Varmekraftverk – Komponenter arbeidsmåte og lokalitetsvalg

Hva er en varmekraftverk?

Loven om energibevaring sier at energi ikke kan opprettes eller ødelegges; heller kan den bare overføres fra én form til en annen. Spesielt elektrisk energi kan utnyttes fra en rekke energikilder. Anlegg som er designet for å generere stor skala elektrisk energi, kalles ofte kraftverk eller kraftstasjoner.

En varmekraftverk er en type kraftgenereringsanlegg som konverterer varmeenergi til elektrisk energi. Varmeelektrisitet for disse anleggene kan ha sitt opprinnelse fra ulike kilder, inkludert kull, diesel, biobrensel, solenergi og nukleær energi. Mens termen "varmekraftverk" teknisk sett kan dekke anlegg som bruker ulike varmekilder, er det mest vanlig forbundet med anlegg som bruker kull for å generere varme. Slik regnes varmekraftverk som konvensjonelle kraftgenereringssystemer. De er noen ganger også kjent som damp-turbine kraftverk eller kullfyrte kraftverk, som reflekterer den primære drivstoffkilden og den viktigste energikonverteringsmekanismen som brukes.

Funksjon av en varmekraftverk

Varmekraftverk fungerer basert på Rankine-syklus, en grunnleggende termodynamisk syklus for å konvertere varme til mekanisk arbeid, som deretter brukes til å generere elektrisitet. Følgende en-linjes diagram eller layout av en varmekraftverk gir et visuelt representasjon av dens operasjonelle komponenter og prosesser.

Innevendige funksjoner og komponenter i en varmekraftverk

Operasjonsprosess

Varmekraftverk krever en betydelig mengde drivstoff, typisk kull. Gitt den store volumet som trengs, transporteres kull vanligvis med tog og lagres i dedikerte drivstofflagringområder. I begynnelsen er råkul for stort til direkte bruk i kokeovnen. For å løse dette, føres det inn i en knuser, som reduserer det til mindre, mer håndterbare biter før det sendes videre til kokeovnen.

I tillegg til kull, er en betydelig mengde vann nødvendig for dampproduksjon i kokeovnen. Før det kommer inn i systemet, undergår vann en behandlingsprosess. Det passerer gjennom ulike filtrer for å fjerne urenheter og eventuelle oppløste luft, for å sikre renheten. Når det er behandlet, rettes vannet mot kokeovndrommen. Innenfor kokeovndrommen overføres varmen generert av kullets forbrenning til vannet. Dette fører til at vannet gjennomgår en fasen endring og transformeres til damp.

Den produserte dampe er høytrykk og høyt temperatur, noe som gjør den ideell for kraftgenerering. Denne dampe ledes deretter til en superheter, hvor den blir ytterligere hevet for å øke dens termiske energi. Den superhetede dampe ledes deretter mot turbinebladene. Når dampe strømmer over turbinebladene, konverteres dens termiske energi til mekanisk rotasjonsenergi av turbinen.

Turbinen er mekanisk koblet til en alternavator via en felles akse. Når turbinen roterer, drev den rotor i alternavatoren. Alternavatoren konverterer så denne mekaniske energien til elektrisk energi. For å effektivt overføre den genererte elektriske energien over lange avstander, sendes den gjennom en transformer, som øker spenningen. Høy-spenningsstrømmen sendes deretter gjennom overføringslinjer for å nå sluttkundene, eller lastene, i kraftnettet.

Etter å ha passert gjennom turbinen, ledes dampe, nå med lavere trykk og temperatur, til en kondensator. I kondensatoren cirkulerer kaldt vann rundt dampe, som får det til å kondensere tilbake til sin flytende form. Denne kondensasjonsprosessen frigjør den gjenstående varmen fra dampe, noe som effektivt reduserer dens trykk og temperatur. Ved å gjenopprette vann på denne måten, økes effektiviteten i kraftgenereringssyklusen.

Det kondenserte vannet pumperes deretter tilbake til kokeovnen ved hjelp av en feedwater-pumpe, klar til å bli hetet og konvertert til damp igjen, slik at syklusen blir fullført. Samtidig fjernes aske, som er en biprodukt av kullets forbrenning, fra kokeovnfurnissen. Riktig avvikling av denne asken er avgjørende for å unngå miljøskade. I tillegg, under forbrenningen av kull i kokeovnen, produseres fluegasser som slipper ut i atmosfæren gjennom skorstenen.

Nøkkelenheter

En varmekraftverk består av flere integrerte komponenter som fungerer i harmoni for å fremme kraftgenereringsprosessen:

• Kokeovn: Hjertet av varmekraftverket, der kullets forbrenning forekommer, og varme overføres til vann for å produsere damp.

