بهره‌برداری از نیروگاههائی که از سوخت فسیلی استفاده می‌کنند

تبدیل مواد شیمیائی به انرژی الكتریكی كه در باطری اتفاق می‌افتد باعث می‌شود مقدار نسبتاً كمی برق برای استفاده موقت تولید شود. در نیروگاهی كه از سوخت فسیلی استفاده می‌كند انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت‌های فسیلی مانند ذغال سنگ، نفت سیاه یا گاز طبیعی برای استفاده مداوم و توزیع در یك منطقه جغرافیائی وسیع بطور پی در پی به انرژی حرارتی، انرژی مكانیكی و در نهایت به انرژی الكتریكی تبدیل می‌شود. تقریباً كلیه نیروگاههائی كه از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌كنند نیروگاههای بخاری- الكتریكی هستند بجز توربین‌های گازی و دیزلی كه گاز طبیعی یا گازوئیلی مصرف می‌كنند.
هر نیروگاه فسیلی دستگاه پیچیده‌ای است كه به صورت سفارشی طراحی و ساخته می‌شود. هزینه ساخت این نیروگاهها طبق برآوردی كه در سال ۲۰۰۴ به عمل آمده است برای تولید هر كیلووات برق ۱۳۰۰ دلار آمریكا یا برای یك واحد ۵۰۰ مگاواتی ۶۵۰ میلیون دلار آمریكا هزینه خواهد داشت. برای استفاده بهینه از منابع طبیعی زمین و نیروی كارگر می‌توان در یك قطعه زمین واحدهای تولیدی چندمنظوره بنا كرد.
● حمل و نقل و تحویل سوخت نیروگاهها
ذغال سنگ بوسیله وسائط نقلیه‌ای مانند كامیون،‌ ترن، قایق باری یا كشتی مخصوص حمل ذغال سنگ به نیروگاهها حمل می‌شود. یك ترن بزرگ مخصوص حمل ذغال سنگ كه واحد ترن نامیده می‌شود ممكن است دو كیلومتر طول داشته باشد. این ترن دارای ۱۰۰ واگن است كه هر واگن می‌تواند ۱۰۰ تن ذغال سنگ را درخود جای دهد و بنابراین جمعاً ۱۰۰۰۰ تن ذغال سنگ توسط یك ترن حمل می‌شود. نیروگاه بزرگی كه تحت بار كامل مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد روزانه حداقل یك ترن كامل ذغال سنگ با این ظرفیت مصرف می‌كند. نیروگاههای بزرگ ممكن است روزانه سه تا پنج برابر این ظرفیت را مصرف كنند مخصوصاً به دلیل پیك بالا (مصرف زیاد برق) در طول ماههای فصل تابستان كه مصرف برق بسیار بالا است. در سیستم‌های مدرن تخلیه بار از دستگاههای تخلیه چرخشی كه از انجماد ذغال سنگ در واگن‌‌های تخلیه جلوگیری می‌كنند استفاده می‌شود. تخلیه بار ذغال سنگ به این ترتیب برای هر واحد ترن حدود ۳ ساعت طول می‌كشد. ترن‌های كوتاه‌تر ممكن است برای حمل و تخلیه ذغال سنگ مورد استفاده قرار گیرند. بهرحال یكی از این ترن‌ها ممكن است برای تخلیه ذغال سنگ به صرف وقت از یك ساعت تا یك ساعت و نیم نیاز داشته باشد. نیروگاههائی كه در مجاورت معدن ذغال سنگ باشند می‌توانند برای دریافت ذغال سنگ مصرفی خود از تسمه نقاله یا كامیون‌های دیزلی- الكتریكی استفاده كنند.
