Lämpövoimala – Komponentit toiminta ja sijaintivalinta

Mikä on lämpövoimala?

Energian säästöntekniikan perusperiaate määrää, että energiaa ei voida luoda eikä tuhota; sen sijaan se voidaan vain muuntaa yhdestä muodosta toiseen. Sähköenergiaa voidaan hyödyntää erilaisista energialähteistä. Suurten mittakaavojen sähköenergian tuotantoon suunnitellut laitokset tunnetaan yleisesti voimaloiksi tai voimakenttiksi.

Lämpövoimala on sellainen voiman tuotantolaitos, joka muuttaa lämmön energian sähköenergiaksi. Nämä laitokset voivat käyttää lämmön lähteenä monia erilaisia lähteitä, kuten hiiltä, dieselöljyä, biopolttoaineita, aurinkoenergiaa ja ydinenergiaa. Vaikka termi "lämpövoimala" voi teknisesti kattaa monia erilaisia lämpölähteitä käyttäviä laitoksia, se yhdistetään usein ennen kaikkea hiilen käyttöön lämmön tuottamiseen. Tämän vuoksi lämpövoimaloja pidetään perinteisinä voiman tuotantojärjestelmänä. Niitä kutsutaan joskus myös höyryturbiinivoimaloiksi tai hiilivoimaloiksi, mikä heijastaa pääasiallista polttoainetta ja avaintekijöitä käytettävissä olevissa energiamuuntamismekanismeissa.

Lämpövoimalan toiminta

Lämpövoimalat toimivat Rankinen kiertoon perustuen, joka on perustavanlaatuinen termodynamiikkaa koskeva kierros, jolla lämmön energia muunnetaan mekaaniseksi työksi, jota käytetään sähkön tuottamiseen. Seuraava yhden rivin kaavio tai asettelukuva antaa visuaalisen esityksen lämpövoimalan toiminnallisia komponentteja ja prosesseja.

Lämpövoimalan sisäinen toiminta ja komponentit

Toimintaprosessi

Lämpövoimaloiden vaaditaan huomattava määrä polttoainetta, yleensä hiiltä. Koska tarvittava määrä on suuri, hiiltä kuljetetaan yleensä junilla ja sitä varastoidaan omiin polttoainevara-alueisiin. Alkuun tuleva raakahiili on liian iso suoraan käyttöön ketelissä. Ratkaistaksemme tämän, se syötetään murskaintoon, joka pienentää sen pienempiin, hallitummaksi muuttuneisiin palasiin ennen kuin se siirretään ketelle.

Hiilen lisäksi vesi on olennaisen tärkeää höyryn tuotannolle ketelissä. Ennen järjestelmään pääsyä vesille tehdään käsitelyprosessi. Se kulkee erilaisia suodattimia läpi poistaakseen epäpuhtauksia ja mahdollisesti liuotun ilmaa, varmistaen sen puhtauden. Käsiteltynä vesillä ohjataan ketelikuoppaan. Ketelikuopassa hiilen palamisesta syntyvä lämpö siirtyy veteen. Tämän seurauksena vesi käy läpi vaiheen muutoksen ja muuttuu höyryksi.

Tuotettu höyry on korkeapaineista ja korkealämpöistä, mikä tekee siitä sopivan voiman tuotantoon. Tätä höyryä kanavoidaan superlämmittimeen, jossa sitä lämmitetään entisestään lisätäkseen sen lämmönenergiasta. Superlämmittyneen höyryn ohjataan sitten turbiinin levylle. Kun höyry virtaa turbiinin levyjen yli, sen lämmönenergia muuntuu mekaaniseksi pyörimisenergiaksi turbiinin kautta.

Turbiini on mekaanisesti kytketty vaihtovirtasuurentimeen yhteisellä nivellä. Kun turbiini pyörii, se ajaa vaihtovirtasuurentimen rotoria. Vaihtovirtasuurentin puolestaan muuttaa tämän mekaanisen energian sähköenergiaksi. Jotta tuotettu sähköenergia voidaan tehokkaasti välittää pitkiä matkoja, se ohjataan muuntimelle, joka nostaa sähkövirran jännitettä. Korkeajännitteinen sähkö virtautetaan sitten siirtovirtajohtojen kautta loppukäyttäjiin, eli kuormiin, sähköverkossa.

