Varmekraftværk – Komponenter, funktion og placering

Hvad er en varmekraftværk?

Loven om energibevarelse siger, at energi ikke kan oprettes eller ødelægges; i stedet kan den kun omdannes fra en form til en anden. Elektrisk energi kan især udnyttes fra en række energikilder. Anlæg, der er designet til at producere stor-skala elektrisk energi, kaldes ofte for kraftværker eller kraftstationer.

En varmekraftværk er en type energigenereringsanlæg, der konverterer varmeeget til elektrisk energi. Varmeeget til disse anlæg kan komme fra forskellige kilder, herunder kul, diesel, biobrændstof, solenergi og kernekraft. Selvom termen "varmekraftværk" teknisk set kan omfatte anlæg, der bruger forskellige varmekilder, er det mest almindeligt forbundet med anlæg, der anvender kul til at generere varme. Derfor anses varmekraftværker for konventionelle energigenereringsystemer. De er nogle gange også kendt som damp-turbine kraftværker eller kul-drevne kraftværker, hvilket afspejler den primære brændstofkilde og den vigtigste energioversættelsesmekanisme, der anvendes.

Funktionsmåde af en varmekraftværk

Varmekraftværker fungerer på basis af Rankine-cyklussen, en fundamental termodynamisk cyklus til konvertering af varme til mekanisk arbejde, som derefter bruges til at generere elektricitet. Den følgende en-linjes diagram eller layout af en varmekraftværk giver en visuel repræsentation af dets operationelle komponenter og processer.

Indre funktioner og komponenter i en varmekraftværk

Operationel proces

Varmekraftværker kræver en betydelig mængde brændstof, typisk kul. Givet den store mængde, der er nødvendig, transporteres kul ofte via tog og lagres i dedikerede brændstoflagringsområder. I begyndelsen er det rå kul for stort til direkte brug i keden. For at løse dette problem fødes det ind i en knuser, der reducerer det til mindre, mere håndterbare stykker, før det bliver overført til keden.

Udover kul er en betydelig mængde vand afgørende for dampproduktion i keden. Inden det går ind i systemet, gennemgår vandet en behandlingsproces. Det passerer gennem forskellige filtre for at fjerne urenheder og eventuelt opløst luft, hvilket sikrer dets renhed. Når det er behandlet, rettes vandet mod keddrommen. Indeni keddrommen overføres den varme, der dannes ved kulforbrænding, til vandet. Som resultat udfører vandet en fasenormal og forvandles til damp.

Den producerede damp er højtryk og højt temperatur, hvilket gør den ideel til strømproduktion. Dampen ledes herefter til en overheder, hvor den opvarmes yderligere for at øge dens termiske energi. Den overhede damp ledes derefter mod turbineblade. Når dampen flyder over turbineblade, omdannes dens termiske energi til mekanisk rotationsenergi af turbinen.

Turbinen er mekanisk koblet til en alternator via en fælles akse. Når turbinen roterer, driver den rotor på alternatoren. Alternatoren omdanner derefter denne mekaniske energi til elektrisk energi. For at effektivt overføre den producerede elektriske energi over lange afstande sendes den gennem en transformer, der forhøjer spændingen. Højspændingsstrømmen sendes derefter gennem transmissionsledninger for at nå slutbrugere, eller belastninger, i strømnettet.

Efter at være gået gennem turbinen, dirigeres dampen, nu med lavere tryk og temperatur, til en kondensator. I kondensatoren cirkulerer koldt vand rundt om dampen, hvilket får den til at kondensere tilbage til sit væsketilstand. Denne kondensationsproces frigør den resterende varme fra dampen, hvilket effektivt reducerer dens tryk og temperatur. Ved at genoprette vandet på denne måde forbedres effektiviteten af strømproduktionscyklussen.

Det kondenseret vand pumperes derefter tilbage til keden ved hjælp af en feedwater-pumpe, klar til at blive opvarmet og omdannet til damp igen, således fuldender cyklussen. Samtidig fjernes asken, der dannes som en biprodukt af kulforbrænding, fra kedens ovn. Rigtig bortskaffelse af denne aske er afgørende for at forebygge miljøskader. Desuden produceres fluegasser under kulforbrænding i keden, og de slippes ud i atmosfæren gennem skorstenen.

Nøglekomponenter

En varmekraftværk består af flere integrerede komponenter, der samarbejder for at lette strømproduktionsprocessen:

• Ked: Hjertet i varmekraftværket, hvor kulforbrænding finder sted, og varme overføres til vand for at producere damp.

