Термоядрена електроцентрала – Компоненти работа и избор на място

Какво е термална електроцентрала?

Законът за запазване на енергията гласи, че енергията не може да бъде създадена или унищожена; вместо това, тя може само да се преобразува от една форма в друга. Електрическата енергия, по-специално, може да бъде извлечена от различни източници на енергия. Обекти, проектирани за генериране на масови количества електрическа енергия, обикновено се наричат електроцентрали или електростанции.

Термалната електроцентрала е вид обект за производство на електроенергия, който преобразува топлинна енергия в електрическа енергия. Топлинната енергия за тези централи може да произхожда от различни източници, включително въглище, дизел, биогорива, слънчева енергия и ядрена енергия. Въпреки че терминът "термална електроцентрала" технически може да включва централи, използващи различни източници на топлина, най-често той се свързва с централи, които разчитат на въглище за генериране на топлина. Така, термалните електроцентрали се считат за конвенционални системи за производство на електроенергия. Те понякога се наричат още парни турбинни електроцентрали или въглеродни електроцентрали, отразявайки основния горивен източник и ключовия механизъм за преобразуване на енергия, използван в тях.

Работа на термалната електроцентрала

Термалните електроцентрали работят въз основа на цикъла Ранкин, фундаментален термодинамичен цикъл за преобразуване на топлина в механична работа, която след това се използва за генериране на електричество. Следващата диаграма или план на термална електроцентрала предоставя визуално представяне на нейните оперативни компоненти и процеси.

Вътрешната работа и компонентите на термалната електроцентрала

Оперативен процес

Термалните електроцентрали изискват значително количество гориво, обикновено въглище. Учитывайки големия обем, необходим, въглището обикновено се превозва с влакове и се съхранява в специални зони за съхранение на гориво. Начално, суровото въглище е прекалено голямо за директно използване в котела. За решаване на този проблем, то се подава в дробилка, която го разбива на по-малки, по-управляеми парчета, преди да бъде транспортирано към котела.

Освен въглището, значително количество вода е необходимо за производството на пара в котела. Преди да влезе в системата, водата минава през процес на обработка. Тя преминава през различни филтри, за да се премахнат замърсенията и всички растворени въздух, осигурявайки нейната чистота. След обработването, водата се насочва към барабана на котела. В барабана на котела, топлината, генерирана от горенето на въглището, се прехвърля към водата. В резултат, водата преминава през фазово променяне и се трансформира в пара.

Произведената пара е високонапредна и високотемпературна, което я прави идеална за генериране на енергия. Тази пара се насочва към супернагревателя, където се нагрява допълнително, за да се увеличи нейната термална енергия. Супернагретата пара последователно се насочва към лопатките на турбината. Като парата се движи над лопатките на турбината, нейната термална енергия се преобразува в механична ротационна енергия от турбината.

Турбината е механично свързана с алтернатора чрез общ вал. Като турбината се върти, тя задвижва ротора на алтернатора. Алтернаторът, от своя страна, преобразува тази механична енергия в електрическа енергия. За ефективно пренасяне на генерираната електрическа енергия на дълги разстояния, тя минава през трансформатор, който повишава напрежението. Високонапреженната електроенергия след това се изпраща през предавателни линии, за да достигне крайните потребители, или нагрузките, в електрическата мрежа.

След преминаването през турбината, парата, вече с по-ниско напрежение и температура, се насочва към кондензатора. В кондензатора, студена вода циркулира около парата, причинявайки й да се кондензира обратно до течна състояние. Този процес на кондензация освобождава останалата топлина от парата, ефективно намалявайки нейното напрежение и температура. Чрез възстановяването на водата по този начин, се увеличава ефективността на цикъла за генериране на енергия.

Кондензираната вода след това се насочва обратно към котела с помощта на помпа за питателна вода, готова да бъде отново нагрята и преобразувана в пара, така завършвайки цикъла. Междувременно, пепелта, породена като вторичен продукт от горенето на въглището, се изважда от печката на котела. Правилното изхвърляне на тази пепел е важно, за да се предотврати околната среда. Освен това, при горенето на въглището в котела, се произвеждат коминни газове, които се изпускат в атмосферата чрез комина.

Основни компоненти

Термалната електроцентрала се състои от няколко интегрални компонента, които работят в хармония, за да облекчат процеса на генериране на енергия:

• Котел: Сърцето на термалната електроцентрала, където се случва горенето на въглището, и топлината се прехвърля към водата, за да се произведе пара.

• Турбина: Преобразува термалната енергия на високонапредната пара в механична ротационна енергия.