كشتی مخصوص حمل ذغال سنگ ممكن است حدود ۴۰۰۰۰ تن ذغال سنگ حمل كند و چندین روز در سفر باشد تا محموله آن تخلیه شود. بعضی از این كشتی‌ها لوازم تخلیه ذغال سنگ را با خود دارند و برای تخلیه بار از آنها استفاده می‌كنند و بعضی دیگر از این كشتی‌ها از لوازم تخلیه بار موجود در محل نیروگاهها استفاده می‌كنند. كشتی های حمل ذغال سنگ بسیار محكم، بزرگ و مجهز به موتور هستند. برای حمل و نقل ذغال سنگ در آبهای آرام‌تر مانند رودخانه‌ها و دریاچه‌ها از كشتی‌هائی كه كف آنها تخت است و كشتی‌های باری نامیده می‌شوند استفاده می‌شود. كشتی‌های بادی معمولاً به موتور مجهز نیستند و بوسیله كشتی‌های یدك‌كش حركت می‌كنند.
نیروگاهها برای شروع كار یا برای استفاده كمكی می‌توانند نفت كوره مصرف كنند. برای حمل و تحویل نفت كوره به نیروگاهها می‌توان از خط لوله، تانكر و یا واگن‌های روباز و كامیون استفاده كرد. برای ذخیره كردن نفت می‌توان مخازن استوانه‌ای عمودی با ظرفیت ۹۰۰۰۰ بشكه (۱۴۰۰۰۰ متر مكعب) را به كار برد. نیروگاههائی كه برای تولید برق گاز طبیعی مصرف می‌كنند معمولاً در مجاورت خطوط انتقال گاز ساخته می‌شوند و یا لوله‌ای مخصوص گازرسانی از لوله‌های گاز به آنها انشعاب می‌دهند.
● سوخت رسانی و آماده‌سازی سوخت نیروگاهها
برای مصرف ذغال سنگ قطعات بزرگ ذغال سنگ را به قطعات كوچك‌تر از ۲ اینچ (۵۰ میلیمتر) خرد می‌كنند. ذغال سنگ بوسیله نوارهای نقاله با پوشش لاستیكی با سرعت ۴۰۰۰ تن در ساعت از محوطه انبار به سیلوهای ذخیره نیروگاه منتقل می‌شود. یك سیلوی ۴۰۰ تنی با سرعت ۶۰ تن در ساعت هر آسیاب پودركننده ذغال سنگ را تغذیه می‌كند. ذغال سنگ پودر شده با فشار جریان هوا به داخل كوره وارد می‌شود. یك نیروگاه ۵۰۰ مگاواتی تعداد شش عدد از این نوع آسیاب دارد كه پنج دستگاه از این آسیاب‌ها می‌توانند با ظرفیت كامل ۲۵۰ تن ذغال سنگ در ساعت برای كوره نیروگاه ذغال سنگ آماده و تأمین كنند.
● گرم كردن آب تغذیه نیروگاه
آب تغذیه نیروگاه كه در دیگ بخار (بویلر بخار) مورد استفاده قرار می‌گیرد واسطه‌ای است كه انرژی حرارتی حاصل از احتراق سوخت را به انرژی مكانیكی توربین بخار در حال چرخش انتقال می‌دهد. مجموع آب تغذیه شامل بخار آب متراكم از توربین‌های بخار به علاوه آب تصفیه شده است. چون اجسام فلزی كه با آب تماس حاصل می‌كنند در حرارت بالا و فشار زیاد دچار خوردگی می‌شوند بنابراین این آب بایستی قبل از استفاده كاملاً تصفیه شود و از درجه خلوص بالائی برخوردار باشد. یك دستگاه تصفیه آب و املاح‌زدای مبادله یون آب را در حدی تصفیه می‌كنند كه آب خالص بدست آمده تبدیل عایق برق خواهد شد و ضریب هدایت الكتریكی آن بین ۱- ۳/۰ میكروزیمنس در سانتیمتر خواهد بود. آب مصرفی (جبرانی) در یك نیروگاه ۵۰۰ مگاواتی احتمالاً حدود ۲۰ گالن آمریكائی در دقیقه (۲۵/۱ لیتر در ثانیه) است. تا به این ترتیب تلفات نشتی بخار آب در تأسیسات جبران شود.
چرخش آب تغذیه با آب حاصل از بخار آب متراكم پس از عبور از توربین‌های بخار از كندانسور پمپاژ می‌شود. سرعت جریان آب متراكم با حداكثر بار در یك نیروگاه ۵۰۰ مگاواتی حدود ۶۰۰۰ گالن آمریكا در دقیقه است.