Kun höyry on kulkenut turbiinin läpi, se, nyt alhaisemmalla paineella ja lämpötilalla, ohjataan kondensaattoriin. Kondensaattorissa kylmä vesi virtaa höyryn ympärillä, mikä aiheuttaa sen muuttumisen takaisin nestemäiseen muotoon. Tämä kondensaatio vapauttaa jäljellä olevan lämmön höyristä, mikä tehokkaasti vähentää sen painetta ja lämpötilaa. Vedenveto tällä tavoin parantaa voiman tuotantokierroksen tehokkuutta.

Kondensoitu vesi pumpataan sitten uudelleen ketelle vedensyöttöpumpun avulla, valmiina lämmittämään ja muuttamaan uudelleen höyryksi, täten saavuttaen kierroksen. Samalla hiilen palamisessa ketelipuun sisällä syntyvä tuhka poistetaan. Tämän tuhanan asianmukainen hävittäminen on oleellista ympäristövahingoista suojelemiseksi. Lisäksi hiilen palamisessa ketelissä syntyy savupitoisia kaasuja, jotka vapautetaan ilmakehään putken kautta.

Avaimet komponentit

Lämpövoimala koostuu useista integraaleista komponenteista, jotka toimivat yhteistyössä edistääkseen voiman tuotantoprosessia:

• Ketel: Lämpövoimalan ytimenä, jossa tapahtuu hiilen palaminen, ja lämpö siirtyy veteen tuottamaan höyryä.

• Turbiini: Muuttaa korkeapaineisen höyryn lämmönenergian mekaaniseksi pyörimisenergiaksi.

• Superlämmittin: Nostaa ketelissä tuotetun höyryn lämpötilaa, lisäämällä sen energiasisältöä tehokkaammalle voiman tuotannolle.

• Kondensaattori: Kondensoi turbiinin ulosvirtaavan höyryn takaisin veteen, palauttaen lämpöä ja ylläpitäen kierroksen tehokkuutta.

• Taloudellisuus: Esilämmittää syöttöveden savupitoisten kaasujen lämpöä käyttäen, vähentäen kokonaista ketelin energiankulutusta.

• Vedensyöttöpumpu: Kiertää kondensoitunutta vettä kondensaattorista takaisin ketelle, varmistamalla jatkuva tarjonta höyryn tuotantoon.

• Vaihtovirtasuurentin: Muuttaa turbiinin mekaanista energiaa sähköenergiaksi, jota voidaan jakaa sähköverkon kautta.

• Putki: Dispersoi hiilen palamisessa syntyvät savupitoiset kaasut ilmakehään kontrolloidulla tavalla.

• Jäähdyttäjätorni: Edistää veden jäähdytystä, jota käytetään kondensaattorissa, sallien sen kierrättämisen ja uudelleenkäytön voiman tuotantoprosessissa.

Komponentit, paikan valinta ja lämpövoimaloiden tehokkuus

Lämpövoimaloiden avaintekijät

Ketel

Pulverisoitu hiili, johon on sekoitettu esilämmittyä ilmaa, syötetään keteliin, joka toimii ytimekkäänä komponenttina korkeapaineisen höyryn tuotannossa. Sen päätavoite on muuttaa hiilen kemiallista energiaa lämmönenergiaksi palamisprosessin kautta. Kun hiili palaa ketelissä, se tuottaa intensiivistä lämpöä, joka on riittävän korkea veden muuntamiseen höyryksi. Ketelin koko määräytyy lämpövoimalan lämpötarpeiden mukaan. On olemassa monia erilaisia ketelleja, joita käytetään lämpövoimaloissa, kuten Haycock- ja wagon top -ketelit, rakennekilpiketelit, sylinterimäiset rakennekilpiketelit ja vedenputki-ketelit, jokaisella omillaan suunnittelumuodollisilla ominaisuuksilla ja toiminnallisilla etuilla.