• Супернагревател: Повишава температурата на парата, произведена в котела, увеличавайки нейното енергийно съдържание за по-ефективно генериране на енергия.

• Кондензатор: Кондензира изтощения пара от турбината обратно в вода, възстановявайки топлината и поддържайки ефективността на цикъла.

• Економайзер: Предварително нагрява питателната вода, използвайки топлината от коминните газове, намалявайки общото енергийно потребление на котела.

• Помпа за питателна вода: Циркулира кондензираната вода от кондензатора обратно към котела, осигурявайки непрекъснато доставяне за производството на пара.

• Алтернатор: Преобразува механичната енергия от турбината в електрическа енергия, която може да бъде разпределена чрез електрическата мрежа.

• Комин: Разпространява коминните газове, произведени при горенето на въглището, в атмосферата по контролиран начин.

• Охладителна кула: Фасилитира охлаждането на водата, използвана в кондензатора, позволявайки ѝ да бъде рециклирана и повторно използвана в процеса на генериране на енергия.

Компоненти, избор на място и ефективност на термалните електроцентрали

Основни компоненти на термалните електроцентрали

Котел

Дробесто въглище, придружено от предварително нагрет въздух, се подава в котела, който служи като основен компонент за генериране на високонапредна пара. Неговата основна функция е да преобразува химичната енергия, съхранена във въглището, в термална енергия чрез процеса на горене. Като въглището гори в котела, то генерира интензивна топлина, достигаща температури, достатъчни да преобразуват водата в пара. Размерът на котела е пряко определен от топлинните нужди на термалната електроцентрала. Има многообразие от котли, използвани в термалните електроцентрали, включително Haycock и wagon top котли, firetube котли, цилиндрични fire-tube котли и water-tube котли, всеки със свои дизайн характеристики и оперативни предимства.

Турбина

Високонапредната и високотемпературна супернагрета пара, произведена от котела, се насочва към турбината. Когато тази пара удари лопатките на турбината, тя я поставя в движение. Турбината е сложен механичен апарат, специално изработен, за да преобразува термалната енергия на пара в ротационна кинетична енергия. Механично свързана с алтернатора чрез вал, ротацията на турбината задвижва ротора на алтернатора. След като парата премине през турбината, нейната температура и напрежение намаляват, и тя се насочва към кондензатора за допълнителна обработка.

Супернагревател

В система за генериране на енергия, базирана на парна турбина, супернагретата пара е необходима за ефективна работа на турбината. Мокра и насыщена пара, излизаща от котела, се подава в супернагревателя. Този апарат играе ключова роля, преобразувайки парата в суха и супернагрета, значително увеличавайки нейното термално енергийно съдържание. Сред всички компоненти на термалната електроцентрала, супернагревателят работи при най-висока температура. Три основни типа супернагреватели са често използвани: конвекционни супернагреватели, които прехвърлят топлина чрез конвекционни потоци; радиационни супернагреватели, които разчитат на радиационно прехвърляне на топлина; и самостоятелно горещи супернагреватели. Чрез увеличаване на температурата на парата, произведена от котела, супернагревателят увеличава общата ефективност на процеса на генериране на енергия.

Кондензатор

След като парата премине през турбината и нейната температура и напрежение намалят, изтощеният пара се рециклира обратно в цикъла на генериране на енергия. За оптимизиране на ефективността на турбината, е необходимо да се кондензира този пара, създавайки и поддържайки подходящ вакуум. Кондензаторът постига това, намалявайки работното напрежение, което увеличава нивото на вакуума. Това увеличение на вакуума причинява обемът на парата да се разшири, позволявайки извличането на повече работа от парата в турбината. В резултат, общата ефективност на електроцентралата се увеличава, със съответно увеличение на изхода на турбината.

Економайзер

Економайзерът е специализиран теплообменник, предназначен да минимизира енергийното потребление в електроцентралата. Коминните газове, богати на термална енергия, се изхвърлят от котела в атмосферата. Економайзерът използва топлината от тези коминни газове, за да предварително нагрее водата. Водата, възстановена от кондензатора, се насочва към экономайзера с помощта на помпа за питателна вода. Тук, тя абсорбира топлината от коминните газове, повишавайки нейната температура, преди да влезе в котела. Чрез повторно използване на отпадъчната топлина от коминните газове, экономайзерът значително увеличава общата ефективност на цикъла за генериране на енергия.