(۳۸/۰ متر مكعب در ثانیه). آب از طریق شش یا هفت آبگرمكن آب تغذیه جاری می‌شود، درجه حرارت آن بالا می‌رود و بخار آب از لوله‌ای مناسب توربین‌ها خارج شده و در هر مرحله گرما را جذب می‌كند. بخار آب متراكم و آب جبرانی از طریق سیستم هوازدا كه هوای موجود در آب را خارج می‌كند جاری می‌شود و آن را بیشتر تصفیه می‌كند و قابلیت خورندگی آن را كاهش می‌دهد. به این آب می‌توان یك ماده شیمیایی بنام هیدرازین اضافه كرد كه باعث می‌شود اكسیژن باقیمانده در آب تا میزان زیر ۵ واحد در میلیارد كاهش یابد. همچنین می‌توان به این آب مواد كنترل كننده PH مانند آمونیاك اضافه كرد تا به این ترتیب حالت اسیدی آن كمتر شود و مانع خورندگی سیستم شود.
● عملكرد دیگ بخار یا بویلر
دیگ بخار یك كوره مستطیلی شكل است كه یكی از ابعاد آن ۵۰ فوت (۱۵ متر) و بلندی آن ۱۳۰ فوت
(۴۰ متر) است. دیواره‌های آن از شبكه لوله‌های فشار قوی به قطر ۳/۲ اینچ‌ (۶۰ میلیمتر) ساخته شده است.
ذغال‌سنگ آسیاب شده با فشار باد از طریق نازل‌های (دهانه‌های) سوخت واقع در چهار گوشه آن وارد دیگ شده به سرعت می‌سوزد و شعله بزرگی در مركز آن بوجود می‌آورد. این شعله‌ها، آبی را كه در داخل لوله‌های دیگ گردش می‌كند گرم می‌كند. سرعت گردش آب در بویلر سه تا چهار برابر بوده و توسط پمپ به چرخش درمی‌آید. آب ضمن چرخش در بویلر حرارت جذب می‌كند و با درجه حرارت ۷۰۰ درجه فار نهایت (۳۷۰ درجه سانتیگراد) تبدیل بخار می‌شود. این آب از آب داخل ظرف استوانه‌ای شكل در بالای دیگ جدا می‌شود. بخار آب اشباع شده در لوله‌های آویخته با حرارت فوق‌العاده‌ای وارد می‌شود كه در گرمترین قسمت آویزان هستند و از آنجا از كوره خارج می‌شود. در اینجا بخار آب فوق‌العاده گرم شده و دمای آن به ۱۰۰۰ درجه فار نهایت
(۵۴۰ سانتی‌‌گراد) میر‌سد و برای ورود به توربین آماده می‌شود.
نیروگاههائی كه برای لیگنیت (ذغال سنگ قهوه‌ای) طراحی شده‌اند در حد قابل توجه در مكان‌های مختلف از جمله آلمان، ویكتوریا و داكوتای شمالی مورد استفاده قرار می‌گیرند. لیگنیت شكل جوانتر ذغال سنگ سیاه است، و نسبت به ذغال سنگ سیاه از انرژی كمتری برخوردار است. برای تولید حرارت معادل با حرارت تولید شده توسط ذغال سنگ سیاه لازم است برای ذغال سنگ قهوه‌ای كوره‌ای بزرگتر طراحی و ساخته شود. این نوع ذغال سنگ‌ها (قهوه‌ای) ممكن است حاوی تا ۷۰ درصد آب و خاكستر باشد در نتیجه حرارت كوره آنها كمتر است و نیاز به بادبزن بزرگتر دارند. نحوه سیستم و احتراق این نوع ذغال سنگ یا ذغال سنگ سیاه تفاوت دارد. سیستم احتراق ذغال سنگ قهوه‌ای گاز گرم را از سطح خروجی كوره دریافت كرده و آنرا با ذغال سنگ ورودی مخلوط می‌كند.
