سوختهای فسیلی

فصل ۱ :

مولدهاي بخار با سوختهاي فسيلي

مولدهاي بخار نيروگاه كه در نيروگاههاي توليد برق به كار مي‌روند موضوع اصلي اين كتاب را تشكيل مي‌دهند. مولدهاي بخار نيروگاهي مدرن اساساً دو نوع هستند:
۱ – نوع استوانه‌اي لوله آبي زير بحراني
۲ – نوع يكبار گذر فوق بحراني. واحدهاي فوق بحراني معمولاً در فشار MPa24 و بالاتر كار مي‌كنند كه بالاتر از فشار بحراني آب Mpa 09ر۲۲ ، است. مولد بخار استوانه‌اي زير بحراني معمولاً در حدود Mpa 13 يا Mpa 18 كار مي‌كند. بسياري از مولدهاي بخاري كه در دهه ۱۹۷۰ و ۱۹۸۰ خريداري شده‌اند از نوع استوانه‌اي لوله آبي هستند كه در Mpa 18 كار مي‌كنند

و بخار فوق گرم با دماي ۵۴۰ توليد مي‌كنند و داراي يك يا دو مرحله بازگرمايش بخار هستند. اين مولدها قابليت سوزاندن زغال پودر شده و سوختهاي نفتي را دارند، هر چند كه سوختهاي نفتي به علت افزايش قيمت و مشكلات مربوط به تامين آنها به تدريج كنار گذاشته مي‌شوند. گاز طبيعي، هر چند كه هنوز در برخي از نقاط دنيا در نيروگاهها مصرف مي‌شود، با اين همه به خاطر گراني آن اكنون در ايالات متحده آمريكا بيشتر در مصارف خانگي مورد استفاده است. به هر حال، گاز طبيعي يك سوخت تميز سوز و نسبتاً بدون آلودگي است.

ظرفيت بخاردهي مولدهاي بخار نيروگاهي مدرن بالاست، و مقدار آن از ۱۲۵ تا ۱۲۵۰ مي‌تواند تغيير كند. قدرت نيروگاهها نيز بين ۱۲۵ تا ۱۳۰۰ مگاوات است.
از سوي ديگر، مولدهاي بخار صنعتي آنهايي هستند كه در شركتهاي صنعتي و موسسات ديگر كاربرد دارند و انواع مختلفي را شامل مي‌شوند. اين مولدها مي‌توانند همانند مولدهاي بخار نيروگاهي از نوع لوله آبي و با سوخت زغال پودر شده باشند، اگر چه در آنها از زغال كلوخه‌اي، نفت يا گاز طبيعي، و غالباً تركيبي از آنها، و همچنين از زباله‌هاي شهري، انرژي پسماندهاي پردازشي يا فرآورده‌هاي فرعي ديگر نيز مي‌توان استفاده كرد. در برخي از آنها حتي از گرمايش الكتريكي استفاده مي‌شود. برخي از نوع بازيابنده گرما هستند

كه در آنها از گرماي پسماند فرآيندهاي صنعتي استفاده مي‌شود اين مولدها همچنين مي‌توانند از نوع لوله آتشي باشند. مولدهاي بخار صنعتي معمولاً بخار فوق گرم توليد نمي‌كنند، بلكه بخار اشباع يا حتي فقط آب گرم توليد مي‌كنند ( در اين صورت آنها را مي‌توان مولد بخار ناميد) كار اين مولدها در فشارهاي از چند كيلوپاسكال تا Mpa5/10 انجام مي‌شود، و ظرفيت بخاردهي (يا آب گرم) آنها از كمتر از ۱ تا ۱۲۵تغيير مي‌كند.

مولدهاي بخار با سوختهاي فسيلي غالباً با توجه به برخي اجزا يا ويژگي‌هايشان به صورت زير تقسيم‌بندي مي‌شوند:
۱ – ديگهاي لوله آتشي
۲ – ديگهاي لوله آبي
۳ – ديگهاي گردش طبيعي
۴ – ديگهاي گردشي كنترل شده
۵ – ديگهاي جريان يكبار گذر
۶ – ديگهاي زيربحراني
۷ – ديگهاي فوق بحراني

ديگ لوله آتشي
ديگهاي لوله آتشي از اواخر قرن هيجدهم با اشكال اوليه گوناگوني براي توليد بخار جهت مصارف صنعتي مورد استفاده بوده‌اند. امروزه ديگر از اين نوع ديگها در نيروگاههاي بزرگ استفاده نمي‌شود. در اين فصل، اين نوع ديگ به دلايل تاريخي گنجانده مي‌شود، در مقابل ديگهاي لوله آبي مدرن مورد تاكيد خواهند بود. ديگهاي لوله آتشي هنوز در صنايع به كار مي‌روند و در آنها بخار اشباع با فشار حداكثر Mpa 8/1 و ظرفيت ۳/۶ توليد مي‌شود. هر چند كه اندازه آنها بزرگتر شده است ولي طرح كلي آنها در طي ۲۵ سال گذشته به طور چشمگيري تغيير نيافته است.

ديگ لوله آتشي شكل خاصي از ديگ نوع پوسته‌اي است. ديگ نوع پوسته‌اي عبارت است از ظرف يا پوسته‌اي بسته و معمولاً استوانه‌اي كه محتوي آب است و بخشي از پوسته، مثلاً قسمت پاييني آن، به طور ساده در معرض گرماي شعله يا گازهاي حاصل از احتراق خارجي قرار مي‌گيرد. ديگ پوسته‌اي امروزه به اشكال نوتري مانند ديگ الكتريكي تكامل يافته است، كه در آنها گرما توسط الكترودهاي مستقر در آب تامين مي‌شود.

در نوع ديگري از اين ديگها، گرما به وسيله انباره و بدين ترتيب تامين مي‌شود كه بخار توليد شده در يك منبع خارجي از داخل لوله‌هاي درون پوسته عبور مي‌كند. در هر دو نوع اين ديگها، پوسته در معرض گرماي مستقيم نيست.

ديگ لوله آتشي صورت تكامل يافته ديگ پوسته‌اي است كه در آن به جاي بخار، گازهاي گرم از داخل لوله‌ها عبور مي‌كنند. به دليل بهبود انتقال گرما، بازده ديگ لوله آتشي خيلي بيشتر از ديگ پوسته‌اي اوليه است و مقدار آن به حدود ۷۰ درصد مي‌رسد.
در ديگهاي لوله آتشي، لوله ها به صورتهاي افقي، عمودي، يا مايل قرار مي‌گيرند، اما لوله‌هاي افقي بيشتر متداول هستند. كوره و آتشدان در زير انتهاي جلويي پوسته واقع هستند. گازها به طور افقي از قسمت زيرين مي‌گذرند و سپس تغيير جهت مي‌دهند و آنگاه از لوله‌هاي افقي عبور مي‌كنند و در قسمت جلو وارد مي‌شوند.

ديگهاي لوله آتشي بر دو نوع‌اند: (۱) ديگ با جعبه آتش (۲) ديگ كشتي اسكاچ . در ديگ با جعبه آتش، كوره يا جعبه آتشي همراه با لوله‌هاي آتشي در داخل پوسته قرار مي‌گيرند. در ديگ كشتي اسكاچ احتراق در داخل يك يا چند محفظه احتراق استوانه‌اي كه معمولاً در داخل و نزديك به ته پوسته اصلي قرار دارند، انجام مي‌گيرد. گازها از قسمت عقب محفظه‌ها خارج مي‌شوند و پس از تغيير جهت از داخل لوله‌هاي آتشي به طرف جلو مي‌آيند و از طريق دودكش خارج مي‌شوند. در ديگهاي كشتي اسكاچ معمولاً از سوختهاي مايع يا گاز استفاده مي‌شود.

ديگ لوله آبي: نمونه هاي اوليه
پيشرو مولدهاي بخار مدرن، ديگ لوله آبي بود كه توسط جورج بابكوك و استفن ويلكاكس در سال ۱۸۶۷ ساخته شد. آنها اين ديگ را ديگ لوله آبي ((غيرانفجاري)) ناميدند كه اشاره‌اي بود به انفجارهاي فاجعه‌آميز ديگها كه در آن هنگام فراوان روي مي‌داد. به هر حال، ساخت تجارتي ديگ لوله آبي تا اوايل قرن بيستم تحقق نيافت تا اينكه توربين بخار كه نيازمند بخار با فشار و جريان بالاست اختراع شد.

ديگهاي لوله آتشي براي داشتن چنين فشارها و ظرفيتهاي بالايي نيازمند پوسته‌اي با قطر بزرگ بودند. پوسته‌اي با چنين قطر بزرگي نيز مي‌بايست بتواند تحت تنشهاي دمايي و فشاري بسيار بالايي كار كند كه لازمه آن ضخامت بيش از اندازه پوسته بود. افزون بر آن، اين نوع ديگها در معرض رسوب بندي و انفجار نيز بودند و هزينه آنها به طور غيرقابل قبولي بالا بود.

در مقابل، فشار بخار در ديگ لوله آبي به لوله‌ها و به استوانه‌هاي نسبتاً كم قطر وارد مي‌شود و بدين ترتيب فشارهاي بسيار بالاي مولدهاي بخار مدرن امروزي قابل تحمل است. ديگهاي لوله آبي اوليه از لحاظ ظاهر بسيار شبيه ديگهاي لوله آتشي بودند با اين تفاوت كه آب و بخار با فشار بالا در داخل لوله‌ها و گازهاي حاصل از احتراق در خارج لوله‌ها قرار داشتند. ديگ لوله آبي مراحل متعددي را تا تكامل خود گذرانده است.

ديگ لوله مستقيم
اولين ديگ لوله مستقيم بود كه در آن لوله‌هاي مستقيم با قطر خارجي ۳ تا ۴ اينچ تحت زاويه ۱۵، به فاصله ۸ اينچ از يكديگر بين دو مقسم عمودي قرار مي‌گرفتند. يكي از مقسم‌ها پايين آورنده بود كه آب تقريباً اشباع را به لوله‌ها تغذيه مي‌كرد. در اين لوله‌ها آب به طور جزئي بخار مي‌شد. مقسم ديگر بالا برنده بود كه مخلوط مايع و بخار را دريافت مي‌كرد. چگالي آب در پايين آورنده بيشتر از چگالي مخلوط دوفازه در بالا برنده بود و اين اختلاف بين چگالي‌ها موجب گردش طبيعي آب در جهت عقربه ساعت مي‌شد. با افزايش ظرفيت ديگ، از هر مقسم بيش از يك شاخه و از لوله‌ها بيش از يك دسته به كار رفت.

مخلوط دو فازه به استوانه بالايي كه به موازات لوله‌ها (استوانه طولي) يا عمود بر آنها (استوانه عرضي) قرار مي‌گرفت، وارد مي‌شد. اين استوانه‌ها آب تغذيه را از آخرين گرمكن آب تغذيه دريافت مي‌كردند و بخار اشباع را از طريق جدا كننده بخار داخل استوانه، كه بخار را از آب حبابها جدا مي‌كرد، به فوق گرمكن مي‌دادند. انتهاي پاييني پايين آورنده‌ها به استوانه گل‌آلود وصل مي‌شد كه رسوبات آب گردشي را جمع ميكرد.

