نیروگاه گرماتولیدی – اجزا، عملکرد و انتخاب مکان

نیروگاه حرارتی چیست؟

قانون حفظ انرژی بیان می‌کند که انرژی نمی‌تواند ایجاد یا نابود شود؛ بلکه فقط می‌تواند از یک شکل به شکل دیگری تبدیل شود. به ویژه، انرژی الکتریکی می‌تواند از منابع مختلف انرژی استخراج شود. تسهیلات طراحی شده برای تولید انرژی الکتریکی در مقیاس بزرگ معمولاً با نام نیروگاه یا ایستگاه تولید نیرو شناخته می‌شوند.

نیروگاه حرارتی نوعی از تسهیلات 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 گرمایی مختلف استفاده می‌کنند، اما اغلب با نیروگاه‌هایی که برای تولید گرما از زغال سنگ استفاده می‌کنند مرتبط است. بنابراین، نیروگاه‌های حرارتی به عنوان سیستم‌های تولید نیروی سنتی در نظر گرفته می‌شوند. آن‌ها گاهی نیز با نام نیروگاه‌های توربین بخار یا نیروگاه‌های زغال سنگی شناخته می‌شوند که نشان‌دهنده منبع سوخت اصلی و مکانیسم اصلی تبدیل انرژی استفاده شده است.

عملکرد یک نیروگاه حرارتی

نیروگاه‌های حرارتی بر اساس چرخه رانکین عمل می‌کنند، که یک چرخه ترمودینامیکی اساسی برای تبدیل گرما به کار مکانیکی است که سپس برای تولید برق استفاده می‌شود. نمودار یک خطی یا طرح یک نیروگاه حرارتی یک نمای 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 از طریق قطارها حمل می‌شود و در محوطه‌های ذخیره‌سازی سوخت اختصاصی نگهداری می‌شود. در ابتدا، زغال سنگ خام برای استفاده مستقیم در بویلر بسیار بزرگ است. برای حل این مشکل، آن را به یک سنگ شکن می‌رسانند که آن را به قطعات کوچک‌تر و قابل مدیریت‌تری تقسیم می‌کند و سپس به بویلر منتقل می‌شود.

به علاوه زغال سنگ، مقدار قابل توجهی آب برای تولید بخار در بویلر ضروری است. قبل از ورود به سیستم، آب از طریق یک فرآیند پالایش می‌گذرد. آن را از طریق فیلترهای مختلف می‌گذرانند تا آلودگی‌ها و هوا محلول را حذف کنند و صافی آن را تضمین کنند. پس از پالایش، آب به دام بویلر هدایت می‌شود. در داخل دام بویلر، گرما تولید شده از سوخت‌سوزی زغال سنگ به آب منتقل می‌شود. در نتیجه، آب تغییر فاز می‌کند و به بخار تبدیل می‌شود.

بخار تولید شده فشار بالا و دمای بالا است که برای تولید انرژی مناسب است. این بخار سپس به یک سوپرهیتر هدایت می‌شود که در آن گرمتر می‌شود تا انرژی گرمایی آن افزایش یابد. بخار سوپرهیت شده سپس به سمت پره‌های توربین هدایت می‌شود. وقتی بخار از روی پره‌های توربین می‌گذرد، انرژی گرمایی آن توسط توربین به انرژی چرخشی مکانیکی تبدیل می‌شود.

توربین از طریق محور مشترک به یک ژنراتور مکانیکی متصل است. وقتی توربین چرخیده، روتور ژنراتور را می‌چرخاند. ژنراتور به نوبه خود این انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند. برای انتقال مؤثر انرژی الکتریکی تولید شده به فواصل دور، آن را از طریق یک ترانسفورماتور می‌گذرانند که ولتاژ آن را افزایش می‌دهد. برق با ولتاژ بالا سپس از طریق خطوط انتقال به مصرف‌کنندگان یا بارهای شبکه برق ارسال می‌شود.

پس از گذشت از توربین، بخار که حالا فشار و دمای پایین‌تری دارد، به یک کنденسر هدایت می‌شود. در کندنسر، آب سرد حول بخار می‌چرخد که باعث می‌شود بخار به حالت مایع برگردد. این فرآیند کندنساسیون گرما باقیمانده را از بخار آزاد می‌کند و فشار و دمای آن را کاهش می‌دهد. با بازیابی آب به این روش، کارایی چرخه تولید نیرو افزایش می‌یابد.

