تاريخچه صنعت برق :
صنعت برق در ايران از سال 1283 شمسي با بهره‌برداري از يك ديزل ژنراتور 400 كيلو واتي كه توسط يكي از تجار ايراني بنام حاج حسين امين‌الضرب تهيه و در خيابان چراغ‌برق تهران (امير كبير) فعلي گرديده بود آغاز مي شود.
اين موسسه بنام دايره روشنايي تهران بود و زير نظر بلديه اداره مي‌شد. اين كارخانه روشنايي چند خيابان عمده تهران را تامين مي‌كرد، خانه‌ها برق نداشته و تنها به دكانهاي واقع در محله‌ها برق داده مي‌شد و روشنايي آن از ساعت 7 الي 12 بود و بهاي برق هم براساس لامپي يك ريال هر شب جمع‌آوري مي‌شد. از سال 1311 اولين كارخانه برق دولتي به ظرفيت 6400 كيلووات در تهران نصب گرديد، ولي مردم از گرفتن امتياز خودداري مي‌كردند و به همين دليل براي پيشرفت كارها براي كساني كه انشعاب برق مي‌گرفتند يك كنتور مجاني به عنوان جايزه در نظر گرفته مي‌شد. چند سال بعد وضع تغيير كرد و كار به جايي رسيد كه انشعاب برق سرقفلي پيدا كرد.
هيتر :
گرمكن يا هيتر دستگاههايي هستند كه توسط آن آب ورودي به بويلر را گرم مي‌كنند تا درجه حرارت آب بالا رود تا به تجهيزات و لوله‌هاي بويلر آسيب نرسد، اين عمل توسط هيترها انجام مي‌شود، هيترها به دو صورت وجود دارند :
1ـ هيترهاي باز
2ـ هيترهاي بسته
هيترهاي باز : هيترهايي هستند كه حرارت را مستقيم به آب منتقل مي‌كنند.
هيترهاي بسته : هيترهايي هستند كه حرارت را از طريق لوله‌ها و محيط به آب منتقل مي‌كنند.
به هيترهايي كه قبل از پمپ تغذيه قرار مي‌گيرند هيترهاي فشار ضعيف گفته مي‌شود و به هيترهايي كه بعد از پمپ تغذيه قرار مي‌گيرند هيترهاي فشارقوي گفته مي‌شود.
سوپر هيتر : بخاري كه از درام خارج مي‌شود داراي قطره‌هاي آب مي‌باشد كه باعث مي‌شود پره‌هاي توربين آسيب ببينند و خوردگي و پوسيدگي در پره‌ها ظاهر شود براي اينكه بخار به توربين آسيب نرساند بايد قبل از برخورد به پره‌هاي توربين به بخار خشك تبديل شود، اين عمل (خشك كردن) توسط سوپر هيتر انجام مي‌شود.
فرق هيتر و سوپر هيتر اين است كه : هيتر باعث مي‌شود كه درجه حرارت آب ورودي به بويلر زياد شود ولي سوپر هيتر باعث مي‌شود بخار ورودي به توربي به بخار خشك تبديل شود.
بـويـلـر :
آب پس از خروج از پمپ تغذيه (Feed Pump ) و شير يكطرفه وارد اكونومايزر مي‌شود كه اولين قسمت ديگ بخار مي‌باشد، كه حاوي تعدادي لوله موازي است كه در آخرين مرحله دود خروجي از بويلر لوله‌هاي اكونومايزر قرار دارند داخل اين لوله‌ها آب تغذيه ورودي به بويلر جريان دارد اين آبها مادامي كه لوله‌هاي اكونومايزر را طي مي‌كنند حرارت دود را جذب نموده و سپس به درام هدايت مي‌گردند. بنابراين اكونومايزر سبب مي‌گردد كه راندمان بالا برود.
