برجهای خنك كننده

در طراحی نیروگاههایی که در مناطق نسبتاً کم آب نصب می گردند ، به منظور انتقال حرارت بخار خروجی توربین به محیط ، معمولا از دو نوع برج خنک کن خشک ، یکی مستقیم و دیگری غیر مستقیم استفاده می شود

برجهای خنك كننده

در طراحی نیروگاههایی که در مناطق نسبتاً کم آب نصب می گردند ، به منظور انتقال حرارت بخار خروجی توربین به محیط ، معمولا از دو نوع برج خنک کن خشک ، یکی مستقیم و دیگری غیر مستقیم استفاده می شود.

اختلاف اصلی این دو سیستم در این است که در سیستم مستقیم ، بخار در مبدلها مستقیماً در ارتباط با هوای محیط تقطیر می شود در حالی که در سیستم غیر مستقیم آب به عنوان سیال واسطه مورد استفاده قرار می گیرد.

به طور خلاصه ، به دلیل وجود پاره ای محدودیتها ، سیستم خشک غیر مستقیم ترجیحاً در واحدهای توربین بخار بزرگتر از MW60 به کار می رود در حالی که سیستم مستقیم در واحدهای کوچکتر از MW15ارجحیت دارد. بین 15 تا 60 هر دو نوع کاربرد مشابهی دارند.

تمام فن آوری هایی که از مقدار گستردة حرارت استفاده می کنند نیاز به غلبه بر اتلاف مقدار زیادی انرژی حرارتی در سیستم های خود دارند که بخشی از این حرارت نیز در پایان فرآیند به صورت تلفات محیط دفع می شوند در ابتدای توسعه ی صنعت نیروگاه معمولاً از سیستمهای یک بارگذار استفاده می شد . در این سیستمها از آب رودخانه ، دریاچه یا منابع دیگر آب طبیعی استفاده می شد . با توسعه ی صنعت و نادر شدن آب ، استفاده از برج های خنک کن تر در حدود 90 تا95 درصد کاهش یافت . افزایش اهمیت استفاده از برج خنک خشک نیاز به بسیط توجیهات اقتصادی آن نیز دارد. به طور اخص ، هزینه ،  سرمایه گذاری یک نیروگاه حرارتی با سوخت فسیلی حدود800تا1000 دلار برای هر کیلو وات وبه تناسب آن هزینة سرمایه گذاری برج های خنک کننده خشک تقریباً 80تا120 دلار برای هر کیلو وات است که 10تا12 درصد از هزینه ی کل نیروگاه را شامل می شود . هزینة کل سرمایه گذاری نیروگاه است . لذا ساختمان مواد انتقال حرارت و خواص آیرودینامیک اینگونه مبدل ها باید بهینه شود.

1-1)برج خنک کنندة خشک (DCT)

برج های خنک کنندةخشک در جایی مورد استفاده قرار می گیرند که آ ب خنک کننده حتی برای استفاده از آن به عنوان جبرانی ، به فراوانی در دسترس نباشد .در یک برج خنک کنندة خشک ، آب گرم از درون یک سری تیوبهای پره دار جریان می یابد، هوای خنک کنندة نیز از خارج این تیوبها جریان می یابد . لذا گرما ، از آب به هوای دفع شده و آب خنک می شود . دو نوع اصلی برج های خنک کنندة خشک وجود دارند :

- برج خنک کنندة مستقیم (DDCT) 

در این نوع برجها ( شکل 1-1) ، بخار تخلیه شده از توربین به درون یک هدر بزرگ بخار جریان یافته ، سپس از آنها به درون تعداد زیادی از تیوبهای پره دار جریان می یابد . این جریان هوا بوسیلة یک فن FD تامین می شود.

 

- برج های خنک کنندة غیر مستقیم(IDCT) 

این نوع برجها نیز دارای سه نوع طراحی می باشند . در اولین طرح ( شکل 1-2) از یک کندانسور سطحی متداول  استفاده می شود. آب گرم خارج شده از کندانسور ، از داخل تیوبهای پره دارگذر می کند و بوسیله هوا خنک می شود. در اینجا دو مبدل حرارتی به طور سری وجود دارند یکی بین آب و هوا در برج و دیگری کندانسور.

