Toplinska elektrarna – Komponente, delovanje in izbira lokacije

Kaj je toplinska elektrarna?

Zakon o ohranjanju energije pravi, da energija ne more biti ustvarjena ali uničena; lahko se le preoblikuje iz ene oblike v drugo. Električna energija, zlasti, se lahko izkorišča iz različnih virov energije. Območja, namenjena generiranju velikih količin električne energije, so pogosto imenovana elektrarne ali elektrarne.

Toplinska elektrarna je vrsta objekta za proizvodnjo energije, ki pretvori toplinsko energijo v električno energijo. Toplinska energija za te elektrarne lahko izvira iz različnih virov, vključno s premi, dizelom, biogorivi, sončno energijo in jedrsko energijo. Čeprav term "toplinska elektrarna" tehnično lahko zajema elektrarne, ki uporabljajo različne toplinske vire, je najpogosteje povezan z elektrarnami, ki se zanašajo na prem za generiranje toplote. Tako so toplinske elektrarne smatrane za konvencionalne sisteme za proizvodnjo energije. Nekateri jih tudi poznajo kot parne turbinele ali premoskrbljene elektrarne, kar odraža glavni vir goriva in ključni mehanizem pretvorbe energije, ki ga uporabljajo.

Delovanje toplinske elektrarne

Toplinske elektrarne delujejo na osnovi Rankineovega cikla, temeljnega termodinamičnega cikla za pretvorbo toplote v mehansko delo, ki se nato uporablja za generiranje elektrike. Naslednji enolinijkov diagram ali postavitev toplinske elektrarne ponuja vizualno predstavitev njegovih operativnih komponent in procesov.

Notranje delovanje in komponente toplinske elektrarne

Operativni postopek

Toplinske elektrarne zahtevajo značilno veliko količino goriva, tipično prema. Zaradi velike potrebne količine se prema pogosto prevaža z vlaki in shranjuje v posebna območja za shranjevanje goriva. Na začetku je surova prem prevelika za neposredni uporabni v kotlu. Da se to reši, se prem vnese v drobilnik, ki jo razdrobi v manjše, bolj upravljive kosice, preden se prenese v kotel.

Poleg preme je za proizvodnjo para v kotlu potrebna tudi značilna količina vode. Pred vstopom v sistem gre voda skozi proces čiščenja. Prehaja skozi različne filtre, da se odstrani onesnaženost in kakršnakoli rastvita zraka, kar zagotavlja njeno čistoto. Ko je obdelana, se voda usmeri v bočni boben kotla. V notranjosti bočnega bobna se toplota, ki jo tvori zgorevanje preme, prenese vodi. Kot rezultat voda doživi fazni spremembi in se pretvori v par.

Proizvedeni par je visokotlačen in visokotemperaturni, kar ga naredi idealnega za proizvodnjo energije. Ta par se nato usmeri v superzagrevalec, kjer se dodatno zagreva, da se poveča njegova toplinska energija. Superzagrevan par se nato usmeri proti lopaticam turbine. Ko par teče preko lopatic turbine, se njegova toplinska energija v turbine pretvori v mehansko vrtenjsko energijo.

Turbina je mehansko povezana z alternatorjem preko skupnega valja. Ko se turbina vrti, pogoni rotor alternatorja. Alternator nato to mehansko energijo pretvori v električno energijo. Za učinkovito prenos generirane električne energije na daleč razmaknjene kraje, gre skozi transformator, ki poviša napetost. Visokonapetostna elektrika se nato pošlje skozi prenosne linije, da doseže končne uporabnike ali optage v električnem omrežju.

Po preteklosti cez turbino, par, ki je zdaj nižje tlačen in nižje temperaturni, se usmeri v kondenzator. V kondenzatorju se hladna voda giblje okoli para, kar povzroči, da se pretvori nazaj v svojo tekočo stanje. Ta proces kondenzacije izpušča preostali toplotni tok iz para, učinkovito zmanjšava njegovo tlak in temperaturo. S to obliko obnovitve vode se poveča učinkovitost cikla proizvodnje energije.

Kondenzirana voda se nato s pumpo za vhodno vodo vrača v kotel, pripravljena, da se zagreje in ponovno pretvori v par, tako da se zapre cikel. Medtem se pepel, ki je posledica zgorevanja preme v kotlu, odstrani iz pečnice kotla. Pravilno odstranjevanje te peple je ključnega pomena, da se prepreči okoljski škodi. Poleg tega se med zgorevanjem preme v kotlu ustvari dimne plini, ki se izpuščajo v atmosfero skozi dimnik.