آب در درام با آبهاي داخل آن مخلوط شده و سپس از طريق لوله‌هاي پائين آورنده به لوله‌هاي ديواره‌اي و محوطه احتراق وارد مي‌شود، همانطور كه از نام محوطه احتراق پيداست، فضايي است كه عمل احتراق در آن صورت مي‌گيرد. اطراف اين محوطه تعداد زيادي لوله‌هاي موازي نزديك به هم كه به لوله‌هاي ديواره‌اي موسوم هستند پوشيده شده است. بخشي از حرارت حاصل از احتراق از طريق تشعشع و جابجايي به اين لوله‌ها منتقل مي‌گردد، اينها نيز حرارت را به آب داخل خود منتقل مي‌نمايند. بنابراين در كوره هر سه نوع انتقال حرارت با يكديگر انجام مي‌گيرد. حاصل اين تبادل حرارت جذب حرارت توسط آب داخل لوله‌ها و تبديل آن به بخار است. به عبارت ديگر كليه بخاري توليدي ديگ در اين لوله‌ها ايجاد مي‌شود، از طرف ديگر جذب حرارت توسط لوله‌هاي ديواره‌اي باعث خنك شدن فضاي اطراف كوره مي‌شود و لذا شكلي از نظر عايقكاري ديواره‌هاي اطراف محفظه احتراق پيش نخواهد آمد پس مي‌توان گفت كه لوله‌هاي ديواره‌اي همانطور كه از نامشان پيداست ديواره كوره را تشكيل مي‌دهند.
حركت جريان آب در داخل لوله‌هاي ديواره‌اي از پائين به بالاست هرچه آب در طول كوره به طرف بالا حركت كند حرارت بيشتري را جذب نموده و در نتيجه بخار بيشتري توليد مي‌گردد. در بويلرهاي گردش طبيعي، اين حركت به صورت طبيعي انجام مي‌گيرد و لذا در خاتمه در لوله‌هاي ديواره‌اي، مخلوطي از آب و بخار خواهد بود كه به محض ورود به درام آب و بخار از يكديگر جدا مي‌شوند. در بويلرهاي گردش اجباري، جريان آب در داخل لوله‌هاي ديواره‌اي به كمك يك پمپ كه در مسير لوله‌هاي پائين آورنده نصب است انجام مي‌گيرد.
در بويلرهاي بونسون نيز اين جريان به كمك پمپ آب تغذيه انجام مي‌گردد و ساختمان اين بويلر به گونه‌اي است كه احتياج به درام نمي‌باشد و بخار تبديل شده مستقيماً به سوپر هيتر مي‌رود.
بطور كلي درام دو وظيفه اصلي را بعهده دارد :
1ـ عمل نمودن به عنوان يك مخزن ذخيره كه جهت ديگ بخار :
درام مي‌تواند با ذخيره آب و يا بخار در خود در شرايط بحراني بهره‌برداري از بويلر مقداري از نيازهاي ضروري آب و يا بخار را تامين نمايد.
2ـ تقسيم آب و بخار :
آب و بخار ايجاد شده در لوله‌هاي ديواره‌اي وارد درام شده و به وسيله تجهيزاتي كه در داخل درام وجود دارد آب و بخار كاملاً از هم جدا شده و به اين ترتيب امكان عبور بخار بدون ذرات آب بطرف سوپر هيتر فراهم مي‌شود.
در درام اعمال ديگري نظير تقسيم يكنواخت آبهاي ورودي از طريق اكونومايزر و يا تزريق محلولهاي شيميايي به بويلر نيز انجام مي‌گيرد. هواي مورد لزوم احتراق توسط فنهاي FD.Fan تامين مي‌شود بنابراين فن با توجه به مكشي كه ايجاد مي‌نمايد هواي محيط را مكيده و در كانالهايي كه در نهايت به محوطه احتراق (مشعلها) ختم مي‌شود به جريان مياندازد. فنها داراي انواع و اقسام مي‌باشند، نظير فنهاي جريان شعاعي و يا فنهاي جريان محوري و يا تركيبي كه در طراحي ديگ بخار با توجه به مقدار هواي لازم و فشار آن و همچنين راندمان مورد نظر يكي از اين انواع انتخاب مي‌گردند.
براي كنترل مقدار هواي ورودي به بويلر و از دريچه‌هاي كنترل هواي استفاده مي‌گردد. غالباً اين دريچه‌ها به صورت اتوماتيك كنترل مي‌گردند، البته طبيعي است كه با دست نيز قابل كنترل هستند در مسير دود نيز چنين دريچه‌هايي وجود دارد كه به صورت باز يا بسته عمل مي‌كنند.