نیروگاههائی كه برای گرم كردن آب و تبدیل آن به بخار، گاز مصرف می‌كنند از دیگ‌های بخار مشهور به HRRGs (Heat Recovery Steam Generators) استفاده می‌كنند. در این نوع نیروگاهها، حرارت خروجی از توربین‌های گازی برای گرم كردن بخار آب با حرارت فوق‌العاده زیاد مصرف می‌شود و این بخار آب سپس در سیكل تولید بخار آب سنتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
● ژنراتور توربین بخار
ژنراتور توربین شامل تعدادی توربین بخار است كه به یكدیگر و یك ژنراتور روی شفت مشترك متصل هستند. در یك انتها یك توربین فشار بالا وجود دارد. پس از آن یك توربین فشار متوسط، دو توربین فشار پائین و ژنراتور وجود دارند. ضمن اینكه بخار آب در سیستم حركت می‌كند فشار و انرژی حرارتی خود را از دست می‌دهد و منبسط می‌شود.بخار آب بسیار گرم از دیگ بخار از طریق لوله‌ای با قطر ۱۶-۱۴ اینچ (۴۰۰ – ۳۵۰ میلیمتر) به توربین فشار بالا منتقل می‌شود و در آنجا فشار و حرارت آن به ترتیب به ۶۰۰ پوند در اینچ مربع و ۶۰۰ درجه فار نهایت (۳۱۵ درجه سانتی‌گراد) افت می‌كند. این بخار آب از طریق خطوط لوله با قطر ۲۶-۲۴ اینچ (۶۵۰ – ۶۰۰ میلیمتر) خارج می‌شود و به دیگ بخار برمی‌گردد. در آنجا (دیگ بخار) بخار آب در لوله‌های آویخته مجدداًَ گرم می‌شود و حرارت آن به ۱۰۰۰ درجه فار نهایت یا ۵۴۰ درجه سانتی‌گراد افزایش می‌یابد. بخار آبی كه مجدداً گرم شده است به توربین فشار متوسط منتقل می‌شود و در آنجا درجه حرارت و فشار آن كاهش می‌یابد و از آنجا مستقیماً به توربین های فشار پائین یا پره‌های بلند وارد و در نهایت به كندانسور منتقل می‌شود. این ژنراتور، كه طول آن ۳۰ فوت (۹ متر) و قطر آن ۱۲ فوت (۷/۳ متر) است، شامل یك استاتور (ثابت كننده) ثابت و یك روتور (گردنده) چرخنده است كه هر كدام دارای كیلومترها سیم هادی مسی سنگین هستند. ژنراتور مذكور تا ۲۱۰۰۰ آمپر در ۲۴۰۰۰ ولت جریان متناوب (۵۰۴ مگاوات) با سرعت چرخش ۳۰۰۰ تا ۳۶۰۰ دور در دقیقه برق تولید می‌كند. روتور درون محفظه‌ای كه با گاز هیدروژن خنك می‌شود می‌چرخد.
فركانس شبكه برق در آمریكای شمالی ۶۰ هرتز و در اروپا، اقیانوسیه، آسیا (كره و بخش‌هائی از ژاپن مستثنی هستند) و بخش‌هائی از آفریقا ۵۰ هرتز است.
جریان برق وارد محوطه توزیع شده و در آنجا ترانسفورماتورهای ولتاژ آنرا به ۱۱۵، ۲۳۰، ۵۰۰ یا ۷۶۵ كیلوولت جریان متناوب به صورتیكه برای انتقال به مقصد لازم است افزایش می‌دهند.
● متراكم كردن بخار آب
هر قدر فشار بخار آب خروجی كه از توربین فشار پائین خارج می‌شود كمتر باشد مراحل عمل توربین از راندمان بهتری برخوردار خواهد شد. بخار آب خروجی از توربین فشار پائین در لوله‌های كندانسور كه آب خنك در حال چرخش در آنها است وارد می‌شود. آب خنك باعث می‌شود بخار آب در درجه حرارت ۱۰۰-۹۰ درجه فار نهایت (۳۸- ۳۲ درجه سانتی‌گراد) متراكم شود و این شرایط در كندانسور فشار كمی تولید می‌كند و راندمان توربین‌ها را افزایش می‌دهد.
