Tepelná výroba elektrické energie

Definice tepelné elektrárny

Tepelná elektrárna je definována jako zařízení, které vyrábí elektřinu pomocí tepelné energie, především z hoření uhlí, které produkuje páru pohánějící turbíny.

Teorie tepelné elektrárny

Teorie tepelných elektráren je jednoduchá. Tyto elektrárny používají parní turbíny spojené s alternátory k výrobě elektřiny. Pára se vyrábí ve vysokotlakých kotlích.

Obecně v Indii se jako palivo pro kotly používá bituminózní uhlí, hnědé uhlí a rašelina. Bituminózní uhlí, které se používá jako palivo pro kotle, má obsah letného materiálu od 8 do 33 % a obsah popele 5 až 16 %. Pro zvýšení tepelné efektivity se uhlí používá v prachovité formě.

V uhelné tepelné elektrárně se pára vyrábí pod vysokým tlakem v parním kotli díky spalování paliva (prachového uhlí) v kotlových topkách. Tato pára je dále ohřívána v přehřívači.

Tato přehřátá pára pak vstupuje do turbíny a otáčí lopatky turbíny. Turbína je mechanicky spojena s alternátorem tak, že jeho rotor se otáčí s otáčením lopatek turbíny.

Když pára vstoupí do turbíny, její tlak rychle klesne, což způsobí zvětšení objemu páry.Po předání energie rotoru turbíny pára projde lopatkami turbíny do kondenzátoru.V kondenzátoru se studená voda cirkuluje s pomocí čerpadla, které kondenzuje nízko-tlakou mokrou páru.

Tato kondenzovaná voda je dále dodávána do nízko-tlakového vodního ohřívače, kde nízko-tlaká pára zvyšuje teplotu této vody; opět se ohřívá pod vysokým tlakem.Pro lepší pochopení si rozdělíme kroky, jak funguje tepelná elektrárna:

• Nejdříve se prachové uhlí spálí v kotlové topce.

• V kotli se vytvoří pára pod vysokým tlakem.

• Tato pára je pak vedena přes přehřívač, kde je dále ohřívána.

• Tato přehřátá pára pak vstupuje do turbíny vysokou rychlostí.

• V turbíně síla páry otáčí lopatky turbíny, což znamená, že v turbíně je uložená potenciální energie vysoko-tlaké páry převedena na mechanickou energii.

Schematický diagram elektrárny

Po otáčení lopatek turbíny pára ztratila svůj vysoký tlak, projde lopatkami turbíny a vstoupí do kondenzátoru.V kondenzátoru se studená voda cirkuluje s pomocí čerpadla, které kondenzuje nízko-tlakou mokrou páru.

Tato kondenzovaná voda je pak dále dodávána do nízko-tlakového vodního ohřívače, kde nízko-tlaká pára zvyšuje teplotu této vody, která je pak opět ohřívána v vysoko-tlakovém ohřívači, kde se vysoký tlak páry používá k ohřevu.Turbína v tepelné elektrárně slouží jako hlavní pohon alternátoru.

Přehled tepelné elektrárny

Typická tepelná elektrárna funguje na cyklu, který je zobrazen níže.

Pracovní prostředí je voda a pára. Toto se nazývá krmná voda a parový cyklus. Ideální termodynamický cyklus, kterému se blíží provoz tepelné elektrárny, je rankinův cyklus.

V parním kotli se voda ohřívá spalováním paliva ve vzduchu v topce a funkce kotle je poskytnout suchou přehřátou páru v požadované teplotě. Vytvořená pára se používá k pohonu parních turbín.

Tato turbína je spojena s synchronním generátorem (obvykle třífázovým synchronním alternátorem), který vygeneruje elektrickou energii.

Vyhaslá pára z turbíny je nechána kondenzovat v vodě v parním kondenzátoru turbíny, což vytváří výsávku při velmi nízkém tlaku a umožňuje rozšíření páry v turbíně až k velmi nízkému tlaku.

Hlavní výhody kondenzačního provozu jsou zvýšené množství energie vytáhnuté z kilogramu páry a tedy zvýšení efektivity a kondenzát, který se znovu využívá v kotli, snižuje množství nové krmné vody.

Kondenzát spolu s nějakou novou doplňkovou krmnou vodou je opět podáván do kotle čerpadlem (nazývaným kotlové čerpadlo).

V kondenzátoru se pára kondenzuje chladicí vodou. Chladicí voda se recykluje přes chladicí věž. To tvoří chladicí vodní okruh.

Okolní vzduch je nechán vstoupit do kotle po filtraci prachu. Také odpadní spaliny vycházejí z kotle a jsou vyfukovány do atmosféry přes komíny. Tyto tvoří okruhy vzduchu a odpadních spalin.

Tok vzduchu a také statický tlak uvnitř parního kotle (nazývaný trakce) je udržován dvěma ventilátory, tzv. Ventilátor nucené trakce (FD) a ventilátor přirozené trakce (ID).Celkové schéma typické tepelné elektrárny spolu s různými okruhy je znázorněno níže.

Uvnitř kotle existují různé výměníky tepla, např. ekonomizér, evaporátor (neukázán na obrázku, je to základně vodní trubky, tj. okruh sestupných a stoupajících trubek), přehřívač (někdy i re-heater, předehřívač vzduchu jsou také přítomny).

V ekonomizéru je krmná voda ohřívána zbytkem tepla odpadních spalin.Boiler Drum udržuje hlavu pro přirozenou cirkulaci dvoufázové směsi (pára + voda) přes vodní trubky.Existuje také přehřívač, který bere teplo z odpadních spalin a zvyšuje teplotu páry podle potřeby.

Efektivita tepelné elektrárny

Celková efektivita parní elektrárny je definována jako poměr tepelné ekvivalence elektrického výkonu k tepelnému výkonu spalování uhlí. Celková efektivita tepelné elektrárny se pohybuje mezi 20 a 26 % a závisí na kapacitě elektrárny.

Výhody tepelné elektrárny

Výhody tepelné elektrárny zahrnují:

• Ekonomické pro nízké počáteční náklady oproti jakékoli jiné elektrárně.

• Potřebná plocha je menší než u vodní elektrárny.

• Protože uhlí je hlavním palivem a jeho cena je poměrně levná oproti benzinu/dieselu, je cena výroby ekonomická.

• Údržba je snazší.

• Tepelné elektrárny lze instalovat v libovolném místě, kde je k dispozici doprava a vodní zásoba.

Nevýhody tepelné elektrárny

Nevýhody tepelné elektrárny zahrnují:

• Provozní náklady tepelné elektrárny jsou srovnatelně vysoké kvůli palivu, údržbě atd. 

• Velké množství kouře způsobuje znečištění ovzduší. Tepelné elektrárny jsou odpovědné za globální oteplování.

• Ohřátá voda pocházející z tepelných elektráren má nepříznivý dopad na vodní organismy a ruší ekologii.

• Celková efektivita tepelné elektrárny je nízká, méně než 30%.