کاربرد برج خنک کننده در نیروگاه های اتمی

پکینگ برج خنک کننده نیروگاهی، جهت خنک‌ سازی بخش‌ ها، فعالیت‌ ها و فرآیندهای مختلف یک نیروگاه استفاده می‌ گردد. با توجه به نیاز گسترده به آب خنک در نیروگاه، معمولاً از نوع کولینگ تاورهای عظیم و بلند مرتبه که سازه بتنی دارند استفاده می‌ شود. گاهی جریان دبی آب حتی تا پنجاه هزار متر مکعب در ساعت و ارتفاع نیز تا 150 متر می‌ رسد. در این نوع کولینگ تاور به جهت حساسیت و الزامات موجود در نیروگاه، باید در تمام طول مدت فعالیت عملکرد مطمئن و پایداری داشته باشد.

برج خنک کننده نیروگاه برقی حرارتی

بخش عمده انرژی مورد نیاز کشورها از نیروگاه برقی حرارتی تأمین می گردد که همه آنها نیاز به خنک سازی نیاز دارند. در نیروگاه‌ های برقی حرارتی، آب داغ تأمین شده حاصل از گاز طبیعی، ذغال سنگ، نفت و یا انرژی هسته ای توربین‌ ها را به حرکت درمی آورد. آب داغ پس از اینکه به بخار اشباع تبدیل شد حال به سمت توربین که به ژنراتور متصل است می رود و با استفاده از انرژی جنبشی خود آن را به حرکت در می‌ آورد و پس از عبور بخار از توربین وارد کندانسور می‌ شود. در این مرحله کولینگ تاور با کاهش دمای بخار آن را به آب اشباع تبدیل می نماید.

کولینگ تاور نیروگاه

سوخت نیروگاه‌ های برقی حرارتی معمولا گاز طبیعی، ذغال سنگ، نفت و یا فعالیت راکتور اتمی می‌ باشد که بوسیله حرارت آن آب به بخار اشباع تبدیل شده و وارد توربین شده آن را به حرکت درآورده و برق تولید می‌ کند. حال این بخار باید در کندانسور شده به وسیله کولینگ تاور خنک شده و سیکل ادامه یابد.

بخش‌ های مختلف برج خنک کننده نیروگاه

برج خنک کننده نیروگاه

۱. برج خنک‌ کن نیروگاه

۲. پمپ آب سرد

۳. خطوط انتقال سه فاز

۴. ترانسفورماتور افزایش ولتاژ

۵. ژنراتور الکتریکی

۶. توربین بخار کم فشار

۷. پمپ آب بویلر

۸. تقطیر کننده سطحی

۹. توربین بخار فشار متوسط

۱۰. دریچه کنترل بخار

۱۱. توربین بخار فشار بالا

۱۲. دگازور

۱۳. گرم‌ کننده آب

۱۴. حمل‌کننده زغال سنگ

۱۵. قیف زغال‌ سنگ

۱۶. پودرساز زغال سنگ

۱۷. سیلندر دود بویلر

۱۸. قیف خاکستر

۱۹. سوپر هیتر

۲۰. پمپ هوا

۲۱. پس‌ گرم‌ کن

۲۲. سوپاپ هوای احتراق

۲۳. پیش‌ گرم‌ کن مقدماتی

۲۴. پیش‌ گرم‌ کن هوا

۲۵. ته‌ نشین‌ کننده الکترواستاتیکی

۲۶. پمپ هوا

۲۷. دودکش

کولینگ تاور نیروگاه اتمی

در یک نیروگاه اتمی نیز جهت خنک کردن کندانسور به کار می‌ رود. مطابق تصویر ابتدا در ساختمان اتمی با گرمای حاصل از واکنش هسته‌ ای بخار حاصل می شود. بخار تولید شده وارد توربین گردیده و سپس به وسیله ژنراتور برق تولید می‌‌ شود. در نهایت آب خنک حاصل از کولینگ تاور وارد مبدل شده و کندانسور را خنک می‌ کند.

کاربردهای برج خنک کننده در صنایع

برج خنک کننده هسته ای مانند هر برج خنک کننده دیگری طراحی شده تا به خنک سازی آبی که در فرآیند استفاده شده و افزایش حرارت داشته، کمک کند. برج های خنک کننده حرارت تخلیه شده را به جای اینکه به آب وارد کنند، وارد هوای بیرون می کنند. بنابراین آبی که کاهش دما یافته دوباره می­تواند به فرآیند بازگردد.  روی نیروگاه های هسته ای لکه ننگ­ های زیادی هست. یکی از بزرگ­ترین نمودها و بازنمایی های نیروگاه ها، برج های خنک کننده غول آسا هستند. همانطور که میدانید قیمت برج های خنک کننده بخش هسته ای از سایر برج ها حتی از پکینگ اسپلش برج خنک کننده نیز بیشتر است.

مردم سازه عظیم الجثه و بعضاً 600 فوتی این برج ها را از کیلومترها دورتر می­بینند و سریع آنها را به نیروگاه های هسته ای ربط می دهند. اما این فقط نیروگاه های هسته ای نیستند که از برج های خنک کننده استتفاده می­کنند. بطور مثال مراکز ذغال سنگ و دیگر سوخت های فسیلی هم برج خنک کننده را درون فرآیند خود به کار می­گیرند. مردم بیشتر تصاویر برج های خنک کننده هسته ای را درون نیروگاه های هسته ای می­بینند چون رسانه اینطور می­خواهد.

