نیروگاه گرماتولیدی – اجزا، عملکرد و انتخاب مکان

چه چیزی تولید کننده برق حرارتی است؟

قانون حفظ انرژی بیان می‌کند که انرژی نمی‌تواند خلق یا نابود شود؛ بلکه فقط می‌تواند از یک فرم به فرم دیگری تبدیل شود. به ویژه، انرژی الکتریکی می‌تواند از منابع مختلف انرژی بهره‌برداری شود. تسهیلات طراحی شده برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس بزرگ معمولاً به عنوان نیروگاه‌ها یا ایستگاه‌های برق شناخته می‌شوند.

یک نیروگاه حرارتی نوعی تسهیل تولید انرژی است که انرژی حرارتی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. انرژی حرارتی برای این نیروگاه‌ها می‌تواند از منابع متنوعی از جمله زغال سنگ، دیزل، سوخت‌های زیستی، انرژی خورشیدی و انرژی هسته‌ای ناشی شود. اگرچه اصطلاح "نیروگاه حرارتی" می‌تواند شامل نیروگاه‌هایی باشد که از منابع مختلف حرارتی استفاده می‌کنند، اما بیشتر با نیروگاه‌هایی که برای تولید حرارت از زغال سنگ استفاده می‌کنند مرتبط است. بنابراین، نیروگاه‌های حرارتی به عنوان سیستم‌های تولید برق سنتی در نظر گرفته می‌شوند. آنها گاهی نیز به عنوان نیروگاه‌های توربین بخار یا نیروگاه‌های زغال سنگی شناخته می‌شوند که منبع سوخت اصلی و مکانیسم اصلی تبدیل انرژی را نشان می‌دهند.

عملکرد یک نیروگاه حرارتی

نیروگاه‌های حرارتی بر اساس چرخه رانکین کار می‌کنند، یک چرخه ترمودینامیکی اساسی برای تبدیل حرارت به کار مکانیکی که سپس برای تولید برق استفاده می‌شود. نمودار یک خطی یا طرح یک نیروگاه حرارتی تصویری از مولفه‌ها و فرآیندهای عملیاتی آن ارائه می‌دهد.

کارکرد داخلی و مولفه‌های یک نیروگاه حرارتی

فرآیند عملیاتی

نیروگاه‌های حرارتی به مقدار قابل توجهی سوخت، معمولاً زغال سنگ، نیاز دارند. با توجه به حجم زیاد مورد نیاز، زغال سنگ معمولاً با قطار منتقل می‌شود و در مراکز ذخیره‌سازی سوخت اختصاصی نگهداری می‌شود. ابتدا، زغال سنگ خام برای استفاده مستقیم در دیگ بخار بزرگ است. برای حل این مشکل، آن را به یک سنگ‌شکن می‌رسانند که آن را به قطعات کوچک‌تر و قابل مدیریت‌تر تقسیم می‌کند قبل از اینکه به دیگ بخار منتقل شود.

به علاوه زغال سنگ، مقدار قابل توجهی آب برای تولید بخار در دیگ بخار ضروری است. قبل از ورود به سیستم، آب از طریق یک فرآیند پالایش می‌گذرد. آن را از طریق فیلترهای مختلف می‌گذرانند تا آلاینده‌ها و هوا محلول را حذف کنند و صحت آن را تضمین کنند. پس از پالایش، آب به بدنه دیگ بخار هدایت می‌شود. در داخل بدنه دیگ بخار، حرارت تولید شده توسط سوخت زغال سنگ به آب منتقل می‌شود. به عنوان نتیجه، آب تغییر فاز می‌دهد و به بخار تبدیل می‌شود.

بخار تولید شده فشار بالا و دمای بالا است که آن را برای تولید برق مناسب می‌کند. این بخار سپس به یک سوپر‌هیتر هدایت می‌شود، جایی که دمای آن برای افزایش انرژی حرارتی آن افزایش می‌یابد. بخار سوپر‌هیت شده سپس به سمت پره‌های توربین هدایت می‌شود. هنگامی که بخار روی پره‌های توربین می‌گذرد، انرژی حرارتی آن توسط توربین به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می‌شود.

