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STORIA DELLA TECNOLOGIA, DELLA TECNOLOGIA, DEGLI OGGETTI INTORNO A NOI
Centrale termica. Storia dell'invenzione e della produzione
Elenco / La storia della tecnologia, della tecnologia, degli oggetti che ci circondano Centrale termica (centrale termica) - una centrale elettrica che genera energia elettrica convertendo l'energia chimica del combustibile in energia meccanica di rotazione dell'albero di un generatore elettrico.
Nelle centrali termoelettriche l'energia termica liberata durante la combustione dei combustibili fossili (carbone, torba, scisto, petrolio, gas) viene convertita in energia meccanica e poi in energia elettrica. Qui l'energia chimica contenuta nel combustibile attraversa un complesso percorso di trasformazioni da una forma all'altra per ottenere energia elettrica. La conversione dell'energia contenuta nel combustibile in una centrale termica può essere suddivisa nelle seguenti fasi principali: conversione dell'energia chimica in energia termica, dell'energia termica in energia meccanica e dell'energia meccanica in energia elettrica. Le prime centrali termoelettriche (TPP) apparvero alla fine del XIX secolo. Nel 1882, il TPP fu costruito a New York, nel 1883 - a San Pietroburgo, nel 1884 - a Berlino. La maggior parte delle TPP sono centrali termoelettriche a turbina a vapore. Su di essi, l'energia termica viene utilizzata in un'unità caldaia (generatore di vapore).
Uno degli elementi più importanti dell'unità caldaia è il forno. In esso, l'energia chimica del carburante viene convertita in energia termica durante la reazione chimica degli elementi combustibili del carburante con l'ossigeno atmosferico. In questo caso si formano prodotti di combustione gassosi che percepiscono la maggior parte del calore rilasciato durante la combustione del combustibile. Nel processo di riscaldamento del combustibile nella fornace si formano coke e sostanze gassose e volatili. A una temperatura di 600-750 °C, le sostanze volatili si accendono e iniziano a bruciare, il che porta ad un aumento della temperatura nel forno. Allo stesso tempo, inizia la combustione del coke. Di conseguenza si formano fumi che escono dal forno ad una temperatura di 1000-1200 °C. Questi gas sono utilizzati per riscaldare l'acqua e produrre vapore. All'inizio del XIX secolo. per ottenere il vapore si utilizzavano unità semplici, in cui non si distinguevano il riscaldamento e l'evaporazione dell'acqua. Un tipico rappresentante del tipo più semplice di caldaie a vapore era una caldaia cilindrica. Per lo sviluppo dell'industria dell'energia elettrica, erano necessarie caldaie che producessero vapore ad alta temperatura e ad alta pressione, poiché è in questo stato che fornisce la maggior quantità di energia. Tali caldaie furono create e furono chiamate caldaie a tubi d'acqua. Nelle caldaie a tubi d'acqua, i gas di scarico scorrono attorno ai tubi attraverso i quali circola l'acqua, il calore dei gas di scarico viene trasferito attraverso le pareti dei tubi all'acqua, che si trasforma in vapore.
La moderna caldaia a vapore funziona come segue. Il combustibile brucia in una fornace con tubi verticali vicino alle pareti. Sotto l'influenza del calore rilasciato durante la combustione del carburante, l'acqua in questi tubi bolle. Il vapore risultante sale nel tamburo della caldaia. La caldaia è un cilindro d'acciaio orizzontale a pareti spesse riempito d'acqua fino alla metà. Il vapore viene raccolto nella parte superiore del tamburo ed esce da esso in un gruppo di bobine: un surriscaldatore. Nel surriscaldatore, il vapore viene ulteriormente riscaldato dai gas di combustione che escono dal forno. Ha una temperatura superiore a quella alla quale l'acqua bolle a una data pressione. Tale vapore è chiamato surriscaldato. Dopo aver lasciato il surriscaldatore, il vapore va al consumatore. Nei condotti della caldaia posti dopo il surriscaldatore, i fumi passano attraverso un altro gruppo di serpentine: un economizzatore d'acqua. In esso, l'acqua prima di entrare nel tamburo della caldaia viene riscaldata dal calore dei gas di combustione. A valle dell'economizzatore, lungo il percorso dei fumi, vengono solitamente posizionati i tubi di riscaldamento dell'aria. In esso, l'aria viene riscaldata prima di essere immessa nella fornace. Dopo la batteria di riscaldamento, i