نیروگاه سیکل ترکیبی چیست؟ نحوه کار، راندمان و HRSG

نیروگاه سیکل ترکیبی چیست؟

نیروگاه سیکل ترکیبی یکی از روش‌های تولید انرژی الکتریکی است که با استفاده هم‌زمان از توربین گازی و توربین بخار، از انرژی سوخت بهره‌وری بیشتری می‌گیرد. در این نیروگاه، علاوه بر تولید برق توسط توربین گازی، از گرمای گازهای خروجی نیز برای تولید بخار و به حرکت درآوردن توربین بخار استفاده می‌شود.

در ادامه این مطلب بررسی می‌کنیم که نیروگاه سیکل ترکیبی چیست، چگونه برق تولید می‌کند، چه اجزایی دارد و چرا راندمان آن نسبت به برخی نیروگاه‌های معمولی بالاتر است.

اگر به حوزه برق صنعتی و نحوه عملکرد تجهیزات تولید انرژی الکتریکی علاقه‌مند هستید، این مطلب می‌تواند دید مناسبی درباره ساختار و عملکرد نیروگاه‌های سیکل ترکیبی در اختیار شما قرار دهد.

خواندن این مطلب که در مورد نحوه تولید انرژی الکتریکی در نیروگاه های سیکل ترکیبی نوشته شده است، به شرکت کنندگان در دوره آموزش برق صنعتی شدیدا توصیه می شود.

چرا نیروگاه سیکل ترکیبی راندمان بالاتری دارد؟

راندمان نیروگاه سیکل ترکیبی به دلیل استفاده هم‌زمان از توربین گازی و توربین بخار افزایش پیدا می‌کند. در این نیروگاه، ابتدا سوخت در توربین گازی مصرف شده و انرژی حاصل به برق تبدیل می‌شود. سپس به‌جای اینکه گرمای گازهای خروجی هدر برود، از آن برای تولید بخار و به حرکت درآوردن توربین بخار استفاده می‌شود.

به زبان ساده، نیروگاه سیکل ترکیبی از انرژی موجود در سوخت در دو مرحله استفاده می‌کند؛ یک‌بار برای تولید برق در توربین گازی و بار دیگر با بازیابی گرمای خروجی برای تولید برق در توربین بخار. به همین دلیل، انرژی بیشتری از مقدار سوخت مصرف‌شده به دست می‌آید و اتلاف انرژی کاهش پیدا می‌کند.

نیروگاه سیکل ترکیبی چگونه برق تولید می‌کند؟

برای درک اینکه چرا راندمان نیروگاه سیکل ترکیبی بالاتر است، ابتدا باید با نحوه تبدیل انرژی موجود در سوخت به انرژی الکتریکی آشنا شویم. این فرایند در چند مرحله انجام می‌شود:

1. احتراق سوخت در توربین گازی

در مرحله اول، هوای فشرده با سوخت ترکیب می‌شود و با اعمال حرارت، فرایند احتراق شکل می‌گیرد. گازهای حاصل از احتراق با جریان یافتن در مسیر توربین، پره‌های آن را به حرکت درمی‌آورند.

سپس چرخش توربین باعث ایجاد انرژی مکانیکی می‌شود و ژنراتور این انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.

2. بازیابی گرما با HRSG

پس از تولید برق در توربین گازی، بخشی از انرژی گرمایی موجود در گازهای خروجی همچنان باقی می‌ماند. در نیروگاه سیکل ترکیبی، این گرما به‌جای خروج مستقیم از اگزوز، توسط سیستم بازیابی حرارت (HRSG) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

گرمای بازیابی‌شده باعث تبخیر آب و تولید بخار می‌شود. سپس بخار تولیدشده، توربین‌های بخار متصل به ژنراتورها را به حرکت درمی‌آورد و در نتیجه، برق بیشتری تولید می‌شود.

3. انتقال انرژی الکتریکی تولیدشده

در مرحله پایانی، انرژی الکتریکی تولیدشده توسط ژنراتورهای متصل به توربین‌های گازی و بخار، برای انتقال و استفاده در شبکه برق ارسال می‌شود.

