مهار رطوبت بخار زیر ۱۰ درصد با بازگرمایش میانی: سدی در برابر فرسایش پره‌های توربین

درون پوسته فشار ضعیف یک نیروگاه مدرن، آخرین ردیف از پره‌های توربین بخار با سرعت ۳۰۰۰ دور در دقیقه می‌چرخد. در چنین بسامد دورانی خیره‌کننده‌ای، نوک بیرونی بزرگ‌ترین پره‌های تیتانیومی با سرعتی بالغ بر ۷۵۰ متر بر ثانیه حرکت می‌کند؛ سرعتی که بیش از دو برابر سرعت صوت است.[7]

در این سرعت‌های سرسام‌آور، وضعیت فیزیکی بخاری که توربین را به گردش درمی‌آورد دیگر صرفاً یک مسئله ترمودینامیکی نیست، بلکه مستقیماً به بقای ساختاری پره‌ها گره خورده است. اگر بخار در حال انبساط آن‌قدر خنک شود که به آب مایع تبدیل گردد، قطرات حاصل ابداً مانند یک مه‌پاش بی‌خطر رفتار نخواهند کرد.[6]

برعکس، این قطرات مانند رگباری پیوسته از ذرات ساینده با سرعتی مافوق‌صوت به پره‌های فلزی شلیک می‌شوند. برای پیشگیری از این پدیده ویرانگر که به فرسایش ناشی از برخورد قطرات مایع موسوم است، مهندسان به بازگرمایش میانی متوسل می‌شوند تا کسر رطوبت بخار را به‌طور کنترل‌شده زیر مرز بحرانی ۱۰ درصد مهار کنند.[1]

ترمودینامیک انبساط بخار

یک توربین بخار با هدایت بخار پرفشار و با دمای بالا از میان ردیف‌های پی‌درپی پره‌های آیرودینامیک، انرژی جنبشی تولید می‌کند. هم‌زمان با فشار بخار بر پیکره فلز، فشار و انرژی گرمایی آن افت می‌کند و با پیشروی در طول محور توربین، به‌طور مداوم سردتر می‌شود.[1]

در یک نیروگاه هسته‌ای یا زغال‌سنگ‌سوز فوق‌بحرانی، بخار با دمایی فراتر از ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد وارد توربین فشار قوی می‌شود. اما زمانی که این سیال به بخش‌های عظیم خروجی فشار ضعیف می‌رسد، دمای آن شدیداً سقوط کرده و بخار را به آستانه نقطه اشباع خود می‌رساند.[2][3]

انجمن بین‌المللی خواص آب و بخار در دستورالعمل فنی سال ۲۰۱۳ خود تصریح می‌کند: «به دلیل افت شدید فشار و دما در مراحل پایانی توربین، درصد کوچکی از بخار به زیر خط اشباع سقوط می‌کند.»

این واقعیت ترمودینامیکی به تولید قطرات اولیه میکروسکوپی منجر می‌شود که قطری در حدود ۰.۱ میکرون دارند. هرچند این قطرات مه‌آلود اولیه ریزتر از آنند که فوراً به ساختار فلز آسیب بزنند، اما با تجمع روی پره‌های ثابت استاتور، یک لایه مایع رونده تشکیل می‌دهند.[6]

بخار پرسرعت این لایه مایع را از لبه‌های فرار پره‌های ثابت کنده و آب را به قطرات ثانویه بسیار درشت‌تری اتمیزه می‌کند. سپس این پرتابه‌های ثانویه که قطرشان گاه به ۸۰۰ میکرون می‌رسد، مستقیماً در مسیر چرخش پره‌های دوار روتور پرتاب می‌شوند.[6][7]

مکانیک فرسایش قطره‌ای

پتانسیل تخریبی این قطرات ثانویه با بزرگ‌تر شدن اندازه توربین به شکل تصاعدی اوج می‌گیرد. سازندگانی مانند زیمنس، آلستوم و جی‌ئی پاور اکنون پره‌های فشار ضعیفی با طول ۵۶ اینچ نصب می‌کنند تا حداکثر توان ممکن را از سیال استحصال کنند.[7]

از آنجا که نوک پره‌ها فاصله زیادی با مرکز روتور دارد، سرعت مماسی آن‌ها سرسام‌آور است. هنگامی که یک قطره آب ۸۰۰ میکرونی به پره ساخته‌شده از آلیاژ تیتانیوم که با سرعت ۷۵۰ متر بر ثانیه می‌چرخد برخورد می‌کند، انرژی برخورد موضعی به ۰.۰۷۵ ژول می‌رسد.[7]

