحرک و ساکن است.پره های ثابت چسبیده به استاتور می باشد؛ پره های متحرک چسبیده به رتور می باشد.
حال ژنراتور را می توان به محور وصل کرده و از ترمینال های ژنراتور می توان برق گرفت ؛ طول نیروگاه ممکن است به m 20 برسد. قدرت نیروگاه های گازی Mw1 ولی بالای Mw100 نیز ساخته می شود.
درابتدا نیاز به یک عامل خارجی است تا توربین رابه سرعت ۳۰۰۰ دوربرساند.
حسن نیروگاه
سادگی آن است، تمام آن روی یک شافت سواراست.
ارزان است،چون تجهیزات آن کم است. یکی از عواملی که بر روی راندمان تأثیر می گذارد این است که هوای ورودی چه دمایی دارد.
سریع النصب است.
کوچک است.
درسکوهای نفتی که نیاز به برق زیادی می باشد بایدازنیروگاه گازی استفاده کرد، تاجای کمتری بگیرد.
احتیاج به آب ندارد (درسیکل اصلی نیروگاه نیاز به آب نیست) اما درتجهیزات جنبی نیازبه آب است مثلا برای خنک کردن هیدروژن به کاررفته جهت سردکردن ژنراتور درسرعتهای بالا.
راه اندازی این نیروگاه سریع است.
پرسنل کم.
زمانی نیروگاه گازی خاموش است که دراتاق احتراق سوخت نباشد.
یک نیروگاه بخار را بعد از راه اندازی نباید خاموش کرد.اما نیروگاه گازی بدین صورت است که صبح می توان روشن کرد و آخر شب خاموش نمود.نیروگاه گازی بسیار مناسب برای بار پیک است و نیروگاه بخار برای بار پیک نامناسب است.
آلودگی محیط زیست زیاد است.
عمر آن کم است.(فرسودگی توربین وکمپرسور) سوخت مازوت به علت آلودگی بیشتری که نسبت به سوخت گازوئیل دارد، کمتربه کارمی رود.
استهلاک زیاداست.(پره توربین، پره کمپرسور)
راندمان کم است (مصرف سوخت آن زیاد است)؛ این نقیصه ای است که کشورهای اروپایی با آن مواجهند.
الف ) خروج دود با دمای زیاد
ب ) حدود ۳/۱ توان توربین صرف کمپرسور
می شود. بنابراین درنیروگاه گازی برای استفاده درازمدت اصلا جایزنیست چراکه هزینه مصرف سوخت گران است.
امکان استفاده ازسوخت جامد فراهم نیست. (مانند زغال سنگ) چراکه بلافاصله پره های رتورپرازدود
می شود. نیروگاه های گازی را اگر بخواهیم برای مدت طولانی استفاده کنیم، هزینه نیروگاه گازی بالا ست. نیروگاه گازی را از جایی استفاده کنند که امکان بهره برداری زمان بهره برداری زیر۲۰۰۰ ساعت باشد.
اگرزمان بهره برداری بالای ۲۰۰۰ ساعت باشد از نیروگاه بخار اگر زمان بهره برداری در سال بالای ۵۰۰۰ ساعت باشد، نیروگاه آبی استفاده می شود.
درکشورما، برق عمده مصرفی برق خانگی است (۶۰%) وحدود۳۰ % برق صنعتی است. درنتیجه۵۰ % نیروگاه های کشور باید هر شب روشن شود؛ بنابراین قسمت عمده برق تولیدی ماباید ازنوع نیروگاه گازی باشد.
نیروگاه گازی را به دلیل ارزانی درکارخانجات نیز می توان به کاربرد. نیروگاه گازی را درنیروگاه اتمی نیز استفاده می کنند. جهت سردکردن رآکتور هوا به کارمی رود که درنتیجه هوا داغ و فشرده می شود و در نتیجه به نیروگاه گازی داده و برق مصرفی نیروگاه اتمی راتأمین می کنند. درنیروگاه های گازی جهت افزایش راندمان روش هایی را اتخاذ می کنند. دود خروجی هوای ورودی به اتاق را گرم می کند (سیکل پیچیده ترشده اما راندمان بالا می رود).
حالت اول: دود با هوای ورودی کمپرسور کنار یکدیگر قرار داده در این صورت راندمان تجهیزات به شدت افت می کند.
