عنفة بخارية : مولدات الطاقة البخارية

من ويكيبيديا، الموسوعة الحرة

الجزء الدوار لتوربين بخاري حديث يستخدم لإنتاج الطاقة الكهربائية

عنفة بخارية أو توربين بخاري ( بالإنجليزية: Steam turbine ) هي من أهم أنواع العنفات التي تستخدم
في محطات توليد الطاقة الكهربائية. هي جهاز ميكانيكي يستخرج الطاقة الحرارية من ضغط البخار، ويحولها إلى حركة دوارة. مظهره العصري اخترعه السير تشارلز بارسونز في عام ١٨٨٤.^[1] و حل تقريبا محل الآلة البخارية التي كانت تعمل بمكبس . يعود ذلك في المقام الأول لزيادة الكفاءة الحرارية له وزيادة الطاقة المولدة منه بالنسبة إلى الوزن . لأن التوربينات تولد الحركة الدوارة ، فهى مناسبة بصفة خاصة لاستخدامها لتدوير المولدات الكهربائية التي تنتج التيار الكهربائي على المستوى الكبير في محطات القوى — حوالي ٨٠ ٪ من الكهرباء المولدة في العالم يتم عن طريق استخدام التوربينات البخارية. هذا ينطبق على محطات القوي التي تعمل بالفحم أو بالنفط أو المفاعلات النووية ، إذ أنها جميعها تحول حرارة الوقود إلى بخار ذو ضغط عالي ، وعن طريقة يتم تشغيل التوربين البخاري ومعه يدور المولد الكهربائي فتنتج الطاقة الكهربائية التي تشغل المصانع وتمد المنازل بالكهرباء. كذلك تقوم محطات استغلال الطاقة الشمسية المبنية على تسخين الماء أو تسخين الزيت أو تسخين الأملاح ، فهي تسخن بحرارة الشمس الماء وتحوله إلى بخار ، ومن البخار ينتج التيار الكهربائي بواسطة توربين ومولد كهربائي . تتكون العنفة من جزئين رئيسيين هما:

• الجزء الدوار.
• الجزء الساكن.

تقسم العنفات حسب الطريقة التي يوجه بها البخار إلى ريش Blades الجزء الدوار وتقسم إلى قسمين:

• عنفات دفعية.
• توربينات تعمل برد الفعل.

في العنفة الدفعية البسيطة يركب عدد من العجلات التي تحمل كل منها صف من الريش بطول محيطهاوتدعى الريش المتحركة, على عامود واحد مشترك. ويوجد أمام كل عجلة قرص معدني ساكن, به فتحات(هذه الفتحات تتشكل من الريش الساكنة) تعمل بمثابة فوهات لتوجيه منافث البخار إلى الريش، وبعد مرور البخار إلى ريش العجلة الأولى، فإنه يوجه بواسطة مجموعة أخرى من الفوهات(فوهات التوجيه) إلى المجموعة الثانية, وهكذا خلال المراحل المتتالية, حتى تستنفذ كل الطاقة الممكنة من البخار.
في العنفة التي تعمل برد الفعل، تـُستبدل بالفوهات حلقات من الريش الساكنة تتخلل صفوف الريش المتحركة, ويمكن الحصول على القوة المحركة بتأثير رد الفعل الناشيء من البخار نتيجة لمروره بين الريش المتحركة والساكنة.ان رد الفعل ينشا في الريش المتحركة بسب شكلها الهندسي
نظرا لان البخار يفقد بعضا من قوته بعد مروره بكل حلقة من الحلقات ذات الريش، لذا فأن هذه الحلقات تُصنع بأقطار متدرجة في الكبر حتى يمكن الحصول على أقصى جهد ممكن من البخار الذي ينخفض ضغطه بعد كل مرحلة.

