Termoelektrana – Komponente, način rada i odabir lokacije

Šta je termoelektrana?

Zakon o očuvanju energije navodi da se energija ne može stvoriti niti unistiti, već se samo može pretvarati iz jedne forme u drugu. Električna energija, posebno, može biti iskorišćena iz različitih izvora energije. Obično se objekti dizajnirani za generisanje velikih količina električne energije nazivaju elektranama ili elektricnim stanicama.

Termoelektrana je tip objekta za proizvodnju električne energije koji pretvara toplinsku energiju u električnu energiju. Toplinska energija za ove elektrane može potjecati iz različitih izvora, uključujući ugljen, dizel, biogoriva, solarnu energiju i nuklearnu energiju. Iako se termin "termoelektrana" tehnološki može odnositi na elektrane koje koriste različite toplinske izvore, najčešće se povezuje s elektranama koje koriste ugljen za generisanje topline. Stoga se termoelektrane smatraju konvencionalnim sistemima proizvodnje električne energije. Nekada se one takođe nazivaju parne turbine elektrane ili ugljen-spremne elektrane, što odražava primarni izvor goriva i ključni mehanizam pretvorbe energije.

Funkcionišenje termoelektre

Termoelektrane rade na osnovu Rankinovog ciklusa, fundamentalnog termodinamičkog ciklusa za pretvaranje toplinske energije u mehanički rad, koji se zatim koristi za proizvodnju električne energije. Sledeći jednolinijski dijagram ili raspored termoelektrane pruža vizualnu reprezentaciju njegovih operativnih komponenti i procesa.

Unutrašnji rad i komponente termoelektrane

Operativni proces

Termoelektrane zahtevaju značajnu količinu goriva, obično ugljen. Uzimajući u obzir veliku potrebnu količinu, ugljen se obično prevozi vlakovima i čuva u posebnim prostorijama za skladištenje goriva. Početni sirov ugljen je preveliki za direktnu upotrebu u kotlu. Da bi se ovo rešilo, ugljen se ubacuje u drobljač, gde se smanjuje na manje, lakše upravljive komade, pre nego što se prenosi u kotao.

Pored ugljena, značajna količina vode je neophodna za proizvodnju para u kotlu. Pre ulaska u sistem, voda podlegava procesu obrade. Prođe kroz razne filtere kako bi se uklonili nečistoće i rastvoreni vazduh, obezbeđujući njenu čistoću. Nakon obrade, voda se usmerava u bubanj kota. Unutar bubnja kota, toplina generisana sagorevanjem ugljena se prenosi na vodu. Kao rezultat, voda doživi promenu faze i transformiše se u par.

Proizvedeni par je visokog pritiska i temperature, što ga čini idealnim za proizvodnju električne energije. Taj par se zatim usmerava ka superzagrijivaču, gde se dodatno zagrijava kako bi se povećala njegova toplinska energija. Superzagrijed par se zatim usmerava prema ležajima turbine. Dok par teče preko ležaja turbine, njegova toplinska energija se pretvara u mehaničku rotacijsku energiju turbine.

Turbina je mehanički spojena sa alternatorom putem zajedničkog valjka. Dok se turbina vrte, ona pokreće rotor alternatora. Alternator, zatim, pretvara ovu mehaničku energiju u električnu energiju. Da bi se efikasno prenosila generisana električna energija na daleke udaljenosti, prolazi kroz transformator, koji povišava napon. Visokonaponska električna energija se zatim šalje preko linija za prenos kako bi stigla do krajnjih korisnika, ili opterećenja, u mreži.

Nakon prolaska kroz turbinu, par, sada sa nižim pritiskom i temperaturom, usmerava se ka kondenzatoru. U kondenzatoru hladna voda cirkulira oko para, što dovodi do njegove kondenzacije natrag u tekuću formu. Ovaj proces kondenzacije oslobađa preostalu toplinu para, efektivno smanjujući njegov pritisak i temperaturu. Vraćanjem vode na taj način, poboljšavata se efikasnost ciklusa proizvodnje električne energije.

Kondenzirana voda se zatim pumpa nazad u kotao pomoću pumpa za povratnu vodu, spremna da se zagrije i ponovo pretvori u par, time završavajući ciklus. Međutim, pepel generisana kao posledica sagorevanja ugljena u kotlu se uklanja iz pećnice kota. Pravilno otklanjanje ove pepela je ključno za sprečavanje ekološkog šteta. Takođe, tokom sagorevanja ugljena u kotlu, proizvode se dimni plinovi i emituju se u atmosferu preko komina.

