Värmekraftverk – Komponenter, fungerande och platsval

Vad är en värmekraftverk?

Lagen om energibevarelse säger att energi inte kan skapas eller förstöras; snarare kan den bara omvandlas från en form till en annan. Elektrisk energi kan framförallt hämtas från olika energikällor. Anläggningar som är utformade för att generera stor mängd elektrisk energi kallas vanligtvis för kraftverk eller kraftstationer.

En värmekraftverk är en typ av elproduktionsanläggning som omvandlar värmeenergi till elektrisk energi. Värmeenergin för dessa anläggningar kan komma från många olika källor, inklusive kol, diesel, biobränslen, solenergi och kärnenergi. Även om termen "värmekraftverk" tekniskt sett kan täcka anläggningar som använder olika värmebruk, är den mest vanligt förekommande associerad med anläggningar som använder kol för att generera värme. Således anses värmekraftverk vara konventionella elproduktionssystem. De kallas ibland också för ångturbinverk eller koleldade kraftverk, vilket speglar den primära bränslekällan och den viktigaste energiomvandlingsmekanismen som används.

Funktion hos en värmekraftverk

Värmekraftverk fungerar baserat på Rankines cykel, en grundläggande termodynamisk cykel för att omvandla värme till mekanisk arbete, vilket sedan används för att generera elektricitet. Följande enradiga diagram eller layout av en värmekraftverk ger en visuell representation av dess driftskomponenter och processer.

Inre funktioner och komponenter i en värmekraftverk

Driftsprocess

Värmekraftverk kräver en betydande mängd bränsle, vanligtvis kol. Eftersom stora volymer krävs transporteras kol ofta via tåg och lagras i dedikerade bränslelagringsområden. I början är det råa kolt för stort för direkt användning i pannan. För att hantera detta matas det in i en kross, som reducerar det till mindre, mer hanterbara bitar innan det transporteras till pannan.

Utöver kol är en betydande mängd vatten nödvändig för ångproduktion i pannan. Innan det går in i systemet genomgår vattnet en behandlingsprocess. Det passerar genom olika filter för att ta bort orenheter och eventuellt upplöst luft, vilket garanterar dess renhet. När det har behandlats dirigeras vattnet till pannrummet. Inuti pannrummet överförs värmen som genereras av kolens förbränning till vattnet. Som ett resultat undergår vattnet en fasändring och omvandlas till ånga.

Den producerade ångan är högtryck och högtemperatur, vilket gör den idealisk för elkraftgenerering. Denna ånga dirigeras sedan till en superhettare, där den hettas ytterligare för att öka dess termiska energi. Den superhetade ångan leder sedan mot turbinbladen. När ångan flödar över turbinbladen omvandlas dess termiska energi till mekanisk roterande energi av turbinen.

Turbinen är mekaniskt kopplad till en alternator via en gemensam axel. När turbinen roterar driver den rotorn på alternatorn. Alternatorn omvandlar i sin tur denna mekaniska energi till elektrisk energi. För att effektivt sända den genererade elektriska energin över långa avstånd passerar den genom en transformator, som stegar upp spänningen. Högspänningsströmmen skickas sedan genom transmissionslinjer för att nå slutanvändarna, eller belastningar, i elkraftnätet.

Efter att ha passerat genom turbinen dirigeras ångan, nu med lägre tryck och temperatur, till en kondensator. I kondensatorn cirkulerar kallt vatten runt ångan, vilket orsakar att den kondenserar tillbaka till sitt flytande tillstånd. Denna kondensationsprocess släpper resterande värme från ångan, vilket effektivt minskar dess tryck och temperatur. Genom att återvinna vattnet på detta sätt ökas effektiviteten i elkraftgenereringsslingan.

Det kondenserade vattnet pumpas sedan tillbaka till pannan med hjälp av en fôrvattenspump, redo att hettas och omvandlas till ånga igen, och så slutförs cykeln. Samtidigt tas askan, som är en biprodukt av kolens förbränning, bort från pannugnen. Rätt bortskaffande av denna aska är avgörande för att förhindra miljöskador. Dessutom produceras rökgaser under kolens förbränning i pannan, och de frigörs till atmosfären genom skorstenen.

Nyckelkomponenter

En värmekraftverk består av flera integrerade komponenter som samverkar för att underlätta elkraftgenereringen:

• Panna: Hjärtat av värmekraftverket, där kolens förbränning sker, och värme överförs till vatten för att producera ånga.

