تعتبر توربينات البخار من الأنواع الأساسية التي تستخدم في محطات توليد الكهرباء، إذ تستخرج هذه التوربينات الحرارة من الضغط البخاري وتحولها إلى حركة دوارة باستخدام جهاز ميكانيكي. اخترع المهندس البريطاني السير تشارلز بارسونز هذه التوربينات في عام 1884، واستبدلت تدريجيا آلات البخار التي تعمل بالمكبس، وذلك لزيادة كفاءة التوربين وزيادة الطاقة المولدة منه بالنسبة للوزن.
تستخدم التوربينات البخارية لتدوير المولدات الكهربائية التي تنتج التيار الكهربائي على المستوى الكبير في محطات القوى، حيث يتم توليد ما يقرب من 80% من الكهرباء في العالم عن طريق استخدام التوربينات البخارية.
كيف تعمل التوربينات البخارية
1 – يتم تشغيل مولد التوربين البخاري بتسخين الماء إلى درجات حرارة شديدة لتحويله إلى بخار ، ثم يتم استخدام طاقة البخار لتدوير ريش التوربين وتوليد الطاقة الميكانيكية أو الدورانية.
يتم استخدام طاقة الدوران الناتجة عن التوربين البخاري عالي الضغط لتوليد الكهرباء من خلال مولد مرفق، حيث يتم توليد الطاقة عن طريق الخطوات المتعاقبة
يتم استخدام مصدر حراري مثل الوقود الأحفوري المحترق أو الحرارة الشمسية لإنتاج طاقة حرارية.
4- تستخدم المراجل التي تحتوي على الماء، الطاقة الحرارية لتحويل الماء إلى بخار عالي الضغط ، والمرجل ” هو المكان الذى ينتج فيه البخار المحمص أو الجاف، ذو درجة الحرارة والضغط العاليين “، حيث تصل درجة حرارته إلى 540 درجة سيليزية أو 1000 درجة فهرنهيتيه ويصل ضغطه إلى 135 بار أى حوالى 2000 رطل / بوصة مربعة.
إذا كان النظام يستخدم وقودًا أحفوريًا قابلًا للاحتراق كمصدر حراري، فيتعين استخدام ماسورة عادم لإطلاق الملوثات، وإذا كان النظام يستخدم الطاقة الشمسية لتحويل الحرارة، فلا حاجة لأنبوب العادم لأن نظام الطاقة الشمسية لا يطلق أي ملوثات.
يتم ضخ البخار من الماء في المرجل إلى التوربينات البخارية، حيث تدور ريش التوربينات بفعل طاقة البخار الموجودة، وتحول هذه الطاقة إلى طاقة ميكانيكية تتمثل في حركة التوربينة التي ترتبط ميكانيكياً بالمولد، ويدور المولد بفعل هذه الحركة لينتج الكهرباء.
يجب ضبط سرعة التوربين بحيث تكون متناسبة مع سرعة المولد، لأن سرعة المولد تتحكم في التردد الخارج منه، ومن ثم يتم المحافظة على ثبات سرعة التوربين والمولد.
يتم تعليق المولد على التوربينات البخارية من خلال عمود دوري، حيث يدور التوربين البخاري ثم يدور المولد لتوليد الكهرباء.
يتم تقليل درجة حرارة البخار وضغطه عندما يدخل المرحلة الأولى من ريش التوربين. يمكن استغلال هذا البخار ذو درجة حرارة وضغط منخفضين عن طريق توجيهه إلى المرحلة الثانية من ريش التوربين. ومن أجل زيادة الكفاءة، يتم تعزيز هذا البخار بكمية إضافية من البخار الجاف.
تختلف ريش التوربينة في المرحلة الأولى، حيث تكون ريش المرحلة الثانية أكبر من ريش المرحلة الأولى، وريش المرحلة الثالثة أكبر من ريش المرحلة الثانية من حيث الحجم، وذلك للسماح للبخار بالتمدد بشكل أكبر ونقل الطاقة بشكل أفضل.
11- يمر البخار الذي يستخدم الطاقة لتدوير التوربين ويتم تبريده باستخدام برج التبريد، حيث أنه بمجرد تحول الطاقة الموجودة في البخار إلى طاقة حركة للتوربينة، فإن هذا البخار الخارج يكون قد أدى دوره كاملا ولابد أن يكثف مرة أخرى إلى ماء لنعيد تسخينه من جديد لتكتمل الدورة ويتم ذلك عن طريق المكثف وبرج التبريد
يقوم برج التبريد بإطلاق الطاقة المستخدمة بالفعل وانخفاض الطاقة والبخار المبرد في الغلاف الجوي.
يتم ضخ المياه المتبقية التي تم تبريدها مرة أخرى إلى الحالة السائلة في المرجل، ويتم تكرار العملية مرارًا وتكرارًا، مما يؤدي إلى إنتاج طاقة أكبر من البخار.
تعد قلة كفاءة تحويل طاقة الوقود إلى طاقة ميكانيكية ومن ثم إلى طاقة كهربائية، أحد العيوب الرئيسية للتوربينات البخارية، حيث تتراوح كفاءة تحويل الطاقة بين 25% و35%، وهي بالطبع كفاءة منخفضة للغاية، وعلى الرغم من ذلك.
يُعد استخدام التوربينات البخارية في المحطات الكبيرة لتوليد الطاقة الكهربائية من بين أكثر الأنواع استخدامًا.