🛠️ فوت‌وفن کارگاهی اساتید

• نکته اول: در بررسی عملکرد نیروگاه، فقط به توربین گازی توجه نکنید؛ بخشی از انرژی موجود در گازهای خروجی، مبنای عملکرد HRSG و تولید بخار در مرحله دوم است. بنابراین عملکرد این بخش هم باید در ارزیابی کلی فرایند تولید برق در نظر گرفته شود.
• نکته دوم: در عیب‌یابی تجهیزات نیروگاه، بررسی سیستم‌های کنترل و ابزار دقیق را کنار تجهیزات اصلی قرار دهید. سنسورها، سیستم DCS و تجهیزات حفاظتی اطلاعات مهمی درباره وضعیت عملکرد تجهیزات در اختیار اپراتور قرار می‌دهند.

راندمان نیروگاه سیکل ترکیبی چقدر است؟

یکی از مهم‌ترین مزایای نیروگاه سیکل ترکیبی، استفاده بهتر از انرژی سوخت و کاهش اتلاف حرارتی است. در این نیروگاه، گازهای خروجی توربین گازی که هنوز مقدار قابل‌توجهی انرژی گرمایی دارند، وارد سیستم بازیابی حرارت یا HRSG می‌شوند و برای تولید بخار مورد استفاده قرار می‌گیرند.

بر اساس جدول مقایسه‌ای مقاله، راندمان حرارتی خالص نیروگاه سیکل ترکیبی حدود ۵۸ تا ۶۲ درصد در نظر گرفته شده است. این مقدار در مقایسه با نیروگاه گازی ساده و نیروگاه بخاری، بالاتر است.

در واقع، دلیل اصلی این راندمان بالاتر این است که گرمای خروجی توربین گازی به‌جای هدر رفتن، در مرحله دوم چرخه برای تولید بخار و برق مجدد مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اجزای اصلی نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه سیکل ترکیبی از مجموعه‌ای از تجهیزات مکانیکی، الکتریکی و کنترلی تشکیل شده است. مهم‌ترین اجزای آن عبارت‌اند از:

توربین گازی

توربین گازی یکی از بخش‌های اصلی نیروگاه است. در این بخش، سوخت و هوای فشرده وارد فرایند احتراق می‌شوند و گازهای داغ حاصل از احتراق، توربین را به حرکت درمی‌آورند. چرخش توربین نیز انرژی مکانیکی لازم برای به حرکت درآوردن ژنراتور را فراهم می‌کند.

بویلر بازیاب حرارتی HRSG

HRSG یا بویلر بازیاب حرارتی، وظیفه استفاده مجدد از گرمای گازهای خروجی توربین گازی را بر عهده دارد. این گرما برای تبدیل آب به بخار استفاده می‌شود و بخار تولیدشده در ادامه، توربین بخار را به حرکت درمی‌آورد.

توربین بخار

بخار تولیدشده در HRSG وارد توربین بخار می‌شود و با به حرکت درآوردن پره‌های توربین، انرژی حرارتی و فشاری بخار را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کند. این انرژی مکانیکی در ادامه برای تولید برق به ژنراتور منتقل می‌شود.

ژنراتور

ژنراتور انرژی مکانیکی حاصل از چرخش توربین‌ها را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. در نیروگاه سیکل ترکیبی، ژنراتورها به توربین‌های گازی و بخار متصل هستند و برق تولیدشده از این دو بخش در ادامه به شبکه منتقل می‌شود.

سیستم خنک‌کن و کندانسور

پس از عبور بخار از توربین بخار، بخار باید دوباره به آب تبدیل شود تا امکان استفاده مجدد از آن در چرخه وجود داشته باشد. این فرایند در بخش خنک‌کن و کندانسور انجام می‌شود.