استوانه طولي منفردي با قطر معمولاً ft4 (تقريبا m2/1 ) تنها مي‌توانست به تعداد محدودي لوله مجهز شود و از اين رو سطح گرمايش محدودي داشت. ديگهاي استوانه افقي، بسته به ظرفيتي كه داشتند داراي يك يا چند استوانه موازي بودند. اين ديگها با سطح گرمايش ۹۳ تا m2 930 ساخته مي‌شدند و فشار آنها به فشارهاي پاييني بين ۲/۱ تا Mpa 3/2 و ظرفيت بخاردهي آنها به ۶۳/۰ تا ۱۰ محدود مي‌شود.

در ديگهاي استوانه عرضي، به دليل شكل هندسي‌شان مي‌توان از لوله‌هاي بسيار بيشتري در مقايسه با استوانه‌هاي طول استفاده كرد. اين ديگها با سطح گرمايش ۹۳ تا m2 2300، فشارهاي ۲/۱ تا Mpa10 ، و بخاردهي ۶۳/۰ تا ۶۳ ساخته مي‌شدند.
براي تامين حداكثر گرماگيري لوله‌ها از گازهاي احتراق گرم و به حداقل رساندن نقاط كور گاز، تيغه‌هايي در طول لوله‌هاي هر دو نوع ديگ قرار داده مي‌شد تا تعداد مسير عبور گاز را تا سه مسير برساند.

ديگ لوله خميده
انواع متعددي از ديگهاي لوله خميده متداول بوده است. به طور كلي، در ديگ لوله خميده به جاي لوله‌هاي مستقيم بين استوانه‌ها يا بين استوانه و مقسم‌ها، از لوله‌هاي خميده استفاده مي‌شد. لوله‌ها طوري خم مي‌شدند كه به طور شعاعي به استوانه‌ها وارد و يا از آن خارج شوند. تعداد استوانه‌ها معمولاً بين دو تا چهار عدد بودند. به طوري كه در بالا اشاره شد، با نصب تيغه‌هاي گاز يك يا چند مسير عبور گاز به وجود مي‌آمد.

در اينجا كافي است كه به نمونه‌اي از ديگهاي لوله خميده كه ديگ استرلينگ چهار استوانه‌اي ناميده مي‌شود اشاره كنيم، اين ديگ در اوايل دهه ۱۸۹۰ ابداع شد و پس از آن تغييرات اندكي پيدا كرد. اين ديگ، برخلاف ساير ديگهاي لوله خميده، داراي سه استوانه بالايي و يك استوانه پاييني ( كه استوانه گل ‌آلود هم ناميده مي‌شود) بود كه به ترتيب محتوي مخلوط دو فازه و آب بودند.
ديگ چهار استوانه‌اي استرلينگ به ترتيبي كه در زير بيان مي‌شود كار مي‌كرد. گاز حاصل از احتراق از قسمت راست ته كوره به طرف بالا جريان مي‌يافت.

در اين ديگ، استوانه بخار مستقيماً در بالاي استوانه آب قرار داشت و داراي يك رديف لوله‌هاي خميده در جلو، يعني در طرف گازهاي ورودي، و يك رديف لوله در عقب بود. در طرحهاي بعدي ديگ در استوانه‌اي استرلينگ، تنها از يك مسير گاز استفاده شد. در طرحهاي اخير كوره ديگ استرلينگ، از ديوارهاي خنك شونده استفاده مي‌شود، به اين ترتيب كه سطوح داخلي كوره با لوله‌هايي كه حامل همان آب ديگ است و از نيروگاه مي‌آيد پوشانده مي‌شود. اين لوله‌ها، سطوح جذب گرما را افزايش مي‌دهند و پوشش نسوز دروني ديوارها را در مقابل دماهاي بالا محافظت مي‌كنند كه نتيجه آن افزايش آهنگهاي احتراق و جريان بخار است.

ديگ استرلينگ به طور كلي مي‌تواند خود را با شرايط بارهاي به شدت متغير هماهنگ كند و در جايي كه نگهداري كيفيت بالاي آب مشكل است، يك ديگ مناسب به شمار مي‌رود و با انواع سوختها هم سازگاري دارد. اين ديگ هم در كشتيها و هم در موارد مستقر در سطح زمين كاربرد پيدا كرده است.

ديگ لوله آبي: پيشرفتهاي اخير
ظهور كوره با ديوارهاي خنك شونده با آب كه ديوارهاي آبي ناميده مي‌شود، بالاخره منجر به ادغام كوره، صرفه جو، ديگ، فوق گرمكن، بازگرمكن، و پيش خنك كن هوا در مولد بخار مدرن شد. براي خنك كردن ديوارهاي محل قرار گيري صرفه جو، فوق گرمكن و اجزاي ديگري مانند جدارهاي حائل و ديوارهاي مقسم نيز از آب استفاده مي‌شود. استفاده از تعداد زيادي گرمكنهاي آب تغذيه ( تا هفت يا هشت دستگاه) به معني صرفه جوي كوچكتر، و فشار بالا به معني ديگي با سطح كمتر است، زيرا گرماي نهان تبخير با افزايش فشار به شدت كاهش مي‌يابد.

بدين سان مولدهاي بخار فشار بالاي مدرن نسبت به واحدهاي قديمي‌تر نيازمند فوق گرمكن و بازگرمكني با سطح بيشتر و ديگي با سطح كمتر هستند. فراتر از فشارهاي Mpa 10، لوله‌هاي آبي كل سطح ديگ را مي‌پوشانند و برخلاف آنچه در طرحهاي قديمي‌تر در دو بخش پيشين ديديم، نيازي به وجود لوله‌هاي ديگر نيست.

آب در دماي ۲۳۰ تا ۲۶۰ از گرمكن فشار بالاي آب تغذيه خارج و سپس وارد صرفه جو مي‌شود و آن را به صورت مايع اشباع يا مخلوط دو فازه با كيفيت پايين ترك مي‌كند و آنگاه از قسمت مياني وارد استوانه بخار مي‌شود. آب از طريق لوله‌هاي عايق پايين آورنده كه در خارج كوره قرار مي‌گيرند، از استوانه بخار به مقسم جريان مي‌يابد. مقسم به لوله‌هاي آبي كه ديوارهاي كوره را مي‌پوشانند و به عنوان لوله‌هاي بالابرنده عمل مي‌كنند مربوط مي‌شود.

آب در اين لوله‌ها گرما را از گازهاي حاصل از احتراق دريافت مي‌كند و به مقدار بيشتري تبخير مي‌شود. اختلاف چگالي بين آب لوله‌هاي پايين آورنده و لوله‌هاي آبي، به گردش آب كمك مي‌كند. در استوانه، بخار از مايع در حال جوش جدا مي‌شود و به فوق گرمكن و سپس به قسمت فشار بالاي توربين مي‌رود. بخار پس از خروج از اين توربين به بازگرمكن باز مي‌گردد و سپس به قسمت فشار پايين توربين مي‌رود.
هواي جو پس از خروج از دمنده با جريان اجباري، درست پيش از آنكه گازها در جو تخليه شوند، توسط گاز پيش گرم مي‌شود. پس از آن هوا وارد كوره مي‌شود و در آنجا با سوخت آميخته مي‌شود و مي‌سوزد و دما به حدود ۱۷۰۰ مي‌رسد. گازهاي حاصل از احتراق بخشي از انرژي خود را به لوله‌هاي آبي و سپس به فوق گرمكن، بازگرمكن و صرفه جو مي‌دهند

و آنگاه آن را در دمايي در حدود ۳۰۰ ترك مي‌كنند. از آن به بعد، گازها هواي جو ورودي را در پيش گرمكن هوا گرم و آن را در دمايي در حدود ۱۵۰ ترك مي‌كنند. يك دمنده با جريان مكشي، گازها را از درون كوره بيرون مي‌كشد و به دودكش مي‌فرستد. اينكه گازها با دمايي در حدود ۱۵۰ بيرون مي‌روند به معني اتلاف قابليت انجام كار در نيروگاه است.

به هر حال، اين مساله به نظر مي‌رسد كه قابل قبول باشد زيرا (۱) گازها بايد در دمايي بسيار بيشتر از دماي نقطه چگالش بخار آب موجود در گازها قرار داشته باشند (دماي نقطه چگالش برابر است با دماي اشباع فشار جزئي بخار آب) تا از چگالش بخار، كه موجب تشكيل اسيد و خوردگي اجزاي فلزي در مسير جريان گازها مي‌شود، جلوگيري شود؛ و (۲) گازهاي حاصل از احتراق بايد داراي نيروي بالابر كافي جهت گذشتن از مقدار زيادي دود كه در بالاي دودكش قرار دارد باشند تا به خوبي در جو پراكنده شوند.

فصل ۲ :
سوختها و احتراق

سوختهاي فسيلي در نتيجه تجزيه هوا و آلي و تبديل شيميايي آنها در زمين بوجود مي‌آيد.
۳۰ درصد با مصرف نفت و گاز طبيعي به وجود مي‌آيد. بقيه نيز عمدتاً در نيروگاههاي آبي و هسته‌اي توليد مي‌شود. در ايالات متحده، مصرف گاز طبيعي در نيروگاهها، به خاطر ضرورت استفاده از آن در مصارف خانگي و صنعتي به تدريج كنار گذاشته مي‌شود.

سوختهاي سنتزي در شمار سوختهاي احتراقي جديدي هستند كه به صورتهاي مايع يا گازند و عمدتاً از زغال سنگ، صخره‌هاي نفتي، و شنهاي قيري به دست مي‌آيند. امروزه، محصولات فرعي صنعتي، پسماندهاي خانگي و صنعتي ، وبيوماس درصد بسيار كوچكي از سوختهاي مصرفي را به خود اختصاص مي‌دهند.

در اين فصل سوختهاي احتراقي طبيعي (فسيلي) با سنتزي كه در نيروگاهها مورد استفاده قرار مي‌گيرند و نيز مراحل آماده سازي و سيستمهاي احتراق آنها را مورد بررسي قرار مي‌دهيم.

زغال سنگ
زغال سنگ در اصطلاح عمومي به تعداد زيادي از مواد معدني جامد آلي با تركيبات و خواص متفاوت اطلاق مي‌شود، اما همه آنها اساساً داراي مقدار زيادي عنصر كربن به صورت بي‌شكل (بدون ساختار منظم) هستند. زغال سنگ به صورت رسوبات لايه‌اي در اعماق متفاوت و غالباً زياد يافت مي‌شود، هر چند كه گاهي در نزديكي سطح زمين نيز پيدا مي‌شود.