gas di scarico ad una temperatura di 120-160 °C escono nel camino. Tutti i processi di lavoro della caldaia sono completamente meccanizzati e automatizzati. È servito da numerosi meccanismi ausiliari azionati da motori elettrici, la cui potenza può raggiungere diverse migliaia di kilowatt. Le caldaie di potenti centrali elettriche producono vapore ad alta pressione - 140-250 atmosfere e alta temperatura - 550-580 °C. I forni di queste caldaie bruciano principalmente combustibile solido, frantumato allo stato polverizzato, olio combustibile o gas naturale. La trasformazione del carbone in uno stato polverizzato viene effettuata in impianti polverizzati. Il principio di funzionamento di tale installazione con un mulino a tamburo a sfere è il seguente. Il combustibile entra nel locale caldaia tramite nastri trasportatori e viene scaricato nel bunker, dal quale, dopo bilance automatiche, viene alimentato da un alimentatore al mulino a carbone. La macinazione del combustibile avviene all'interno di un tamburo orizzontale rotante ad una velocità di circa 20 giri al minuto. Contiene sfere d'acciaio. L'aria calda riscaldata a una temperatura di 300-400 °C viene fornita al mulino attraverso una tubazione. Cedendo parte del suo calore all'essiccazione del combustibile, l'aria viene raffreddata ad una temperatura di circa 130°C e, uscendo dal tamburo, trasporta la polvere di carbone formatasi nel mulino nel depolveratore (separatore). La miscela polvere-aria liberata dalle particelle grosse lascia il separatore dall'alto e va al separatore di polvere (ciclone). Nel ciclone, la polvere di carbone viene separata dall'aria e attraverso la valvola entra nel bunker della polvere di carbone. Nel separatore, grandi particelle di polvere cadono e ritornano al mulino per un'ulteriore macinazione. Una miscela di polvere di carbone e aria viene immessa nei bruciatori della caldaia. I bruciatori a carbone polverizzato sono dispositivi per l'alimentazione del combustibile polverizzato e dell'aria necessaria alla sua combustione nella camera di combustione. Devono garantire la completa combustione del combustibile creando una miscela omogenea di aria e combustibile. La fornace delle moderne caldaie a carbone polverizzato è una camera alta, le cui pareti sono ricoperte di tubi, i cosiddetti schermi vapore-acqua. Proteggono le pareti della camera di combustione dall'attaccarsi ad esse dalle scorie formate durante la combustione del combustibile, e proteggono anche il rivestimento dalla rapida usura dovuta all'azione chimica delle scorie e all'alta temperatura che si sviluppa quando il combustibile viene bruciato nel forno. Gli schermi percepiscono 10 volte più calore per metro quadro di superficie rispetto alle altre superfici scaldanti tubolari della caldaia, che percepiscono il calore dei fumi principalmente per contatto diretto con essi. Nella camera di combustione, la polvere di carbone si accende e brucia nel flusso di gas che la trasporta. Anche i forni per caldaie che bruciano combustibili gassosi o liquidi sono camere coperte da schermi. Una miscela di combustibile e aria viene fornita loro attraverso bruciatori a gas o bruciatori a nafta. Il dispositivo di una moderna caldaia a tamburo ad alta capacità funzionante a polvere di carbone è il seguente. Il combustibile sotto forma di polvere viene immesso nel focolare attraverso i bruciatori, insieme a parte dell'aria necessaria alla combustione. Il resto dell'aria viene fornita al forno preriscaldato ad una temperatura di 300-400 °C. Nella fornace le particelle di carbone bruciano al volo, formando una torcia, con una temperatura di 1500-1600 °C. Le impurità non combustibili del carbone si trasformano in cenere, la maggior parte delle quali (80-90%) viene rimossa dal forno dai gas di combustione formatisi a seguito della combustione del combustibile. Il resto della cenere, costituito da particelle di scorie agglomerate tra loro, accumulate sui tubi delle griglie del forno e da queste poi staccate, cade sul fondo del forno. Successivamente, viene raccolto in un apposito pozzo situato sotto il focolare. La scoria viene raffreddata al suo interno con un getto di acqua fredda, quindi viene condotta dall'acqua all'esterno del corpo caldaia mediante appositi dispositivi del sistema idraulico di rimozione della cenere. Le pareti della fornace sono ricoperte da uno