نیروگاههای برق زمین گرمایی
ارائه دهنده: آقای مهدی ملاحسینی
مقدمه:
می دانیم منابع بزرگ زمین گرمایی یعنی منابعی که اساسا برای تولید انرژی الکتریکی قابل استفاده هستند، در نواحی محدودی از زمین یافت می شوند و منابع کوچک زمین گرمایی تنها در ظرفیت های محدود (کمتر از10 مگاوات) قابلیت بهره برداری به طور غیر مستقیم را دارا
هستند. پس بررسی اصولی و همه جانبه در راه اندازی یک نیروگاه زمین گرمایی ضروری به نظر می رسد.
فرایند ساخت یک نیروگاه زمین گرمایی امری بسیار پیچیده است که به مطالعاتی دقیق در هریک از اجزای آن احتیاج است.الزم است مطالعاتی دقیق در زمینه ماهیت منبع و سیال ژئو ترمال،تعیین موقعیت مکانی منبع به طور دقیق،عمق،جهت،تعداد و نوع چاه های الزم،نوع و سایز نیروگاه، استفاده از متد مناسب دفع سیاالت استفاده شده وطراحی سیستم های الزم جهت کاهش اثرات زیست محیطی انجام شود تا پروژه از لحاظ اقتصادی توجیه پذیر گردد. از آنجاییکه این منابع ژئوترمال منابعی دینامیک و متغیر هستند متخصصان باید از عهده اصالح و ایجاد تغییرات الزم در تجهیزات نیروگاه با تغییر در منابع زمین گرمایی در جهت بالا نگه داشتن راندمان سیستم بر آیند.
در مرحله نخست شناخت مشخصات کامل منبع قبل از عملیات حفاری که عملیاتی هزینه بر است ، ضروری می نماید.مرحله بعدعملیات حفاری آغاز میشود که معموال در ابتدا 3 چاه در مرحله تایید منطقه حفر میگردد.این چاهها در بهترین مناطقی که در مطالعات کشف گردیده و ترجیحا به صورت سه گوش از یک مثلث حفر میگردند.ازاین چاهها برای مطالعات سنگ شناسی نمونه هایی برداشت میشود. نحوه رفتار وکیفیت سیال منبع باید بررسی گردد و در آخر چاههای مورد نیاز حفر می گردند.
حال به بررسی سیستم های تبدیل انرژی که سیال را از منابع ژئوترمال گرفته وفرایندهایی را بر روی آن جهت استفاده وتولید الکتریسیته در یک نیروگاه انجام می دهدو درآخر این سیال را به صورت موثر دفع نماید می پردازیم .تکنولوژی های مورد استفاده در تبدیل انرژی زمین گرمایی بهانرژی الکتریکی به حالت سیال زمین گرمایی)مایع یا بخار بودن آن( وهمچنین دمای آن،عمق وکیفیت منبع بستگی دارد و میتوان آنها را به دو دسته سنتی)بخار خشک،بخار لحظه ای وباینری(وسیستم های پیشرفته که برخی از آنها هنوز به مرحله تجاری نرسیده اند ،تقسیم کرد.
توربین هایی که برای نیروگاههای زمین گرمایی ساخته می شوند باید از موادی که دارای مقاومت بالایی در برابر خوردگی و پوسیدگی هستند،ساخته شوند.زیرا سولفید هیدروژن موجود در گازهای خروجی از زمین باعث خوردگی فوالدهای معمولی میشود.
واحد های نیروگاهی بر دو قسمند:
* واحدهای نیروگاهی سرچاهی :
* نیروگاه های مرکزی :
* واحدهای نیروگاهی سرچاهی :
این واحدها در مجاورت یک یا چند چاه تولیدی راه اندازی شده ومعموال با آب داغ یا بخار آب خروجی از آن ها تغذیه میشوند.این واحد ها دارای ساختار مدوالر بوده ودر مقیاس های معین ساخته میشوند.
* نیروگاه های مرکزی :
شامل خطوط انتقال به هم پیوسته و طویلی هستند که بخار آب را از مجموعه چاه های متعدد به واحد مرکزی منتقل میکند. هریک از این واحدها دارای مزایا و معایب خاص خود بوده و با توجه به میزان تقاضا ، عوامل محیطی و…. انتخاب میشوند.
