تصفیه آب در صنایع نیروگاهی

بیش از ٪۹۵ انرژی الکتریکی مصرفی در جهان را نیروگاه‌های حرارتی تأمین می‌کنند و تصفیه آب برای انواع مختلف نیروگاه‌های حرارتی امری حیاتی است. در ادامه با برخی اصطلاحات و مفاهیم صنعتی که در استفاده از آب برای تولید بخار در نیروگاه‌های حرارتی مختلف به کار می‌روند، آشنا خواهیم شد و نیز دلیل و چگونگی استفاده نیروگاه‌های حرارتی از آب و سیستم‌های تصفیه آب بیان خواهد شد.

چرخه بخار به زبان ساده

چرخه بخار به‌عنوان یک چرخه بسته شناخته می‌شود که از تولید بخار، فرستادن آن به توربین، خنک‌سازی بخار و بازگرداندن آن به آب و سپس گرمایش مجدد آب در دیگ‌های بخار حاصل می‌شود.

در این چرخه، مسیر آب از دیگ بخار شروع شده، با توربین بخار فشار بالا و سپس توربین بخار فشار پایین ادامه یافته، از کندانسورهای هواگیری استفاده شده، وارد پمپ خوراک دیگ بخار شده و پس از عبور از مرحله پیش‌گرمایش دیگ بخار، مجدداً وارد آن می‌شود. آب در هر دو حالت مایع و جامد در مراحل مختلف فرآیند با نام‌های متفاوتی شناخته می‌شود. برای مثال آب پس از دیگ بخار حالت گازی داشته و بخار نامیده شده، وقتی‌که سرد شده و حالت مایع دارد با نام چگالیده و پس از پمپ خوراک و پیش از ورود به دیگ بخار به‌عنوان آب خوراک نامیده می‌شود.

دیگ بخار

دیگ بخار، بخار تحت‌فشار را تولید می‌کند و آن را به توربین فرستاده که با انبساط بخار، توربین به حرکت درآید و انرژی تولید شود. سوختی که در فرآیند تولید بخار استفاده می‌شود می‌تواند گاز طبیعی، زغال، نفت، گازوئیل، اورانیوم ۲۳۵ (در یک فرآیند هسته‌ای) و ... باشد.

طراحی‌های متفاوتی برای دیگ بخار وجود دارد. یک دیگ بخار استوانه‌ای شکل می‌تواند بخار فوق گرم تولید کرده، در حالی توانایی یک دیگ بخار دیگر می‌تواند در تولید بخار فوق بحرانی باشد.

توربین بخار

توربین بخار از مجموعه‌ای از پره‌های پنکه‌ای شکل تشکیل شده که بر اساس اندازه طول پره روی محور توربین به شکل پشت سر هم قرار داده‌شده‌اند.

با ورود بخار فشار بالا به توربین و انبساط آن، پره‌ها به حرکت درآمده و موجب چرخش محور توربین می‌شوند. محور توربین با یک ژنراتور جفت شده که با چرخش روتور درون یک استاتور ثابت، میدان مغناطیسی ایجاد شده و با حرکت الکترون‌ها، انرژی الکتریکی تولید می‌شود.

آب خنک‌سازی استاتور یک مولد برق

آب استفاده‌شده در خنک‌سازی استاتور یک ژنراتور را آب خنک‌ساز استاتور می‌نامند. استاتور باید همواره خنک باشد تا ژنراتور بتواند به فعالیت خود ادامه دهد؛ اما فلزات استفاده‌شده در استاتور و همچنین مسیرهای عبور باریک آن مستعد رسوب‌گیری و انسداد هستند. همچنین چون استاتور یک قطعه برقی است، آب مورداستفاده در خنک‌سازی آن باید به‌گونه‌ای تصفیه شود که هدایت الکتریکی آن بسیار پایین باشد. مراحل تصفیه آب استاتور ژنراتورها در یک نیروگاه می‌تواند شامل فیلتراسیون کارتریجی، رزین‌های تبادل یونی و حتی غشاهای انتقال گاز برای کنترل سطح اکسیژن باشد.

کندانسور

بخار یک گاز چگالش پذیر است که با چگالش آن، حجم زیادی از آب به حالت گاز به حجم کمتری از آب به حالت مایع درمی‌آید.

بخار پس از خروج از توربین در یک کندانسور خلأ خنک‌شونده با آب (کندانسور سطحی) یا یک کندانسور خنک‌شونده با هوا، چگالش می‌یابد. وقتی‌که بخار در کندانسور چگالش می‌یابد، خلأ ایجادشده و اختلاف انرژی افزایش می‌یابد. درواقع کندانسور بخار را جمع‌آوری کرده تا خلأ ایجادشده بتواند موجب کشش بخار شده و بازده انرژی افزایش یابد.