schermo - tubi in cui circola l'acqua. Sotto l'influenza del calore irradiato da una torcia accesa, si trasforma parzialmente in vapore. Questi tubi sono collegati al tamburo della caldaia, anch'esso alimentato con acqua riscaldata nell'economizzatore. Man mano che i fumi si muovono, parte del loro calore viene irradiato ai tubi dello schermo e la temperatura dei gas diminuisce gradualmente. All'uscita dal forno è di 1000-1200 °C. Con ulteriore movimento, i fumi all'uscita del forno entrano in contatto con i tubi delle griglie, raffreddandosi fino ad una temperatura di 900-950 °C. Nel condotto del gas della caldaia sono posti tubi di serpentine, attraverso i quali passa il vapore, formati nei tubi dello schermo e separati dall'acqua nel tamburo della caldaia. Nelle serpentine, il vapore riceve ulteriore calore dai fumi e si surriscalda, cioè la sua temperatura diventa più alta della temperatura dell'acqua che bolle alla stessa pressione. Questa parte della caldaia è chiamata surriscaldatore. Dopo essere passati tra i tubi del surriscaldatore, i fumi con una temperatura di 500-600 ° C entrano nella parte della caldaia in cui si trovano i tubi dello scaldabagno o dell'economizzatore d'acqua. L'acqua di alimentazione con una temperatura di 210-240 °C viene fornita da una pompa. Una temperatura dell'acqua così elevata viene raggiunta in speciali riscaldatori che fanno parte dell'impianto a turbina. Nell'economizzatore d'acqua, l'acqua viene riscaldata fino al punto di ebollizione ed entra nel tamburo della caldaia. I fumi che passano tra i tubi dell'economizzatore ad acqua continuano a raffreddarsi per poi passare all'interno dei tubi dell'aerotermo, in cui l'aria viene riscaldata per effetto del calore ceduto dai gas, la cui temperatura viene poi ridotta a 120 -160 °C. L'aria necessaria per la combustione del combustibile viene fornita al riscaldatore d'aria da un ventilatore e qui viene riscaldata a 300-400 °C, dopodiché entra nel forno per la combustione del combustibile. I gas di scarico, o in uscita, in uscita dal generatore d'aria, passano attraverso un apposito dispositivo - un raccoglicenere - per la rimozione della cenere. I gas di scarico purificati vengono emessi nell'atmosfera attraverso un camino alto fino a 200 m da un aspiratore di fumi. Il tamburo è indispensabile nelle caldaie di questo tipo. Attraverso numerosi tubi vi entra una miscela di vapore e acqua proveniente dagli schermi del forno. Nel tamburo, il vapore viene separato da questa miscela e l'acqua rimanente viene miscelata con l'acqua di alimentazione che entra in questo tamburo dall'economizzatore. Dal tamburo, l'acqua passa attraverso i tubi situati all'esterno del forno nei collettori prefabbricati e da questi nei tubi dello schermo situati nel forno. In questo modo si chiude il percorso circolare (circolazione) dell'acqua nelle caldaie a tamburo. Il movimento dell'acqua e della miscela acqua-vapore secondo lo schema tamburo - tubi esterni - tubi grigliati - tamburo si verifica a causa del fatto che il peso totale della colonna della miscela vapore-acqua che riempie i tubi grigliati è inferiore al peso dell'acqua colonna nei tubi esterni. Questo crea una pressione di circolazione naturale, fornendo un movimento circolare dell'acqua. Le caldaie a vapore sono controllate automaticamente da numerosi regolatori, supervisionati dall'operatore. I dispositivi regolano l'alimentazione di combustibile, acqua e aria alla caldaia, mantengono costante il livello dell'acqua nel tamburo della caldaia, la temperatura del vapore surriscaldato, ecc. I dispositivi che controllano il funzionamento della caldaia e tutti i suoi meccanismi ausiliari sono concentrati su un apposito pannello di controllo. Contiene inoltre dispositivi che consentono di eseguire da remoto operazioni automatizzate da questo scudo: apertura e chiusura di tutti i dispositivi di intercettazione sulle tubazioni, avvio e arresto dei singoli meccanismi ausiliari, nonché avvio e arresto dell'intera unità caldaia nel suo insieme. Le caldaie a tubi d'acqua del tipo descritto presentano un inconveniente molto significativo: la presenza di un tamburo ingombrante, pesante e costoso. Per sbarazzarsene sono state create caldaie a vapore senza tamburi. Sono costituiti da un sistema di tubi curvi, a un'estremità del quale viene fornita acqua di alimentazione, e dall'altra