آب کندنس شده سپس با استفاده از پمپ آب ورودی به بویلر بازگردانده می‌شود، آماده برای گرم شدن و دوباره به بخار تبدیل شدن و چرخه را تکمیل کردن. در همین حال، خاکستر تولید شده به عنوان محصول جانبی سوخت‌سوزی زغال سنگ از فورن بویلر جدا می‌شود. دفع صحیح این خاکستر برای جلوگیری از خسارت محیطی ضروری است. علاوه بر این، در طول سوخت‌سوزی زغال سنگ در بویلر، گازهای دودکش تولید می‌شوند و از طریق دودکش به جو آزاد می‌شوند.

مولفه‌های کلیدی

یک نیروگاه حرارتی شامل چندین مولفه اساسی است که به صورت هماهنگ برای تسهیل فرآیند تولید نیرو کار می‌کنند:

• بویلر: قلب نیروگاه حرارتی که در آن سوخت‌سوزی زغال سنگ اتفاق می‌افتد و گرما به آب منتقل می‌شود تا بخار تولید شود.

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

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

• کندنسر: بخار خروجی از توربین را به آب کندنس می‌کند، گرما را بازیابی می‌کند و کارایی چرخه را حفظ می‌کند.

• اکونومایزر: آب ورودی را با استفاده از گرما گازهای دودکش گرم می‌کند، مصرف کلی انرژی بویلر را کاهش می‌دهد.

• پمپ آب ورودی: آب کندنس شده از کندنسر را به بویلر بازگردانده می‌شود، تأمین مداوم آب برای تولید بخار را تضمین می‌کند.

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

• دودکش: گازهای دودکش تولید شده در طی سوخت‌سوزی زغال سنگ را به جو در یک روش کنترل شده تخلیه می‌کند.

• برج خنک‌کننده: اجازه می‌دهد گرما از آب استفاده شده در کندنسر تخلیه شود، اجازه می‌دهد آب دوباره در فرآیند تولید نیرو مورد استفاده قرار گیرد.

مولفه‌ها، انتخاب مکان و کارایی نیروگاه‌های حرارتی

مولفه‌های کلیدی نیروگاه‌های حرارتی

بویلر

زغال سنگ پالوریزه همراه با هوای پیش‌گرم شده به بویلر 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 گرمایی از طریق فرآیند سوخت‌سوزی است. هنگامی که زغال سنگ در بویلر سوخته می‌شود، گرما شدیدی تولید می‌کند که دمای آب را به حدی بالا می‌برد که آب به بخار تبدیل شود. اندازه بویلر مستقیماً توسط نیازهای گرمایی نیروگاه حرارتی تعیین می‌شود. انواع مختلفی از بویلرها در نیروگاه‌های حرارتی استفاده می‌شوند، از جمله بویلرهای هایکاک و واگن توپ، بویلرهای لوله‌ای، بویلرهای لوله‌ای استوانه‌ای و بویلرهای لوله‌ای آب، هر کدام با ویژگی‌های طراحی و مزایای عملیاتی خاص خود.

توربین

بخار فشار بالا و دمای بالا که توسط بویلر تولید می‌شود به سمت توربین هدایت می‌شود. وقتی این بخار بر پره‌های توربین ضربه می‌زند، توربین را در حرکت می‌اندازد. توربین یک دستگاه مکانیکی پیچیده است که به طور خاص برای تبدیل انرژی گرمایی بخار به انرژی چرخشی مکانیکی طراحی شده است. توربین از طریق یک محور به یک ژنراتور مکانیکی متصل است و چرخش توربین روتور ژنراتور را می‌چرخاند. پس از گذشت بخار از توربین، دمای آن و فشار آن کاهش می‌یابد و سپس به کندنسر هدایت می‌شود تا پردازش بیشتر شود.

سوپرهیتر

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

کندنسر

پس از گذشت بخار از توربین و کاهش دمای آن و فشار آن، بخار خروجی دوباره به چرخه تولید نیرو بازگردانده می‌شود. برای بهینه‌سازی کارایی توربین، لازم است این بخار کندنس شود و خلاء مناسبی ایجاد شود. کندنسر این کار را با کاهش فشار عملیاتی و افزایش سطح خلاء انجام می‌دهد. این افزایش خلاء باعث می‌شود حجم بخار افزایش یابد و کار بیشتری از بخار در توربین استخراج شود. در نتیجه، کارایی کلی نیروگاه افزایش می‌یابد و خروجی توربین نیز افزایش می‌یابد.

اکونومایزر

اکونومایزر یک مبدل گرمایی تخصصی است که برای کاهش مصرف انرژی در نیروگاه طراحی شده است. گازهای دودکش که غنی از انرژی گرمایی هستند از بویلر به جو تخلیه می‌شوند. اکونومایزر گرما را از این گازهای دودکش جذب می‌کند تا آب را پیش‌گرم کند. آب بازیابی شده از کندنسر توسط پمپ آب ورودی به اکونومایزر تزریق می‌شود. در اینجا، آب گرما را از گازهای دودکش جذب می‌کند و دمای آن قبل از ورود به بویلر افزایش می‌یابد. با استفاده مجدد از گرما ضایعات گازهای دودکش، اکونومایزر به طور قابل توجهی کارایی کلی چرخه تولید نیرو را افزایش می‌دهد.

