Loji Tenaga Termal – Komponen Kerja dan Pemilihan Tapak

Apakah Pembangkit Tenaga Termal?

Hukum konservasi energi menyatakan bahawa tenaga tidak dapat dicipta atau dimusnahkan; sebaliknya, ia hanya boleh ditukar dari satu bentuk ke bentuk lain. Tenaga elektrik, khususnya, boleh dihasilkan dari pelbagai sumber tenaga. Fasilitas yang direka untuk menghasilkan tenaga elektrik berskala besar biasanya dikenali sebagai pembangkit listrik atau stesen kuasa.

Pembangkit tenaga termal adalah jenis fasilitas penghasilan tenaga yang menukar tenaga haba menjadi tenaga elektrik. Tenaga haba bagi pembangkit-pembangkit ini boleh berasal dari pelbagai sumber, termasuk arang batu, diesel, biofuel, tenaga suria, dan tenaga nuklear. Walaupun istilah "pembangkit tenaga termal" secara teknikal boleh merangkumi pembangkit yang menggunakan pelbagai sumber haba, ia paling sering dikaitkan dengan pembangkit yang bergantung pada arang batu untuk menghasilkan haba. Oleh itu, pembangkit tenaga termal dianggap sebagai sistem penghasilan tenaga konvensional. Mereka juga kadang-kadang dikenali sebagai pembangkit turbin-ujung atau pembangkit berbahan bakar arang, mencerminkan sumber bahan api utama dan mekanisme pemindahan tenaga utama yang digunakan.

Operasi Pembangkit Tenaga Termal

Pembangkit tenaga termal beroperasi berdasarkan siklus Rankine, sebuah siklus termodinamik asas untuk menukar haba menjadi kerja mekanikal, yang kemudian digunakan untuk menghasilkan elektrik. Gambar rajah satu baris atau tata letak berikut pembangkit tenaga termal memberikan perwakilan visual komponen-komponen operasional dan prosesnya.

Kerja Dalam dan Komponen-Komponen Pembangkit Tenaga Termal

Proses Operasional

Pembangkit tenaga termal memerlukan jumlah bahan api yang besar, biasanya arang batu. Mengingat jumlah yang besar, arang batu biasanya diangkut melalui kereta api dan disimpan di kawasan penyimpanan bahan api khusus. Pada mulanya, arang batu mentah terlalu besar untuk digunakan langsung dalam ketel. Untuk menyelesaikan masalah ini, ia dimasukkan ke dalam penghancur, yang mengurangkan ukurannya menjadi lebih kecil dan mudah dikelola sebelum disalurkan ke ketel.

Selain arang batu, air dalam jumlah besar juga penting untuk penghasilan uap dalam ketel. Sebelum memasuki sistem, air menjalani proses perlakuan. Ia melewati pelbagai penapis untuk menghilangkan kontaminan dan udara terlarut, memastikan kebersihannya. Setelah diperlakukan, air dialihkan ke drum ketel. Di dalam drum ketel, haba yang dihasilkan oleh pembakaran arang batu dipindahkan kepada air. Akibatnya, air mengalami perubahan fasa dan berubah menjadi uap.

Uap yang dihasilkan bertekanan tinggi dan suhu tinggi, menjadikannya ideal untuk penghasilan tenaga. Uap ini kemudian disalurkan ke superheater, di mana ia dipanaskan lagi untuk meningkatkan tenaga termalnya. Uap superpanas kemudian dialihkan ke bilah-bilah turbin. Ketika uap mengalir melalui bilah-bilah turbin, tenaga termalnya diubah menjadi tenaga rotasi mekanikal oleh turbin.

Turbin dikopel secara mekanikal ke alternator melalui poros yang sama. Ketika turbin berputar, ia mendorong rotor alternator. Alternator, gilirannya, mengubah tenaga mekanikal ini menjadi tenaga elektrik. Untuk menghantar tenaga elektrik yang dihasilkan dengan efisien melalui jarak yang jauh, ia dilewatkan melalui transformer, yang meningkatkan voltan. Elektrik bertegangan tinggi ini kemudian dihantar melalui garis transmisi untuk mencapai pengguna akhir, atau beban, dalam grid kuasa.