محتويات 1 التاريخ 2 الأنواع 2.1 حالات امداد البخار والعوادم 2.2 الغلاف أو ترتيبات ذراع التشغيل 3 أساس التشغيل والتصميم 3.1 كفاءة التوربينات 3.1.1 التوربينات النابضة 3.1.2 توربينات رد الفعل 3.2 التشغيل والصيانة 3.3 تنظيم السرعة 4 المحرك المباشر 5 التسيير البحرى 6 القاطرات 7 اقرأ أيضاً 8 مصادر 9 مراجع 10 وصلات خارجية

التاريخ

2000 كيلوواط كورتيس التوربينات البخارية حوالي عام 1905.

أول جهاز التي يمكن أن يصنف على أنه توربين بخاري فعال كان يزيد قليلا عن اللعبة، Aeolipile الكلاسيكي، ووصف في القرن الأول بواسطة البطل الروماني في الإسكندرية في مصر الرومانية.^[2][3][4] أكثر من ألف سنة لاحقا، في ١٥٥١، وصف تقي الدين في مصر العثمانية توربينات بخارية مع التطبيق العملي لتحريك السيخ. كما تم وصف توربينات البخار من قبل الإيطالي جيوفاني برانكا (١٦٢٩) وجون ويلكنز في انكلترا (١٦٤٨).^[5]

بارسونز التوربينات من البولندية المدمرة ORP Wicher الثاني

اخترعت التوربينات البخارية الحديثة في عام ١٨٨٤ من قبل الإنكليزي السير تشارلز بارسونز، حيث كان نموذجه الأول متصل ب مولد يولد ٧.٥ كيلو واط من الكهرباء.^[6] بعد اختراع التوربين البخارى لبارسون، الأمر الذي جعل الكهرباء الوفيرة والرخيصة ممكنة وأحدث ثورة في النقل البحري والحرب البحرية، فإن العالم لن يكون نفسه مرة أخرى.^[7] تم ترخيص براءة اختراعه وتم أستخدام التوربيناتبعد فترة وجيزة من قبل أمريكا، جورج ويستنغهاوس. كما اتضح أيضا أن توربين بارسون من السهل تنفيذه على نطاق كبير. وتملك بارسونز الارتياح لرؤية اختراعه الذي اعتمد لجميع مراكز القوى العالمية الرئيسية، وحجم المولدات قد ارتفع من ٧.٥ كيلو واط من أول مجموعة ليصل إلى قدرة ٥٠.٠٠٠ وحدة كيلوواط. في غضون عمر بارسون فان القدرة على توليد الطاقة من الوحدة تم رفع مستواها بنحو ١٠.٠٠٠ مرة، ^[8]، واجمالي الإنتاج من المولدات التوربينية التي شيدت من قبل شركته شركة بارسونز كاليفورنيا والجهات المرخص لها من قبله، لأغراض الأرض وحدها، قد تجاوزت الثلاثين مليون حصان.^[6]
و تم تطوير عدد من التوربينات المختلفة التي تعمل بشكل فعال مع البخار. توربينات دي لافال (اخترعها غوستاف دي لافال) عجلت البخار إلى أقصى سرعة قبل تشغيله ضد ريش التوربينات. ومن ثم فإن (الدافع) التوربينات هو أبسط وأقل تكلفة، وليس من الضروري أن يكون مقاوما للضغط. كما أنه يمكن أن يعمل مع أي ضغط البخار، ولكن أقل كفاءة بدرجة كبيرة.
توربينات براون - كورتيس التي كانت قد طورت أصلا وحصلت على براءة اختراع من قبل الشركة الدولية الأمريكية كورتيس البحرية وتم تطوير توربينات الشركة في عام ١٩٠٠ بالاشتراك مع شركة جون براون آند كومباني. وكان يستخدم في شركة جون براون للسفن التجارية والسفن الحربية، بما في ذلك الخطوط والسفن الحربية التابعة للبحرية الملكية.
لأنواع من التوربينات البخارية، بما في ذلك متعددة المراحل Rateau انظر مشروع ليندر.