پمپ آب ورودی

پمپ آب ورودی مسئول تأمین آب به بویلر است. منبع آب می‌تواند آب کندنس شده از کندنسر یا آب تازه باشد. این پمپ فشار آب را افزایش می‌دهد تا تأمین مداوم و کافی برای برآورده کردن نیازهای بویلر تضمین شود. معمولاً، پمپ‌های آب ورودی از نوع سانتریفوژ یا جابجایی مثبت هستند، هر کدام با مزایای خاص خود در زمینه عملکرد و کارایی.

ژنراتور

ژنراتور از طریق یک محور مشترک به توربین متصل است و نقش محوری در فرآیند تولید برق دارد. هنگامی که توربین تحت نیروی بخار چرخیده، روتور ژنراتور را می‌چرخاند. این چرخش یک میدان الکترومغناطیسی القاء می‌کند و انرژی الکتریکی تولید می‌کند. در واقع، ژنراتور به عنوان یک تبدیل‌کننده عمل می‌کند و انرژی چرخشی چرخش توربین را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند که می‌تواند از طریق شبکه برق منتقل و توزیع شود.

دودکش

در اکثر نیروگاه‌های حرارتی که از زغال سنگ به عنوان سوخت استفاده می‌کنند، فرآیند سوخت‌سوزی در بویلر گازهای دودکش تولید می‌کند. دودکش مسیری برای تخلیه این گازهای دودکش به جو ایجاد می‌کند. عملکرد آن بر اساس اصول جریان طبیعی و اثر دودکش است. هوا گرم، که کم‌چگال‌تر است، بالا می‌رود و یک جریان ایجاد می‌کند که گازهای دودکش را به سمت بالا می‌کشاند. ارتفاع دودکش یک عامل حیاتی است؛ دودکش‌های 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 گرما ضایعات به جو استفاده می‌شود. با استفاده از روش‌های مختلف انتقال گرما، برج خنک‌کننده اجازه می‌دهد گرما از آب تبخیر شود و آب سردتری باقی بماند که می‌تواند در چرخه تولید نیرو دوباره مورد استفاده قرار گیرد. آب کندنس شده از بخار در کندنسر به برج خنک‌کننده هدایت می‌شود. برج‌های خنک‌کننده جریان اجباری معمولاً در نیروگاه‌های حرارتی استفاده می‌شوند که هوا از پایین به بالای برج جریان می‌یابد و کارایی انتقال گرما را افزایش می‌دهد.

معیارهای انتخاب مکان برای نیروگاه‌های حرارتی

در دسترس بودن سوخت

با توجه به اینکه زغال سنگ سوخت غالب در اکثر نیروگاه‌های حرارتی است و مقدار قابل توجهی از آن برای تولید برق در مقیاس بزرگ نیاز است، موقعیت‌دهی نیروگاه نزدیک یک معدن زغال سنگ بسیار مزیت‌آور است. این نزدیکی به طور قابل توجهی هزینه‌های حمل و نقل را کاهش می‌دهد و فرآیند تولید نیرو را اقتصادی‌تر می‌کند.

تسهیلات حمل و نقل

نیروگاه‌های حرارتی شامل تجهیزات و ماشین‌آلات بزرگ‌اندازه هستند. بنابراین، مکان نیروگاه باید در منطقه‌ای با زیرساخت‌های حمل و نقل عالی انتخاب شود. حمل و نقل قابل اعتماد ریلی یا جاده‌ای برای جابجایی موثر زغال سنگ و همچنین تحویل تجهیزات جدید و حمل کارگران، فنی‌ها و مهندسان ضروری است. علاوه بر این، در دسترس بودن حمل و نقل عمومی در نزدیکی مکان نیروگاه اطمینان از دسترسی راحت کارکنان را فراهم می‌کند.

در دسترس بودن آب

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

در دسترس بودن زمین

ساخت یک نیروگاه حرارتی نیازمند مساحت زیادی از زمین است. علاوه بر این، هزینه زمین باید مناسب باشد. هنگام انتخاب مکان، باید از پیش‌بینی برای گسترش آینده نیز اقدام شود. چون نیروگاه شامل ماشین‌آلات سنگین است، زمین باید ظرفیت تحمل بار کافی داشته باشد و یک بنیان قوی 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 خسارت مح