Ključne komponente

Toplinska elektrarna vključuje več integralnih komponent, ki delujejo v harmoniji, da omogočijo proces proizvodnje energije:

• Kotel: srce toplinske elektrarne, kjer poteka zgorevanje preme in toplota se prenese vodi, da se proizvede par.

• Turbina: pretvori toplinsko energijo visokotlačnega para v mehansko vrtenjsko energijo.

• Superzagrevalec: poviša temperaturo para, proizvedenega v kotlu, kar poveča njegovo energijsko vsebnost za bolj učinkovito proizvodnjo energije.

• Kondenzator: kondenzira izpuščen par iz turbine nazaj v vodo, obnovljuje toploto in vzdržuje učinkovitost cikla.

• Ekonomiziralec: predzagreva vhodno vodo, uporabljajoč toploto iz dimnih plinov, kar zmanjša skupno porabo energije kotla.

• Pumpa za vhodno vodo: cirkulira kondenzirano vodo iz kondenzatorja nazaj v kotel, zagotavlja neprekinjen oskrbovalni vir za proizvodnjo para.

• Alternator: pretvori mehansko energijo iz turbine v električno energijo, ki se lahko distribuira skozi električno omrežje.

• Dimnik: disperzira dimne pline, proizvedene med zgorevanjem preme, v atmosfero na kontrolirovan način.

• Hladilni stolp: omogoča hlađenje vode, uporabljene v kondenzatorju, da se lahko reciklira in ponovno uporabi v procesu proizvodnje energije.

Komponente, izbira lokacije in učinkovitost toplinskih elektrarn

Ključne komponente toplinskih elektrarn

Kotel

Pulverizirana prem, spremljena z predzagreto zrakom, se vnese v kotel, ki je glavna komponenta za proizvodnjo visokotlačnega para. Njegova glavna funkcija je pretvorba kemjske energije, shranjene v premi, v toplinsko energijo preko procesa zgorevanja. Ko prem gori znotraj kotla, ustvari intenzivno toploto, ki doseže temperature, zadostne, da vodo prevede v par. Velikost kotla je neposredno določena z toplinskimi potrebami toplinske elektrarne. Obstaja raznolikost kotlov, uporabljenih v toplinskih elektrarnah, vključno s Haycock in wagon top kotli, firetube kotli, cilindričnimi fire-tube kotli in water-tube kotli, vsak z lastnimi oblikovalskimi značilnostmi in operativnimi prednostmi.

Turbina

Visokotlačen in visokotemperaturni superzagreven par, proizveden v kotlu, se usmeri proti turbin. Ko ta par pride v stik s lopaticami turbine, jo postavi v gibanje. Turbina je sofisticirana mehanska naprava, specifično oblikovana za pretvorbo toplinske energije para v vrtenjsko kinetično energijo. Mehansko povezana z alternatorjem preko valja, vrtenje turbine pogoni rotor alternatorja. Ko par preteče cez turbino, njegova temperatura in tlak zmanjšata, in se nato usmeri v kondenzator za nadaljnjo obdelavo.

Superzagrevalec

V sistemih proizvodnje energije, temeljih na parnih turbinah, je superzagreven par ključnega pomena za učinkovito delovanje turbine. Vlažen in nasiten par, ki izide iz kotla, se vnese v superzagrevalec. Ta naprava igra ključno vlogo pri pretvorbi para v suho in superzagreven par, značilno poveča njegovo toplinsko energijsko vsebnost. Med vsemi komponentami toplinske elektrarne deluje superzagrevalec na najvišji temperaturi. Tri glavne vrste superzagrevalnikov so pogosto uporabljene: konvekcijski superzagrevalniki, ki prenašajo toploto preko konvekcijskih tokov; radijski superzagrevalniki, ki se zanašajo na radijsko prenos toplote; in ločno gorivo superzagrevalniki. Z povečanjem temperature para, proizvedenega v kotlu, superzagrevalec poveča skupno učinkovitost procesa proizvodnje energije.

Kondenzator

Po preteklosti cez turbino in padcu temperature in tlaka, se izpuščen par reciklira nazaj v cikel proizvodnje energije. Za optimizacijo učinkovitosti turbine je potrebno kondenzirati ta par, ustvariti in vzdrževati pravilni vakuum. Kondenzator to doseže z zmanjšanjem delovanja pod tlakom, kar poveča raven vakuma. To povečanje vakuma povzroči, da se prostornina para razširi, kar omogoča, da se iz para v turbine izvleče več dela. Tako se poveča skupna učinkovitost elektrarne, s sorodnim povečanjem izhoda turbine.