پمپ‌های قوی از قسمت پائین كندانسور بخار آب متراكم (آب) را به گردش در می‌آورند و برای استفاده مجدد آنرا به گرم‌كننده‌های آب تغذیه برگشت می‌دهند. درجه حرارت جذب شده بوسیله آب خنك كننده در حال چرخش در لوله‌های كندانسور برای حفظ توان خنك‌كنندگی آن بایستی كاهش داده شود. این كار (از دست دادن حرارت) با پمپ كردن آب گرم از كندانسور از طریق هوای سرد طبیعی یا برج‌های خنك‌كننده‌ای كه درجه حرارت آب را از طریق تبخیر به ۳۰-۲۰ درجه فار نهایت (۱۷-۱۱ درجه سانتی‌گراد) كاهش می‌دهند انجام می‌شود. سرعت چرخش آب سرد در یك واحد ۵۰۰ مگاواتی حدود ۲۲۵۰۰۰ گالن آمریكا در دقیقه (۲/۱۴ متر مكعب در ثانیه) با بار كامل است.
لوله‌های كندانسور از برنج یا فولاد ضد زنگ ساخته شده است تا در مقابل خوردگی از هر دو طرف مقاومت كنند. با این وجود این لوله‌ها ممكن است ضمن بهره‌برداری بوسیله باكتری‌ها و جلبك‌های موجود در آب سرد یا بوسیله رسوب‌گزاری مواد معدنی كه از انتقال حرارت جلوگیری می‌كنند و راندمان ترمودینامیك را كاهش می‌‌دهند كثیف شوند. تعداد زیادی از نیروگاهها سیستم تمیزكننده اتوماتیك دارند. این سیستم‌ها گویچه‌های لاستیكی و اسفنجی را درون لوله‌ها به گردش درمی‌آورند و بدون متوقف كردن كار نیروگاه لوله‌ها را تمیز می‌كنند.
شكل دیگر سیستم تراكم استفاده از كندانسوری است كه با هوا خنك می‌شود. ضمن اینكه این سیستم‌ در عمل شبیه به برج‌های خنك كننده مكانیكی می‌باشد از نظر محیط زیست بیشتر قابل قبول است. این فرایند شبیه به فرایند خنك كننده رادیاتور و فن (بادبزن) است.
حرارت خروجی از سنجش فشار كم توربین بخار از طریق لوله‌های تراكم جریان می‌یابد. بخار آب به صورت آب متراكم درآمده تا مجدداً در چرخش آب و بخار آب مورد استفاده قرار گیرد.
● مسیر گاز دودكش و تمیز كردن آب
تخلیه گاز دودكش (خروجی) حاصل از احتراق سوخت فسیلی و جلوگیری كردن از سولفوروشدن گاز دودكش ضمن خروج گاز حاصل از احتراق از دیگ بخار (بویلر)، این گاز از سبد تخت در حال چرخش با شبكه فلزی عبور می‌كند و حرارت گرفته شده و به هوای تازه وارد اضافه می‌شود. این عمل را گرم كردن اولیه هوا می‌نامند. گازی كه از بویلر خارج می‌شود مملو از خاكستری‌ است كه از ذرات ریز كروی تشكیل شده است. این گاز حاصل نیتروژن (ازت) همراه با مواد حاصل از احتراق دی اكسید كربن، دی اكسید گوگرد و اكسیدهای ازت است. خاكستر بدست آمده از این طریق گاهی اوقات می‌تواند برای تولید سیمان مورد استفاده قرار گیرد. در مواردیكه براساس قانون ضرورت ایجاب كند، برای از بین بردن مواد آلوده كننده اكسید گوگرد و ازت از تمیزكننده‌های دوده استفاده می‌شود كه با به كار بردن پودر سنگ آهك یا ماده آبكی كه خاصیت قلیائی دارد مواد آلوده كننده را از گاز خروجی حذف می‌كنند.