شاید کسری از یک ژول ناچیز به نظر برسد، اما یک پره منفرد در هر ثانیه متحمل هزاران برخورد پرانرژی از این دست می‌شود. این موج‌های ضربه‌ای متوالی، تنش‌های موضعی شدیدی ایجاد می‌کنند که به‌سرعت از حد خستگی آلیاژهای استاندارد صنعت برق فراتر می‌رود.[7]

فیزیک این برخورد شباهت زیادی به یک ریزانفجار دارد. هنگامی که قطره به فلز می‌کوبد، پدیده ضربه قوچی تولید می‌کند که موج شوکی را درون شبکه بلوری تیتانیوم به پیش می‌راند و بلافاصله فوران پرفشار مایع در راستای جانبی سطح پره رخ می‌دهد.[6]

با گذشت زمان، این بمباران بی‌وقفه ساختار بلوری فلز را دچار شکستگی کرده و ذرات میکروسکوپی را طی فرآیندی که فرسایش قطره‌ای نامیده می‌شود، از جا می‌کَند. لبه‌های حمله پره‌ها حفره‌دار و ناهموار شده و مشخصات آیرودینامیکی آن‌ها کاملاً منهدم می‌شود.[4][6]

پژوهشگران دانشگاه کنکوردیا در یک تحلیل متالورژیکی در سال ۲۰۰۸ به درستی نتیجه گرفتند: «با وجود پیشرفت‌های چشمگیر در طراحی و متریال پره‌های دوار توربین‌های بخار فشار ضعیف، فرسایش پره‌ها بر اثر قطرات آب همچنان مسئله‌ای حل‌نشده باقی مانده است.»[7]

مکانیزم بازگرمایش میانی

برای جلوگیری از عبور بخار از خط اشباع در مراحل اولیه انبساط، مهندسان در نیمه راه مداخله می‌کنند. آن‌ها به‌جای اینکه اجازه دهند بخار به‌طور پیوسته از ورودی تا کندانسور منبسط شود، آن را مستقیماً از محفظه توربین بیرون می‌کشند.[1]

پس از خروج بخار از توربین فشار قوی، سیال دوباره به بویلر اصلی لوله‌کشی شده یا به سمت یک بازگرمکن جداکننده رطوبت مستقل هدایت می‌شود. این مبدل حرارتی ثانویه، انرژی گرمایی تازه‌ای به بخار نیمه‌منبسط‌شده تزریق می‌کند.[1][5]

این بازگرمایش میانی بدون افزایش فشار، دمای بخار را دوباره تا حدود ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد بالا می‌برد و وضعیت ترمودینامیکی آن را کاملاً از منحنی اشباع دور می‌سازد. بدین ترتیب، وقتی بخار بازگرمایش‌شده وارد توربین فشار ضعیف می‌شود، از حاشیه حرارتی کافی برای تکمیل انبساط برخوردار است.[1][5]

بازگرمایش با بازنشانی ساعت حرارتی، تضمین می‌کند که تشکیل قطرات آب تنها در مراحل پایانی توربین فشار ضعیف آغاز شود، نه در میانه مسیر. این سازوکار کسر نهایی رطوبت خروجی را در محدوده قابل مدیریت ۷ تا ۱۱ درصد مهار می‌کند.

اگر یک نیروگاه فوق‌بحرانی مدرن بدون این مرحله بازگرمایش کار کند، رطوبت خروجی به‌راحتی از ۱۵ درصد فراتر خواهد رفت. در چنین تراکمی، حجم انبوه قطرات آب در عرض چند ماه ردیف پره‌های پایانی را تا مرز شکست کامل مکانیکی فرسوده می‌کند.[2]

سنگرهای متالورژیکی و شیارهای مکش

حتی زمانی که بازگرمایش میانی کسر رطوبت را به زیر ۱۰ درصد محدود می‌سازد، پره‌های ردیف نهایی همچنان در محیطی بی‌نهایت خشن کار می‌کنند. برای جان سالم به در بردن از همین رطوبت باقی‌مانده، بزرگ‌ترین پره‌های فشار ضعیف به‌جای فولاد معمولی از آلیاژهای مستحکم تیتانیوم مانند Ti6Al4V فورج می‌شوند.[7]