Setelah melewati turbin, uap, kini dengan tekanan dan suhu yang lebih rendah, disalurkan ke kondenser. Di dalam kondenser, air sejuk mengalir di sekeliling uap, menyebabkannya menguap kembali ke keadaan cair. Proses pengendapan ini melepaskan haba sisa dari uap, secara efektif mengurangi tekanan dan suhunya. Dengan cara ini, air dipulihkan, meningkatkan kecekapan siklus penghasilan tenaga.

Air yang telah dikondensasikan kemudian dipompakan kembali ke ketel menggunakan pompa umpan, siap untuk dipanaskan dan diubah menjadi uap sekali lagi, sehingga menyelesaikan siklus. Sementara itu, abu yang dihasilkan sebagai hasil sampingan dari pembakaran arang batu dihilangkan dari tungku ketel. Penyediaan penghapusan abu yang tepat sangat penting untuk mencegah kerusakan lingkungan. Selain itu, selama pembakaran arang batu di ketel, gas buang dihasilkan dan dilepaskan ke atmosfer melalui cerobong asap.

Komponen Utama

Pembangkit tenaga termal terdiri dari beberapa komponen integral yang bekerja harmonis untuk memfasilitasi proses penghasilan tenaga:

• Ketel: Jantung pembangkit tenaga termal, di mana pembakaran arang batu berlaku, dan haba dipindahkan kepada air untuk menghasilkan uap.

• Turbin: Mengubah tenaga termal uap bertekanan tinggi menjadi tenaga rotasi mekanikal.

• Superheater: Meningkatkan suhu uap yang dihasilkan dalam ketel, meningkatkan kandungan tenaganya untuk penghasilan tenaga yang lebih efisien.

• Kondenser: Mengondensasikan uap ekstrusi dari turbin kembali menjadi air, memulihkan haba dan memelihara kecekapan siklus.

• Economizer: Memanaskan air umpan menggunakan haba dari gas buang, mengurangi penggunaan energi keseluruhan ketel.

• Pompa Umpan: Mengalirkan air yang telah dikondensasikan dari kondenser kembali ke ketel, memastikan bekalan yang berterusan untuk penghasilan uap.

• Alternator: Mengubah tenaga mekanikal dari turbin menjadi tenaga elektrik, yang boleh didistribusikan melalui grid kuasa.

• Cerobong Asap: Menyebar gas buang yang dihasilkan semasa pembakaran arang batu ke atmosfer dengan cara yang terkawal.

• Menara Pendingin: Memfasilitasi pendinginan air yang digunakan dalam kondenser, membolehkannya didaur ulang dan digunakan semula dalam proses penghasilan tenaga.

Komponen, Pemilihan Tapak, dan Kecekapan Pembangkit Tenaga Termal

Komponen Utama Pembangkit Tenaga Termal

Ketel

Arang batu yang dipulverisir, disertai dengan udara yang dipanaskan, dimasukkan ke dalam ketel, yang merupakan komponen inti untuk menghasilkan uap bertekanan tinggi. Fungsi utamanya adalah untuk mentransformasikan tenaga kimia yang tersimpan dalam arang batu menjadi tenaga termal melalui proses pembakaran. Ketika arang batu dibakar di dalam ketel, ia menghasilkan haba intens, mencapai suhu yang cukup untuk mengubah air menjadi uap. Ukuran ketel ditentukan secara langsung oleh keperluan haba pembangkit tenaga termal. Terdapat berbagai jenis ketel yang digunakan dalam pembangkit tenaga termal, termasuk ketel Haycock dan wagon top, ketel pipa api, ketel pipa api silinder, dan ketel pipa air, masing-masing dengan karakteristik desain dan kelebihan operasionalnya sendiri.

Turbin

Uap superpanas bertekanan dan suhu tinggi, yang dihasilkan oleh ketel, dialihkan ke turbin. Ketika uap ini mengenai bilah-bilah turbin, ia menggerakkan turbin. Turbin adalah peranti mekanikal yang canggih yang direka khusus untuk mengubah tenaga termal uap menjadi tenaga kinetik rotasi. Secara mekanikal dikopel ke alternator melalui poros, putaran turbin menggerakkan rotor alternator. Setelah uap melewati turbin, suhu dan tekanannya berkurang, dan kemudian dialihkan ke kondenser untuk pemrosesan lebih lanjut.