در طراحی دوم (شکل 1-2) از یک کندانسور اسپری تماس مستقیم استفاده می شود بخار تخلیه شده از توربین وارد یک کندانسور باز می شود و آب سرد در حال گردش به دورن بخار به منظور آمیخته شدن با آن ، اسپری می شود . آب چگالش شده به درون یک دریافت کننده می ریزد و از آنجاست که قسمتی از آن به عنوان آب تغذیه به بویلر پمپ می شود و مابقی به تیوبهای پره دار پمپ می شود تا خنک گردد.

از پولیشرهای چگالش نیز استفاده می شود تا مقدار کمیت مطلوب مورد نیاز به آب تغذیه را نگه دارد . درطراحی سوم ( شکل 1-4) از آمونیاک به عنوان مبرد چگالنده استفاده می شود . در چگالندة بخار ، آمونیاک تبخیر می شود . در برج خشک ،  آمونیاک چگالش می شود و گرمای نهان تبخیر را به هوا می دهد و سپس مایع اشباع آمونیاک به کندا نسور پمپ می شود.

امروزه ، برج های خنک کنندة خشک بسیار مورد توجه قرار گرفته اند زیرا می توان به کمک آنها نیروگاه را در جایی که آب به مقدار کافی وجود ندارد نیز ساخت حال با توجه به توضیحات بالا دو سیستم غیر مستقیم و مستقیم را در مورد زیر مقایسه می کنیم.

 

1-سطح تبادل حرارت

2-سیستم کنترل و حفاظت در مقابل یخ زدگی

3-مسیر جریان هوا

4-کندانسور

5-جلوگیری از نشت هوا به داخل سیستم

6-تأثیردرجه حرارت محیط

7-تعویض لوله های معیوب

8-امکان ارتباط سیستم های خنک کن دو واحد مجاور

 

 

سطح تبادل حرارت  :

مواد مختلفی وجود دارند که می توانند به عنوان سطوح تبادل حرارت مورد استفاده قرار گیرند ، اما با توجه به کاربرد وسیع سطح تبادل حرارت در نیروگاه وبا در نظر گرفتن جنبه های اقتصادی فولاد و آلومینیوم مورد استفاده وسیع تری دارند.در سیستم غیر مستقیم مبدلها معمولا از آلومینیوم ساخته می شوند و در سیستم مستقیم معمولا از فولاد . به دلایل زیر مبدلهای نوع آلومینیومی نسبت به فولادی ارجحیت دارند:

الف ) آلومینیوم به طور ذاتی در مقابل خوردگی مقاوم است در حالی که تنها فولاد نوع گالوانیزه چنین خاصیتی دارد.

ب)سطح آلومینیوم علی الاصول توسط سیال درونی خورده نمی شود لذا شرایط شیمیایی آب کندانسور به راحتی قابل کنترل است در حالی که با مبدلهای ( فولادی گرچه خوردگی داخلی لوله های در حالت بهره برداری نرمال در حد مورد قبول کنترل است اما زمانی که واحد از مدار خارج گردد، لوله ها با هوای مرطوب پر می شوند که هوای مرطوب شرایط مناسبی برای خوردگی بوجود می آورد و در راه اندازی مجدد این ذرات اکسید وارد آب کندانس می گردند که در عبور از Polishing plant جذب فیلترهای آن می شوند.

ج)ضریب هدایت حرارتی فولاد نیز از آلومینیوم کمتر است که این نیز به نوبة خود به نفع مبدلهای آلومینیومی می باشد.

