گزارش کارآموزی در نیروگاه گازی شهرستان دورود

خلاصه گزارش

این گزارش در خصوص بهره برداری از نیروگاه گازی نوع B.B.C تیپ 9 تحت لیسانس کمپانی براوان باوری ساخت مشترک کشورهای (آلمان – ایتالیا -سوئیس) باقدرت اسمی هر واحد 25 مگاوات که در حال حاضر در سه سایت دورود – ارومیه و زاهدان هر کدام به تعداد دو واحد که زاهدان یک واحد نصب شده اند ، تهیه و تنظیم گردیده است .

که شامل شرح اجزا اصلی و کمکی توربین گاز، سیستمهای فرعی – سیستمهای حفاظت و کنترل توربین گاز – تجهیزات سخت افزاری – طریقه بهره برداری صحیح – مزایا و معایب توربین گاز و نقش آن در صنعت برق کشور و سایر موارد می باشد.

مقدمه 

تعریف نیروگاه : نیروگاه مجموعه ای از دستگاهها و وسایلی است که بر حسب نوع آن انرژی حرارتی – شیمیایی – هسته ای – پتانسیل را در توربین به انرژی مکانیکی تبدیل نموده و انرژی مکانیکی حاصل شده در توربین با گردش ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می گردد .

نام گذاری نیروگاهها : نیروگاه ها بر حسب سیال عاملی که توربین را به چرخش در می آورد نام گذاری می شوند مثلاً در نیروگاه آبی سیال عامل آب – در نیروگاه بخار سیال عامل بخار و در نیروگاه گازی سیال عامل گاز داغ حاصل از احتراق است .

انواع نیروگاه :

نیروگاه حرارتی:

سوخت فسیل:

نیروگاه گازی

نیروگاه بخاری

نیروگاه دیزلی

سوخت اتمی : نیروگاه اتمی

منابع نوین انرژی :

نیروگاه برج خورشیدی

نیروگاه ماهواره خورشیدی

نیروگاه زمین گرمایی

نیروگاه سلول برق خورشیدی

ژنراتور MHD

2) نیروگاه آبی :

تولید برق از سدها

تولید برق از جزو مد

تولید برق از امواج

عمده تولید برق در جهان توسط نیروگاههای حرارتی و آبی انجام می پذیرد و علاوه بر انواع یاد شده در مواردی هم از نیروی باد بعنوان تولید برق (نیروگاه بادی ) استفاده میشود .

نوع دیگری از نیروگاه وجود دارد که به آن تلمبه ذخیره ای می گویند که یک نوع نیروگاه آبی کوچک است که در صورت نیاز شبکه برای تولید برق و در صورت عدم نیاز شبکه و بالا بودن ولتاژ بعنوان مصرف کننده برق مورد استفاده قرار می گیرد لازم به ذکر است که این نوع نیروگاهها استفاده بسیار جزئی در شبکه برق سراسری دارند .همچنین از انواع رشد نیروگاه می تواند نیروگاه سیکل ترکیبی را نام برد که از حرارت خروجی نیروگاه گازی جهت بخار کردن آب در نیروگاه بخار استفاده می گردد.

خلاصه ای در مورد نیروگاه بخار :

سیال عامل  دراین نیروگاه بخار آب می باشد آب ازطریق لوله های بسیار زیادی از درون بویلر عبور داده می شود این لوله های حاوی آب در  بویلر توسط چندین مشعل در مجاورت حرارت قرار داده شده وآب درون آنها به بخارخشک اشباع تبدیل  می گردد. بخار سوپرهیت حاصل شده بر روی پره های توربین فرستاده شده و عمل چرخش توربین را انجام می دهد . برای اینکه سیال درون یک سیکل بسته حرکت نموده و دوباره به مصرف برسد باید به مایع تبدیل شود . چون پمپ ها نمی توانند بخار را مکش نمایند .بخار پس از عمل روی توربین به کندانسور فرستاده می شود و در کندانسور عمل تقطیر انجام شده و بخار به مایع تبدیل می گردد . سپس مایع از چهار هیتر عبور داده شده تا درجه حرارت آن بالا برود و عمل تبدیل مایع به بخار در بویلر آسانتر انجام شود . پس از عبور مایع از هیترها ، به اصطلاح «سوپر هیت » شده و در درون بویلر مجدداً به بخار تبدیل می گردد .

