Toplinska elektrana – Komponente rad i odabir lokacije

Encyclopedia

Polje: Enciklopedija

China

Što je to termoelektrana?

Zakon o očuvanju energije kaže da se energija ne može stvoriti niti uništiti; ona se samo može pretvoriti iz jedne forme u drugu. Električna energija, posebno, može se iskoristiti iz različitih izvora energije. Objekti dizajnirani za proizvodnju električne energije na veliku skalę obično se nazivaju elektranama ili elektrani.

Termoelektrana je vrsta objekta za proizvodnju energije koji pretvara toplinsku energiju u električnu energiju. Toplinska energija za te elektrane može potjecati iz različitih izvora, uključujući ugljen, dizel, biogoriva, sunčevu energiju i nuklearnu energiju. Iako se termin "termoelektrana" tehnički može odnositi na elektrane koje koriste različite toplinske izvore, najčešće se povezuje s elektranama koje koriste ugljen za generiranje topline. Stoga se termoelektrane smatraju konvencionalnim sustavima proizvodnje energije. Ponekad se također zovu parne turbine elektrane ili ugljen-spremne elektrane, što odražava glavni izvor goriva i ključni mehanizam pretvorbe energije koji se koristi.

Funkcija termoelektrane

Termoelektrane funkcioniraju na temelju Rankinovog ciklusa, osnovnog termodinamičkog ciklusa za pretvaranje topline u mehanički rad, koji se zatim koristi za proizvodnju električne energije. Sljedeća jednolinijska shema ili raspored termoelektrane pruža vizualnu reprezentaciju njegovih operativnih komponenti i procesa.

Unutarnji rad i komponente termoelektrane

Operativni proces

Termoelektrane zahtijevaju značajan količinu goriva, obično ugljen. Uzimajući u obzir veliku potrebu, ugljen se često prevozi vlakovima i pohranjuje u posebne prostorije za pohranu goriva. Na početku, sirovo ugljen je preveliko za direktnu upotrebu u kotlu. Da bi se to riješilo, unos se provodi u drovač, koji ga smanjuje na manje, lakše upravljive komade prije prenosa u kotao.

Osim ugljena, značajan količinu vode je nužan za proizvodnju para unutar kota. Prije ulaska u sustav, voda podliježe tretmanu. Prođe kroz različite filtre kako bi se uklonili štetni materijali i rastvoreni zrak, osiguravajući čistoću. Nakon obrade, voda se usmjerava u bubanj kota. Unutar bubnja kota, toplina generirana sagorevanjem ugljena prenosi se na vodu. Kao rezultat, voda doživi fazi promjenu i pretvara se u par.

Proizvedeni par je visokog tlaka i temperature, što ga čini idealnim za proizvodnju energije. Taj par se zatim usmjerava prema superzagrijivaču, gdje se dodatno zagrijava kako bi se povećala njegova toplinska energija. Superzagrijedan par se zatim usmjerava prema lopaticama turbine. Dok par proteče preko lopatica turbine, njegova toplinska energija pretvara se u mehaničku rotacijsku energiju turbine.

Turbina je mehanički spojena s alternatorom putem zajedničkog vratila. Kako turbina rotira, pokreće rotor alternatora. Alternator, na svoj red, pretvara tu mehaničku energiju u električnu energiju. Da bi se generirana električna energija učinkovito prenosila na daleke udaljenosti, prolazi kroz transformator, koji povećava napon. Visokonaponska struja se zatim šalje putem prenosnih linija kako bi stigla do krajnjih korisnika, ili opterećenja, u mreži.

Nakon prolaska kroz turbinu, par, sada s nižim tlakom i temperaturom, usmjerava se prema kondenzatoru. U kondenzatoru hladna voda cirkulira oko para, što dovodi do njegove kondenzacije natrag u tekuću stanu. Taj proces kondenzacije oslobađa preostalu toplinu para, efektivno smanjujući njegov tlak i temperaturu. Vraćanjem vode na taj način, povećava se učinkovitost ciklusa proizvodnje energije.

Kondenzirana voda se zatim pomaže natrag u kotao koristeći pumpu za prinudnu vodu, spremna da se zagrije i opet pretvori u par, time završavajući ciklus. Međutim, pepel generirana kao posljedica sagorevanja ugljena u kotlu se uklanja iz peći kota. Pravilno odlaganje te pepele je ključno za sprečavanje ekološkog oštećenja. Također, tijekom sagorevanja ugljena u kotlu, nastaju dimne plinove koje se emitiraju u atmosferu putem komine.