ذخاير قابل بهره‌برداري زغال سنگ در ايالات متحده در حدود ۲۷۰۰۰۰ ميليون تن تخمين زده مي‌شود. (اينها شامل ذخايري هستند كه استخراج آنها در آينده قابل پيش‌بيني اقتصادي است) كه در ۳۶ ايالت از ۵۰ ايالت اين كشور وجود دارند. ذخاير زغال سنگ در ايالات متحده در حدود ۳۰ درصد كل ذخاير جهاني زغال سنگ است.

زغال سنگ را با توجه به خواص فيزيكي و شيميايي آن مي‌توان از ديدگاههاي گوناگون تقسيم‌بندي كرد. پذيرفته‌ترين روش تقسيم‌بندي، روشي است كه انجمن آمريكايي آزمون و مواد (ASTM ) آن را ارائه داده است و طبق آن زغال، براساس ميزان متامورفيسم (تغيير شكل و ساختار در اثر گرما، فشار، و آب) به درجات مختلف تقسيم‌بندي مي‌شود. در پايين‌ترين مرتبه اين تقسيم‌بندي زغال قهوه‌اي و در بالاترين مرتبه آن آنتراسيت (۳۸۸ ASTM D ) قرار دارد. ذيلاً اين تقسيم بندي به ترتيب درجات نزولي و به اختصار معرفي مي‌شود.

آنتراسيت.
آنتراسيت در ميان زغالها بالاترين درجه را دارد و ۸۶ تا ۹۸ درصد جرم آن را در حالت خشك و عاري از مواد معدني، كربن ثابت (كربني كه به حالت عنصري است) و درصد اندكي يعني از ۲ تا ۱۴ درصد جرم آن را مواد فرار (عمدتاً متان CH4 ) تشكيل مي‌دهد. آنتراسيت به رنگ سياه درخشان، داراي چگالي زياد، و حالت سخت و شكننده است. آنتراسيت با حداكثر درصد كربن ثابت به صورت گرافيت است. آنتراسيت به آرامي مي‌سوزد و بيشترين ارزش گرمايي را پس از زغال قيري دارد. از آنتراسيت عمدتاً در مولدهاي بخار داراي سوخت انداز استفاده مي‌شود، و به ندرت آن را به صورت پودر مي‌سوزانند. در ايالات متحده، بيشترين معادن آن در پنسيلوانيا قرار دارد.

زغال آنتراسيت با توجه به مقدار كربن ثابت آن به سه زيرگروه تقسيم مي‌شود كه عبارت‌اند از:
متا آنتراسيت كه داراي بيش از ۹۸ درصد كربن، آنتراسيت كه داراي ۹۲ تا ۹۸ درصدكربن، و نيمه آنتراسيت كه داراي ۸۶ تا ۹۲ درصد كربن ثابت است.

زغال سنگ قيري.
زغال سنگ قيري به عنوان بزرگترين گروه، طيف وسيعي از زغالها را كه داراي ۴۶ تا ۸۶ درصد جرمي كربن ثابت و ۲۰ تا ۴۰ درصد ماده فرار است، شامل مي‌شود. نام آن از كلمه قير گرفته مي‌شود كه همان ماده آسفالتي است كه در تقطير برخي از سوختها به دست مي‌آيد. ارزش گرمايي آن در محدوده ۲۵۶۰۰ تا ۳۲۶۰۰ قرار دارد. زغال قيري به ويژه اگر به صورت پودر باشد به آساني مي‌سوزد.

گروه زغال سنگهاي قيري به پنج زيرگروه تقسيم مي‌شود كه عبارت‌اند از: زغال قيري كه ماده فرار آن كم، متوسط، و زياد است كه نوع آخر آن نيز شامل انواع الف، ب و ج است. هر چه ماده فرار كمتر باشد، ارزش گرمايي زغال بيشتر است. زغال قير كه محتوي ماده فرار اندكي است به رنگ سياه خاكستري است و ساختار دانه‌اي دارد، در حالي كه گروههاي با ماده فرار زياد همگن يا ورقه‌اي هستند.

زغال سنگ زيرقيري.
اين نوع زغال سنگها گروهي را تشكيل مي‌‌دهند كه عموماً داراي ارزش گرمايي كمتري از زغال‌سنگ قيري هستند. ارزش گرمايي آنها در محدوده ۱۹۳۰۰ تا ۲۶۷۵۰ قرار دارد. اين نوع زغال محتوي درصد بالايي، ۱۵ تا ۳۰ درصد، رطوبت است ولي غالباً درصد گوگرد آن اندك است.

رنگ آن سياه يا سياه مايل به قهوه‌اي است و ساختار همگني دارد. زغال سنگ زيرقيري را معمولاً به صورت پودر مي‌سوزانند. اين گروه از زغال سنگ هم به سه زيرگروه الف، ب، و ج تقسيم مي‌شود.
زغال سنگ چوب گونه.

اين نوع زغال در پايين‌ترين مرتبه طبقه‌بندي زغال سنگها قرار دارد و اسم Lignite آن از يك كلمه لاتيني كه به معني چوب است گرفته شده است. اين زغال به رنگ قهوه‌اي و داراي ساختار ورقه‌اي است، و غالباً در آن باقيمانده رگه‌هاي چوب را مي‌توان ديد. منشاء پيدايش آن غالباً گياهاني با رزين فراوان است و از اين رو محتوي رطوبت بالاي ۳۰ درصد، و ماده فرار زياد است.

ارزش گرمايي آن در محدوده تقريباً ۱۴۶۵۰ تا ۱۹۳۰۰ است. از آنجا كه رطوبت اين نوع زغال زياد و ارزش گرمايي آن كم است، انتقال آن به مسافتهاي دور جهت مصرف، اقتصادي نيست و معمولاً در نيروگاههايي از آن استفاده مي‌شود كه در نزديكي معادن آن ساخته مي‌شوند. گروه زغالهاي چوب‌گونه به دو زيرگروه الف و ب تقسيم مي‌شود.

زغال سنگ نارس.
اين نوع زغال در طبقه‌بندي ASTM قرار ندارد. با وجود اين، آن را مي‌توان از ديدگاه زمين‌شناسي اولين مرحله تشكيل زغال‌سنگ تلقي كرد. زغال سنگ نارس، ماده ناهنگني است كه شامل مواد گياهي تجزيه شده و مواد معدني غيرآلي است. ميزان رطوبت آن تا ۹۰ درصد مي‌رسد. زغال نارس به عنوان سوخت نيروگاهي چندان جالب نيست.

ولي در بسياري از نقاط جهان فراوان يافت مي‌شود. در ايالات متعددي از كشور آمريكا معادن بزرگي از آن وجود دارد. به خاطر وفور آن، در چند كشور (ايرلند، فنلاند، اتحاد شوروي) از آن در نيروگاههاي مولد برق و گرمايش منطقه‌اي استفاده مي‌شود.

تجزيه زغال سنگ
دو روش براي تجزيه زغال سنگ وجود دارد: روش مستقيم و روش تجزيه كمي عناصر، كه هر دو روش مبتني بر درصد جرمي است. هر دو روش ممكن است براساس زغال دريافتي استوار باشند كه براي محاسبات احتراقي مناسب است، يا براساس بدون رطوبت كه در آن از تغييرات مقدار رطوبت در يك محموله زغال و حتي در مراحل مختلف پودر كردن صرف نظر مي‌شود، يا براساس بدون ماده معدني خشك كه در آن از اين مساله كه اجزاي خاكستر از همان مواد معدني موجود در زغال نباشند احتراز مي‌شود.

تجزيه مستقيم
اين روش از روش ديگري كه براي تجزيه زغال وجود دارد ساده‌تر است و روشي است كه به آساني اطلاعات مهمي را براي مصرف زغال در مولدهاي بخار فراهم مي‌كند. روش پايه تجزيه مستقيم در ANSI/ASTM Standards D3172 معرفي شده است. با اين روش درصدهاي جرمي كربن ثابت، ماده فرار، رطوبت، و خاكستر تعيين مي‌شود. درصد گوگرد به طور جداگانه تعيين مي‌شود.

كربن ثابت همان عنصر كربن است كه در زغال وجود دارد. در روش مستقيم، مقدار آن تقريباً معادل اختلاف بين جرم نمونه اصلي و مجموع جرمهاي ماده فرار، رطوبت، و خاكستر در نظر گرفته مي‌شود.

ماده فرار كه شامل بخار آب نمي‌شود، قسمتي از زغال را گويند كه به هنگام گرمايش نمونه در غياب اكسيژن در ضمن يك آزمون استاندارد (تا دماي ۹۵۵ و به مدت ۷ دقيقه ) ، از آن جدا مي‌شود. ماده فرار شامل هيدروكربنها و گازهاي ديگري است كه در نتيجه تقطير و تجزيه به دست مي‌آيند.

مقدار رطوبت در ضمن يك آزمون استاندارد و در نتيجه خشك كردن نمونه در يك گرمخانه تعيين مي‌شود. اين مقدار شامل همه آب موجود كه شامل آب تركيبي و آب هيدراتي است نمي‌شود. اصطلاحات متعدد ديگري براي رطوبت زغال به كار مي‌رود كه يكي از آنها رطوبت ذاتي است كه در حالت طبيعي زغال وجود دارد و به عنوان بخشي از ماده معدني محسوب مي‌شود. در اين مورد البته آب سطحي در نظر گرفته نمي‌شود.

خاكستر عبارت از نمكهاي غيرآلي است كه در زغال وجود دارند. مقدار آن در عمل با اندازه‌گيري مواد غيرقابل احتراق باقيمانده از احتراق زغال خشك در ضمن يك آزمون استاندارد (در ۷۵۰ ) تعيين مي‌شود.
گوگرد به طور جداگانه در ضمن يك آزمون استاندارد، مطابق ANSI/ASTM Standards D2492 تعيين مي‌شود. گوگرد چون قابل احتراق است، در ارزش گرمايي زغال هم سهيم است. در اثر احتراق آن اكسيدهايي تشكيل مي‌شوند كه در نتيجه تركيب با آب به صورت اسيد در مي‌آيند. اين اسيدها در صورتي كه دماي گازهاي احتراق به كمتر از دماي نقطه شبنم آنها برسد، موجب بروز مسائل خوردگي در قسمت انتهايي مولد بخار مي‌شوند، علاوه بر آن موجبات آلودگي محيط زيست را نيز فراهم مي‌كنند.

روش تجزيه كمي عناصر
اين روش نسبت به روش قبلي روش علمي‌تري است كه توسط آن درصد جرمي عناصر شيميايي تشكيل دهنده زغال تعيين مي‌شود. اين عناصر شامل كربن، هيدروژن، نيتروژن، اكسيژن و گوگرد هستند. مقدار خاكستر نيز به طور كلي تعيين مي‌شود كه گاهي تعيين مقدار آن در تجزيه جداگانه‌اي انجام مي‌گيرد. اين روش تجزيه در ANSI/ASTM Standards D3176 معرفي شده است.