Помпа за питателна вода

Помпата за питателна вода е отговорна за доставянето на вода към котела. Източникът на вода може да бъде или кондензирана вода от кондензатора, или прясна вода. Тази помпа увеличава напрежението на водата, осигурявайки непрекъснато и адекватно доставяне, за да отговаря на нуждите на котела. Обикновено, помпите за питателна вода са центробежни или с положително разместим тип, всеки предлагайки различни предимства във връзка с производителността и ефективността.

Алтернатор

Механично свързан с турбината чрез споделен вал, алтернаторът играе ключова роля в процеса на генериране на енергия. Като турбината се върти под влиянието на парата, тя задвижва ротора на алтернатора. Тази ротация индуцира електромагнитно поле, генерирайки електрическа енергия. По същество, алтернаторът служи като преобразувател, преобразувайки кинетичната енергия на ротацията на турбината в електрическа енергия, която може да бъде предавана и разпределена чрез електрическата мрежа.

Комин

В повечето термални електроцентрали, използващи въглище като гориво, процесът на горене в котела генерира коминни газове. Коминът предоставя път за безопасно изхвърляне на тези коминни газове в атмосферата. Неговата работа е основана на принципите на естественото драфт и ефекта на стълба. Горещият въздух, бъдучи по-малко плътен, се издига, създавайки драфт, който извлича коминните газове нагоре. Височината на комина е критичен фактор; по-високите комини генерират по-силен драфт, осигурявайки по-ефективно разпространение на газовете.

Охладителна кула

Както подсказва името, охладителната кула се използва главно за разсейване на отпадъчна топлина в атмосферата. Използвайки различни методи за прехвърляне на топлина, охладителната кула позволява топлината от водата да се испарява, оставяйки по-студена вода, която може да бъде повторно използвана в процеса на генериране на енергия. Водата, кондензирана от пара в кондензатора, се насочва към охладителната кула. Принудителни охладителни кули са често използвани в термалните електроцентрали, където въздухът се циркулира от долната част към горната част на кулата, увеличавайки ефективността на прехвърлянето на топлина.

Критерии за избор на място за термални електроцентрали

Наличие на гориво

Учитывайки, че въглището е доминиращо гориво в повечето термални електроцентрали и значителното количество, необходимо за генериране на електричество в голям мащаб, разположението на електроцентралата близо до въглищна мина е много благоприятно. Тази близост значително намалява транспортните разходи, правейки процеса на генериране на електроенергия по-икономически жизнеспособен.

Транспортна инфраструктура

Термалните електроцентрали разполагат с множество голями машини и оборудване. Следователно, местоположението на електроцентралата трябва да бъде избрано в област с отлична транспортна инфраструктура. Надежден железопътен или пътнически транспорт е необходим за ефективното движение на въглище, както и за доставката на ново оборудване и транспортирането на работници, техници и инженери. Освен това, наличието на обществен транспорт в близостта осигурява удобен достъп за персонала на електроцентралата.

Наличие на вода

Термалната електроцентрала изисква огромно количество вода за производството на високонапредна и високотемпературна пара. Следователно, електроцентралата трябва да бъде разположена близо до брега на река или на място с постоянен и обилен източник на вода, за да удовлетвори непрекъснатата нужда от вода, използвана в процесите на производство на пара и охлаждане.

Наличие на земя

Изграждането на термална електроцентрала изисква голяма площ. Освен това, цената на земята трябва да бъде разумна. При избора на местоположението, трябва да се предвидят и възможности за бъдещо разширение. Тъй като електроцентралата разполага с тежко оборудване, земята трябва да има достатъчна носеща способност, а силна основа е необходима, за да поддържа оборудването.

Разстояние от населени места

Термалните електроцентрали излъчват коминни газове, пепел, прах и дим по време на работа, всички от които представляват значителен риск за здравето на хората и могат да причинят околната среда на обкръжаващата атмосфера и земя. За минимизиране на тези въздействия, електроцентралата трябва да бъде разположена далеч от градски райони, жилищни общности и земеделски ферми. Освен това, шумът, генериран от машините на електроцентралата, като алтернатори, трансформатори, вентилатори и турбини, допълнително настоява за нейното разположение на отдалечено място.

Фасилитети за изхвърляне на пепел

Горенето на въглище води до генериране на пепел, която представлява приблизително 30-40% от общото потребителство на въглище. Правилното изхвърляне на пепел е от най-голяма важност. Пепелта се събира от дъното на печката на котела, и значителна част от нея се изнася от коминните газове. За управление на пепелта ефективно, се използват две основни системи за обработка на пепел: система за обработка на дънна пепел и система за обработка на летяща пепел. Местоположението на електроцентралата трябва да разполага с подходящи фасилитети за безопасно и екологично изхвърляне на тази пепел.