Ključne komponente

Termoelektrana sadrži nekoliko integralnih komponenti koje rade u harmoniji kako bi omogućile proces proizvodnje električne energije:

• Kotao: Srce termoelektrane, gde se dešava sagorevanje ugljena, a toplina se prenosi na vodu kako bi se proizveo par.

• Turbina: Pretvara toplinsku energiju visokog pritiska para u mehaničku rotacijsku energiju.

• Superzagrijivač: Povećava temperaturu para proizvedenog u kotlu, povećavajući njegovu energetsku vrednost za efikasniju proizvodnju električne energije.

• Kondenzator: Kondenzira iscrpljeni par iz turbine natrag u vodu, vraćajući toplinu i održavajući efikasnost ciklusa.

• Ekonomizer: Prezagrijava povratnu vodu koristeći toplinu iz dimnih plinova, smanjujući ukupnu potrošnju energije kota.

• Pumpa za povratnu vodu: Cirkulira kondenziranu vodu iz kondenzatora nazad u kotao, obezbeđujući kontinuiranu dobavu za proizvodnju para.

• Alternator: Pretvara mehaničku energiju iz turbine u električnu energiju, koja se može distribuirati kroz mrežu.

• Komina: Raspodeljuje dimne plinove proizvedene tokom sagorevanja ugljena u atmosferu kontrolisanim načinom.

• Hladnjak: Omogućava hlađenje vode korišćene u kondenzatoru, dozvoljavajući joj da se reciklira i ponovo koristi u procesu proizvodnje električne energije.

Komponente, lokacija i efikasnost termoelektrana

Ključne komponente termoelektrana

Kotao

Smrsani ugljen, uz prezagreću zrak, ubacuje se u kotao, koji predstavlja centralnu komponentu za proizvodnju visokog pritiska para. Primarna funkcija kota je da pretvori hemijsku energiju smeštenu u ugljen u toplinsku energiju putem procesa sagorevanja. Dok ugljen gore unutar kota, proizvodi intenzivnu toplinu, dostizajući temperature dovoljne da vodu pretvore u par. Velicina kota direktno zavisi od toplinskih potreba termoelektrane. Postoji raznolikost kotlova korišćenih u termoelektranama, uključujući Haycock i wagon top kotlove, firetube kotlove, cilindrične fire-tube kotlove i water-tube kotlove, svaki sa svojim karakteristikama dizajna i operativnim prednostima.

Turbina

Visokopritiski i visokotemperaturni superzagrijed par, proizveden u kotlu, usmerava se prema turbinu. Kada taj par udari u ležaje turbine, postavlja tu turbinu u kretanje. Turbina je sofisticirano mehaničko uređenje specifično inženjerisano da pretvori toplinsku energiju para u rotacijsku kinetičku energiju. Mekanički spojena sa alternatorom putem valjka, rotacija turbine pokreće rotor alternatora. Nakon što par prođe kroz turbinu, njegova temperatura i pritisak opadaju, a onda se usmerava ka kondenzatoru za dalju obradu.

Superzagrijivač

U sistemu proizvodnje električne energije baziranom na parnoj turbinom, superzagrijed par je neophodan za efikasnu radnju turbine. Mokri i nasyceni par, koji izlazi iz kota, ubacuje se u superzagrijivač. Ovo uređenje ima ključnu ulogu u pretvaranju para u suhi i superzagrijed par, značajno povećavajući njegovu toplinsku energiju. Među svim komponentama termoelektrane, superzagrijivač radi na najvišoj temperaturi. Tri glavna tipa superzagrijivača su često korišćeni: konvekcijski superzagrijivači, koji prenose toplinu putem konvekcijskih struja; radijantni superzagrijivači, koji se oslanjaju na radijantni prenos topline; i posebno zagrijani superzagrijivači. Povećanjem temperature para generisanog u kotlu, superzagrijivač povećava ukupnu efikasnost procesa proizvodnje električne energije.

Kondenzator

Nakon što par prođe kroz turbinu i njegova temperatura i pritisak opadnu, iscrpljeni par se reciklira nazad u ciklus proizvodnje električne energije. Za optimizaciju efikasnosti turbine, potrebno je kondenzirati taj par, stvarajući i održavajući pravilnu vakuum. Kondenzator to ostvaruje smanjujući radni pritisak, povećavajući nivo vakua. To povećanje vakua dovodi do proširenja zapremine para, omogućavajući da se više rada izvuče iz para u turbinu. Rezultat je povećanje ukupne efikasnosti elektrane, sa odgovarajućim povećanjem izlaza turbine.