ارزش گرمايي
ارزش گرمايي سوخت كه واحد آن است ممكن است براساس زغال دريافتي، خشك، يا خشك و بدون خاكستر تعيين شود. ارزش گرمايي عبارت است از مقدار گرماي انتقال يافته وقتي كه محصولات ناشي از احتراق كامل نمونه زغال يا هر سوخت ديگري تا رسيدن به دماي اوليه مشتعل شود.

سوخت ‌اندازهاي مكانيكي
تقريباً تمام زغال‌سنگ‌ها را مي‌توان در سوخت‌اندازها سوزاند. احتراق در سوخت انداز، به استثناي احتراق دستي، نسبت به بقيه روش‌ها كارآيي كمتري دارد. از اين روش به خاطر بازده كمي كه دارد معمولاً در ديگهايي استفاده مي‌شود كه ظرفيت پاييني دارند و مقدار بخار توليدي آنها كمتر از ۵۰ است، هر چند كه طراحان در صددند كه موارد كاربرد سوخت‌اندازها را به ديگهايي با بخاردهي حدود ۶/۱۲ محدود كنند. اين ظرفيتهاي كم، نتيجه محدوديتهاي عملي در رابطه با اندازه سوخت‌اندازها و آهنگ نسبتاً پايين احتراق در آنهاست

كه براي توليد مقدار معيني بخار به كوره عريضي نياز دارند. از طرف ديگر، احتراق پودر زغال و سيكلون داراي آهنگ‌هاي احتراق بالايي هستند و از لحاظ طراحي انعطاف پذيري بيشتري دارند به طوري كه مي‌توانند در هر ساعت ميليونها كيلوگرم زغال را كه خوراك مولدهاي بخار مدرن است، در كوره‌هاي بلندتر و باريكتر بسوزانند. با وجود اين، سوخت اندازها، در حد خود، به عنوان بخش مهمي از سيستمهاي مولد بخار نقش خود را حفظ مي‌كنند.

سوخت‌اندازهاي مكانيكي معمولاً به چهارگروه عمده تقسيم‌بندي مي‌شوند. اين گروهها با توجه به نحوه تغذيه زغال به كوره عبارت‌اند از سوخت اندازهاي پخش كننده، سوخت اندازهاي تغذيه كننده از زير، سوخت اندازهاي با آتشدان در حال نوسان، و سوخت اندازهاي با آتشدان متحرك.

سوخت انداز پخش كننده متداولترين سوخت انداز براي ظرفيت‌هاي بخار ۵/۹ تا ۵۰ است. اين نوع سوخت انداز مي‌تواند انواع زغال‌سنگها، از زغال قيري كه مرتبه بالايي دارد تا زغال چوب گونه، و حتي بعضي سوختهاي پسمانده فرعي مانند ضايعات چوبي، خميرچوب، پوست درختان، و غيره را بسوزاند، و نسبت به تغييرات سريع بار جوابگو باشد. در سوخت انداز پخش كننده، زغال از يك قيف به واحدهاي توزيع كننده تغذيه مي‌شود

و هر واحد داراي صفحه تغذيه رفت و برگشتي است كه زغال را از قيفي روي صفحه پخش كن قابل تنظيم به چرخانه مجهز به پره‌هاي خميده منتقل مي‌كند. تعدادي از اين مكانيسمهاي توزيع كننده وجود دارند كه زغال را به داخل كوره وارد مي‌كنند و روي آتشدان سوخت انداز به طور يكنواختي پخش مي‌كنند. هوا در ابتدا از طريق جريان هوايي كه در زير آتشدان قرار دارد به داخل كوره تغذيه مي‌شود و به طرف بالا جريان مي‌يابد. اين هوا را هواي زيرآتشدان مي‌نامند. ذرات ريز زغال كه در حدود ۲۵ تا ۵۰ درصد زغال تزريق شده را تشكيل مي‌دهند همراه هوا بالا مي‌روند

و در حالي كه معلق هستند مي‌سوزند. ذرات درشتتر روي آتشدان مي‌افتند و در لايه‌اي نسبتاً باريك مي‌سوزند. بخش ديگري از هوا كه هواي روي آتش ناميده مي‌شود، از قسمت بالاي محل تزريق زغال به داخل كوره دميده مي‌شود. براي دميدن هواي زير آتشدان و هواي روي آتش از دمنده‌هاي با جريان اجباري استفاده مي‌شود. اين سوخت انداز، مجهز به دستگاههايي براي جمع‌آوري و تزريق دوباره گرد زغال و نيز كنترل مقدار زغال و جريان هوا است تا مقادير آنها متناسب با تقاضاي بار روي مولد بخار باشد.
مساله‌اي كه در مورد با سوخت‌اندازهاي پخش‌كننده ساكن وجود داشت انتقال خاكستر بود، كه در ابتدا با دست صورت مي‌گرفت، بعداً اين كار با بستن بعضي از قسمتهاي آتشدان و قطع هواي تغذيه شده از آن قسمت انجام مي‌گرفت بدون اينكه قسمتهاي ديگر آتشدان تحت تاثير قرار گيرند. سوخت انداز پخش كننده، تنها پس از به كارگيري سوخت انداز با آتشدان متحرك و تخليه پيوسته خاكستر در اواخر دهه ۱۹۳۰، به طور گسترده‌اي متداول شد.

سوخت اندازهاي با آتشدان متحرك، به عنوان يك گروه، شامل سوخت انداز با آتشدان زنجيري هم مي‌شود. اين سوخت‌اندازها شامل آتشدان، مفصلها، يا وسايل اتصال هستند كه به صورت تسمه‌اي بي‌انتها به يكديگر مربوط مي‌شوند و به وسيله يك چرخ دندانه دار محرك در يك انتها و يك مكانيسم چرخ دندانه‌دار با محور ثابت در انتهاي ديگر راه‌اندازي مي‌شوند. زغال سنگ ممكن است به طريق فوق تزريق شود يا مستقيماً از يك قيف و از طريق يك روزنه قابل تنظيم بر روي آتشدان متحرك تغذيه شود كه اين روزنه ضخامت لايه زغال را تنظيم مي‌كند. خاكستر نيز در چاله خاكستري كه با توجه به جه حركت آتشدان در يكي از دو انتها قرار مي‌گيرد تخليه مي‌شود.

آتشدانهاي تميز شونده پيوسته كه به صورت رفت و برگشتي و يا در حال نوسان طرح مي‌شوند نيز ابداع شده‌اند. اينها هم مانند سوخت‌اندازهاي تغذيه كننده از زير، براي احتراق انواع خاصي از زغال سنگها مناسب هستند. اما، سوخت انداز با آتشدان متحرك و تخليه پيوسته خاكستر، آهنگ احتراق بالايي دارد و همچنان به عنوان يك سوخت انداز برتر مورد استفاده است.

اشتعال زغال تازه وارد شده در سوخت اندازها و نيز احتراق ماده فرار آن، كه در نتيجه تقطير حاصل مي‌شود، در اثر انتقال گرماي تابشي گازهاي سوزان انجام مي‌گيرد. احتراق بستر زغال ادامه مي‌يابد و همچنانكه سوخت انداز به انتهاي ديگر حركت مي‌كند بستر نازكتر مي‌شود و هنگامي كه سوخت انداز دور مي‌زند خاكستر به چاله مي‌ريزد. گاهي هم طاقهايي در داخل كوره ساخته مي‌شوند تا با انعكاس گرما بر روي بستر زغال، فرآيند احتراق بهتر انجام گيرد.

احتراق پودر زغال
توسعه روشهاي تجارتي براي احتراق زغال پودر شده، نقطه عطفي در تاريخ توليد بخار به شمار مي‌رود. اين روشها، امكان ساخت مولدهاي بخار و نيروگاههاي بزرگ، پربازده و قابل اطمينان را فراهم كرد. مفهوم احتراق زغال ((پودري)) كه قبلاً با اين عنوان نام برده مي‌شد، به زمانهاي كارنو، ديزل، و توماس اديسون و بسياري از اشخاص ديگر برمي‌گردد،

به طوري كه كارنو ايده استفاده از آن را در چرخه كارنو مطرح كرد. ديزل در اولين تجربه خود در موتوري كه اكنون به نام و ناميده مي‌شود از پودر زغال استفاده كرد و توماس اديسون با به كارگيري آن احتراق در كوره‌هاي سيمان را بهبود بخشيد و بدين گونه بازده و توليد آنها را افزايش داد. اما، پودر زغال تنها پس از كوششهاي راهگشايانه جان اندرسن و همكارانش و پيش آهنگي شركت برق ويسكانسين به طور موفقيت آميزي در نيروگاههاي اين شركت مورد استفاده قرار گرفت.

انگيزه كوششهاي اوليه براي احتراق پودر زغال از اين عقيده سرچشمه مي‌گرفت كه اگر زغال به صورت ذرات ريزي در بيايد، به خوبي و به آساني گاز خواهد سوخت. بعداً عوامل تشويق كننده ديگري مانند افزايش بهاي نفت و وجود منابع وسيع زغال براي استفاده از پودر زغال مطرح شدند، به طوري كه امروزه در مورد مصرف زغال مي‌توان گفت كه تاريخ دوباره تكرار مي‌شود.

بسياري از كارهاي نظري در مورد مكانيسم احتراق پودر و زغال در اوايل دهه ۱۹۲۰ آغاز شدند. مكانيسم خرد كردن و پودر كردن از ديدگاه نظري به خوبي شناخته شده نيست و امروزه به عنوان يك موضوع قابل بحث مطرح است. احتمالاً پذيرفته‌ترين قانون در اين مورد قانوني است كه در سال ۱۸۶۷ در آلمان منتشر شد كه به نام قانون ريتينگر ناميده مي‌شود

و مطابق آن كار مورد نياز براي تبديل اندازه يك جسم به اندازه كوچكتر متناسب است با مساحت سطح جسم يا ماده تبديل شده. با وجود اين، اين قانون و قوانين ديگر، بسياري از فرآيندهايي را كه در پودر كردن زغال دخالت دارند مورد ملاحظه قرار نمي‌دهد، و بسياري از پيشرفتهاي به عمل آمده در مورد كوره‌هاي پودر زغال شديداً متكي بر همبستگي‌ها و طرح‌ها تجربي هستند.

براي احتراق رضايتبخش پودر زغال در يك كوره، دو شرط لازم است:
(۱) وجود مقدار زيادي ذرات بسيار ريز زغال به طوري كه بتوانند از الك با توري شماره ۲۰۰ بگذرند. اين امر اشتعال آسان زغال را به دليل نسبت بالاي سطح به حجم اين ذرات، فراهم مي‌كند.
(۲) وجود كمترين مقدار ممكن از ذرات درشتتر كه موجب افزايش بازده احتراق مي‌شود. اين ذرات درشتتر بايد شامل مقدار بسيار كمي از ذراتي با اندازه‌هاي بيشتر از حد معين باشند به طوري كه معمولاً نتوانند از الك با توري شماره ۵۰ بگذرند. اينگونه ذرات موجب تشكيل سرباره و افت بازده احتراق مي‌شوند. در شكل ۴ . ۱ ، خط A نوعاً محدوده پودر زغال را نشان مي‌دهد.

