Thermische energieopwekking

Definitie van een thermische krachtcentrale

Een thermische krachtcentrale wordt gedefinieerd als een faciliteit die elektriciteit genereert door gebruik te maken van warmte-energie, voornamelijk door kolen te verbranden, om stoom te produceren die turbines aandrijft.

Theorie van de thermische krachtcentrale

De theorie achter thermische krachtcentrales is eenvoudig. Deze centrales gebruiken stoomturbines die verbonden zijn met alternators om elektriciteit op te wekken. De stoom wordt geproduceerd in hogedrukketels.

In India worden doorgaans bitumineuze kolen, bruinkool en veenkool gebruikt als brandstof voor de ketel. Bitumineuze kolen die als brandstof voor de ketel worden gebruikt, hebben een vluchtige stofgehalte van 8 tot 33% en een asgehalte van 5 tot 16%. Om de thermische efficiëntie te verhogen, wordt kool in poedervorm gebruikt in de ketel.

In een kolenkrachtcentrale wordt stoom onder hoge druk geproduceerd in de stoomketel door het verbranden van brandstof (verpulverde kolen) in de ketelovens. Deze stoom wordt vervolgens verder opgewarmd in een oververhitter.

Deze oververhitte stoom gaat dan de turbine binnen en draait de turbinebladen. De turbine is mechanisch gekoppeld aan een alternator, zodat de rotor ervan meedraait met de rotatie van de turbinebladen.

Wanneer de stoom de turbine binnengaat, daalt de druk snel, waardoor het volume van de stoom toeneemt. Na energie te hebben overgedragen aan de turbinerotor, passeert de stoom de turbinebladen en gaat naar de condensor. In de condensor wordt koud water met behulp van een pomp rondgeleid, waardoor de lagedrukwet stoom gecondenseerd wordt.

Dit gecondenseerde water wordt vervolgens aangeboden aan een lagedrukwaterverwarming, waar de lagedrukestoom de temperatuur van dit voedingswater verhoogt; het wordt opnieuw verwarmd onder hoge druk. Om dit beter te begrijpen, laten we de stappen van de werking van een thermische krachtcentrale uitleggen:

• Ten eerste wordt de verpulverde kool verbrand in de oven van de stoomketel.

• Hogedrukstoom wordt geproduceerd in de ketel.

• Deze stoom gaat vervolgens door de oververhitter, waar hij verder wordt opgewarmd.

• Deze oververhitte stoom gaat dan de turbine binnen met hoge snelheid.

• In de turbine draait deze stoom de turbinebladen, wat betekent dat hier de opgeslagen potentiële energie van de hooggedrukte stoom wordt omgezet in mechanische energie.

Schematische weergave van de krachtcentrale

Na het draaien van de turbinebladen, heeft de stoom haar hoge druk verloren, gaat ze uit de turbinebladen en gaat ze de condensor binnen. In de condensor wordt koud water met behulp van een pomp rondgeleid, waardoor de lagedrukwet stoom gecondenseerd wordt.

Dit gecondenseerde water wordt vervolgens aangeboden aan een lagedrukwaterverwarming, waar de lagedrukestoom de temperatuur van dit voedingswater verhoogt; het wordt vervolgens opnieuw verwarmd in een hogedrukverwarming, waar de hoge druk van de stoom wordt gebruikt voor het verhitten. De turbine in de thermische krachtcentrale fungeert als primaire drijver van de alternator.

Overzicht van de thermische krachtcentrale

Een typische thermische krachtcentrale werkt volgens een cyclus, zoals hieronder getoond.

Het werkende vloeistof is water en stoom. Dit wordt de voedingswater- en stoomcyclus genoemd. De ideale thermodynamische cyclus waaraan de werking van een thermische krachtcentrale nauwkeurig lijkt, is de Rankine-cyclus.

