Hőerőmű – Alkatrészek, működés és hely kiválasztása

Mi az éghajlati erőmű?

Az energia megmaradásának törvénye szerint az energia nem hozható létre vagy semmisíthető, csak egy formából átalakulhat egy másikba. A villamos energia különböző energiaforrásokból származtatható. Az olyan létesítmények, amelyek nagy mennyiségű villamos energiát termelnek, gyakran erőműveknek vagy villamosítóállomásoknak hívják.

Az éghajlati erőmű egy olyan energia-termelő létesítmény, amely hőenergiát alakít át villamos energiává. Ezeknek az erőműveknek a hőenergiája különböző forrásból származhat, beleértve a szént, a dieselben, a biüzemanyagokat, a napeleget és a nukleáris energiát is. Bár a „hőerőmű” kifejezés technikailag a különböző hőforrásokat használó erőműveket is lefedi, leggyakrabban a szént használó erőművekre gondolnak. Így az éghajlati erőműveket hagyományos energia-termelő rendszereknek tekintik. Egyes esetekben gőrgépes erőműveknek vagy szént használó erőműveknek is hívják őket, ami a fő üzemanyagtípusra és a kulcsfontosságú energia-átalakító mechanizmusra utal.

Az éghajlati erőmű működése

Az éghajlati erőművek a Rankine-ciklus alapján működnek, amely egy alapvető termodinamikai ciklus a hő energia átalakításához mechanikai munkává, amit ezután villamos energiára alakítanak. A következő egysoros diagram vagy elrendezés az éghajlati erőmű működési összetevőit és folyamatait vizuálisan mutatja be.

Az éghajlati erőmű belső működése és összetevői

Működési folyamat

Az éghajlati erőművekhez jelentős mennyiségű üzemanyag, általában szén, szükséges. A nagy mennyiség miatt a szént általában vonatokkal szállítják, és dedikált üzemanyag-tároló területeken tárolják. Kezdetben a nyers szén túlságosan nagy ahhoz, hogy közvetlenül a kazánban használható legyen. Ehelyett először beteszik egy zúzóba, amely kisebb, kezelhetőbb darabokra csökkenti, majd továbbítja a kazánba.

A szén mellett jelentős mennyiségű víz is szükséges a kazánban lévő pára előállításához. A víz a rendszerbe kerülés előtt átesik egy kezelési folyamaton. Különböző szűrőkön áthalad, hogy eltávolítsa a szennyeződéseket és a feloldott levegőt, így biztosítva a tisztaságát. A kezelt víz a kazán tartályba irányítódik. A kazán tartályban a szén szenvedésével generált hő átadódik a víznek. Ennek eredményeképpen a víz átalakul páravá.

A termelt pár magas nyomású és magas hőmérsékletű, ami ideális a villamos energia előállításához. Ez a pár tovább halad egy szuperhősítőbe, ahol tovább melegítik, hogy növeljék a hőenergiáját. A szupermelegített pár eztán a gőrgép lepések felé irányul. Ahogy a pár a gőrgép lepésein áthalad, a hőenergiája a gőrgép által forgási mechanikai energiává alakul.

A gőrgép mechanikusan kapcsolódik egy alternátorgéphez közös tengelyen keresztül. Amikor a gőrgép forog, elindítja az alternátorgép rotorát. Az alternátorgép ezután ezt a mechanikai energiát villamos energiává alakítja. A generált villamos energia hatékonyabb továbbítása érdekében átvezetik egy transzformátoron, amely emeli a feszültségét. A magas feszültségű villamos energia eztán átadódik a hálózati vezetékekkel a végfelhasználók, vagy terhelések, elé a villamos hálózatban.

A gőrgépen átutazva a pár, most már alacsonyabb nyomású és hőmérsékletű, a kondenzátora irányul. A kondenzátorban hideg víz kering a pár körül, ami miatt a pár visszaáll folyékony állapotba. Ez a kondenzációs folyamat a pár maradék hőjét is kibocsátja, így hatékonyan csökkentve a nyomását és hőmérsékletét. A víz visszaszerzése ezzel a módszerrel javítja az energia-termelési ciklus hatékonyságát.