متالورژیست‌ها با استفاده از لیزرهای دیودی پرتوان، لبه‌های حمله این پره‌ها را سخت‌کاری می‌کنند. گرمایش و سرمایش سریع ناشی از لیزرکاری، ریزساختار فلز را دگرگون ساخته و فاز مارتنزیتی دانه‌ریزی پدید می‌آورد که مقاومت به فرسایش را به‌مراتب ارتقا می‌دهد.[7]

طراحان توربین افزون بر این، روش‌های جداسازی مکانیکی را برای بیرون کشیدن فیزیکی آب از مسیر بخار به خدمت می‌گیرند. پره‌های راهنمای ثابت در مراحل پایانی اغلب توخالی ساخته شده و شیارهای مکش باریکی بر سطح آن‌ها تعبیه می‌شود.[6][7]

با تجمع قطرات مه اولیه و تشکیل فیلم مایع روی پره‌های استاتور، یک سیستم خلأ آب را پیش از آنکه بریده شده و به قطرات مخرب ثانویه تبدیل شود، از درون این شیارهای مکش به بیرون هدایت می‌کند.[6]

طراحی این شیارها نیازمند محاسبات آیرودینامیکی فوق‌العاده دقیقی است. اگر شیارها بیش از اندازه عریض باشند، جریان بخار را مختل کرده و توان خروجی توربین را می‌کاهند؛ اگر بیش از حد باریک باشند، توان جذب مقدار کافی از لایه مایع را برای محافظت از روتور نخواهند داشت.[6]

در برخی طراحی‌های پیشرفته، پره‌های ثابت را با استفاده از بخار برگشتی به‌طور فعال گرم می‌کنند. این گرمایش داخلی، لایه مایع را مستقیماً از روی سطح فلز تبخیر می‌کند و یکی از مؤثرترین چاره‌ها برای درمان فرسایش قطره‌ای به شمار می‌رود.[6]

پاداش بزرگ: افزایش راندمان

اگرچه بازگرمایش میانی در اصل یک سازوکار حفاظت ساختاری است، اما هم‌زمان جهش بزرگی در بازده حرارتی کل نیروگاه ایجاد می‌کند. این دستکاری عملاً معادلات چرخه رانکین را که بر توربین‌های بخار حاکم است دگرگون می‌سازد.[1][3]

با تزریق حرارت در فشار پایین‌تر، نیروگاه میانگین دمایی را که انرژی حرارتی در آن به سیال عامل منتقل می‌شود افزایش می‌دهد. مطابق قوانین ترمودینامیک، بالا رفتن میانگین دمای دریافت گرما مستقیماً حد بازده تئوریک را افزایش خواهد داد.[1]

پیامدهای اقتصادی این ارتقای راندمان خیره‌کننده است. برای یک نیروگاه بار پایه ۱۰۰۰ مگاواتی، تنها یک درصد افزایش در راندمان حرارتی، سالانه میلیون‌ها دلار در هزینه‌های سوخت صرفه‌جویی کرده و به همان نسبت از انتشار آلاینده‌های کربنی می‌کاهد.[3]

همین مزیت دوگانه نشان می‌دهد چرا تقریباً تمامی نیروگاه‌های سوخت فسیلی و هسته‌ای بزرگ‌مقیاس ساخته‌شده از میانه سده بیستم، دست‌کم یک مرحله بازگرمایش دارند. در نیروگاه‌های زغال‌سنگ اولتراسوپربحرانی، مهندسان برای رساندن راندمان به بالای ۴۵ درصد از بازگرمایش دوگانه استفاده می‌کنند.[2][3]

با این همه، محدودیت‌های مکانیکی توربین فشار ضعیف همواره مرزهای نهایی چرخه را دیکته می‌کند. اپراتورها باید شیمی بخار و خلأ کندانسور را با وسواس کنترل کنند، زیرا سرد شدن بیش از حد می‌تواند خط اشباع را جلو بکشد و موجب جهش کسر رطوبت شود.

در تحلیل نهایی، طول عمر روتور چند میلیون دلاری توربین بر لبه یک توازن شکننده ترمودینامیکی حرکت می‌کند. مهندسان با خشک نگه‌داشتن حساب‌شده بخار، اطمینان می‌یابند که پره‌های مافوق‌صوت تیتانیومی گاز را به حرکت درمی‌آورند، نه اینکه با گلوله‌های آب تصادف کنند.[4][7]