در نیروگاههای بخار با توجه به شرایط آب و هوایی محلی که در آن نیروگاه نصب میگردد از دو نوع برج خنک کننده استفاده می شود . در مناطقی که آب کم است از برج «خشک» و در مناطقی که مشکل کم آبی وجود ندارد از برج «تر» استفاده  می شود . چون عمل تقطیر توسط کندانسور انجام می گردد . آب کندانسور باید خنک شود که این عمل در برج خنک کن امکان پذیر است .آب درون کندانسور پس از گرفتن حرارت بخار و انجام عمل تقطیر جهت خنک شدن به برج خنک کننده فرستاده شده و پس از خنک شدن دوباره به کندانسور برگردانیده می شود و این عمل در یک سیکل بسته انجام می گردد لازم به یادآوری است که در برج خشک آب کندانسور توسط هوا و در برج «تر» آب کندانسور توسط آب خنک می شود .

مزایا و معایب نیروگاه بخار :

مزایا :

 هزینه جاری نیروگاه بخار نسبت به نیروگاه گازی بسیار کم است . راندمان نیروگاه بخار از نیروگاه گازی بسیار بیشتر است .برای تأمین بار پایه شبکه استفاده می شود.

معایب :

 هزینه نصب و احداث نیروگاه بخار زیاد است . احداث و نصب نیروگاه بخار زمان زیادی را سپری می نماید .

نیروگاه آبی :

سیال عامل در این نیروگاه آب است . آب در پشت سد جمع شده و با اختلاف پتانسیل به پره های توربین برخورد می نماید و توربین را به چرخش در می آورد دور توربین در این نیروگاه نسبت به نیروگاه و بخار کمتر است که برای جبران دور و ایجاد فرکانس 50HZ از ژنراتور های چند جفت قطبی استفاده می شود .

در نیروگاه آبی از سه نوع توربین استفاده می شود .

الف –توربین کاپلان

ب- توربین پلتن

ج- توربین فرانسیس

الف ) توربین کاپلان  برای ارتفاع زیاد و فشار آب کم

ب) توربین پلتن برای ارتفاع متوسط و فشار متوسط

ج) توربین فرانسیس برای ارتفاع کم و فشار آب زیاد استفاده می گردد .

ارزانترین راه تولید برق و به صرفه ترین آن تولید برق از طریق نیروگاه آبی می باشد . احداث سد مستلزم صرف زمان و هزینه های زیاد می باشد .علاوه بر آن به علت کمبود منابع آب در همه مناطق هم امکان احداث سد و راه اندازی توربین آبی میسر نمی باشد . ولی پس از احداث و راه اندازی توربینها ، هزینه جاری آن نسبت به سایر نیروگاهها بسیار کم است .از این جهت مقرون به صرفه می باشند .

مزایا :

هزینه جاری کم کم و زیاد کردن سریع بار ، استفاده هم زمان برای تولید برق و مصارف کشاورزی ، مهار آبها جهت جلوگیری از سیلاب علاوه بر موارد یاد شده مزیت دیگر احداث سد که شاید بهترین مزیت آن هم باشد نه تنها زیانهای زیست محیطی ندارد بلکه برای محیط زیست مفید هم می باشد .

نیروگاه دیزلی :

دیزل یک موتور چهار زمانه احتراق داخخلی است که با انجاام عملی متداوم تنفس –تراکم ،انفجار و تخلیه و رسیدن به دور نامی ،روتور ژنراتور را به چرخش در می آورد .این نوع نیروگاهها قدیمی هستند و در بسیاری از کشورها از رده تولید برق خارج
شده اند . نصب این نیروگاهها ارزان ، زمان راه اندازی آنها کم است راندمان نیروگاه دیزلی از نیروگاه گازی بیشتر و از سایر نیروگاهها کمتر است . تولید برق در این نیروگاه اندک است . امکان نصب آنها روی سازه ها و وسایل سیار وجود دارد . با توجه به اینکه این گزارش در خصوص نیروگاه گازی می باشد با صرف نظر از جزئیات سایر نیروگاهها به بحث و بررسی نیروگاه گازی بخصوص نوع B.B.C  می پردازیم .