الأنواع

يتم صنع توربينات البخار في مجموعة متنوعة من الأحجام الصغيرة التي تتراوح بين ١ حصان وحدة (٠.٧٥ كيلو واط) (نادرة) وتستخدم كمحركات ميكانيكية للمضخات والضواغط والمعدات الأخرى التي يتم تشغيلها بالمقبض، إلى توربينات ٢.٠٠٠.٠٠٠ حصان (١.٥٠٠.٠٠٠ كيلوواط) المستخدمة في توليد الكهرباء. وهناك تصنيفات عدة للتوربينات البخارية الحديثة.

حالات امداد البخار والعوادم

تشمل هذه الأنواع التكثيف، دون تكاثف، اعادة التسخين، واستخراج والحث.
توربينات عدم التكاثف أو backpressure هي الأكثر استخدام لتطبيقات عملية البخار. يسيطر على الضغط العادم من قبل صمام تنظيم لتتناسب مع احتياجات عملية ضغط البخار. وهي شائعة في مصافي التكرير، وحدات تدفئة المناطق، ومصانع الورق، ومرافق تحلية مياه البحر حيث كميات كبيرة من عملية ضغط البخار تكون متاحة.
أما التوربينات التكثيفية هي الأكثر شيوعا في محطات توليد الطاقة الكهربائية. وهذه التوربينات تستنفذ البخار العادم في حالة مكثفة جزئيا، وعادة من نوعية قرب ٩٠ ٪، عند ضغط أقل بكثير من الغلاف الجوي إلى مكثف.
تستخدم توربينات اعادة التسخين أيضا بشكل حصري تقريبا في محطات توليد الطاقة الكهربائية. في توربينات اعادة التسخين، يخرج البخار المتدفق من جزء مرتفع الضغط من التوربينات ويتم إرجاعه إلى الغلايات حيث يتم إضافة حرارة عالية جدا. ثم يعود البخارالى القسم متوسط الضغط من التوربينات ويواصل تمدده.
و تعتبر توربينات الاستخراج نوع شائع في جميع التطبيقات. في نوع توربينات الأستخراج البخارية، يتم بعث البخار من مراحل مختلفة من التوربينات، ويستخدم لتلبية احتياجات العمليات الصناعية أو يتم إرساله إلى مسخنات امدادات المياه لتحسين الكفاءة الشاملة للدورة. يمكن التحكم بتدفقات الاستخراج عن طريق صمام، أو تترك بدون سيطرة.
توربينات الحث تدخل ضغط بخار منخفض في مرحلة وسيطة لإنتاج الطاقة الاضافية.

الغلاف أو ترتيبات ذراع التشغيل

وتشمل هذه الترتيبات غلاف واحد، مركب مزدوج والتوربينات مجمع الصليبة. وحدات الغلاف الواحد هي النمط الأكثر أساسية حيث الغلاف الواحد والمقبض يقترنوا مع مولد الكهرباء. المركبات الترادفية تستخدم حيث اثنان أو أكثر من الأغلفة معا بصورة مباشرة بالإضافة إلى محرك مولد واحد. ترتيبات التوربينات عرضية المكونات تتميز باثنين أو أكثر من المقابض ليس في خط وتقود اثنين أو أكثر من مولدات الكهرباء التي غالبا ما تعمل بسرعات مختلفة. والتوربينات عرضية المكونات عادة ما تستخدم في العديد من التطبيقات الكبيرة.

أساس التشغيل والتصميم

تعتبر التوربينات البخارية المثالية أن تكون عملية متعادلة الحرارة، أو عملية تعادل حرارى مستمرة، حيث أن التعادل الحرارى للبخار الداخل إلى التوربين يساوي التعادل الحرارى للبخار المغادر من التوربين. لا يوجد توربينات بخارية هي حقا "متعادلة حراريا"، ولكن، مع كفاءات عدم التغيير في الانتروبيا النموذجي التي تتراوح بين ٢٠ ٪ ‎-٩٠ ٪ على أساس تطبيق التوربين. تضم المناطق الداخلية من التوربينات عدة مجموعات من ريش، أو "دلو" لأنها أكثر شيوعا أن يشار إليها. مجموعة واحدة من الريش الثابتة تكون متصلة بالغلاف ومجموعة واحدة من الريش الدوارة تكون متصلة بالمقبض. وتتناغم المجموعات مع درجة وضوح دنيا معينة، مع حجم وتكوين المجموعات المتفاوت ليتم استغلال تمدد وتوسع البخار في كل مرحلة بكفاءة.