esce vapore surriscaldato della pressione e temperatura richieste, cioè l'acqua passa attraverso tutte le superfici riscaldanti una volta senza circolazione prima di trasformarsi in vapore. Tali caldaie a vapore sono chiamate una tantum. Lo schema di funzionamento di una tale caldaia è il seguente. L'acqua di alimentazione passa attraverso l'economizzatore, quindi entra nella parte inferiore delle serpentine, poste ad elica sulle pareti del forno. La miscela acqua-vapore che si forma in questi serpentini entra nel serpentino posto nella canna fumaria della caldaia, dove termina la trasformazione dell'acqua in vapore. Questa parte della caldaia una tantum è chiamata zona di transizione. Il vapore entra quindi nel surriscaldatore. Dopo essere uscito dal surriscaldatore, il vapore viene inviato all'utenza. L'aria necessaria per la combustione viene riscaldata nel riscaldatore ad aria. Le caldaie a passaggio singolo consentono di ottenere vapore con una pressione di oltre 200 atmosfere, cosa impossibile nelle caldaie a tamburo. Il vapore surriscaldato risultante, che ha un'alta pressione (100-140 atmosfere) e un'alta temperatura (500-580 °C), è in grado di espandersi e compiere lavoro. Questo vapore viene trasferito attraverso le principali condutture del vapore alla sala macchine, dove sono installate le turbine a vapore. Nelle turbine a vapore, l'energia potenziale del vapore viene convertita in energia meccanica di rotazione del rotore della turbina a vapore. A sua volta, il rotore è collegato al rotore del generatore elettrico. Il principio di funzionamento e il dispositivo di una turbina a vapore sono discussi nell'articolo "Electric Turbine", quindi non ci soffermeremo su di essi in dettaglio. La turbina a vapore sarà la più economica, cioè meno calore consumerà per ogni chilowattora da essa generato, minore sarà la pressione del vapore in uscita dalla turbina. A tal fine, il vapore in uscita dalla turbina non viene convogliato nell'atmosfera, ma in un apposito dispositivo detto condensatore, nel quale viene mantenuta una pressione molto bassa, solo 0,03-0,04 atmosfere. Ciò si ottiene abbassando la temperatura del vapore raffreddandolo con acqua. La temperatura del vapore a questa pressione è di 24-29 °C. Nel condensatore il vapore cede il suo calore all'acqua di raffreddamento e, contemporaneamente, condensa, cioè si trasforma in acqua-condensa. La temperatura del vapore nel condensatore dipende dalla temperatura dell'acqua di raffreddamento e dalla quantità di quest'acqua consumata per ogni chilogrammo di vapore condensato. L'acqua utilizzata per condensare il vapore entra nel condensatore ad una temperatura di 10-15 °C, e ne esce ad una temperatura di circa 20-25 °C. Il consumo di acqua di raffreddamento raggiunge i 50-100 kg per 1 kg di vapore. Il condensatore è un tamburo cilindrico con due tappi terminali. Ad entrambe le estremità del tamburo sono installate schede metalliche, in cui è fissato un gran numero di tubi di ottone. L'acqua di raffreddamento passa attraverso questi tubi. Tra i tubi, scorrendo attorno ad essi dall'alto verso il basso, passa il vapore della turbina. La condensa formata durante la condensazione del vapore viene rimossa dal basso. Durante la condensazione del vapore, è di grande importanza il trasferimento di calore dal vapore alla parete dei tubi attraverso i quali passa l'acqua di raffreddamento. Se c'è anche una piccola quantità d'aria nel vapore, il trasferimento di calore dal vapore alla parete del tubo si deteriora bruscamente; da ciò dipenderà anche la quantità di pressione che dovrà essere mantenuta nel condensatore. L'aria che inevitabilmente entra nel condensatore con il vapore e attraverso le perdite deve essere continuamente rimossa. Questo viene eseguito da un apparecchio speciale: un eiettore a getto di vapore. Per il raffreddamento nel condensatore del vapore che si è formato nella turbina, viene utilizzata l'acqua di un fiume, lago, stagno o mare. Il consumo di acqua di raffreddamento nelle centrali elettriche potenti è molto elevato e, ad esempio, per una centrale con una capacità di 1 milione di kW, è di circa 40 m3 / s. Se l'acqua viene prelevata dal fiume per raffreddare il vapore nei condensatori e quindi, riscaldata nel condensatore, viene restituita al fiume, allora un tale sistema di approvvigionamento idrico viene chiamato una