مقدمه

در نیروگاه‌های حرارتی، فرآیندهای مختلفی نظیر تولید انرژی، انتقال حرارت، تبدیل انرژی شیمیایی به مکانیکی و مدیریت سیستم‌های جانبی، در کنار هم عمل می‌کنند تا تولید برق به شکل پایدار و اقتصادی امکان‌پذیر شود. آشنایی با این فرآیندها، موجب درک عملکرد نیروگاه‌ها است و نقش حیاتی در شناسایی نقاط قوت و ضعف سیستم‌ها، بهینه‌سازی منابع و افزایش بهره‌وری دارد.

واژه “فرآیند” به مجموعه‌ای از فعالیت‌های منظم، هماهنگ و هدفمند اشاره دارد که برای دستیابی به یک نتیجه مشخص طراحی و اجرا می‌شوند. فرآیندها در صنایع گوناگون، به‌ویژه در نیروگاه‌ها، به عنوان یک چارچوب اساسی برای درک و بهینه‌سازی عملیات مورد توجه قرار می‌گیرند.

شناخت دقیق فرآیندهای نیروگاه نه تنها پیش‌نیاز دستیابی به عملکرد پایدار است، بلکه بستری را برای توسعه فناوری‌های نوین و بهره‌گیری از روش‌های پیشرفته در تولید و مدیریت انرژی فراهم می‌کند.

در ادامه، فرآیندهای مربوط به نیروگاه‌های حرارتی با تمرکز بر نیروگاه گازی، بخار و سیکل ترکیبی بیان خواهد شد.

نیروگاه‌های گازی

نیروگاه‌های گازی از توربین‌های گازی برای تولید توان استفاده می‌کنند. این نیروگاه‌ها به دلیل سرعت بالای راه‌اندازی، راندمان مناسب در شرایط خاص و هزینه کمتر ساخت، به‌ویژه در مناطقی که منابع گاز طبیعی در دسترس است، مورد استفاده گسترده قرار می‌گیرند. در شکل 1، شماتیکی از نیروگاه گاز و فرآیندهای جاری در آن نشان داده شده است.

شکل 1- شماتیکی از نیروگاه گازی [1]

فرآیند تولید توان

فرآیند تولید توان در نیروگاه‌های گازی شامل سه مرحله اصلی است. ابتدا هوای محیط وارد کمپرسور شده و تحت فشار قرار می‌گیرد. هوای فشرده سپس وارد محفظه احتراق می‌شود، جایی که با سوخت مخلوط شده و احتراق صورت می‌گیرد. در نهایت، گازهای داغ خروجی از محفظه احتراق به توربین منتقل می‌شوند و با برخورد به پره‌های توربین، انرژی مکانیکی تولید می‌کنند. این انرژی مکانیکی از طریق ژنراتور به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. در شکل 2، فرآیند تولید توان مشخص شده است.

شکل 2- فرآیند تولید توان در نیروگاه گازی

فرآیند سوخت‌رسانی

فرآیند سوخت‌رسانی وظیفه تأمین و آماده‌سازی سوخت برای احتراق در محفظه را بر عهده دارد. این فرآیند پیش از رسیدن به محفظه احتراق، شامل مراحل زیر است:

• ذخیره و انتقال سوخت

سوخت‌های مورد استفاده در توربین گاز شامل گاز طبیعی یا سوخت‌های مایع نظیر گازوئیل و گاز مایع شده (LNG) است. در نیروگاه‌هایی که از گاز طبیعی استفاده می‌کنند، خطوط لوله گاز وظیفه انتقال سوخت به نیروگاه را بر عهده دارند. در مواردی که از سوخت مایع استفاده می‌شود، مخازن ذخیره‌سازی و سیستم‌های پمپ برای انتقال سوخت مورد استفاده قرار می‌گیرند. در شکل 3، فرآیند انتقال گاز طبیعی و سوخت مایع نشان داده شده است.

شکل 3- فرآیند سوخت رسانی در نیروگاه

• تنظیم فشار و دما

فشار و دمای سوخت پیش از ورود به محفظه احتراق تنظیم می‌شود تا فرآیند احتراق بهینه و یکنواخت انجام شود. سوخت گازی معمولاً در ایستگاه‌های تقلیل فشار تنظیم می‌شود. در سوخت‌های مایع، پمپ‌های فشار بالا و گرم‌کن‌ها برای کاهش ویسکوزیته سوخت به‌کار گرفته می‌شوند. در مصرف سوخت LNG، از تبخیرکننده یا Vaporizer استفاده می‌شود. هدف از استفاده از تبخیرکننده این است که LNG مایع را به گاز تبدیل کند تا بتوان آن را در سیستم‌های گازی مورد استفاده قرار داد. در فرآیند تبخیر، LNG که در دما و فشار پایین مایع است، از طریق جذب حرارت از منابع مختلف (مانند آب یا هوا) به گاز طبیعی تبدیل می‌شود. این گاز سپس برای استفاده در نیروگاه‌ها آماده می‌شود.