• Turbin: Konverterer den termiske energi i højtryksdamp til mekanisk rotationsenergi.

• Overheder: Øger temperaturen på dampen, der produceres i keden, for at øge dens energiindhold for mere effektiv strømproduktion.

• Kondensator: Kondenserer den udmattede damp fra turbinen tilbage til vand, hvilket genopretter varme og fastholder cyklussens effektivitet.

• Økonomiserer: Forvarmer feedwatervandet ved hjælp af varme fra fluegasser, hvilket reducerer keden's samlede energiforbrug.

• Feedwater-pumpe: Cirkulerer det kondenseret vand fra kondensatoren tilbage til keden, hvilket sikrer en kontinuerlig forsyning til dampproduktion.

• Alternator: Omdanner den mekaniske energi fra turbinen til elektrisk energi, som kan distribueres gennem strømnettet.

• Skorsten: Fordeler fluegasser, der produceres under kulforbrænding, i atmosfæren på en kontrolleret måde.

• Køletårn: Faciliterer køling af vandet, der bruges i kondensatoren, hvilket gør det muligt at recirculere og genbruge det i strømproduktionsprocessen.

Komponenter, lokalitetsvalg og effektivitet af varmekraftværker

Nøglekomponenter i varmekraftværker

Ked

Pulveriseret kul, ledsaget af forvarmet luft, fødes ind i keden, som er den centrale komponent for at generere højtryksdamp. Dens primære funktion er at omdanne det kemiske energilagrede i kul til termisk energi gennem forbrændingsprocessen. Når kul brænder inde i keden, genererer det intens varme, der når temperaturer, der er tilstrækkelige til at omdanne vand til damp. Størrelsen på keden fastsættes direkte af varmeanlæggets varmebehov. Der findes en mangfoldighed af keder, der anvendes i varmekraftværker, herunder Haycock- og wagon top-keder, firetube-keder, cylindrisk fire-tube-keder og water-tube-keder, hver med deres egne designegenskaber og driftsfordele.

Turbin

Højtryks- og højt temperatur superheated damp, produceret af keden, dirigeres mod turbinen. Når denne damp rammer turbineblade, sætter den turbinen i bevægelse. Turbinen er et sofistikerede mekaniske enhed specifikt konstrueret til at omdanne dampens termiske energi til rotationskinetisk energi. Mekanisk koblet til en alternator via en akse, turbinens rotation driver alternatorens rotor. Når dampen går gennem turbinen, falder dens temperatur og tryk, og den dirigeres derefter til kondensatoren for videre behandling.

Overheder

I en damp-turbine-baseret strømproduktionsenhed er superheated damp afgørende for effektiv turbinedrift. Våd og satureret damp, der kommer fra keden, fødes ind i overhederen. Denne enhed har en afgørende rolle i at omdanne dampen til tør og superheated damp, hvilket betydeligt øger dens termiske energiindhold. Blandt alle komponenterne i en varmekraftværk, opererer overhederen ved den højeste temperatur. Tre hovedtyper overheder anvendes ofte: konvektionsoverheder, der overfører varme gennem konvektionstrømninger; strålingsoverheder, der afhænger af strålingsoverførsel; og separat forbrændte overheder. Ved at forbedre temperaturen på dampen, der produceres af keden, forøger overhederen den samlede effektivitet af strømproduktionsprocessen.

Kondensator

Efter at dampen har passerede gennem turbinen, og dens temperatur og tryk er faldet, recycleres udmattede dampen tilbage i strømproduktionscyklussen. For at optimere turbinens effektivitet er det nødvendigt at kondensere denne damp, der skaber og vedligeholder en passende vakuum. Kondensatoren opnår dette ved at reducere driftstrykket, hvilket øger vakuumniveauet. Denne stigning i vakuum får dampens volumen til at udvide sig, hvilket gør det muligt at udtrække mere arbejde fra dampen i turbinen. Som resultat forbedres kraftværkets samlede effektivitet, med en tilsvarende stigning i turbinens output.

Økonomiserer

Økonomisereren er en specialiseret varmeudveksler, der er designet til at minimere energiforbrug i kraftværket. Fluegasser, der er rig på termisk energi, udsendes fra keden til atmosfæren. Økonomisereren udnytter varmen fra disse fluegasser til at forvarme vandet. Vand, der er genoprettet fra kondensatoren, pumperes til økonomisereren af feedwater-pumpen. Her absorberer det varmen fra fluegasserne, hvilket øger dets temperatur, inden det går ind i keden. Ved at genbruge affaldsvarme fra fluegasserne forbedrer økonomisereren betydeligt den samlede effektivitet af strømproduktionscyklussen.