• Turbin: Omvandlar den termiska energin i högtrycksånga till mekanisk roterande energi.

• Superhettare: Höjer temperaturen på ångan som produceras i pannan, vilket ökar dess energiinnehåll för mer effektiv elkraftgenerering.

• Kondensator: Kondenserar utmatningsångan från turbinen tillbaka till vatten, återvinna värme och bibehåller cyklens effektivitet.

• Ökonomispruta: Förvarmar fôrvattnet med värme från rökgaserna, vilket minskar pannans totala energiförbrukning.

• Fôrvattenspump: Cirkulerar det kondenserade vattnet från kondensatorn tillbaka till pannan, vilket säkerställer en kontinuerlig tillförsel för ångproduktion.

• Alternator: Omvandlar den mekaniska energin från turbinen till elektrisk energi, vilket kan distribueras genom elkraftnätet.

• Skorsten: Sprider rökgaserna som produceras under kolens förbränning till atmosfären på ett kontrollerat sätt.

• Kyltorn: Underlättar kylningen av vatten som används i kondensatorn, vilket gör att det kan återanvändas i elkraftgenereringen.

Komponenter, platsval och effektivitet hos värmekraftverk

Nyckelkomponenter i värmekraftverk

Panna

Målad kol, följd av förvärmad luft, matas in i pannan, som är den centrala komponenten för att generera högtrycksånga. Dess primära funktion är att omvandla den kemiska energin som lagras i kol till termisk energi genom förbränningsprocessen. När kol brinner inuti pannan genererar det intensiv värme, som når temperaturer tillräckliga för att omvandla vatten till ånga. Pannans storlek fastställs direkt av värmekraftverkets värmebehov. Det finns en mångfald av pannor som används i värmekraftverk, inklusive Haycock- och vagnstoppannor, rörgångspannor, cylindriska rörgångspannor och vattengångspannor, varje med sina egna designkarakteristika och driftsfördelar.

Turbin

Högtrycks- och högtemperatur superhettad ånga, producerad av pannan, dirigeras mot turbinen. När denna ånga träffar turbinbladen sätter den turbinen i rörelse. Turbinen är en sofistikerad mekanisk enhet speciellt utformad för att omvandla ångans termiska energi till roterande kinetisk energi. Mekaniskt kopplad till en alternator via en axel, turbinens rotation driver alternatorns rotor. När ångan passerar genom turbinen minskar dess temperatur och tryck, och den ledes sedan till kondensatorn för vidare bearbetning.

Superhettare

I ett ångturbinbaserat elkraftgenereringssystem är superhettad ånga nödvändig för effektiv turbinoperation. Våt och mättad ånga, som kommer från pannan, matas in i superhettaren. Detta enhet spelar en viktig roll i att omvandla ångan till torr och superhettad ånga, vilket betydligt ökar dess termiska energiinnehåll. Bland alla komponenter i ett värmekraftverk fungerar superhettaren vid den högsta temperaturen. Tre huvudtyper av superhettare används vanligtvis: konvektionssuperhettare, som överför värme genom konvektionstryck; strålningssuperhettare, som litar på strålningsoverföring av värme; och separat eldd superhettare. Genom att öka temperaturen på ångan som genereras av pannan ökar superhettaren den totala effektiviteten i elkraftgenereringen.

Kondensator

När ångan har passerat genom turbinen och dess temperatur och tryck har sjunkit, återvinner utmatningsångan sig tillbaka in i elkraftgenereringsslingan. För att optimera turbinens effektivitet är det nödvändigt att kondensera denna ånga, skapa och bibehålla ett korrekt vakuum. Kondensatorn åstadkommer detta genom att minska driftstrycket, vilket ökar vakuumnivån. Denna ökning av vakuum gör att ångvolymen expanderar, vilket möjliggör att mer arbete kan hämtas från ångan i turbinen. Som ett resultat förbättras den totala effektiviteten i kraftverket, med motsvarande ökning av turbinens utdata.

Ökonomispruta

Ökonomisprutan är en specialiserad växelvärmeutrustning utformad för att minimera energiförbrukningen inom kraftverket. Rökgaser, rika på termisk energi, avges från pannan till atmosfären. Ökonomisprutan utnyttjar värmen från dessa rökgaser för att förvara vattnet. Vatten som återvunnits från kondensatorn pumpas till ökonomisprutan av fôrvattenspumpen. Här absorberar det värme från rökgaserna, vilket höjer dess temperatur innan det går in i pannan. Genom att återanvända avfallsvärmen från rökgaserna ökar ökonomisprutan betydligt den totala effektiviteten i elkraftgenereringsslingan.

