הפקת חשמל – מחזור משולב
29.4.18 Hi-Teach
רקע אודות סדרת המצגות
סדרת המצגות בנושא אנרגיה והפקתה
מצויה בשלבי הכנה ועיבוד ראשוני
ונועדה לתמוך בהפעלת פילוט ראשוני בשנת תשע''ז
הערכה נערכת על ידי Hi-Teach בשיתוף ובחסות
חברת החשמל הפרטית דוראד המפיקה חשמל מגז
חברת אזום המפעילה את תחנות הכוח של דוראד
וחברת קצא''א שאוגרת ומובילה דלקים וגז מישראל ואליה.
עוד לוקחים חלק בפעילות משרד החינוך, הפיקוח על הוראת המדעים, משרד האנרגיה והתשתיות משרד איכות הסביבה ומשרד הכלכלה NEWtech ועיריית אשקלון
ותכנית נוער שותה מים ודעת
בשיתוף הרוטרי Israel NEWtech הטכניון וגורמים נוספים
הערות יתקבלו בברכה
דר' אמנון שפי
054-4929093
תודות לחברות ולשותפים על תמיכתם בפרויקט
אנרגיה בעולם המודרני
מבוא למורה ולתלמיד אודות המצגת
הפקת החשמל באמצעות תחנות כוח גז במחזור כפול
הן נושא המצגת שלפניכם.
המצגת סוקרת את עקרונות הפעולה והמבנה של התחנה
ומונה את חלקיה העיקריים
המצגת מהווה הסבר בסיסי
ובהמשך קימות מצגות מפורטות יותר
על שלבי הפעולה השונים, על התהליכים וחלקי התחנה
באתר התכנית קיימים קישורים לסדרה של אנימציות וסרטוני הסבר מצוינים
ברמה גדלה והולכת של פירוט.
המכלול כולו נועד לשמש כבסיס ללמידת עקרון פעולת התחנה
לקראת הביקור במתקן וביצוע פרויקט חקר ולימוד
שבעקבותיו יוזמנו התלמידים להציע מיזם טכנולוגי לשיפור התהליך
שיתבסס על בצד המדעי טכנולוגי והנדסי
במקביל לשיקולי היישום הכלכליים והסביבתיים
ניסויי חקר במושגי יסוד באנרגיה חשמלית ואופן הכנתה מפורטים בפרק נפרד
שגם אותו מומלץ לבצע לקראת הביקור בתחנה
הפקת חשמל משרפת דלק מאובנים
הפקת החשמל באמצעות מחזור כפול מתבצעת ברוב תחנות החשמל המתקדמות
החשמל מופק מגנרטורים שכח הנעתם נוצר בטורבינות.
הטורבינות העיקריות מונעות בכוח המופק באמצעות טורבינות גז.
טורבינות אילו שורפות גז המוזן לתא הבערה שלהם
יחד עם אויר דחוס, המספק חמצן לתהליך הבערה.
הגז הנשרף מתפשט במהירות ויוצר לחץ וטמפרטורה גבוהים מאוד.
בגז הלוהט והדחוס שהוא תוצר השרפה אגורה אנרגיה רבה.
המדובר באנרגיה הקלורית (אנרגית החום)
של דלק הבערה (גז בעצמו).
שאגורה במולקולות האורגניות (פחמניות)
בצורה כימית
אנרגיה חשמלית משרפת דלק מאובנים
האנרגיה נאגרה במולקולות הגז הגיעה מאור השמש
משך שנות החיים הביולוגיים הפעילים לפני מיליוני שנים,
אחרי שנאגרה בצומח ובחי ביבשה ובים, החומר האורגני (מבוסס הפחמן)
שקע בשכבות מתחת לאדמה או למי הים
נדחס ובושל בחום ובלחץ רב משך מיליוני שנים,
עד שהפך לדלק מאובנים (פחם, נפט או גז)
והופק, זוקק, נאגר והועבר לתחנה כחומר בערה.
שרפת הדלק הופכת חזרה את אנרגיית החום מהשמש הצבורה בדלק,
לחום ולחץ של גזי השריפה.
מכתש בו בוער גז הנפלט ממעבה האדמה ברציפות מ 1971 בתורכמניסטן
מסע מהיר ומקוצר מהווצרות היקום, החומרים ובהם הפחמן,
פוטוסינתזה
(תזונה אוטוטרופית)
תזונה הטרוטרופית
מסלולים מטבולים
רקבון, מאובנים ודלקים פוסילים
אנרגיה בעולם המודרני
גלגול אנרגיה
שמש
תזונה אוטוטרופית
יוצרות מולקולות אורגניות
רקבון
בארות להפקת נפט וגז
הפקת חשמל משרפת דלק מאובנים
הגז הלוהט מניע את להבי טורבינה, הרתומה לגנרטור
סיבוב הגנרטור מחולל זרם חשמלי רב עצמה המועבר לרשת החשמל דרך מערך שנאים למתח גובה
(ועל כך פרק נפרד במערכת). זרמים הללו יוצרים כוח סיבובי (מומנט) המתנגד לתנועה
עליו צריכה הטורבינה להתגבר וזהו לב ליבו של תהליך המרת האנרגיה:
ממולקולות הדלק, הבוערות ויוצרות גז לוהט ודחוס המכה על כנפי הטורבינה, מסובב אותה
ומניע את הגנרטור שיוצר את זרם החשמל בקווי המתח הגוהה היוצאים מהתחנה.