A kondenzált vízt ezután egy vízfuttató pumpával visszavezetik a kazánba, hogy újra melegítsék és páravá alakítsák, így teljesítve a ciklust. Ugyanakkor a szén szenvedésének mellékterméke, a hamupor, a kazán sütőből távolítják el. A hamupor megfelelő elhelyezése kulcsfontosságú, hogy megelőzze a környezeti károkat. Továbbá a szén szenvedése a kazánban füstgázokat is termel, amelyek a komorón keresztül jutnak ki a légkörbe.

Kulcsfontosságú összetevők

Egy hőerőmű több integrált összetevőből áll, amelyek együttesen dolgoznak, hogy lehetővé tegyék az energia-termelési folyamatot:

• Kazán: A hőerőmű szívete, ahol a szén szenvedése történik, és a hő átadódik a víznek, hogy párat állítson elő.

• Gőrgép: A magas nyomású párból származó hőenergiát forgási mechanikai energiává alakítja.

• Szuperhősítő: Növeli a kazánban előállított párnak a hőmérsékletét, növelve annak energiatartalmát a hatékonyabb energia-termelés érdekében.

• Kondenzátor: A gőrgépről származó párlevést visszaállít vízzé, visszanyerve a hőt és fenntartva a ciklus hatékonyságát.

• Ökonomizér: A füstgázok hőjével előmelegíti a vízfuttató vizet, csökkentve a kazán teljes energiaigényét.

• Vízfuttató pumpa: A kondenzált vizet a kondenzátorból visszavezeti a kazánba, biztosítva a pára előállításához szükséges folyamatos ellátást.

• Alternátorgép: A gőrgépből származó mechanikai energiát villamos energiává alakítja, amit a villamos hálózaton keresztül osztanak el.

• Komoró: Megfelelő módon szórja a szén szenvedésének során keletkező füstgázokat a légkörbe.

• Hűtőtorony: Segít a kondenzátorban használt víz hűtésében, lehetővé téve annak újraszolgáltatását és újbóli felhasználását az energia-termelési folyamatban.

Összetevők, telephely kiválasztása és a hőerőművek hatékonysága

A hőerőművek kulcsfontosságú összetevői

Kazán

A poros szén, előmelegített leveggel, a kazánba kerül, amely a magas nyomású párt előállító alapvető összetevő. Fő funkciója, hogy a szénben tárolt kémiai energiát hőenergiává alakítsa a szenvedési folyamat során. Miközben a szén a kazánban ég, intenzív hőt produkál, ami elegendő a vizet páravá alakítani. A kazán mérete közvetlenül a hőerőmű hőigényétől függ. Sokféle kazán van a hőerőművekben, beleértve a Haycock és wagon top kazánokat, a lángtubusos kazánokat, a hengeres lángtubusos kazánokat és a viztubusos kazánokat, mindegyik sajátos tervezési jellemzőkkel és működési előnyökkel.

Gőrgép

A kazánban előállított magas nyomású és magas hőmérsékletű szuperhősített pár a gőrgépre irányul. Amikor a pár a gőrgép lepéit eléri, a gőrgépet mozgatja. A gőrgép egy összetett mechanikai eszköz, amely kifejezetten arra tervezték, hogy a párnak a hőenergiáját forgási kinetikai energiává alakítsa. Mechanikusan kapcsolódik egy alternátorgéphez tengelyen keresztül, a gőrgép forgása meghajtja az alternátorgép rotort. A pár a gőrgépen átutazva a hőmérséklete és nyomása csökken, majd továbbítják a kondenzátornak további feldolgozásra.

Szuperhősítő

A gőrgép-alapú energia-termelési rendszerben a szuperhősített pár a gőrgép hatékony működésére szükséges. A nedves és telített pár, amely a kazánból származik, a szuperhősítőbe kerül. Ez az eszköz létfontosságú szerepet játszik a pár átalakításában száraz, szuperhősített párrá, jelentősen növelve annak hőenergiatartalmát. A hőerőmű összes összetevője közül a szuperhősítő a legmagasabb hőmérsékleten működik. Három fő típusú szuperhősítőt gyakran alkalmaznak: konvekciós szuperhősítők, amelyek a hőt konvekciós áramlásokon keresztül átadják; sugárzó szuperhősítők, amelyek a sugárzó hőátadásra támaszkodnak; és különlegesen melegített szuperhősítők. A kazánban előállított párnak a hőmérsékletének növelésével a szuperhősítő javítja az energia-termelési folyamat teljes hatékonyságát.