كفاءة التوربينات

رسم تخطيطي يبين الفرق بين دفعة وعنفة رد فعل

لتعظيم كفاءة التوربينات البخارية، يتم تمديد البخار، مع عمل التوليد، في عدد من المراحل. وتتميز هذه المراحل بكيفية أستخراج الطاقة منهم وهى المعروفة باسم إما توربينات نابضة أو رد فعل. تستخدم معظم التوربينات البخارية مزيج من تصاميم ردود الفعل والنبض : تتصرف كل مرحلة كما إما واحدة أو أخرى، ولكن عموما يستخدم التوربين الأثنين على حد سواء. عادة، أقسام الضغط العالى من النوع الدافع ومراحل الضغط المنخفض هي من نوع رد الفعل.

التوربينات النابضة

و ثبتت التوربينات النابضة خراطيم توجه البخار للتدفق داخل نفاثات عالية السرعة. هذه النفاثات تحتوي على طاقة حركية مهمة، والتي هي الريش الدوارة، على شكل دلاء، متحولة حركة عمودية كلما غير بخار النفاث الأتجاه. ويحدث هبوط في الضغط عبر فقط الريش الثابتة، مع زيادة صافية في سرعة البخار عبر المرحلة.
كما يتدفق البخار عبر الخرطوم فان ضغطه يهبط من ضغط الدخول إلى ضغط الخروج (الضغط الجوي، أو غالبا، الفراغ المكثف). نظرا إلى هذه النسبة الأعلى من تمدد البخار في الخرطوم فان البخار يترك الخرطوم بسرعة عالية جدا. والبخار الذي يترك الريش المتحركة هو جزء كبير من السرعة القصوى للبخار عند مغادرته للخرطوم. ويكون فقدان الطاقة نتيجة لارتفاع سرعة الخروج والتي يشيع تسميتها ب "تحمل أكثر من السرعة" أو "خسارة المغادرة".

توربينات رد الفعل

في توربين رد الفعل، يتم ترتيب الريش الدوارة أنفسهم لتشكيل فتحات متقاربة. هذا النوع من التوربينات يستخدم قوة الرد المنتجة كلما تسارع البخار خلال الفتحات التي شكلتها الدوار. يتم توجيه البخار على الدوار عن طريق دليل ادخال الهواء المثبت للدوارات الثابتة. فهو يترك الجزء الثابت كمحرك نفاث يملأ المحيط الكامل للدوار. ثم عندها يغير البخار أتجاهه ويزيد من سرعته بالنسبة لسرعة الريش. ويحدث هبوط في الضغط عبر كل من الجزء الثابت والمتحرك، مع تسارع البخار خلال الجزء الثابت وتباطؤه خلال الجزء الدوار، مع عدم وجود أي تغيير في صافي سرعة البخار عبر المرحلة ولكن مع انخفاض في كل من الضغط ودرجة الحرارة، الأمر الذي يعكس العمل المنجز في القيادة من الدوار.

