انتاج الطاقة بالاعتماد على المحطات الحرارية
السلام عليكم زوار ومتتبعوا مدونة جوابك. مقال اليوم سوف نخصصه للتحدث عن الكيفية التي يتم بها انتاج الطاقة الكهربائية من خلال المحطات الحرارية.
الكهرباء هي مصدر الطاقة الأكثر أهمية وشيوعاً في العالم اليوم، وتعتبر من الموارد الرئيسية التي لا غنى عنها بالنسبة للإنسان، حيث يقوم الإنسان باستخدام الكهرباء لممارسة جميع الأنشطة الاقتصادية والاجتماعية في حياته اليومية، فالأجهزة الكهربائية التي نستخدمها في حياتنا اليومية ما هي إلا أجهزة تعمل بالكهرباء.
كما ذكرت سابقا في احدى المقالات يتم انتاج الطاقة الكهربائية بالاعتماد على ثلاث مصادر رئيسية
- المحطات الهيدروليكية : يمكنك الولوج الى المقال من هنا
- المحطات النووية تحدث كذلك عن مبدأ عمل المحطات النووية اضغط هنا للتوجه الى المقال.
- ثم المحطات الحرارية
كيف يتم انتاج الكهرباء بالاعتماد المحطات الحرارية ؟
قبل الغوص في صلب الموضوع اليك بعض الاحصائيات المتعلقة بنسبة الاعتماد على المحطات الحرارية لانتاج الكهرباء.
محطات توليد الطاقة التي تعمل بالفحم هي الأكثر انتشارًا في العالم، خاصة في البلدان التي لديها احتياطيات كبيرة من الفحم (الهند ، الصين ، الولايات المتحدة ، ألمانيا ، إلخ).
لدى المحطات الحرارية القدرة على توليد مابين 200ميغا وات و 2000 ميغاوات من الطاقة الكهربائية.
تتراوح كفاءة المحطات الحرارية في حالة الاشتغال العادي مابين 40% الى 42% .
من بضع عشرات من ميغاواط في منتصف القرن العشرين ، زادت قوة المحطات الحرارية بسرعة لتتجاوز الآن 1000 ميغاواط. إلى جانب الزيادة في الطاقة المنتجة، تم تحسين ايضا كفاءة المحطات الحرارية بفعل زيادة ضغط ودرجة حرارة البخار. من القيم المعتادة البالغة 180 بار و 540 درجة مئوية التي تمت مواجهتها في السبعينيات ، نصل الآن إلى قيم تزيد عن 250 بار و 600 درجة مئوية.
مبدأ عمل المحطات الحرارية
تنتج المحطات الحرارية الطاقة الكهربائية انطلاقا من الحرارة المحررة من احتراق الوقود الاحفوري، يتم استخدام هذه الحرارة لتشغيل التوربينات البخارية، وبالتالي قد يطلق على محطة الطاقة الحرارية أحياناً اسم محطة الطاقة البخارية.
في محطات الطاقة الحرارية يتم إنتاج البخار بشكل أساسي عن طريق حرق بعض الوقود الأحفوري (مثل الفحم، الغاز الطبيعي...) الحرارة المحررة من حرق هذا الوقود تعمل على تسخين المياه وتحويله إلى بخار مضغوط. ويُوجَّهُ ذلك البخار في ضغط عالي إلى تدوير توربين بخاري ويكون ذلك التوربين موصولًا بمولد كهربي، وبالتالي يعمل المولد على توليد الكهرباء.
بعد أن يخرج البخار من التوربين يتم تكثيفه في مكثف حراري خاص ويعاد تدويره مرة أخرى إلى الغلاية البخارية لتسخينه من جديد، وتسمى هذه الدورة بدورة رانكن.
مصدر الحرارة
يعتمد أصل مصدر الحرارة على نوع محطة الطاقة الحرارية.
يختلف مصدر الحرارة من محطة الى اخرى وهذه ابرز مصادر الحرارة التي تعتمدها المحطات الحرارية
- استخدام الطاقة المنبعثة من حرق الوقود الأحفوري (الفحم ، والغاز الطبيعي ، وزيت الوقود ، وزيوت معدنيةمعينة)
- أنواع أخرى من الوقود (النفايات من الأنشطة الاقتصادية ، والمنزلية ، والخشب ، وما إلى ذلك)
المخطط النموذجي لعمل محطة طاقة حرارية: يظهر أدناه تخطيط مبسط لمحطة طاقة حرارية.