گازی كه از دودكش در این موقع خارج می‌شود فقط ۱۲۰ درجه فار نهایت (۵۰ درجه سانتی‌گراد) حرارت دارد. این نوع دودكش‌ها برای پراكنده كردن گاز دوده در هوا بكار می‌روند و بین ۵۰۰ تا ۶۰۰ فوت (۱۸۰- ۱۵۰ متر) ارتفاع دارند. بلندترین دودكش در جهان ۱۳۷۵ فوت (۴۲۰ متر) بلندی دارد كه متعلق به نیروگاه GRES-۲ در قزاقستان است.
در آمریكا و تعدادی از سایر كشورهای جهان برای تعیین ارتفاع دودكش نیروگاهها طبق مقررات آلودگی هوای محلی مطالعات مدل‌‌سازی پراكندگی دود به عمل می‌آید. آمریكا حداكثر ارتفاع دودكش را تحت عنوان "اجرای مهندسی مناسب" (GEP) تعیین می‌كند. در هنگام مطالعات مدل‌سازی برای پراكنده كردن مواد آلوده كننده هوا بایستی ارتفاع دودكش GEP مورد استفاده قرار گیرد.
● نیروگاههای سیكل تركیبی با توربین گازی
در گروه مهمی از نیروگاههای فسیلی از توربین گازی استفاده می‌شود. راندمان نیروگاه سیكل تركیبی در واحدهای بزرگ ۵۰۰ مگاواتی تا ۶۰ درصد می‌رسد. توربین‌های این نوع نیروگاهها از گاز طبیعی یا گازوئیل (diesel) استفاده می‌كنند. در حالیكه اینگونه نیروگاهها از راندمان بالائی برخوردار هستند و به سرعت ساخته می‌شوند (یك نیروگاه هزار مگاواتی ممكن است در مدت دو سال از زمان شروع تا پایان ساخت طول بكشد) از نظر اقتصادی به هزینه گاز طبیعی مصرفی آنها وابسته هستند. نیروگاههای سیكل تركیبی با مشخصات متفاوت طراحی می‌شوند و از تعدادی توربین گازی به همراه یك توربین بخار تشكیل شده‌اند. تأسیسات سیكل تركیبی ۱-۳ دارای سه توربین گازی و یك توربین بخار است. نسبت توربین‌های گازی و توربین بخار در نیروگاههای سیكل تركیبی به قرار زیر است: (۱-۶) و (۱-۵) و (۱-۴) و (۱-۳) و (۱-۲) و (۱-۱)
نیروگاههای گازی ساده و بدون سیكل بخار گاهی اوقات در موارد اضطراری یا افزایشی ظرفیت پیك نصب می‌شوند. راندمان حرارتی این نیروگاهها كمتر است. هزینه سرمایه‌گزاری پائین و مدت زمان بهره‌برداری چند صد ساعت در سال از این نیروگاهها (گازی) هزینه بالای بهره‌برداری ازآنها را جبران می‌كند.
● اثرات زیست محیطی
منتقدین نیروگاههای فسیلی ادعا می‌كنند كه توربین‌های این نیروگاهها به باران اسیدی، گرم كردن كره زمین و آلودگی هوا كمك می‌كنند. ذغال سنگ حاوی مقادیر كمی اورانیوم، توریوم و سایر ایزوتوپ‌های رادیوآكتیو است كه انتشار آنها در محیط زیست باعث آلودگی می‌شود. در حالیكه این مواد به مقدار بسیار كم به صورت ناخالصی در ذغال سنگ وجود دارد، با احتراق ذغال سنگ به اندازه كافی مقادیر قابل توجهی از این مواد
آلوده كننده در هوا منتشر می‌شود. یك نیروگاه ذغال سنگ ۱۰۰۰ مگاواتی سالیانه ۲/۵ تن اورانیوم (كه حاوی ۷۴ پوند اورانیوم ۲۳۵ است) و ۸/۱۲ تن توریوم در هوا منتشر می‌كند.

آدرس: File://G:\۸۵-۱۰-۲۵\fossil fuel power plant- wikipedia, the free encyclopedia. Htm ۲۰۰۷/۰۱/۱۷

منبع : مجله بولتن بین الملل