Fôrvattenspump

Fôrvattenspumpen är ansvarig för att leverera vatten till pannan. Vattenkällan kan antingen vara det kondenserade vattnet från kondensatorn eller nytt vatten. Denna pump ökar vattnets tryck, vilket säkerställer en kontinuerlig och tillräcklig tillförsel för att uppfylla pannans behov. Vanligtvis är fôrvattenspumpar av centrifugaltyp eller positivt fördrivningstyp, varje erbjuder distinkta fördelar i prestanda och effektivitet.

Alternator

Mekaniskt ansluten till turbinen via en gemensam axel spelar alternatorn en viktig roll i elkraftgenereringen. När turbinen roterar under ångans kraft driver den alternatorns rotor. Denna rotation inducerar en elektromagnetisk fält, vilket genererar elektrisk energi. I grunden fungerar alternatorn som en omvandlare, som omvandlar den kinetiska energin av turbinens rotation till elektrisk energi som kan sändas och distribueras genom elkraftnätet.

Skorsten

I de flesta värmekraftverk som använder kol som bränsle, genererar förbränningsprocessen i pannan rökgaser. Skorstenen ger en väg för dessa rökgaser att säkert avges till atmosfären. Dess drift bygger på principerna för naturlig dragning och stackeffekt. Varm luft, som är mindre dens, stiger, vilket skapar en dragning som drar rökgaserna uppåt. Skorstenshöjden är en kritisk faktor; högre skorstenar genererar en starkare dragning, vilket underlättar mer effektiv gasdispersion.

Kyltorn

Som namnet antyder används kyltorn främst för att dissipera avfallsvärme till atmosfären. Genom att använda olika värmeöverföringsmetoder tillåter kyltorn värmen från vattnet att avdunstar, vilket lämnar kvar kallare vatten som kan återanvändas i elkraftgenereringsslingan. Vatten kondenserat från ångan i kondensatorn ledas till kyltorn. Tvingadflödeskyltorn används vanligtvis i värmekraftverk, där luft cirkulerar från botten till toppen av tornet, vilket ökar värmeöverföringsverkningsgraden.

Platsvalskriterier för värmekraftverk

Tillgänglighet av bränsle

Eftersom kol är det dominerande bränslet i de flesta värmekraftverk och den stora mängden som krävs för stor-skala elproduktion, är det mycket fördelaktigt att placera kraftverket nära en kolgruva. Denna närhet minskar betydligt transporteringskostnaderna, vilket gör elkraftgenereringen mer ekonomiskt rimlig.

Transportanläggning

Värmekraftverk innehåller många stora maskiner och utrustning. Därför måste kraftverksplatsen väljas i ett område med utmärkt transportinfrastruktur. Pålitlig järnväg eller vägtransport är nödvändig för effektiv transport av kol, liksom för leverans av ny utrustning och transport av arbetare, tekniker och ingenjörer. Dessutom säkerställer tillgängligheten av kollektivtrafik i närheten bekvämt tillgång för kraftverkets personal.

Tillgänglighet av vatten

Ett värmekraftverk kräver en enorm mängd vatten för att producera högtrycks- och högtemperatur ånga. Därför bör anläggningen placeras nära en flodkant eller i ett område med en konstant och riklig vattentillgång för att möta den kontinuerliga efterfrågan på vatten som används för ångproduktion och kylprocesser.

Tillgänglighet av mark

Att bygga ett värmekraftverk kräver en stor yta land. Dessutom bör markkostnaden vara rimlig. Vid val av plats bör bestämmelser för framtida expansion också övervägas. Eftersom anläggningen innehåller tunga maskiner måste marken ha tillräcklig lastbärarkapacitet, och en robust grund är nödvändig för att stödja utrustningen.

Avstånd från befolkade områden

Värmekraftverk emitterar rökgaser, aska, damm och rök under drift, vilket alla utgör betydande hälsorisker för människor och kan orsaka miljöskador i den omgivande atmosfären och marken. För att minimera dessa effekter bör anläggningen placeras långt ifrån urbana områden, bostadsområden och jordbruksföretag. Dessutom nödvändigar ljudet från anläggningens maskiner, såsom alternatorer, transformer, fläktar och turbiner, dess placering i ett avlägset område.

