Kolenkrachtcentrale – Componenten, werking en locatiekeuze

Wat is een thermische elektriciteitscentrale?

De wet van de energiebehoud stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd; het kan alleen van de ene vorm naar de andere worden omgezet. Elektrische energie in het bijzonder kan worden opgewekt uit verschillende energiebronnen. Faciliteiten die zijn ontworpen om op grote schaal elektrische energie te genereren, worden meestal elektriciteitscentrales of energiecentrales genoemd.

Een thermische elektriciteitscentrale is een type energieopwekkingsfaciliteit dat warmte-energie omzet in elektrische energie. De warmte-energie voor deze centrales kan afkomstig zijn van diverse bronnen, waaronder steenkool, diesel, biobrandstoffen, zonne-energie en kernenergie. Hoewel de term "thermische elektriciteitscentrale" technisch gezien centrales kan omvatten die gebruik maken van verschillende warmtebronnen, wordt deze meestal geassocieerd met centrales die steenkool gebruiken om warmte te genereren. Daarom worden thermische elektriciteitscentrales beschouwd als conventionele energieopwekkingsystemen. Ze worden soms ook wel stoomturbine-elektriciteitscentrales of kolenbrandende elektriciteitscentrales genoemd, wat de primaire brandstof en het belangrijkste energie-omzettingsmechanisme weerspiegelt.

Werking van een thermische elektriciteitscentrale

Thermische elektriciteitscentrales werken op basis van de Rankine-cyclus, een fundamentele thermodynamische cyclus voor het omzetten van warmte in mechanisch werk, dat vervolgens wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken. Het volgende eendelige diagram of layout van een thermische elektriciteitscentrale geeft een visuele weergave van de operationele componenten en processen.

De interne werking en componenten van een thermische elektriciteitscentrale

Operationeel proces

Thermische elektriciteitscentrales vereisen een aanzienlijke hoeveelheid brandstof, meestal steenkool. Gezien de grote hoeveelheid die nodig is, wordt steenkool meestal per trein vervoerd en opgeslagen in speciale brandstofopslagruimtes. Aanvankelijk is de rauwe steenkool te groot voor direct gebruik in de ketel. Om dit op te lossen, wordt deze ingevoerd in een verpletteraar, die het reduceert tot kleinere, beheersbare stukjes voordat het naar de ketel wordt overgebracht.

Naast steenkool is een aanzienlijke hoeveelheid water essentieel voor stoomproductie binnen de ketel. Voordat het water het systeem binnenkomt, ondergaat het een behandeling. Het passeert verschillende filters om onzuiverheden en opgeloste lucht te verwijderen, waardoor de zuiverheid ervan wordt gewaarborgd. Zodra het water is behandeld, wordt het gericht naar de ketel trommel. Binnen de ketel trommel wordt de warmte die door de verbranding van steenkool wordt geproduceerd, overgedragen aan het water. Hierdoor ondergaat het water een faseverandering en verandert het in stoom.

De geproduceerde stoom is hoogdruk- en hoge temperatuurstoom, waardoor het ideaal is voor energieopwekking. Deze stoom wordt dan geleid naar een oververhitter, waar het verder wordt verhit om de thermische energie ervan te verhogen. De oververhitte stoom wordt vervolgens gericht naar de turbinebladen. Terwijl de stoom over de turbinebladen stroomt, wordt de thermische energie ervan omgezet in mechanische rotatie-energie door de turbine.

De turbine is mechanisch gekoppeld aan een alternator via een gemeenschappelijke as. Wanneer de turbine roteert, drijft het de rotor van de alternator aan. De alternator zet vervolgens deze mechanische energie om in elektrische energie. Om de gegenereerde elektrische energie efficiënt over lange afstanden te transporteren, wordt deze door een transformator geleid, die de spanning verhoogt. De hoogspanning elektriciteit wordt vervolgens via transmissielijnen gestuurd om de eindgebruikers, of belastingen, in het elektriciteitsnetwerk te bereiken.

Na het passeren door de turbine, wordt de stoom, nu met een lagere druk en temperatuur, geleid naar een condensator. In de condensator circuleert koel water rond de stoom, waardoor deze weer teruggaat naar zijn vloeibare staat. Dit condensatieproces laat de resterende warmte van de stoom vrij, waardoor de druk en temperatuur effectief worden verminderd. Door het water op deze manier te herwinnen, wordt de efficiëntie van de energieopwekkingscyclus verhoogd.

Het gecondenseerde water wordt vervolgens teruggepompt naar de ketel met behulp van een feedwaterpomp, klaar om opnieuw te worden verhit en omgezet in stoom, waarmee de cyclus wordt afgerond. Ondertussen wordt de as die als nevenproduct van de verbranding van steenkool wordt geproduceerd, verwijderd uit de keteloven. Adequate afvalbehandeling van deze as is cruciaal om milieuschade te voorkomen. Bovendien worden tijdens de verbranding van steenkool in de ketel rookgassen geproduceerd en worden deze via de schoorsteen de atmosfeer in geloosd.