فصل اول

تاریخچه و نقش واحدهای گازی در صنعت برق

بعد از جنگ جهانی دوم مطالعات زیادی بر روی توربین گاز صورت گرفت .یکی نقش توربین گاز در صنعت هواپیمایی و دیگری نقش آن در شبکه های برق . با آنکه اصول در هر دو جا یکی است ولی تفاوتهای بسیاری در استفاده از توربین گاز در موتورهای جت با توربین های زمینی وجود دارد . در موتورهای هواپیما مسائل وزن ، تحمل قطعات بکار رفته ، قابلیت مانور و غیره دارای اهمیت است . ولی در توربین های زمینی مسائل طول عمر ، راندمان بیشتر و اصولاً مسائل اقتصادی را می توان در نظر گرفت .

در صورتی که برای موتور هواپیما اولویت اول مسائل فنی و طراحی است و بعد مسائل اقتصادی مطرح است .

بدون شک بزرگترین استفاده از توربین گاز در زمینه تولید نیروی محرکه هواپیما جت بوده است .

مهمترین نقطه عطف در این توسعه اولین موتور آزمایشی «واتیل» در سال 1937 بود . بعد از آن تاریخ توربین های گازی به علت زیادتر بودن نسبت قدرت به وزنشان (kg/kw) بطور کامل جایگزین موتورهای رفت و برگشتی شدند .

در اولین روزهای طراحی توربین گاز دو سیستم قابل استفاده مطرح بود . یکی احتراق در فشار ثابت و دیگرری احتراق در حجم ثابت . از نظر تئوری راندمان حرارتی احتراق در سیکل حجم ثابت بزرگتر از سیکل فشار ثابت است اما مشکلات مکانیکی نیز خیلی زیادتر خواهند شد . با اضافه کردن حرارت در حجم ثابت شیرها باید بطور کامل اتاق احتراق را از کمپرسور جدا کنند.

به این ترتیب احتراق متناوباً انجام می شود ، که با کار یکنواخت توربین منافات دارد . در ضمن طراحی مکانیکی توربینی که تحت این شرایط اقتصادی کار کند مشکل است .گرچه کوششهای موفقیت آمیزی در آلمان طی سالهای 1908 تا 1930 برای ساخت توربین هایی از این نوع انجام شد ، لیکن توسعه سیستم با حجم ثابت ادامه نیافت و با توجه به اینکه در توربین های گازی با فشار ثابت احتراق یک فرآیند مداوم است که در آن نیازی به شیر قطع کننده نیست بسیار زود مورد قبول واقع شد ، که سیکل ها با فشار ثابت امکانات بیشتری برای توسعه دارند .

توربین گازی در اواخر دهه 50 قرن بیستم به عنوان تولید برق در شبکه ها مورد استفاده قرار گرفت . در سال 1956 در حدود 5/1 % برق تولید شده در جهان توسط توربین گاز صورت گرفت . در صورتیکه در سال 1976 این مقدار به عنوان 5% رسید که طی بیست سال افزایش قابل ملاحظه ای را نشان می دهد . در حال حاضر حدود 25% تولید برق کشورمان توسط واحدهای گازی انجام می پذیرد. امروزه برای بار پایه از نیرو گاههای آبی و بخار و برای بار متوسط از نیروگاههای کوچکتر واحیاناً قدیمی تر و برای پیک بار از نیرو گاههای گازی استفاده می شود .و این نوع طرز استفاده بهترین حالت اقتصادی را دارا می باشد.

فلسفه نام گذاری توربین گاز :

 از آنجا که سیال عامل در این توربین ها گاز داغ حاصل از احتراق می باشد به آنها توربین گازی گفته می شود . همانطور که در توربین های بخار سیال عامل بخار و و در توربین های آبی سیال عامل آب می باشد .