Turbiini

Ketelissä tuotettu korkeapaineinen ja korkealämpöinen superlämmittyneen höyryn ohjataan turbiinin suuntaan. Kun tämä höyry osuu turbiinin levyihin, se saa turbiinin liikkeelle. Turbiini on hienovarainen mekaaninen laite, joka on erityisesti suunniteltu muuntaakseen höyryn lämmönenergian pyörimiskehitysenergiaksi. Mekaanisesti kytketty vaihtovirtasuurentimeen nivelen kautta, turbiinin pyöriminen ajaa vaihtovirtasuurentimen rotorin. Kun höyry kulkee turbiinin läpi, sen lämpötila ja paine laskevat, ja se ohjataan sitten kondensaattoriin jatkopaikkaan.

Superlämmittin

Höyryturbiinin perustuvalle voiman tuotantojärjestelmälle superlämmittyneen höyryn on oltava tehokkaan turbiinin toiminnan kannalta välttämätöntä. Kiutuinen ja saturaattorinen höyry, joka tulee ketelistä, syötetään superlämmittimeen. Tämä laite on keskeisessä roolissa muuttaessaan höyryn kuivaan ja superlämmittyneeseen höyryyn, merkittävästi lisäämällä sen lämmönenergiansisältöä. Kaikkien lämpövoimaloiden komponenttien joukossa superlämmittin toimii korkeimmalla lämpötilalla. Kolmea pääasiallista superlämmittintyyppiä käytetään yleisesti: konvektiiviset superlämmittimet, jotka siirtävät lämpöä konvektiivisten virtojen kautta; säteilysuperlämmittimet, jotka perustuvat säteilylämpösiirtoon; ja erillisesti poltettavat superlämmittimet. Ketelissä tuotetun höyryn lämpötilan parantamalla superlämmittin nostaa koko voiman tuotantoprosessin tehokkuutta.

Kondensaattori

Kun höyry on kulkenut turbiinin läpi ja sen lämpötila ja paine ovat laskeneet, ulosvirtaava höyry kierrätetään takaisin voiman tuotantokierrokseen. Tehokkuuden optimoimiseksi on tarpeen kondensoida tämä höyry, luoden ja ylläpitäen asianmukaista vakiotilaa. Kondensaattori saavuttaa tämän vähentämällä toimintapainetta, mikä kasvattaa vakiotason. Tämä vakiotason kasvu aiheuttaa höyryn tilavuuden laajentumisen, mikä sallii enemmän työtä häivyttää höyrystä turbiinin kautta. Tämän seurauksena voimalan kokonais-tehokkuus paranee, mikä vastaavasti lisää turbiinin tuotantoa.

Taloudellisuus

Taloudellisuus on erikoistunut lämpövaihto, joka on suunniteltu vähentämään voimalan energiankäyttöä. Savupitoiset kaasut, jotka ovat rikkaita lämpöenergiassa, pääsee ketelistä ilmakehään. Taloudellisuus hyödyntää näiden savupitoisten kaasujen lämpöä esilämmittääkseen veden. Kondensaattorista palautettua vettä pumpataan taloudellisuuteen vedensyöttöpumpun avulla. Täällä se absorboi savupitoisten kaasujen lämpöä, nostamalla sen lämpötilaa ennen kuin se pääsee ketelle. Käyttämällä jätteen lämpöä savupitoisista kaasuista, taloudellisuus merkittävästi parantaa voiman tuotantokierroksen kokonais-tehokkuutta.

Vedensyöttöpumpu

Vedensyöttöpumpu on vastuussa vedelle, joka syötetään ketelle. Veden lähteenä voi olla joko kondensaattorista palautettu vesi tai uusi vesi. Tämä pumpu nostaa veden painetta, varmistamalla jatkuvan ja riittävän tarjonnan vastaamaan ketelin vaatimuksia. Yleisesti vedensyöttöpumput ovat sentrifugaalisia tai positiivisesti siirtymässä olevia, jokaisella omillaan erityisillä etuilla suorituskyvyn ja tehokkuuden suhteen.