Superheater

Dalam sistem penghasilan tenaga berbasis turbin uap, uap superpanas sangat penting untuk operasi turbin yang efisien. Uap basah dan jenuh, yang keluar dari ketel, dimasukkan ke dalam superheater. Peranti ini memainkan peranan penting dalam mentransformasikan uap menjadi uap kering dan superpanas, meningkatkan kandungan tenaga termalnya secara signifikan. Di antara semua komponen pembangkit tenaga termal, superheater beroperasi pada suhu tertinggi. Tiga jenis superheater yang umum digunakan adalah superheater konveksi, yang mentransfer haba melalui arus konveksi; superheater radiasi, yang bergantung pada transfer haba radiasi; dan superheater yang dipanaskan secara terpisah. Dengan meningkatkan suhu uap yang dihasilkan oleh ketel, superheater meningkatkan kecekapan keseluruhan proses penghasilan tenaga.

Kondenser

Setelah uap melewati turbin dan suhu serta tekanannya berkurang, uap ekstrusi didaur ulang kembali ke dalam siklus penghasilan tenaga. Untuk mengoptimumkan kecekapan turbin, perlu untuk mengondensasikan uap ini, menciptakan dan memelihara vakum yang tepat. Kondenser mencapai ini dengan mengurangi tekanan operasional, sehingga meningkatkan tingkat vakum. Peningkatan vakum ini menyebabkan volume uap berkembang, memungkinkan lebih banyak kerja diekstrak dari uap di turbin. Akibatnya, kecekapan keseluruhan pembangkit listrik meningkat, dengan kenaikan output turbin yang sesuai.

Economizer

Economizer adalah pertukaran haba khusus yang dirancang untuk meminimalkan penggunaan energi dalam pembangkit listrik. Gas buang, yang kaya dengan energi termal, dikeluarkan dari ketel ke atmosfer. Economizer memanfaatkan haba dari gas buang ini untuk memanaskan air. Air yang dipulihkan dari kondenser dipompa ke economizer oleh pompa umpan. Di sini, air tersebut menyerap haba dari gas buang, meningkatkan suhunya sebelum memasuki ketel. Dengan menggunakan kembali haba limbah dari gas buang, economizer secara signifikan meningkatkan kecekapan keseluruhan siklus penghasilan tenaga.

Pompa Umpan

Pompa umpan bertanggung jawab untuk menyediakan air ke ketel. Sumber air dapat berasal dari air yang telah dikondensasikan dari kondenser atau air segar. Pompa ini meningkatkan tekanan air, memastikan aliran yang berterusan dan cukup untuk memenuhi kebutuhan ketel. Secara umum, pompa umpan adalah jenis sentrifugal atau positive displacement, masing-masing menawarkan kelebihan dalam hal kinerja dan efisiensi.

Alternator

Secara mekanis terhubung ke turbin melalui poros yang sama, alternator memainkan peran penting dalam proses penghasilan tenaga. Ketika turbin berputar karena gaya uap, ia menggerakkan rotor alternator. Putaran ini menginduksi medan elektromagnet, menghasilkan energi listrik. Secara esensial, alternator berfungsi sebagai konverter, mengubah energi kinetik putaran turbin menjadi energi listrik yang dapat ditransmisikan dan didistribusikan melalui grid listrik.

Cerobong Asap

Dalam sebagian besar pembangkit tenaga termal yang menggunakan arang batu sebagai bahan bakar, proses pembakaran di dalam ketel menghasilkan gas buang. Cerobong asap menyediakan jalur untuk gas buang ini untuk dikeluarkan dengan aman ke atmosfer. Operasinya didasarkan pada prinsip draft alami dan efek cerobong. Udara panas, yang kurang padat, naik, menciptakan draft yang menarik gas buang ke atas. Tinggi cerobong asap adalah faktor kritis; cerobong asap yang lebih tinggi menghasilkan draft yang lebih kuat, memfasilitasi dispersi gas yang lebih efisien.

