Lämpövoimala tai lämpövoimakenttä

Mikä on lämpövoimala?

Lämpövoimala tai lämpövoimakenttä on yleisin sähköntuotannon lähde. Lämpövoimalaa kutsutaan myös hiilivoimalaksi ja höyryturbiinivoimalaksi.

Tutustutaan sitten siihen, miten lämpövoimala toimii.

Lämpövoimalan teoria

Lämpövoimaloiden teoria tai toiminta on hyvin yksinkertainen. Sähköntuotantolaitos koostuu pääasiassa vaihtokoneesta, joka pyörii höyryturbiinin avulla. Höyry saadaan korkeapaineisista ketjuilla.

Yleensä Intiassa käytetään polttoaineena bituminoista hiiltä, ruskea hiiltä ja turve. Bituminoista hiilissä on 8–33 prosentin volatiilikomponentti ja 5–16 prosentin tuhkaosuus. Lämpötehokkuuden parantamiseksi hiiltä käytetään hienonettuna.

Hiilivoimalassa höyry tuotetaan korkealla paineella höyryketjuissa polttamalla polttoainetta (hienonettua hiiltä) ketjun uunissa. Tätä höyryä lisäksi lämmitetään superheaterissä.

Tämä superlämminnetyt höyry tulee sitten turbiiniin ja pyörittää turbiinin levyjä. Turbiini on mekaanisesti kytketty vaihtokoneeseen siten, että sen roteri pyörii turbiinin levysten pyörimisen mukana.

Turbiiniin tultuaan höyryn paine laskee äkillisesti ja vastaavasti höyryn tilavuus kasvaa.

Energian siirtäessä turbiinin roterille höyry kulkee turbiinin levystä kondensaattoriin.

Kondensaattorissa kylmää vettä virtaamalla pumpun avulla kondensoituu alhaisen paineen kostea höyry.

Tämä kondensoitu vesi annetaan sitten alhaisen paineen vesilämmitylle, jossa alhainen paineen höyry lisää tämän syöttöveden lämpötilaa; se lämmitetään sitten uudelleen korkealla paineella.

Paremmaksi ymmärtämiseksi esittelemme jokaisen lämpövoimakentän toiminnan vaiheen seuraavasti,

1. Ensin hienonettu hiili palautetaan höyryketjun uuniin.

2. Korkean paineen höyry tuotetaan ketjuissa.

3. Tämä höyry ohjataan sitten superheateriin, jossa se lämmitetään lisää.

4. Tämä superlämminnetyt höyry tulee sitten turbiiniin korkealla nopeudella.

5. Turbiinissa tämä höyryn voima pyörittää turbiinin levyjä, eli turbiinissa korkean paineen höyryn sisällä oleva potentiaalienergia muunnetaan mekaaniseksi energiaksi.

Voimalan kaavio

1. Turbiinin levyjen pyörimisen jälkeen höyry on menettänyt korkean paineensa, se tulee ulos turbiinin levystä ja tulee kondensaattoriin.

2. Kondensaattorissa kylmää vettä virtaamalla pumpun avulla kondensoituu alhaisen paineen kostea höyry.

3. Tämä kondensoitu vesi annetaan sitten alhaisen paineen vesilämmitylle, jossa alhainen paineen höyry lisää tämän syöttöveden lämpötilaa, se lämmitetään sitten uudelleen korkean paineen lämmityksessä, jossa korkean paineen höyryä käytetään lämmittämiseen.

4. Turbiini lämpövoimalassa toimii vaihtokoneen pääratsuna.

Lämpövoimalan yleiskatsaus

Typinen lämpövoimakenttä toimii pyörähdyskierroksen mukaan, joka on näkyvissä alla.

Työväline on vesi ja höyry. Tätä kutsutaan syöttöveden ja höyryn kiertoksi. Ideaalinen termodynamiikka, johon lämpövoimakentän toiminta liittyy, on rankinen kierto.
Höyryketjuissa vesi lämmitetään polttamalla polttoainetta ilmassa uunissa, ja ketjun tehtävänä on tuottaa kuiva superlämminnetyt höyry vaadittuna lämpötilana. Näin tuotettua höyryä käytetään höyryturbiinin ajamiseen.

Tämä turbiini on kytketty synkroniseen generatoriin (yleensä kolmivaiheiseen synkroniseen vaihtokoneeseen), joka tuottaa sähköenergiaa.

Turbiinista poistuva höyry sallitaan kondensoida vedeksi turbiinin höyrykondensaattorissa, mikä luodaan erittäin alhaisella paineella ja mahdollistaa höyryn laajentumisen turbiiniin erittäin alhaiseen paineeseen.

Kondensointitoiminnon pääedut ovat lisätty energia per kilogramma höyryä ja siten tehokkuuden lisääntyminen, sekä kondensoitu vesi, joka syötetään uudelleen ketjuun, vähentää uutta syöttöveden määrää.

Kondensatu vesi yhdessä osan uuden syöttöveden kanssa syötetään uudelleen ketjuun pumpun (ketjuveden syöttöpumpun) avulla.

Kondensaattorissa höyry kondensoituu jäädytysvedellä. Jäädytysvesi kierrätetään jäädytystornissa. Tämä muodostaa jäädytysveden kiertokuljetuksen.

Ympäröivä ilma sallitaan tulla ketjuun pölysuodatin jälkeen. Myös savu tulee ulos ketjusta ja pääsee ilmakehään putkien kautta. Nämä muodostavat ilman ja savun kiertokuljetukset.

Ilman virtaus ja myös staattinen paine höyryketjuissa (nimeltään draught) ylläpidetään kahdella tuuliturvalla, nimeltään Forced Draught (FD) -tuuliturva ja Induced Draught (ID) -tuuliturva.

Typinen lämpövoimakentän kokonaisrakenne eri kiertokuljetuksineen on kuvattu alla.

Ketjuissa on useita lämpövaihtijoita, kuten Economizer, Evaporator (ei ole kuvassa, se on pääasiassa vedenputket, eli downcomer riser -piiri), Super Heater (joskus Reheater, air preheater).

Economizerissa syöttövettä lämmitetään huomattavasti jäljellä olevan savun lämpöä käyttäen.

Ketjuvarsi ylläpitää paineen luonnolliselle kiertokuljetukselle kaksifaseiselle seokselle (höyry + vesi) vedenputkien kautta.

On myös Super Heater, joka ottaa lämpöä savusta ja nostaa höyryn lämpötilaa tarvittaessa.

Lämpövoimakentän tehokkuus

Höyryvoimalan yleinen tehokkuus määritellään sähköntuotannon lämpöekvivalentin suhteena hiilen polttoon liittyvään lämpöön.