محطة طاقة حرارية
محطة الطاقة الحرارية thermal power station، هي محطة طاقة يكون فيها المحرك الرئيسي هو البخار. يتم تسخين المياه وتتحول إلى بخار ذو ضغط عالي. ويوجه البخار في ضغط عالي إلى تدوير توربين بخاري ويكون التوربين غالباً موصولا بمولد كهربي، أو تقوم بأي شغل ميكانيكي آخر كتحريك السفن مثلا. بعد أن يخرج البخار من التوربين يتم تكثيفه في مكثف حراري ويعاد تدويره مرة أخرى إلى الغلاية لتسخينه من جديد، وتسمى هذه الدورة بدورة رانكن.
تستغل الحرارة لتوليد طاقة حركية بواسطة آلة تدور، وتتصل تلك الآلة بمولد كهربائي ، فالعملية هي عملية تحويل للطاقة.
معظم المحطات الحرارية هي محطات بخارية لإنتاج الطاقة الكهربائية. ولكن توجد أيضاً أشكال أخرى للآلات البخارية المختلفة عن التوربين البخاري مثل الآلة البخارية القديمة، أو آلات لا تحتاج إلى الماء أو البخار مثل محرك الديزل أو المحرك الغازي أو محطات توليد غازية. العامل المشترك في المحطات الحرارية المختلفة هي الدورات الترموديناميكية لمادة التشغيل والتي تكون مغلقة في المحطات الحرارية البخارية، ومفتوحة في محطات التوليد الغازية.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
نظرة عامة
تنتج المحطات الحرارية في معظم بلاد العالم الطاقة الكهربائية بنسب بين 60% - 100% (ماعدا النرويج وسويسرا والنمسا فهي دول تعتمد على السدود المائية لتوليد الكهرباء). ويعود السبب في ذلك هو وجود الوقود بكميات كبيرة مثل الفحم الحجري والبترول والغاز الطبيعي واستغلال تلك الموارد لفترة طويلة. وتكتسب طرق أخرى لتوليد الطاقة أهمية متزايدة بسبب محدودية الوقود الأحفوري، ولتلافي مشاكل الانحباس الحراري.
التاريخ
طريقة عملها
مبدأ عمل المحطة الحرارية كالآتي:
- تؤخذ حرارة من مصدر للطاقة وتعطى لوسط شغال مثل الماء فيتحول إلى بخار
- يمر البخار في توربين بخاري ويتحول جزء منه إلى طاقة تحريك ميكانيكية عندما ينخفض ضغط البخار من ضغط عال إلى ضغط منخفض، ويتمدد البخار،
- بعد تدوير التوربين يعطي البخار ما بقي فيه من حرارة إلى الهواء.
ثم تعاد الخطوة الأولى، وتكون العملية عملية دورية. وخلالها يضيع جزء كبير من الحرارة في الهواء، أو أحيانا يستغل بواسطة توليد مشترك حيث يستفاد من بقية الحرارة.
مصدر الحرارة
تنتج معظم المحطات الحرارية الحرارة بنفسها عن طريق حرق الوقود أو عن طريق استغلال الحرارة الناتجة من تفاعل نووي في محطة نووية. كما يمكن استغلال مصادر طبيعية مثل الأشعة الشمسية أو طاقة حرارية أرضية.
في المثال المجاور هنا الذي يعمل بالطاقة الشمسية تركز مرايا كثير حول البرج أشعة الشمس على قمة البرج. توجد في أعلى البرج خزان فيسخن الماء فيه، ويتحول إلى بخار.
التبريد
تستخدم كثيرا من المحطات الحرارية ماء نهر بجوارها للتبريد. فهذا يوفر بناء برج تبريد لتبريد البخار الخارج من التوربينات. إلا أن ماء النهر يسخن وتضع الجهات المسؤولة حدودا لدرجة حرارة النهر، بحيث لا تتأثر البيئة. وقد يؤدي ارتفاع درجة حرارة الماء في النهر صيفا إلى توقيف المحطة. كما توجد طريقة باستخدام برج تبريد لخفض تسخين مياه نهر. بعض المحطات تعمل بطريقة توليد مشترك لإنتاج المياه الساخنة وضخها في شبكة توزيع على البيوت المجاورة أو تستغل في تدفئة الدفيئات الزجاجية الزراعية.