 

 

سیستم کنترل و حفاظت در مقابل یخ زدگی :

در برج های خنک کنندة خشک تغییر وسیع درجه حرارت محیط در طول سال موضوع قابل توجهی است . معمولاً سیستم برای درجه حرارت معینی از محیط طوری طراحی  می شود که بتواند راندمان مورد لزوم را داشته باشد . وقتی که دمای محیط پایین تر از درجه حرارت طراحی باشد سطح حرارتی ، زیادترازحد مورد نیاز خواهد بود که به نفع سیستم است چون باعث خلأ بیشتری در کندانسور می شود و راندمان سیکل بالا می رود . اما در درجه حرارتهای زیر صفر همواره خطر یخ زدگی وجود دارد و اگر در چنین شرایطی توربین هم تریپ دهد احتمال یخ زدگی بیشتر می شود ، زیرا منبع حرارت نیز از مدار خارج می گردد.

در سیستم مستقیم معمول نیست که بخشی از مبدلهای حرارتی از مدار خارج شود زیرا نیاز به والوهایی با ابعاد بزرگ دارد که مسئله آب بندی آنها حایز اهمیت است.

در سیستم غیر مستقیم معمولاً مبدلهای هر واحد به چند سکتور تقسیم می شوند که ممکن است یک یا چند تای آنها را از مدار خارج کرد و در صورتی که درجه حرارت محیط کمتر از دو درجه بوده و درجه حرارت آب خروجی مبدلها نیز از حد معینی کمتر باشد، همزمان با خارج شدن سکتور از مدار ، آب داخل آن نیز به طور کامل در تانک های زیر زمینی تخلیه می شود . در سیستم مستقیم تنها عامل کنترل ، جریان هوای عبوری می باشد . یا به عبارت دیگر با تغییر سرعت یا خاموش و روشن کردن فن ها جریان هوای عبوری از روی مبدلها تغییر می کند . این سیستم کنترل ، حفاظت کاملی در برابر یخ زدگی محسوب      نمی شود در سیستم غیر مستقیم کنترل جریان هوا با باز و بسته کردن لوورهای ورودی هوا میسر می گردد که قابل کنترل از راه دور نیز هستند . با بستن لووروها ، جریان هوا تقریباً متوقف شده و حرارت تبادل یافته در حدود 3تا5 درصد حالت نرمال کاهش می یابد.

 

مسیر جریان هوا :

برای تامین هوای لازم عبوری از روی مبدلها ، دو روش متداول است

الف) جریان طبیعی

ب)جریان اجباری

در سیستم غیر مستقیم معمولاً از جریان طبیعی استفاده می شود ولی در سیستم مستقیم از جریان اجباری.

در سیستم جریان طبیعی هزینة سرمایه گذاری اولیه بیشتر است و در عوض هزینة بهره برداری کمتر است و در مورد سیستم اجباری بالعکس .

مسئله ای که تأثیر عمده ای در راندمان سیستم خنک کننده دارد ، جلوگیری از گردش مجدد هوای خروجی از مبدلها به قسمت ورودی می باشد.(Recirculation) زیرا در این حالت هوای خروجی از مبدل که درجه حرارت آن بالاتر از دمای محیط می باشد در موقع گردش مجدد ، با هوای محیط مخلوط گردیده و باعث بالا رفتن درجه حرارت هوای ورودی به مبدلها می گردد که در نهایت از راندمان مبدلها کاسته می شود.

در سیستم غیر مستقیم به دلیل ارتفاع زیاد برج تقریباً امکان گردش مجدد هوا صفر است در حالی که سیستم مستقیم با جریان اجباری همواره امکان ریسیرکولاسیون وجود دارد.

 

کندانسور :

بیشترین راندمان کندانسور در شرایطی است که بخار در فاصله بین خروجی توربین و کندانسور افت فشار نداشته باشد یا به عبارت دیگر درجه حرارت کندانسور معادل درجه حرارت بخار اشباع شده از خروجی توربین باشد . در سیستم غیر مستقیم هلر ( هلر نام طراح برج خشک غیر مستقیم می باشد) کندانسور از نوع جت به کار گرفته شده است که در این نوع کندانسور فیلم آب در تماس مستقیم با بخار خروجی از توربین قرار دارد وباعث تقطیر بخار می گردد و طراحی کندانسور به گونه ای است که درجه حرارت آب کندانسور در حد تقریب دستگاههای اندازه گیری مساوی درجه حرارت بخار اشباع در خروجی توربین است.