مقاله درباره تولید برق انواع نیروگاه٬ انواع سوخت٬ آلاینده ها

لینک دانلود و خرید پایین توضیحات

فرمت فایل word و قابل ویرایش و پرینت

تعداد صفحات: 14

تولید برق: انواع نیروگاه٬ انواع سوخت٬ آلاینده ها

5- تولید

مصرف جهانی انرژی هر ده سال یکبار دو برابر می‌شود و در این افزایش مداوم، مصرف انرژی الکتریکی بیشترین سهم را دارد، زیرا در همان مدت 4 برابر می‌شود. {504} منابع غنی نفت و گاز ایران به عنوان انرژی اولیه، تأمین کننده سوخت مورد نیاز برای تولید برق هستند و تنها بخش کوچکی از نیروی برق به کمک منابع تجدیدپذیر و برق آبی تولید می‌شود. این موضوع در تراز برق سال 1379 (جدول 1-5) به‌خوبی نمایان است. در این تراز نکات زیر قابل ذکر است:

- همه ارقام به تراوات ساعت[1] تبدیل شده است.

- آمار و ارقام از کتاب های «آمار تفصیلی برق[2]» و «ترازنامه انرژی[3]» استخراج شده است.

- جمع تولید[4] به کمک هر دو منبع و به صورت جداگانه محاسبه شده است و مغایرت[5] مورد توجه قرار گرفته است.

- میزان و حجم تلفات تبدیل[6] و تلفات توزیع و انتقال[7] مشخص شده است.

جدول مذکور حاوی نکات بسیار مهمی به شرح زیر است:

1- ایران هنوز از نیروگاه‌های اتمی استفاده نمی‏کند.

2- انرژیهای تجدیدپذیر درحال حاضر تقریباً جنبه مطالعاتی دارد.

3- استفاده از منابع برق آبی بسیار محدود است.

4- درتبدیل نفت و گاز به برق، حدود 67 درصد انرژی قبل از تبدیل شدن به برق از دسترس خارج می‏شود.

5- علاوه بر رقم فوق، 8/4% از برق تولیدی، در همان بخش انرژی به‏ مصرف می‏رسد.

6- پس از آن‌که برق به شبکه انتقال و توزیع تحویل شد، بازهم شاهد 6/16% تلفات دیگر هستیم.

7- تنها حدود نیمی از ظرفیت نصب شده نیروگاهی مورد بهره‏برداری قرارمی‏گیرد.

8- صادرات برق فقط6/0 درصد میزان تولید است.

9- تنها حدود یک چهارم برق تولیدی در بخش صنعتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

بااین‏همه روند توسعه در عرصه صنعت ‏برق،در سالهای پس‏ازانقلاب بسیارچشمگیر است. کافی است توجه‏کنیم که قدرت نصب شده نیروگاه‌ها در پایان سال 1357 تنها 7024 مگاوات بود. {408} طی این سال‌ها همه شاخص‏ها منجمله میزان قدرت سرانه، تولید سرانه انرژی برق، و ضریب بار بهبود یافته و به ترتیب از 236 وات نفر، 545 کیلووات ساعت، و 9/56% به 512، 1906، 95/63% رسیده‏است. {114} نمودارهای 2-5 و 3-5 معرف این واقعیت هستند.پیش‏بینی‏ها نشان می‏دهد که این روند توسعه، با سرعت بیشتری به پیش خواهد رفت. در بهار و تابستان سال 1380 تولید ناویژه برق به ترتیب 29739 و 36820 هزارمگاوات ساعت بود{629} که نسبت به سال 79 به‌ترتیب4% و9/7% رشد نشان می‏دهند. کل انرژی تولیدشده در سال 80، نزدیک به 127 تراوات ساعت بود. {643} انتظار می‏رود ظرفیت تولید تا پایان برنامه سوم به 39179 مگاوات و تا پایان سال 1388 به 42724 مگاوات{107} و تا سال 1400 به 96هزارمگاوات برسد.{33} هریک از این ارقام به ترتیب 4/10، 5/5، و 3/6 درصد رشد سالانه را پیش‌بینی می‏کنند.

