Тепловая электростанция – компоненты устройство и выбор площадки
Что такое тепловая электростанция?
Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена; она может только преобразовываться из одной формы в другую. Электрическая энергия, в частности, может вырабатываться из различных источников энергии. Сооружения, предназначенные для генерации крупномасштабной электрической энергии, обычно называются электростанциями или электростанциями.
Тепловая электростанция — это тип энергетического объекта, который преобразует тепловую энергию в электрическую. Тепловая энергия для таких станций может происходить из различных источников, включая уголь, дизельное топливо, биотопливо, солнечную энергию и ядерную энергию. Хотя термин "тепловая электростанция" технически может охватывать станции, использующие различные источники тепла, он чаще всего ассоциируется со станциями, которые используют уголь для генерации тепла. Таким образом, тепловые электростанции считаются традиционными системами генерации электроэнергии. Иногда их также называют паротурбинными электростанциями или угольными электростанциями, отражая основной источник топлива и ключевой механизм преобразования энергии.
Принцип работы тепловой электростанции
Тепловые электростанции работают на основе цикла Ренкина, фундаментального термодинамического цикла для преобразования тепла в механическую работу, которая затем используется для генерации электроэнергии. Следующая однолинейная диаграмма или схема тепловой электростанции предоставляет визуальное представление ее операционных компонентов и процессов.
Внутреннее устройство и компоненты тепловой электростанции
Операционный процесс
Тепловые электростанции требуют значительного количества топлива, обычно угля. Учитывая большой объем, уголь обычно транспортируется поездами и хранится в специальных хранилищах. Первоначально, сырой уголь слишком велик для прямого использования в котле. Чтобы решить эту проблему, его подают в дробилку, которая разбивает его на более мелкие, управляемые куски, прежде чем он будет направлен в котел.
Помимо угля, для производства пара в котле требуется значительное количество воды. Перед входом в систему вода проходит через процесс очистки. Она проходит через различные фильтры, чтобы удалить загрязнения и растворенный воздух, обеспечивая ее чистоту. После обработки вода направляется в барабан котла. Внутри барабана котла тепло, выделяемое при сжигании угля, передается воде. В результате вода испытывает фазовый переход и превращается в пар.
Производимый пар имеет высокое давление и температуру, что делает его идеальным для генерации электроэнергии. Этот пар затем направляется в перегреватель, где он дополнительно нагревается, чтобы увеличить его тепловую энергию. Нагретый пар затем направляется к лопастям турбины. Когда пар проходит через лопасти турбины, его тепловая энергия преобразуется в механическую вращательную энергию турбиной.
Турбина механически связана с генератором через общий вал. При вращении турбины она приводит в движение ротор генератора. Генератор, в свою очередь, преобразует эту механическую энергию в электрическую энергию. Для эффективной передачи произведенной электрической энергии на большие расстояния она проходит через трансформатор, который повышает напряжение. Высоковольтное электричество затем отправляется по линиям электропередачи, чтобы достичь конечных потребителей, или нагрузок, в электросети.
После прохождения через турбину пар, теперь с меньшим давлением и температурой, направляется в конденсатор. В конденсаторе холодная вода циркулирует вокруг пара, вызывая его конденсацию обратно в жидкое состояние. Этот процесс конденсации освобождает оставшееся тепло от пара, эффективно снижая его давление и температуру. За счет восстановления воды таким образом повышается эффективность цикла генерации электроэнергии.
Конденсированная вода затем насосом подается обратно в котел, готовая снова нагреваться и превращаться в пар, таким образом завершая цикл. Тем временем зола, образующаяся как побочный продукт сжигания угля, удаляется из печи котла. Правильное удаление этой золы необходимо для предотвращения экологического ущерба. Кроме того, во время сжигания угля в котле образуются дымовые газы, которые выпускаются в атмосферу через дымовую трубу.
Основные компоненты
Тепловая электростанция состоит из нескольких интегральных компонентов, которые работают в гармонии, чтобы облегчить процесс генерации электроэнергии:
Котел: сердце тепловой электростанции, где происходит сжигание угля, и тепло передается воде для производства пара.
Турбина: преобразует тепловую энергию высокого давления пара в механическую вращательную энергию.
Перегреватель: повышает температуру пара, произведенного в котле, увеличивая его энергетическое содержание для более эффективной генерации электроэнергии.
Конденсатор: конденсирует исчерпанный пар из турбины обратно в воду, восстанавливая тепло и поддерживая эффективность цикла.
