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HISTÓRIA DA TECNOLOGIA, TECNOLOGIA, OBJETOS AO REDOR DE NÓS
Usina Termelétrica. História da invenção e produção
Diretório / A história da tecnologia, tecnologia, objetos ao nosso redor Usina termelétrica (thermal power plant) - uma usina que gera energia elétrica convertendo a energia química do combustível em energia mecânica de rotação do eixo de um gerador elétrico.
Nas centrais térmicas, a energia térmica libertada durante a combustão de combustíveis fósseis (carvão, turfa, xisto, petróleo, gases) é convertida em energia mecânica e depois em elétrica. Aqui, a energia química contida no combustível passa por um complexo caminho de transformações de uma forma para outra para obter energia elétrica. A conversão da energia contida no combustível em uma usina termelétrica pode ser dividida nas seguintes etapas principais: conversão de energia química em energia térmica, energia térmica em energia mecânica e energia mecânica em energia elétrica. As primeiras usinas termelétricas (UTEs) surgiram no final do século XIX. Em 1882, o TPP foi construído em Nova York, em 1883 - em São Petersburgo, em 1884 - em Berlim. A maioria das UTEs são usinas termelétricas com turbinas a vapor. Neles, a energia térmica é utilizada em uma unidade de caldeira (gerador de vapor).
Um dos elementos mais importantes da unidade de caldeira é o forno. Nela, a energia química do combustível é convertida em energia térmica durante a reação química dos elementos combustíveis do combustível com o oxigênio atmosférico. Nesse caso, são formados produtos de combustão gasosos, que percebem a maior parte do calor liberado durante a combustão do combustível. No processo de aquecimento do combustível no forno, formam-se coque e substâncias voláteis gasosas. A uma temperatura de 600-750 °C, as substâncias voláteis se inflamam e começam a queimar, o que leva a um aumento da temperatura no forno. Ao mesmo tempo, começa a combustão do coque. Como resultado, são formados gases de combustão que saem do forno a uma temperatura de 1000-1200 °C. Esses gases são usados para aquecer a água e produzir vapor. No início do século XIX. para obter vapor, foram utilizadas unidades simples, nas quais não se distinguiam o aquecimento e a evaporação da água. Um representante típico do tipo mais simples de caldeiras a vapor era uma caldeira cilíndrica. Para a indústria de energia elétrica em desenvolvimento, eram necessárias caldeiras que produzissem vapor de alta temperatura e alta pressão, pois é nesse estado que fornece a maior quantidade de energia. Tais caldeiras foram criadas e foram chamadas de caldeiras aquatubulares. Nas caldeiras aquatubulares, os gases de combustão circulam em torno dos canos por onde circula a água, o calor dos gases de combustão é transferido através das paredes dos canos para a água, que se transforma em vapor.
A caldeira a vapor moderna funciona da seguinte forma. O combustível queima em uma fornalha com tubos verticais próximos às paredes. Sob a influência do calor liberado durante a combustão do combustível, a água nesses canos ferve. O vapor resultante sobe para o tambor da caldeira. A caldeira é um cilindro de aço horizontal de paredes espessas cheio de água até a metade. O vapor é coletado na parte superior do tambor e sai para um grupo de bobinas - um superaquecedor. No superaquecedor, o vapor é adicionalmente aquecido pelos gases de combustão que saem do forno. Tem uma temperatura superior àquela em que a água ferve a uma determinada pressão. Esse vapor é chamado de superaquecido. Após sair do superaquecedor, o vapor segue para o consumidor. Nos dutos da caldeira localizados após o superaquecedor, os gases de combustão passam por outro grupo de bobinas - um economizador de água. Nele, a água antes de entrar no tambor da caldeira é aquecida pelo calor dos gases de combustão. A jusante do economizador, ao longo do caminho do gás de combustão, geralmente são colocados tubos de aquecimento de ar. Nela, o ar é aquecido antes de ser alimentado na fornalha. Após o aquecedor de ar, os gases de combustão a uma temperatura de 120-160 °C saem pela chaminé. Todos os processos de trabalho da caldeira são totalmente mecanizados e automatizados. É servido por inúmeros mecanismos auxiliares acionados por motores elétricos, cuja potência pode chegar a vários milhares de quilowatts. Unidades de caldeiras de usinas poderosas produzem vapor de alta pressão - 140-250 atmosferas e alta temperatura - 550-580 °C. Os fornos dessas caldeiras queimam principalmente combustível sólido, triturado a um estado pulverizado, óleo combustível ou gás natural. A transformação do carvão em estado pulverizado é realizada em usinas de pulverização. O princípio de operação de tal instalação com um moinho de tambor de esferas é o seguinte. O combustível entra na sala da caldeira por meio de esteiras transportadoras e é descarregado no bunker, de onde, após balanças automáticas, é alimentado por um alimentador para o moinho de carvão. A moagem do combustível ocorre dentro de um tambor horizontal girando a uma velocidade de cerca de 20 rpm. Contém esferas de aço. O ar quente aquecido a uma temperatura de 300-400 °C é fornecido ao moinho através de uma tubulação. Cedendo parte de seu calor para a secagem do combustível, o ar é resfriado a uma temperatura de cerca de 130°C e, saindo do tambor, carrega o pó de carvão formado no moinho para o separador de pó (separador). A mistura pó-ar liberada de partículas grandes sai do separador por cima e vai para o separador de pó (ciclone). No ciclone, o pó de carvão é separado do ar e, através da válvula, entra no depósito de pó de carvão. No separador, grandes partículas de poeira caem e retornam ao moinho para posterior moagem. Uma mistura de pó de carvão e ar é alimentada nos queimadores da caldeira. Os queimadores