Ekonomiziralec

Ekonomiziralec je specializirani toplinski menjalnik, oblikovan za zmanjšanje porabe energije znotraj elektrarne. Dimni plini, bogati z toplinsko energijo, so izpuščeni iz kotla v atmosfero. Ekonomiziralec izkorišča toploto iz teh dimnih plinov, da predzagreva vodo. Voda, obnovljena iz kondenzatorja, se s pumpo za vhodno vodo prepelje v ekonomiziralnik. Tukaj absorbuje toploto iz dimnih plinov, poveča svojo temperaturo pred vstopom v kotel. S ponovno uporabo odpadne toplote dimnih plinov ekonomiziralec značilno poveča skupno učinkovitost cikla proizvodnje energije.

Pumpa za vhodno vodo

Pumpa za vhodno vodo je odgovorna za oskrbovanje kotla s vodo. Vir vode lahko pride iz kondenzirane vode iz kondenzatorja ali sveže vode. Ta pumpa poveča tlak vode, zagotavlja neprekinjen in zadosten vir, da bi izpolnila potrebe kotla. Pogosto so pompe za vhodno vodo centrifugalne ali pozitivne menjave, vsaka ponuja lastne prednosti glede zmogljivosti in učinkovitosti.

Alternator

Mehansko povezan z turbo preko skupnega valja, alternator igra ključno vlogo v procesu proizvodnje energije. Ko se turbina vrti pod silo para, pogoni rotor alternatorja. To vrtenje inducira elektromagnetno polje, ki generira električno energijo. V bistvu alternator služi kot pretvornik, ki pretvori kinetično energijo vrtenja turbine v električno energijo, ki se lahko prenese in distribuira skozi električno omrežje.

Dimnik

V večini toplinskih elektrarn, ki uporabljajo prem kot gorivo, proces zgorevanja v kotlu ustvari dimne pline. Dimnik ponuja pot, po kateri se ti dimni plini varno izpuščajo v atmosfero. Njegovo delovanje temelji na načelih naravnega tiranja in efekta dimnika. Toplo zrak, ki je manj gosta, se dvigne, kar ustvari tiranje, ki privlači dimne pline navzgor. Višina dimnika je ključnega pomena; višji dimniki ustvarjajo močnejše tiranje, kar omogoča bolj učinkovito razprševanje plinov.

Hladilni stolp

Kot ime nakazuje, hladilni stolp primarno uporabljajo za disipacijo odpadne toplote v atmosfero. Uporablja različne metode prenosa toplote, hladilni stolp omogoča, da se toplota iz vode izpari, kar ostane ohlajena voda, ki se lahko ponovno uporabi v ciklu proizvodnje energije. Voda, kondenzirana iz para v kondenzatorju, se usmeri v hladilni stolp. Prisilni tok hladilni stolpi so pogosto uporabljeni v toplinskih elektrarnah, kjer se zrak cirkulira od dna do vrha stolpa, kar poveča učinkovitost prenosa toplote.

Kriteriji izbire lokacije za toplinske elektrarne

Razpoložljivost goriva

Ker je prem glavno gorivo v večini toplinskih elektrarn in zaradi značilno velike količine, potrebne za velikoploskovno proizvodnjo elektrike, je zelo koristno, da se elektrarna nahaja blizu premne rudnike. Ta bližina značilno zmanjša stroške prevoza, kar proizvodnjo energije naredi bolj ekonomsko ugodno.

Transportna infrastruktura

Toplinke vključujejo veliko velikih strojev in opreme. Zato mora biti lokacija elektrarne izbrana v območju z odlično transportno infrastrukturo. Zanesljiv železniški ali cestni prevoz je ključnega pomena za učinkovito premikanje preme, kot tudi za dostavo nove opreme in prevoz delavcev, tehnikov in inženirjev. Poleg tega zagotavlja dostopnost javnega prevoza v bližini, ki zagotavlja udoben dostop za delavce elektrarne.

Razpoložljivost vode

Toplinska elektrarna zahteva ogromno količino vode za proizvodnjo visokotlačnega in visokotemperaturnega para. Torej bi morala biti elektrarna postavljena blizu obale reke ali v območju z konstantno in obilno dobavo vode, da bi zadostila stalni povpraševanju po vodi, uporabljeno za proizvodnjo para in hlađenje.