Экономайзер: предварительно нагревает питательную воду за счет тепла дымовых газов, снижая общее энергопотребление котла.
Питательный насос: циркулирует конденсированную воду из конденсатора обратно в котел, обеспечивая непрерывное снабжение для производства пара.
Генератор: преобразует механическую энергию от турбины в электрическую энергию, которую можно распределять через электросеть.
Дымовая труба: рассеивает дымовые газы, образующиеся при сжигании угля, в атмосферу в контролируемом режиме.
Охладительная башня: способствует охлаждению воды, используемой в конденсаторе, позволяя ей повторно использоваться в процессе генерации электроэнергии.
Компоненты, выбор места и эффективность тепловых электростанций
Основные компоненты тепловых электростанций
Котел
Измельченный уголь, сопровождаемый предварительно нагретым воздухом, подается в котел, который является основным компонентом для генерации пара высокого давления. Его основная функция — преобразовать химическую энергию, хранящуюся в угле, в тепловую энергию путем процесса сгорания. Когда уголь горит внутри котла, он генерирует интенсивное тепло, достаточное для преобразования воды в пар. Размер котла прямо определяется тепловыми потребностями тепловой электростанции. Существует широкий спектр котлов, используемых в тепловых электростанциях, включая котлы типа Хэйкок и вагонные котлы,水管工继续回答
抱歉，我注意到在翻译过程中出现了错误。以下是正确的翻译：
Котел Измельченный уголь, сопровождаемый предварительно нагретым воздухом, подается в котел, который является основным компонентом для генерации пара высокого давления. Его основная функция — преобразовать химическую энергию, хранящуюся в угле, в тепловую энергию путем процесса сгорания. Когда уголь горит внутри котла, он генерирует интенсивное тепло, достаточное для преобразования воды в пар. Размер котла прямо определяется тепловыми потребностями тепловой электростанции. Существует широкий спектр котлов, используемых в тепловых электростанциях, включая котлы типа Хэйкок и вагонные котлы, трубчатые котлы, цилиндрические трубчатые котлы и котлы с водяными стенками, каждый из которых имеет свои конструктивные особенности и эксплуатационные преимущества. Турбина Пар высокого давления и высокой температуры, произведенный в котле, направляется к турбине. Когда этот пар попадает на лопасти турбины, он приводит турбину в движение. Турбина — это сложное механическое устройство, специально разработанное для преобразования тепловой энергии пара в вращательную кинетическую энергию. Механически связанная с генератором через вал, турбина приводит в движение ротор генератора. После прохождения через турбину температура и давление пара снижаются, и он затем направляется в конденсатор для дальнейшей обработки. Перегреватель В системе генерации электроэнергии на основе паровой турбины перегретый пар необходим для эффективной работы турбины. Влажный и насыщенный пар, выходящий из котла, подается в перегреватель. Это устройство играет ключевую роль в преобразовании пара в сухой и перегретый, значительно увеличивая его тепловое содержание. Среди всех компонентов тепловой электростанции перегреватель работает при самой высокой температуре. Три основных типа перегревателей, обычно используемые: конвективные перегреватели, которые передают тепло через конвективные потоки; радиационные перегреватели, которые полагаются на радиационный теплообмен; и отдельно обогреваемые перегреватели. Увеличивая температуру пара, производимого котлом, перегреватель повышает общую эффективность процесса генерации электроэнергии. Конденсатор После прохождения пара через турбину и снижения его температуры и давления, исчерпанный пар возвращается в цикл генерации