Fan : اين فنها مقداري از گازهاي خروجي از بويلر را پس از اكونومايزر گرفته و مجدداً در كوره بويلر به جريان مياندازد اين كار معمولاً جهت كم كردن حرارت دودي كه از دودكش خارج مي‌شود است. اكونومايزر باعث مي‌شود راندمان بالا رود زيرا آب حرارت دود را جذب نموده و در قسمتهاي بعد سوخت كمتري براي بالا بردن درجه حرارت آب لازم است.
آخرين مرحله مسير دود، دودكش است كه گازهاي خروجي از بويلر را به محيط بيرون هدايت مي‌نمايد. طبيعي است ارتفاع دودكش نقش تعيين كننده‌اي در هدايت دود و عدم آلودگي محيط دارد.
سوخت ديگهاي بخار در كشورمان، سوختهاي مايع و گاز تشكيل مي‌دهند كه بيشتر مازوت و گاز طبيعي براي سوخت مشعلهاي محفظه احتراق استفاده مي‌شود. آب ورودي به بويلر بايد دماي آن حداقل 195 باشد تا به لوله‌ها و تجهيزات بويلر آسيب وارد نكند.
تـوربـين :
توربين‌هاي بخار دسته‌اي از توربو ماشينها را تشكيل مي‌دهند كه عامل در آنها بخار آب مي‌باشد توربين بخار براي نخستين بار در پايان قرن گذشته به عنوان ماشين حرارتي بكار گرفته شده و از ان زمان تا كنون پيشرفت‌هاي زيادي در طراحي، ظرفيت، توليد و راندمان انها حاصل شده كه امروزه به صورت گسترده در نيروگاههاي حرارتي و نيز برخي از واحدهاي صنعتي ديگر بكار گرفته مي‌شوند.
بخار سوپر هيتر ورودي به توربين كه حاوي مقدار قابل ملاحظه‌اي انرژي حرارتي است در آنجا به انرژي جنبشي تبديل شده و در نهايت بصورت كار مكانيكي برروي روتور بدل مي‌گردد. مزاياي عمده توربين بخار نسبت به ساير محركهاي مكانيكي سرعت بالا (توربين‌هاي بخار در صورتي كه مستقيماً با ژنراتور كوپل شوند، داراي دور 3000 RPM و در صورتي كه از طريق جعبه دنده به هم مرتبط گردند، دور آنها مي‌تواند بيشتر باشد)، ابعاد كوچك و امكان توليد قدرت بالاي آنها مي‌باشد.
توربين‌هاي ضربه‌اي و عكس‌العملي، اولين مدلهاي توربين بخار بوده كه در آنها بخار در جهت محوري پس از چندي برادران ژونگستروم نخستين توربين بخار شعاعي را كه در آن منبسط مي‌شود، بخار در جهت شعاعي منبسط مي‌گرديد را ابداع نمودند.
توربين‌هاي ژونگستروم فاقد پره‌هاي ثابت هستند و از دودميك متفاوت تشكيل يافته‌اند كه برروي آنها چندين مرحله پره‌هايي در محيط دواير متحدالمركز نصب شده است. در اثر انبساط بخار پره‌ها و نيروي عكس‌العمل ناشي از آن ديسكها در دو جهت مختلف و با سرعتي يكسان شروع به چرخش مي‌كنند، به اين ترتيب هر كدام از آنها مي‌توانند محرك يك ژنراتور باشند.
امروزه اغلب توربين‌هاي بخار داراي چندين مرحله انبساط بخار در پره‌ها هستند كه پره‌هاي اوليه به صورت ضربه‌اي و پس از آن به صورت مخلوطي از ضربه‌اي و عكس‌العملي است.
از نظر تعداد مراحل انبساط بخار، توربين‌ها به سه دسته تقسيم
مي‌شوند :
الف) توربين‌هاي يك مرحله‌اي (HP : فشارقوي).
ب) توربين‌هاي دو مرحله‌اي (HP : فشارقوي و LP : فشار ضعيف).
ج) توربين‌هاي سه مرحله‌اي (HP : فشارقوي، IP : فشار متوسط و LP : فشار ضعيف).