Menara Pendingin

Seperti namanya, menara pendingin digunakan untuk mendispersikan haba limbah ke atmosfer. Menggunakan berbagai metode transfer haba, menara pendingin memungkinkan haba dari air menguap, meninggalkan air yang lebih dingin yang dapat digunakan kembali dalam siklus penghasilan tenaga. Air yang dikondensasikan dari uap di kondenser dialirkan ke menara pendingin. Menara pendingin aliran paksa umumnya digunakan di pembangkit tenaga termal, di mana udara ditarik dari bagian bawah ke atas menara, meningkatkan efisiensi transfer haba.

Kriteria Pemilihan Tapak untuk Pembangkit Tenaga Termal

Ketersediaan Bahan Bakar

Mengingat arang batu adalah bahan bakar dominan di sebagian besar pembangkit tenaga termal dan jumlah yang diperlukan untuk penghasilan listrik berskala besar, menempatkan pembangkit listrik dekat tambang arang sangat menguntungkan. Proksimitas ini secara signifikan mengurangi biaya transportasi, membuat proses penghasilan tenaga lebih ekonomis.

Fasilitas Transportasi

Pembangkit tenaga termal memiliki banyak mesin dan peralatan berukuran besar. Oleh karena itu, tapak pembangkit harus dipilih di area dengan infrastruktur transportasi yang baik. Transportasi rel atau jalan raya yang andal sangat penting untuk gerakan efisien arang, serta pengiriman peralatan baru dan transportasi pekerja, teknisi, dan insinyur. Selain itu, ketersediaan transportasi publik di sekitarnya memastikan akses yang nyaman bagi tenaga kerja pembangkit.

Ketersediaan Air

Pembangkit tenaga termal memerlukan jumlah air yang sangat besar untuk menghasilkan uap bertekanan dan suhu tinggi. Oleh karena itu, pembangkit harus ditempatkan dekat tepi sungai atau di lokasi dengan pasokan air yang konsisten dan melimpah untuk memenuhi permintaan air yang berkelanjutan yang digunakan dalam penghasilan uap dan proses pendinginan.

Ketersediaan Tanah

Konstruksi pembangkit tenaga termal membutuhkan luas tanah yang besar. Selain itu, biaya tanah harus wajar. Saat memilih tapak, perlu juga dipertimbangkan provisi untuk ekspansi di masa depan. Karena pembangkit memiliki mesin berat, tanah harus memiliki kapasitas beban yang cukup, dan fondasi yang kuat diperlukan untuk menopang peralatan.

Jarak dari Area Berpenduduk

Pembangkit tenaga termal mengeluarkan gas buang, abu, debu, dan asap selama operasi, semuanya berpotensi menimbulkan risiko kesehatan yang signifikan bagi manusia dan dapat menyebabkan kerusakan lingkungan pada atmosfer dan tanah sekitarnya. Untuk meminimalkan dampak ini, pembangkit harus ditempatkan jauh dari area perkotaan, komunitas perumahan, dan lahan pertanian. Selain itu, kebisingan yang dihasilkan oleh mesin pembangkit, seperti alternator, transformer, kipas, dan turbin, semakin mendorong penempatannya di lokasi terpencil.

Fasilitas Penanganan Abu

Pembakaran arang batu menghasilkan abu, yang mewakili sekitar 30-40% dari total konsumsi arang. Penanganan abu yang tepat sangat penting. Abu dikumpulkan dari dasar tungku ketel, dan sebagian besar dibawa oleh gas buang. Untuk mengelola abu dengan efektif, dua sistem penanganan abu utama digunakan: sistem penanganan abu dasar dan sistem penanganan abu terbang. Tapak pembangkit harus memiliki fasilitas yang sesuai untuk pembuangan abu yang aman dan ramah lingkungan.

Proksimitas ke Pusat Beban

Energi listrik yang dihasilkan oleh alternator ditingkatkan tegangannya oleh transformator daya sebelum ditransmisikan ke pusat beban melalui garis transmisi. Menempatkan pembangkit tenaga termal dekat pusat beban mengurangi biaya dan kerugian transmisi, memastikan distribusi listrik yang lebih efisien dan hemat biaya.