انواع نیروگاه های زمین گرمایی :
1. نیروگاه هایی که در آنها سیال زمین گرمایی خارج شده از چاه های تولیدی،مایع تک فاز با دمای پایین هستند و با انتقال حرارت سیال زمین گرمایی به سیال ثانویه میتوان در دماهای کم،سیال ثانویه را به بخار تبدیل وبا عبور آن از توربین تولید برق نمود.
. نیروگاه هایی که سیال زمین گرمایی بصورت دو فاز مایع و بخار با دمای نسبتا بالا از چاههای تولیدی خارج شده وسپس وارد یک جدا کننده شده وبخار حاصل به سمت توربین و آب داغ به سمت چاههای تزریقی و برج خنک کننده فرستاده میشود.حال برحسب اینکه عمل
جدایش آب از بخار در یک مرحله یا دو مرحله انجام میشود وبر حسب وجود یا عدم وجود کندانسور به چند دسته تقسیم میشوند که در ادامه به شرح آنها می پردازیم .
3. نیروگاه ترکیبی که از ترکیب دو نیروگاه فوق به صورت سری و موازی تولید برق میکند.
سیکل بخار خشک
در این نوع سیکل، سیال زمین گرمائی خروجی از چاه از چنان کیفیتی برخوردار است که به صورت بخار خالص از چاه خارج شده و مستقی ًما وارد توربین می شود ونیازی به مخزن تفکیک کننده نمی باشد.درجه حرارت این بخار در حدود235درجه سانتی گراد است.این بخار پس از عبور از توربین از طریق چاه تخلیه به درون زمین بازمیگردد. اتصاالت تجهیزات این نیروگاه با چاه ها نسبتا ساده تر ازنیروگاههای دیگر است. از این نوع نیروگاهها اولین بار در سال 1904 ودر ایتالیا بهره برداری شد.بزرگترین نیروگاه بخار خشک در کالیفرنیای شمالی واقع است. این نوع نیروگاهها بسیار نادر می باشند و در حدود 28درصد ظرفیت نصب شده نیروگاه های زمین گرمایی در جهان را تشکیل میدهند.ظرفیت متوسط این نیروگاهها بالاتر از 39 مگاوات است و در حال حاضر تنها درکشور ایتالیا و آمریکا این نوع از نیروگاههای ژئو ترمال در حال کار است.
تجهیزات استفاده شده در یک نیروگاه بخار خشک شامل:
1. چاه و سیستم تامین بخار وسایل ژئوترمال
2. توربین-ژنراتور و سیستم های کنترل
3. کندانسور، دستگاه تخلیه گاز و دستگاه کنترل آلودگی
4. سیستم ثابت نگه دارنده دما(برج خنک کننده)
5. سیستم های back up
6. سیستم های کاهش نویز
7. سیستم های دفع ضایعات زمین گرمایی (چاه های تخلیه).
سیکل بخار لحظه ای :
این نوع از نیروگاه ها متداول ترین نوع نیروگاه های زمین گرمایی هستند. این نیروگاه ها از سیال با درجه حرارت بالاتر از 182 درجه سانتی گراد که تحت فشار بالا به سطح زمین آورده می شود استفاده میکنند.سیال به درون یک تانک که فشار درون آن بسیار پایین تر از فشار سیال نگه داشته می شود . اسپری میشود و این اختالف فشار باعث تبخیر آنی یا فلش شدن سیال میشود. این بخار به سمت توربین هدایت میگردد.