اين خط نشان مي‌دهد كه ۸۰ درصد زغال از الك با توري شماره ۲۰۰ كه داراي سوراخهايي به اندازه mm 074/0 است مي‌گذرند و ۹۹/۹۹ درصد از الك با توري شماره ۵۰ كه اندازه سوراخهاي آن mm297/0 است عبور مي‌كنند، يعني فقط ۱/۰ درصد ذرات درشتتر از mm 297/0 هستند.

اندازه زغال قيري كه پس از استخراج از معدن آماده حمل مي‌شود و اصطلاحاً آن را زغال درآمده از معدن مي‌نامند در حدود ۸ اينچ است. كلوخه‌هايي كه بزرگي آنها بيش از اندازه است شكسته مي‌شوند ولي زغال ر از الك نمي‌گذرانند. اندازه‌هاي ديگر زغال با اسامي معيني ناميده مي‌شوند، مانند كلوخه (in 5 ) كه در احتراق دستي و مصارف خانگي به كار مي‌رود، تخم‌مرغ (in 2 × ۵ ) ، گردو (in × ۲ ) ، سوخت انداز ( ) ، و ريزه ( ، به معناي يا كمتر) . زغال آنتراسيت هم مطابق ۳۱۰ ASTM D داراي انواع مشابهي است كه عبارت‌اند از: شكسته ( ) ،

گندم سياه ( ) و برنج ( ) زغال سنگ معمولاً قبل از حمل به محل نيروگاه، به اندازه مناسبي كه مورد نياز آسياب پودر كننده با كوره سيكلون است تبديل مي‌شود. اگر زغال سنگ بيش از اندازه بزرگ باشد، بايد از خرد‌كننده‌ها بگذرد كه بخشي از سيستم انتقال زغال را تشكيل مي‌دهند و معمولاً در نقطه مناسبي در سيستم انتقال دهنده زغال قرار داده مي‌شوند. اندازه زغالي كه به آسياب پودر كننده تغذيه مي‌شود برابر ، و اندازه زغال لازم براي كوره‌هاي سيكلوني برابر است.

ماشينهاي خرد كن
ماشينهاي خرد كن زغال سنگ داراي انواع تجارتي متعددي هستند كه برخي از آنها در موارد ويژه‌اي به كار گرفته مي‌شوند. ماشين خرد كن حلقوي، يا سنگ شكن و آسياب چكشي دو نوع از آنها هستند كه براي آماده ساختن زغال جهت پودر شدن بيشتر به كار برده مي‌شوند. زغال از بالا تغذيه مي‌شود و در نتيجه عمل حلقه‌ها كه به كمك چرخانه‌اي به طور خارج از مركز مي‌گردند يا به وسيله ضربات چكشها كه به چرخانه متصل هستند خرد مي‌شود. ميله‌هاي قابل تنظيمي كه مانند يك سرند عمل مي‌كنند اندازه بيشينه زغال تخليه شده را تعيين مي‌كنند.

چوب و مواد خارجي ديگر نيز خرد مي‌شود، ولي معمولاً براي جمع‌آوري تكه‌هاي آهن زايد (فلزات و ساير موادي كه قابل خرد شدن نيستند) تله‌اي تعبيه مي‌شود. از ماشينهاي خرد كن حلقوي و آسيابهاي چكشي مي‌توان در داخل يا خارج نيروگاه استفاده كرد اين ماشينها اندازه زغال معدني را به اندازه تقليل مي‌دهند. بدين ترتيب، در آنها مقدار زيادي خاكه زغال كه براي پودر شدن بعدي مناسب است تهيه مي‌شود، ولي اين خاكه براي احتراق در كوره سيكلوني مناسب نيست.

چرخ گردان زغال به اختلاط سوخت با هواي اوليه كمك مي‌كند و درهاي مماسي كه در داخل محفظه بادگير ساخته مي‌شوند هواي اوليه احتراق و هواي ثانويه را متلاطم مي‌سازند كه اين كار موجب اختلاط بهتر هواي ثانويه با مخلوط سوخت و هواي اوليه خارج شده از چرخ گردان مي‌شود. نسبت كل هوا به سوخت بيشتر از نسبت استوكيومتري (نسبت لازم براي احتراق كامل به لحاظ شيميايي) و در عين حال به اندازه‌اي است كه از احتراق كامل سوخت اطمينان حاصل شود بدون اينكه انرژي به هدر رود، يعني بدون اينكه گرماي محسوس هوا بيش از اندازه افزايش پيدا كند.

جدول ۱ – هواي اضافي لازم جهت سيستم احتراق برخي از سوختها
سوخت سيستم هواي‌اضافي، درصد
زغال: پودر، كوره كاملا خانك شونده با آب ۱۵ – ۲۰
پودر، كوره نسبتاً خنك شونده با آب ۱۵ – ۴۰
سوخت انداز پخش كننده ۳۰ – ۶۰
آتشدان زنجيري و سوخت انداز متحرك ۱۵ – ۵۰

خرد شده، كوره سيكلوني ۱۰ – ۱۵
سوخت نفتي: مشعلهاي نفتي ۵ – ۱۰
مشعلهاي سوخت چندگانه ۱۰ – ۲۰
گاز: مشعلهاي گاز ۵ – ۱۰
مشعلهاي سوخت چندگانه ۷ – ۱۲

جدول ۱ محدوده هواي اضافي لازم براي احتراق مطلوب برخي سوختها را به صورت درصدي از هواي نظري نشان مي‌دهد.
اشتعال اوليه مشعلها به روشهاي گوناگون، از جمله با پاشيدن سوخت سبك نفتي كه آن هم در اثر جرقه مشتعل مي‌شود، انجام مي‌گيرد. براي حصول اطمينان از خود پايداري شعله، فندك معمولاً براي مدت كافي به صورت فعال باقي مي‌ماند. كنترل ممكن است با دست و يا از راه دور عملي شود. فندكها در مورد سوختهاي نفتي و گازي فقط براي چندثانيه روشن نگهداشته مي‌شوند. ولي در مورد با پودر زغال، فندكها معمولاً براي مدتي طولاني كه گاهي به چند ساعت هم مي‌رسد روشن باقي مي‌مانند تا دماي ناحيه احتراق به اندازه كافي افزايش يابد و از خود پايداري شعله اطمينان حاصل شود. همچنين ممكن است اين ضرورت پيش آيد

كه فندك در بارهاي بسيار كم، به ويژه هنگامي كه ماده فرار زغال مصرفي كم باشد، فعال شود. چرخه گردان بخشي از مشعل را تشكيل مي‌دهد كه مسائل تعميراتي حادي دارد و معمولاً سالي يكبار و يا بيشتر بايد تعويض شود.

كوره‌هاي سيكلوني
احتراق در كوره سيكلوني كه در سالهاي دهه ۱۹۴۰ تحقق يافت، مهمترين گام در احتراق زغال سنگ پس از عملي شدن احتراق پودر زغال در سالهاي دهه ۱۹۲۰ به شمار مي‌رود. اكنون از اين نوع احتراق به طور گسترد‌ه‌اي براي سوزاندن زغالهاي مرتبه پايينتر كه محتوي درصد بالايي خاكستر، بين ۶ تا ۲۵ درصد، و ماده فرار زياد كه معمولاً بيش از ۱۵ درصد است، استفاده مي‌شود. در چنين شرايطي است كه مي‌توان به آهنگهاي بالاي احتراق كه مورد نياز است دست يافت.

از زغالهايي كه درصد رطوبت زيادي دارند نيز مي‌توان به شرط پيش گرم كردن استفاده كرد. تنها محدوديتي كه وجود دارد اين است كه خاكستر نبايد محتوي درصد بالايي از گوگرد يا نسبت بالاي باشد. با استفاده از اين نوع زغال، ممكن است موادي با دماي ذوب بالا مانند آهن و آهن سولفيد در سرباره تشكيل شوند كه در اين صورت مزيت اصلي احتراق سيكلوني خنثي مي‌شود.

مزيت اصلي اين نوع احتراق، انتقال مقدار زيادي از خاكستر، در حدود ۶۰ درصد، به صورت سربار÷ مذاب است كه در ديوارهاي سيكلون در اثر نيروي مركز گريز جمع مي‌شود و به مخزن مجزاي سرباره كه در زير قرار دارد تخليه مي‌شود. از اين رو، فقط ۴۰ درصد خاكستر همراه گازهاي دودكش بيرون مي‌رود و اين در حالي است كه در احتراق پودر زغال مقدار آن به حدود ۸۰ درصد مي‌رسد. اين امر موجب مي‌شود كه سايش و كثيف شدن سطوح مولد بخار به طور چشمگيري كاهش بيابد و نيز اندازه صافيهاي گردگير با محفظه صافيها در قسمت خروجي مولد بخار كوچك شود.

مزيت ديگر كوره سيكلوني اين است كه فقط زغال مورد استفاده قرار مي‌گيرد و از اين رو ديگر به وسايل پودر كردن زغال نيازي نيست، و اندازه ديگ نيز كاهش مي‌يابد. در كوره سيكلوني زغالهايي با چنان اندازه‌هايي مصرف مي‌شوند كه به طور متوسط ۹۵ درصد آنها مي‌توانند از الك با توري شماره ۴ بگذرند.

معايب اين نوع كوره عبارت‌اند از فشار بالا در دمنده با جريان اجباري و بنابراين نياز به توان مصرفي بيشتر، عدم امكان مصرف زغالهاي مذكور در بالا تشكيل اكسيدهاي نيتروژن بيشتر در فرايند احتراق (Nox) كه آلودگي هوا را افزايش مي‌دهد.

سيكلون اساساً عبارت است از يك استوانه افقي خنك شونده با آب كه در خارج از كوره ديگ اصلي قرار مي‌گيرد، زغال خرد شده به آن تغذيه مي‌شود و در آن با آهنگ گرماي بسيار بالا مي‌سوزد. احتراق زغال، پيش از آنكه گازهاي گرم توليد شده وارد كوره ديگ شوند، كامل مي‌شود. زغال خرد شده در قسمت چپ و همراه با هواي اوليه كه تقريباً ۲۰ درصد هواي احتراق يا هواي ثانويه را تشكيل مي‌دهد، وارد مشعل سيكلون مي‌شود. هواي اوليه به طور مماسي وارد مشعل مي‌شود و در نتيجه يك حركت مركز گريز به زغال مي‌دهد.

هواي ثانويه نيز با سرعت زياد به طور مماسي از بالاي سيكلون وارد مي‌شود و حركت مركز گريز ديگري را به زغال اعمال مي‌كند. مقدار كمي هوا به نام هواي سوم نيز از مركز وارد سيكلون مي‌شود.

حركت چرخشي هوا و زغال، چگالي حجمي آهنگ گرماي آزاد شده را به حدود ۴۷۰۰ تا ۸۳۰۰ افزايش مي‌دهد و دماي احتراق را به بيش از ۱۶۵۰ مي‌رساند. اين دماهاي بالا موجب ذوب خاكستر به صورت سرباره مايع كه سطح سيكلون را مي‌پوشاند مي‌شود.

