Teplárna – součásti funkce a výběr lokality

Co je tepelná elektrárna?

Zákon o zachování energie stanovuje, že energii nelze vytvořit ani zničit, může se pouze přeměnit z jedné formy na jinou. Elektrická energie lze získat z různých zdrojů energie. Zařízení navržená k výrobě velkého množství elektrické energie se běžně označují jako elektrárny nebo výrobní stanice.

Tepelná elektrárna je typ výrobního zařízení, který přeměňuje tepelnou energii na elektrickou energii. Tepelná energie pro tyto elektrárny může pocházet z různých zdrojů, včetně uhlí, nafty, biopaliv, solární energie a jaderné energie. Ačkoli termín "tepelná elektrárna" technicky může zahrnovat elektrárny využívající různé zdroje tepla, nejčastěji se tím myslí elektrárny, které k výrobě tepla využívají uhlí. Tepelné elektrárny jsou považovány za tradiční systémy pro výrobu elektřiny. Někdy jsou také známé jako parní turbínové elektrárny nebo uhelné elektrárny, což odráží hlavní palivo a klíčový mechanismus převodu energie, který jsou používány.

Funkce tepelné elektrárny

Tepelné elektrárny fungují na principu Rankinova cyklu, základního termodynamického cyklu pro převod tepla na mechanickou práci, která se pak používá k výrobě elektřiny. Následující jednoliniový diagram nebo rozvržení tepelné elektrárny poskytuje vizuální reprezentaci jejích operačních komponent a procesů.

Vnitřní fungování a komponenty tepelné elektrárny

Operační proces

Tepelné elektrárny vyžadují velké množství paliva, obvykle uhlí. Vzhledem k tomu, že je potřeba velké množství, se uhlí běžně přepravuje vlaky a skladuje se v určených oblastech pro skladování paliva. Původní nerostané uhlí je pro přímé použití v kotli příliš velké. K řešení tohoto problému se uhlí dopravuje do drtiče, který ho rozmělní na menší, lépe zvládnutelné části, než se dostane do kotle.

Kromě uhlí je pro výrobu páry v kotli nezbytné i významné množství vody. Než voda vstoupí do systému, podstupuje proces čištění. Prochází různými filtry, které odstraňují nečistoty a rozpustený vzduch, aby byla zajistěna její čistota. Po čištění se voda vedle kotelové bubnu. Uvnitř kotelového bubnu se teplo vygenerované spalováním uhlí přenáší na vodu. V důsledku toho voda prochází fázovou změnou a transformuje se na páru.

Vyprodukovaná pára má vysoký tlak a vysokou teplotu, což ji činí ideální pro výrobu elektřiny. Tato pára je následně směrována do superohřívače, kde je dále ohřívána, aby se zvýšila její tepelná energie. Superohřátá pára je pak směrována k lopatkám turbíny. Když pára proudí přes lopatky turbíny, její tepelná energie se přemění na mechanickou rotující energii turbínou.

Turbína je mechanicky spojena s alternátorem prostřednictvím společného hřídele. Když turbína otáčí, pohání rotor alternátoru. Alternátor pak přeměňuje tuto mechanickou energii na elektrickou energii. Aby se vygenerovaná elektrická energie efektivně přenášela na dlouhé vzdálenosti, projde transformátorem, který zvýší napětí. Vysokonapěťový proud je pak odeslán přes přenosové linky, aby dosáhl konečných uživatelů nebo spotřebičů v elektrizační síti.

Po průchodu turbínou je pára, nyní s nižším tlakem a teplotou, směrována do kondenzátoru. V kondenzátoru se chladná voda obíhá kolem páry, což způsobí, že se vrátí do kapalného stavu. Tento proces kondenzace uvolňuje zbývající teplo z páry, což efektivně snižuje její tlak a teplotu. Tím, že se voda získává touto cestou, se zvýší efektivita cyklu výroby elektřiny.

