Centrală termoelectrică
O centrală termoelectrică este o centrală industrială care transformă energia chimică a combustibilului care o alimentează în energie electrică . Energia chimică a combustibilului, în timpul arderii, este transformată în energie termică a fluidului de lucru care, prin activarea turbinei , este transformată în energie mecanică . Acest lucru prin punerea alternatorului în rotație îl transformă în cele din urmă în energie electrică. [1] [2]
Principalele cicluri termodinamice exploatate în aceste plante sunt ciclul Rankine , posibil supraîncălzit, și ciclul Brayton-Joule și posibilele combinații ale acestora, chiar dacă nu există instalații echipate cu motoare diesel sau cu opt cicluri . [3]
Ca sursă de energie, orice substanță poate fi utilizată ca combustibil [ fără sursă ] . Cele mai frecvente includ cărbune tare, păcură, gaz natural, dar pot fi folosiți și alți combustibili mai puțin convenționali, biogaz și nămol de canalizare [4] sau, într-o anumită măsură, cenușă de la centrale electrice mai mici.
Centrale electrice cu abur
Acestea se caracterizează prin utilizarea apei sau a altui lichid, care apare în două faze diferite în timpul ciclului de lucru, adesea sub formă de vapori și lichide. În ultimii ani, tehnologiile supercritice s-au răspândit și ele, ducând la absența unei tranziții de fază, propriu-zisă, care anterior era caracteristica acestor plante. Aceste centrale pot fi împărțite în diverse secțiuni: linia de alimentare, generatorul de abur , turbina șicondensatorul . [2] În ciuda definiției destul de restrictive, sunt posibile diferite tipuri de cicluri termodinamice care îndeplinesc această cerință, în special cele mai frecvente sunt ciclurile Rankine și ciclurile Hirn , dar noi tipuri de cicluri termodinamice, care uneori ajung să se regăsească într-un mediu intermediar situație între ciclurile de abur și gaze, cum ar fi ciclurile transcritice de CO 2 .
Linia alimentară
Înainte de a intra în cazan , apa de alimentare suferă o fază de preîncălzire. De fapt, la intrarea în cazan există mai multe regeneratoare , adică schimbătoare de căldură în care aburul, parțial sau complet expandat, preîncălzește fluidul de lucru. Acest lucru permite intrarea în generatorul de abur la temperaturi mai ridicate, rezultând o eficiență mai mare a sistemului. Un degazor termic este adesea prevăzut în interiorul liniei de alimentare pentru a reduce prezența substanțelor necondensabile în fluidul de lucru. Comprimarea fluidului de lucru poate avea loc într-o singură pompă la evacuarea condensatorului, soluție preferată în instalații mici sau în mai multe pompe sau turbopompe poziționate corespunzător de-a lungul întregii linii de alimentare, soluție preferată în instalații mari.
Generator de aburi
În generatorul de abur apa la presiune constantă este adusă la punctul de fierbere, suferă tranziția de fază și este adesea supraîncălzită sub formă de abur. Acest lucru se realizează prin intermediul unui schimbător proiectat corespunzător, împărțit în diferite bănci: economizor, evaporator și supraîncălzitor. Acestea se pot schimba fie cu un ulei lichid, de obicei diatermic, fie cu apă sub presiune, fie cu gazele fierbinți produse prin ardere, aceasta fiind configurația cea mai frecventă pentru sistemele mai mari.
Pentru sistemele deosebit de mari, schimbătoarele sunt plasate în camera de combustie însăși, obținând și un schimb radiativ cu flăcările. O atenție deosebită este acordată evitării supraîncălzirii schimbătoarelor, deoarece acest lucru ar putea duce la o reducere a duratei lor de viață utilă sau, mai rău, la defectarea structurală a acestora, care ar provoca daune considerabile sistemului. Din acest motiv, este o practică obișnuită să aveți la dispoziție un proces de îmbătrânire , adică o injecție de apă lichidă în abur, în fața băncilor cu cel mai mare risc. [5]
Implanturi supercritice
În sistemele supercritice, lichidul de lucru nu mai suferă o tranziție de fază reală, deoarece presiunea este peste punctul critic, totuși structura este similară, chiar dacă distincțiile dintre cele trei tipuri de bănci sunt mult mai mici. Cu toate acestea, există încă trei zone: una la temperaturi relativ scăzute în care fluidul de lucru este lichid, unul la temperaturi apropiate de punctul critic și zone în care fluidul este în stare gazoasă. Această soluție, care asigură, prin urmare, trecerea fluidului pentru o stare supercritică , este utilizată în special pentru instalațiile cu aburi pe scară largă sau plantele mai mici cu fluide organice, în acest caz cu scopul de a aproxima mai bine curba de răcire a gazelor cu care căldură este schimbată.