Feedwater-pumpe

Feedwater-pumpen er ansvarlig for at levere vand til keden. Vandkilden kan være enten det kondenseret vand fra kondensatoren eller frisk vand. Denne pumpe øger vandtrykket, hvilket sikrer en kontinuerlig og tilstrækkelig forsyning til at opfylde keden's behov. Ofte er feedwater-pumper af centrifugetype eller positivt forskydnings-type, hver med deres egne fordele i forhold til ydeevne og effektivitet.

Alternator

Mekanisk forbundet med turbinen via en fælles akse, spiller alternatoren en central rolle i strømproduktionsprocessen. Når turbinen roterer under dampens kraft, driver den alternatorens rotor. Denne rotation inducerer et elektromagnetisk felt, der genererer elektrisk energi. I sin essens fungerer alternatoren som en konverter, der omdanner turbinens rotationskinetiske energi til elektrisk energi, der kan transmitteres og distribueres gennem strømnettet.

Skorsten

I de fleste varmekraftværker, der anvender kul som brændstof, produceres fluegasser i keden under forbrændingsprocessen. Skorstenen giver en vej for disse fluegasser til at blive sikker udledt i atmosfæren. Dens funktion bygger på principperne for naturlig træk og stackeffekt. Varm luft, der er mindre tæt, stiger, hvilket skaber et træk, der trækker fluegasser opad. Skorstenens højde er en afgørende faktor; højere skorsten genererer et stærkere træk, hvilket gør gasdispersion mere effektiv.

Køletårn

Som navnet antyder, bruges køletårnet primært til at dissipere affaldsvarme i atmosfæren. Ved at anvende forskellige varmeoverførselsmetoder tillader køletårnet, at varmen fra vandet evaporerer, efterladende koldere vand, der kan genbruges i strømproduktionscyklussen. Vand, der er kondenseret fra dampen i kondensatoren, ledes til køletårnet. Tvinget strømkøletårne anvendes ofte i varmekraftværker, hvor luft cirkulerer fra bunden til toppen af tårnet, hvilket forbedrer varmeoverførsels-effektiviteten.

Lokalitetsvalgskriterier for varmekraftværker

Tilgængelighed af brændstof

Da kul er den dominerende brændstof i de fleste varmekraftværker, og den betydelige mængde, der er nødvendig for stor-skala strømproduktion, er det meget fordelagtigt at placere kraftværket nær en kulmine. Denne nærhed reducerer betydeligt transportomkostninger, hvilket gør strømproduktionsprocessen mere økonomisk bæredygtig.

Transportfaciliteter

Varmekraftværker huser mange store maskiner og udstyr. Derfor skal kraftværkets lokalitet vælges i et område med fremragende transportinfrastruktur. Pålidelig jernbane- eller vejtransport er afgørende for effektiv transport af kul, samt for leveringen af nyt udstyr og transport af arbejdere, teknikere og ingeniører. Desuden sikrer tilgængeligheden af offentlig transport i nærheden bekvem adgang for kraftværkets arbejdsstyrke.

Tilgængelighed af vand

Et varmekraftværk kræver en massiv mængde vand for at producere højtryks- og højt temperatur damp. Derfor bør anlægget placeres nær en flodbredd eller et sted med en konstant og rigelig vandforsyning for at opfylde den kontinuerlige efterspørgsel på vand, der bruges til dampgenerering og køleprocesser.

Tilgængelighed af land

Konstruktion af et varmekraftværk kræver et stort areal. Desuden skal jordprisen være rimelig. Når lokaliteten vælges, bør der også tages hensyn til muligheder for fremtidig udvidelse. Da anlægget huser tungt udstyr, skal jorden have tilstrækkelig lastbærende kapacitet, og en robust fundament er afgørende for at støtte udstyret.

Afstand fra befolkede områder

Varmekraftværker emitterer fluegasser, aske, støv og røg under drift, hvilket alle udgør betydelige helserisici for mennesker og kan forårsage miljøskader i den omgivende atmosfære og jord. For at minimere disse effekter bør anlægget placeres langt fra byområder, boligområder og landbrugsbedr. Desuden gør støj fra anlæggets maskiner, som alternatorer, transformatorer, ventilatorer og turbiner, det endnu mere nødvendigt at placere det på et fjernt sted.