مقایسه آماری شاخص‏های عمده صنعت برق با کشورهای جهان نیز غرورآفرین است. البته ظرفیت سرانه ایران تقریباً از همه کشورهای عضو آژانس بین‏المللی انرژی (بجز چند کشور نظیر مکزیک و ترکیه) کمتر است. (جدول4-5)

گذشته از جدول یاد شده و کشورهای آژانس بین‏المللی انرژی، کشورهای تایوان، روسیه، قزاقستان، اوکراین، عربستان، رومانی، ونزوئلا، آفریقای جنوبی، مالزی، و آرژانتین رتبه بهتری بر پایه ظرفیت سرانه دارند.{107} می‏توان گفت کشورهای بحرین، قبرس، فلسطین، کویت، عمان، قطر، امارات متحده عربی، لیبی، شیلی، پاراگوئه، پورتوریکو، ارمنستان، آذربایجان، بلاروس، استونی، گرجستان، قرقیزستان، لیتوانی، تاجیکستان، ترکمنستان، و ازبکستان هم ظرفیت سرانه بالاتری دارند.

اما تقریباً همه کشورهای دیگر جهان، به‌ویژه کشورهای واقع در شرق ایران، ظرفیت سرانه‏ای کمتر از ایران دارند و طبیعی است که به دنبال واردات برق باشند. کشورهای ترکیه، عراق، سوریه، لبنان، اردن، افغانستان، پاکستان، بنگلادش، برمه، چین، هند، اندونزی، سنگاپور، تایلند، ویتنام، و کره‌شمالی کشورهایی هستند که ظرفیت سرانه‏ای پایین‏تر از ایران دارند، اکثراً به‏منابع انرژی دسترسی ندارند، و ایران می‏تواند از طریق خشکی با آنان ارتباط برقرار کند.

1-5- انواع نیروگاه‌ها

بیشترین نیروگاه‌های جهان آبی یا حرارتی هستند. انرژیهای نو و تجدیدپذیر، حتی نیروگاه‌های آبی کوچک، بحث جداگانه‏ای را می‏طلبند. مقصود از برق آبی دراین تقسیم‏بندی کلی، نیروگاه‌های بزرگ آبی است. نیروگاه‌های حرارتی نیز همه سوختهای احتراق پذیر، فسیلی و هسته‏ای را شامل می‏شوند.

درواقع چیزی که مبنای طبقه‏بندی نیروگاه‌ها قرار می‏گیرد، نوع سوخت آنها نیست، بلکه طراحی سیستم تولید برق نیروگاه مطرح است. یک نیروگاه بخار ممکن است با گاز، زغال سنگ یا سوخت‏های دیگر، و حتی با سوخت هسته‏ای کارکند. اما نحوه عملکرد آن با نیروگاه گازی متفاوت است و در نتیجه کاربرد آن نیز متفاوت خواهدبود.

ترمودینامیک

طراحی، کارکرد و کارایی نیروگاه‌های مولد برق به‏طور گسترده‏ای برعلم ترمودینامیک متکی‌است. قانون اول ترمودینامیک قانون بقای انرژی است که می‏گوید انرژی نه به وجود می‏آید و نه نابود می‏شود. انرژی سیستمی که تغییر حالت می‏دهد (یا در طی فرایندی تحول پیدا می‏کند) ممکن است در نتیجه تبادل با محیط، کم یا زیاد شود، و یا در درون سیستم از شکلی به شکل دیگر درآید.{112} به‏عبارت ساده‏تر، ما می‏توانیم سوخت را به گرما، و گرما را به کار تبدیل کنیم و از حرکت حاصله با استفاده از خواص سیم‏پیچ و مغناطیس، برق به‏دست آوریم. البته این کار نه از طریق یک روند، بلکه به کمک یک چرخه صورت می‌گیرد زیرا لازم است سیستم نه یک بار، بلکه به صورتی پیوسته عمل کند. چرخه متشکل از تعدادی فرایند است که از حالت معینی شروع و به همان حالت ختم می‏شود. به‏این‏ترتیب چرخه می‏تواند تا هنگامی که نیاز باشد به‏طور نامحدود تکرارشود.