التشغيل والصيانة

عند احماء التوربينات البخارية للاستخدام، يوقف البخار الرئيسي صمامات (بعد المرجل) الذي له خط للسماح للبخار المسخن لتجاوز الصمام ببطء، والشروع في تسخين الخطوط في النظام جنبا إلى جنب مع التوربينات البخارية. كما أن علبة تروس التدوير تنشغل لا يكون هناك بخار إلى التوربينات لتدوير التوربينات ببطء لضمان التسخين المتساوى لمنع التمدد المتفاوت. بعد أول تحريك للتوربين عن طريق علبة التروس الدوارة، بما يتيح وقتا للدوار لفرض سطح مستو (لا انحناء)، ثم تتحرر علبة التروس الدوارة ويتم ادخال البخار إلى التوربين، في البداية إلى الريش في المؤخرة ثم إلى الريش الأمامية ببطء لتدوير التوربين من ١٠ إلى ١٥ لفة في الدقيقة لتسخين التوربين ببطء.
تعتبر المشاكل مع التوربينات الآن نادرة ومتطلبات الصيانة صغيرة نسبيا. يمكن أن يؤدي أي خلل في الدوار إلى اهتزاز، والذي في الحالات القصوى يمكن أن يؤدي إلى حل الشفرة من مكانها وثقب الغلاف مباشرة. فإنه، ومع ذلك، من الضروري أن يتم تشغيل التوربينات بالبخار الجاف. أما إذا دخل الماء إلى البخار على الريش (حمل الرطوبة) فان قد يحدث اصطدام وتآكل سريع للريش، وربما يؤدي إلى اختلال التوازن والفشل الكارثي. وأيضا، فان المياه التي تدخل في الريش من المرجح أن تؤدي إلى تدمير القوة الدافعة لعمود التوربين. ولمنع حدوث هذا، جنبا إلى جنب مع الضوابط والحواجز في الغلايات لضمان الجودة العالية للبخار والمكثفات المثبتة في أنابيب البخار المؤدية إلى التوربينات.

تنظيم السرعة

السيطرة على التوربينات مع أداة ضبط هو شيء ضروري، حيث أن التوربينات تحتاج إلى التشغيل ببطء، لمنع وقوع أضرار في حين أن بعض التطبيقات (مثل توليد الكهرباء البديلة الحالية) تتطلب دقة التحكم بالسرعة.^[9] يمكن أن يؤدي التسارع غير الخاضع للرقابة لدوار التوربين إلى غلطة السرعة الزائدة، التي تتسبب غلق فوهة الصمامات التي تتحكم في تدفق البخار إلى التوربينات. وإذا فشل هذا فان التوربين قد يواصل التسارع حتى ينهار، بشكل مذهل. التوربينات غالية الثمن في صنعها، وتتطلب دقة تصنيع ومواد ذات نوعية خاصة. أثناء العملية العادية في التزامن مع محطات الكهرباء الصافية فانها تخضع ل ٥ % تدلى التحكم السريع. وهذا يعني أن سرعة التحميل الكامل بنسبة ١٠٠ ٪ وليس سرعة تحميل هو ١٠٥ ٪. وهذا هو المطلوب للتشغيل المستقر من الصافي بدون مطاردة وتسرب من محطات الطاقة. وعادة ما تكون التغيرات في السرعة طفيفة. التعديلات في إنتاج الطاقة ادليت بها رفع منحنى التدلى ببطء من خلال زيادة الضغط على أداة الضبط للطرد المركزى.  وعموما فان هذا هو جزء أساسي من متطلبات النظام لجميع محطات لأن المحطات القديمة والجديدة يجب أن تكون متوافقة في الاستجابة للتغيرات الفورية في وتيرة الاتصالات من دون الاعتماد على الخارج. ^[10]

المحرك المباشر

تستخدم محطات توليد الطاقة الكهربائية توربينات بخارية كبيرة تحرك مولد كهربائي لإنتاج أكثر من (حوالي ٨٠ ٪) من الكهرباء في العالم. معظم هذه المحطات المركزية هي من نوعين، محطة تعمل بطاقة الوقود الحفرى ومحطات الطاقة النووية، ولكن بعض الدول تستخدم الطاقة الشمسية المركزة (CSP) لإنشاء البخار. ويمكن أن تستخدم توربينات البخار أيضا بشكل مباشر لتدير مضخات الطرد المركزي الكبيرة، مثل ليالي feedwater مضخة في محطة الطاقة الحرارية.
فقد اقترح ^[11] أنه، في ضوء ما يكفي من الطاقة الشمسية، فانه يمكن تكرير السيليكون لاستخدامه كبديل للفحم لهذا النوع من المحركات.
التوربينات المستخدمة في توليد الطاقة الكهربائية هي في معظم الأحيان يتم اقترانها بشكل مباشر إلى مولدات الكهرباء. كما يجب تدوير المولدات المتزامنة بسرعات ثابتة وفقا لتردد نظام الطاقة الكهربائية، والسرعات الأكثر شيوعا هي بسرعة ٣٠٠٠ دورة / دقيقة لنظم ٥٠ هرتز، و٣٦٠٠ دورة / دقيقة لنظم ٦٠ هرتز. في المنشآت مع ارتفاع إنتاج البخار، كما الموجودة في محطات الطاقة النووية، قد رتبت مجموعة من المولدات لتعمل بنصف هذه السرعات، ولكن مولدات رباعية القطب.^[12]