العناصر المكونة للمحطات الحرارية
تتكون معظم المحطات الحرارية على العناصر التالية
1. المرجل عبارة عن برج ضخم والذي يتم فيه عملية الاحتراق أي حرق الوقود الاحفوري. تعمل الحرارة الناتجة من حرق الوقود الاحفوري على تسخين الماء والذي يسري في مجموعة من الانابيب S1 التي تحيط بالغلاية. يتم تسريح سريان الماء في الانابيب بواسطة مضخة P1.
2. خزان يحتوي على الماء وبخار الماء بضغط عالي. يشكل الخزان نقطة بدء بخار الماء نحو التوربينات البخارية. يتوجه البخار نحو التوربين عالي الضغط HP مرورا بسخان S2 يتكون هذا السخان من مجموعة من الانابيب المحيطة بمصدر الحرارة. نتحصل من خلال هذا السخان على ارتفاع حاد في درجة حرارة البخار (حوالي 200 درجة مئوية).
3.التوربينات عالية الضغط (HP) والتي تسمح بالتمدد الأول للبخار يتم من خلال هذه التوربينات تحويل جزء من الطاقة الطاقة الحرارية الى طاقة ميكانيكية.
4. توربينات الضغط المتوسط (MP) مماثلة لتوربينات HP باستثناء أكبر منها بقليل. تسمح هذه التوربينات للبخار بالتمدد بشكل أكبر.
5.التوربينات ذات الضغط المنخفض (BP) التي تزيل بقية الطاقة الحرارية المتوفرة في البخار ، مما يسمح للبخار بالتمدد بداخل المكثف.
6. المكثف: يتم تكثيف البخار المستنفد في المكثف عن طريق تدوير الماء البارد S4 ، وهنا يفقد البخار ضغطه ودرجة حرارته ويتحول مرة أخرى إلى ماء. التكثيف ضروري لأن ضغط مائع في حالة غازية يتطلب كمية هائلة من الطاقة. وبالتالي، فعملية التكثيف تزيد من كفاءة الدورة. تسحب المضخة P2 الماء وتدفعه عبر السخان (7) إلى المضخة P3 التي تزود الخزان.
7. سخان : في هذا المبادل الحراري ، يقوم جزء من البخار المار عبر توربين HP بتسخين المياه، وبعد ذلك يتكثف البخار أيضًا في المكثف. تثبت التحليلات الديناميكية الحرارية أن الكفاءة التي تم الحصول عليها بهذه الطريقة أفضل مما لو ذهب البخار المحول في السخان إلى توربينات MP و BP
8. مضخة P3 والتي تسحب المياه داخل الخزان (2) وبالتالي تكمل الدورة الحرارية.
9. غلاية تعمل الغلاية على حرق الوقود الاحفوري (الغاز، الفحم ...).
في المحطات التي تقوم بتوليد الطاقة الحرارية بالاعتماد على الفحم. يتم نقل الفحم من مناجم الفحم إلى محطة التوليد، وبشكل عام يتم استخدام الفحم الحجري أو “الفحم البني” كوقود، كما يتم تخزين الفحم إما في التخزين الميت أو في التخزين الحي. وعادةً ما يكون التخزين الميت عبارة عن تخزين احتياطي للفحم لمدة 40 يوماً، كما يتم استخدامه عند عدم توفر إمدادات الفحم، لذلك التخزين الحي هو “قبو الفحم الخام” في المرجل.
يتم تنظيف الفحم في منظف مغناطيسي لتصفية ما إذا كانت هناك أي جزيئات حديدية قد تتسبب في تآكل الجهاز، وأيضاً يتم سحق الفحم من التخزين الحي أولاً في جزيئات صغيرة، ثم يتم نقله إلى آلة طحن لصنعه في شكل مسحوق. يخضع “الفحم المسحوق” الناعم للاحتراق الكامل، وبالتالي يطور الفحم المسحوق من الكفاءة التشغيلية للمحطة الحرارية.
10. مروحة تعمل المروحة على سحب الهواء الى الداخل حتى تتم عملية الاحتراق.
11. تمتص هذه المروحة الغازات المحترقة المتسربة عبر المدخنة.