توربین از طریق محور مشترک به یک جنراتور مکانیکی متصل می‌شود. هنگامی که توربین می‌چرخد، روتور جنراتور را می‌چرخاند. جنراتور، به نوبه خود، این انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. برای انتقال مؤثر انرژی الکتریکی تولید شده در فواصل طولانی، آن را از طریق یک ترانسفورماتور می‌گذرانند که ولتاژ آن را افزایش می‌دهد. برق با ولتاژ بالا سپس از طریق خطوط انتقال به کاربران نهایی یا بارهای شبکه برق ارسال می‌شود.

پس از عبور از توربین، بخار که حالا فشار و دمای کمتری دارد، به یک کندرسر هدایت می‌شود. در کندرسر، آب سرد دور بخار می‌چرخد و آن را به حالت مایع بازمی‌گرداند. این فرآیند تبخیر حرارت باقی‌مانده از بخار را آزاد می‌کند و فشار و دمای آن را کاهش می‌دهد. با بازیابی آب به این شکل، کارایی چرخه تولید برق افزایش می‌یابد.

آب تبخیر شده سپس با استفاده از پمپ آب ورودی به دیگ بخار بازگردانده می‌شود، آماده برای گرم شدن و تبدیل به بخار دوباره، به این ترتیب چرخه را کامل می‌کند. در عین حال، خاکستر تولید شده به عنوان محصول جانبی سوخت زغال سنگ از فورن دیگ جدا می‌شود. دفع صحیح این خاکستر برای جلوگیری از آسیب‌های محیطی حیاتی است. علاوه بر این، در طول سوخت زغال سنگ در دیگ، گازهای دودکش تولید می‌شوند و از طریق شومینه به جو آزاد می‌شوند.

مولفه‌های کلیدی

یک نیروگاه حرارتی شامل چندین مولفه اساسی است که به هماهنگی کار می‌کنند تا فرآیند تولید برق را تسهیل کنند:

• دیگ: قلب نیروگاه حرارتی، جایی که سوخت زغال سنگ انجام می‌شود و حرارت به آب منتقل می‌شود تا بخار تولید شود.

• توربین: انرژی حرارتی بخار فشار بالا را به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می‌کند.

• سوپر‌هیتر: دمای بخار تولید شده در دیگ را افزایش می‌دهد و محتوای انرژی آن را برای تولید برق مؤثرتر افزایش می‌دهد.

• کندرسر: بخار خروجی توربین را به آب بازمی‌گرداند، حرارت را بازیابی می‌کند و کارایی چرخه را حفظ می‌کند.

• اکونومایزر: آب ورودی را با استفاده از حرارت گازهای دودکش پیش گرم می‌کند و مصرف کلی انرژی دیگ را کاهش می‌دهد.

• پمپ آب ورودی: آب تبخیر شده از کندرسر را به دیگ بخار بازمی‌گرداند و تأمین مستمر آب برای تولید بخار را تضمین می‌کند.

• جنراتور: انرژی مکانیکی توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که می‌تواند از طریق شبکه برق توزیع شود.

• شومینه: گازهای دودکش تولید شده در طول سوخت زغال سنگ را به شکل کنترل شده به جو آزاد می‌کند.

• برج خنک‌کننده: به خنک‌سازی آب استفاده شده در کندرسر کمک می‌کند تا بتوان آن را دوباره در فرآیند تولید برق مورد استفاده قرار داد.

مولفه‌ها، انتخاب مکان و کارایی نیروگاه‌های حرارتی

مولفه‌های کلیدی نیروگاه‌های حرارتی

دیگ

زغال سنگ پودری، همراه با هوا پیش گرم شده، به دیگ تزریق می‌شود که به عنوان مولفه اصلی برای تولید بخار فشار بالا عمل می‌کند. عملکرد اصلی آن تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده در زغال سنگ به انرژی حرارتی از طریق فرآیند سوخت است. هنگامی که زغال سنگ در داخل دیگ سوخت می‌شود، حرارت شدیدی تولید می‌کند که دمای کافی برای تبدیل آب به بخار فراهم می‌کند. اندازه دیگ مستقیماً توسط نیازهای حرارتی نیروگاه حرارتی تعیین می‌شود. مجموعه متنوعی از دیگ‌ها در نیروگاه‌های حرارتی استفاده می‌شود، از جمله دیگ‌های هیکاک و واگن تاپ، دیگ‌های لوله‌ای آتش، دیگ‌های استوانه‌ای لوله‌ای آتش و دیگ‌های لوله‌ای آب، هر کدام با ویژگی‌های طراحی و مزایای عملیاتی خاص خود.

