Isı Gücü Santrali – Bileşenler, Çalışma ve Yer Seçimi

Nükleer Güç Santrali Nedir?

Enerji korunma yasası, enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini, sadece bir formdan diğerine dönüştürülebileceğini belirtir. Özellikle elektrik enerjisi, çeşitli enerji kaynaklarından elde edilebilir. Büyük ölçekli elektrik enerjisi üretmek için tasarlanmış tesislere genellikle güç santralleri veya güç istasyonları denir.

Bir termal güç santrali, ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir tür güç üretim tesisi olan tesisdir. Bu tesisler için ısı enerjisi, kömür, dizel, biyoyakıtlar, güneş enerjisi ve nükleer enerji dahil olmak üzere çeşitli kaynaklardan gelebilir. "Termal güç santrali" terimi teknik olarak çeşitli ısı kaynaklarını kullanan tesisleri kapsayabilir, ancak genellikle kömür kullanarak ısı üreten tesislerle ilişkilendirilir. Bu nedenle, termal güç santralleri geleneksel güç üretim sistemleri olarak kabul edilir. Bu tesisler, ana yakıt kaynağına ve kullanılan temel enerji-dönüşüm mekanizmasına atıfta bulunarak bazen buhar türbinli güç santralleri veya kömür yakıtlı güç santralleri olarak da bilinir.

Bir Termal Güç Santralinin Çalışması

Termal güç santralleri, ısıyı mekanik işe dönüştürmek için temel bir termodinamik döngü olan Rankine döngüsüne dayanarak çalışır. Bu mekanik iş daha sonra elektrik üretmek için kullanılır. Aşağıdaki tek çizgili şema veya termal güç santralinin operasyonel bileşenleri ve süreçlerinin görsel bir gösterimini sağlar.

Bir Termal Güç Santralinin İç Çalışması ve Bileşenleri

Operasyonel Süreç

Termal güç santralleri, tipik olarak kömür gibi büyük miktarda yakıt gerektirir. Gerekli büyük hacim nedeniyle, kömür genellikle trenlerle taşınır ve özel yakıt depolama alanlarında saklanır. İlk başta ham kömür, kazanda doğrudan kullanılacak kadar büyük olduğundan, eziciye beslenir, burada daha küçük ve yönetilebilir parçalara indirgenir ve ardından kazana iletilir.

Kömürün yanı sıra, kazandaki buhar üretimi için önemli miktarda su gereklidir. Sistemden önce su, bir işlem geçirmek zorundadır. Çeşitli filtrelerden geçirilerek safsızlıklar ve çözünmüş hava çıkarılır, bu sayede saf kalır. İşlenmiş su, kazan silindirine yönlendirilir. Kazan silindirinde, kömürün yanmasından kaynaklanan ısı, suya aktarılır. Sonuç olarak, su faz değiştirerek buhar haline gelir.

Üretilen buhar yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıkta olup, güç üretimi için idealdir. Bu buhar, onun termal enerjisini artırmak için süper ısıtıcıya yönlendirilir. Süper ısıtılmış buhar, daha sonra türbin bıçaklarına yönlendirilir. Buhar, türbin bıçaklarının üzerinde akanken, termal enerjisi türbin tarafından mekanik dönel enerjiye dönüştürülür.

Türbin, ortak bir şaft üzerinden alternatöre mekanik olarak bağlanır. Türbin dönerken, alternatörün rotorsunu sürükler. Alternatör, kendi başına bu mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Üretilen elektrik enerjisinin uzun mesafeler boyunca etkin bir şekilde iletilmesi için, bir transformatör aracılığıyla gerilimi artırılır. Yüksek gerilimli elektrik daha sonra iletim hatları üzerinden son kullanıcıya, yani güç ağındaki yüklerine ulaştırılır.

Türbinden geçen buhar, şimdi düşük basınç ve sıcaklıkta olup, kondansatöre yönlendirilir. Kondansatörde, soğuk su buharın etrafında dolaşarak, buharın sıvı haline dönmesine neden olur. Bu buharın yoğunlaşması, buharın kalan ısısını serbest bırakarak, basıncını ve sıcaklığını etkili bir şekilde azaltır. Su bu şekilde toplanarak, güç üretim döngüsünün verimliliği artırılır.

