Nhà máy nhiệt điện – Thành phần, nguyên lý hoạt động và lựa chọn địa điểm

Nhà máy nhiệt điện là gì?

Luật bảo toàn năng lượng nêu rõ rằng năng lượng không thể được tạo ra hoặc tiêu diệt; thay vào đó, nó chỉ có thể được chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác. Đặc biệt, năng lượng điện có thể được khai thác từ nhiều nguồn năng lượng khác nhau. Các cơ sở được thiết kế để sản xuất năng lượng điện quy mô lớn thường được gọi là nhà máy điện hoặc trạm điện.

Nhà máy nhiệt điện là loại cơ sở sản xuất điện chuyển đổi năng lượng nhiệt thành năng lượng điện. Năng lượng nhiệt cho các nhà máy này có thể bắt nguồn từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm than đá, diesel, nhiên liệu sinh học, năng lượng mặt trời và năng lượng hạt nhân. Mặc dù thuật ngữ "nhà máy nhiệt điện" có thể bao gồm cả các nhà máy sử dụng nhiều nguồn nhiệt khác nhau, nhưng nó thường được liên kết với các nhà máy dựa trên than đá để tạo ra nhiệt. Do đó, nhà máy nhiệt điện được coi là hệ thống sản xuất điện truyền thống. Chúng cũng đôi khi được gọi là nhà máy tua-bin hơi nước hoặc nhà máy điện chạy bằng than, phản ánh nguồn nhiên liệu chính và cơ chế chuyển đổi năng lượng quan trọng được sử dụng.

Cách hoạt động của nhà máy nhiệt điện

Nhà máy nhiệt điện hoạt động dựa trên chu kỳ Rankine, một chu kỳ nhiệt động cơ bản để chuyển đổi nhiệt thành công việc cơ học, sau đó được sử dụng để phát điện. Sơ đồ một dòng hoặc bố cục của nhà máy nhiệt điện dưới đây cung cấp hình ảnh trực quan về các thành phần và quá trình hoạt động của nó.

Cách hoạt động và các thành phần của nhà máy nhiệt điện

Quá trình hoạt động

Nhà máy nhiệt điện đòi hỏi một lượng lớn nhiên liệu, thường là than đá. Do khối lượng cần thiết lớn, than thường được vận chuyển bằng tàu hỏa và được lưu trữ trong khu vực lưu trữ nhiên liệu chuyên dụng. Ban đầu, than thô quá lớn để sử dụng trực tiếp trong lò đốt. Để giải quyết vấn đề này, than được đưa vào máy nghiền, giảm kích thước thành các mảnh nhỏ hơn, dễ quản lý hơn trước khi được chuyển đến lò đốt.

Ngoài than, một lượng nước đáng kể cũng rất cần thiết để sản xuất hơi nước trong lò đốt. Trước khi vào hệ thống, nước phải trải qua quá trình xử lý. Nó đi qua các bộ lọc để loại bỏ tạp chất và bất kỳ khí hòa tan nào, đảm bảo độ tinh khiết. Sau khi đã được xử lý, nước được dẫn đến phôi lò. Trong phôi lò, nhiệt sinh ra từ quá trình đốt cháy than được chuyển đến nước. Kết quả là, nước trải qua sự thay đổi pha và biến thành hơi nước.

Hơi nước sản xuất ra có áp suất cao và nhiệt độ cao, phù hợp cho việc sản xuất điện. Hơi nước này sau đó được dẫn đến siêu hâm, nơi nó được làm nóng thêm để tăng năng lượng nhiệt. Hơi nước siêu nóng sau đó được hướng tới cánh tua-bin. Khi hơi nước chảy qua cánh tua-bin, năng lượng nhiệt của nó được chuyển đổi thành năng lượng cơ học xoay bởi tua-bin.

Tua-bin được kết nối cơ học với máy phát điện thông qua trục chung. Khi tua-bin quay, nó dẫn động rotor của máy phát điện. Máy phát điện, ngược lại, chuyển đổi năng lượng cơ học này thành năng lượng điện. Để truyền tải hiệu quả năng lượng điện đã tạo ra qua khoảng cách dài, nó được đưa qua biến áp, tăng điện áp. Điện áp cao sau đó được gửi qua đường dây truyền tải để đến người dùng cuối, hoặc tải, trong lưới điện.