In een stoomketel wordt het water verhit door het verbranden van brandstof in de lucht in de oven, en de functie van de ketel is om droge oververhitte stoom te leveren op de vereiste temperatuur. De geproduceerde stoom wordt gebruikt om de stoomturbines aan te drijven.

Deze turbine is gekoppeld aan de synchrone generator (meestal een driefase synchrone alternator), die elektrische energie opwekt.

De afvoerstoom van de turbine wordt toegestaan om in de stoomcondensor van de turbine te condenseren, wat zuiging op zeer lage druk creëert en de expansie van de stoom in de turbine toestaat tot zeer lage druk.

De belangrijkste voordelen van de condensatie-operatie zijn de toename van de hoeveelheid energie die per kilogram stoom wordt geëxtraheerd, waardoor de efficiëntie toeneemt, en het condensaat dat weer in de ketel wordt ingevoerd, vermindert de hoeveelheid verse voedingswater.

Het condensaat samen met enig vers voedingswater wordt opnieuw in de ketel ingevoerd door een pomp (de ketelvoedingspomp).

In de condensor wordt de stoom gecondenseerd door koelwater. Het koelwater wordt gerecycled via de koeltoren. Dit vormt een koelwatercircuit.

De omgevingslucht wordt toegelaten in de ketel na stoffiltratie. Ook komt de rookgassen uit de ketel en worden uitgeblazen in de atmosfeer via schoorstenen. Dit vormt lucht- en rookgas circuits.

De luchtstroom en ook de statische druk binnen de stoomketel (genaamd trek) worden onderhouden door twee ventilatoren, genaamd Forced Draught (FD) ventilator en Induced Draught (ID) ventilator. Het totale schema van een typische thermische krachtcentrale, samen met verschillende circuits, is hieronder geïllustreerd.

Binnen de ketel bevinden zich verschillende warmtewisselaars, namelijk economizer, evaporator (niet getoond in de figuur hierboven, het is eigenlijk de watertubes, d.w.z. downcomer riser circuit), superheater (soms reheater, luchtpreverwarmer zijn ook aanwezig).

In de economizer wordt het voedingswater aanzienlijk verwarmd door de resterende warmte van de rookgassen. De keteldrum houdt een hoofdstand in voor de natuurlijke circulatie van een tweefasemengsel (stoom + water) door de watertubes. Er is ook een superheater die warmte neemt van de rookgassen en de temperatuur van de stoom verhoogt naar wens.

Efficiëntie van de thermische krachtcentrale of -installatie

De algemene efficiëntie van de stoomkrachtcentrale wordt gedefinieerd als het verhouding van de warmte-equivalent van de elektrische uitvoer tot de warmte van de verbranding van kolen. De algemene efficiëntie van een thermische krachtcentrale of -installatie varieert van 20% tot 26% en hangt af van de installatiecapaciteit.

Voordelen van de thermische krachtcentrale

De voordelen van een thermische krachtcentrale omvatten:

• Economisch met een lage initiële kosten ten opzichte van andere genererende installaties.

• Minder grond nodig dan bij een waterkrachtcentrale.

• Aangezien kolen de hoofdbrandstof zijn en de kosten daarvan veel goedkoper zijn dan benzine/diesel, is de generatiekosten economisch.

• Onderhoud is gemakkelijker.

• Thermische krachtcentrales kunnen op elke locatie worden geïnstalleerd waar vervoer en grote hoeveelheden water beschikbaar zijn.

Nadelen van de thermische krachtcentrale

De nadelen van een thermische krachtcentrale omvatten:

• De exploitatiekosten voor een thermische krachtcentrale zijn relatief hoog vanwege brandstof, onderhoud, enz.

• Een grote hoeveelheid rook veroorzaakt luchtvervuiling. De thermische krachtcentrale is verantwoordelijk voor de opwarming van de aarde.

• Het verwarmde water dat uit de thermische krachtcentrales komt, heeft een nadelig effect op het aquatische leven in het water en stoort de ecologie.

• De algemene efficiëntie van de thermische krachtcentrale is laag, minder dan 30%.