بالاخره، سرباره از طريق شير سرباره به مخزن سرباره كه در ته كوره ديگ قرار دارد تخليه و در آنجا منجمد مي‌شود و پس از قطعه قطعه شدن انتقال مي‌يابد. لايه‌اي از سرباره كه بر روي ديوارهاي سيكلون تشكيل مي‌شود، مثل يك عايق عمل مي‌كند و از اتلاف بيش از اندازه گرما از طريق اين ديوارها جلوگيري مي‌كند و از اين رهگذر به بهبود بازده احتراق سيكلوني ياري مي‌رساند.

در اين دماهاي بالا Nox بيشتري در گازهاي حاصلي از احتراق تشكيل مي‌شود. اين گازها سيكلون را از طريق دهانه‌اي كه در سمت راست قرار دارد ترك مي‌كنند و وارد كوره اصلي ديگ مي‌شوند. بنابراين احتراق در يك سيكلون نسبتاً كوچك انجام مي‌گيرد و تنها وظيفه كوره اصلي ديگ، انتقال گرما از گازها به لوله‌هاي آبي است. كوره‌هاي سيكلوني براي احتراق سوختهاي نفتي و گازي نيز مناسب هستند.

اشتعال اوليه به وسيله مشعلهاي كوچك و نسوز گازي يا نفتي كه در دريچه‌هاي هواي ثانويه قرار مي‌گيرند عملي مي‌شود.
سيستمهاي احتراق سيكلوني مانند سيستمهاي پودر زغال ممكن است از نوع جازغالي يا ذخيره‌اي، يا از نوع احتراق مستقيم باشند. سيستم نوع جا زغالي، به ويژه براي زغالهاي قيري در احتراق سيكلون، در مقايسه با سيستم پودر زغال، بيشتر مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در سيستم سيكلوني هم احتراق در يك ديواره و هم احتراق در يك ديواره ‌هاي متقابل متداول است. ولي روش دوم در مولدهاي بخار بزرگ ترجيح داده مي‌شود.

اندازه و تعداد سيلكونها براي هر ديگ بستگي به اندازه ديگ و جواب‌دهي مطلوب به بار دارد، زيرا محدوده متداول تغيير بار براي هر سيكلون با عملكرد خوب، از ۵۰ تا ۱۰۰ درصد ظرفيت اسمي آن است . اندازه قطر سيكلونها از ۲ تا ۳ متر و آهنگ گرماي آزاد شده در آنها به ترتيب از ۴۷۰۰۰ تا kW 125000 متغير است.

فصل ۳ :
توربينهــا

مقدمه :
انديشه استفاده از بخار براي توليد كار مكانيكي احتمالا براي اولين بار در رابطه با پمپ كردن آب از معادن زغال سنگ مطرح شد . اولين كار موفق در اين مورد يك ‹‹ موتور پمپ ›› بود كه توسط توماس ساوري ( ۱۶۵۰ – ۱۷۱۵ ) در انگلستان ساخته شد . در موتور ساوري بخار مستقيماً با فشاري بين ۵/۴ تا ۸ بار بر سطح آب واقع در محفظه اي اعمال مي شد و آن را در لوله اي بالا مي برد . در اين موتور يك شير يكطرفه مانع از جريان معكوس آب مي شد .

پس از خالي شدن آب از محفظه، جريان بخار به طور دستي قطع و آب خنك وارد محفظه مي شد تا با چگالش بخار داخل و ايجاد خلاء در محفظه، آب بيشتري وارد آن شود . در اين موتور در نتيجه تماس مستقيم بين آب و بخار، اتلاف بخار در نتيجه چگالش زياد بود، و فقدان شيرهاي اطمينان انفجارهاي زيادي را موجب مي شد .

تقريباً همزمان با ساوري، دنيس پاپين ( ۱۶۴۷-۱۷۱۲ ) كه مخترع شير اطمينان نيز بود ، فكر جداسازي بخار و آب را به وسيله يك پيستون مطرح كرد، و توماس نيوكامن ( ۱۶۶۳-۱۷۲۹ ) چنين موتور پيستون داري را طراحي كرد و سپس ساخت . در اين موتور ، بخار با فشار كم به سيلندري قائم وارد و در آنجا موجب حركت يك پيستون به طرف بالا مي شد .

آنگاه بخاري كه در سيلندر باقي مي ماند از خارج به وسيله جهت آب خنك به صورت مايع در مي آمد و از اين رو خلائي در سيلندر ايجاد مي شد . فشار جو بيروني ، پيستون را در مرحله كار به عقب مي راند ، به اين دليل آن را ‹‹ موتور جوي ›› مي ناميدند . پيستون به يك انتهاي ميله اي كه در وسط تكيه گاهي داشت متصل بود . پيستوني نيز در سيلندر جداگانه پمپ به انتهاي ديگر آن متصل مي شد .

قطر اين پيستون پمپ كوچكتر از پيستون بخار بود و در نتيجه فشار آب بيشتر از فشار بخار مي شد . شيرهاي متعددي كه در موتور نيوكامن وجود داشتند در ابتدا به طور دستي كار مي كردند . فكر خودكار كردن شيرها ، در ابتدا توسط يك نوجوان كه براي تنظيم شيرها استخدام شده بود ارائه شد . اين نوجوان ، طبق روايت ، با وجود كه اين كه نسبت به ديگران كوچكتر و تنبل تر بود، متوجه الگوي منظم كاركرد ميله و شير شد و يك مكانيسم ريسماني ابداع كرد كه به ميله امكان مي داد شيرها را تنظيم كند . موتور نيوكامن يك سوم كمتر از موتور ساوري زغال مصرف مي كرد .

پس از گذشت ۶۰ سال ، جيمزوات فكر موتور رفت و برگشتي ‹‹ مدرن ›› را مطرح كرد . او به عنوان تعميركار وسايل ، روزي در سال ۱۷۶۴ جهت تعمير موتور نيوكامن فرا خوانده شد و به اين ترتيب او به اتلاف بخار مايع شده در سيلندر پي برد . او در سال ۱۷۶۵ به فكر يك چگالنده جداگانه افتاد ، و سپس در مورد مرحله كار ناشي از انبساط بخار ،

سيلندر دو كاره ، تنظيم كننده خفانشي به وزنه هاي آويزان،تبديل حركت رفت و برگشتي به حركت دوراني(در سال ۱۷۸۱ )، و ايده هاي مهم ديگر نظرات بديعي ابراز كرد . امروزه موتور معروف او به عنوان اختراعي كه سهم برجسته اي در انقلاب صنعتي داشت تلقي مي شود . موتور وات از موتور نيوكامن ۶۰% و از موتور ساوري ۷۵ درصد كمتر زغال مصرف مي كرد .

پيشرفت مهم ديگر به وسيله كورليس ( ۱۸۱۷ – ۱۸۸۸ ) به عمل آمد . او شيرهاي ورودي را كه سريعاً بسته مي شدند ساخت . اين شيرها كه به نام خود او ناميده شدند ، خفانش را در ضمن بسته شدن كاهش مي دادند . موتور كورليس به اندازه نصف موتور وات زغال مصرف مي كرد كه به وجود اين ، همين مقدار مصرف هم چهار يا پنج برابر مصرف زغال در نيروگاههاي مدرن توربين بخار بود . گام بعدي را استامف ( ۱۸۶۳ – ؟ ) برداشت و هم ويود كه ‹‹ موتور تك جرياني ›› را ساخت . در طرح اين موتور كاهش اتلاف چگالشي باز هم بيشتري مورد توجه قرار گرفت .

بزرگترين موتور رفت و برگشتي بخار در اوايل قرن بيستم جهت راه اندازي يك مولد برق ۵ مگاواتي كه در مقياس آن زمان خيلي بزرگ بود ساخته شد . پس از آن هرگز موتور بزرگتر ديگري ساخته نشد، هرچند كه بهبود عملكرد آن به ويژه با موتور تك جرياني ادامه يافت . البته در همان ايام نياز به وجود مولدهاي برق بزرگتري احساس مي شد بدون اينكه موتورهاي رفت و برگشتي به قدر كافي بزرگ جهت راه اندازي شان موجود باشد .

وارد شدن توربين بخار به صحنه ابداً يك فكر تازه نبود ، بلكه نياز به آن به وسيله مخترعين زيادي در اواخر دهه اول ۱۸۰۰ پيش بيني شده بود . توربين بخار نيز مانند بسياري از اختراعات مهم هنگامي ساخته شد كه دنيا به آن نياز پيدا كرد .

در واقع ، اولين توربين بخار ثبت شده در تاريخ، توربين بخاري است كه توسط هرواسكندراني در حدود قرن اول ميلادي ساخته شد . اين توربين از يك كره توخالي تشكيل مي شد كه قادر بود حول يك محور افقي ، در فاصله بين دو لوله ثابت كرد كه كره را به يك ديگ بخار مربوط مي كردند بچرخد . بخار توليد شده در ديگ وارد كره مي شد و به طور مماسي از طريق دو عدد شيپوره در هواي جو تخليه مي شد . شيپوره ها در صفحه عمود بر محور دوران و در دو جهت مخالف هم قرار داشتند . بخار خروجي از شيپوره ها ، مانند خروج آب از يك آبپاش دوار چمن زارها ، موجب دوران كره ميشد.

از اين رو ، توربين هرو بر اساس اصل عكس العمل كار مي كرد. پس از گذشت مدت زماني مديدي ، در حدود سال ۱۶۲۹ ، توربين بخاري ساخته شد كه در آن از جت بخار كه به پره هاي يك چرخ برخورد مي كرد و موجب دوران آن ميشد استفاده شد. اين توربين بر اساس اصل ضربه كار مي كرد . پس از آن ، در سال ۱۸۳۱ ، ويليام آوري آمريكايي اولين توربين بخاري را كه به طور تجارتي در كارگاههاي چوب بري مورد استفاده قرار گرفت ساخت. حداقل در يك مورد سعي شد كه از آن در لوكوموتيو نيز استفاده شود.

توربين اوري هماننديهايي با تقريباً ۰٫۷۵ متر استفاده ميشد، بازوها تحت زاويه قائم به محور متصل بودند و در انتهاي هر كدام روزنه كوچكي وجود داشت كه بخار در جهت مخالف از آنها خارج مي شد . بخاري كه وارد محور توخالي مي شد از طريق روزنه ها خارج و موجب دوران محور ميشد . بخاري كه وارد محور توخالي مي شد از طريق روزنه ها خارج و موجب دوران محور مي شد .

از اين رو ، توربين آوري نيز مانند توربين هرو يك توربين عكس العملي بود . هر چند ادعا مي شد كه بازده اين توربينها شبيه به بازده موتورهاي بخار رفت و برگشتي معاصرشان است ، ولي به دليل بالا بودن سروصدا در آنها ، مشكل بودن كنترل ، و خراب شدنهاي مكررشان ، از آنها استفاده نشد .