Belangrijke componenten

Een thermische elektriciteitscentrale bestaat uit verschillende integrale componenten die harmonieus samenwerken om het energieopwekkingsproces te faciliteren:

• Ketel: Het hart van de thermische elektriciteitscentrale, waar de verbranding van steenkool plaatsvindt en warmte wordt overgedragen aan water om stoom te produceren.

• Turbine: Zet de thermische energie van hoogdrukstoom om in mechanische rotatie-energie.

• Oververhitter: Verhoogt de temperatuur van de in de ketel geproduceerde stoom, waardoor de energie-inhoud ervan wordt verhoogd voor een efficiëntere energieopwekking.

• Condensator: Condenseert de uitlaatstoom van de turbine terug naar water, warmte herwint en de efficiëntie van de cyclus handhaaft.

• Economizer: Voorverhit het feedwater met behulp van de warmte van de rookgassen, waardoor het totale energieverbruik van de ketel wordt verlaagd.

• Feedwaterpomp: Circuleert het gecondenseerde water van de condensator terug naar de ketel, waardoor er een continue aanvoer is voor stoomproductie.

• Alternator: Transformeert de mechanische energie van de turbine in elektrische energie, die kan worden verdeeld via het elektriciteitsnetwerk.

• Schoorsteen: Verspreidt de rookgassen die tijdens de verbranding van steenkool worden geproduceerd, op een gecontroleerde manier in de atmosfeer.

• Koeltoren: Faciliteert de koeling van het water dat in de condensator wordt gebruikt, waardoor het kan worden gerecycled en hergebruikt in het energieopwekkingsproces.

Componenten, locatiekeuze en efficiëntie van thermische elektriciteitscentrales

Belangrijke componenten van thermische elektriciteitscentrales

Ketel

Gemalen steenkool, vergezeld van voorverwarmde lucht, wordt ingevoerd in de ketel, die fungeert als de kerncomponent voor het genereren van hoogdrukstoom. De primaire functie is om de chemische energie die in steenkool is opgeslagen, om te zetten in thermische energie door middel van de verbrandingsproces. Wanneer steenkool in de ketel verbrandt, produceert het intense warmte, die voldoende is om water om te zetten in stoom. De grootte van de ketel wordt direct bepaald door de warmte-eisen van de thermische elektriciteitscentrale. Er zijn verschillende soorten ketels die in thermische elektriciteitscentrales worden gebruikt, waaronder Haycock- en wagon topketels, buisketels, cilindrische buisketels en waterbuisketels, elk met hun eigen ontwerpkenmerken en operationele voordelen.

Turbine

Hoogdruk- en hoge temperatuurstoom, geproduceerd door de ketel, wordt gericht naar de turbine. Wanneer deze stoom de turbinebladen raakt, zet het de turbine in beweging. De turbine is een geavanceerd mechanisch apparaat dat specifiek is ontworpen om de thermische energie van stoom om te zetten in rotatiekinetische energie. Mechanisch gekoppeld aan een alternator via een as, drijft de rotatie van de turbine de rotor van de alternator aan. Zodra de stoom de turbine heeft gepasseerd, daalt de temperatuur en druk, en wordt het vervolgens geleid naar de condensator voor verdere verwerking.

Oververhitter

In een stoomturbine-gebaseerd energieopwekkingsysteem is oververhitte stoom essentieel voor een efficiënte turbinebedrijfsvoering. Natte en verzadigde stoom, die uit de ketel komt, wordt ingevoerd in de oververhitter. Dit apparaat speelt een cruciale rol bij het transformeren van de stoom in droge en oververhitte stoom, waardoor de thermische energie-inhoud aanzienlijk wordt verhoogd. Van alle componenten in een thermische elektriciteitscentrale, werkt de oververhitter bij de hoogste temperatuur. Drie hoofdtypen oververhitters worden meestal toegepast: convectie-oververhitters, die warmte overdragen via convectiestromingen; stralings-oververhitters, die afhankelijk zijn van stralingsoverdracht; en apart aangevuurde oververhitters. Door de temperatuur van de stoom die door de ketel wordt geproduceerd te verhogen, verhoogt de oververhitter de algemene efficiëntie van het energieopwekkingsproces.

Condensator

Nadat de stoom de turbine heeft gepasseerd en de temperatuur en druk zijn gedaald, wordt de uitlaatstoom hergebruikt in de energieopwekkingscyclus. Om de efficiëntie van de turbine te optimaliseren, is het nodig om deze stoom te condenseren, waardoor een juiste vacuüm wordt gecreëerd en gehandhaafd. De condensator bereikt dit door de bedrijfsdruk te verlagen, waardoor het vacuümniveau toeneemt. Deze toename van het vacuüm zorgt ervoor dat het volume van de stoom uitdijt, waardoor meer werk kan worden verkregen uit de stoom in de turbine. Als gevolg hiervan verbetert de algemene efficiëntie van de energiecentrale, met een overeenkomstige toename van de output van de turbine.