Ekonomizer

Ekonomizer je specijalizovan izmenjivač toplote dizajniran da minimizira potrošnju energije unutar elektrane. Dimni plinovi, bogati toplinskom energijom, ispuštaju se iz kota u atmosferu. Ekonomizer iskorišćava toplinu iz ovih dimnih plinova da prezagrije vodu. Voda koja se oporavi iz kondenzatora pumpa se do ekonomizera pompu za povratnu vodu. Tu apsorbira toplinu iz dimnih plinova, povećavajući svoju temperaturu pre nego što uđe u kotao. Ponovnom upotrebom odlaganog toplinskog plina, ekonomizer značajno povećava ukupnu efikasnost ciklusa proizvodnje električne energije.

Pumpa za povratnu vodu

Pumpa za povratnu vodu je odgovorna za dobavljanje vode u kotao. Izvor vode može biti kondenzirana voda iz kondenzatora ili čista voda. Ova pumpa povećava pritisak vode, obezbeđujući kontinuiranu i adekvatnu dobavu da zadovolji potrebe kota. Često, pompe za povratnu vodu su centrifugalne ili pozitivne pompe za premještanje, svaka sa svojim prednostima u pogledu performansi i efikasnosti.

Alternator

Mehanički povezan sa turbinom putem zajedničkog valjka, alternator ima ključnu ulogu u procesu proizvodnje električne energije. Dok se turbina vrte pod snagom para, pokreće rotor alternatora. Ova rotacija indukuje elektromagnetno polje, generišući električnu energiju. U suštini, alternator služi kao konverter, pretvarajući kinetičku energiju rotacije turbine u električnu energiju koja se može prenositi i distribuirati kroz mrežu.

Komina

U većini termoelektrana koje koriste ugljen kao gorivo, proces sagorevanja u kotlu proizvodi dimne plinove. Komina pruža putnicu za bezbedno ispuštanje ovih dimnih plinova u atmosferu. Njen rad zasniva se na principima prirodnog povlačenja i efekta komine. Vruh vazduh, budući da je manje gust, penje, stvarajući povlačenje koje privlači dimne plinove nagore. Visina komine je ključni faktor; više komine generišu jače povlačenje, omogućavajući efikasniju disperziju gasova.

Hladnjak

Kao što i ime sugeruje, hladnjak se primarno koristi za disipiranje odlaganog toplinskog plina u atmosferu. Koristeći različite metode prenosa toplinske energije, hladnjak dozvoljava toplinskoj energiji vode da se ispari, ostavljajući hladniju vodu koja se može ponovo koristiti u ciklusu proizvodnje električne energije. Voda kondenzirana iz para u kondenzatoru usmerava se ka hladnjaku. Hladnjaci s prisilnim protokom su često korišćeni u termoelektranama, gde se vazduh cirkulira od dna do vrha hladnjaka, povećavajući efikasnost prenosa toplinske energije.

Kriteriji izbora lokacije za termoelektrane

Dostupnost goriva

Uzimajući u obzir da ugljen predstavlja dominantno gorivo u većini termoelektrana i da se za velikomasku proizvodnju električne energije potrebna ogromna količina, lokacija elektrane blizu ugljenog rudnika je izuzetno prednostna. Ova blizina značajno smanjuje troškove transporta, čime se proces proizvodnje električne energije čini ekonomičnije isplativim.

Transportna infrastruktura

Termoelektrane poseduju mnogo velikih mašina i opreme. Stoga, lokacija elektrane mora biti izabrana u području sa odličnom transportnom infrastrukturom. Pouzdan železnički ili cestovni transport je neophodan za efikasan transport ugljena, kao i za dostavu nove opreme i transport radnika, tehničara i inženjera. Takođe, dostupnost javnog prevoza u okolini osigurava udoban pristup radnoj snazi elektrane.

Dostupnost vode

Termoelektrana zahteva ogromnu količinu vode za proizvodnju visokog pritiska i visoke temperature para. Zato bi elektrana trebalo da bude situirana blizu obale reke ili na mestu sa konstantnim i obilnim izvorom vode kako bi se zadovoljila neprekidna potreba za vodom koriscenom u proizvodnji para i hlađenju.