Expansiunea turbinei
Aburul care iese din generatorul de abur este trimis către o mașină, de obicei o turbină cu abur sau, mai rar, o mașină alternativă. Prima parte a expansiunii are loc adesea printr-o etapă inițială de acțiune, frecvent sub forma unor etape Curtis, pentru a asigura posibilitatea parțializării și reglării turbinei la diferitele sarcini. Ulterior, urmează doar etapele de reacție datorită eficienței lor mai mari. [5] Pentru instalațiile mari aflate într-un anumit moment al expansiunii, aburul este trimis înapoi la generatorul de abur pentru reîncălzire, pentru a crește munca extrasă din turbină și, în același timp, pentru a reduce prezența condensului la evacuarea la fel, în cazul în care nu sunt utilizate fluide foarte complexe. Aburul, reîncălzit sau nu, apoi își continuă expansiunea în turbină extindându-se și răcind, acest lucru poate provoca un debit volumetric excesiv care implică precauții speciale atât în ceea ce privește structura lamelor, cât și, eventual, utilizarea mai multor corpuri de turbină .în paralel. În zona de presiune inferioară, lucrând cu lichide simple, există o condensare parțială a fluidului de lucru, acest lucru poate fi extrem de dăunător pentru turbină, deoarece picăturile de apă lichidă nu urmează aceleași traiectorii ca și vaporii, rezultând un ciocănit și deteriorarea la palete. Odată ce expansiunea s-a terminat, aburul părăsește turbina și este trimis la condensator, pentru fluide simple, sau la un supraîncălzitor urmat de condensator, pentru fluide cu clopot de saturație retrograd.
În timpul expansiunii există, în unitățile mari de abur cu apă, o retragere a aburului în diferite secțiuni ale turbinei: acest abur este apoi utilizat în schimbătoarele de căldură pentru a încălzi apa ciclului înainte de a intra în cazan. Mai mult, pierderile uriașe de abur datorate scurgerilor în diferitele secțiuni discontinue ale turbinei (date fiind presiunile și temperaturile ridicate pe care sistemul de etanșare nu le execută) sunt în general transportate către un schimbător de căldură și ulterior reintroduse în circuit; costurile ridicate ale demineralizării apei și supraîncălzirea acesteia justifică utilizarea acestei recuperări de energie și materiale.
Condensator
Condensatorul este componenta în care apare condensul fluidului de lucru. După cum s-a sugerat anterior, acest instrument se găsește la presiuni decisiv scăzute în ciclurile de apă, în timp ce poate fi la presiuni mai mari, chiar mai mari decât cea atmosferică, pentru cicluri alimentate cu alte fluide de lucru. În ciclurile de apă sau, în orice caz, cu fluide cu o presiune scăzută la temperatura de condensare, este esențial să aveți un condensator capabil să evite scurgerile de aer în interiorul condensatorului, deoarece oxigenul care ar fi putut pătrunde în fluidul de lucru este deosebit de agresiv o dată fluidul de lucru este adus la temperaturi ridicate. [5]
Conversia energiei mecanice în energie electrică
Extinderea aburului în turbină permite transferul de energie mecanică către matricile lamelor rotorului. Cuplul rezistent necesar stabilizării rotației rotorului este asigurat de alternator, un generator sincron trifazat conectat direct la sistemul electric principal al centralei și indirect, prin intermediul stației de ridicare a tensiunii (transformator MV / AV de generatorul și transformatorul AV / UV al unității generatoare) și ale comutatoarelor plasate în bare, la rețeaua de transport a energiei electrice. Acest cuplu rezistent este de fapt transformat în energie electrică prin fenomene de conversie electromagnetic-mecanică a energiei prezente în interiorul alternatorului. În plus, sistemul de excitație al generatorului de curent continuu sincron, alimentat direct de curentul auto-produs de generator prin trei transformatoare monofazate conectate la un redresor cu tiristor, permite o stabilizare a funcționării alternatorului în jurul punctului în care sistemul compensează puterea activă necesară din rețeaua electrică sau absoarbe sau produce putere reactivă, în funcție de fenomenele de schimbare de fază prezente în rețeaua de transport în aval de centrală.
