3.3: Виробництво пари - палива

Last updated
Save as PDF

Page ID: 31958

$ \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } $ $ \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} $$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$ $ \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$ $ \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$ $ \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$ $ \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$ $ \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$ $ \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$ $ \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$ $ \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

3.3 Виробництво пари - палива

Паливо, яке кілька років використовується в якості основного джерела електроенергії, - це вугілля. Це не єдине джерело, але було корисним для електроенергетики, оскільки:

вугілля було найдешевшим паливом, на базисі $ за мільйон БТЕ; природний газ був сильно конкурентоспроможним насамперед в останні роки;
Свого часу (нещодавно) 60% американської електроенергії вироблялося на вугільних установках. Зараз ~ 40% від вугілля;
приблизно 80% видобутку вугілля в США спалюється на електростанціях.

Однак основною причиною, по якій ми розглядаємо можливість відмови від вугілля, є спалювання вугілля, є однією з найскладніших екологічних проблем.

Для цілей курсу ми розглядаємо парогенерацію з вугілля як парогенерацію з біомаси; обидва види палива досить схожі.

Ми хочемо високу швидкість тепловиділення, яка прив'язана до швидкості горіння палива. Оскільки вугілля є твердим паливом, воно не згорить швидко, якщо воно буде шматками. Отже, спосіб збільшити швидкість горіння полягає у збільшенні площі поверхні вугілля; спосіб збільшення площі поверхні полягає в подрібненні вугілля на дуже дрібні частинки. Однак, коли частинки вугілля мають невеликі розміри (щось на зразок борошна), це ускладнює обробку. Важко перелопати щось схоже на пил або підтримати його на решітці. Замість цього він фактично продувається в котельний агрегат струмом повітря, який називається пиловугільним випалюванням або суспензійним випалюванням. Це зараз стандарт для виробництва електроенергії, скорочено ПК-водотрубний котел. Спалювання вугілля виробляє тепло; тепло використовується для кип'ятіння води до пари; пар рухається через турбіну, щоб перемістити її; і турбіна повертає генератор для вироблення електроенергії (див. Рис. За допомогою цієї послідовності перетворень хімічна потенційна енергія палива (вугілля в даному випадку) перетворюється в високопотенційну високовольтну електроенергію для розподілу споживачам. Якщо врахувати чистий ККД від вугільної купи до кінця заводу, ефективність установки становить ~ 33%. Рослини, побудовані зовсім недавно, можуть перебувати в середньо-високому діапазоні 30-х років, тоді як старі рослини можуть бути в середині 20-х років.

Вугільна електростанція працює за циклом RANKINE; описано вище (насос, котел, турбіна, генератор, конденсатор) — Малюнок 3.4: Схема і схема етапів перетворення вугілля в котел в електрику. Див. Текст нижче для опису.

*Кредит: Д-р Керолайн Кліффорд*

На малюнку 3.4 вище наведено ілюстрацію вугільної електростанції, яка працює за циклом RANKINE. Паровий цикл Ренкіна - це спосіб роботи більшості парових установок (найбільш ідеальним способом роботи двигуна є цикл Карно; цикл Ренкіна - це модифікована версія циклу Карно.)

Задіяні наступні етапи:

Вода перекачується з постійною ентропією в стан 2 і в котел.
Рідина нагрівається при постійному тиску State 3 (насичена пара).
Пар розширюється при постійній ентропії через турбіну до стану 4.
Постійний тиск передачі тепла в конденсаторі.
Турбіна повертає двигун, щоб виробляти електроенергію.

Для отримання додаткової інформації

Наступні посилання надають деяку довідкову інформацію, якщо ви зацікавлені:

Спосіб визначення ефективності полягає в тому, щоб подивитися на ефективність у кожній частині заводу. Втрати можуть відбуватися на кожному етапі процесу (див. Рис. Для сучасної електростанції, що працює на ПК, припускаємо роботу при 2500 фунтів на квадратний дюйм, з температурою пари 540° C, тоді загальний ККД становить 34%. Втрати на кожній частині включають 1 & 2) втрати тепла в трубах і від тертя насоса (ККД 92%); 3) втрати тепла і тертя в турбіні (ККД 44%); 4) втрати тепла при конденсації пара назад у воду (ККД 85%), і 5) дуже незначні втрати ККД від генератора ( ККД 99%). На кожні три залізничні вагони вугілля, що використовуються для виробництва електроенергії, два вагони вугілля втрачаються для відпрацьованого тепла.

Малюнок 3.5 - загальна схема електростанції. У наступних розділах будуть розглянуті кілька складових.

схема вугільної електростанції, як описано в тексті вище, показуючи водопостачання, вугілля, котел, паропровід, турбіну, генератор, конденсатор, лінії електропередачі та трансформатор) — Малюнок 3.5: Схема вугільної установки. Дивіться наступний текст і цифри для детального опису того, що тягне за собою вугільна електростанція.