Sau khi đi qua tua-bin, hơi nước, giờ ở áp suất và nhiệt độ thấp hơn, được dẫn đến ngưng tụ. Trong ngưng tụ, nước lạnh tuần hoàn xung quanh hơi nước, khiến nó ngưng tụ trở lại thành trạng thái lỏng. Quá trình ngưng tụ này giải phóng nhiệt còn lại từ hơi nước, giảm áp suất và nhiệt độ hiệu quả. Bằng cách thu hồi nước theo cách này, hiệu suất của chu kỳ sản xuất điện được cải thiện.

Nước ngưng tụ sau đó được bơm trở lại lò đốt bằng máy bơm nước cấp, sẵn sàng để được làm nóng và chuyển đổi thành hơi nước một lần nữa, hoàn thành chu kỳ. Trong khi đó, tro do quá trình đốt cháy than tạo ra được loại bỏ khỏi lò đốt. Việc xử lý đúng cách tro này là rất quan trọng để ngăn chặn thiệt hại môi trường. Ngoài ra, trong quá trình đốt cháy than trong lò đốt, khí thải được tạo ra và được thải ra khí quyển thông qua ống khói.

Các thành phần chính

Một nhà máy nhiệt điện bao gồm nhiều thành phần tích hợp làm việc hài hòa để hỗ trợ quá trình sản xuất điện:

• Lò đốt: Là trái tim của nhà máy nhiệt điện, nơi xảy ra quá trình đốt cháy than và nhiệt được chuyển đến nước để tạo ra hơi nước.

• Tua-bin: Chuyển đổi năng lượng nhiệt của hơi nước áp suất cao thành năng lượng cơ học xoay.

• Siêu hâm: Tăng nhiệt độ của hơi nước sản xuất trong lò đốt, tăng cường nội dung năng lượng của nó để sản xuất điện hiệu quả hơn.

• Ngưng tụ: Ngưng tụ hơi nước thải từ tua-bin trở lại thành nước, thu hồi nhiệt và duy trì hiệu suất của chu kỳ.

• Kinh tế hóa: Làm nóng trước nước cấp bằng nhiệt từ khí thải, giảm tổng mức tiêu thụ năng lượng của lò đốt.

• Máy bơm nước cấp: Dẫn nước ngưng tụ từ ngưng tụ trở lại lò đốt, đảm bảo cung cấp liên tục cho sản xuất hơi nước.

• Máy phát điện: Biến đổi năng lượng cơ học từ tua-bin thành năng lượng điện, có thể được phân phối thông qua lưới điện.

• Ống khói: Phân tán khí thải được tạo ra trong quá trình đốt cháy than vào khí quyển theo cách kiểm soát.

• Tháp làm mát: Giúp làm mát nước được sử dụng trong ngưng tụ, cho phép tái sử dụng và tái chế trong quá trình sản xuất điện.

Các thành phần, lựa chọn vị trí và hiệu suất của nhà máy nhiệt điện

Các thành phần chính của nhà máy nhiệt điện

Lò đốt

Than bột, cùng với không khí đã được làm nóng, được đưa vào lò đốt, là thành phần cốt lõi để tạo ra hơi nước áp suất cao. Chức năng chính của nó là chuyển đổi năng lượng hóa học được lưu trữ trong than thành năng lượng nhiệt thông qua quá trình đốt cháy. Khi than cháy bên trong lò đốt, nó tạo ra nhiệt độ cao, đủ để chuyển nước thành hơi. Kích thước của lò đốt được xác định trực tiếp bởi yêu cầu nhiệt của nhà máy nhiệt điện. Có nhiều loại lò đốt được sử dụng trong nhà máy nhiệt điện, bao gồm lò đốt kiểu Haycock và wagon top, lò đốt kiểu ống lửa, lò đốt ống lửa hình trụ, và lò đốt ống nước, mỗi loại đều có đặc điểm thiết kế và lợi thế hoạt động riêng.

Tua-bin

Hơi nước siêu nóng và áp suất cao, được tạo ra bởi lò đốt, được dẫn đến tua-bin. Khi hơi nước này tác động lên cánh tua-bin, nó làm tua-bin quay. Tua-bin là thiết bị cơ khí phức tạp được thiết kế đặc biệt để chuyển đổi năng lượng nhiệt của hơi nước thành năng lượng cơ học xoay. Được kết nối cơ học với máy phát điện thông qua trục, tua-bin quay dẫn động rotor của máy phát điện. Sau khi hơi nước đi qua tua-bin, nhiệt độ và áp suất của nó giảm, và sau đó được dẫn đến ngưng tụ để xử lý tiếp theo.