Demineralizarea apei
Apa utilizată în ciclurile centralelor termoelectrice poate fi atât apă de mare, cât și apă dulce din apele subterane sau din râuri . Pe baza originii sale, va suferi un pre-tratament diferit, care în cazul apei sărate se numește desalinizare.
Pre-tratarea apei are loc în rezervoare cu funcția de floculare și precipitare a substanțelor solide grupate în flocule obținute prin produse chimice. Apa se purifică de deșeuri solide, substanțe impure și săruri dizolvate.
Sisteme cu fluide și amestecuri complexe de lucru
Există aplicații care exploatează fluide cu complexitate moleculară ridicată, deci cu molecule cu grade mari de libertate. Clopotul de saturație al fluidelor complexe este deformat în mod decisiv în comparație cu cel al fluidelor mai simple, ceea ce permite să aibă un fluid la descărcarea turbinei încă în stare de vapori, care este de obicei răcit inițial cu ajutorul unui schimbător până la temperatura sa de saturație, posibil în o setare de cogenerare sau prin preîncălzirea fluidului condensat.
Alte aplicații exploatează amestecuri de fluide, selectate corespunzător, pentru a exploata caracteristicile particulare ale amestecurilor rezultate. Amestecurile, dacă sunt sintetizate și operate corect, pot prezenta curbe de fierbere neizotermă și / sau de condensare, ceea ce permite exploatarea anumitor surse termice neizoterme, cum ar fi gazele de eșapament ale unei instalații mici sau o dimensionare mai ușoară a o recuperare cogenerativă a căldurii din faza de răcire și condensare.
Uzine cu gaz
Acest tip de centrale electrice se caracterizează prin utilizarea unui fluid sub formă de gaz care nu suferă tranziții de fază și constă din patru secțiuni: compresie de gaz, încălzire cu gaz, expansiune de gaz, evacuare sau răcire cu gaz. De obicei, aceste secțiuni sunt unite într-o unitate de turbină cu gaz . [6]
Compresia gazului are loc de obicei printr-un turbocompresor axial sau, pentru sistemele radiale mai mici, este tipic să existe primele trepte statorice mobile pentru a permite un control mai ușor al mașinii. În timpul comprimării, pentru mașinile de dimensiuni mari, atingerea aerului care trebuie trimis la răcirea combustorului și a turbinei este o practică consolidată. Încălzirea cu gaz poate avea loc fie printr-un schimbător, atunci când este necesar să se mențină combustia separată de fluidul de lucru, sau mai frecvent într-un combustor în care un combustibil este ars în fluidul de lucru, în mod necesar aer sau oxigen. Expansiunea are loc într-o turbină care este de obicei complet acționată de reacție și nu mai este necesară parțializarea acesteia pentru a controla mașina, primele matrici de rotor și stator ale mașinii, fiind expuse la gaze foarte fierbinți, sunt de obicei răcite, acest lucru este o problemă tipică a mașinilor. echipate cu combustor. [7] În cazul sistemelor care funcționează cu aer, există și o secțiune importantă pentru filtrarea și purificarea aerului de admisie.
Filtrarea aerului
Prezența particulelor solide, numite și particule, în aer este o problemă foarte gravă în instalațiile cu gaz și determină instalarea unor filtre de purificare specifice pentru a împiedica pătrunderea lor în mașină. Aceste particule se pot topi, de fapt, din cauza temperaturilor ridicate atinse în turbină și se pot solidifica pe palele turbinei, provocând, în timp, uzura excesivă a mașinii. În plus, chiar și pentru turbine la temperaturi relativ scăzute, particulele riscă să pătrundă în conductele de răcire ale turbinei și să le înfunde, provocând supraîncălzirea locală a mașinii, care poate provoca defectarea structurală a acesteia.