فرآیند بازیابی گازهای خروجی  (Exhaust Gas Recovery System)

گازهای داغ خروجی از توربین گاز حاوی مقدار قابل‌توجهی انرژی حرارتی هستند. در نیروگاه‌های گازی پیشرفته، این انرژی بازیابی شده و به بهبود راندمان کلی سیستم کمک می‌کند. این فرآیند شامل مراحل زیر است:

• انتقال گازهای خروجی

  • بازیابی نفت به کمک کربن دی اکسید (Enhanced Oil Recovery – EOR): کربن دی اکسید به میادین نفتی در حال افول تزریق می‌شود تا با افزایش فشار مخزن و کاهش ویسکوزیته نفت، استخراج آن را افزایش دهد. این فرآیند می‌تواند ۳۰ تا ۶۰ درصد بیشتر از نفت اولیه موجود را بازیابی کند [2].
  • تولید مواد شیمیایی: کربن دی اکسید در تولید مواد شیمیایی مانند اوره و متانول استفاده می‌شود که برای فرآیندهای صنعتی و کشاورزی ضروری هستند [2].
  • تولید سوخت‌های سنتتیک: کربن دی اکسید می‌تواند به هیدروکربن‌های سنتتیک تبدیل شود و به‌عنوان جایگزینی پایدار برای سوخت‌های فسیلی در بخش‌هایی مانند هوانوردی و حمل‌ونقل دریایی استفاده شود [2].
  • مواد ساختمانی: کربن دی اکسید در تولید بتن به کار می‌رود، جایی که به بتن پیش‌ساخته و بتن مخلوط‌شده اضافه می‌شود تا استحکام آن را افزایش دهد و در عین حال از انتشار CO₂ اضافی جلوگیری کند [2].

• بویلر بازیافت حرارت (HRSG)

گازهای داغ وارد بویلر بازیافت حرارت می‌شوند. این بویلر از حرارت گازهای خروجی برای تولید بخار استفاده می‌کند. بخار تولیدشده می‌تواند برای تولید توان اضافی در توربین بخار (در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی) یا برای مصارف گرمایشی صنعتی مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از HRSG باعث کاهش هدررفت انرژی و بهبود بهره‌وری انرژی در نیروگاه می‌شود.

سیستم کنترل

سیستم کنترل در نیروگاه‌های گازی وظیفه نظارت و تنظیم پارامترهایی مانند دمای گازهای خروجی، فشار هوا، سرعت چرخش توربین و کنترل شیرهای bleed و blow off را بر عهده دارد. این سیستم تضمین می‌کند که نیروگاه با راندمان بهینه عمل کرده و از آسیب به تجهیزات جلوگیری شود. از طرفی دیگر، این سیستم به کمک سامانه‌های کنترلی، پایداری استاتیکی و دینامیکی شبکه حفظ می‌شود تا نیروگاه بتواند در شرایط مختلف، عملکردی بهینه داشته باشد.

پایداری دینامیکی به توانایی یک سیستم قدرت در حفظ همزمانی ژنراتورها هنگام مواجهه با اغتشاشات بزرگ مانند تغییرات ناگهانی در بار یا تولید اشاره دارد. این پایداری شامل توانایی سیستم در بازگشت به حالت پایدار بدون از دست دادن هماهنگی میان ژنراتورها است. تغییرات در بار می‌توانند باعث نوسانات در زاویه روتور و فرکانس سیستم ژنراتورهای متصل شوند که تأثیر مستقیمی بر پایداری دینامیکی دارد [3].

پایداری استاتیکی به توانایی سیستم قدرت در حفظ تعادل هنگام مواجهه با تغییرات کوچک و تدریجی در بار یا تولید اشاره دارد. این پایداری تضمین می‌کند که سیستم پس از وقوع اغتشاشات جزئی به عملکرد عادی خود بازگردد. حفظ ولتاژ و فرکانس در محدوده‌های مجاز برای پایداری استاتیکی بسیار مهم است. این امر از طریق تنظیم‌کننده‌های خودکار ولتاژ (AVR) و سایر مکانیسم‌های کنترلی برای مدیریت نوسانات جزئی انجام می‌شود [4].

مراجع

[1]  M. Kamran, “Microgrid and hybrid energy systems,” in Fundamentals of Smart Grid Systems, Elsevier, 2023, pp. 299–363. doi: 10.1016/B978-0-323-99560-3.00006-5.

[2]  “Timely advances in carbon capture, utilization and storage,” https://www.iea.org/reports/the-role-of-ccus-in-low-carbon-power-systems/timely-advances-in-carbon-capture-utilisation-and-storage.

[3]   S. Nisworo, D. Pravitasari, and Z. A. Kusworo, “Dynamic Stability Simulation Multimachine Power Generating System,” in 2022 International Conference on Informatics Electrical and Electronics (ICIEE), IEEE, Oct. 2022, pp. 1–6. doi: 10.1109/ICIEE55596.2022.10010244.

[4]   O. V. Gazizova, G. P. Kornilov, and A. P. Sokolov, “Development of a System for Regulating the Excitation of Synchronous Generators of Factory Power Plants Connected to a Powerful Energy System,” in 2022 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), IEEE, Sep. 2022, pp. 229–233. doi: 10.1109/UralCon54942.2022.9906730.