Economizer

De economizer is een gespecialiseerde warmtewisselaar die is ontworpen om het energieverbruik binnen de energiecentrale te minimaliseren. Rookgassen, rijk aan thermische energie, worden uit de ketel de atmosfeer in geloosd. De economizer maakt gebruik van de warmte van deze rookgassen om het water voor te verwarmen. Water dat uit de condensator is herwonnen, wordt door de feedwaterpomp naar de economizer gepompt. Hier absorbeert het de warmte van de rookgassen, waardoor de temperatuur ervan stijgt voordat het de ketel binnengaat. Door de afvalwarmte van de rookgassen te hergebruiken, verhoogt de economizer aanzienlijk de algemene efficiëntie van de energieopwekkingscyclus.

Feedwaterpomp

De feedwaterpomp is verantwoordelijk voor het leveren van water aan de ketel. De watersource kan zowel het gecondenseerde water van de condensator als vers water zijn. Deze pomp verhoogt de waterdruk, waardoor een continue en adequate aanvoer wordt gegarandeerd om aan de eisen van de ketel te voldoen. Meestal zijn feedwaterpompen van het centrifugaal- of positieve verplaatsingstype, elk met hun eigen voordelen in termen van prestaties en efficiëntie.

Alternator

Mechanisch verbonden aan de turbine via een gedeelde as, speelt de alternator een cruciale rol in het energieopwekkingsproces. Wanneer de turbine draait onder de kracht van de stoom, drijft het de rotor van de alternator aan. Deze rotatie genereert een elektromagnetisch veld, waardoor elektrische energie wordt opgewekt. In essentie fungeert de alternator als een converter, die de kinetische energie van de rotatie van de turbine omzet in elektrische energie die kan worden getransporteerd en gedistribueerd via het elektriciteitsnetwerk.

Schoorsteen

In de meeste thermische elektriciteitscentrales die steenkool als brandstof gebruiken, worden rookgassen geproduceerd tijdens het verbrandingsproces in de ketel. De schoorsteen biedt een pad voor deze rookgassen om veilig in de atmosfeer te worden geloosd. Het functioneert op basis van de principes van natuurlijke trek en de stack-effect. Warme lucht, die minder dicht is, stijgt, waardoor een trek wordt gecreëerd die de rookgassen omhoog trekt. De hoogte van de schoorsteen is een cruciaal aspect; hogere schoorstenen genereren een sterkere trek, waardoor de gasdispersie efficiënter wordt.

Koeltoren

Zoals de naam al aangeeft, wordt de koeltoren voornamelijk gebruikt om afvalwarmte in de atmosfeer af te voeren. Met behulp van verschillende warmtetransfermethoden laat de koeltoren de warmte van het water verdampen, waardoor koeler water achterblijft dat kan worden hergebruikt in de energieopwekkingscyclus. Water dat uit de stoom in de condensator is gecondenseerd, wordt geleid naar de koeltoren. Gedwongen-stroomkoeltorens worden vaak gebruikt in thermische elektriciteitscentrales, waar lucht van de onderkant naar de bovenkant van de toren wordt omgeleid, waardoor de warmtetransferefficiëntie wordt verhoogd.

Locatiekeuzecriteria voor thermische elektriciteitscentrales

Beschikbaarheid van brandstof

Gezien steenkool de dominante brandstof is in de meeste thermische elektriciteitscentrales en de aanzienlijke hoeveelheid die nodig is voor grootschalige elektriciteitsproductie, is het zeer voordelig om de energiecentrale dicht bij een steenkoolmijn te situeren. Deze nabijheid vermindert aanzienlijk de transportkosten, waardoor het energieopwekkingsproces economisch haalbaarder wordt.

Vervoersfaciliteit

Thermische elektriciteitscentrales bevatten tal van grote machines en apparatuur. Daarom moet de locatie van de energiecentrale in een gebied worden gekozen met uitstekende vervoersinfrastructuur. Betrouwbaar spoor- of wegvervoer is essentieel voor het efficiënte transport van steenkool, evenals voor de levering van nieuwe apparatuur en het vervoer van werknemers, technici en ingenieurs. Bovendien zorgt de beschikbaarheid van openbaar vervoer in de buurt voor gemakkelijke toegang voor het personeel van de energiecentrale.

Beschikbaarheid van water

Een thermische elektriciteitscentrale vereist een enorme hoeveelheid water om hoogdruk- en hoge temperatuurstoom te produceren. Daarom moet de energiecentrale zich dicht bij een rivieroever of op een locatie bevinden met een constante en overvloedige wateraanvoer om aan de continue vraag naar water voor stoomgeneratie en koelprocessen te voldoen.

Beschikbaarheid van grond

Het bouwen van een thermische elektriciteitscentrale vergt een groot terrein. Bovendien moet de grondprijs redelijk zijn. Bij het kiezen van de locatie moeten voorzieningen voor toekomstige uitbreiding ook worden meegenomen. Aangezien de energiecentrale zware machines huisvest, moet de bodem voldoende dragende capaciteit hebben, en is een robuuste fundering essentieel om de apparatuur te ondersteunen.

Afstand van bebouwde gebieden

Thermische elektriciteitscentrales emitt