Centrale ciclice gaz-abur
Pentru a crește eficiența electrică a instalațiilor, se răspândește utilizarea ciclurilor combinate gaz-abur, pe baza unei instalații de gaz formată dintr-un compresor, conectat la turbină și alternator, care introduce aerul de ardere, preluat din atmosferă, în camera de ardere. Amestecul de aer-gaz introdus arde în camera de ardere, iar gazele de eșapament sunt utilizate pentru a obține lucrări mecanice în turbină. [8]
Un generator de abur de recuperare ulterior folosește aceleași vapori fierbinți care ies din turbină pentru a produce abur care este apoi extins într-o turbină cu abur generând electricitate suplimentară. În general, centralele electrice cu ciclu combinat au avantajul unui impact mai mic asupra mediului în ceea ce privește emisiile, deoarece utilizează combustibili ușori precum gazul natural și mai puțină apă pentru condensare. De asemenea, au un randament mult mai mare decât centralele termoelectrice tradiționale. Această eficiență (electrică) atinge 60%. În cazul în care se are în vedere cogenerarea (furnizarea de energie electrică și termică), comparativ cu o primă eficiență de principiu de aproximativ 87%, se observă o ușoară scădere a eficienței electrice.
Tehnologia cogenerării
Toate tipurile de centrale electrice: abur, gaz, ciclu combinat, pot fi cogenerative (simultan) dacă în apropiere există un utilizator termic care să exploateze căldura pe lângă vânzarea de energie electrică.
Reducerea poluanților
Toate instalațiile termoelectrice trebuie să își controleze emisiile, acest lucru este deosebit de relevant pentru instalațiile mari în care există o secțiune importantă de reducere a poluanților. [9]
Reducerea oxizilor de sulf
Oxizii de sulf, care sunt una dintre cauzele ploilor acide, sunt de obicei rezultatul arderii cărbunelui și sunt strict reglementate. Acestea sunt apoi doborâte, în funcție de momentul în care sunt îndepărtate, există trei tipuri de îndepărtare: pre-combustie, în cazan, post-combustie.
- Reducerea înainte de ardere poate avea loc numai dacă cărbunele poate fi tratat anterior, ca în instalațiile IGCC, și este, prin urmare, un proces destul de rar.
- Reducerea cazanului are loc prin injectarea compușilor de calciu care se leagă de sulf pentru a da gips inert.
- Reducerea post-combustie are loc prin spălarea vaporilor cu o soluție de compuși de calciu care formează gips, această configurație este preferată pentru plantele de mari dimensiuni, deoarece gipsul este produs pur, deci comercializabil, evitând costuri mari pentru eliminare.
Reducerea oxizilor de azot
Reducerea oxizilor de azot este o problemă comună tuturor instalațiilor de ardere. De obicei, producția lor este efectiv limitată încă de la început, printr-o proiectare adecvată a combustibililor și o distribuție la fel de bine studiată a curenților de aer de alimentare către cazan sau arzător, evitând porțiuni de gaze arse la temperaturi excesiv de ridicate. Dacă acest poluant este încă prezent în concentrații semnificative, sunt utilizate spălători speciali cu amoniac sau uree.
Reducerea cenușii
Reducerea cenușii în gaz este o problemă tipică a centralelor de cărbune și păcură, deoarece centralele de gaz utilizează atât combustibil deja curat, cât și aer filtrat. Problema este, de asemenea, legată numai de cenușa zburătoare, care este trasă de fluxul de vapori de ardere spre coș. Cenușa este apoi îndepărtată cu ajutorul unei serii de precipitatoare electrostatice , cicloni și filtre cu saci de eficiență crescândă pentru a readuce emisiile în limitele legale. Cenușa mai grea, pe de altă parte, este ușor îndepărtată din cazan, deoarece se depune, datorită efectului gravitațional, pe fundul cazanului, unde sunt colectate în buncărele speciale din care sunt colectate și trimise pentru o tratare și ulterior în depozitele de deșeuri. Configurațiile particulare de plante ale plantelor avansate, cum ar fi IGCC-urile menționate mai sus, pot, de asemenea, să fixeze aceste cenușe de fund prin topirea lor într-un material cu o dimensiune a particulelor mai mare și mai inertă, adecvată reutilizabilă.