Yoğunlaşmış su, bir besleme pompası kullanılarak tekrar kazana yönlendirilir, tekrar ısıtılacak ve buhar haline getirilecek, böylece döngü tamamlanır. Bu arada, kömür yanmasının yan ürün olarak oluşan küller, kazan fırından çıkarılır. Küllerin uygun bir şekilde atılması, çevresel zararlardan korumak için önemlidir. Ayrıca, kazandaki kömür yanması sırasında, tütsü gazları oluşur ve şimendifes aracılığıyla atmosfere salınır.

Ana Bileşenler

Bir termal güç santrali, güç üretim sürecini gerçekleştirmek için uyum içinde çalışan birkaç entegral bileşenden oluşur:

• Kazan: Termal güç santralinin kalbi, burada kömür yanması gerçekleşir ve ısı, buhar üretmek için suya aktarılır.

• Türbin: Yüksek basınçlı buharın termal enerjisini mekanik dönel enerjiye dönüştürür.

• Süper ısıtıcı: Kazanda üretilen buharın sıcaklığını artırarak, daha etkin güç üretimi için enerji içeriğini artırır.

• Kondansatör: Tübinden çıkan buharı tekrar suya dönüştürerek, ısıyı geri alır ve döngünün verimliliğini korur.

• Ekonometri: Besleme suyunu tütsü gazlarından gelen ısı kullanarak önceden ısıtır, bu sayede kazanın genel enerji tüketimini azaltır.

• Besleme Pompası: Kondensatördan yoğunlaşmış suyu tekrar kazana yönlendirir, buhar üretimi için sürekli bir su kaynağı sağlar.

• Alternatör: Tübinden gelen mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür, bu elektrik enerjisi güç ağı aracılığıyla dağıtılabilir.

• Şimendifes: Kömür yanmasından kaynaklanan tütsü gazlarını kontrollü bir şekilde atmosfere salar.

• Soğutma Kulesi: Kondansatörde kullanılan suyun soğumasını sağlar, bu sayede su güç üretim sürecinde yeniden kullanılabilir.

Termal Güç Santrallerinin Bileşenleri, Yer Seçimi ve Verimliliği

Termal Güç Santrallerinin Ana Bileşenleri

Kazan

Önceden ısıtılmış hava ile birlikte öğütülmüş kömür, kazana beslenir. Kazan, yüksek basınçlı buhar üretmek için merkezi bir bileşendir. Temel işlevi, kömürdeki kimyasal enerjiyi yanma süreci aracılığıyla termal enerjiye dönüştürmektir. Kazanın içinde kömür yanarken, suyu buhar haline getirecek derecede yüksek ısı oluşturur. Kazanın boyutu, termal güç santralinin ısı gereksinimlerine doğrudan bağlıdır. Termal güç santrallerinde kullanılan çeşitli kazan türleri vardır, Haycock ve wagon tepeli kazanlar, tüplü kazanlar, silindirik tüplü kazanlar ve su tüplü kazanlar, her biri kendi tasarım özellikleri ve operasyonel avantajlarına sahiptir.

Türbin

Kazan tarafından üretilen yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıkta süper ısıtılmış buhar, türbine yönlendirilir. Bu buhar, türbin bıçaklarına çarptığında, türbinin hareket etmesine neden olur. Türbin, buharın termal enerjisini dönel kinetik enerjiye dönüştürmek için özel olarak tasarlanmış sofistike bir mekanik cihazdır. Bir şaft aracılığıyla alternatöre mekanik olarak bağlanan türbin, alternatörün rotorunu sürükler. Buhar, türbinden geçtikten sonra, sıcaklığı ve basıncı düşer ve daha sonra kondansatöre yönlendirilir.