Kondenzátor

A pár a gőrgépen átutazva, a hőmérséklete és nyomása csökken, a párlevést visszaállítják az energia-termelési ciklusba. A gőrgép hatékonyságának optimalizálása érdekében szükséges a pár levaporítása, valamint a megfelelő vakuum kialakítása. A kondenzátor ezt a vákuum növelésével éri el, ami a párnak a térfogatát növeli, lehetővé téve, hogy a gőrgépben több munkát nyerjenek ki a párból. Erre a módon a hőerőmű teljes hatékonysága javul, a gőrgép kimenete pedig növekszik.

Ökonomizér

Az ökonomizér egy specializált hőcserélő, amely célja a hőerőmű energiafelhasználásának minimalizálása. A kazánból a légkörbe szabadult füstgázok hőt tartalmaznak. Az ökonomizér a füstgázok hőjét használja fel a víz előmelegítésére. A kondenzátorból visszaszerzett vízt a vízfuttató pumpa az ökonomizérbe szállítja. Itt a víz a füstgázok hőjét absorálja, növelve a hőmérsékletét, mielőtt a kazánba kerülne. A füstgázok hőjének újrafelhasználásával az ökonomizér jelentősen javítja az energia-termelési ciklus teljes hatékonyságát.

Vízfuttató pumpa

A vízfuttató pumpa felelős a víz beszállításáért a kazánba. A vízforrás lehet a kondenzátorból visszaszerzett víz vagy friss víz. Ez a pumpa növeli a víz nyomását, biztosítva a folyamatos és megfelelő ellátást a kazán igényeihez. Gyakran a centrífugális vagy pozitív elmozdítású típusú vízfuttató pumpákat használják, mindegyik különböző előnyökkel a teljesítmény és a hatékonyság szempontjából.

Alternátorgép

Mechanikusan kapcsolódik a gőrgéphez közös tengelyen keresztül, az alternátorgép kulcsszerepet játszik az energia-termelési folyamatban. Amikor a gőrgép a párnak a hajtásával forog, az alternátorgép rotort meghajtja. Ez a forgás elektromágneses mezőt indukál, amely villamos energiát generál. Lényegében az alternátorgép egy konvertáló, amely a gőrgép forgásának kinetikai energiáját villamos energiává alakítja, amit továbbíthatnak és eloszthatnak a villamos hálózaton keresztül.

Komoró

A legtöbb szént használó hőerőműben a kazánban történő szenvedés füstgázokat termel. A komoró biztosítja a füstgázok biztonságos kibocsátását a légkörbe. Működése a természetes szellőzés és a szellőzési hatás elveire épül. A forró levegő, mivel kevésbé sűrű, felfelé emelkedik, így szellőzést hoz létre, ami a füstgázokat felfelé húzza. A komoró magassága egy kritikus tényező, a magasabb komorók erősebb szellőzést generálnak, lehetővé téve a gázok hatékonyabb szétszóródását.

Hűtőtorony

Ahogy a neve is utal, a hűtőtorony elsősorban a hulladék hő kibocsátását szolgálja a légkörbe. Különböző hőátadási módszereket alkalmazva a hűtőtorony lehetővé teszi, hogy a vízből a hő evaporiáljon, hűvös vízzel hagyva, amit újra felhasználhatnak az energia-termelési ciklusban. A kondenzátorból származó vízt a hűtőtoronyba irányítják. A hőtérképes hűtőtoronyok gyakran használódnak a hőerőművekben, ahol a levegő a torony aljától a tetejéig cirkulál, növelve a hőátadás hatékonyságát.