حالت دوم: دود با هوای ورودی کمپرسور به صورت غیر مستقیم در کنار یکدیگر قرار داده که با این روش راندمان ۱ الی ۲ درصدقابل افزایش است ؛ (هوای ورودی به اتاق احتراق گرم می شود)
استفاده از توربین های دو مرحله ای : زیاد شدن راندمان مستلزم مخارج و صرف هزینه نیز می باشد.
استفاده از کمپرسور دومرحله ای: هر چه دمای ورودی کمپرسور پایین تر باشد ؛ راندمان بیشتر است.
با این روش دمای ورودی کمپرسور به طورمصنوعی پایین نگه داشته می شود در مرحله Lp به دلیل بالا رفتن فشار هوا گرم می شود که از کولر استفاده می کنند ؛ آب سرد بر روی لوله فشار هوا ریخته و هواخنک کرده آب گرم می شود و خارج می شود.
بالاترین راندمان چیزی درحدود ۳۵% است که نیروگاه دارای کمپرسور دومرحله ای توربین دومرحله ای و پیش گرم کن می باشد. نیروگاه گازی به این معنا نیست که سوخت آن گازاست،بلکه توربین آن گازی است و سوخت آن مایع یا گازوئیل است که اکثرا گازوئیل است.
درکشورما به دلیل زیاد بودن سوخت گازوئیل، نیروگاه گازی با سوخت گازوئیل به کار میرود و مرسوم است. اما درکشورهای اروپایی به دلیل زیاد بودن سوخت جامد، نیروگاه گازی به نحو دیگری طراحی شده که با سوخت جامد کارمی کند، به این نیروگاه ها، نیروگاه گازی سیکل بسته می گویند. هوای داغ ناشی از احتراق را داخل گرم کن می چرخانیم و بعد هوا را بیرون میفرستیم.
ملاحظه می شود که هوای داغ ناشی از احتراق داخل توربین می شود. لذا میتوان ازسوخت جامد استفاده کردکه این نوع ساده ترین نوع نیروگاه گازی سیکل بسته می باشد. می توان سیکل فوق را کامل تر کرد.اگر هوای ورودی به کمپرسور تصفیه شده باشد، پره های توربین دارای عمر زیادی خواهد بود.
مشکل ایجاد این است که هوای خارج شده از توربین به دلیل تصفیه بودن بایداستفاده شود، پس هوای خروجی از توربین را استفاده می کنیم، اما این هوا داغ است وگاز وارد کمپرسور شود راندمان افت می کند، لذا از کولر استفاده می کنیم و هوا را سرد می کنند.
در نیروگاه گازی هرچه هوای ورودی به کمپرسور سردتر باشد، راندمان افزایش مییابد.لذا نیروگاه های گازی درزمستان راندمان بهتری دارند.
امکان استفاده ازسوخت جامد فراهم می شود.
عمرزیاد ( خوردگی پره ها کم است)
چون سیکل بسته است، لذاضرورت نداردکه فشارهوای خروجی توربین ۱ Atm باشد، پس می توان سطح کارفشار هوارابالا برد، به جای ۱ Atm از ۱۰ Atm که چون هوای فشرده ترشده، جای کمتری گرفته وحجم کمپرسور وتوربین درنهایت کوچک ترمی شود.
راندمان درمقایسه باسیکل بازکمتر است. ۴ الی ۵ درصد راندمان کاهش می یابد.
هزینه زیاداست.
درسوخت مایع نیروگاه های گازی سیکل بسته، اجازه داریم توربین رادوقسمتی بسازیم.
کمپرسور هوا را گرفته و داخل اتاق احتراق می سوزاند، هوای خروجی آن را وارد گرم کن می کنیم که خود گرم کن یک سیکل بسته را تشکیل می دهد.توربین کمکی قدرت لازم از ژنراتور کوچک درقسمت توربین کمکی به کاربرد.
درنیروگاه گازی سیکل باز، دارای معایب زیراست:
قدرت کمپرسور خیلی از انرژی توربین رامی گیرد و همچنین دود خروجی داغ است(در حدود ۳۰۰ درجه سلسیوس) درنتیجه سوخت ایجاد شده به هدرمی رود ؛ لذا راندمان کاهش می یابد.
استفاده از نیروگاه سیکل ترکیبی ( نیروگاه گازی درکنار نیروگاه بخار) هوای گرم خروجی ازتوربین را با اضافه کردن اکسیژن به آن به طرف بویل نیروگاه بخار برده میشود. راندمان این قبیل نیروگاه ها۵۰ % می باشد.