Dostupnost zemljišta

Izgradnja termoelektrane zahteva veliku površinu zemljišta. Takođe, cena zemljišta treba da bude razumna. Pri izboru lokacije, treba uzeti u obzir mogućnosti za buduće proširenje. Budući da elektrana poseduje tešku opremu, tlo mora imati dovoljnu nosivost, a jaka temeljna konstrukcija je neophodna da podrži opremu.

Udaljenost od naselja

Termoelektrane emituju dimne plinove, pepel, prašinu i dim tokom rada, sve to predstavlja značajan zdravstveni rizik za ljude i može uzrokovati ekološki štetu okružujućoj atmosferi i zemljištu. Da bi se minimalizirali ovi uticaji, elektrana bi trebalo da bude situirana daleko od urbanih zona, stanovničkih naselja i poljoprivrednih farmi. Takođe, buka generisana mašinama elektrane, poput alternatora, transformatora, ventilatora i turbin, dodatno zahteva njenu lokaciju u udaljenom području.

Sistem za odlaganje pepela

Sagorevanje ugljena dovodi do generisanja pepela, koji čini oko 30-40% ukupne potrošnje ugljena. Pravilno odlaganje pepela je izuzetno važno. Pepel se skuplja sa dna pećnice kota, a značajan deo njega nosi se dimnim plinovima. Za efikasno upravljanje pepelom, koriste se dva glavna sistema za odlaganje pepela: sistem za odlaganje donjeg pepela i sistem za odlaganje letnjeg pepela. Lokacija elektrane treba da poseduje odgovarajuće instalacije za sigurno i ekološki prihvatljivo odlaganje ovog pepela.

Blizina centra opterećenja

Električna energija generisana alternatorom se povišava na napon putem transformatora za snagu pre nego što se prenosi do centra opterećenja preko linija za prenos. Lokacija termoelektrane blizu centra opterećenja smanjuje troškove prenosa i gubitke, obezbeđujući efikasnu i ekonomičnu distribuciju električne energije.

Efikasnost termoelektrana

U termoelektrani, proizvodnja električne energije uključuje više etapa pretvorbe energije. Prvo, hemijska energija ugljena se pretvara u toplinsku energiju. Ova toplinska energija zatim se pretvara u kinetičku ili mehaničku energiju, koja se konačno pretvara u električnu energiju. Zbog ovih višestrukih etapa pretvorbe energije, ukupna efikasnost termoelektrana je relativno niska, obično u rasponu od 20-29%.

Efikasnost termoelektrane utiče na različite faktore, uključujući veličinu elektrane i kvalitet ugljena koji se koristi. Značajna količina toplinske energije gubi se u kondenzatoru tokom procesa proizvodnje električne energije. Postoje dva glavna tipa merenja efikasnosti koji se koriste za ocenu termoelektrana:

Toplinska efikasnost

Toplinska efikasnost definisana je kao odnos mehaničke energije, izražene u toplinskim ekvivalentima, dostupne u turbinu i ukupne toplinske energije oslobađene tokom sagorevanja ugljena u kotlu. Ona meri efektivnost pretvaranja toplinske energije iz sagorevanja ugljena u korisnu mehaničku radnju u turbinu.

Toplinska efikasnost

Termoelektrane obično dostižu aproksimativnu toplinsku efikasnost od 30%. Značajan deo, oko 50% ukupne toplinske energije generisane, gubi se kao odlaganje u kondenzatoru. Ostatak toplinske energije gubi se kroz različite kanale, kao što su dimni plinovi emitirani iz komine i pepel proizveden tokom sagorevanja ugljena. Ova značajna gubitak toplinske energije u kondenzatoru i drugdje ističe intrinzične neefikasnosti tradicionalnih procesa proizvodnje električne energije u termoelektranama.

Ukupna efikasnost

Ukupna efikasnost termoelektrane izračunava se kao odnos toplinskog ekvivalenta električnog izlaza i ukupne toplinske energije oslobađene tokom sagorevanja ugljena. Ovaj merilo pruža kompleksnu ocenu performansi elektrane, obuhvatajući sve etape pretvorbe energije od početne hemijske energije smeštenoj u ugljen do konačne električne energije dostavljene u mrežu. Ona reflektuje kako efikasno elektrana može pretvoriti energiju u ugljen u korisnu električnu energiju, uzimajući u obzir gubitke koji se desavaju na svakom koraku složenog procesa proizvodnje električne energije.

Ukupna efikasnost termoelektrana

Ukupna efikasnost termoelektrane obuhvata sve gubitke koji se desavaju tokom cijelog ciklusa pro