این نوع نیروگاه در بیش از 18 کشور دنیا در حال کار بوده وحدود65درصد از ظرفیت نیروگاههای جهان را داراست. محدوده ظرفیت این نیروگاهها 3 تا 90 مگاوات است. میزان انتشار گازهای گل خانه ای در نیروگاههای فلش درمقایسه با نیروگاههای با توربین گازی (0.59 کیلوگرم بر کیلووات ساعت) ونیروگاه های فسیلی ( 1.13 کیلوگرم بر کیلووات ساعت) درحدود0.06 کیلوگرم بر کیلووات ساعت است وانواع این نوع نیروگاه عبارتند از:
انواع نیروگاه سیکل بخار لحظه ای
سیکل بخار لحظه ای تک مرحله ای بدون کندانسور
سیکل بخار لحظه ای تک مرحله ای با کندانسور
سیکل بخار دو مرحله ای با کندانسور
سیکل باینری (دوگانه)
سیکل بخار لحظه ای تک مرحله ای بدون کندانسور
در این نوع سیکل ، سیال زمین گرمائی پس از خارج شدن از چاه تغذیه بصورت دو فاز مایع و بخار به داخل مخزن تفکیک کننده هدایت میشود. در مخزن تفکیک کننده، فاز بخار را از مایع بدون اتالف فشار جدا شده و بخار به داخل توربین رفته و با عث چرخش روتور توربین می شود و ً نهایتا از طریق ژنراتور برق تولید می گرددو برق تولیدی به شبکه تزریق می شود.یکی از نکات مهم در این مرحله، جداسازی بخار و سیال به طور کامل و قبل از برخورد بخار به توربین می باشد. سیال خروجی از توربین، بهداخل سایلنسرهدایت می شود تا با جداسازی مایع از بخار، پس از ترکیب با مایع خارج شده از مخزن تفکیک کننده، جهت کاربردهای مستقیم انرژی زمین گرمائی مانند گرمایش فضا، گلخانه زمین گرمائی، استخرهای شنا، مراکز آبدرمانی، حوضچه های پرورش ماهی و سیستم ذوب برف مورد استفاده قرار گیرد، و یا اینکه بداخل چاههای تغذیه تزریق گردد.برای مثال یک نیروگاه30مگاواتی از این نوع به 5 یا 6 چاه تولید و2 یا 3 چاه تزریق (تخلیه) احتیاج دارد.
سیکل بخار لحظه ای تک مرحله ای با کندانسور
سیکل بخار لحظه ای با کندانسور نیز همانند سیکل بخار لحظه ای بدون کندانسور است با این تفاوت که در این سیکل، سیال زمین گرمائی پس از خارج شدن از توربین وارد کندانسور شده و بوسیله آب سردی که توسط برج خنک کننده تامین شده است، به صورت کاملا مایع در میآید تا اولا بخار بدلیل مالحظات زیست محیطی بهداخل اتمسفر وارد نشود ، ثا نیا امکان پمپاژ مایع بوجود بیایدو ثالثا بخاطرکمتر بودن فشار بعد از کندانسور در مقایسه با فشار بعد از توربین، امکان تولید برق بیشتر نسبت به سیکل بخار لحظه ای بدون کندانسور ایجاد شود.بایددقت داشت که گازهای موجود در بخار طبیعی (مانند دی اکسید کربن و سولفید هیدروژن) کندانس نمیشوند و اگر به طور مناسب از سیستم دفع نشوند، دمای کلی کندانسور را افزایش و توان خروجی توربین را کاهش میدهند. برج خنک کننده در نیروگاههای زمین گرمایی نسبت به یک نیروگاه فسیلی یا اتمی با همان ظرفیت، بسیار بزرگ تراست با این حال سیکل تبخیرآنی احتیاج به حجم زیادی ازآب ندارد واین مزیت، استفاده از آن را در مناطق خشک و بی آب میسر می سازد. نیروگاههای تبخیرآنی یک مرحلهای از لحاظ زمین مورد نیاز برای نیروگاه نسبت به دیگر نیروگاهها بسیار اقتصادی تربوده و حداکثر بهزمینی با متراژ حدود1200متر مربع بر مگاوات نیاز دارد.که این متراژ در مقایسه با یک نیروگاه اتمی که در حدود،10،000 نیروگاه زغال سنگی 40،000 و نیروگاه فتوولتائیک66،000مترمربع برمگاوات زمین نیازدارند ، بسیار کمتراست.