در توربين‌هاي نوع اول : بخار پس از انبساط در انتهاي پوسته وارد كندانسور مي‌شود، در توربين‌هاي نوع اول LP و HP مي‌توان گفت يكپارچه‌اند و در نوع دوم اين عمل در دو پوسته جدا از هم صورت مي‌گيرد و بخار خروجي از پوسته LP وارد كندانسور مي‌گردد، در نوع سوم كه براي واحدهاي با قدرت بالا بود و بخار پس از انبساط در پوسته HP (فشارقوي) به بويلر بازگشته و در لوله‌هاي بار گرمايي مي‌گيرد و پس از آن وارد پوسته IP (فشار متوسط) شده در نهايت بخار از اين پوسته به پوسته LP (فشار ضعيف) فرستاده شده و از آنجا به كندانسور زير مي‌شود. البته توربين‌هاي مدرن امروزي با قدرت 600MW به بالا داراي دو پوسته LP مجزا از هم مي‌باشند.
ژنـراتـور :
جزئي از يك نيروگاه مي‌باشد كه براي تبديل انرژي مكانيكي دوران شناخت ژنراتور به انرژي الكتريكي از آن استفاده مي‌شود.
ژنراتورهاي موجود در نيروگاه بخاري (توربو ژنراتور) از نوع ژنراتور سه فاز سنكرون (همزمان يا دور ثابت) و معمولاً دو قطبه مي‌باشد كه از دو قسمت اساسي روتور و استاتور تشكيل گرديده است. ژنراتورها با قدرت‌هاي بالا اصولاً به صورت دو قطب ساخته مي‌شوند كه براي فركانس 50Hz شبكه با سرعت 3000RPM مي‌گردند ( ) كه در آن n سرعت گردش روتور ژنراتور و f فركانس شبكه و p تعداد جفت قطب مي‌باشد. روتور ژنراتورها به صورت يك تكه فولاد نورد شده ساخته شده شيارهايي در جهت طولي روي آن وجود دارد و در اين شيارها شمش‌هايي قرار داده شده است كه بر اثر عبور جريان مستقيم ازداخل شمش‌ها، روتور به صورت آهنربا در مي‌آيد براي انتقال جريان تحريك به روتور از رينگ‌هاي لغزشي استفاده مي‌شود. در داخل محيط استاتور ژنراتور سه سيم‌پيچ با همديگر 120 مكاني اختلاف فاز دارند پيچيده شده است. بر اثر دوران روتور، فلوي مغناطيسي متغيري سيم‌پيچي‌هاي استاتور را قطع كرده و ولتاژ سه فازي در سيم‌پيچي‌ها استاتور القاء مي‌كنند به طوري كه هر چه مقدار جريان DC عبوري از روتور كم و زياد شود ولتاژ القاء شده در سيم‌پيچ‌ها كم و زياد مي‌شود.
تحريك ژنراتور :
به وجود اوردن ولتاژ تحريك از طريق اتصال به رينگ‌هاي لغزشي روتور ژنراتور توسط جاروبكها به وجود مي‌آيد، روشهاي گوناگوني براي تحريك استاتور وجود دارد كه اجمالاً به چند نوع آن اشاره مي‌كنيم :
1ـ تحريك توسط ژنراتور جريان دائم : در اين روش ژنراتور جريان دائم مستقيماً روي روتور AC نصب گرديده كه با چرخش ژنراتور AC در ژنراتور جريان دائم، ولتاژ مستقيم به وجود آمده روتور توسط جاروبكها به روتور ژنراتور وصل گشته به اين ترتيب جريان تحريك ژنراتور تامين مي‌نمايد.
2ـ تحريك تريستوري : در اين روش از تريستور جهت يكسو كردن ولتاژ متناوب و تبديل آن به ولتاژ مستقيم جهت تامين جريان تحريك استفاده مي‌شود. بديهي است كه ولتاژ متناوب مستقيماً از خروجي ژنراتور توسط ترانسفورماتور تحريك تامين مي‌شود. زاويه آتش تريستورها براي ميزان كردن ولتاژ يكسو شده توسط رگولاتور انجام مي‌شود.
3ـ تحريك ديناميكي : در اين روش از يك موتور آسنكرون جداگانه براي به حركت درآوردن روتور يك ژنراتور جريان مستقيم استفاده مي‌شود، جريان مستقيم توليد شده جريان تحريك ژنراتور را تامين مي‌كند.