2) سیکل توربین گاز :

سیکل ترمودینامیکی توربین گاز بر مبنای سیکل برایتون استوار است که در آن هوا بصورت ایزنتروپیک توسط کمپروسور متراکم می شود و سپس احتراق در فشار ثابت صورت می گیرد . آنگاه انبساط ایزونتروپیک (برگشت پذیر و بدون انتقال حرارت ) در توربین انجام می شود و با دادن حرارت به محیط در فشار ثابت سیکل تکمیل می شود .

3 ) انواع سیکلهای توربین گاز

سیکل توربین گاز به دو صورت باز و بسته می باشد . در نوع بسته هوای تمیز و یا گازی که خاصیت خورندگی نداشته باشد وارد سیکل کرده و فشار آن را توسط کمپرسور بالا می برند و سپس بدون اینکه با سوخت مخلوط شود ، در داخل یک مبدل درجه حرارت آن را بالا می برند و سپس آن را وارد توربین کرده و توسط توربین کار می گیرند بعد از خروج از توربین ان را سرد کرده و عمل را تکرار می کنیم در صورتی که در سیکل باز محصولات احتراق مستقیماً وارد توربین شده و از اگزوز خارج می شوند و توسط کمپرسور مجدداً هوای تازه مکیده می شود .

4-) سیکلهای پیش رفته توربین گاز

سیکل باز با مبدل حرارتی

راندمان بیشتر

راندمان پایین تر

از نوع  2 در مواردی استفاده می شود که سوخت کثیف با قیمت ارزان در دسترس باشد .

5 ) مزایا و معایب توربین گاز

الف ) مزایا :

سرعت در نصب و بهره برداری : به دلیل کچک بودن ، حمل نقل آن آسان است .و کارهای نصب آن هم ساده و هم کم می باشد و به دلیل سادگی و کم بودن قسمتهای کمکی و فرعی آن بهره برداری از آن آسان  وسریع صورت می گیرد .

راه اندازی و بارگیری سریع : طی حدود 10 دقیقه می توان راه اندازی شده و به شکل قدرت دهد و تغییر بار اخذ شده از آن سریع صورت می گیرد.

هزینه نصب پایین :

به ازای قدرتی که می دهد دارای وزن کمی است.

 اجزاء کمکی کمی دارد و احتیاج به سرویس های زیادی ندارد .

 فونداسیون کوچکی دارد و عموماً برای آماده کردن زمین احتیاج به کارهای گران قیمت ندارد .

 برای نصب فضای کمی را اشغال می نماید .

 امکان نصب بر روی سازهها و پایه های سبک وجود دارد ، در نتیجه هزینه پایه ها یا اسکلت بندیها و نصب آن کم می باشد .

امکان استفاده از سوخت های مختلف و تعویض سوخت در زیر بار : در توربین های گاز می توان از سوخت های مختلف گاز – گازوئیل – نفت سفید و مازوت استفاده نمود و هیچگونه محدودیتی ندارد . همچنین می توان از دو سوخت با هم نیز استفاده نمود .

 عدم نیاز به آب خنک کن : بدن آب خنک کن می تواند کار کند و قسمت های مختلف آن توسط هوا هم می تواند خنک شود و احتیاج لازم و قطعی به آب ندارد بنابراین می توان در نقاطی آن را نصب نمود که منابع آب وجود ندارد .

 کنترل از راه دور : از راه دور می توان توربین را استارت کرد ، با شبکه پارالل نمود و میزان بار را کم و زیاد نمود بدون اینکه نیاز به اپراتور محلی باشد .

 استارت در خاموشی (Black start) : زمانی که شبکه بدون برق باشد تغذیه داخلی از طریق باطری خانه تامین می شود و از این طریق می توان واحد را استارت نمود (فقط واحدهایی که با دیزل استارت می شوند).

 تامین بارپیک : با توجه به هزینه های نصب پائینی که دارد و با توجه به راه اندازی سریع آن می تواند در موق پیک ، بار مورد نیاز را تامین کند .