به هر حال ، توربين بخاري كه جايگزين موتور بخار رفت و برگشتي شد ، در نتيجه كوششهاي افرادي چند در اواخر قرن نوزدهم پا به عرصه وجود گذاشت . پيشتاز اين افراد گوستاودولاوال سوئدي و چارلز پارسون انگليسي بودند . دولاوال در ابتدا يك توربين كوچك عكس العملي با سرعت بالا ( ) طرح كرد ولي چون آنرا يك طرح عملي نمي دانست ، توجه خود را به طراحي يك توربين ضربه اي تك طبقه معطوف كرد ، اين نوع توربين امروزه نيز به نام او ناميده مي شود .

همچنين استفاده از شيپوره همگرا – واگرا را در توربين براي نخستين بار به او نسبت مي دهند . اين نوع توربين امروزه نيز به نام او ناميده مي دهند . اين نوع توربين براي اولين بار در سال ۱۸۹۰ مورد آزمايش قرار گرفت ، و در سال ۱۸۹۱ توربيني با قدرت ۱۵ اسب بخار كه داراي دو چرخ بود ، جهت استفاده در كشتيها ساخت . يكي از چرخها جهت حركت كشتي به جلو و ديگري براي حركت آن به عقب بود . پارستونز يك توربين پارسونز در سال ۱۸۸۴ ساخته شد .

اولين كشتي كه از توربين به عنوان موتور محرك استفاده مي كرد ، در سال ۱۸۹۵ به آب انداخته شد و طبيعي بود كه آن را ‹‹ توربينييا ›› بنامند . در اين كشتي نيز از دو چرخ توربين يكي براي حركت به جلو و ديگري براي حركت به عقب استفاده مي شد . بعداً از توربينهاي بخار متعدد ، چه در كتيها و چه در نيروگاهها ، استفاده شد .

علاوه بر دولاوال و پارسونز ، راتو فرانسوي توربين چند طبقه اي ضربه اي ( با تركيب طبقات فشار )، چارلزكورتيس امريكايي توربين ضربه اي با تركيب طبقات سرعت را ابداع كردند ، و جورج وستينگهاوس امريكايي نيز اولين توربين پارسونز را در آمريكا با ظرفيت ۴۰۰kw در كارخانه وستينگهاوس در پنسيوانيا ساخت .

اندكي پس از آغاز اين قرن ، استفاده از توربينهاي بخار به جاي موتورهاي رفت و برگشت بخار در نيروگاههاي برق شروع شد . پيشرفت سريعي كه در اين زمينه به عمل آمد ، ساخت يك واحد ۱۲MW و نصب آن در نيروگاه فيسك در شيكاگو بود . عملكرد و بازده توربين بخار نيز از موتور رفت و برگشتي فراتر رفت و در توربينها از بخار فوق گرم به طور گسترده اي استفاده شد كه لازمه آن استفاده از فولاد به جاي چدن در توربينها بود . ظرفيت توربينها به طور پيوسته افزايش مي يافت . در سال ۱۹۲۹ يك واحد ۲۰۸MW در نيويورك ساخته شد .

در سال ۱۹۳۷ از مولدهاي برق كه با هيدروژن خنك مي شدند استفاده شد . در اواخر دهه ۱۹۵۰ ظرفيت توربينهاي بخار به ۴۵۰MW رسيد . در دوران پس از جنگ جهاني دوم ظرفيت توربين بخار از ۱۰۰۰MW نيز فراتر رفت و واحدهاي فشار بالا با سرعت در آمريكا كه فركانس برق استاندارد در آنجا ۶۰Hz است متداول شد ( در بسياري از كشورهاي ديگر از واحدهاي كه با فركانس ۵۰Hz كار مي كنند استفاده شد ) .

واحدهاي فشار پايين نيز با سرعت در نيروگاههاي هسته اي خنك شوده با آب در آمريكا ( و واحدهاي در كشورهاي ديگر ) مورد استفاده قرار گرفتند . امروزه توربين بخار نقش اصلي را در توليد انرژي الكتريكي به عهده دارد و پيش بيني مي شود كه اين نقش را در آينده قابل پيش بيني نيز حفظ كند .

توربينهاي گازي همان قدمت آسيابهاي بادي را دارند زيرا آسياب بادي را اساساً مي توان به عنوان يك توربين گاز ( هوا ) تلقي كرد . اولين دستگاه گازي كه طراحي اين دستگاه توسط لئوناردو داوينچي انجام شده باشد و بعداً جان ويل كينز كه يك روحاني انگليسي بود ، آن را در سال ۱۶۴۸ در كتاب خود به نام جادوي رياضي توصيف كرده است . كوششهاي ديگري به عمل آمد كه از جمله آنها كار جان بار بر انگليسي بود كه او دستگاه اختراعي خود را در سال ۱۸۷۱ به ثبت رساند .

دردستگاه او هواي فشرده و گاز توليد شده در يك سيلندر سوخته مي شد و مخلوط از طريق شيپوره ها به چرخ توربين هدايت مي شد. اولين گام مهم در زمينه ساخت توربين گازي به وسيله استولتس آلماني برداشته شد . توربين او از قسمتهايي مشابه توربينهاي گازي امروزي ، يعني از يك اتاق احتراق جداگانه و يك كمپرسور چند طبقه با جريان محوري كه مستقيما با يك توربين چند طبقه اي عكس العملي ارتباط داشت ، تشكيل مي شد . با وجود اين ،

بازده كمپرسور و توربين و دماي گازها به اندازه ي پايين بودند كه دستگاه او با موفقيت رو به رو نشد . اولين توربين گازي موفق در سال ۱۹۰۳ در فرانسه ساخته شد . اين توربين شامل يك كمپرسور رفت و برگشتي چند مرحله اي ، اتاق احتراق ، و توربين ضربه اي دو رديفي بود . بازده گرمايي اين توربين در حدود ۳% بود . پيشرفتهاي بعدي با كندي صورت مي گرفتند .

در دوران جديد و طي جنگ جهاني دوم ، سازندگان سوئيسي كه كشورشان بر اثر جنگ منزوي شده بود ، تكنولوژي توليد قدرت با توربينهاي گازي را تكامل بخشيدند . سرفرانك ويتل انگليسي از جمله افرادي بود كه امكان استفاده از توربينهاي گازي را براي رانش هواپيما تشخيص داد . چنين كوششهايي بالاخره ، منجر به ساخت هواپيماني جت جنگنده و بعدا هواپيماي جت مسافربري در كشورهاي مختلف شد .

اكنون از توربين گازي در نيروگاهها عمدتاً براي تامين بار قله اي ( تامين قدرت اضافي به هنگام افزايش تقاضا ) ، براي تامين انرژي الكتريكي مناطق دورافتاده و خطوط انتقال نفت ، و اخيرا در نيروگاههاي چرخه تركيبي گاز و بخار استفاده مي شود .

اصل ضربه :
قبل از ورود به بحث توربين ضربه اي ، بد نيست كه اصل ضربه را مورد بررسي قرار دهيم . جت شاره اي را در نظر بگيريد كه به طور افقي در جهت +x به يك صفحه قائم ثابتي برخورد مي كند . شاره روي صفحه پخش خواهد شد و سرعت آن در جهت جت به صفر كاهش خواهد يافت و در نتيجه يك نيروي افقي در جهت +x به صفحه وارد خواهد كرد . اين نيرو را ضربه مي نامند و مقدار آن برابر است با تغيير اندازه حركت جت در جهت +x .

كه در آن
F = نيرو يا ضربه ، N
= آهنگ جرمي جريان جت ،
= سرعت در جهت افقي ،

اصطكاك شاره
اصطكاك شاره مهمترين عامل اتلافها در توربين به شمار مي رود . اصطكاك در سراسر توربين ، از جمله در شيپوره ها و پره هاي متحرك وجود دارد . به طوري كه قبلا توضيح داده شد ، با كاهش سرعتهاي بخار به وسيله روش ‹‹ تركيب ›› و غيره مي توان مقدار اصطكاك را كاهش داد . همچنين هنگامي كه پره ها در بارهايي غير از بار طراحي عمل مي كنند و زاويه ورود مناسب نيست نيز هنگامي كه پره ها در بارهايي غير از بار طراحي عمل مي كنند و زاويه ورود مناسب نيست نيز تلاطمهايي در پره ها به وجود مي آيد . بين بخار و قرصهاي چرخانه كه پره ها روي آن قرار دارند نيز اصطكاك وجود دارد ، و طراحي چرخانه نيز به همين دليل حائز اهيمت است .

به علاوه ، دوران اصطكاك وجود دارد و طراحي چرخانه نيز به همين دليل حائز اهميت است . به علاوه ، دوران چرخانه و پره نيروي مركز گريزي بر بخار اعمال مي كند كه موجب مي شود بخشي از آن به طور شعاعي جريان يابد و در طول پره هاي متحرك كشيده شود . هنگامي كه پذيرش بخار به پره هاي متحرك كمتر از پذيرش كامل است ، مانند طبقه ضربه اي ، در پره هاي متحرك وضعيتي چرخشي پديد مي آيد كه اتلاف ناشي از آن را اتلاف پروانه اي مي نامند .

تلفات ناشي از اصطكاك شاره مي تواند از ۱۰ درصد انرژي داده شده به توربين فراتر رود .

نشت
نشت بخار در داخل و خارج توربين اتفاق مي افتد . در داخل توربين بخار مي تواند از فاصله بين نوك پره هاي متحرك و پوسته ، در صورتي كه مانند پره عكس العملي افت فشار در پره وجود داشته باشد ، نشت كند . هر چقدر افت فشار و نسبت فاصله نوك پره به ارتفاع پره بيشتر باشد نشت بخار نيز بيشتر است ، كه نمونه اي از آن مورد طبقات فشار بالاست . بخاري كه نشت مي كدن به علت خفانش موجب اتلاف قابليت انجام كار مي شود . در توربين ضربه اي فشاري مركب ، نشت بخار بين پايه ديافراگمهاي ثابت كه شيپوره ها روي آن قرار دارند و محور صورت مي گيرد .

نشت بخار در خارج توربين نيز در محل ياتاقانهاي مختلف محور صورت مي گيرد . اين نوع نشت را مي توان با استفاده از آب بندي مناسب ، مانند پوشش پيچ در پيچ ، به حداقل رساند .
اتلاف ناشي از نشت ، بالغ بر حدود ۱ درصد انرژي كل داده شده به توربين است .

اتلاف ناشي از رطوبت بخار
افزون بر تلفاتي كه در نتيجه پديده فوق اشباع در منطقه دو فازه روي مي دهدحضور ذرات مايع نيز موجب اتلاف بيشتر انرژي مي شود . توزيع اندازه و توزيع سرعت اين ذرات بي شباهت به توزيع افشانه مايع از يك شيپوره نيست . ذراتي كه داراي سرعت كم هستند روي پره هاي متحرك ريخته مي شوند ، يعني تحت زوايايي غير از زواياي طراحي شده با پره ها برخورد مي كند

و موجب كاهش كار مكانيكي چرخانه مي شوند . سرعت ذرات ديگر نيز به وسيله بخار افزايش مي يابد و در نتيجه تبادل اندازه حركت ، مقداري از انرژي بخار گرفته مي شود . در نتيجه آن قسمت از توربين كه در منطقه دو فازه كار مي كند اساساً ، نسبت به قسمتي كه در منطقه فوق گرم كار مي كند ، بازده كمتري دارد .