توربین

بخار فشار بالا و دمای بالا، تولید شده توسط دیگ، به سمت توربین هدایت می‌شود. وقتی این بخار بر پره‌های توربین ضربه می‌زند، توربین را در حرکت می‌گذارد. توربین یک دستگاه مکانیکی پیشرفته است که به طور خاص برای تبدیل انرژی حرارتی بخار به انرژی چرخشی مکانیکی طراحی شده است. از طریق یک محور به جنراتور مکانیکی متصل می‌شود، چرخش توربین روتور جنراتور را می‌چرخاند. پس از عبور بخار از توربین، دمای آن و فشار آن کاهش می‌یابد و سپس به کندرسر هدایت می‌شود تا برای پردازش بیشتر آماده شود.

سوپر‌هیتر

در سیستم تولید برق مبتنی بر توربین بخار، بخار سوپر‌هیت شده برای عملکرد مؤثر توربین ضروری است. بخار مرطوب و اشباع شده که از دیگ خارج می‌شود، به سوپر‌هیتر تزریق می‌شود. این دستگاه نقش مهمی در تبدیل بخار به بخار خشک و سوپر‌هیت شده دارد که محتوای انرژی حرارتی آن به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. از میان تمام مولفه‌های نیروگاه حرارتی، سوپر‌هیتر در دمای بالاترین عمل می‌کند. سه نوع اصلی سوپر‌هیتر معمولاً استفاده می‌شود: سوپر‌هیترهای همدوس که حرارت را از طریق جریان‌های همدوس منتقل می‌کنند؛ سوپر‌هیترهای تابشی که بر اساس انتقال حرارت تابشی کار می‌کنند؛ و سوپر‌هیترهای جداگانه سوخت. با افزایش دمای بخار تولید شده توسط دیگ، سوپر‌هیتر کارایی کلی فرآیند تولید برق را افزایش می‌دهد.

کندرسر

پس از عبور بخار از توربین و کاهش دمای آن و فشار آن، بخار خروجی دوباره به چرخه تولید برق بازگردانده می‌شود. برای بهینه‌سازی کارایی توربین، ضروری است که این بخار تبخیر شود و فضای خلاء مناسبی ایجاد و حفظ شود. کندرسر با کاهش فشار عملیاتی، سطح خلاء را افزایش می‌دهد. این افزایش خلاء باعث می‌شود حجم بخار گسترش یابد و امکان استخراج کار بیشتری از بخار در توربین فراهم شود. به عنوان نتیجه، کارایی کلی نیروگاه افزایش می‌یابد و خروجی توربین نیز افزایش می‌یابد.

اکونومایزر

اکونومایزر یک مبدل حرارتی تخصصی است که برای کاهش مصرف انرژی در نیروگاه طراحی شده است. گازهای دودکش که غنی از انرژی حرارتی هستند، از دیگ به جو تخلیه می‌شوند. اکونومایزر از حرارت این گازهای دودکش برای پیش گرم کردن آب استفاده می‌کند. آب بازیابی شده از کندرسر توسط پمپ آب ورودی به اکونومایزر تزریق می‌شود. در اینجا، آن حرارت از گازهای دودکش را جذب می‌کند و دمای آن را قبل از ورود به دیگ افزایش می‌دهد. با بازیابی حرارت ضایعات گازهای دودکش، اکونومایزر به طور قابل توجهی کارایی کلی چرخه تولید برق را افزایش می‌دهد.

پمپ آب ورودی

پمپ آب ورودی مسئول تأمین آب به دیگ است. منبع آب می‌تواند آب تبخیر شده از کندرسر یا آب تازه باشد. این پمپ فشار آب را افزایش می‌دهد و تأمین مستمر و کافی آب برای برآورده کردن نیازهای دیگ را تضمین می‌کند. معمولاً، پمپ‌های آب ورودی از نوع سانتریفوژ یا جابجایی مثبت هستند که هر کدام مزایای خاص خود را در زمینه عملکرد و کارایی دارند.

جنراتور

با اتصال مکانیکی به توربین از طریق یک محور مشترک، جنراتور نقش کلیدی در فرآیند تولید برق دارد. هنگامی که توربین تحت نیروی بخار می‌چرخد، روتور جنراتور را می‌چرخاند. این چرخش میدان الکترومغناطیسی را القا می‌کند و انرژی الکتریکی تولید می‌کند. به طور کلی، جنراتور به عنوان یک تبدیل‌کننده عمل می‌کند که انرژی چرخشی توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که می‌تواند از طریق شبکه برق منتقل و توزیع شود.