tantum. Se non c'è abbastanza acqua nel fiume, viene costruita una diga e si forma uno stagno, da un'estremità del quale viene prelevata l'acqua per raffreddare il condensatore e l'acqua riscaldata viene scaricata all'altra estremità. A volte, per raffreddare l'acqua riscaldata nel condensatore, vengono utilizzati refrigeratori artificiali: torri di raffreddamento, che sono torri alte circa 50 m. L'acqua riscaldata nei condensatori a turbina viene fornita ai vassoi situati in questa torre ad un'altezza di 6-9 m Scorrendo a getti attraverso le aperture dei vassoi e schizzando sotto forma di gocce o di un film sottile, l'acqua scorre verso il basso, mentre parzialmente evapora e si raffredda. L'acqua raffreddata viene raccolta in una vasca, da dove viene pompata ai condensatori. Un tale sistema di approvvigionamento idrico è chiamato chiuso. Abbiamo esaminato i principali dispositivi utilizzati per convertire l'energia chimica del combustibile in energia elettrica in una centrale termica a turbina a vapore. Il funzionamento di una centrale elettrica a carbone è il seguente. Il carbone viene alimentato da treni ferroviari a scartamento largo al dispositivo di scarico, dove, con l'ausilio di speciali meccanismi di scarico - dumper per auto - viene scaricato dalle auto su nastri trasportatori. Lo stock di combustibile nel locale caldaia viene creato in appositi serbatoi di stoccaggio - bunker. Dai bunker, il carbone entra nel mulino, dove viene essiccato e macinato in uno stato polverizzato. Una miscela di polvere di carbone e aria viene immessa nel forno della caldaia. Quando la polvere di carbone viene bruciata, vengono prodotti gas di scarico. Dopo il raffreddamento, i gas passano attraverso il raccoglicenere e, dopo essere stati ripuliti dalle ceneri volanti, vengono gettati nel camino. Le scorie e le ceneri volanti dai collettori di cenere che sono cadute dalla camera di combustione vengono trasportate dall'acqua attraverso canali e quindi pompate al deposito di cenere. L'aria di combustione viene fornita da un ventilatore al generatore d'aria della caldaia. Il vapore surriscaldato ad alta pressione e ad alta temperatura ottenuto nella caldaia viene alimentato attraverso le tubazioni del vapore alla turbina a vapore, dove si espande a una pressione molto bassa e va al condensatore. La condensa che si forma nel condensatore viene prelevata dalla pompa della condensa e inviata attraverso il riscaldatore al disaeratore. Il disaeratore rimuove aria e gas dalla condensa. Anche l'acqua grezza che è passata attraverso il dispositivo di trattamento dell'acqua entra nel disaeratore per compensare la perdita di vapore e condensa. Dal serbatoio di alimentazione del disaeratore, l'acqua di alimentazione viene pompata all'economizzatore d'acqua della caldaia a vapore. L'acqua per il raffreddamento del vapore di scarico viene prelevata dal fiume e inviata al condensatore della turbina tramite una pompa di circolazione. L'energia elettrica generata dal generatore collegato alla turbina viene scaricata attraverso trasformatori elettrici elevati attraverso linee elettriche ad alta tensione verso l'utenza. La potenza delle moderne centrali termoelettriche può raggiungere i 6000 megawatt o più con un'efficienza fino al 40%. Le centrali termoelettriche possono utilizzare anche turbine a gas naturale oa gas a combustibile liquido. Le centrali elettriche a turbina a gas (GTPP) vengono utilizzate per coprire i picchi di carico elettrico. Esistono anche centrali elettriche a ciclo combinato in cui la centrale è costituita da turbine a vapore e turbine a gas. La loro efficienza raggiunge il 43%. Il vantaggio delle centrali termiche rispetto alle centrali idroelettriche è che possono essere costruite ovunque, avvicinandole al consumatore. Funzionano con quasi tutti i tipi di combustibili fossili, quindi possono essere adattati al tipo disponibile nell'area. A metà degli anni '70 del XX secolo. la quota di energia elettrica prodotta da centrali termoelettriche è stata pari a circa il 75% della produzione totale. In URSS e negli Stati Uniti era ancora più alto: l'80%. Il principale svantaggio delle centrali termoelettriche è l'elevato grado di inquinamento ambientale da anidride carbonica, nonché un'ampia area occupata da discariche di cenere. Autore: Pristinsky V.L.
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