Skondenzovaná voda je pak pumpována zpět do kotle pomocí vodního čerpadla, připravena být opět ohřáta a přeměněna na páru, čímž se dokončí cyklus. Mezitím je popelec, který je vedlejším produktem spalování uhlí, odstraněn z kotelového topného prostoru. Správné likvidace tohoto popelku je klíčové k prevenci environmentálních škod. Kromě toho během spalování uhlí v kotli se produkuje odpadní plyn, který je uvolněn do atmosféry přes komín.

Klíčové komponenty

Tepelná elektrárna se skládá z několika integrovaných komponent, které pracují v harmonii, aby umožnily proces výroby elektřiny:

• Kotel: Srdce tepelné elektrárny, kde probíhá spalování uhlí a teplo se přenáší na vodu, aby se vytvořila pára.

• Turbína: Přeměňuje tepelnou energii vysokotlaké páry na mechanickou rotující energii.

• Superohřívač: Zvyšuje teplotu páry vyrobené v kotli, zvyšuje její energetický obsah pro efektivnější výrobu elektřiny.

• Kondenzátor: Skondenzuje výfukovou páru z turbíny zpět na vodu, získává teplo a udržuje efektivitu cyklu.

• Ekonomizér: Předehřívá vodní zásobu pomocí tepla odpadních plynů, snižuje celkové spotřebu energie kotlem.

• Vodní čerpadlo: Obíhá skondenzovanou vodu z kondenzátoru zpět do kotle, zajistí nepřetržitou dodávku pro výrobu páry.

• Alternátor: Přeměňuje mechanickou energii z turbíny na elektrickou energii, která může být distribuována přes elektrizační síť.

• Komín: Rozptyluje odpadní plyn vyprodukovaný během spalování uhlí do atmosféry kontrolovaným způsobem.

• Chladicí věž: Podporuje ochlazování vody použité v kondenzátoru, umožňuje jí být recyklována a znovu použita v procesu výroby elektřiny.

Komponenty, výběr lokality a efektivita tepelných elektráren

Klíčové komponenty tepelných elektráren

Kotel

Mleté uhlí doprovázené předehřátým vzduchem se dopravuje do kotle, který slouží jako základní komponenta pro výrobu vysokotlaké páry. Jeho hlavní funkce je přeměnit chemickou energii uloženou v uhlí na tepelnou energii prostřednictvím spalovacího procesu. Když uhlí hoří uvnitř kotle, vygeneruje intenzivní teplo, dosažení teplot dostatečných k přeměně vody na páru. Velikost kotle je přímo určena tepelnými požadavky tepelné elektrárny. Existuje široká škála kotlů používaných v tepelných elektrárnách, včetně Haycock a wagon top kotlů, firetube kotlů, válcových fire-tube kotlů a water-tube kotlů, každý s vlastními designovými charakteristikami a operačními výhodami.

Turbína

Vysokotlaká a vysokoteplotní superohřátá pára, vyrobená v kotli, je směrována k turbíně. Když tato pára zasáhne lopatky turbíny, nastaví turbínu do pohybu. Turbína je sofistikované mechanické zařízení speciálně konstruované k přeměně tepelné energie páry na rotující kinetickou energii. Mechanicky spojená s alternátorem prostřednictvím hřídele, otáčení turbíny pohání rotor alternátoru. Jakmile pára projde turbínou, její teplota a tlak klesnou a je pak směrována do kondenzátoru pro další zpracování.

Superohřívač

V systému výroby elektřiny založeném na parní turbíně je superohřátá pára klíčová pro efektivní provoz turbíny. Mokrá a nasycená pára, vycházející z kotle, je dopravována do superohřívače. Toto zařízení hraje klíčovou roli v přeměně páry na suchou a superohřátou páru, značně zvyšuje její tepelný energetický obsah. Mezi všechny komponenty tepelné elektrárny superohřívač pracuje při nejvyšší teplotě. Tři hlavní typy superohřívačů jsou běžně používány: konvekční superohřívače, které přenášejí teplo prostřednictvím konvekčních proudů; radiální superohřívače, které se spoléhají na radiální přenos tepla; a samostatně palivové superohřívače. Zvyšováním teploty páry vyrobené v kotli superohřívač zvyšuje celkovou efektivitu procesu výroby elektřiny.