Razpoložljivost zemljišča

Gradnja toplinske elektrarne zahteva veliko obseg zemljišča. Poleg tega mora biti cena zemljišča ugodna. Pri izbiri lokacije morajo biti upoštevane tudi določbe za prihodnje razširitev. Ker elektrarna vključuje težko opremo, mora tla imeti zadostno nosilnost, in trdno temelje, ki bodo podpirali opremo.

Oddaljenost od naseljenih območij

Toplinke izpuščajo dimne pline, pepel, prašilo in dim med delovanjem, vse to predstavlja značilne zdravstvene tveganja za ljudi in lahko povzroči okoljsko škodo okoljskim atmosferi in tla. Za zmanjšanje teh vplivov bi morala biti elektrarna postavljena daleč od mestnih območij, naselj, in kmetijskih območij. Dodatno, hrup, ki ga generira oprema elektrarne, kot so alternatorji, transformatorji, ventilatori in turbine, še bolj zahteva, da bi bila postavljena na oddaljenem mestu.

Sistem za odstranjevanje pepla

Zgorevanje preme povzroči nastanek pepla, ki predstavlja približno 30 - 40% celotne porabe preme. Pravilno odstranjevanje pepla je ključnega pomena. Pepel se zbirajo na dnu pečnice kotla, in velika delež je odnesen z dimnimi plini. Za učinkovito upravljanje pepla se uporabljata dva glavna sistema za ravnanje z peplom: sistem za ravnanje z peplom na dnu in sistem za ravnanje z letalnim peplom. Lokacija elektrarne bi morala imeti primerne naprave za varno in okoljsko prijazno odstranjevanje pepla.

Blizina optage

Električna energija, generirana z alternatorjem, se poviša v napetost z transformatorjem, preden se prenese na optago skozi prenosne linije. Postavitev toplinske elektrarne blizu optaga zmanjša stroške prenosa in izgube, kar zagotavlja bolj učinkovito in ekonomsko ugodno distribucijo elektrike.

Učinkovitost toplinskih elektrarn

V toplinskih elektrarnah proizvodnja elektrike vključuje več faz pretvorbe energije. Najprej kemjska energija preme se pretvori v toplinsko energijo. Ta toplinska energija se nato pretvori v kinetično ali mehansko energijo, ki se nato pretvori v električno energijo. Zaradi teh več različnih faz pretvorbe energije je skupna učinkovitost toplinskih elektrarn značilno nizka, tipično v obsegu 20 - 29%.

Učinkovitost toplinske elektrarne je vplivana z različnimi dejavniki, vključno z velikostjo elektrarne in kakovostjo uporabljene preme. Značilno velika količina toplinske energije se izgubi v kondenzatorju med procesom proizvodnje energije. Obstajata dva glavna tipa meril učinkovitosti, uporabljeni za ocenjevanje toplinskih elektrarn:

Toplinska učinkovitost

Toplinska učinkovitost je definirana kot razmerje mehanske energije, izražene v toplinskih enotah, na voljo v turbine do skupne toplinske energije, izpuščene med zgorevanjem preme v kotlu. Meri učinkovitost pretvorbe toplinske energije iz zgorevanja preme v uporabno mehansko delo v turbine.

Toplinska učinkovitost

Toplinke tipično dosežejo približno 30% toplinske učinkovitosti. Približno 50% skupne toplinske energije, ki se proizvede, se izgubi kot odpadna toplota v kondenzatorju. Ostala toplinska energija se izgubi preko različnih drugih kanalov, kot so dimni plini, izpuščeni iz dimnika, in pepl, ki se proizvede med zgorevanjem preme. Ta značilen izgub toplote v kondenzatorju in drugod poudarja notranje neučinkovitosti tradicionalnih procesov proizvodnje energije v toplinskih elektrarnah.

Skupna učinkovitost

Skupna učinkovitost toplinske elektrarne se izračuna kot razmerje toplinske ekvivalente električnega izhoda do skupne toplote, izpuščene med zgorevanjem preme. To merilo prinaša celovit pregled o učinkovitosti elektrarne, ki zajema vse faze pretvorbe energije od začetne kemjske energije, shranjene v premi, do končne električne energije, dostavljene v omrežje. To kaže, kako učinkovito elektrarna lahko pretvori energijo v premi v uporabno električno energijo, upoštevajoč izgube, ki se pojavljajo na vsakem koraku kompleksnega procesa proizvodnje energije.

Skupna učinkovitost toplinskih elektrarn