Süper Isıtıcı

Buhar türbin tabanlı güç üretim sisteminde, etkin türbin çalışması için süper ısıtılmış buhar çok önemlidir. Kazandan çıkan nemli ve doymuş buhar, süper ısıtıcıya beslenir. Bu cihaz, buharın kuru ve süper ısıtılmış buhara dönüşmesinde kritik bir rol oynar, buharın termal enerji içeriğini anlamlı ölçüde artırır. Termal güç santralinin tüm bileşenleri arasında, süper ısıtıcı en yüksek sıcaklıkta çalışır. Genellikle kullanılan üç ana süper ısıtıcı türü vardır: konveksiyon süper ısıtıcılar, ısıyı konveksiyon akımları ile aktaran; radyasyon süper ısıtıcılar, radyasyonlu ısı transferine dayanan; ve ayrı ayrı ateşlenmiş süper ısıtıcılar. Kazan tarafından üretilen buharın sıcaklığını artırarak, süper ısıtıcı güç üretim sürecinin genel verimliliğini artırır.

Kondansatör

Buhar, türbinden geçtikten ve sıcaklığı ile basıncı düştükten sonra, buhar, güç üretim döngüsüne geri dönüştürülür. Tübinin verimliliğini optimize etmek için, bu buharın yoğunlaştırılması, uygun vakumu oluşturma ve koruma gerekir. Kondansatör, işletim basıncını azaltarak, vakum seviyesini artırarak bu görevi yerine getirir. Bu vakumun artması, buharın hacminin genişlemesine neden olur, bu da türbinden daha fazla işin çıkarılmasına olanak tanır. Sonuç olarak, güç santralinin genel verimliliği artar, türbinin çıktısı da artar.

Ekonometri

Ekonometri, güç santralindeki enerji tüketimini minimize etmek için tasarlanmış özel bir ısı değişim cihazıdır. Kazandan atmosfere atılan tütsü gazları, termal enerji açısından zengindir. Ekonometri, bu tütsü gazların ısısını, suyu önceden ısıtmak için kullanır. Kondansatörden alınan su, besleme pompası tarafından ekonomizeye pompalanır. Burada, tütsü gazların ısısını emerek, suyun sıcaklığını artırmadan önce kazana girer. Tütsü gazların atık ısısını yeniden kullanarak, ekonomize, güç üretim döngüsünün genel verimliliğini anlamlı ölçüde artırır.

Besleme Pompası

Besleme pompa, kazana su sağlama sorumluluğuna sahiptir. Su kaynağı, kondansatörden alınan yoğunlaşmış su veya yeni su olabilir. Bu pompa, su basıncını artırarak, kazanın ihtiyaçlarını karşılamak için sürekli ve yeterli bir su kaynağı sağlar. Genellikle, besleme pompaları sentrifüj veya pozitif yer değiştirme tipindedir, her biri performans ve verimlilik açısından farklı avantajlar sunar.

Alternatör

Türbine, paylaşılan bir şaft aracılığıyla mekanik olarak bağlanan alternatör, güç üretim sürecinde kilit rol oynar. Buharın gücü altında türbin dönerken, alternatörün rotorunu sürükler. Bu dönmeyiş, bir elektromanyetik alan oluşturur, elektrik enerjisi üretir. Esas olarak, alternatör, türbinin dönel hareketinin kinetik enerjisini, güç ağı aracılığıyla iletilip dağıtılabilecek elektrik enerjisine dönüştüren bir dönüştürücü görevi görür.

Şimendifes

Kömür yakıtı kullanan çoğu termal güç santralinde, kazandaki yanma işlemi, tütsü gazları üretir. Şimendifes, bu tütsü gazların güvenli bir şekilde atmosfere salınabilmesi için bir yol sağlar. İşleyişi, doğal çekim ve baca etkisine dayanır. Sıcak hava, yoğunluğu düşük olduğundan, yukarı doğru yükselir, bu da tütsü gazları yukarı doğru çekerek bir çekim oluşturur. Şimendifesin yüksekliği, kritik bir faktördür; daha yüksek şimendifesler, daha güçlü bir çekim oluşturur, bu da gazların daha etkin bir şekilde dağılmasını sağlar.