Captarea dioxidului de carbon
În ultimii ani, o mare atenție a fost acordată reducerii poluanților tradiționali în reducerea emisiilor de dioxid de carbon datorită contribuției sale la efectul de seră . Această nevoie a împins către plante din ce în ce mai eficiente și către dezvoltarea și testarea plantelor cu captare și sechestrare a carbonului . Tehnicile de separare se împart în trei grupe principale:
- Captarea pre-combustie implică îndepărtarea carbonului și a combustibilului alimentat către centrală, care astfel funcționează prin arderea practic numai a hidrogenului.
- Oxicombustia implică arderea combustibilului într-o atmosferă de oxigen pur, astfel încât să poată separa cu ușurință dioxidul de carbon de celelalte componente fără diluția mare tipică arderii în aer.
- Captarea post-combustie implică, cu tehnici relativ similare cu cele post-ardere pentru reducerea oxizilor de sulf, eliminarea dioxidului de carbon din fluxul de evacuare a instalației.
Dioxidul de carbon separat în acest moment este stocat în câmpuri epuizate sau în acvifere adânci sau, mai economic, pompat în câmpuri active, conform tehnicii de recuperare forțată a hidrocarburilor, această din urmă tehnică, combinată cu o impozitare puternică a emisiilor, este cea mai promițătoare din punct de vedere economic. [10]
Plantele din Italia
Există atât abur, cât și plante cu ciclu combinat. De asemenea, în ceea ce privește alegerea tipului de combustibil, găsim o mare varietate de surse: pe lângă sursele clasice de energie, cum ar fi cărbunele și gazul, găsim centrale de biomasă și centrale care funcționează cu deșeuri de la rafinărie, cum ar fi fabrica de la Sarroch [11]. ] . Pe de altă parte, centralele termonucleare sunt absente, având în vedere rezultatul referendumurilor din 1987 și 2011.
Notă
- ^ Luigi Olivieri, Edoardo Ravelli, Instalații termoelectrice cu turbine cu abur , în Electrotehnică - Instalații de generare și transport de energie electrică , Luigi Rivis ENEL Compartimento di Venezia, vol. 4, I, Padova, Editura CEDAM Dott. Antonio Milani, 1980, p. 50, ISBN nu există.
- ^ a b Giampietro Paci, Lumea tehnologiei , Zanichelli, 1999, ISBN 88-08-09645-9 .
- ^ Acest articol se referă mai mult sau mai puțin involuntar la centralele alimentate cu surse tradiționale de energie, chiar dacă aceste tehnologii sunt utilizate și cu alte surse de energie
- ^ Giuseppe Mininni, Camilla M. Braguglia, Roberto Passino și Maria Concetta Tomei, CNR - Institute for Research on Waters, Global Strategy in Sludge Management , conferință Memoria la Ecomondo - Rimini , 3/6 noiembrie 2004.
- ^ a b c G. Cornetti și F. Millo, Mașini termice , A, il capitello, ISBN 978-88-426-6014-9 .
- ^ Turbină centrală cu gaz , pe www.eniscuola.net. Accesat la 26 martie 2017 ( arhivat la 27 martie 2017) .
- ^ G. Cornetti și F. Millo, Mașini termice , B, il capitello, ISBN 978-88-426-6014-9 .
- ^ Ciclul combinat , pe Enea . Accesat la 26 martie 2017 ( arhivat la 27 martie 2017) .
- ^ (EN) Bruce G. Miller, Clean Coal Technology Engineering, 2016, ISBN 978-0-12-811365-3 .
- ^ (RO) Bert Metz, Ogunlade Davidson, Heleen de Coninck, Manuela Loos și Leo Meyer, Captarea și stocarea dioxidului de carbon , Cambridge University Press. Adus la 26 aprilie 2017 (arhivat din original la 27 aprilie 2017) .
- ^ Ce facem - Generarea de energie electrică , pe saras.it . Adus la 30 august 2019 ( arhivat la 30 august 2019) .
Bibliografie
- Giovanni Lozza, Turbine cu gaz și cicluri combinate , Proiect Leonardo, ISBN 88-7488-123-1 .
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre centrala termoelectrică
linkuri externe
- ( EN ) Centrală termoelectrică , pe Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.
| Controlul autorității | Thesaurus BNCF 22526 · GND (DE) 4078994-9 |
|---|