معمولاً توربينها طوري طراحي مي شوند كه مقدار رطوبت بخار خروجي بيشتر از تقريباً ۱۲ درصد نباشد ( حداقل كيفيت ۸۸% ) . رطوبت بالا ( كه غالباً توام با درصد بالاي اكسيژن در رآكتورهاي آب جوشان است ) در نتيجه برخورد ذرات مايع با پره ها ، موجب سايش پره ها
مي شود .

رطوبت زياد همچنين باعث تر شدن سطوح و ايجاد باريكه هاي بسيار طويلي از جريان آب مي شود كه به سرعت در حركت اند . علاوه بر آن اكسيژن نيز باعث خوردگي مي شود . اگر انبساط بخار منجر به مقدار رطوبتي بيشتر از ۱۲ درصد شود ، استخراج رطوبت از برخي طبقات توربين براي نگهداشتن مقدار رطوبت درحد معمول ضرورت پيدا مي كند . اين همان كاري است كه براي نمونه در توربينهاي نيروگاههاي هسته اي با رآكتور آب جوشان انجام مي شود . استخراج رطوبت به معني كاهش آهنگ جرمي جريان از توربين و از اين رو اتلاف كار توربين است،

هر چند كه اين اثر را مي‌توان با ادغام آن با بخار زيركش شده از توربين جهت گرمايش آب تغذيه به حداقل رساند. استخراج رطوبت با تعبيه شيارهايي در پشت پره‌هاي متحرك كه محل تجمع قطرات آب است امكان پذير مي‌شود. در اين صورت، قطرات آب در نتيجه نيروي مركز گريز پره‌هاي متحرك به طور شعاعي به پايين سرازير مي‌شوند و در محفظه‌اي كه در پوسته براي جمع‌آوري آنها وجود دارد جمع مي‌شوند و سپس آب جمع شده وارد گرمكن آب تغذيه يا چگالنده مي‌شود.

از نقطه نظر عملي، آلاينده‌هاي غيراكسيژن موجود در بخار آب، مانند مواد معلق و مواد شيميايي مثل سديم و كلر كه طي عمليات تصفيه آب وارد سيستم مي‌شوند موجب ترك خوردگي ناشي از تنش و خوردگي مي‌شوند. اين مسائل، كنترل شيميايي دقيقتر، نظارت مستمرتر و نگهداري بهتر آب را طلب مي‌كند.

اتلاف ناشي از خروج بخار
قبلاً به سرعت بخار در خروج از طبقات توربين اعم از ضربه‌اي و عكس‌العملي اشاره شد. انرژي جنبشي بخار خروجي معمولاً در طبقات بعدي مورد استفاده قرار مي‌گيرد مگر انرژي جنبشي بخار به هنگام خروج از آخرين طبقه توربين. سرعت خروج از اين طبقه ،

به دليل پايين بودن فشار بخار و حداكثر بودن حجم ويژه بخار و با توجه به انرژي جنبشي بخار، نوعي اتلاف انرژي محسوب مي‌شود. اين سرعت، تقريباً عمود بر صفحه دوران در بار اسمي ولي داراي مولفه افقي بزرگي در بارهاي سبكتر است. طراح مي‌تواند مقدار سرعت بخار خروجي را با انتخاب تركيب مناسبي از ارتفاع پره‌هاي رديف آخر، سرعت، و مساحت كانالهاي خروجي بخار به طرف چگالنده، تغيير دهد.

هر چند كه سرعتهاي خروجي بزرگ موجب اتلاف انرژي مي‌شوند، استفاده از سرعتهاي بسيار كم نيز سبب افزايش نامتعارف ارتفاع پره‌ها، كانالهاي خروجي بزرگ، و افزايش هزينه‌هاي سرمايه‌گذاري مي‌شود. سرعتهاي خروجي متداول بين ۲۷۰ تا ۳۰۰ است كه اتلافهايي در حدود ۲ تا ۳ درصد را موجب مي‌شود.

سطح مقطع كانالهاي خروجي كه بخار را به طرف چگالنده مي‌برد تدريجاً مانند يك پخش كننده افزايش مي‌يابد و در نتيجه سرعت بخار به هنگام ورود به چگالنده كاهش و فشار آن افزايش پيدا مي‌كند. اين كانالها باعث مي‌شوند كه فشار خروجي توربين اندكي كمتر از فشار چگالنده باشد ( فشار چگالنده توسط دماي آب خنك‌كني كه در دسترس است تعيين مي‌شود) و از اين رو كار توربين زياد مي‌شود اين كار در مورد توربينهاي ۳۰۰۰ و ۳۶۰۰ دور در دقيقه در مقايسه با توربينهاي ۱۵۰۰ و ۱۸۰۰ دور در دقيقه بيشتر متداول است. زيرا توربينهاي اخير داراي پره‌هاي بلندتر و كانالهاي خروجي بزرگتري هستند.

اتلاف بر اثر انتقال گرما
اتلاف انرژي ناشي از انتقال گرما طبق معمول به سه صورت، رسانش، همرفت و تابش صورت مي‌گيرد. رسانش در داخل توربين و بين طبقات آن انجام مي‌گيرد و به وسيله همرفت كه عمدتاً ناشي از سرعتهاي بالاي بخار است تقويت مي‌شود. رسانش همچنين بين پوسته توربين و پايه آن نيز صورت مي‌گيرد. اتلاف ناشي از همرفت و تابش كه از طريق پوسته توربين به محيط پيراموني يا سالن استقرار توربين مي‌رسد،

در مورد توربينهاي فشار بالا محسوستر است چرا كه دماي بخار در آنا زيادتر است. توربينهاي فشار بالا قطر كوچكتري دارند و معمولاً به خوبي عايق‌بندي مي‌شوند. توربينهاي فشار پايين كه دماي بخار در آنها چندان بالاتر از دماي محيط نيست، معمولاً عايق بندي نمي‌شوند.

هر چند كه سالن توربين گرم به نظر مي‌رسد، ولي كل اتلاف گرما به ازاي هر واحد جرم جرياني كه از توربينهاي بزرگ مي‌گذرد بسيار كوچك است و مي‌توان از آنها چشم‌پوشي كرد. با وجود اين، در مورد توربينهاي كوچك مكانيكي، اتلاف ناشي از انتقال گرما معمولاً چند درصد انرژي توربين را به خود اختصاص مي‌دهد.

اتلاف مكانيكي و الكتريكي
توربين كار توليدي را به يك مولد برق تحويل مي‌دهد. در جريان اين كار، با اتلافهاي اصطكاكي در ياتاقانها، مكانيسم كنترل كننده، جعبه دنده كاهنده ( در صورتي كه وجود داشته باشد) مواجه مي‌شويم. همچنين مقداري از كار توربين نيز صرف تامين كار مكانيكي اجزاي فرعي مانند پمپهاي روغن و غيره مي‌شود.

تلفات مكانيكي عملاً ثابت و مستقل از بار است، و از اين رو درصد آن با كاهش بار افزايش مي‌يابد. از سوي ديگر، درصد آن براي توربينهاي بزرگتر كمتر است. به طور كلي، مقدار تلفات مكانيكي نسبتاً كوچك است و يك درصد انرژي توربين يا كمتر از آن را به خود اختصاص مي‌دهد.

چون معمولاً جهت معرفي توان توربين از توان خروجي مولد برق استفاده مي‌شود، لذا اطلاع از مقدار تلفات مولد برق ضروري است. مولدهاي برق مدرن و بزرگ كه به وسيله هيدروژن خنك مي‌شوند و به خوبي طراحي شده‌اند، بازده بسيار خوبي دارند. بازدههايي در حدود ۹۸ تا ۹۹ درصد براي آنها متداول است. بازده آنها با افزايش بار اندكي افزايش مي‌يابد و بازده مولدهاي ۱۵۰۰ و ۱۸۰۰ دور در دقيقه كمي بيشتر از مولدهاي ۳۰۰۰ و ۳۶۰۰ دور در دقيقه است.

بازده توربين
به طوري كه قبلاً تذكر داديم، خطوط تك فشار روي نمودار موير واگرا هستند (در مورد گازها نيز اين مطلب صحيح است)، لذا مجموع افتهاي آنتالپي آيزونتروپيكي براي طبقات يك توربين از افت آنتالپي آيزونتروپيكي كل توربين بيشتر است. در نتيجه، بازده طبقه كوچكتر از بازده توربين است.
نسبت مجموع افتهاي آنتالپي آيزونتروپيكي طبقات يك توربين به افت آنتالپي آيزونتروپيكي يك قسمت توربين يا كل توربين را ضريب بازگرمايش Rh مي‌نامند. واضح است كه Rh بزرگتر از يك است و مقدار آن، بسته به محدوده فشار، از كمي بيشتر از يك تا شايد ۰۶۵/۱ تغيير مي‌كند.

در صورتي كه طراح بخواهد كار طبقات با هم مساوي باشد، اين كار با تقسيم افت آنتالپي آيزوتروپيكي كل توربين به قسمتهاي مساوي امكان‌پذير نمي‌شود. چون به خاطر واگرايي خطوط فشار، كار واقعي در طبقات با هم مساوي نخواهند شد. براي اينكه كار واقعي بين طبقات مساوي يكديگر باشند، طراح بايد واگرايي خطوط تك فشار را در نظر بگيرد.

قبلاً اشاره كرديم كه طبقاتي از توربين كه در ناحيه فوق گرم عمل مي‌كنند نسبت به طبقاتي كه در ناحيه دو فازه كار مي‌كنند، بازده بيشتري دارند. بدون شك، عمكرد و بازده طبقات و يا كل توربين بخار تابعي از متغيرهاي متعدد است. به عنوان مثال، در تجزيه و تحليل چرخه بخار كه داراي توربين بازگرمايشي يا توربين با زيركش بخار است، بايد منحني شرايط توربين را كه بيشتر تحت تاثير بازده تك‌تك طبقات است تا بازده كل توربين، در دست داشت.

روشهايي كه براي پيش‌بيني عملكرد و بازده انواع توربينهاي بخار مورد استفاده قرار مي‌‌گيرند، غالباً در اختيار سازندگان توربين قرار دارند، هر چند كه برخي از آنها را مي‌توان در مراجع يافت . با استفاده از يكي از اين روشها مي‌توان عملكرد توربينهاي بزرگي را كه در نيروگاههاي مدرن هسته‌اي مورد استفاده قرار مي‌گيرند و با بخار فوق گرم پايين يا بخار اشباع كار مي‌كنند پيش بيني كرد.