المكثف البخاري للتوربين هو جهاز يحول البخار المنخفض الضغط من توربين البخار إلى ماء باستخدام ماء التبريد. وظيفة المكثف البخاري الرئيسية هي الحفاظ على ضغط خلفي منخفض على الجانب الخروجي من توربين البخار، مما يزيد من كفاءة وإنتاج محطة الطاقة.
يجب أن يتوسع البخار الخارج من التوربين بشكل كبير لتحويل طاقته المتاحة إلى عمل ميكانيكي. إذا لم يتم تكثيف البخار بعد أدائه لعمله، فلن يوفر مساحة كافية للبخار القادم ليتوسع إلى حجمه المطلوب. لذلك، يقلل تكثيف البخار في نظام مغلق من حجمه ويخلق فراغًا يقلل الضغط عند مخرج التوربين.
يتكون المكثف البخاري للتوربين من عدة مكونات مثل غرفة المكثف، وخط إمداد ماء التبريد، وأجهزة ضخ الهواء الرطب، وحوض الساخن. يتم تكثيف البخار في غرفة المكثف عن طريق نقل حرارته إلى ماء التبريد.
يوفر خط إمداد ماء التبريد ماء بارد من برج التبريد أو مصدر آخر لتداخلا داخل المكثف. تقوم أجهزة ضخ الهواء الرطب بجمع البخار المتكثف والهواء والبخار غير المتكثف والغازات الأخرى من المكثف وتقوم بإخراجها إلى الغلاف الجوي أو جهاز إزالة الهواء. يتم جمع البخار المتكثف في حوض الساخن ومن هناك يمكن ضخه مرة أخرى إلى غلاية البخار كـ مياه تغذية.
هناك نوعان رئيسيان من المكثفات البخارية للتوربينات: المكثفات النفاثة والمكثفات السطحية. في المكثفات النفاثة، يتم رش ماء التبريد على البخار الخارج وخلطه به. هذا عملية سريعة لتكثيف البخار، لكنها تنتج ماء ملوث لا يمكن إعادة استخدامه كمياه تغذية.
في المكثفات السطحية، يتم فصل ماء التبريد والبخار الخارجي بواسطة حاجز مثل الأنابيب أو الألواح، وتحدث عملية التكثيف عن طريق تبادل الحرارة عبر هذا الحاجز. هذه عملية أبطأ لتكثيف البخار، لكنها تنتج ماءً نقية يمكن إعادة استخدامه كمياه تغذية.
يحتوي استخدام المكثف البخاري للتوربين على العديد من المزايا لإنتاج الطاقة، مثل:
يزيد من الكفاءة الحرارية لمحطة الطاقة عن طريق تقليل استهلاك البخار الخاص وزيادة الإنتاج العمل لكل كتلة من البخار.
يحسن جودة مياه التغذية عن طريق إزالة الغازات الذائبة والشوائب من البخار المتكثف.
يقلل من التآكل والتكتل في الغلاية والتوربين من خلال منع الاتصال المباشر بين البخار وماء التبريد.
يقلل من التلوث البيئي عن طريق تقليل تصريف البخار وماء التبريد إلى الغلاف الجوي أو المسطحات المائية.
يحفظ موارد المياه عن طريق إعادة تدوير البخار المتكثف كمياه تغذية.
يعتمد مبدأ عمل المكثف البخاري للتوربين على نقل الحرارة وتغير المرحلة. يدخل البخار الخارجي من التوربين إلى المكثف بضغط منخفض ودرجة حرارة عالية. يدخل ماء التبريد إلى المكثف بدرجة حرارة منخفضة وضغط عالٍ. يحدث نقل الحرارة بين السائلين عبر حاجز يفصلهما فيزيائيًا. يمكن أن يكون الحاجز أنابيب أو صفائح، اعتمادًا على نوع المكثف.
مع حدوث نقل الحرارة، تنخفض درجة حرارة البخار الخارجي، ويتم إطلاق حرارته الكامنة. يتم امتصاص الحرارة الكامنة بواسطة ماء التبريد، مما يزيد من درجة حرارته. يتغير البخار الخارجي من مرحلة بخار إلى سائل ويصبح ماء متكثف. يجمع الماء المتكثف في حوض الساخن في قاع المكثف. يخرج ماء التبريد من المكثف بدرجة حرارة عالية وضغط منخفض.
ثم يتم ضخ الماء المتكثف بواسطة مضخة استخراج المكثف إلى جهاز إزالة الهواء أو مباشرة إلى مضخة تغذية الغلاية. يقوم جهاز إزالة الهواء بإزالة أي هواء أو غازات متبقية من الماء المتكثف ويقوم بتسخينه قبل إرساله إلى مضخة تغذية الغلاية. تقوم مضخة تغذية الغلاية بزيادة ضغط مياه التغذية وتقديمها إلى الغلاية.