Kondenzátor

Po průchodu páry turbínou a poklesu její teploty a tlaku je odpadní pára recyklována zpět do cyklu výroby elektřiny. Aby byla optimalizována efektivita turbíny, je nutné kondenzovat tuto páru, vytvářet a udržovat správný vakuum. Kondenzátor toto dosahuje snížením provozního tlaku, což zvyšuje úroveň vakua. Toto zvýšení vakua způsobuje, že objem páry se rozšiřuje, což umožňuje extrahovat více práce z páry v turbíně. V důsledku toho se celková efektivita elektrárny zlepší, s odpovídajícím zvýšením výstupu turbíny.

Ekonomizér

Ekonomizér je specializovaný výměník tepla navržený k minimalizaci spotřeby energie uvnitř elektrárny. Odpadní plyn, bohatý na tepelnou energii, je vyplachován z kotle do atmosféry. Ekonomizér využívá teplo z těchto odpadních plynů k předehřátí vody. Voda získaná z kondenzátoru je pumpována do ekonomizéru vodním čerpadlem. Zde absorbuje teplo z odpadních plynů, zvyšuje svou teplotu před vstupem do kotle. Tím, že se využije odpadní teplo odpadních plynů, ekonomizér značně zvyšuje celkovou efektivitu cyklu výroby elektřiny.

Vodní čerpadlo

Vodní čerpadlo je odpovědné za zásobování vody do kotle. Zdrojem vody může být buď skondenzovaná voda z kondenzátoru, nebo čerstvá voda. Toto čerpadlo zvyšuje tlak vody, zajišťuje nepřetržitou a dostatečnou dodávku splňující požadavky kotle. Běžně se vodní čerpadlo používá centrifugálního nebo pozitivního výměnného typu, každý nabízí vlastní výhody v oblasti výkonu a efektivity.

Alternátor

Mechanicky spojen s turbínou prostřednictvím sdíleného hřídele, alternátor hraje klíčovou roli v procesu výroby elektřiny. Jak turbína otáčí pod vlivem páry, pohání rotor alternátoru. Toto otáčení indukuje elektromagnetické pole, generuje elektrickou energii. V esenci alternátor slouží jako převodník, přeměňující kinetickou energii otáčení turbíny na elektrickou energii, která může být přenášena a distribuována přes elektrizační síť.

Komín

V těchto tepelných elektrárnách, které využívají uhlí jako palivo, spalovací proces v kotli generuje odpadní plyn. Komín poskytuje cestu pro bezpečné uvolnění těchto odpadních plynů do atmosféry. Jeho operace je založena na principech přirozeného odstředivého efektu a stěnového efektu. Horký vzduch, který je méně hustý, stoupá, vytvářející odstředivý efekt, který odvádí odpadní plyn nahoru. Výška komínu je klíčový faktor; vyšší komíny generují silnější odstředivý efekt, což umožňuje efektivnější disperzi plynů.

Chladicí věž

Jak naznačuje název, chladicí věž je primárně používána k odvádění odpadního tepla do atmosféry. Používající různé metody přenosu tepla, chladicí věž umožňuje, aby teplo z vody unikalo vodním párou, zanechávající za sebou chladnější vodu, která může být znovu použita v cyklu výroby elektřiny. Voda skondenzovaná z páry v kondenzátoru je směrována do chladicí věže. Přinutitelné proudění chladicí věže jsou běžně používány v tepelných elektrárnách, kde se vzduch obíhá zespodu k horní části věže, což zvyšuje efektivitu přenosu tepla.

Kritéria výběru lokality pro tepelné elektrárny

Dostupnost paliva

Vzhledem k tomu, že uhlí je dominantním palivem v těchto tepelných elektrárnách a potřebné množství uhlí pro výrobu elektřiny na velkou škálu, umístění elektrárny blízko uhlínu je velmi výhodné. Tato blízkost značně snižuje náklady na přepravu, což činí proces výroby elektřiny ekonomicky výhodnějším.