• Turbin: Konverterer den termiske energien av høytrykkdamp til mekanisk rotasjonsenergi.

• Superheter: Øker temperaturen på dampe produsert i kokeovnen, øker dens energiinnhold for mer effektiv kraftgenerering.

• Kondensator: Kondenserer utledningsdampe fra turbinen tilbake til vann, gjenoppretter varme og opprettholder syklusens effektivitet.

• Økonomiser: Forevarmer feedvann ved hjelp av varme fra fluegasser, reduserer total energiforbruk av kokeovnen.

• Feedwater-pumpe: Sirkulerer det kondenserte vannet fra kondensatoren tilbake til kokeovnen, sikrer en kontinuerlig levering for dampproduksjon.

• Alternavator: Transformerer den mekaniske energien fra turbinen til elektrisk energi, som kan distribueres gjennom kraftnettet.

• Skorsten: Disperserer fluegassene produsert under kullets forbrenning i atmosfæren på en kontrollert måte.

• Kjølningstårn: Understøtter kjølingen av vannet brukt i kondensatoren, lar det bli resirkulert og gjenbrukt i kraftgenereringsprosessen.

Komponenter, lokalitetsvalg, og effektivitet av varmekraftverk

Nøkkelenheter i varmekraftverk

Kokeovn

Pulverisert kull, sammen med forvarmet luft, føres inn i kokeovnen, som er den sentrale komponenten for å generere høytrykkdamp. Dens primære funksjon er å transformere den kjemiske energien lagret i kull til termisk energi gjennom forbrenningsprosessen. Når kull forbrennes inne i kokeovnen, genererer det intens varme, som når temperaturer nok til å konvertere vann til damp. Størrelsen på kokeovnen er direkte bestemt av varmebehovet i varmekraftverket. Det finnes en rekke ulike typer kokeovner brukt i varmekraftverk, inkludert Haycock- og vognoppsett-kokeovner, rørkokeovner, sylindrisk rørkokeovn, og vannrørkoker, hver med sine egne designegenskaper og driftsfordeler.

Turbin

Høytrykk og høyt temperatur superhetet damp, produsert av kokeovnen, ledes mot turbinen. Når denne dampe treffer turbinebladene, settes turbinen i bevegelse. Turbinen er et sofistikert mekanisk enhet spesielt utviklet for å konvertere den termiske energien av damp til rotasjonskinetisk energi. Mekanisk koblet til en alternavator via en akse, drives alternavatorrotor av turbinens rotasjon. Når dampe passerer gjennom turbinen, synker dens temperatur og trykk, og den ledes deretter til kondensatoren for videre behandling.

Superheter

I et damp-turbine-basert kraftgenereringsystem, er superhetet damp nødvendig for effektiv turbinedrift. Fuktig og mettet damp, som kommer fra kokeovnen, føres inn i superheteren. Dette enhet har en viktig rolle i å transformere dampe til tør og superhetet damp, noe som øker dens termiske energiinnhold betydelig. Blant alle komponentene i et varmekraftverk, opererer superheteren ved den høyeste temperaturen. Tre hovedtyper superheterer er vanlig brukt: konveksjonssuperheter, som overfører varme gjennom konveksjonsstrømmer; strålingssuperheter, som er avhengig av strålevarmeoverføring; og separat forbrent superheter. Ved å øke temperaturen på dampe generert av kokeovnen, øker superheteren den totale effektiviteten i kraftgenereringsprosessen.

Kondensator

Etter at dampe har passert gjennom turbinen og dens temperatur og trykk har sunket, gjenbrukes utledningsdampe i kraftgenereringscyklen. For å optimere turbinens effektivitet, er det nødvendig å kondensere denne dampe, for å skape og opprettholde et riktig vakuum. Kondensatoren oppnår dette ved å redusere driftstrykket, noe som øker vakuumet. Denne økningen i vakuum får dampevolumet til å ekspandere, noe som tillater mer arbeid å trekkes ut av dampe i turbinen. Dette resulterer i en forbedring av kraftverkets totale effektivitet, med en tilsvarende økning i turbinens utbytte.

Økonomiser

Økonomiseren er en spesialisert varmesvekker designet for å minimere energiforbruk i kraftverket. Fluegasser, rikt på termisk energi, slipper ut fra kokeovnen til atmosfæren. Økonomiseren utnytter varmen fra disse fluegassene for å forvarme vannet. Vann gjenopprettet fra kondensatoren pumperes til økonomiseren av feedwater-pumpen. Her absorberer det varmen fra fluegassene, øker sin temperatur før det kommer inn i kokeovnen. Ved å gjenbruke avfallsvarmen fra fluegassene, øker økonomiseren den totale effektiviteten i kraftgenereringscyklen betydelig.