Siêu hâm

Trong hệ thống phát điện dựa trên tua-bin hơi nước, hơi nước siêu nóng là yếu tố quan trọng cho hoạt động hiệu quả của tua-bin. Hơi nước ẩm và bão hòa, thoát ra từ lò đốt, được đưa vào siêu hâm. Thiết bị này đóng vai trò quan trọng trong việc biến hơi nước thành hơi khô và siêu nóng, tăng đáng kể nội dung năng lượng nhiệt của nó. Trong số tất cả các thành phần của nhà máy nhiệt điện, siêu hâm hoạt động ở nhiệt độ cao nhất. Ba loại siêu hâm phổ biến được sử dụng: siêu hâm đối lưu, chuyển nhiệt thông qua dòng đối lưu; siêu hâm bức xạ, dựa trên chuyển nhiệt bức xạ; và siêu hâm đốt riêng. Bằng cách tăng nhiệt độ của hơi nước được tạo ra bởi lò đốt, siêu hâm tăng hiệu suất tổng thể của quá trình sản xuất điện.

Ngưng tụ

Sau khi hơi nước đi qua tua-bin và nhiệt độ và áp suất của nó giảm, hơi nước thải được tái chế trở lại vào chu kỳ sản xuất điện. Để tối ưu hóa hiệu suất của tua-bin, cần ngưng tụ hơi nước này, tạo và duy trì chân không thích hợp. Ngưng tụ đạt được điều này bằng cách giảm áp suất hoạt động, do đó tăng mức chân không. Sự tăng mức chân không này làm tăng thể tích của hơi nước, cho phép lấy nhiều công hơn từ hơi nước trong tua-bin. Kết quả là, hiệu suất tổng thể của nhà máy điện được cải thiện, với sự tăng tương ứng trong công suất đầu ra của tua-bin.

Kinh tế hóa

Kinh tế hóa là bộ trao đổi nhiệt chuyên dụng được thiết kế để giảm thiểu tiêu thụ năng lượng trong nhà máy điện. Khí thải, giàu năng lượng nhiệt, được thải từ lò đốt vào khí quyển. Kinh tế hóa tận dụng nhiệt từ khí thải này để làm nóng trước nước. Nước được thu hồi từ ngưng tụ được bơm đến kinh tế hóa bởi máy bơm nước cấp. Tại đây, nó hấp thụ nhiệt từ khí thải, nâng nhiệt độ trước khi vào lò đốt. Bằng cách tái sử dụng nhiệt thải từ khí thải, kinh tế hóa tăng đáng kể hiệu suất tổng thể của chu kỳ sản xuất điện.

Máy bơm nước cấp

Máy bơm nước cấp chịu trách nhiệm cung cấp nước cho lò đốt. Nguồn nước có thể là nước ngưng tụ từ ngưng tụ hoặc nước mới. Máy bơm này tăng áp lực nước, đảm bảo cung cấp liên tục và đầy đủ để đáp ứng nhu cầu của lò đốt. Thường thì, máy bơm nước cấp là loại ly tâm hoặc định lượng dương, mỗi loại đều có ưu điểm riêng về hiệu suất và hiệu quả.

Máy phát điện

Được kết nối cơ học với tua-bin thông qua trục chung, máy phát điện đóng vai trò quan trọng trong quá trình sản xuất điện. Khi tua-bin quay dưới sức đẩy của hơi nước, nó dẫn động rotor của máy phát điện. Sự quay này tạo ra trường điện từ, tạo ra năng lượng điện. Về cơ bản, máy phát điện hoạt động như một bộ chuyển đổi, biến năng lượng cơ học từ sự quay của tua-bin thành năng lượng điện có thể được truyền tải và phân phối qua lưới điện.

Ống khói

Trong hầu hết các nhà máy nhiệt điện sử dụng than làm nhiên liệu, quá trình đốt cháy trong lò đốt tạo ra khí thải. Ống khói cung cấp đường dẫn để khí thải này được thải an toàn vào khí quyển. Hoạt động của nó dựa trên nguyên tắc hút tự nhiên và hiệu ứng ống khói. Không khí nóng, ít dày đặc hơn, sẽ bay lên, tạo ra lực hút kéo khí thải lên. Chiều cao của ống khói là yếu tố quan trọng; ống khói cao hơn tạo ra lực hút mạnh hơn, giúp phân tán khí thải hiệu quả hơn.