من الناحية العملية، تحتوي محطات توليد الطاقة على العديد من العناصر والملحقات الأساسية الأخرى لضمان الأداء بشكل الجيد وفي ظروف آمنة.
كفاءة المحطات الحرارية
تعتمد كفاءة المحطات الحرارية على دورة كارنو الترموديناميكية التي تحدد كمية الكهرباء الناتجة، وطبقًا 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 الترموديناميكا.
تبلغ درجة حرارة البخار حوالي 600 درجة مئوية. وطبقًا 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 (بعد التبخر)
T2 درجة الحرارة النهائية (بعد التبريد في المكثف)
وتنطبق تلك المعادلة بوضع درجة الحرارة بالكلفن وليس بالدرجة المئوية .
بناء على ذلك يكون:
T1= 600 + 273
T2 = 40 + 273
والنتيجة هي :
الكفاءة = 560 / 873 = 64%
أي أن نحو 36% من الطاقة الحرارية تضيع في الجو ولا يمكن تحويلها 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 %
مزايا وعيوب محطات توليد الطاقة الحرارية
مزايا المحطات الحرارية
- تكلفة أقل مقارنة بمحطات التوليد الأخرى.
- تتطلب المحطات الحرارية مساحة أقل مقارنة بمحطة الطاقة الكهرومائية.
- تكلفة الوقود الاحفوري (بالضبط الفحم) أرخص.
- تكلفة التوليد أقل من تكلفة محطات توليد الطاقة التي تعمل بالديزل.
- عمر طويل (30 إلى 40 سنة)
عيوب المحطات الحرارية
- تلويث الغلاف الجوي بسبب انبعاثات الغازات الدفيئة والعناصر الملوثة ، وهذا هو أحد أسباب الاحتباس الحراري.
- الكفاءة الكلية لمحطة الطاقة الحرارية منخفضة (أقل من 45٪). يتم فقدان كمية كبيرة من الحرارة في المكثف وفي باقي العناصر، وهذا هو السبب في أن كفاءة المحطات الحرارية منخفضة.
وأخيراً تبقى محطات الطاقة الحرارية من أشهر أنواع المحطات المنتشرة حول العالم، لكن تبقى هناك بعض التحفظات في بعض الدول، وذلك حول كيفية إدارة مثل هذه المحطات بشكل مناسب وآمن.
الحلول المعتمدة
تشتمل محطات الطاقة التي تعمل بالفحم الآن على أجهزة تحد من انبعاثاتها الملوثة. يتم التقاط الغبار الموجود في الأدخنة في مرشحات كهربائية (أو في المرشحات الكيسية) .
أكاسيد الكبريت (SO2 ، SO3) يتم حصرها في وحدات إزالة الكبريت (FGD باللغة الإنجليزية: إزالة الكبريت من غاز المداخن) وظهرت مؤخرًا معدات التخلص من أكاسيد النيتروجين (NOx) (SCR باللغة الإنجليزية: الاختزال التحفيزي الانتقائي).
تم تطوير تقنية جديدة للغلايات منذ عام 1980: غلايات الطبقة المميعة المتداولة. تحتوي هذه الغلايات على درجة حرارة فرن أقل بكثير (850 درجة مئوية) مما يقلل من تكوين أكاسيد النيتروجين، وقد تحتوي على الحجر الجيري في قاعها الذي يتفاعل مع أكاسيد الكبريت. ولذلك فهي تسمح بإنتاج بخار مع تلوث منخفض.
تتم دراسة العديد من التقنيات الاخرى (بشكل رئيسي في الولايات المتحدة) من بين هذه التقنيات :
ما قبل الاحتراق باستخدام تقنية تغويز الفحم، والاحتراق بالأكسجين (الاحتراق بالأكسجين النقي ، وليس بالهواء) وما بعد الاحتراق (احتجاز ثاني أآسيد الكربون في غازات المداخن بالتفاعل مع الأمينات أو الأمونيا). هذه التقنيات الأخيرة هي الأكثر تقدمًا ، على الرغم من أنها لا تزال في مرحلة النموذج الأولي. كل هذه التقنيات لها عيب في استهلاك الكثير من الطاقة وبالتالي تقليل من كفاءة المحطات الحرارية.
هذا كل مايخص هذه المقالة نلقاكم في مقال اخر ...
تعليقات
إرسال تعليق