Vaihtovirtasuurentin

Mekaanisesti kytketty turbiiniin yhteisellä nivellä, vaihtovirtasuurentin on keskeinen rooli voiman tuotantoprosessissa. Kun turbiini pyörii höyryn voimalla, se ajaa vaihtovirtasuurentimen rotorin. Tämä pyöriminen indusoimaa sähkömagneettinen kenttä, tuottamalla sähköenergiaa. Periaatteessa vaihtovirtasuurentin toimii muuntimena, muuttaen turbiinin pyörimisen kinetiikka-energian sähköenergiaksi, jota voidaan siirtää ja jakaa sähköverkon kautta.

Putki

Useimmissa lämpövoimaloissa, jotka käyttävät hiiltä polttoainena, hiilen palamisprosessi ketelissä tuottaa savupitoisia kaasuja. Putki tarjoaa reitin näiden savupitoisten kaasujen turvalliseen pääsyyn ilmakehään. Toiminta perustuu luonnolliseen nousevaan virtaukseen ja putkivaikutukseen. Kuumat ilmat, jotka ovat tiheämpiä, nousevat, luoden virtauksen, joka vie savupitoiset kaasut ylöspäin. Putken korkeus on kriittinen tekijä; korkeammat putket tuottavat vahvemman virtauksen, helpottamalla tehokkaampaa kaasun levittämistä.

Jäähdyttäjätorni

Kuten nimensä viittaa, jäähdyttäjätorni käytetään pääasiassa jätteen lämmön levittämiseen ilmakehään. Käyttämällä erilaisia lämpövaihtomenetelmiä, jäähdyttäjätorni sallii veden lämpöä evaporoitua, jättäen jäljelle kylmemmän veden, jota voidaan uudelleenkäyttää voiman tuotantokierrossa. Kondensaattorissa kondensoitunutta vettä kanavoidaan jäähdyttäjätorniin. Voimakoneissa yleisesti käytettyjä pakottavia virtausjäähdyttäjätornit, joissa ilma virtaa tornin alasta ylös, parantavat lämpövaihdon tehokkuutta.

Paikan valintakriteerit lämpövoimaloille

Polttoaineen saatavuus

Koska hiili on yleisin polttoaine useimmissa lämpövoimaloissa ja suuri määrä tarvitaan suurten mittakaavojen sähköenergian tuotantoon, on erittäin edullista sijoittaa voimala lähelle hiilikiviä. Tämä lähentyminen merkittävästi vähentää kuljetuskustannuksia, tekeen voiman tuotantoprosessista taloudellisesti kannattavamman.

Kuljetuslaitos

Lämpövoimalat sisältävät useita suuria koneita ja laitteita. Siksi voimalan sijainti on valittava alueelle, jolla on erinomainen kuljetusinfrastruktuuri. Luotettava rautatie- tai tiekuljetus on välttämätöntä hiilen tehokkaalle kuljetukselle, sekä uusien laitteiden ja työntekijöiden, teknikoiden ja insinöörien kuljetukselle. Lisäksi julkisen liikenteen saatavuus lähellä varmistaa työntekijöiden mukavan pääsyn.

Veden saatavuus

Lämpövoimala vaatii valtavan määrän vettä korkeapaineisen ja korkealämpöisen höyryn tuotantoon. Siksi voimala tulisi sijoittaa lähelle joen rannikkoa tai alueelle, jolla on jatkuva ja runsas vedenvarasto, joka vastaa jatkuvaa veden tarvetta höyryn tuotannon ja jäähdytysprosessien käyttöön.

Maan saatavuus

Lämpövoimalan rakentaminen vaatii suuren maan alueen. Lisäksi maan hinta tulisi olla kohtuullinen. Paikan valitessa tulisi ottaa huomioon myös tulevaisuuden laajentumisen tarve. Koska voimala sisältää raskaan koneiston, maan pitäisi olla riittävästi taivutuskelpoista, ja vankka perusta on välttämätöntä tukeakseen laitteita.