Tháp làm mát

Như tên gọi, tháp làm mát chủ yếu được sử dụng để tỏa nhiệt thải vào khí quyển. Sử dụng nhiều phương pháp chuyển nhiệt, tháp làm mát cho phép nhiệt từ nước bay hơi, để lại nước lạnh hơn có thể được tái sử dụng trong chu kỳ sản xuất điện. Nước ngưng tụ từ hơi nước trong ngưng tụ được dẫn đến tháp làm mát. Tháp làm mát ép luồng không khí thường được sử dụng trong nhà máy nhiệt điện, nơi không khí được tuần hoàn từ dưới lên trên tháp, tăng cường hiệu quả chuyển nhiệt.

Tiêu chí lựa chọn vị trí cho nhà máy nhiệt điện

Khả năng cung cấp nhiên liệu

Do than đá là nhiên liệu chủ yếu trong hầu hết các nhà máy nhiệt điện và số lượng lớn cần thiết cho sản xuất điện quy mô lớn, việc đặt nhà máy gần mỏ than là rất có lợi. Điều này giảm đáng kể chi phí vận chuyển, làm cho quá trình sản xuất điện trở nên kinh tế hơn.

Cơ sở hạ tầng vận chuyển

Nhà máy nhiệt điện chứa nhiều máy móc và thiết bị lớn. Do đó, địa điểm nhà máy phải được chọn ở khu vực có cơ sở hạ tầng vận chuyển tốt. Vận chuyển đường sắt hoặc đường bộ tin cậy là cần thiết để vận chuyển than, cũng như giao nhận thiết bị mới và vận chuyển công nhân, kỹ thuật viên và kỹ sư. Ngoài ra, việc có sẵn phương tiện giao thông công cộng trong khu vực đảm bảo việc tiếp cận thuận tiện cho lực lượng lao động của nhà máy.

Khả năng cung cấp nước

Nhà máy nhiệt điện đòi hỏi một lượng nước lớn để sản xuất hơi nước áp suất cao và nhiệt độ cao. Do đó, nhà máy nên được đặt gần bờ sông hoặc ở vị trí có nguồn nước ổn định và dồi dào để đáp ứng nhu cầu liên tục về nước được sử dụng trong quá trình sản xuất hơi nước và làm mát.

Khả năng cung cấp đất

Xây dựng nhà máy nhiệt điện đòi hỏi một diện tích đất lớn. Hơn nữa, giá đất phải hợp lý. Khi chọn địa điểm, cần xem xét khả năng mở rộng trong tương lai. Vì nhà máy chứa nhiều máy móc nặng, mặt đất phải có khả năng chịu tải đủ lớn, và nền móng chắc chắn là cần thiết để hỗ trợ thiết bị.

Khoảng cách từ khu dân cư

Nhà máy nhiệt điện thải ra khí thải, tro, bụi và khói trong quá trình hoạt động, tất cả đều gây rủi ro sức khỏe nghiêm trọng cho con người và có thể gây thiệt hại môi trường cho bầu khí quyển và đất xung quanh. Để giảm thiểu những tác động này, nhà máy nên được đặt xa khu vực đô thị, cộng đồng cư trú và nông trại. Ngoài ra, tiếng ồn từ máy móc của nhà máy, như máy phát điện, biến áp, quạt và tua-bin, càng làm tăng nhu cầu đặt nhà máy ở vị trí xa xôi.

Cơ sở xử lý tro

Quá trình đốt cháy than tạo ra tro, chiếm khoảng 30-40% tổng lượng than tiêu thụ. Xử lý tro đúng cách là rất quan trọng. Tro được thu từ dưới lò đốt, và một phần đáng kể của nó được mang đi bởi khí thải. Để quản lý tro hiệu quả, hai hệ thống xử lý tro chính được sử dụng: hệ thống xử lý tro đáy và hệ thống xử lý tro bay. Địa điểm nhà máy nên có cơ sở phù hợp để xử lý an toàn và thân thiện với môi trường tro này.

Gần trung tâm tải

Năng lượng điện được tạo ra bởi máy phát điện được tăng điện áp bởi biến áp trước khi được truyền đến trung tâm tải thông qua đường dây truyền tải. Đặt nhà máy nhiệt điện gần trung tâm tải giảm chi phí và tổn thất truyền tải, đảm bảo phân phối điện hiệu quả và tiết kiệm chi phí hơn.