*Кредит: Принципи загальної хімії (посилання зовнішнє) Creative Commons BY-NC-SA 3.0*

Годування одиниць

Це передній кінець рослини. Матеріали, які будуть подаватися на рослину, повинні бути зроблені в дрібні частинки, щоб збільшити площу поверхні; для вугілля він повинен бути подрібнений до певного розміру (менше 100 мікрометрів). Ми обговоримо підготовку біомаси, коли перейдемо до обговорення спалювання біомаси. Передній кінець системи подачі вугілля включає в себе бункер для вугілля (як воронка в деякому роді) і конвеєрну стрічку. Вугілля зазвичай розпорошується в котел повітрям для кращого змішування двох реагентів.

завод Котел

Котел має всередині те, що називається водяною стінкою - водяна стінка являє собою ряд труб, зварених між собою, куди тече вода. «Коробка» навколо труб - це сам котел і зазвичай висотою 10-20 поверхів. Вугілля і повітря розпорошуються в кілька пальників. Малюнок 3.6а - приклад водяних труб всередині котла, а на малюнку 3.6b показані великі масштаби котельного агрегату.

водяні труби всередині котла (звані водяною стінкою) — Малюнок 3.6а: Водяні труби всередині котла, відомі як водяна стінка.

*Кредит: Штат Делавер*

Зовнішній вигляд котла на електростанції — Малюнок 3.6б: Зовнішній вигляд котла в електростанції - зверніть увагу на масштаб його.

*Кредит: електронний рекламний через Flickr CC BY 2.0*

Пальники всередині котла

Уздовж нижньої частини котла зазвичай розташовується кілька пальників. Це спосіб збільшити площу вироблюваного тепла.

Пальники в котлі, блакитне полум'я на фото — Малюнок 3.7: Пальники в котлі.

*Кредит: Прес-служба університету Солфорда через flickr CC BY 2.0*

Завод турбін

На вугільній електростанції турбіни значно складніші, ніж турбіна, яку ми бачили для водяного колеса або для вітру. На малюнку 3.8а показана турбіна - вона фактично має кілька ступенів на ній з метою підвищення ККД.

техніків, що встановлюють велику турбіну в електростанції — Малюнок 3.8а: Фактична турбіна встановлюється для об'єкта електростанції.

*Кредит: Турбіна: з Wikipedia.org*

схема повороту пари турбіни, як описано в тексті вище: пар надходить, лопатки турбіни змінюють напрямок пари на 90 градусів туди, де знаходиться вихід пари — Малюнок 3.8b: Схема того, як пара повертає турбіну.

*Кредит: Геотермальна освіта*

Генератори заводів

Для того щоб виробляти електроенергію, турбіна підключається до генератора. Генератор - це пристрій з намотаних проводів, які обертаються навколо магніту - дія проводів, що обертаються навколо магніту, генерує електрику. На малюнку 3.9а показана турбіна на попередньому малюнку, підключена до генератора, а на малюнку 3.9b показана внутрішня частина генератора електростанції і величезний розмір, який він є.

парова поворотна турбіна підключена до генератора, як описано в тексті вище; турбіна з'єднана з генератором (дротяна котушка і магнітне поле, що генерує електрику) — Малюнок 3.9а: Схема того, як пара обертає турбіну і як вона підключена до генератора.

*Кредит: Геотермальна освіта*

чоловік сидить поруч з генератором електростанції — Малюнок 3.9b: Всередині генератора електростанції, показуючи величезний розмір, який він є.

*Кредит: cleveland.com*

Взаємодія конденсатора і установок охолоджуючої води

Пар виходить з турбіни і конденсується назад у воду. Зазвичай конденсатор являє собою теплообмінник, який використовує природне джерело води в якості робочої рідини. Багато електростанції розташовані вздовж річок або на озерах, щоб мати місце для повернення та повторного використання води. Конденсат повертається в котел. Вода повинна бути надзвичайно чистою, щоб уникнути корозії в трубах котла та/або лопатках турбін; стандарти чистоти можуть бути суворішими, ніж для питної води.

Тепло конденсатора передається від пари (включаючи тепло і конденсацію) до конденсаторної води; отже, вода, що виходить з конденсатора, буде гарячою або теплою. Якщо воду скидати прямо в джерело води, поки гаряча, це змінить мікроклімат і місцеву екологію. Це називається тепловим забрудненням. Часто градирні використовуються для охолодження конденсаторних стоків перед поверненням його в джерело води. На малюнку 3.10а показана схема взаємодії конденсатора з резервуаром і градирнею, а на малюнку 3.10b - зображення градирні на електростанції.

потік пари і конденсаційний комплекс потоку води, як описано в тексті вище — Малюнок 3.10а: Комплекс потоку пари та конденсаційного потоку води, включаючи контур охолодження з вежею та резервуаром.

*Кредит: Д-р Керолайн Кліффорд*

пар, що виходить з двох градирень — Малюнок 3.10b: Зображення градирень на силовій установці.

*Кредит: Їржі Седлачек, Wikimedia Commons*