بخار چگالش یافته در پایین کندانسور به شکل آب در چاهی که چاه گرم نامیده می‌شود، جمع‌آوری می‌شود.

گازهای چگالش ناپذیر مانند هوا که با بخار مخلوط شده‌اند موجب هدر رفت انرژی و خوردگی شده؛ گرچه کندانسور هواگیری تا حدود زیادی گازهای چگالش ناپذیر را توسط پمپ‌های خلأ، حذف می‌کند. فناوری غشایی می‌تواند برای هواگیری فرآیند جانبی در مخزن ذخیره مایع چگالش‌یافته استفاده شود.

آب چگالش‌یافته می‌تواند حاوی مواد خورنده‌ای به شکل ذرات آهن اکسید ناشی از تجهیزات واحد عملیاتی و مواد محلول ناشی از نشتی آب خنک‌کننده باشد. وقتی آب به‌اندازه کافی خنک شد می‌تواند توسط رزین‌های تبادل یونی تصفیه و یون‌زدایی شود. از دو نوع فیلتر رزینی می‌توان برای انجام این عملیات تصفیه استفاده کرد:

فیلترهای رزینی عمق بستر با فیلترهای کارتریجی بالادست جریان
فیلترهایی که در آن رزین‌های تبادل یونی به‌صورت پیش پوشش دهی شده بر روی فیلترهای خاصی به نام فیلترهای تیغه‌ای قرار می‌گیرند.

فیلترهای تیغه‌ای به دلیل اختلاف فشار ایجادشده توسط عبور جریان آب از بستر، رزین‌های تبادل یونی را بر روی سطح خود نگه می‌دارند و به‌گونه‌ای طراحی می‌شوند که رزین‌های تبادل یونی به‌آسانی قابل تعویض باشند. فیلترهای تیغه‌ای معمولاً به شکل‌های نخ تابیده، melt blown و مش فلزی پیچ‌خورده عرضه می‌شوند. فیلترهای رزینی تبادل یونی نه‌تنها ذرات یونی را حذف می‌کنند، بلکه به‌صورت یک فیلتر سطحی یا عمقی نیز برای حذف آلودگی‌ها عمل می‌کنند و هدف از آنها کاهش انتقال یون‌ها و آلودگی‌ها به دیگ بخار و افزایش ضریب انتقال حرارت و کاهش میزان خوردگی آن است. تصفیه آب چگالیده چرخه بخار در نیروگاه‌ها هزینه‌های اولیه و عملیاتی دارد؛ اما استفاده از آن بازگشت سرمایه‌ای قابل‌توجه به دلیل کاهش هزینه تعمیرات و افزایش ضریب انتقال حرارت خواهد داشت.

به‌صورت کلی، در صورت وجود یک یا چند مورد از موارد زیر، تصفیه آب چگالیده در نیروگاه‌ها توصیه می‌شود:

دیگ بخار، یک‌بار گذر باشد.
از آب لب‌شور و یا آب دریا برای خنک کردن آب استفاده شود.
فشار بویلر بیش از ۱۸۰۰ psi باشد.
شرایط دیگری بر فرآیند حاکم باشد که استفاده از فیلترها برای تصفیه آب چگالیده صنایع نیروگاهی را الزامی سازد.

آب خوراک

آب چگالیده، به کمک پمپ از کندانسور به پمپ‌های خوراک انتقال می‌یابد و از این بخش به بعد با نام آب خوراک نام‌گذاری می‌شود. در سیستم آب خوراک، آب قبل از ورود به دیگ بخار پیش‌گرمایش می‌شود و فرآیند تولید بخار مجدداً آغاز خواهد شد. از قسمتی از بخار خارج‌شده از توربین برای پیش‌گرمایش آب و اکسیژن زدایی استفاده می‌شود.

آب خوراک در این تأسیسات بزرگ نیروگاهی به علت پیش‌گرمایش، بسیار گرم است و به دلیل دمای بالا، فیلترها در این مکان نصب نمی‌شوند. بسیاری از شرکت‌ها اعلام می‌کنند که فیلتر تصفیه آب آنها برای تصفیه آب خوراک دیگ بخار نیروگاه مناسب است؛ درحالی‌که باید گفت این فیلترها تنها برای نیروگاه‌های کوچک که آب خوراک در آنها به این اندازه گرم نیست، مناسب است. در چنین عملیاتی با فشار بالا، تصفیه آب در مراحل دیگر چرخه که دما کمتر است، انجام می‌شود.