Soğutma Kulesi

Adına uygun olarak, soğutma kulesi, atık ısıyı atmosfere dağıtmak için kullanılır. Çeşitli ısı transfer yöntemleri kullanarak, soğutma kulesi, suyun ısısının buharlaşmasını sağlar, bu sayede daha soğuk su, güç üretim döngüsünde yeniden kullanılabilir. Kondansatörden alınan buharlaşmış su, soğutma kulesine yönlendirilir. Termal güç santrallerinde yaygın olarak kullanılan zorlanan akım soğutma kulelerinde, hava, kulenin altından üstüne doğru dolaşır, ısı transfer verimliliğini artırır.

Termal Güç Santralleri İçin Yer Seçimi Kriterleri

Yakıt Uygunluğu

Çoğu termal güç santralinde kömür, büyük ölçekte elektrik üretimi için gerekli olan ana yakıttır. Bu nedenle, güç santralini bir kömür madenine yakın bir yere yerleştirmek oldukça avantajlıdır. Bu yakınlık, taşıma maliyetlerini anlamlı ölçüde azaltarak, güç üretim sürecini daha ekonomik hale getirir.

Taşıma Tesisi

Termal güç santralleri, birçok büyük ekipman ve makine içerir. Bu nedenle, santral alanı, mükemmel ulaşım altyapısına sahip bir bölgede seçilmelidir. Kömürin etkin bir şekilde taşınması, yeni ekipmanın teslim edilmesi, işçilerin, teknisyenlerin ve mühendislerin taşınması için güvenilir demiryolu veya karayolu ulaşımı gereklidir. Ayrıca, bölgeye yakın yerdeki toplu taşıma imkanları, santral personelinin kolay erişimini sağlar.

Su Uygunluğu

Bir termal güç santrali, yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıkta buhar üretmek için büyük miktarda su gerektirir. Bu nedenle, santral, buhar üretimi ve soğutma süreçleri için sürekli su talebini karşılayabilecek nehir kıyısına veya sürekli ve bol su kaynağına sahip bir yerde yerleştirilmelidir.

Arazi Uygunluğu

Bir termal güç santrali inşa etmek, geniş bir arazi gerektirir. Ayrıca, arazi maliyeti makul olmalıdır. Alan seçimi yapılırken, gelecekteki genişleme için de ön görülmelidir. Santral ağır ekipman barındırdığı için, zemin, yeterli yük taşıma kapasitesine sahip olmalı ve ekipmanları desteklemek için sağlam bir temel gereklidir.

Nüfus Merkezlerinden Uzaklık

Termal güç santralleri, operasyon sırasında tütsü gaz, küller, toz ve duman üretir, bunlar insan sağlığı için ciddi riskler oluşturur ve çevresel hasarlar meydana getirir. Bu etkileri minimize etmek için, santral, şehir merkezlerinden, yerleşim bölgelerinden ve tarım çiftliklerinden uzakta yerleştirilmelidir. Ayrıca, alternatör, transformatör, fan ve türbin gibi santral ekipmanlarından kaynaklanan gürültü, santralin uzak bir yerde yerleştirilmesi gerekliliğini daha da vurgular.

Kül Atık Tesisi

Kömür yanması, yaklaşık %30-40'lık kömür tüketiminin kül olarak üretildiği bir işlemdir. Doğru kül atışı, son derece önemlidir. Küller, kazan fırının dibinden toplanır ve bir kısmını tütsü gazları taşır. Külleri etkili bir şekilde yönetmek için, iki ana kül yönetim sistemi kullanılır: alt kül yönetim sistemi ve uçucu kül yönetim sistemi. Santral alanı, bu külün güvenli ve çevre dostu bir şekilde atılabilmesi için uygun tesislere sahip olmalıdır.

Yük Merkezine Yakınlık

Alternatör tarafından üretilen elektrik enerjisi, iletim hatları aracılığıyla yük merkezine iletilmeden önce, güç transformatörü tarafından gerilim yükseltildir. Termal güç santralini yük merkezine yakın bir yere yerleştirmek, iletim maliyetlerini ve kayıplarını azaltır, bu da elektriğin daha etkin ve maliyet etkin bir şekilde dağıtımını sağlar.

Termal Güç Santrallerinin Verimliliği

Bir termal güç santralinde, elektrik üretimi, birden fazla enerji dönüşüm aşamasını içerir. Öncelikle, kömürün kimyasal enerjisi termal enerjiye dönüştürülür. Bu termal enerji, daha sonra kinetik veya mekanik enerjiye, son olarak ise elektrik enerjisine dönüştürülür. Bu birçok enerji dönüşüm süreci nedeniyle, termal güç santrallerinin genel verimliliği oldukça düşük olup, genellikle %20-29 arasındadır.

Bir termal güç santralinin verimliliği, santralın büyüklüğü ve kullanılan kömürün kalitesi dahil olmak üzere çeşitli faktörlere bağlıdır. Elektrik üretim sürecinde, kondansatörde büyük miktarda ısı enerjisi kaybedilir. Termal güç santrallerini değerlendirmek için kullanılan iki temel verimlilik metriği vardır:

Termal Verimlilik

Termal verimlilik, türbinde mevcut olan mekanik enerjinin (ısı eşdeğer terimlerinde ifade edilen) kazanda kömürün yanmasından kaynaklanan toplam ısı enerjisine oranı olarak tanımlanır. Kömür yanmasından kaynaklanan ısı enerjisinin, türbinde faydalı mekanik işe dönüştürülmesindeki etkinliği ölçer.

Termal Verimlilik

Termal güç santralleri genellikle yaklaşık %30'luk bir termal verimlilik oranına sahiptir. Toplam ısı enerjisinin yaklaşık %50'si, kondansatörde atık olarak dağılır. Kalan ısı enerjisi, şimendifes aracılığıyla atmosfere salınan tütsü gazlar ve kömür yanmasından kaynaklanan kül aracılığıyla kaybedilir. Kondansatörde ve diğer kanallarda kaybedilen bu büyük miktardaki ısı, geleneksel termal güç üretim süreçlerinin doğal verimsizliklerini vurgular.

Genel Verimlilik

Bir termal güç santralinin genel verimliliği, elektriksel çıkışın ısı eşdeğeri ile kazanda kömürün yanmasından kaynaklanan toplam ısı arasındaki orantı olarak hesaplanır. Bu metrik, kömürdeki ilk kimyasal enerjiden son olarak güç ağına iletilen elektrik enerjisine kadar tüm enerji dönüşüm aşamalarını kapsayan, santralin performansını kapsamlı bir şekilde ölçer. Santralin kömürdeki enerjiyi, karmaşık güç üretim sürecinde her aşamada oluşan kayıpları göz önünde bulundurarak, kullanılabilir elektrik gücüne nasıl dönüştürebileceğini yansıtır.

Termal Güç Santrallerinin Genel Verimliliği

Bir termal güç santralinin genel verimliliği, tüm güç üretim döngüsü boyunca yaşanan tüm kayıpları kapsar. Bu, kömür yanmasındaki verimsizlikler, ısı transfer süreçleri, buhar türbinin çalışma verimliliği ve özellikle alternatörün, mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürme performansını içerir. Her bir aşama, genel enerji kaybına katkıda bulunur ve sonuçta kömürdeki ilk enerjinin başarıyla kullanılabilir elektrik enerjisine dönüştürülebilecek orana neden olur.

Bir termal güç santralinin genel verimliliği, genellikle megavat (MW) cinsinden ölçülen santralin büyüklüğü ve güç üretim kapasitesine yakından bağlıdır. Genel bir kural olarak, termal güç santralinin kapasitesi ile verimliliği arasında doğrudan bir ilişki vardır: daha düşük kapasiteli santraller genellikle daha düşük genel verimlilik oranlarına sahiptir. Daha küçük santraller, genellikle daha büyük santrallerin sahip olduğu ekonomik ölçek avantajları ve optimize edilmiş tasarım özelliklerine sahip değildir, bu da her bir güç üretim aşamasında daha yüksek nispi enerji kayıplarına neden olur. Bu, daha az miktarda elektrik üretilmesi anlamına gelir, bu da birim yakıt tüketimi başına daha az elektrik üretildiğini gösterir.