4ـ ژنراتور بدون جارو : در اين روش در روي ژنراتور، يك ژنراتور سه فاز با قطب‌هاي خارجي كوپل نموده‌اند. جريان متناوب در سيم‌پيچ روتور اين ژنراتورها توسط ديودهاي سيليسيم كه در روي محور جا داده شده است، با محور با محور روتور به چرخش در مي‌آيد يكسو شده و پس از تبديل به جريان دائم، توسط كابلي كه از داخل محور ژنراتور عبور مي‌كند به سيم‌پيچي تحريك ژنراتور هدايت مي‌گردد لازم به توضيح است روشهاي 1 و 3 و 4را تحريك ديناميكي و روش 1 را تحريك استاتيكي مي‌نامند.
حفاظت ژنراتور :
ژنراتورها مهمترين و با ارزشترين دستگاههاي نيروگاهها مي‌باشند و نقص داخلي آنها علاوه بر زياني كه به خود ژنراتور وارد مي‌كند باعث قطع شدن قسمت زيادي از انرژي نيروگاه مي‌گردد وظيفه دستگاههاي حفاظتي ژنراتور پيدا نمودن خطا در مراحل ابتدائي است و در صورت لزوم قطع ژنراتور از شبكه و برداشتن تحريك مي‌باشد اصولاً خطاهايي كه در ژنراتور اتفاق مي‌افتد يا در اثر كمبود و نقصان ايزولاسيون و عايقبندي قسمتي از سيم‌پيچ ژنراتور و كابلهاي ارتباطي آن است و يا بستگي به عوامل خارجي ديگر دارد، لذا حفاظت ژنراتور به دو دسته تقسيم مي‌شود :
1- حفاظت در مقابل خطاهاي داخلي : اين خطاها ممكن است در سيم‌پيچ استاتور مثل اتصال بين دو فاز و اتصال حلقه و اتصال زمين رخ دهد و يا در روتور مثل اتصال زمين و اتصال حلقه و قطع تحريك اتفاق بيفتد.
2- حفاظت در مقابل خطرات خارجي : اين خطاها ممكن است در شبكه پيش آيد، مانند اتصال كوتاه در شبكه و بار نامتعادل و ازدياد ولتاژ در اثر برداشتن قسمت بزرگي از بار ژنراتور، يا ممكن است در وسيله گرداننده روتور ژنراتور پيش آيد، مثل خراب شدن توربين و قطع بخار وسايل حفاظتي. بايد سريعاً قسمت معيوب و اتصالي شده را پيدا كرده و نه تنها ژنراتور را از شبكه خارج كند بلكه انرژي كه سبب اتصالي و خطا شده است را نيز از بين ببرد و علاوه بر ان تحريك را قطع كند و دستگاه خاموش كننده جرقه را بكار اندازد تا از خسارت به ژنراتور جلوگيري شود.
سنكرونيزم :
ژنراتورها اصولاً به تنهايي كار نمي‌كنند بلكه تعدادي از آنها بطور موازي شبكه فيزيكي را تغذيه مي‌كنند لذا قبل از وصل كردن ژنراتور به ژنراتور ديگر يا شبكه ديگر، بايد شرايط زير برقرار باشد :
1- برابري ولتاژها.
2- برابري فركانسها.
3- برابري فاز اختلاف سطح‌ها.
4- ترتيب صحيح فازها.
همانطور كه قبلاً گفته شد برابر كردن ولتاژ ژنراتور با ولتاژ شبكه توسط تغيير دادن مقدار جريان تحريك ژنراتور عملي است و برابر كردن فركانسها توسط تعداد دور توربين انجام مي‌پذيرد. براي كنترل آن از دو ولت‌متر و فركانس‌متر نشان دهنده استفاده مي‌شود كه اغلب به صورت ولت‌متر و فركانس‌متر دوبل در نيروگاه بكار مي‌رود . جهت رفع اختلاف فاز ولتاژها در نيروگاههاي كوچك از لامپهاي خاموش و يا روشن و نيز در نيروگاههاي مدرن از سنكرون اسكوپ استفاده مي‌شود. اگر ژنراتوري كه بايد با شبكه پارالل شود سريع و يا آهسته‌تر از حد معمول بچرخد عقربه سنكرون اسكوپ به جهت چپ يا راست منحرف مي‌شود كه شرايط مطلوب واقعي وقتي است كه عقربه سنكرون اسكوپ روي صفر بايستد.