אך הגז הנפלט מהטורבינה התקרר והלחץ שלו פחת, אך עדין טמונה בו אנרגית חום רבה
ופה מתחיל סיפור המחזור הכפול
משריפה לתנועה, לחשמל והנעה
טורבינה מונעת בדרכים שונות, למשל קיטור ומסובבות גנרטור שמפיק חשמל
אנרגיה כימית ממולקולות הדלק שנצברו במקור מאנרגיה החום מהשמש מחממות את המים ויוצרות גז וקיטור
↓↓↓↓↓↓
אנרגית התנועה של הקיטור (קיטור מפיקים מחימום מים אדי המים יוצאים בלחץ מפתח צר)
↓↓↓↓↓↓
לאנרגיית התנועה של הטורבינה
↓↓↓↓↓↓
לאנרגיית התנועה של המחולל
↓↓↓↓↓↓
לאנרגיה חשמלית
אתר הסברים על מערכות הפקת חשמל
באתר הסברים חביבים באנגלית מובנת, על תחנות כוח מסוגים שונים
מחזור כפול: שתי טורבינות שני תהליכים
הגז המניע את להבי המניפה הגדולים בטורבינת הגז, מותאמים ללחץ היורד,
ביציאה מהטורבינה הגזים התפשטו והתקררו למידה שאינה מאפשרת המשך הפקה בטורבינת הגז
אולם אגורה בהם עדיין אנרגית חום רבה.
הגז החם מאוד מנוצל באמצעות דוד קיטור, לחימום מים והפקת קיטור בלחץ גבוה מאוד.
הקיטור המופק באופן זה מכל טורבינות הגז הפעילות בתחנה, מועבר יחד לשתי טורבינות קיטור
המותאמת ללחץ, לטמפרטורה ולמשקל הסגולי של הקיטור. גם פה התהליך מתחיל בזר להבים קטן וצפוף שהקיטור מניע, שהולך ונהיה גדול ומרווח יותר עד למניפה רחבה בשלב הסופי של לחץ הקיטור הנמוך.
טורבינת הקיטור רתומה אף היא לגנרטור ויוצרת חשמל, וכך מנוצלת האנרגיה השיורית שנותרה בגזי הפליטה של טורבינת הגז. הקיטור שהתקרר ולחצו ירד, מקורר בעזרת מצנן והופך חזרה למים, ואילו נשאבים בצנרת חזרה לדוד הקיטור לחימום מחדש.
כך מופקת האנרגיה בשני מחזורים, מחזור הגז, ומחזור הקיטור.
והיעילות הכוללת של הפקת האנרגיה החשמלית
מהאנרגיה הכימית האגורה במולקולות הדלק
הופכת יעילה יותר ומתקרבת ל 50% - 58% למול 38%-42% בתחנת קיטור פחם רגילה
(שזה כמעט 50% יותר, 60 לעומת 40...)
המצגת לפנינו מתארת שלבים עיקריים בתהליך
והיא מהווה מבוא לצפייה באנימציות וסרטוני הסבר
שקישור אליהם מצוי במערכת המקוונת
מניפות טורבינת גז גדלות עם ירידת הלחץ והטמפרטורה
כוון זרימת הגז הלוהט – ימינה ואחורה מקוטר קטן וצפיפות גובהה למניפה פרוסה וגדולה
מניפות כינוס האוויר ומניפת טורבינת הגז על ציר אחד
המחזור הכפול
הרעיון: חום רב נפלט מגזי הפליטה של טורבינת הגז. הגזים כבר לא יעילים לשימוש בטורבינת הגז אך החום האגור בהם מכיל אנרגיה רבה.
אנרגיה זו מנוצלת ליצירת קיטור שמניע טורבינת קיטור שגם היא מפיקה חשמל.