A hőerőmű telephely kiválasztásának kritériumai

Üzemanyag elérhetősége

Mivel a szén a legtöbb hőerőműben a fő üzemanyag, és a nagy léptékű villamos energia előállításához jelentős mennyiség szükséges, a hőerőmű telephelyének a széntány közelében kell lennie. Ez a közelség jelentősen csökkenti a szállítási költségeket, gazdaságilag hasznosabbá téve az energia-termelési folyamatot.

Szállítási infrastruktúra

A hőerőművek sok nagyméretű gépet és berendezést tartalmaznak. Így a telephelyet olyan területen kell kiválasztani, ahol kiváló szállítási infrastruktúra van. Megbízható vasúti vagy közúti szállítás szükséges a szén hatékony szállításához, valamint az új berendezések és a munkások, műszaki személyzet és mérnökök szállításához. Továbbá a helyi közlekedés elérhetősége biztosítja a munkahelyi személyzet számára a kényelmes hozzáférést.

Víz elérhetősége

A hőerőműnek jelentős mennyiségű vízre van szüksége a magas nyomású és hőmérsékletű pár előállításához. Emiatt a telephelynek a folyóparton vagy olyan területen kell lennie, ahol állandó és elegendő vízforrás biztosítja a pára előállításához és hűtési folyamatokhoz szükséges víz folyamatos igényét.

Föld elérhetősége

A hőerőmű építése jelentős területet igényel. Továbbá a föld ára megfelelőnek kell lennie. A telephely kiválasztásánál figyelembe kell venni a jövőbeli bővítés lehetőségeit is. Mivel a telephelyen nehéz gépek találhatók, a talajnak megfelelő terhelésviselő képességgel kell rendelkeznie, és erős alapra van szükség a berendezések támogatásához.

Távolság a lakossági területektől

A hőerőművek működése során füstgázokat, hamut, porot és dünnyejtet adnak ki, amelyek jelentős egészségügyi kockázatot jelentenek az emberi egészségre, és károsítják a környezetet. Minimálni ezek hatásait, a telephelyt messze kell elhelyezni a városi területektől, lakossági közösségektől és mezőgazdasági területektől. Továbbá a műszaki berendezések, mint például az alternátorgépek, transzformátorok, ventilátorok és gőrgépek zaját, a távoli helyszín kiválasztása indokolt.

Hamu kezelési létesítmény

A szén szenvedése hamu előállításához vezet, ami a teljes szénfogyasztás 30-40%-át teszi ki. A hamu megfelelő kezelése nagyon fontos. A hamut a kazán sütőjének aljáról gyűjtik, és jelentős részét a füstgázok viszik el. A hamu hatékony kezeléséhez két fő hamu-kezelési rendszert használnak: az alsó hamu-kezelési rendszert és a repedőhamu-kezelési rendszert. A telephelynek megfelelő létesítményekkel kell rendelkeznie a hamu biztonságos és környezetbarát kezeléséhez.

Közelség a terhelés központjához

Az alternátorgép által generált villamos energia a hatalmi transzformátor segítségével növeli a feszültségét, majd a terhelés központjához küldi a villamos hálózaton keresztül. A hőerőmű telephelyének a terhelés központjához közeli elhelyezése csökkenti a szállítási költségeket és veszteségeket, hatékonyabb és költséghatékonyabb villamos energia-distribúciót biztosítva.

A hőerőművek hatékonysága

A hőerőműben a villamos energia előállítása több energia-átalakítási szakaszot tartalmaz. Először a szén kemikai energiáját hőenergiává alakítják. Ez a hőenergia eztán kinetikai vagy mechanikai energiává, végül villamos energiává alakul. Ezek több energia-átalakítási folyamatok miatt a hőerőművek teljes hatékonysága relatíve alacsony, általában 20-29% között van.

A hőerőmű hatékonyságot számos tényező befolyásolja, beleértve a telephely méretét és a használt szén minőségét. A hőenergia-termelési folyamat során jelentős mennyiségű hőenergia elveszítés történik a kondenzátorban. Két fő hatékonysági metrika van a hőerőművek kiértékelésére:

Hőhatékonyság

A hőhatékonyság definíciója a gőrgépen elérhető mechanikai energia, hőegyenszerűségben kifejezve, és a kazánban tört