الكفاءة
يعتمد عمل المحطة الحرارية على دورة كارنو الثرموديناميكية التي تحدد كمية الكهرباء الناتجة، وكبقا لذلك فتعاني الدورة من فقد في الحرارة كبير لا يتحول إلى كهرباء. يرجع ذلك إلى قوانين طبيعية تتحكم في العملية، ونفهمها عن طريق دراسة علم الديناميكا الحرارية.
تبلغ درجة حرارة البخار حاليا نحو 600 درجة مئوية. وطبقا للكفاءة الحرارية التي نحصل عليها من دورة كارنو فهي تبلغ (600 - 40)/(600 + 273) = 64 %.
الكفاءة الحرارية = T1 - T2)/ T1 )
حيث:
- T1 درجة الحرارة الابتدائية
- T2 درجة الحرارة النهائية
وتنطبق تلك المعادلة بوضع درجة الحرارة بالكلفن وليس بالدرجة المئوية.
بناءا على ذلك يكون:
- T1= 600 + 273
- T2 = 40 + 273
والنتيجة هي :
الكفاءة = 560 / 873 = 64%
أي أن نحو 36% من الطاقة الحرارية يضيع في الجو في تلك الحالة ولا يمكن تحويله إلى طاقة كهربائية. ويمكن استغلال الطاقة الحرارية عن طريق توليد مشترك ينتج الكهرباء وفي نفس الوقت يستغل الماء الساخن الخارج من العملية ويضخها في شبكة أنابيب لتوزيع الماء الساخن في درجة حرارة نحو 70 درجة مئوية لتدفئة البيوت وامداد البيوت بالماء الساخن. بهذا يمكن رفع كفاءة المحطة إلى نحو 70 إلى 80 %.
التكلفة الكهربائية
نموذج محطة حرارية تعمل بالفحم
| 1. برج تبريد | 10. صمام تحكم بخاري | 19. سخان عالي |
| 2. طلمبة ماء التبريد | 11. توربين بخاري عالي الضغط | 20. مرجل (سحب) مروحة |
| 3. خط نقل (ثلاثي الأطوار) | 12. نازع للهواء | 21. اعادة تسخين |
| 4. محول كهربائي (ثلاثي الأطوار) | 13. سخان تغذية المياه | 22. مدخل الهواء للاحتراق |
| 5. مولد كهربائي (ثلاثي الأطوار) | 14. ناقل الفحم | 23. موفر الطاقة |
| 6. توربين بخاري منخفض الضغط | 15. مستودع الفحم | 24. سخان مسبق للهواء |
| 7. طلمبة الماء المكثف | 16. محمصة الفحم | 25. مرسب |
| 8. مكثف صطحي | 17. أسطوانة بخار الغلاية | 26. السحب المستحث (سحب) مروحة |
| 9. توربين بخاري متوسط الضغط | 18. مستودع رماد القاع | 27. مدخنة غاز |
مثل تلك المحطة تنتج طاقة كهربائية يقدرة 200 ميگا واط.
من حيث المبدأ يتكون مفاعل نووي لانتاج الطاقة من نفس تلك الاجزاء، ماعد الغلاية فهي تكون غلاية ذات جدار من الفولاذ السميك تحوي الماء وقضبان اليورانيوم التي يتم فيها تفاعل الإنشطار النووي. تنتج من الانشطار النووي حرارة تقوم بتسخين الماء في المرجل، فينتج البخار الذي يقوم في المحطة بإنتاج الكهرباء.
دورة المراجل والبخار
تغذية تسخين المياه وdeaeration
تشغيل المرجل
فرن المرجل وأسطوانة البخار
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
السخان الفائق
تكاثف البخار
إعادة التسخين
مسار الهواء
مولد التوربين البخاري
مدخنة مسار الغاز والتنظيف
الطيران والجمع
جمع رماد القاع والتخلص منه
أنظمة المساعدة
نقل وقود الفحم للموقع وتخزينه
انظر أيضاً
|
المصادر
وصلات خارجية
- Thermal Power Plant:Indian Context
- Conventional coal-fired power plant
- Power plant diagram
- Power Plant Reference Books
- Steam jet ejectors
- Steam jet ejector performance guidelines
- First at YouTube and second at YouTube video lectures by S. Banerjee on "Thermal Power Plants"