ما بیش از همه با دونوع انرژی، به‏صورت گرما و کار، روبرو هستیم. قانون دوم ترمودینامیک، هم‏ارزی تبدیل این دو را نفی نمی‏کند، ولی برای آن حدی قائل است. کار، انرژی با ارزش‏تری است. کار را می‏توان به‌طور کامل و پیوسته به گرما تبدیل کرد، ولی عکس آن درست نیست. گرما را نمی‏توان به‏طور کامل و پیوسته به کار تبدیل کرد. به‌عبارت دیگر گرما به‌طور پیوسته یعنی به‌طور چرخه‏ای، کاملاً قابل تبدیل به کار نیست. (هرچندکه در یک فرایند می‏تواند چنین باشد.) بخشی از گرما را که نمی‏توان به این‌ترتیب به کار تبدیل کرد، انرژی دسترس‏ناپذیر می‏نامند که بایستی پس از انجام کار، به‌عنوان گرمای با کیفیت نازل دفع شود.

انتخاب بین هزینه سرمایه‏گذاری و هزینه سوخت

این همان بخش بزرگی از انرژی است که در مرحله تولید الکتریسیته، در نیروگاه‌ها از دسترس خارج می‏شود و در ترازنامه انرژی تحت عنوان تلفات تبدیل ذکر شده‌است. پیچیده‏تر کردن چرخه تولید الکتریسیته و استفاده از فوق گرما دادن، باز گرمایش، بازیابی، پیش‌گرم‌کن و نظایر آن، روش‌هایی است که با محاسبات اقتصادی در مورد این یا آن نیروگاه تحت این یا آن شرایط به کار گرفته می‏شود. مثلاً در چرخه رانکین، “اختلاف دمای بسیار کوچک در نقطه تنگش منجر به اختلاف دمای کلی کم و در نتیجه بازگشت ناپذیری کمتر، ولی مولد بخار بزرگتر و گرانتر می‏شود. اختلاف دمای بسیار بزرگ در نقطه تنگش منجر به مولد بخار کوچک و ارزان، ولی اختلاف دمای کلی و بازگشت‌ناپذیری بیشتر می‏شود که در این صورت بازده نیروگاه کاهش می‏یابد. اقتصادی ترین اختلاف دما در نقطه تنگش با بهینه سازی به دست می‏آید که در طی آن هم هزینه‏های ثابت (براساس هزینه‏های سرمایه‏گذاری) و هم هزینه‏های جاری (بر اساس بازده و در نتیجه هزینه سوخت) در محاسبه واردمی‏شوند.” {112}

در مورد توربین‏های گازی نیز با افزایش دمای ورودی، فشار و در نتیجه بازده بالا می‏رود. البته هزینه سرمایه‏گذاری نیز بالا می‏رود اما کاهش مصرف سوخت، به سرعت این اختلاف هزینه سرمایه‏گذاری را باز می‏گرداند.

نیروگاه دیزلی

رودلف دیزل (1913- 1858) در پاریس از والدین آلمانی به دنیا آمد. او در سال 1893 و در آلمان موتور اختراعی را به‌نام خودش به ثبت رساند. چرخه ایده‏آل او سیستم بسته‏ای به شکل زیر است:این چرخه تشکیل می‏شود از فرایند تراکم ایده‏آل بی‌دررو (بدون تبادل گرما)1-2؛ فرایند فشار ثابت گرماگیر 2-3؛ فرایند انبساط ایده‏آل بی‌دررو 3-4؛ فرایند حجم ثابت گرماده 4-1 که سرانجام چرخه را به حالت یک باز می‏گرداند.

در نیروگاه دیزل با استفاده از سوخت گاز یا مایع در سیلندرها، انرژی مکانیکی به‌دست می‏آید که توسط ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‏گردد. نیروگاه دیزل برخلاف دیگر نیروگاه‌های حرارتی و آبی، فاقد توربین می‏باشد.

این ساده‏ترین نوع نیروگاه است که به راحتی نصب و راه‏اندازی می‏شود. اگر وقت صرف شده جهت نصب و راه‏اندازی یک واحد نیروگاه دیزلی را یک فرض کنیم، نیروگاه گازی 10، نیروگاه بخاری 20، و نیروگاه آبی 90 واحد زمان لازم خواهدداشت.{507} در ایران نیز نخستین نیروگاه، یک واحد 400 کیلوواتی دیزل بود که در زمان مشروطه توسط حاج امین‏الضرب در سال 1285 شمسی در خیابان چراغ برق تهران (امیرکبیر) راه‏اندازی شد. {505} جای تأسف است که پس از آن 53 سال طول کشید تا نیروگاه حرارتی طرشت راه‏اندازی شود.