Hiệu suất của nhà máy nhiệt điện

Trong nhà máy nhiệt điện, việc sản xuất điện bao gồm nhiều giai đoạn chuyển đổi năng lượng. Đầu tiên, năng lượng hóa học của than được chuyển đổi thành năng lượng nhiệt. Năng lượng nhiệt này sau đó được chuyển đổi thành năng lượng động hoặc cơ học, cuối cùng được chuyển đổi thành năng lượng điện. Do những quá trình chuyển đổi năng lượng này, hiệu suất tổng thể của nhà máy nhiệt điện thường khá thấp, dao động từ 20-29%.

Hiệu suất của nhà máy nhiệt điện bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm kích thước của nhà máy và chất lượng than được sử dụng. Một lượng lớn năng lượng nhiệt bị mất trong ngưng tụ trong quá trình sản xuất điện. Có hai loại chỉ số hiệu suất chính được sử dụng để đánh giá nhà máy nhiệt điện:

Hiệu suất nhiệt

Hiệu suất nhiệt được định nghĩa là tỷ lệ giữa năng lượng cơ học, được biểu diễn theo đơn vị nhiệt, có sẵn tại tua-bin so với tổng năng lượng nhiệt giải phóng trong quá trình đốt cháy than trong lò đốt. Nó đo lường hiệu quả chuyển đổi năng lượng nhiệt từ đốt cháy than thành công việc hữu ích trong tua-bin.

Hiệu suất nhiệt

Nhà máy nhiệt điện thường đạt hiệu suất nhiệt khoảng 30%. Một phần đáng kể, khoảng 50% tổng năng lượng nhiệt tạo ra, bị mất dưới dạng nhiệt thải trong ngưng tụ. Năng lượng nhiệt còn lại bị mất qua các kênh khác, như khí thải từ ống khói và tro tạo ra trong quá trình đốt cháy than. Sự mất nhiệt đáng kể trong ngưng tụ và các kênh khác nhấn mạnh sự thiếu hiệu quả của quá trình sản xuất điện nhiệt truyền thống.

Hiệu suất tổng thể

Hiệu suất tổng thể của nhà máy nhiệt điện được tính là tỷ lệ giữa năng lượng nhiệt tương đương của điện năng đầu ra so với tổng năng lượng nhiệt giải phóng trong quá trình đốt cháy than. Chỉ số này cung cấp một biện pháp toàn diện về hiệu suất của nhà máy, bao gồm tất cả các giai đoạn chuyển đổi năng lượng từ năng lượng hóa học ban đầu được lưu trữ trong than đến năng lượng điện cuối cùng được cung cấp cho lưới điện. Nó phản ánh mức độ hiệu quả mà nhà máy có thể chuyển đổi năng lượng trong than thành điện năng sử dụng, tính đến các tổn thất xảy ra ở từng bước của quá trình sản xuất điện phức tạp.

Hiệu suất tổng thể của nhà máy nhiệt điện

Hiệu suất tổng thể của nhà máy nhiệt điện bao gồm tất cả các tổn thất xảy ra trong suốt chu kỳ sản xuất điện. Điều này bao gồm các sự thiếu hiệu quả trong quá trình đốt cháy than, quá trình chuyển nhiệt, hoạt động của tua-bin hơi nước, và quan trọng nhất, hiệu suất của máy phát điện, chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện. Mỗi giai đoạn này đều góp phần vào tổng tổn thất năng lượng, cuối cùng quyết định tỷ lệ năng lượng ban đầu trong than được chuyển đổi thành điện năng sử dụng.

Hiệu suất tổng thể của nhà máy nhiệt điện gắn liền với kích thước và công suất sản xuất điện, thường được đo bằng megawatt (MW). Theo quy luật chung, có mối tương quan trực tiếp giữa công suất của nhà máy nhiệt điện và hiệu suất: các nhà máy có công suất thấp thường có hiệu suất tổng thể thấp hơn. Các nhà máy nhỏ thường thiếu quy mô kinh tế và các đặc điểm thiết kế tối ưu mà các nhà máy lớn có, dẫn đến tỷ lệ tổn thất năng lượng cao hơn ở mỗi giai đoạn của quá trình sản xuất điện. Điều này có nghĩa là một tỷ lệ lớn năng lượng từ nhiên liệu bị lãng phí, giảm lượng điện có thể sản xuất được trên mỗi đơn vị nhiên liệu tiêu thụ.