Ključne komponente

Termoelektrana sastoji se od nekoliko integralnih komponenti koje u skladu djeluju kako bi omogućile proces proizvodnje energije:

Kotao: Srce termoelektrane, gdje se događa sagorevanje ugljena, a toplina se prenosi na vodu kako bi se proizveo par.
Turbina: Pretvara toplinsku energiju visokog tlaka para u mehaničku rotacijsku energiju.
Superzagrijivač: Povećava temperaturu para proizvedenog u kota, povećavajući njegovu energijsku sadržaj za učinkovitiju proizvodnju energije.
Kondenzator: Kondenzira istrošeni par iz turbine natrag u vodu, vraćajući toplinu i održavajući učinkovitost ciklusa.
Ekonomizer: Prezagrijava prinudnu vodu koristeći toplinu iz dimnih plinova, smanjujući ukupnu potrošnju energije kota.
Pumpa za prinudnu vodu: Cirkulira kondenziranu vodu iz kondenzatora natrag u kotao, osiguravajući kontinuiranu dobavu za proizvodnju para.
Alternator: Pretvara mehaničku energiju iz turbine u električnu energiju, koja se može distribuirati putem mreže.
Komina: Dispergira dimne plinove nastale tijekom sagorevanja ugljena u atmosferu kontroliranim načinom.
Hladnjak: Omogućuje hlađenje vode korištene u kondenzatoru, dopuštajući joj da se reciklira i ponovo koristi u procesu proizvodnje energije.

Komponente, odabir lokacije i učinkovitost termoelektrana

Ključne komponente termoelektrana

Kotao

Smrsnuti ugljen, uz prezagrijenu zrak, unos se u kotao, koji služi kao ključna komponenta za proizvodnju para visokog tlaka. Njegova glavna funkcija je pretvoriti kemijsku energiju pohranjenu u ugljen u toplinsku energiju putem procesa sagorevanja. Kako ugljen sagoreva unutar kota, stvara intenzivnu toplinu, dostižući temperature dovoljne da pretvore vodu u par. Veličina kota direktno je određena toplinskim potrebama termoelektrane. Postoji raznolikih vrsta kota korištenih u termoelektranama, uključujući Haycock i wagon top kote, firetube kote, cilindrične fire-tube kote i water-tube kote, svaki s vlastitim karakteristikama dizajna i operativnim prednostima.

Turbina

Par visokog tlaka i temperature, proizveden u kotlu, usmjerava se prema turbinu. Kada taj par udari u lopate turbine, postavlja tu turbinu u pokret. Turbina je sofisticirano mehaničko uređaj specifično inženjirano za pretvaranje toplinske energije para u rotacijsku kinetičku energiju. Mekanički spojena s alternatorom putem vratila, rotacija turbine pokreće rotor alternatora. Kada par proteče kroz turbinu, njegova temperatura i tlak opadaju, a zatim se usmjerava prema kondenzatoru za daljnju obradu.

Superzagrijivač

U sustavu proizvodnje energije temeljenom na parnom turbinu, superzagrijedan par je bitan za učinkovitu radnju turbine. Vlažan i zasićen par, koji izlazi iz kota, unos se u superzagrijivač. Ovaj uređaj igra ključnu ulogu u pretvaranju para u suhi i superzagrijedan par, značajno povećavajući njegovu toplinsku energijsku sadržaj. Među svim komponentama termoelektrane, superzagrijivač radi na najvišoj temperaturi. Tri glavna tipa superzagrijivača se često koriste: konvekcijski superzagrijivači, koji prenose toplinu putem konvekcijskih strujanja; zračni superzagrijivači, koji se oslanjaju na zračnu prenos topline; i posebno paleni superzagrijivači. Povećavajući temperaturu para generiranog u kotlu, superzagrijivač povećava ukupnu učinkovitost procesa proizvodnje energije.

Kondenzator

Nakon što par proteče kroz turbinu i njegova temperatura i tlak opadnu, istrošeni par se reciklira natrag u ciklus proizvodnje energije. Da bi se optimizirala učinkovitost turbine, potrebno je kondenzirati taj par, stvarajući i održavajući pravilni vakuum. Kondenzator to postiže smanjujući radni tlak, time povećavajući razinu vakua. To povećanje vakua dovodi do ekspanzije volumena para, omogućujući više rada da se izvuče iz para u turbinu. Kao rezultat, ukupna učinkovitost elektrane se povećava, s odgovarajućim povećanjem izlaza turbine.