مزایا و معایب نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه سیکل ترکیبی با استفاده مجدد از گرمای خروجی توربین گازی، بهره‌وری بالاتری نسبت به بسیاری از روش‌های تولید برق دارد. مهم‌ترین مزایا و محدودیت‌های آن را می‌توان به شکل زیر خلاصه کرد:

تفاوت نیروگاه سیکل ترکیبی با نیروگاه گازی و بخاری

تفاوت اصلی این نیروگاه‌ها در نحوه استفاده از انرژی و تعداد چرخه‌های مورد استفاده برای تولید برق است. در نیروگاه سیکل ترکیبی، از توربین گازی و توربین بخار به‌صورت مکمل استفاده می‌شود؛ یعنی گرمای خروجی توربین گازی برای تولید بخار و برق بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بنابراین، ویژگی اصلی سیکل ترکیبی این است که انرژی حرارتی باقی‌مانده از توربین گازی دوباره وارد فرایند تولید برق می‌شود.

نقش تجهیزات برق صنعتی و سیستم DCS در نیروگاه

عملکرد یک نیروگاه سیکل ترکیبی فقط به توربین‌ها و تجهیزات مکانیکی محدود نمی‌شود. تجهیزات برق صنعتی، ابزار دقیق و سیستم‌های کنترل نیز برای پایش و کنترل فرایندهای نیروگاه اهمیت دارند.

در مقاله، تجهیزات این بخش در چند گروه اصلی معرفی شده‌اند:

• ژنراتور سنکرون و تجهیزات خروجی قدرت: شامل ژنراتور، شینه‌ها و ترانسفورماتور قدرت.
• سوئیچ‌گیرهای فشار متوسط: برای کنترل و حفاظت بخش‌های مختلف شبکه برق نیروگاه.
• سیستم کنترل و اتوماسیون DCS: برای کنترل و مدیریت فرایندهای نیروگاه.
• سنسورها و تجهیزات ابزار دقیق: برای اندازه‌گیری پارامترهایی مانند فشار، دبی و ارتعاش.
• سیستم تغذیه اضطراری DC و UPS: برای تأمین برق تجهیزات ضروری در شرایط اضطراری.

در نتیجه، سیستم DCS و تجهیزات برق و ابزار دقیق، نقش مهمی در کنترل، پایش و حفاظت تجهیزات نیروگاه دارند و در کنار تجهیزات مکانیکی، عملکرد پایدار نیروگاه را پشتیبانی می‌کنند.

جمع‌بندی موضوع معرفی نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه سیکل ترکیبی با استفاده هم‌زمان از توربین گازی و توربین بخار، امکان بهره‌برداری بهتر از انرژی سوخت و کاهش اتلاف حرارتی را فراهم می‌کند. در این فرایند، گرمای گازهای خروجی توربین گازی از طریق سیستم HRSG بازیابی شده و برای تولید بخار و برق بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

مهم‌ترین مزیت این نیروگاه‌ها، افزایش بهره‌وری و کاهش اتلاف انرژی است. استفاده مجدد از انرژی حرارتی باقی‌مانده، علاوه بر بهبود راندمان تولید برق، می‌تواند به کاهش مصرف سوخت و در نتیجه کاهش میزان آلاینده‌های ناشی از آن کمک کند.

امیدواریم این مطلب درباره نیروگاه سیکل ترکیبی، نحوه تولید برق، راندمان و اجزای اصلی آن برای علاقه‌مندان به حوزه برق و الکترونیک مفید بوده باشد. برای آشنایی بیشتر با آموزش‌های تخصصی این حوزه می‌توانید به وب‌سایت مجتمع آموزشی دارالفنون ری مراجعه کنید.

آموزش تخصصی و عملی مباحث مربوط به نیروگاه ها در دارالفنون ری

یادگیری اصولی، تست عملی و تسلط بر استانداردهای این حوزه نیازمند آموزش کارگاهی روی تجهیزات واقعی است. با ثبت‌نام در دوره آموزش برق صنعتی دارالفنون آموزشگاه دارالفنون ری، زیر نظر اساتید باسابقه مهارت‌آموزی کنید.