آب جبرانی دیگ بخار

افزودن آب تازه به چرخه بخار یک نیروگاه برای جبران هدر رفت ایجادشده طی یک چرخه امری ضروری است. حجم این آب ممکن است چند درصد حجم آب استفاده‌شده در هر چرخه را تشکیل دهد. این آب معمولاً حاوی ناخالصی‌هایی است که این ناخالصی‌ها بر اساس منبع تأمین آب متفاوت است و باید با غشاهای اسمز معکوس و یا رزین‌های تبادل یونی، تصفیه شود.

آب آلوده که وارد دیگ بخار می‌شود می‌تواند در کنار بخار ایجاد خوردگی و رسوب کرده و موجب افزایش نیاز به تعمیرات شود. ذرات محلول طی فرآیند تبدیل آب به بخار می‌توانند در دیگ بخار ته‌نشین شوند. به همین دلیل آب جبرانی دیگ بخار در نیروگاه‌ها بسیار تصفیه می‌شود. این آب معمولاً در ابتدا توسط فیلترهای شنی تصفیه خواهد شد. این فیلتر باعث می‌شود تا از ورود لجن و یا آبزیان موجود در منبع آب، جلوگیری به عمل آید. پس از حذف آلودگی‌های بزرگ، این آب برای حذف یون‌های محلول با فیلترهای غشایی (نظیر اسمز معکوس) تصفیه می‌شود و سپس تحت تصفیه رزین‌های تبادل یونی قرار می‌گیرد. فیلترهای اسمز معکوس معمولاً برای حذف سیلیکا از این آب مورداستفاده قرارگرفته و پیش از آن عمل تصفیه با فیلترهای نخ‌تابیده ۱ یا ۵ میکرون، میکروفیلتراسیون و یا اولترافیلتراسیون صورت می‌گیرد. فیلترهای اولترافیلتراسیون معمولاً برای حذف ذرات آلی، میکرو ارگانیزم‌ها، باکتری‌ها و ویروس‌ها مورداستفاده قرار می‌گیرند.

آب برج‌های خنک‌کننده

نیروگاه می‌تواند در صورت استفاده از آب در عملیات خنک‌سازی در کنار رودخانه‌ها یا مکان‌هایی با منابع آب زیاد احداث شود. برای طراحی هر نیروگاه بخار، نیاز به وجود ماده‌ای برای خنک‌سازی و چگالش بخار وجود دارد.

مزیت برج‌های خنک‌کننده در خنک‌سازی حجم عظیمی از آب با تبخیر بخش کوچکی از آن است. در بالای برج‌های خنک‌کننده معمولاً نازل‌هایی وجود دارد (تصفیه آب موجب جلوگیری از انسداد این نازل‌ها می‌شود) که آب از آن‌ها می‌تواند به شکل آبشاری و درحالی‌که هوا به سمت بالا جریان می‌یابد، پایین آید. بخارآب چگالش یافته و می‌تواند تولید مه کند که از دوردست‌ها قابل‌مشاهده است. برای تصفیه آب برج‌های خنک‌کننده در نیروگاه‌ها، راه‌های زیر پیشنهاد می‌شود:

پیش‌تصفیه آب جبرانی (برای حذف آلودگی‌های شیمیایی و فلزات سنگین، سختی گیری، تنظیم pH، کاهش سیلیکا، TDS و TSS)
تصفیه جریان جانبی آب موجود در چرخه (برای سختی گیری، کاهش سیلیکا و کاهش TSS)
تصفیه نهایی آب برج خنک‌کننده (برای کاهش حجم)

در مناطق خشک، آب جبرانی برج‌های خنک‌کننده می‌تواند از منابع غیرقابل‌شرب نظیر پساب صنعتی و یا سایر منابع آب با کیفیت پایین تأمین شود. در این موارد، طراحی سیستم تصفیه آب نیروگاه بایستی برای دست‌یابی به بهترین و مناسب‌ترین کیفیت آب ورودی، بهینه شود. این سیستم تصفیه می‌تواند شامل آب شیرین کن اسمز معکوس و یا اولترافیلتراسیون باشد و مراحل پیش‌تصفیه نیز معمولاً شامل کربن اکتیو، تصفیه بیولوژیکی و یا رزین‌های تبادل یونی خواهد بود.