Ekonomizer

Ekonomizer je specijalizirani toplinski izmenjak dizajniran za minimiziranje potrošnje energije unutar elektrane. Dimne plinove, bogate toplinskom energijom, emitiraju se iz kota u atmosferu. Ekonomizer iskorištava toplinu iz tih dimnih plinova za prezagrijavanje vode. Voda oporavljena iz kondenzatora pomaže se do ekonomizera pomoću pompe za prinudnu vodu. Ovdje apsorbira toplinu iz dimnih plinova, povećavajući svoju temperaturu prije nego što uđe u kotao. Ponovnom upotrebom odlaganog toplinskog toka dimnih plinova, ekonomizer značajno povećava ukupnu učinkovitost ciklusa proizvodnje energije.

Pumpa za prinudnu vodu

Pumpa za prinudnu vodu odgovorna je za snabdevanje vodom kota. Izvor vode može biti bušena voda iz kondenzatora ili sveža voda. Ova pumpa povećava tlak vode, osiguravajući kontinuiranu i dovoljnu dobavu kako bi zadovoljila potrebe kota. Često, pompe za prinudnu vodu su centrifugalne ili pozitivne dislokacije, svaka sa svojim prednostima u pogledu performansi i učinkovitosti.

Alternator

Mehanički spojen s turbinom putem zajedničkog vratila, alternator igra ključnu ulogu u procesu proizvodnje energije. Kako turbina rotira pod sile para, pokreće rotor alternatora. Ta rotacija induciruje elektromagnetsko polje, generirajući električnu energiju. U suštini, alternator služi kao pretvarač, pretvarajući kinetičku energiju rotacije turbine u električnu energiju koja se može prenositi i distribuirati putem mreže.

Komina

U većini termoelektrana koje koriste ugljen kao gorivo, proces sagorevanja u kotlu generira dimne plinove. Komina pruža putnicu za siguran ispuštanje tih dimnih plinova u atmosferu. Njeno funkcioniranje temelji se na principima prirodnog povlačenja i efekta komina. Vruh zrak, budući da je manje gusto, uspon, stvarajući povlačenje koje privlači dimne plinove prema gore. Visina komine je ključan faktor; više komine generiraju jači povlačenje, omogućujući učinkovitiji raspršivanje plinova.

Hladnjak

Kao što sam naziv govori, hladnjak se primarno koristi za disipiranje odlaganog toplinskog toka u atmosferu. Koristeći različite metode prenosa topline, hladnjak omogućuje toplini iz vode da evaporira, ostavljajući hladniju vodu koja se može ponovno koristiti u ciklusu proizvodnje energije. Voda kondenzirana iz para u kondenzatoru usmjerava se prema hladnjaku. Prisilni hladnjaci se često koriste u termoelektranama, gdje se zrak cirkulira s dna do vrha hladnjaka, povećavajući učinkovitost prenosa topline.

Kriteriji odabira lokacije za termoelektrane

Dostupnost goriva

S obzirom da je ugljen dominantno gorivo u većini termoelektrana i značajna količina potrebna za proizvodnju električne energije na veliku skalu, lokacija elektrane blizu ugljenog rudnika je izuzetno prednostna. Ova blizina značajno smanjuje troškove prijevoza, čime se proces proizvodnje energije čini ekonomičnije.

Transportni sustav

Termoelektrane sadrže mnogo velikih strojeva i opreme. Stoga, lokacija elektrane mora biti odabrana u području s odličnim transportnim infrastrukturom. Pouzdan željeznički ili cestovni prijevoz su neophodni za učinkovit prijevoz ugljena, kao i za dostavu nove opreme i prijevoz radnika, tehničara i inženjera. Također, dostupnost javnog prijevoza u okolini osigurava praktičan pristup za radne snage elektrane.

Dostupnost vode

Termoelektrana zahtijeva ogroman količinu vode za proizvodnju para visokog tlaka i temperature. Stoga, elektrana treba biti situirana blizu rijeka ili na lokaciji s konstantnom i obilnom dostupnošću vode kako bi se zadovoljila neprekidna potreba za vodom koristenoj u proizvodnji para i hlađenju.