Askhantering

Kolförbränning resulterar i generering av aska, vilket utgör ungefär 30-40% av det totala kolförbrukningen. Rätt askhantering är av yttersta vikt. Aska samlas från botten av pannugnen, och en betydande del av den bärs bort av rökgaserna. För att hantera aska effektivt används två huvudsakliga askhanteringssystem: bottomaskhanteringssystemet och flygaskhanteringssystemet. Platsen för anläggningen bör ha lämpliga anläggningar för säker och miljövänlig hantering av denna aska.

Nära belastningscentrum

Den elektriska energi som genereras av alternatorn stegar upp i spänning av en strömtransformator innan den sänds till belastningscentrumet genom transmissionslinjer. Att placera värmekraftverket nära belastningscentrumet minskar transmissionskostnader och förluster, vilket säkerställer en mer effektiv och kostnadseffektiv distribution av elektricitet.

Effektivitet hos värmekraftverk

I ett värmekraftverk involverar elgenerering flera energiomvandlingssteg. Först omvandlas kolens kemiska energi till termisk energi. Denna termiska energi omvandlas sedan till kinetisk eller mekanisk energi, som slutligen omvandlas till elektrisk energi. På grund av dessa flera energiomvandlingsprocesser är den totala effektiviteten hos värmekraftverk relativt låg, vanligtvis mellan 20-29%.

Effektiviteten hos ett värmekraftverk påverkas av olika faktorer, inklusive kraftverkets storlek och kolkvaliteten som används. En betydande mängd värmeenergi går förlorad i kondensatorn under elkraftgenereringen. Det finns två huvudtyper av effektivitetsmått som används för att utvärdera värmekraftverk:

Termisk effektivitet

Termisk effektivitet definieras som förhållandet mellan den mekaniska energin, uttryckt i värmeekvivalenter, som är tillgänglig vid turbinen till den totala värmeenergin som frigörs under kolens förbränning i pannan. Det mäter effektiviteten av att omvandla värmeenergin från kolens förbränning till användbar mekanisk arbete i turbinen.

Termisk effektivitet

Värmekraftverk uppnår vanligtvis en approximativ termisk effektivitet på 30%. En betydande andel, runt 50% av den totala värmeenergin som genereras, dissiperas som avfall inom kondensatorn. Den återstående värmeenergin går förlorad genom andra kanaler, såsom i rökgaserna som avges från skorstenen och askan som genereras under kolens förbränning. Denna betydande värmeavfall inom kondensatorn och annanstans understryker de inbyggda ineffektiviteterna i traditionella värmekraftgenereringsprocesser.

Total effektivitet

Den totala effektiviteten hos ett värmekraftverk beräknas som förhållandet mellan värmeekvivalenten av den elektriska utmatningen till den totala värme som frigörs under kolens förbränning. Detta mått ger en omfattande bild av kraftverkets prestanda, som täcker alla steg i energiomvandlingen från den ursprungliga kemiska energin som lagras i kol till den slutliga elektriska energin som levereras till nätet. Det reflekterar hur effektivt kraftverket kan omvandla energin i kol till användbar elektrisk ström, med hänsyn tagen till förluster som inträffar vid varje steg i den komplexa elkraftgenereringsprocessen.

Total effektivitet hos värmekraftverk

Den totala effektiviteten hos ett värmekraftverk omfattar alla förluster som inträffar under hela elkraftgenereringsslingan. Detta inkluderar ineffektiviteter under kolens förbränning, värmeöverföringsprocesser, ångturbinens drift och viktigt nog, alternatorns prestanda, som omvandlar mekanisk energi till elektrisk energi. Varje av dessa steg bidrar till den totala energiförlusten, vilket slutligen bestämmer andelen av den ursprungliga energin i kol som framgångsrikt omvandlas till användbar elektrisk ström.

Den totala effektiviteten hos ett värmekraftverk är nära knuten till dess storlek och elkraftgenereringskapacitet, vanligtvis mätt i megawatt (MW). Som en allmän regel finns det en direkt korrelation mellan kapaciteten hos ett värmekraftverk och dess effektivitet: kraftverk med lägre kapaciteter tenderar att visa lägre totala effektiviteter. Mindre kraftverk saknar ofta ekonomierna av skala och optimerade designfunktioner som större kraftverk har, vilket resulterar i högre relativa energiförluster vid varje steg i elkraftgenereringen. Detta innebär att en större andel av energin från bränslet går förlorad, vilket minskar mängden elektricitet som kan produceras per enhet av förbrukat bränsle.