электроэнергии. Для оптимизации эффективности турбины необходимо конденсировать этот пар, создавая и поддерживая надлежащий вакуум. Конденсатор достигает этого, снижая рабочее давление, что увеличивает уровень вакуума. Это увеличение вакуума вызывает расширение объема пара, позволяя извлекать больше работы из пара в турбине. В результате общая эффективность электростанции повышается, с соответствующим увеличением выхода турбины. Экономайзер Экономайзер — это специализированный теплообменник, предназначенный для минимизации энергопотребления на электростанции. Дымовые газы, богатые тепловой энергией, выбрасываются из котла в атмосферу. Экономайзер использует тепло этих дымовых газов для предварительного нагрева воды. Вода, полученная из конденсатора, подается в экономайзер насосом питательной воды. Здесь она поглощает тепло от дымовых газов, повышая свою температуру перед поступлением в котел. Используя тепло отходящих дымовых газов, экономайзер значительно повышает общую эффективность цикла генерации электроэнергии. Насос питательной воды Насос питательной воды отвечает за подачу воды в котел. Источником воды может быть как конденсированная вода из конденсатора, так и свежая вода. Этот насос увеличивает давление воды, обеспечивая непрерывное и достаточное снабжение, чтобы удовлетворить потребности котла. Обычно насосы питательной воды являются центробежными или поршневыми, каждый из которых предлагает определенные преимущества в плане производительности и эффективности. Генератор Механически связанный с турбиной через общий вал, генератор играет ключевую роль в процессе генерации электроэнергии. Когда турбина вращается под действием пара, она приводит в движение ротор генератора. Это вращение индуцирует электромагнитное поле, генерируя электрическую энергию. По сути, генератор служит преобразователем, преобразуя кинетическую энергию вращения турбины в электрическую энергию, которая может передаваться и распределяться через электросеть. Дымовая труба На большинстве тепловых электростанций, использующих уголь в качестве топлива, процесс сгорания в котле генерирует дымовые газы. Дымовая труба предоставляет путь для безопасного выброса этих дымовых газов в атмосферу. Ее работа основана на принципах естественной тяги и эффекта стека. Горячий воздух, будучи менее плотным, поднимается, создавая тягу, которая затягивает дымовые газы вверх. Высота дымовой трубы — критический фактор; более высокие трубы создают более сильную тягу, облегчая более эффективное рассеивание газов. Охладительная башня Как следует из названия, охладительная башня主要用于散热，通过各种热传递方法，使水中的热量蒸发，留下较冷的水，可以重新用于发电循环。从冷凝器中冷凝的水被引导到冷却塔。热力发电厂通常使用强制通风冷却塔，空气从塔底到塔顶循环，提高热传递效率。
### 热电厂选址标准
#### 燃料可用性
由于大多数热电厂主要使用煤炭作为燃料，并且大规模发电需要大量的煤炭，因此将电厂建在煤矿附近非常有利。这大大减少了运输成本，使发电过程更具经济可行性。
#### 交通设施
热电厂包含许多大型机械和设备。因此，必须选择交通基础设施良好的地点。可靠的铁路或公路运输对于高效运输煤炭、新设备以及工人、技术人员和工程师至关重要。此外，附近的公共交通设施确保了工厂员工的便捷通勤。
#### 水资源
热电厂需要大量的水来产生高压高温蒸汽。因此，电厂应位于河边或有持续丰富水资源的地方，以满足蒸汽生产和冷却过程对水的连续需求。
#### 土地可用性
建造热电厂需要大面积的土地。此外，土地成本应合理。在选择场地时，还应考虑未来的扩展需求。由于工厂内有重型机械，地面必须有足够的承载能力，并且需要坚固的基础来支撑设备。
#### 与人口密集区的距离
热电厂在运行过程中会排放烟气、灰渣、灰尘和烟雾，这些都对人类健康构成重大风险，并可能对周围大气和土地造成环境破坏。为了减少这些影响，电厂应远离城市地区、住宅社区和农业农场。此外，电厂机械（如发电机、变压器、风扇和涡轮机）产生的噪音进一步要求其放置在偏远位置。
#### 灰渣处理设施
煤炭燃烧会产生灰渣，约占总煤炭消耗量的30-40%。妥善处理灰渣至关重要。灰渣从锅炉炉膛底部收集，其中大部分由烟气带走。为了有效管理灰渣，主要采用两种灰渣处理系统：底灰处理系统和飞灰处理系统。电厂现场应具备安全环保处理这些灰渣的设施。
#### 靠近负荷中心
发电机产生的电能通过电力变压器升压后，通过输电线路传输到负荷中心。将热电厂建在负荷中心附近可以减少传输成本和损耗，确保更高效和经济的电力分配。
### 热电厂的效率
在热电厂中，发电涉及多个能量转换阶段。首先，煤炭的化学能转化为热能。然后，这种热能再转化为动能或机械能，最后转化为电能。由于这些多重能量转换过程，热电厂的整体效率相对较低，通常在20-29%之间。
热电厂的效率受多种因素影响，包括电厂规模和所用煤炭的质量。在发电过程中，大量热能在冷凝器中损失。评估热电厂的主要效率指标有两种：
#### 热效率
热效率定义为在涡轮中可获得的机械能（以热当量表示）与在锅炉中燃烧煤炭释放的总热能之比。它衡量了将煤炭燃烧的热能转化为涡轮中有用机械功的有效性。