Askeafgiftsanlæg

Kulforbrænding resulterer i dannelse af aske, der udgør cirka 30-40% af det totale kulforbrug. Rigtig askeafgift er af største vigtighed. Aske samles fra bunden af kedens ovn, og en betydelig del af det bæres væk af fluegasser. For at håndtere aske effektivt anvendes to hovedaske-håndteringssystemer: bottom ash handling system og fly ash handling system. Lokaliteten bør have passende faciliteter for sikker og miljøvenlig afgift af denne aske.

Nærhed til belastningscenter

Den elektriske energi, der genereres af alternatoren, forhøjes i spænding af en strømtransformator, inden den transmitteres til belastningscentret gennem transmissionsledninger. At placere varmekraftværket nær belastningscentret reducerer transmissionsomkostninger og -tab, hvilket sikrer en mere effektiv og kostnedslagende distribution af elektricitet.

Effektivitet af varmekraftværker

I et varmekraftværk involverer strømproduktion flere energioversættelsesstadier. Først omdannes kulens kemiske energi til termisk energi. Denne termiske energi omdannes derefter til kinetisk eller mekanisk energi, som endelig omdannes til elektrisk energi. På grund af disse flere energioversættelsesprocesser er den samlede effektivitet af varmekraftværker relativt lav, typisk mellem 20-29%.

Effektiviteten af et varmekraftværk påvirkes af forskellige faktorer, herunder anlæggens størrelse og kulens kvalitet. En betydelig mængde varmeenergi går tabt i kondensatoren under strømproduktionsprocessen. Der findes to primære typer effektivitetsmålinger, der anvendes til at evaluere varmekraftværker:

Termisk effektivitet

Termisk effektivitet defineres som forholdet mellem den mekaniske energi, udtrykt i varmelignende termer, der er tilgængelig ved turbinen, til den samlede varmeenergi, der frigives under kulforbrænding i keden. Den måler effektiviteten af at omdanne varmeenergien fra kulforbrænding til nyttig mekanisk arbejde i turbinen.

Termisk effektivitet

Varmekraftværker opnår typisk en tilnærmet termisk effektivitet på 30%. En betydelig del, omkring 50% af den samlede varmeenergi, der genereres, fordampes som affald i kondensatoren. Resten af varmeenergien går tabt gennem forskellige andre kanaler, som i fluegasser, der udsendes fra skorstenen, og aske, der dannes under kulforbrænding. Denne betydelige varmetab i kondensatoren og andre steder understreger de indbyggede ineffektiviteter i traditionelle varmekraftværksprocesser.

Samlet effektivitet

Den samlede effektivitet af et varmekraftværk beregnes som forholdet mellem varmelignende værdi af den elektriske udgang til den samlede varme, der frigives under kulforbrænding. Denne måling giver en omfattende vurdering af anlæggens præstation, der omfatter alle energioversættelsesstadier fra den initielle kemiske energi, der er lagret i kul, til den endelige elektriske energi, der leveres til nettet. Det afspejler, hvordan anlægget effektivt kan omdanne energien i kul til brugbar elektrisk strøm, medtagelse af tab, der opstår på hvert trin af den komplekse strømproduktionsproces.

Samlet effektivitet af varmekraftværker

Den samlede effektivitet af et varmekraftværk inkluderer alle tab, der opstår gennem hele strømproduktionscyklussen. Dette inkluderer ineffektiviteter under kulforbrænding, varmeoverførselsprocesser, dampturbinoperation og afgørende, alternatorens ydeevne, der omdanner mekanisk energi til elektrisk energi. Hver af disse stadier bidrager til den samlede energitab, som sidst ender med at bestemme, hvilken proportion af den initielle energi i kul, der succesfuldt omdannes til brugbar elektrisk strøm.

Den samlede effektivitet af et varmekraftværk er tæt forbundet med dets størrelse og strømproduktionskapacitet, typisk målt i megawatts (MW). Som en generel regel er der en direkte sammenhæng mellem kapaciteten af et varmekraftværk og dets effektivitet: anlæg med lavere kapaciteter har tendens til at vise lavere samlede effektiviteter. Mindre anlæg har ofte ikke de økonomiske fordele og optimerede designfunktioner, som større anlæg har, hvilket resulterer i højere relative energitab på hvert trin af strømproduktionsprocessen. Dette betyder, at en større proportion af energien fra brændstoffet går tabt, hvilket reducerer mængden af elektricitet, der kan produceres per enhed af brændstof, der forbruges.