Termalna proizvodnja elektriciteta

Definicija termoelektrane

Termoelektrana definirana je kao objekt koji proizvodi električnu energiju koristeći toplinsku energiju, uglavnom iz sagorijevanja ugljena, kako bi se proizvela para koja pogoni turbine.

Teorija termoelektrane

Teorija termoelektrana jednostavna je. Ovi objekti koriste parne turbine spojene s alternatorima za proizvodnju električne energije. Para proizvedena je u visokopritisnim kotlovima.

Općenito u Indiji, bituminski ugljen, braon ugljen i torf koriste se kao gorivo za kotao. Bituminski ugljen koji se koristi kao gorivo za kotao ima ljetljivih materija od 8 do 33% i sadržaj pepela od 5 do 16%. Da bi se povećala toplinska učinkovitost, ugljen se koristi u prahu.

U termoelektrani na ugljen, para proizvedena je pod visokim tlakom u parnom kotlu zbog sagorijevanja goriva (praščasti ugljen) u pećnicama kota. Ova para dalje se zagrijava u superzagrijivaču.

Ova prezagrijena para zatim ulazi u turbinu i okreće lopatice turbine. Turbina je mehanički spojena s alternatorom tako da će njegov rotor okretati se s rotacijom lopatica turbine.

Kada para ulazi u turbinu, njen tlak brzo pada, što dovodi do povećanja volumena pare. Nakon što preda energiju rotoru turbine, para prođe kroz lopatice turbine u kondenzator. U kondenzatoru hladna voda cirkulira uz pomoć čimbenika, što kondenzira niskotlakavu mokru paru.

Ova kondenzirana voda dalje se isporučuje u zagrijivač niskog tlaka gdje niskotlakava para povišava temperaturu ove vode, ponovo se zagrijava pod visokim tlakom. Da bismo bolje razumjeli, rastavimo korake kako radi termoelektrana:

• Prvo, praščasti ugljen sagoreva u pećnici parnog kota.

• Proizvedena je para pod visokim tlakom u kotlu.

• Ova para zatim prolazi kroz superzagrijivač, gdje se dodatno zagrijava.

• Ova prezagrijena para zatim ulazi u turbinu visokom brzinom.

• U turbini, sila pare okreće lopatice turbine, što znači da u turbini potencijalna energija pare pod visokim tlakom pretvori se u mehaničku energiju.

Shematski prikaz elektrane

Nakon okretanja lopatica turbine, para izgubi svoj visoki tlak, prođe kroz lopatice turbine i ulazi u kondenzator. U kondenzatoru hladna voda cirkulira uz pomoć čimbenika, što kondenzira niskotlakavu mokru paru.

Ova kondenzirana voda zatim se dalje isporučuje u zagrijivač niskog tlaka gdje niskotlakava para povišava temperaturu ove vode, nakon čega se opet zagrijava u zagrijivaču visokog tlaka gdje se visoki tlak pare koristi za zagrijavanje. Turbina u termoelektrani djeluje kao glavni pogon alternatora.

Pregled termoelektrane

Tipična termoelektrana radi na ciklusu koji je prikazan ispod.

Radni fluid je voda i para. To se naziva vodeni i parni ciklus. Idealni termodinamički ciklus kojem se operacija termoelektrane najčešće sliči jest Rankinov ciklus.

U parnom kotlu, voda se zagrijava sagorijevanjem goriva u zraku u pećnici, a funkcija kota jest dati suhu prezagrijenu paru na potrebnoj temperaturi. Proizvedena para koristi se za pogon parnih turbine.

Ova turbina spojena je s sinhronim generatorom (obično tri-fazni sinhroni alternator), koji proizvodi električnu energiju.

Izlučena para iz turbine dopuštena je da se kondenzira u vodu u parnom kondenzatoru turbine, što stvara usis na vrlo niskom tlaku i dopušta ekspanziju pare u turbine na vrlo niski tlak.

Glavne prednosti kondenzacijskog postupka su povećanje količine energije ekstrahirane po kg pare i time povećanje učinkovitosti, te kondenzata koja se isporučuje natrag u kotao smanjuje količinu nove vode za isporuku.

Kondenzat zajedno s nekom novom vodom za isporuku opet se isporučuje u kotao pompa (nazvana kotlarska pumpa).

U kondenzatoru, para se kondenzira hladnom vodom. Hladna voda reciklira se kroz hlađeći tornjev. To čini ciklus hladne vode.

Okolišni zrak dopušten je da uđe u kotao nakon filtriranja prašine. Također, dimne plinove iz kota ispuštaju se u atmosferu kroz komine. To čini cikluse zraka i dimnih plinova.

Protok zraka i statički tlak unutar parnog kota (nazvan drhtanje) održavaju se dvije ventilatore, nazvane ventilatori prisiljnog drhtanja (FD) i induciranog drhtanja (ID). Ukupni shema tipične termoelektrane zajedno s različitim ciklusima prikazana je ispod.

Unutar kota postoje različiti toplinski razmjenjivači, poput ekonomizera, evaporatora (ne prikazan na slici, već su to uglavnom vodeni cevi, tj. cirkuit dolazeće i uzlazeće cevi), superzagrijivača (ponekad i rezagrijivač, zračni prezagrijivač su također prisutni).

U ekonomiziru voda za isporuku zagrijava se značajno ostatkom topline dimnih plinova. Bubanj kota održava visinu za prirodnu cirkulaciju dvofaznog mješavina (para + voda) kroz vodene cevi. Postoji i superzagrijivač koji također uzima toplinu od dimnih plinova i povećava temperaturu pare prema potrebi.

Učinkovitost termoelektrane ili elektrane

Sukupna učinkovitost parne elektrane definirana je kao omjer toplinske ekvivalente električne produkcije i topline sagorijevanja ugljena. Sukupna učinkovitost termoelektrane varira od 20% do 26% i ovisi o snazi elektrane.

Prednosti termoelektrane

Prednosti termoelektrane uključuju:

• Ekonomična zbog niske početne cijene u usporedbi s drugim vrstama elektrana.

• Potrebno manje površine nego hidroelektrana.

• Budući da je ugljen glavno gorivo i njegova cijena je dosta jeftinja u usporedbi s benzinskim derivatima, trošak proizvodnje je ekonomičan.

• Održavanje je lakše.

• Termoelektrane mogu se instalirati na bilo kojem mjestu gdje je dostupan transport i veliki količina vode.

Nedostaci termoelektrane

Nedostaci termoelektrane uključuju:

• Troškovitost rada termoelektrane relativno je visoka zbog goriva, održavanja itd. 

• Velika količina dima dovodi do zagađenja zraka. Termoelektrane su odgovorne za globalno zagrijavanje.

• Zagrijana voda koja dolazi iz termoelektrana ima štetan utjecaj na akvatične životinje i ometa ekologiju.

• Sukupna učinkovitost termoelektrane niska je, manja od 30%.