Kecekapan Pembangkit Tenaga Termal

Dalam pembangkit tenaga termal, penghasilan listrik melibatkan beberapa tahap konversi energi. Pertama, energi kimia arang batu diubah menjadi energi termal. Energi termal ini kemudian diubah menjadi energi kinetik atau mekanikal, yang akhirnya diubah menjadi energi listrik. Karena beberapa tahap konversi energi ini, kecekapan keseluruhan pembangkit tenaga termal relatif rendah, biasanya berkisar antara 20-29%.

Kecekapan pembangkit tenaga termal dipengaruhi oleh berbagai faktor, termasuk ukuran pembangkit dan kualitas arang yang digunakan. Jumlah energi termal yang signifikan hilang di kondenser selama proses penghasilan tenaga. Ada dua jenis metrik efisiensi utama yang digunakan untuk mengevaluasi pembangkit tenaga termal:

Efisiensi Termal

Efisiensi termal didefinisikan sebagai rasio energi mekanikal, dinyatakan dalam istilah setara panas, yang tersedia di turbin terhadap total energi panas yang dilepaskan selama pembakaran arang batu di ketel. Ini mengukur efektivitas konversi energi panas dari pembakaran arang batu menjadi kerja mekanikal yang bermanfaat di turbin.

Efisiensi Termal

Pembangkit tenaga termal biasanya mencapai efisiensi termal sekitar 30%. Sekitar 50% dari total energi panas yang dihasilkan hilang sebagai limbah di kondenser. Energi panas sisanya hilang melalui berbagai saluran lain, seperti gas buang yang dikeluarkan dari cerobong asap dan abu yang dihasilkan selama pembakaran arang batu. Hilangnya panas yang signifikan di kondenser dan tempat lain menyoroti ketidakefisienan inheren proses penghasilan tenaga termal tradisional.

Efisiensi Keseluruhan

Efisiensi keseluruhan pembangkit tenaga termal dihitung sebagai rasio setara panas dari output listrik terhadap total panas yang dilepaskan selama pembakaran arang batu. Metrik ini memberikan ukuran komprehensif kinerja pembangkit, mencakup semua tahap konversi energi dari energi kimia awal yang tersimpan dalam arang batu hingga energi listrik akhir yang disalurkan ke grid. Ini mencerminkan seberapa efektif pembangkit dapat mentransformasikan energi dalam arang batu menjadi tenaga listrik yang dapat digunakan, mempertimbangkan kerugian yang terjadi pada setiap langkah proses penghasilan tenaga yang kompleks.

Efisiensi Keseluruhan Pembangkit Tenaga Termal

Efisiensi keseluruhan pembangkit tenaga termal mencakup semua kerugian yang terjadi sepanjang siklus penghasilan tenaga. Ini termasuk ketidakefisienan selama pembakaran arang, proses transfer panas, operasi turbin uap, dan kinerja alternator, yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Setiap tahap ini berkontribusi pada kerugian energi keseluruhan, akhirnya menentukan proporsi energi awal dalam arang batu yang berhasil ditransformasikan menjadi tenaga listrik yang dapat digunakan.

Efisiensi keseluruhan pembangkit tenaga termal erat kaitannya dengan ukuran dan kapasitas penghasilan tenaga, biasanya diukur dalam megawatt (MW). Sebagai aturan umum, ada korelasi langsung antara kapasitas pembangkit tenaga termal dan efisiensinya: pembangkit dengan kapasitas lebih rendah cenderung menunjukkan efisiensi keseluruhan yang lebih rendah. Pembangkit yang lebih kecil sering kali kurang memiliki skala ekonomi dan fitur desain yang dioptimalkan yang dimiliki pembangkit yang lebih besar, menghasilkan kerugian energi relatif yang lebih tinggi pada setiap tahap proses penghasilan tenaga. Ini berarti bahwa sebagian lebih besar energi dari bahan bakar terbuang, mengurangi jumlah listrik yang dapat dihasilkan per unit bahan bakar yang dikonsumsi.