يتم إما تصريف ماء التبريد إلى برج التبريد أو مصدر آخر أو إعادة تدويره عبر مبدل حراري أو مصافي. يقوم برج التبريد بتقليل درجة حرارة ماء التبريد عن طريق تبخير بعضه في الهواء. يقوم مبدل الحرارة أو المصافي بنقل بعض الحرارة من ماء التبريد إلى سائل آخر مثل الهواء أو مياه التغذية.
اعتمادًا على تقنية التكثيف، هناك نوعان رئيسيان من المكثفات البخارية للتوربينات: المكثفات النفاثة والمكثفات السطحية.
في المكثفات النفاثة، يتم رش ماء التبريد على البخار الخارجي وخلطه به. هذه عملية سريعة لتكثيف البخار، لكنها تنتج ماء ملوث لا يمكن إعادة استخدامه كمياه تغذية. يتم تصريف مزيج الماء والبخار إلى حوض الساخن، حيث يتم ضخه بواسطة مضخة الهواء الرطب إلى جهاز إزالة الهواء أو برج التبريد.
هناك ثلاثة أنواع فرعية للمكثفات النفاثة: المكثفات النفاثة ذات المستوى المنخفض والمكثفات النفاثة ذات المستوى العالي والمكثفات النفاثة ذات المضخة النفاثة. في المكثفات النفاثة ذات المستوى المنخفض، يتم وضع حوض الساخن في نفس مستوى المكثف، وتدفق المزيج بالجاذبية. في المكثفات النفاثة ذات المستوى العالي، يتم وضع حوض الساخن فوق المكثف ورفع المزيج بواسطة مضخة. في المكثفات النفاثة ذات المضخة النفاثة، يتم حقن ماء التبريد بسرعة عالية في البخار الخارجي ويخلق فراغًا يسحب المزيج إلى حوض الساخن.
مزايا المكثفات النفاثة هي:
هي بسيطة ورخيصة وسهلة التركيب والتشغيل.
لها معدل نقل حراري عالي وانخفاض ضغط منخفض.
لا تتطلب إمدادًا كبيرًا من ماء التبريد أو نظام استخراج هواء منفصل.
عيوب المكثفات النفاثة هي:
تنتج ماء غير نقي لا يمكن إعادة استخدامه كمياه تغذية ويحتاج إلى معالجة قبل التخلص منه.
لها استهلاك عالي للطاقة لضخ ماء التبريد والمزيج.
تأثر بجودة ودرجة حرارة ماء التبريد.
في المكثفات السطحية، يتم فصل ماء التبريد والبخار الخارجي بواسطة حاجز مثل الأنابيب أو الصفائح، وتحدث عملية التكثيف عن طريق تبادل الحرارة عبر هذا الحاجز. يمر ماء التبريد عبر مجموعة من الأنابيب أو الصفائح، والبخار الخارجي يتدفق فوق سطحها الخارجي. يتم امتصاص حرارة البخار بواسطة ماء التبريد، مما يزيد من درجة حرارته.
يتحول البخار الخارجي من مرحلة بخار إلى سائل ويصبح ماء متكثف. يجمع الماء المتكثف في حوض الساخن في قاع المكثف. يخرج ماء التبريد من المكثف بدرجة حرارة عالية وضغط منخفض.
هناك نوعان فرعيان للمكثفات السطحية: المكثفات السطحية الهابطة والمكثفات السطحية المعاكسة. في المكثفات السطحية الهابطة، يدخل البخار الخارجي من الأعلى ويتدفق نحو الأسفل فوق الأنابيب أو الصفائح. في المكثفات السطحية المعاكسة، يدخل البخار الخارجي من أحد الأطراف ويتدفق نحو الأعلى فوق الأنابيب أو الصفائح، بينما يدخل ماء التبريد من الطرف الآخر ويتدفق نحو الأسفل عبرها.
مزايا المكثفات السطحية هي:
تنتج ماء نقية يمكن إعادة استخدامها كمياه تغذية وتقلل من التآكل والتكتل في الغلاية والتوربين.
لها استهلاك منخفض للطاقة لضخ ماء التبريد والماء المتكثف.
لا تتأثر بجودة ودرجة حرارة ماء التبريد.
عيوب المكثفات السطحية هي:
هي معقدة و дорогая и صعبة التركيب والتشغيل.
لها معدل نقل حراري منخفض وانخفاض ضغط عالٍ.
تحتاج إلى إمداد كبير من ماء التبريد ونظام استخراج هواء منفصل.
يعتمد اختيار المكثف البخاري للتوربين على عدة عوامل، مثل:
حجم وسعة محطة الطاقة
توفر وكلفة ماء التبريد
جودة وكمية مياه التغ