تصفیه آب نیروگاه هسته‌ای

آب برای بسیاری کاربردها در یک نیروگاه هسته‌ای حیاتی است. برخی از این کاربردها منحصربه‌فرد بوده و برخی دیگر بسیار مشابه نیروگاه‌های فسیلی هستند؛ مانند استفاده از آب برای تولید بخار و به حرکت درآوردن توربین و استفاده از آب در برج‌های خنک‌کننده.

در طراحی بسیاری از رآکتورهای هسته‌ای، آب برای کنترل دمای هسته (جایی که سوخت هسته‌ای وجود دارد)، ضروری است. همچنین آب به‌عنوان یک تعدیل‌کننده سرعت نوترون‌ها برای دست‌یابی به واکنش شکافت موردنظر استفاده می‌شود. آب در نیروگاه‌های هسته‌ای تا مرحله فوق خالص تصفیه می‌شود (پایین‌ترین میزان هدایت الکتریکی قابل دست‌یابی) و سپس افزودنی‌های به خصوصی به آب خوراک، تزریق می‌شود. مثلاً اسید بوریک می‌تواند به آب تزریق شده و در کنترل pH رآکتورها و جذب نوترون‌ها به کار آید. دیگر تفاوت نیروگاه‌های هسته‌ای با سایر نیروگاه‌ها، وجود گاز هیدروژن در آب است.

رآکتورهای آب سبک، آب تحت‌فشار و آب جوش

در رآکتور آب سبک از آب معمولی (آبی که برخلاف آب‌سنگین، درصد بالاتری از دوتریم ندارد) که بسیار خالص شده، استفاده می‌شود. طراحی‌های متفاوتی برای رآکتورهای هسته‌ای وجود دارد که ما در اینجا به دو نوع رآکتور آب تحت‌فشار و رآکتور آب جوش که هر دو از رآکتورهای آب سبک هستند، می‌پردازیم.

رآکتور آب تحت‌فشار، سه یا چهار حلقه آب مجزا دارد که حرارت از یکی به دیگری انتقال می‌یابد. در این رآکتورها بخاری که به توربین می‌رود از آبی که به هسته می‌رود حذف شده و آبی که به برج خنک‌کننده می‌رود نیز از آبی که به هسته می‌رود، جدا می‌شود.

در رآکتورهای آب جوش، آب به‌سوی هسته رآکتور جریان یافته و به بخار تبدیل شده و موجب چرخش توربین می‌شود. آب موجود در لوله‌های رآکتور از طریق میله‌های سوخت آلیاژ زیرکونیوم که حاوی قرص‌های سوخت هسته‌ای هستند می‌چرخد. بخار موجود در این رآکتورها رادیواکتیو بوده و بنابراین بخار توربین، آب چگالش یافته و چرخه آب خوراک حاوی مواد رادیواکتیو هستند. در این رآکتورها بخار جریان یافته به توربین مانند آب جریان یافته به هسته رآکتور است و آبی که به برج خنک‌کننده می‌رود از آبی که به هسته رآکتور می‌رود، جدا می‌شود.

درست مانند تصفیه آب با رزین‌های تبادل یونی در نیروگاه‌های معمولی، یون‌زدایی در رآکتورهای آب سبک نیز صورت می‌گیرد. آب پیش از تصفیه باید به‌اندازه کافی خنک شود. در مواردی که از فیلترهای تیغه‌ای پیش پوشش دهی شده استفاده می‌شود، فیلترهای تیغه‌ای با توجه به کاربرد می‌توانند از رشته‌های پلیمری نخ‌تابیده و یا مش فلزی پیچ‌خورده تشکیل شوند. رزین تبادل یونی استفاده‌شده برای تصفیه آب، رادیواکتیو بوده و نیاز به مدیریت صحیحی دارد.

راهکار

فناوری‌های بهتا برای تصفیه آب نیروگاه‌ها می‌تواند تمام چرخه بخار نیروگاه را پوشش دهد. بهتا از نیازهای صنایع نیروگاهی به تصفیه آب آگاه است و آمادگی دارد تا با مشارکت در طرح‌ها و پروژه‌های مختلف، بهترین و باکیفیت‌ترین خدمات و محصولات را مبتنی بر دانش روز دنیا در این حوزه ارائه دهد. تمرکز بر عملکرد مناسب، تأمین استانداردهای زیست‌محیطی و همچنین کاهش هزینه‌های عملیاتی از ویژگی‌هایی است که همواره موردتوجه بهتا بوده است. خدمات و دستگاه‌های تصفیه آب بهتا می‌تواند در موارد زیر به صنایع نیروگاهی کمک کند: