Теплові електростанції – компоненти, принцип роботи та вибір місця розташування

Що таке теплова електростанція?

Закон збереження енергії стверджує, що енергію не можна створити або знищити; вона може лише перетворюватися з однієї форми в іншу. Осокремо, електричну енергію можна отримати з різних джерел енергії. Забезпечення великого масштабу електричної енергії зазвичай називають електростанціями.

Теплова електростанція — це тип установки для генерації електроенергії, яка перетворює теплову енергію на електричну. Теплову енергію для таких станцій можна отримати з різних джерел, включаючи вугілля, дизельне паливо, біопаливо, сонячну енергію та ядерну енергію. Хоча термін "теплова електростанція" технічно може охоплювати установки, що використовують різні джерела тепла, найчастіше йдеться про установки, що спираються на вугілля для генерації тепла. Таким чином, теплові електростанції вважаються традиційними системами генерації електроенергії. Їх іноді називають паротурбінними електростанціями або вугільними електростанціями, що відображає основне паливо та ключовий механізм перетворення енергії.

Робота теплової електростанції

Теплові електростанції працюють на основі циклу Ренкіна, фундаментального термодинамічного циклу для перетворення тепла на механічну роботу, яка потім використовується для генерації електроенергії. Нижче наведено узагальнений шлях або план теплової електростанції, який надає візуальне представлення її операційних компонентів та процесів.

Внутрішні процеси та компоненти теплової електростанції

Операційний процес

Теплові електростанції потребують значної кількості палива, зазвичай вугілля. Враховуючи велику кількість, вугілля зазвичай транспортується поїздами та зберігається в спеціальних зонах зберігання палива. Сирове вугілля завелике для безпосереднього використання в котлі. Щоб це вирішити, воно подається в дробарку, яка зменшує його на менші, більш зручні частинки, перед тим як його перенаправляють до котла.

Крім вугілля, значна кількість води необхідна для виробництва пари в котлі. Перед входом в систему вода піддається процесу очистки. Вона проходить через різні фільтри, щоб вилучити забруднюючі речовини та будь-який розчинений повітря, забезпечуючи її чистоту. Після обробки вода направляється до барабана котла. Усередині барабана котла тепло, що виробляється при спалюванні вугілля, передається воді. В результаті вода проходить фазовий перехід і перетворюється на пару.

Пара, що виробляється, має високий тиск та температуру, що робить її ідеальною для виробництва електроенергії. Ця пара потім направляється до надігрівача, де її нагрівають, щоб збільшити її теплову енергію. Надігріта пару потім направляється до лопаток турбіни. Коли пару протікає через лопатки турбіни, її теплова енергія перетворюється на механічну обертальну енергію турбіною.

Турбіна механічно з'єднана з альтернативником через загальний вал. Коли турбіна обертається, вона приводить в рух ротор альтернативника. Альтернативник, в свою чергу, перетворює цю механічну енергію на електричну. Для ефективної передачі виробленої електричної енергії на великі відстані, вона проходить через трансформатор, який підвищує напругу. Високонапружна електроенергія потім відправляється через лінії передачі до кінцевих користувачів або навантажень у мережі.

Після проходження через турбіну, пару, зараз з нижчим тиском та температурою, направляють до конденсатора. У конденсаторі холодна вода циркулює навколо пари, що сприяє її зміні назад у рідинну форму. Цей процес конденсації випускає залишкове тепло від пари, ефективно зменшуючи її тиск та температуру. Відновлення води таким чином підвищує ефективність циклу виробництва електроенергії.

Зконденсована вода потім насосом підводиться назад до котла, готова бути нагріта та перетворена на пару знову, завершуючи цикл. Однак, пепел, що виробляється як побічний продукт спалювання вугілля, видаляється з печі котла. Правильне утилізація цього пеплу важлива для запобігання екологічному ушкодженню. Крім того, під час спалювання вугілля в котлі виробляються димові гази, які викидаються в атмосферу через трубу.

Основні компоненти

Теплова електростанція складається з кількох інтегрованих компонентів, які працюють в гармонії, щоб забезпечити процес виробництва електроенергії:

• Котел: серце теплової електростанції, де відбувається спалювання вугілля, і тепло передається воді для виробництва пари.

• Турбіна: перетворює теплову енергію високотискової пари на механічну обертальну енергію.

• Надігрівач: підвищує температуру пари, виробленої в котлі, збільшуючи її енергетичне зміст для більш ефективного виробництва електроенергії.

• Конденсатор: конденсує вичерпну пару з турбіни назад у воду, відновлюючи тепло та підтримуючи ефективність циклу.

• Економайзер: попередньо нагріває питому воду за допомогою тепла від димових газів, зменшуючи загальне енергоспоживання котла.

• Питомий насос: циркулює зконденсовану воду з конденсатора назад до котла, забезпечуючи постійне надходження для виробництва пари.

• Альтернативник: перетворює механічну енергію з турбіни на електричну, яку можна розподілити через мережу.

• Труба: розповсюджує димові гази, вироблені під час спалювання вугілля, в атмосферу контролюємим чином.

• Холодильна вежа: сприяє охолодженню води, використаної в конденсаторі, дозволяючи її повторному використанню в процесі виробництва електроенергії.

Компоненти, вибір місця та ефективність теплових електростанцій

Основні компоненти теплових електростанцій

Котел

Розмолоте вугілля разом з попередньо нагрітим повітрям подається в котел, який є ключовим компонентом для виробництва високотискової пари. Його основна функція полягає в перетворенні хімічної енергії, зберігається в вугіллі, на теплову енергію через процес спалювання. Коли вугілля спалахує в котлі, він виробляє сильне тепло, достатньо для перетворення води на пару. Розмір котла прямо визначається тепловими потребами теплової електростанції. Існує різноманітність котлів, використовуваних в теплових електростанціях, включаючи котли типу Haycock та wagon top, котли з трубами, циліндричні котли з трубами, та водяні котли, кожен з яких має свої особливості дизайну та операційні переваги.

Турбіна

Високотискова та високотемпературна надігріта пару, вироблена в котлі, направляється до турбіни. Коли ця пару ударяє по лопатках турбіни, вона приводить турбіну в рух. Турбіна — це складний механічний пристрій, спеціально розроблений для перетворення теплової енергії пари на обертальну кінетичну енергію. Механічно з'єднана з альтернативником через вал, обертання турбіни приводить в рух ротор альтернативника. Коли пару проходить через турбіну, її температура та тиск знижуються, і вона потім направляється до конденсатора для подальшої обробки.

Надігрівач

У системі виробництва електроенергії на основі парової турбіни, надігріта пару необхідна для ефективної роботи турбіни. Волога та насичена пару, що виходить з котла, подається в надігрівач. Цей пристрій відіграє ключову роль у перетворенні пари на суху та надігріту, значно збільшуючи її теплову енергію. Серед усіх компонентів теплової електростанції, надігрівач працює при найвищій температурі. Три основні типи надігрівачів зазвичай використовуються: конвекційні надігрівачі, які передають тепло через конвекційні потоки; радіаційні надігрівачі, які спираються на радіаційне передачу тепла; та окремо згорювані надігрівачі. Підвищуючи температуру пару, виробленого в котлі, надігрівач підвищує загальну ефективність процесу виробництва електроенергії.

Конденсатор

Після того, як пару пройшла через турбіну, її температура та тиск знизилися, вичерпна пару переробляється назад у цикл виробництва електроенергії. Для оптимізації ефективності турбіни необхідно конденсувати цю пару, створюючи та підтримуючи правильний вакуум. Конденсатор досягає цього, зменшуючи робочий тиск, що збільшує рівень вакууму. Це збільшення вакууму призводить до розширення об'єму пару, дозволяючи отримати більше роботи від пару в турбіні. В результаті загальна ефективність електростанції підвищується, з відповідним збільшенням виходу турбіни.

Економайзер

Економайзер — це спеціалізований теплообмінник, розроблений для мінімізації витрат енергії в електростанції. Димові гази, багаті тепловою енергією, викидаються з котла в атмосферу. Економайзер використовує тепло цих димових газів для попереднього нагріву води. Вода, відновлена з конденсатора, насосом підводиться до економайзера. Тут вона поглинає тепло від димових газів, підвищуючи її температуру перед входом в котел. Використовуючи відходячу енергію димових газів, економайзер значно підвищує загальну ефективність циклу виробництва електроенергії.

Питомий насос

Питомий насос відповідає за постачання води в котел. Джерелом води може бути як зконденсована вода з конденсатора, так і свіжа вода. Цей насос підвищує тиск води, забезпечуючи постійне та достатнє постачання, щоб задовольнити потреби котла. Зазвичай, питомі насоси є центробіжними або з позитивним переміщенням, кожен з яких має відмінні переваги щодо продуктивності та ефективності.

Альтернативник

Механічно з'єднаний з турбіною через спільний вал, альтернативник відіграє ключову роль в процесі виробництва електроенергії. Коли турбіна обертається під впливом пари, вона приводить в рух ротор альтернативника. Це обертання індукує електромагнітне поле, генеруючи електричну енергію. По суті, альтернативник виступає як конвертер, перетворюючи кінетичну енергію обертання турбіни на електричну енергію, яку можна передавати та розподіляти через мережу.

Труба

У більшості теплових електростанцій, що використовують вугілля як паливо, процес спалювання в котлі виробляє димові гази. Труба надає шлях для безпечного викиду цих димових газів в атмосферу. Її робота базується на принципах природного стріму та ефекту стовпа. Горячий повітря, бувши менш щільним, піднімається, створюючи стрім, що засмуковує димові гази вгору. Висота труби є критичним фактором; вищі труби створюють сильніший стрім, що сприяє більш ефективному розсіюванню газів.

Холодильна вежа

Як видно з назви, холодильна вежа використовується головним чином для відведення відходячого тепла в атмосферу. Використовуючи різні методи передачі тепла, холодильна вежа дозволяє теплу води випарюватися, залишаючи більш холодну воду, яку можна пере використовувати в циклі виробництва електроенергії. Вода, зконденсована з пари в конденсаторі, направляється до холодильної вежі. Примусові холодильні вежі часто використовуються в теплових електростанціях, де повітря циркулює знизу до верху вежі, підвищуючи ефективність передачі тепла.

Критерії вибору місця для теплових електростанцій

Доступність палива

Враховуючи, що вугілля є домінуючим паливом у більшості теплових електростанцій, а значна кількість необхідна для виробництва електроенергії великого масштабу, розташування електростанції поруч з вугільною шахтою є надзвичайно вигідним. Ця близькість значно зменшує витрати на транспортування, роблячи процес виробництва електроенергії більш економічно придатним.

Транспортна інфраструктура

Теплові електростанції мають багато великих машин та обладнання. Тому місце розташування електростанції повинно бути вибрано в районі з відмінною транспортною інфраструктурою. Надійне жезнодорожне або автомобільне транспортування є важливим для ефективного переміщення вугілля, а також для доставки нового обладнання та транспортування працівників, техніків та інженерів. Крім того, доступність громадського транспорту в околицях забезпечує зручний доступ для працівників електростанції.

Доступність води

Теплова електростанція потребує велику кількість води для виробництва високотискової та високотемпературної пари. Тому електростанція повинна бути розташована поруч з берегом річки або в місці з постійним та достатнім постачанням води, щоб задовольнити постійну потребу в воді, використовуваній для виробництва пари та процесів охолодження.

Доступність землі

Будівництво теплової електростанції потребує великої площі землі. Більше того, вартість землі повинна бути відносно невисокою. При виборі місця слід враховувати можливість майбутнього розширення. Оскільки електростанція має важке обладнання, грунт повинен мати достатню несучу здатність, а міцний фундамент необхідний для підтримки обладнання.

Відстань від населених пунктів

Теплові електростанції випускають димові гази, пепел, пил та дим під час роботи, всі ці фактори становлять значні ризики для здоров'я людей та можуть викликати екологічні ушкодження навколишньому середовищу. Для мінімізації цих впливів, електростанція повинна бути розташована далеко від міських районів, житлових спільнот та сільськогосподарських ферм. Крім того, шум, вироблений обладнанням електростанції, такими як альтернативники, трансформатори, вентилятори та турбіни, ще більше вимагає її розташування в віддаленому місці.

Об'єкт для утилізації пеплу

Спалювання вугілля призводить до виробництва пеплу, який становить приблизно 30-40% від загального споживання вугілля. Правильна утилізація пеплу є надзвичайно важливою. Пепел збирається з дна печі котла, і значна частина його переноситься димовими газами. Для ефективного управління пеплом використовуються два основні