شومینه

در بیشتر نیروگاه‌های حرارتی که از زغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، فرآیند سوخت در دیگ گازهای دودکش تولید می‌کند. شومینه مسیری برای تخلیه ایمن این گازهای دودکش به جو فراهم می‌کند. عملکرد آن بر اساس اصول جریان طبیعی و اثر استک می‌باشد. هوای گرم، که کمتر متمرکز است، بالا می‌رود و جریانی ایجاد می‌کند که گازهای دودکش را به سمت بالا می‌کشاند. ارتفاع شومینه یک عامل بحرانی است؛ شومینه‌های بلندتر جریان قوی‌تری ایجاد می‌کنند که به توزیع مؤثرتر گازها کمک می‌کند.

برج خنک‌کننده

همانطور که از نام آن پیداست، برج خنک‌کننده به طور اصلی برای تخلیه حرارت ضایع به جو استفاده می‌شود. با استفاده از روش‌های مختلف انتقال حرارت، برج خنک‌کننده اجازه می‌دهد حرارت آب تبخیر شود و آب سردتری باقی بماند که می‌تواند در چرخه تولید برق دوباره مورد استفاده قرار گیرد. آب تبخیر شده از بخار در کندرسر به برج خنک‌کننده هدایت می‌شود. برج‌های خنک‌کننده جریان اجباری معمولاً در نیروگاه‌های حرارتی استفاده می‌شوند که هوا از پایین به بالای برج جریان دارد و کارایی انتقال حرارت را افزایش می‌دهد.

معیارهای انتخاب مکان برای نیروگاه‌های حرارتی

در دسترس بودن سوخت

با توجه به اینکه زغال سنگ سوخت غالب در بیشتر نیروگاه‌های حرارتی است و مقدار قابل توجهی آن برای تولید برق در مقیاس بزرگ مورد نیاز است، موقعیت‌دهی نیروگاه نزدیک به یک معادن زغال سنگ مزیت بزرگی دارد. این نزدیکی به طور قابل توجهی هزینه‌های حمل و نقل را کاهش می‌دهد و فرآیند تولید برق را اقتصادی‌تر می‌کند.

تسهیلات حمل و نقل

نیروگاه‌های حرارتی شامل ماشین‌آلات و تجهیزات بزرگ فراوانی هستند. بنابراین، مکان نیروگاه باید در منطقه‌ای با زیرساخت‌های حمل و نقل عالی انتخاب شود. حمل و نقل قابل اعتماد با ریل یا جاده برای انتقال موثر زغال سنگ، تحویل تجهیزات جدید و حمل کارکنان، فنی‌ها و مهندسان ضروری است. علاوه بر این، در دسترس بودن حمل و نقل عمومی در نزدیکی نیروگاه دسترسی راحت‌تری برای نیروی کار آن فراهم می‌کند.

در دسترس بودن آب

یک نیروگاه حرارتی به مقدار زیادی آب برای تولید بخار فشار بالا و دمای بالا نیاز دارد. بنابراین، نیروگاه باید در نزدیکی کرانه رودخانه یا در مکانی با تامین آب مداوم و فراوان قرار گیرد تا نیاز مداوم به آب برای تولید بخار و فرآیندهای خنک‌سازی را برآورده کند.

در دسترس بودن زمین

ساخت یک نیروگاه حرارتی به مساحت زیادی از زمین نیاز دارد. علاوه بر این، هزینه زمین باید مناسب باشد. هنگام انتخاب مکان، باید از امکانات گسترش آینده نیز توجه شود. از آنجا که نیروگاه شامل ماشین‌آلات سنگین است، زمین باید ظرفیت تحمل بار کافی داشته باشد و یک پایه محکم برای حمایت از تجهیزات ضروری باشد.

فاصله از مناطق مسکونی

نیروگاه‌های حرارتی در طول عملیات گازهای دودکش، خاکستر، غبار و دود تولید می‌کنند که همه آنها خطرات قابل توجهی برای سلامت انسان و می‌توانند آسیب‌های محیطی به جو و زمین اطراف وارد کنند. برای کاهش این تأثیرات، نیروگاه باید در فاصله دور از مناطق شهری، جوامع مسکونی و مزارع کشاورزی قرار گیرد.