التسيير البحرى

وTurbinia -- أول التوربينات البخارية التي تعمل بالطاقة السفينة

يظهر استخدام آخر للتوربينات البخارية في السفن ؛ حيث أن صغر حجمها، وقلة الصيانة وخفة الوزن، وانخفاض الاهتزاز هي المزايا التي لا تقهر. وتكون التوربينات البخارية فعالة فقط عندما يتم تشغيلها بمعدل آلاف الدورات في الدقيقة، في حين أن أكثر الطرق فعالية هي لتصاميم المروحة بسرعة أقل من ١٠٠ لفة في الدقيقة. لذا فان علب التروس المقللة الدقيقة (و بالتالي المكلفة) تستخدم عادة، على الرغم من أن العديد من السفن، مثل Turbinia، قد تدفع مباشرة من التوربينات البخارية إلى مهاوي المروحة. ويقابل تكلفة الشراء احتياجات أقل بكثير من الوقود والصيانة وصغر حجم التوربينات بالمقارنة مع المحرك الترددي مع وجود قوة معادلة له. ومع ذلك، فان محركات الديزل هي قادرة على زيادة الكفاءة : كفاءة دورة التوربينات البخارية حتى الآن لكسر ٥٠ ٪، ومع ذلك فان محركات الديزل بشكل روتيني تزيد على ٥٠ ٪، لا سيما في التطبيقات البحرية.^{[13][14] [15] [16]}
تستخدم السفن والغواصات التي تعمل بالطاقة النووية مفاعل نووي لخلق البخار وإما استخدام التوربينات البخارية مباشرة للدفع الرئيسي، مع توفير مولدات للطاقة المساعدة، أو توظيف دفع اكهربائى توربينى، حيث تدفع التوربينات البخارية، مع مجموعة مولدات الدفع المنصوص من المحركات الكهربائية. يتم اختيار الطاقة النووية في كثير من الأحيان، حيث يكون الديزل غير عملي (كما هو الحال في تطبيقات الغواصات) أو المشاكل اللوجستية للتزود بالوقود (على سبيل المثال، كاسحات الثلج). فقد قدر أن وقود المفاعل النووي للبحرية الملكية ل الغواصة فانجارد يكفي ل ٤٠ دورة بحرية للعالم—يحتمل أن تكون كافية لخدمة السفينة بأكملها مدى الحياة.

القاطرات

 

محرك التوربينات البخارية للقاطرة هو قاطرة بخارية يقودها توربينات بخارية.
والميزة الرئيسية للتوربين البخارى للقاطرة هو تحقيق توازن أفضل وتخفيض ضربة مطرقة على المسار. ومع ذلك، فإن العيب هو أن إنتاج الطاقة منه أقل مرونة ولذلك فان توربينات القاطرات هي الأنسب لعمليات المسافات الطويلة في إنتاج الكهرباء بشكل متكرر.^[17]
أول توربين بخاري لقاطرة تم بناؤه في عام ١٩٠٨ لOfficine Meccaniche مياني سيلفيستري Grodona مركز المصالح الرئيسية في ميلانو. لشركة السكك الحديدية الوطنية الألمانية كروبالتي بنيت في عام ١٩٢٤ والتوربينات البخارية قاطرة T18 001، الذي تم تشغيله في عام ١٩٢٩.



ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
مواضيع مشابهة - أو - ذات صلة :