استفاده به صورت موتور سنکرون (کندانسور شدن) : ژنراتور توربین گازی  می تواند در مواقع لزوم به صورت موتور سنکرون عمل کند . بدون آنکه دور آن تغییر کند . از این طریق می توان جهت استارت توربین گاز استفاده نمود .  همچنین در مواقعی که لازم است برق اضافی شبکه به مصرف برسد مورد استفاده قرار می گیرد .

استفاده از حرارت خروجی توربین گاز جهت بخار کردن آب در بویلر نیروگاه بخار و طراحی نیروگاه سیکل ترکیبی .

کندانسور کردن :

جدا کردن توربین از ژنراتور و جداکردن ژنراتور به صورت موتور سنکرون را کندانسور می گویند . کندانسور کردن ژنراتور مستلزم آن است که ژنراتور به دور سنکرون (300.r.p.m) رسانده شود .

 دلیل آن این است که در هر دوری بجز دور 3000 انجام عمل کندانسور کردن موجب صدمه دیدن ژنراتور می شود . مصرف مگا وات موجود در شبکه در ساعات مختلف شبانه روز متفاوت است . به گونه ای که در ساعاتی از شبانه روز مگاوات موجود در شبکه بیش از از حد لزوم می باشد . وجود این مگاوات اضافی در شبکه باعث صدمه دیدگی خطوط شبکه در اثر عوامل گوناگونی از قبیل گرم شدن خطوط انتقال ، بالا رفتن ولتاژ در شبکه و به طور کلی موجب بروز اختلال در ضریب قدرت (cos  o) می شود . اشکال دیگری که در صورت وجود مگا وات اضافی در شبکه بوجود  می آید احتمال پیدایش اختلاف در فرکانس و ولتاژ شبکه است . برای جلوگیری از این اختلافان به طور کلی می توان مگا وات تولیدی توسط توربین های مختلف در نیروگاه ها را به حداقل کاهش داد .

ولی در بعضی مواقع حتی با وجود کاهش مگا واتی تا مرز ممکن ، همچنان مگا وات اضافی در شبکه وجود دارد و در این مرحله است که نقش توربین های گازی مطرح میشود که می توان با تبدیل ژنراتور این واحدها به موتور نه تنهای باری به شبکه نداد بلکه مقداری از بار شبکه را نیز مصرف کرد .

ب) معایب توربین های گازی :

بازده ماکزیمم توربین های گازی کمتر از موتورهای احتراقی داخلی و حتی توربین بخار است چون گازهای داغ و خروجی از اگزوز هنوز دارای مقدار زیادی انرژی می باشند ، که به هدر می روند .

کاهش بازده در شرایط نیمه بار (Part load) : ماکزیمم بازده در ماکزیمم بار اتفاق می افتد .

چون محصولات احتراق مستقیماً و دردمای بالا وارد توربین می شوند ، لذا نسبت به مواد خورنده در سوخت و هوا حساس می باشند و به همین دلیل باید بر تعداد بازرسیهای مسیر داغ افزوده وحجم تعمیرات در قطعات مسیر داغ بالا است .

 بالا بودن خرج جاری : با توجه به مصرف بالای سوخت و حجم تعمیرات واحدهای گازی خرج جاری آنها زیاد است .

 تاثیر زیاد دمای محیط و فشار هوا : افزایش دمای محیط و ارتفاع محل نصب از سطح دریا (کاهش فشار محیط )راندمان واحدهای گازی را کاهش می دهد . چون در هر دو حالت حجم مخصوص هوا کاهش می یابد و کمپرسور برای دبی معین از هوا کار بیشتری را باید انجام دهد .

 شتاب گرفتن آن کند است در نتیجه در وسایل نقلیه زمینی از آن استفاده نمی شود .

توربین های گازی مورد استفاده در ایران :

توربین های گازی که در نیروگاههای ایران مورد استفاده قرار گرفته اند اکثراً از چهار نوع جنرال الکتریک ، وستنگهاوس ، براون باوری و زیمنس می باشند که در جدول زیر مشخصات هر کدام به طور خلاصه آورده شده است .