Feedwater-pumpe

Feedwater-pumpen er ansvarlig for å levere vann til kokeovnen. Vannkilde kan være enten kondensert vann fra kondensatoren eller ferskvann. Denne pumpen øker vanntrykket, sikrer en kontinuerlig og tilstrekkelig levering for å møte kokeovnens behov. Vanligvis er feedwater-pumper av sentrifugalt eller positivt plassert type, hver med sine distinkte fordeler i ytelse og effektivitet.

Alternavator

Mekanisk koblet til turbinen via en felles akse, spiller alternavatoren en sentral rolle i kraftgenereringsprosessen. Når turbinen roterer under dampe, driver den alternavatorrotor. Denne rotasjonen inducerer et elektromagnetisk felt, genererer elektrisk energi. I essensen fungerer alternavatoren som en konverter, som transformerer den kinetiske energien av turbinens rotasjon til elektrisk energi som kan overføres og distribueres gjennom kraftnettet.

Skorsten

I de fleste varmekraftverk som bruker kull som drivstoff, genererer forbrenningsprosessen i kokeovnen fluegasser. Skorstenen gir en vei for disse fluegassene til å bli trygt sluppet ut i atmosfæren. Drift er basert på prinsippene for naturlig drakt og skorsten-effekt. Varm luft, som er mindre tetthet, stiger, skaper en drakt som trekker fluegasser oppover. Høyden på skorstenen er en kritisk faktor; høyere skorsten genererer en sterkere drakt, som gjør at gasdispergingen blir mer effektiv.

Kjølningstårn

Som navnet indikerer, brukes kjølningstårnet hovedsakelig for å dissipere avfallsvarme til atmosfæren. Ved å bruke ulike varmeoverføringsmetoder, lar kjølningstårnet varmen fra vannet fordampe, etterlater kjøligere vann som kan gjenbrukes i kraftgenereringscyklen. Vann kondensert fra dampe i kondensatoren ledes til kjølningstårnet. Tvinget-strøm kjølningstårn er vanlig brukt i varmekraftverk, der luft sirkulerer fra bunnen til toppen av tårnet, som forbedrer varmeoverføringseffektiviteten.

Kriterier for lokalitetsvalg for varmekraftverk

Tilgjengelighet av drivstoff

Ettersom kull er det dominerende drivstoffet i de fleste varmekraftverk og den betydelige mengden som trengs for stor skala elektrisitetsgenerering, er det veldig fordelaktig å plassere kraftverket nær en kullgruve. Denne nærheten reduserer transportkostnadene betydelig, gjør kraftgenereringsprosessen mer økonomisk sunn.

Transportfasilitet

Varmekraftverk inneholder mange store maskiner og utstyr. Derfor må lokaliteten for anlegget velges i et område med utmerket transportinfrastruktur. Pålidelig jernbane eller vegtransport er nødvendig for effektiv transport av kull, samt for levering av nytt utstyr og transport av arbeidere, teknikere og ingeniører. I tillegg sikrer tilgjengeligheten av kollektivtransport i nærheten enkel tilgang for anleggets arbeidskraft.

Tilgjengelighet av vann

Et varmekraftverk krever en enorm mengde vann for å produsere høytrykk og høyt temperatur damp. Derfor bør anlegget plasseres nær en elvbredd eller i et område med en stabil og rikelig vannforsyning for å møte den kontinuerlige etterspørselen etter vann som brukes i dampgenerering og kjølingsprosesser.

Tilgjengelighet av land

Konstruksjon av et varmekraftverk krever et stort areal. I tillegg skal landkosten være rimelig. Når lokaliteten velges, bør det også tas hensyn til muligheter for fremtidig utvidelse. Ettersom anlegget inneholder tungt utstyr, må bakken ha tilstrekkelig belastningskapasitet, og et robust fundament er nødvendig for å støtte utstyret.

Avstand fra befolkede områder

Varmekraftverk slipper ut fluegasser, aske, støv og røyk under drift, som alle utgjør betydelige helsefarer for mennesker og kan forårsake miljøskade i det omkringliggende atmosfæren og landskapet. For å minimere disse effektene, bør anlegget plasseres langt fra byområder, boligområder og landbruksområder. I tillegg genererer maskiner i anlegget, som alternavator, transformer, ventilatorer og turbiner, støy, noe som gjør det nødvendig å plassere det i et fjernt sted.