امروزه حتی اگر نیروگاه‌های دیزلی را بخواهیم به طور کامل کناربگذاریم، بازهم استفاده از دیزل ژنراتور در نیروگاه‌ها ضروری است. زمانی که شبکه سراسری Black Outمی‏شود، برق اولیه به وسیله یک دیزل ژنراتور تأمین می‏گردد که به نوبه خود توربین گازی را با برق 380 ولت ACبه‌ عنوان Prime Mover راه می‏اندازد. توربین گازی به نوبه خود بار لازم برای راه‏اندازی توربین های بخار را تأمین می‏کند.{116}

نیروگاه بخار

ویلیام جان ام رانکین(1872-1820) استاد مهندسی ساختمان در دانشگاه گلاسکو بود. وی یکی از پیش‌کسوتان علم ترمودینامیک و نخستین شخصی بود که به تدوین و نگارش این علم همت گماشت.{112} چرخه‏ای که او طراحی کرد، بنام چرخه رانکین معروف است که یک چرخه مایع و بخار به‌شمار می‏آید.

نیروگاه‌های بخار معمولاً نیروگاه‌های بزرگی هستند که به سرمایه و زمان زیادی برای نصب نیاز دارند. این نیروگاه‌ها به دلیل داشتن ضریب ظرفیت بالا، برای تأمین بار پایه بسیار مناسب می‏باشند. محاسبات نشان می‏دهد برای یک نیروگاه بخار 1000 مگاواتی، سالانه 19 میلیون مترمکعب آب لازم است.{505} لذا این نیروگاه‌ها باید نزدیک منابع آب تأسیس شوند.

نیروگاه گازی

نیروگاه گازی طبق چرخه برایتون و با استفاده از گاز حاصل از احتراق، توربین را به گردش درمی‏آورد. مهمترین مزایای نیروگاه گازی در مقایسه با نیروگاه بخار به شرح زیر است:

1- نیروگاه توربین گازی، در مقایسه با نیروگاه بخار کوچکتر است، وزن کمتری دارد و هزینه اولیه آن برای تولید هرواحد توان از هزینه مربوط به نیروگاه بخار کمتر است.{112}

2- مدت زمان لازم برای تحویل توربین گازی نسبتاً کوتاه است و می‏توان آن را سریعاً نصب کرد و مورد استفاده قرارداد.

3- راه‏اندازی و توقف توربین‏های گازی ساده است و در عرض ده دقیقه این اعمال انجام می‏گیرد.{116}

4- آلودگی کمتری نسبت به توربین‏های دیگر دارد و به همین جهت در همه جا می‏توان آن را نصب کرد.

5- اکثر توربین‏های گازی با هوا خنک می‏شوند و در نتیجه نیاز به آب و تصفیه خانه ندارند.

اما این نیروگاه معایب مهمی هم به شرح زیر دارد:

1- بازده چرخه برایتون، اصولاً به اندازه بازده چرخه رانکین(نیروگاه بخار) نیست.

2- قطعات یدکی آن گران است.

توأم بودن هزینه سرمایه‏گذاری پایین و بازده پایین در توربین گازی موجب می‏شود که از آن عمدتاً به‌عنوان نیروگاه تأمین بار پیک استفاده شود و طبعاً از چنین نیروگاهی انتظار نمی‏رود بیش از 1000 تا 2000 ساعت در سال در مدار باشد. بدیهی است که برای چنین مواردی، استفاده از نیروگاه‌های بزرگ بخار، غیراقتصادی خواهدبود.

نیروگاه سیکل ترکیبی

نیروگاه چرخه‏ترکیبی به نیروگاهی گفته می‏شود که درآن هم در توربین گازی و هم در توربین‏بخار، قدرت تولید می‏شود. به‌این‌ترتیب از انرژی بسیار زیاد گازهای خروجی توربین، برای تولید بخار جهت یک نیروگاه بخار استفاده می‏شود. این روش کاملاً عملی است زیرا توربین گاز، یک ماشین با دمای نسبتاً بالا و توربین بخار، یک ماشین با دمای نسبتاً پایین است. این کارکرد توأم توربین گازی در«طرف گرم» و