Etäisyys asuttunalta alueilta

Lämpövoimalat päästävät savupitoisia kaasuja, tuhkaa, tuhkaa ja savua toiminnassaan, jotka kaikki aiheuttavat merkittäviä terveysriskejä ihmisille ja voivat aiheuttaa ympäristövahinkoa ympäröivälle ilmakehälle ja maaperälle. Minimoimaan nämä vaikutukset, voimala tulisi sijoittaa kauas kaupunkialueista, asuinalueista ja maatalousmailmalta. Lisäksi voimalan koneiston, kuten vaihtovirtasuurentimen, muuntimen, tuuletteen ja turbiinin aiheuttama melu lisää tarvetta sen sijoittamiseen kaukaiseen paikkaan.

Tuhkan hävittämislaitos

Hiilen palamisessa syntyvä tuhka, joka on noin 30-40% koko hiilen kulutuksesta. Tuhkan asianmukainen hävittäminen on ensiarvoisen tärkeää. Tuhka kerätään ketelipuun pohjalta, ja suuri osa siitä kuljetetaan savupitoisten kaasujen kautta. Tuhkan tehokkaaseen hallintaan käytetään kahden pääasiallisten tuhkan käsittelyjärjestelmän: pohjan tuhkan käsittelyjärjestelmä ja lentävän tuhkan käsittelyjärjestelmä. Voimalan sijaintiin tulisi olla sopivia laitteita turvalliselle ja ympäristöystävälliselle tuhkan hävittämiselle.

Lähellä kuormakeskusta

Vaihtovirtasuurentimellä tuotettu sähköenergia nostetaan jännitteessä voimanmuuntimella ennen kuin se välitetään kuormakeskukseen siirtovirtajohtojen kautta. Lämpövoimalan sijoittaminen lähelle kuormakeskusta vähentää siirtokustannuksia ja menetyksiä, varmistamalla tehokkaamman ja kustannustehokkaamman sähkön jakelun.

Lämpövoimaloiden tehokkuus

Lämpövoimalassa sähköenergian tuotannossa on useita energiamuuntamisvaiheita. Ensiksi hiilen kemiallista energiaa muutetaan lämmönenergiaksi. Tämä lämmönenergia muutetaan sitten kinetiikka- tai mekaaniseksi energiaksi, joka lopulta muutetaan sähköenergiaksi. Näiden monien energiamuuntamisprosessien vuoksi lämpövoimaloiden yleinen tehokkuus on suhteellisen alhainen, yleensä 20-29%.

Lämpövoimalan tehokkuus vaikuttaa useisiin tekijöihin, mukaan lukien voimalan koko ja käytetyn hiilen laatua. Merkittävä määrä lämmönenergiaa katoaa kondensaattoriin voiman tuotantoprosessissa. On kaksi pääasiallista tehokkuusmetriikkiä, joita käytetään lämpövoimaloiden arvioimiseen:

Lämpötehokkuus

Lämpötehokkuus määritellään mekaanisen energian suhteena, joka ilmaistaan lämpöekvivalenttitermeissä, joka on saatavilla turbiinissa, ja kokonaisen lämpöenergian, joka vapautuu hiilen palamisessa ketelissä. Se mitataa tehokkuuden, jolla hiilen palamisesta syntyvä lämpöenergia muunnetaan hyödylliseksi mekaaniseksi työksi turbiinissa.

Lämpötehokkuus

Lämpövoimalat saavuttavat yleensä noin 30% lämpötehokkuutta. Noista 50% kokonaisesta lämpöenergiasta, joka tuotetaan, hukataan jätteenä kondensaattoriin. Loput lämpöenergia katoaa eri kanavien kautta, kuten putken kautta vapautettujen savupitoisten kaasujen kautta ja hiilen palamisessa syntyneen tuhkan kautta. Tämä merkittävä lämpöenergian katoaminen kondensaattoriin ja muualle korostaa perinteisten lämpövoiman tuotantoprosessien inhertisiä tehottomuuksia.

Yleinen tehokkuus

Lämpövo