لیست تجهیزات مورد استفاده در این نوع نیروگاه:
1.چاه و سیستم تامین بخار وسایل ژئوترمال
2.توربین-ژنراتور و سیستم های کنترل
3.کندانسور، دستگاه تخلیه گاز و دستگاه کنترل آلودگی
4.سیستم ثابت نگهدارنده دما(برج خنک کننده)
5.سیستم های back up
6.سیستم های کاهش نویز
7.سیستم های دفع ضایعات زمین گرمایی(چاههای تزریق)
سیکل بخار دو مرحله ای با کندانسور
این سیستم ها در واقع شکل بهبود یافته ای از سیستم های یک مرحله ای هستند (15 تا 25 درصد خروجی بالاتر). طرز کار آنها نیز همانند سیکل بخار لحظه ای با کندانسور است با این تفاوت که در سیکل بخار دو مرحله ای دو توربین فشار پائین و فشار بالا و دو تفکیک کننده بخار از مایع وجود دارد. بخار در تفکیک کننده مرحله اول از مایع جدا شده و وارد توربین فشار بالا می شود. سپس مایع جداشده مجدداً وارد تفکیک کننده مرحله دوم شده و بخار خروجی از تفکیک کننده دوم وارد توربین فشار ضعیف میگردد که از این طریق میتوان با تولید بخار بیشتر و هدایت نمودن آن بداخل قسمتهای کم فشار توربین، ضمن بالا بردن راندمان نیروگاه، میزان تولید برق را نیز افزایش داد. این نیروگاهها نسبت به نوع قبل پیچیده تر و گرانتر بوده ولی برق تولیدی بیشتر ،استفاده از آنها را توجیه میکند.این نوع از نیروگاهها در9کشور در حال کار بوده و ظرفیت آنها در محدوده4/7تا110مگاوات است. در ضمن تجهیزات مورد استفاده در این نیروگاهها کاملا مشابه نیروگاههای تبخیر آنی یک مرحله است.
سیکل باینری (دوگانه)
نیروگاههای سیکل باینری در میان نیروگاه های ژئوترمال از لحاظ ترمو دینامیکی شبیه ترین نوع به نیروگاههای فسیلی یا اتمی هستند زیرا سیال در یک سیکل کامال بسته در سیستم کار میکند و در واقع تفاوت اساسی این نوع سیکل با سیکل تبخیر آنی و بخار خشک در این است که سیال زمین گرمایی هرگز در تماس با تجهیزات نیروگاهی (توربین و ژنراتور ) قرار نمیگیرد. سیال کاری(ثانویه) در این سیستم با مشخصات ترمو دینامیکی مناسب انتخاب شده و این سیال گرما را از سیال زمین گرمایی دریافت کرده،تبخیر شده،توربین را به چرخش در آورده،کندانس شده و دوباره به وسیله پمپهایی به دستگاه تبخیر کننده باز میگردد.
بیشتر مناطق زمین گرمایی دارای سیال با درجه حرارت متوسط هستند و یا آنقدر آلوده به مواد معدنی وگازها هستند که نمیتوان آنرا مستقیما وارد توربین بخار نمود. در نیروگاههای باینری از این سیاالت استفاده میشود. سیال زمین گرمایی ویک سیال ثانویه(بدلیل وجود دو سیال به آن باینری یا دوگانه میگویند)که این سیال ثانویه دارای نقطه تبخیر بسیار پایین تر از آب است (ایزو بوتان یا ایزو پنتان) از داخل یک مبدل گرمایی (HEAT EXCHANGER) عبور داده میشوند.
تجهیزات بکار برده شده در یک نیروگاه سیکل باینری متفاوت از تجهیزات نیروگاه بخار خشک و بخار لحظه ای است و شامل:
1.پمپ ها و موتورهای درون چاهها
2.سیستم تامین سیال زمین گرمایی
3.مبدل های حرارتی بین سیال زمین گرمایی و سیال عامل
4.توربین-ژنراتور وسیستم کنترل
5.کندانسور سیال ثانویه،سیستم اکومولاتور و ذخیره سازی
6.سیستم پمپهای تغذیه سیال ثانویه(عامل)
7.سیستم تنظیم حرارت(سیستم خنک کننده خشک ومرطوب)
8.سیستم پشتیبانی(back up)
9.سیستم دفع ضایعات نیروگاه(تزریق سیال مصرف شده به زمین)
10.سیستم اطفا حریق (اگر سیال ثانویه قابل اشتعال باشد)