Dostupnost zemljišta

Izgradnja termoelektrane zahtijeva veliku površinu zemljišta. Također, trošak zemljišta treba biti razuman. Prilikom odabira lokacije, trebaju se uzeti u obzir i mogućnosti za buduću proširivanje. Budući da elektrana sadrži tešku opremu, tlo mora imati dovoljnu nosivost, a čvrst temelj je neophodan za podršku opremi.

Udaljenost od naseljenih područja

Termoelektrane emitiraju dimne plinove, pepel, prah i dim tijekom rada, svi to predstavljaju značajne zdravstvene rizike za ljude i mogu uzrokovati ekološko oštećenje okružujuće atmosfere i zemljišta. Da bi se smanjili ti utjecaji, elektrana treba biti situirana daleko od urbanih područja, naselja i poljoprivrede. Također, buka generirana mašinama elektrane, poput alternatora, transformatora, ventilatora i turbine, dalje zahtijeva njenu lokaciju na udaljenom mjestu.

Sustav za odlaganje pepela

Sagorevanje ugljena rezultira nastajanjem pepela, koji čini približno 30-40% ukupne potrošnje ugljena. Pravilno odlaganje pepela je izuzetno važno. Pepel se prikuplja sa dna peći kota, a značajan dio njega nosi se dimnim plinovima. Za učinkovito upravljanje pepelom, koriste se dva glavna sustava za upravljanje pepelom: sustav za upravljanje donjim pepelom i sustav za upravljanje letećim pepelom. Lokacija elektrane treba imati odgovarajuće instalacije za sigurno i ekološki prihvatljivo odlaganje tog pepela.

Blizina centra opterećenja

Električna energija generirana u alternatoru se povećava naponom putem transformatora prije prenosa do centra opterećenja putem prenosnih linija. Lokacija termoelektrane blizu centra opterećenja smanjuje troškove prenosa i gubitke, osiguravajući učinkovitiju i ekonomičniju distribuciju struje.

Učinkovitost termoelektrana

U termoelektrani, proizvodnja električne energije uključuje više etapa pretvorbe energije. Prvo, kemijska energija ugljena pretvara se u toplinsku energiju. Ta toplinska energija zatim pretvara se u kinetičku ili mehaničku energiju, koja se konačno pretvara u električnu energiju. Zbog ovih više etapa pretvorbe energije, ukupna učinkovitost termoelektrana je relativno niska, obično u rasponu od 20-29%.

Učinkovitost termoelektrane utječe na razne faktore, uključujući veličinu elektrane i kvalitetu ugljena koji se koristi. Značajna količina toplinske energije gubi se u kondenzatoru tijekom procesa proizvodnje energije. Postoje dvije glavne vrste metrika učinkovitosti koje se koriste za procjenu termoelektrana:

Toplinska učinkovitost

Toplinska učinkovitost definira se kao omjer mehaničke energije, izražene u toplinskim ekvivalentima, dostupne na turbinu u odnosu na ukupnu toplinsku energiju oslobađenu tijekom sagorevanja ugljena u kotlu. Ona mjeri učinkovitost pretvorbe toplinske energije iz sagorevanja ugljena u korisnu mehaničku radnju u turbinu.

Toplinska učinkovitost

Termoelektrane obično postižu približnu toplinsku učinkovitost od 30%. Značajna količina, oko 50% ukupne toplinske energije generirane, gubi se kao odlaganje unutar kondenzatora. Ostatak toplinske energije gubi se putem raznih drugih kanala, poput dimnih plinova emitiranih iz komine i pepela proizvedenog tijekom sagorevanja ugljena. Ova značajna gubitak topline u kondenzatoru i drugdje naglašava inherentne neefikasnosti tradicionalnih procesa proizvodnje toplinske energije.

Ukupna učinkovitost

Ukupna učinkovitost termoelektrane izračunava se kao omjer toplinskog ekvivalenta električnog izlaza i ukupne toplinske energije oslobađene tijekom sagorevanja ugljena. Ova metrika pruža kompleksnu mjeru performanse elektrane, obuhvaćajući sve etape pretvorbe energije od početne kemijske energije pohranjene u ugljen do konačne električne energije dostavljene mreži. Ona odražava koliko učinkovito elektrana može pretvoriti energiju u ugljen u korisnu električnu energiju, uzimajući u obzir gubitke koji se događaju na svakom koraku složenog procesa proizvodnje energije.