Askeavfallsanlegg

Forbrenningen av kull resulterer i generering av aske, som utgjør omtrent 30-40% av den totale kullforbrukelsen. Riktig askeavfall er av største viktighet. Aske samles fra bunnen av kokeovnfurnissen, og en betydelig del av det føres bort av fluegassene. For å håndtere aske effektivt, brukes to hoved askehåndteringssystemer: bunnaskehåndteringssystemet og flyaskehåndteringssystemet. Lokaliteten for anlegget bør ha egnet anlegg for trygg og miljøvennlig avfallshåndtering av denne asken.

Nærhet til lastesenter

Den elektriske energien generert av alternavatoren økes i spenning av en strømtransformator før den sendes til lastesenteret gjennom overføringslinjer. Å plassere varmekraftverket nær lastesenteret reduserer overføringskostnader og tap, sikrer en mer effektiv og kostnadseffektiv distribusjon av elektrisitet.

Effektivitet av varmekraftverk

I et varmekraftverk involverer elektrisitetsgenerering flere energikonverteringsstadier. Først transformeres den kjemiske energien i kull til termisk energi. Denne termiske energien konverteres deretter til kinetisk eller mekanisk energi, som til slutt konverteres til elektrisk energi. På grunn av disse flere energikonverteringsprosessene, er den totale effektiviteten i varmekraftverk relativt lav, vanligvis mellom 20-29%.

Effektiviteten til et varmekraftverk påvirkes av ulike faktorer, inkludert anleggets størrelse og kvaliteten på kull som brukes. En betydelig mengde varmeenergi går tapt i kondensatoren under kraftgenereringsprosessen. Det er to hovedtyper effektivitetsmålinger som brukes for å evaluere varmekraftverk:

Termisk effektivitet

Termisk effektivitet defineres som forholdet mellom den mekaniske energien, uttrykt i varmeekvivalent, som er tilgjengelig i turbinen til den totale varmeenergien frigjort under kullets forbrenning i kokeovnen. Den måler effektiviteten i å konvertere varmeenergien fra kullets forbrenning til nyttig mekanisk arbeid i turbinen.

Termisk effektivitet

Varmekraftverk oppnår vanligvis en tilnærmet termisk effektivitet på 30%. En betydelig andel, rundt 50% av den totale varmeenergien generert, dissiperes som avfall i kondensatoren. Resten av varmeenergien går tapt gjennom ulike andre kanaler, som i fluegasser slipper ut fra skorstenen og aske produsert under kullets forbrenning. Denne betydelige varmetap i kondensatoren og andre steder understreker de inneværende ineffektivitetene i tradisjonelle termiske kraftgenereringsprosesser.

Total effektivitet

Den totale effektiviteten til et varmekraftverk beregnes som forholdet mellom det varmeekvivalente av den elektriske utdataen til den totale varmeenergien frigjort under kullets forbrenning. Denne måleenheten gir en omfattende måling av anleggets ytelse, som dekker alle stadiene av energikonvertering fra den initielle kjemiske energien lagret i kull til den endelige elektriske energien levert til nettet. Det reflekterer hvordan anlegget effektivt kan transformere energien i kull til bruksmessig elektrisk kraft, med innsikt i tap som oppstår på hvert trinn i den komplekse kraftgenereringsprosessen.

Total effektivitet av varmekraftverk

Den totale effektiviteten til et varmekraftverk dekker alle tapene som oppstår gjennom hele kraftgenereringscyklen. Dette inkluderer ineffektiviteter under kullets forbrenning, varmeoverføringsprosesser, damp-turbine-drift, og viktigst, yteevnen til alternavatoren, som konverterer mekanisk energi til elektrisk energi. Hvert av disse stadier bidrar til den totale energitap, som til slutt bestemmer andelen av den initielle energien i kull som vellykket blir transformert til bruksmessig elektrisk kraft.

Den totale effektiviteten til et varmekraftverk er nært knyttet til dens størrelse og kraftgenereringskapasitet, typisk målt i megawatt (MW). Som en generell regel, er det en direkte sammenheng mellom kapasiteten til et varmekraftverk og dens effektivitet: anlegg med lavere kapasiteter tendenser til å vise lavere totale effektiviteter. Mindre anlegg mangler ofte økonomiene av skala og optimalt design som større anlegg har, noe som resulterer i høyere relative energitap på hvert trinn i kraftgenereringsprosessen. Dette betyr at en større andel av energien fra drivstoffet blir spilt, noe som reduserer mengden elektrisitet som kan produseres per enhet drivstoff forbrukt.