כך מנוצלת שארית האנרגיה של הגז במקום להתבזבז
יצירת חשמל בתחנת מחזור כפול
Steam pipes
Heat
exchanger
compensator
LFO
מיכל דלק
טורבינת קיטור
טורבינת גז
דוד הקיטור מחומם בגזי הפליטה מהטורבינה
HP Drum
MP Drum
LP Drum
מיכל מים מטופלים
מיכל מים
מעבה
משאבת מים
Condensate Pump
משאבות דלק
חימום מקדים
למי ההזנה
גנרטורים
Water
סילוק חמצן מומס
מחליף חום לקירור שארית הקטור
ארובה
Water
Gas
Power
Steam
Demi. Water System
סכמת מלבנים של תחנה במחזור כפוך
גז טבעי
PRMS
קיטור
מים
גז
חשמל
מתקנים עיקריים בתחנה
דוד הקיטור
זרימת גז מעבר אחד
6 דודים בהם הגז בוער (Duct Firing)
הצבע מסמן את מהירות זרימת הגז
טורבינת הקיטור
140 מגה ואט מחוברת לגנרטור עצמאי
המעבדה
140 מגה ואט מחוברת לגנרטור עצמאי
אנימציה מפורטת של אופן פעולת תחנת כוח מחזור כפול, כולל תהליך ההתנעה ושילוב כל המערכות
בלווי קונצרט התנעת התחנה
בשילוב הסבר גראפי של העקרונות הפיסיקליים של אנרגיה וחום (תרמודינמיקה)
סיור תלת מימדי 360 מעלות בתחנת כוח מחזור כפול
מלווה בהסברים ברורים באנגלית. מבוא מצויין לסיור בתחנה
מתקנים נוספים: הטיפול במים
מתקנים נוספים בתחנה – תפוקת החשמל
הפקת אנרגיה - תהליך מורכב
אנו למדים מהמצגת שתהליך הפקת החשמל וגז, בתחנת הכוח הוא מורכב ורב שלבי
שורפים את הגז בטורבינה שמונעת בכוח לחץ גזי הפליטה, ומניעה גנרטור
גזי הפליטה מחממים קיטור בדוד משוכלל
והקיטור מניע טורבינת קיטור, שרתומה אף היא לגנרטור
לאחר הנעת טורבינת הקיטור, מקררים את הקיטור והופכים אותו למים שוב
ושואבים אותם חזרה אל דודי החימום
המים חייבים להיות מאוד נקיים ולכן מטהרים אותם במפעל התפלה
וקירור הקיטור נעשה במתקן קירור שמעביר את החום למי ים
שנשאבו מהים ומוחזרים אליו
את החשמל מעלים למתח גבוה בשנאים לשם העברה לצרכן
ועל כל מבקרים מחשבים ומערכות בקרה מורכבות
וכל אחד מהשלבים הללו, צורך אנרגיה
הפקת אנרגיה - יעילות התהליך
ולכן חלק ניכר מהאנרגיה שאגורה בגז, מנוצל בתחנה עצמה ולא מופק החוצה כחשמל.
מרכיב האנרגיה שמופק לרשת החשמל בסופו של דבר,
הוא החלק החשוב,
כמה הוא באחוזים ? – זהו מאפיין יעילות האנרגיה של כל התהליך
היעילות של התחנה הוא היחס בין האנרגיה המושקעת לאנרגיה המופקת (ב %)
יעילות (%) = אנרגיה קלורית מושקעת (מהגז) / אנרגיה (חשמלית) מופקת
אז איך מנתחים את יעילות התחנה?
מאזן אנרגיה
דיאגרמת סנקי משמשת לעזרה
חלק ניכר מהאנרגיה המופקת בתחנה משרתת את תפקוד התחנה בעצמה.
דיאגרמת סנקי Sanky מתארת את צריכת האנרגיה
של החלקים השונים בתהליך
מאזן אנרגיה אופייני בתחנת מחזור כפול או מחזור משולב (Combined Cycle)
שימו לב לאנרגיה שמוקדשת ליצור קיטור,
ולחלק הגדול ממנה שמוקדש לחימום חוזר של המים,
לכן רק כמחצית מהאנרגיה של הגז שמופנית לדוד הקיטור, מופקת כחשמל.
הסבר לאי היעילות....
חישבו על החום הסגולי והחום הכמוס של המים
בביקור בתחנה
ננסה להבין את מבנה התחנה
את כל מרכיביה, לנתח ולמפות את היחידות השונות, תפקידיהן וביצועיהם
ולשרטט את דיאגרמת Sankey של התחנה,
ואף ללמוד משהוא על תהליך הקמתה.
כבסיס לחשיבה על הצעות לשיפור ושכלול...
ניתוח לדוגמה: יעלות הפקת אור
כמה אנרגיה אור נוצרת במנורת ליבון למול נורת פלורסנט
הדוגמה הזו מייצגת ניתוח הפוך
הפיכה של אנרגיה חשמלית לאנרגיה של אור ...
תודות
חב' דוארד קצא''א ואזום שותפי היוזמה שממנות ומארחות את הכיתות.
הרוטרי שתומך בתכנית האב – נוער שותה מים ודעת
משרד הכלכלה –Israel Newtech
משרד החינוך – הפיקוח על הוראת המדעים והטכנולוגיה
משרד האנרגיה – תכנית "אנרגיה בראש אחר" וחב' רובינשטיין יצרנית ערכת המדידה
חברת SES – יצרנית חיישני ניולוג
בתי הספר השותפים בפיילוט:
תיכון איתן בקיבוץ נען, דרכא בגין בגדרה ותיכון אריה מאיר בקריית גת
מרכז המדעים הרצליה – פעילות חקר חט"ב
תיכון הנדסאים הרצליה – פרויקט מדעי הנדסה לבגרות
בית אקשטיין גבעתיים – פרויקט טכנולוגיה מוכללת לבגרות
אורט ימי אשדוד – " אנרגיה מהים" מגמת א"ל / פיסיקה/ מדעי הים
צוות הי-טיצ' (Hi-Teach) שמפתח ומפעיל את תכנית החקר אנרגיה צעירה