چرا همه نیروگاه ها از برج خنک کننده استفاده نمی کنند؟

عوامل بسیاری وجود دارند که روی تصمیم‌گیری در مورد استفاده از برج خنک کننده اثر می­گذارند. برج خنک‌کننده به مقدار زیادی آب نیاز دارد که می‌تواند برای بخش‌های خاصی از کشور یک منبع بسیار گران‌قیمت محسوب شود. اگر نیروگاهی نزدیک یک رودخانه یا دریاچه نباشد، به آسانی نمی­توان  آب کافی برای آن را تأمین کرد. برای همین در اکثر مواقع برج های خنک کننده در نزدیکی منابع آبی مانند رودخانه و دریا ساخته می شوند.

نگرانی‌های دیگری نیز در این سیستم وجود دارد که شامل تاثیر بر ارگانیسم‌های آبزیان و جریان‌های تخلیه است. همه این عوامل می‌توانند باعث شوند که یک دولت تصمیم بگیرد استفاده از برج‌های خنک کننده را ممنوع کرده و مهندسین و دانشمندان را وادار به استفاده از روش‌های دیگر کند. به همین دلیل، هر نیروگاه هسته‌ای باید به طور جداگانه تحلیل شود. علاوه بر این، داشتن یک برج خنک کننده غول آسا در نزدیکی یک شهر می‌تواند موجب اضطراب ساکنان شود. اگرچه این برج کاملاً بی‌خطر است، اما به هر حال سازه آن به عنوان یک یادآور دائمی از نیروگاه هسته‌ای عمل می‌کند. نیروگاه های هسته ای چیزی فراتر از منبع انرژی هستند. آنها نمادی از مصیبت و فاجعه و در عین حال نمادی از توانایی انسان برای تهیه مقدار بالایی از انرژی محسوب می­شوند.

در تمام موارد، مهندسان تمایل دارند تا بازده نیروگاه­ را به بالاترین حد خود برسانند. هرچند، این امر به خاطر ریسک های موجود نمی­تواند همیشه اتفاق بیفتد. در اکثر مناطق، نیروگاه های هسته ای تحت قوانین سخت گیرانه ای هستند که مهندسان را از رساندن نیروگاه به بالاترین حد کارآمدی خود منع می­کنند. اما اگر این قوانین وجود نداشت، تقریباً همه آنها از برج خنک کننده استفاده می­کردند. با وجود اینکه برج های خنک کننده هسته ای بسیار کارآمد هستند و مرحله مهمی در فرآیند محسوب می­شوند، اما فاکتورهای دیگر مانند تغییرات آب و هوا باعث کمتر شدن استفاده آنها در آینده می شود.

شکل ساختاری برج های خنک کننده هسته­ ای

شکل برج های خنک کننده هسته ای معمولاً هذلولی است، به حدی که این شکل، به شکل آیکونیک نیروگاه های هسته ای درآمده است. انتخاب این شکل به این دلیل است که پهنای بالای آن، فرآیند تبخیر را سرعت می­بخشد و  همچنین که ماهیت شکل هذلولی این برج ها، راندمان برج را بالا می­برد؛ چرا که شکل هذلولی این برج به جریان هوای که از پایین برج به سمت بالای آن است کمک می­کند. بنای کار جریان آن هم اختلاف فشار در ارتفاع های مختلف است.

در حقیقت این شکل هندسی برج هذلولی است که واگرا و همگرا می­شود و اختلاف فشار ایجاد می­کند. در آخر باید یادآوری کرد که جریان طبیعی در برج خنک کننده هذلولی هسته ای، مصرف انرژی را کاهش می­دهد و با ظرفیت بالای خود، راندمان بالایی را فراهم می کند. این راندمان بالا باعث می­شود بیشترین اختلاف دمای میان آب ورودی و خروجی در همین برج ها دیده شوند. برج های هذلولی از بتن و در ابعاد بسیار بزرگ ساخته می­شوند و طبیعتاً هر چه ارتفاعشان بیشتر شود ظرفیت شان بالاتر می رود. برج های هذلولی از برج های پرهزینه اما مطمئن هستند که برای صنایع و مصارف حساس به کار گرفته می شوند.

جریان برج خنک کننده هسته ای هذلولی

به طور کل سه نوع جریان برای برج های خنک کننده موجود است:

1. جریان طبیعی
2. جریان مکانیکی (اجباری و القایی)
3. جریان مرکب

برج خنک کننده هسته ای هذلولی شکل از جریان  طبیعی برای انجام کار خود کمک می­گیرد. به این معنا که در اینگونه برج ها از هیچ پروانه یا فن مکنده یا وسیله ای که باعث به جریان انداختن هوا شود استفاده نمی­شود. هنگام اسپری شدن آب درون این برج، هوا به صورت طبیعی جریان می­یابد. بنابراین در بعضی مواقع ممکن است که این جریان تحت تأثیر عوامل طبیعی قرار بگیرد. چرا که از هیچ وسیله مکانیکی کمکی ای برای جریان استفاده نمی­شود. اما این اتفاقات با نظارت بالا روی عملکرد برج تا حد زیادی کنترل می­شوند.