Přepravní zařízení

Tepelné elektrárny obsahují mnoho velkých strojů a zařízení. Proto musí být místo pro elektrárnu vybráno v oblasti s vynikající přepravní infrastrukturou. Spolehlivá železniční nebo silniční doprava je nezbytná pro efektivní přepravu uhlí, stejně jako pro doručení nového zařízení a přepravu pracovníků, techniků a inženýrů. Navíc dostupnost veřejné dopravy v okolí zajišťuje pohodlný přístup pro pracovní sílu elektrárny.

Dostupnost vody

Tepelná elektrárna vyžaduje obrovské množství vody pro výrobu vysokotlaké a vysokoteplotní páry. Proto by měla být umístěna poblíž břehu řeky nebo v oblasti s konzistentním a hojným zásobem vody, aby splnila kontinuální potřebu vody používané v procesech výroby páry a chlazení.

Dostupnost pozemků

Stavba tepelné elektrárny vyžaduje velké prostory. Kromě toho by měla být cena pozemku rozumná. Při výběru lokality by se měly zohlednit i možnosti budoucí expanze. Protože elektrárna obsahuje těžká zařízení, musí mít půda dostatečnou nosnost a pevný základ, který bude podporovat zařízení.

Vzdálenost od obydlených oblastí

Tepelné elektrárny během provozu uvolňují odpadní plyn, popelek, prach a kouř, což představuje významné zdravotní rizika pro lidi a může způsobit environmentální škody okolní atmosféře a půdě. Aby byly tyto dopady minimalizovány, by měla být elektrárna umístěna daleko od městských oblastí, obytných komunit a zemědělských farm. Kromě toho hluk generovaný stroji elektrárny, jako jsou alternátory, transformátory, ventilátory a turbíny, dále vyžaduje její umístění v vzdálené lokalitě.

Zařízení pro likvidaci popelku

Spalování uhlí vede k vytvoření popelku, který představuje přibližně 30 - 40% celkové spotřeby uhlí. Správná likvidace popelku je nezbytná. Popel se shromažďuje ze dna kotelového topného prostoru a významná část je unášena odpadními plyny. K efektivnímu řízení popelku se používají dvě hlavní systémy: systém pro likvidaci popelku z dna a systém pro likvidaci letitého popelku. Lokalita elektrárny by měla mít vhodná zařízení pro bezpečnou a environmentálně přijatelnou likvidaci tohoto popelku.

Blízkost k centru spotřeby

Elektrická energie vygenerovaná alternátorem je zvýšena v napětí transformátorem před přenosem do centra spotřeby přes přenosové linky. Umístění tepelné elektrárny blízko k centru spotřeby snižuje náklady a ztráty při přenosu, což zajišťuje efektivnější a ekonomickou distribuci elektřiny.

Efektivita tepelných elektráren

V tepelné elektrárně výroba elektřiny zahrnuje několik etap převodu energie. Nejprve se chemická energie uhlí přemění na tepelnou energii. Tato tepelná energie je pak přeměněna na kinetickou nebo mechanickou energii, která je nakonec přeměněna na elektrickou energii. V důsledku těchto několika etap převodu energie je celková efektivita tepelných elektráren relativně nízká, obvykle se pohybuje v rozmezí 20 - 29%.

Efektivita tepelné elektrárny je ovlivněna různými faktory, včetně velikosti elektrárny a kvality uhlí, které se používá. Významné množství tepelné energie je ztraceno v kondenzátoru během procesu výroby elektřiny. Existují dva hlavní typy ukazatelů efektivity používané k hodnocení tepelných elektráren:

Tepelná efektivita

Tepelná efektivita je definována jako poměr mechanické energie, vyjádřené v tepelných ekvivalenty, dostupné v turbíně k celkové tepelné energii uvolněné během spalování uhlí v kotli. Měří účinnost převodu tepelné energie ze spalování uhlí na užitečnou mechanickou práci v turbíně.

Tepelná efektivita