de carvão pulverizado são dispositivos para fornecer combustível pulverizado e o ar necessário para sua combustão na câmara de combustão. Eles devem garantir a combustão completa do combustível, criando uma mistura homogênea de ar e combustível. A fornalha das modernas caldeiras de carvão pulverizado é uma câmara alta, cujas paredes são cobertas por canos, as chamadas telas de água a vapor. Eles protegem as paredes da câmara de combustão da escória formada durante a combustão do combustível e também protegem o revestimento do desgaste rápido devido à ação química da escória e da alta temperatura que se desenvolve quando o combustível é queimado no forno. As telas percebem 10 vezes mais calor por metro quadrado de superfície do que as outras superfícies tubulares de aquecimento da caldeira, que percebem o calor dos gases de combustão principalmente devido ao contato direto com eles. Na câmara de combustão, o pó de carvão se inflama e queima no fluxo de gás que o transporta. Fornos de caldeiras que queimam combustíveis gasosos ou líquidos também são câmaras cobertas com telas. Uma mistura de combustível e ar é fornecida a eles por meio de queimadores a gás ou a óleo. O dispositivo de uma moderna caldeira de tambor de alta capacidade operando com pó de carvão é o seguinte. O combustível na forma de pó é soprado para dentro do forno através dos queimadores, junto com parte do ar necessário para a combustão. O restante do ar é fornecido ao forno pré-aquecido a uma temperatura de 300-400 °C. No forno, as partículas de carvão queimam em movimento, formando uma tocha, com uma temperatura de 1500-1600 °C. As impurezas não combustíveis do carvão se transformam em cinzas, a maioria das quais (80-90%) é removida do forno pelos gases de combustão formados como resultado da combustão do combustível. O restante das cinzas, constituído por partículas de escória grudadas, acumuladas nas tubulações das telas do forno e depois destacadas delas, cai no fundo do forno. Depois disso, é coletado em um poço especial localizado sob a fornalha. A escória é resfriada nela com um jato de água fria e, a seguir, é transportada por água para fora da caldeira por dispositivos especiais do sistema hidráulico de remoção de cinzas. As paredes do forno são cobertas por uma tela - tubos nos quais a água circula. Sob a influência do calor irradiado por uma tocha acesa, ele se transforma parcialmente em vapor. Esses tubos são conectados ao tambor da caldeira, que também é abastecido com água aquecida no economizador. À medida que os gases de combustão se movem, parte de seu calor é irradiado para os tubos da tela e a temperatura dos gases diminui gradualmente. Na saída do forno, é 1000-1200 °C. Com mais movimento, os gases de combustão na saída do forno entram em contato com os tubos das telas, resfriando a uma temperatura de 900-950 °C. No duto de gás da caldeira são colocados tubos de serpentinas, por onde passa o vapor, formado nas tubulações teladas e separado da água no tambor da caldeira. Nas serpentinas, o vapor recebe calor adicional dos gases de combustão e superaquece, ou seja, sua temperatura torna-se superior à temperatura da água fervendo na mesma pressão. Esta parte da caldeira é chamada de superaquecedor. Depois de passar entre os tubos do superaquecedor, os gases de combustão com temperatura de 500-600 ° C entram na parte da caldeira onde estão localizados os tubos do aquecedor ou economizador de água. A água de alimentação com uma temperatura de 210-240 °C é fornecida a ela por uma bomba. Uma temperatura tão alta da água é alcançada em aquecedores especiais que fazem parte da usina de turbinas. No economizador de água, a água é aquecida até o ponto de ebulição e entra no tambor da caldeira. Os gases de combustão que passam entre as tubulações do economizador de água continuam resfriando e depois passam para dentro das tubulações do aquecedor de ar, no qual o ar é aquecido devido ao calor liberado pelos gases, cuja temperatura é então reduzida para 120 -160°C. O ar necessário para a combustão do combustível é fornecido ao aquecedor de ar por um ventilador e é aquecido a 300-400 °C, após o que entra no forno para a combustão do combustível. Os gases de combustão, ou saída, que saem do aquecedor de ar passam por um dispositivo especial - um coletor de cinzas - para remoção de cinzas. Os gases de escape purificados são emitidos para a atmosfera através de uma chaminé de até 200 m de altura por um exaustor de fumaça. O tambor é essencial em caldeiras deste tipo. Através de numerosos tubos, uma mistura de água e vapor das telas do forno entra nele. No tambor, o vapor é separado desta mistura, e a água restante é misturada com a água de alimentação que entra neste tambor do economizador. Do tambor, a água passa por tubos localizados fora do forno em coletores pré-fabricados e deles em tubos de tela localizados no forno. Desta forma, o caminho circular (circulação) da água nas caldeiras de tambor é fechado. O movimento da mistura de água e vapor-água de acordo com o esquema tambor - tubos externos - tubos de tela - tambor ocorre devido ao fato de que o peso total da coluna de mistura de vapor-água que preenche os tubos de tela é menor que o peso da água coluna nos tubos externos. Isso cria uma pressão de circulação natural, proporcionando um movimento circular da água. As caldeiras a vapor são controladas automaticamente por vários reguladores, que são supervisionados pelo operador. Os dispositivos regulam o fornecimento de combustível, água e ar à caldeira, mantêm o nível de água constante no tambor da caldeira, a temperatura do vapor superaquecido, etc. Os dispositivos que controlam o funcionamento da caldeira e todos os seus mecanismos auxiliares estão concentrados em um painel de controle especial. Ele também contém dispositivos que permitem realizar operações automatizadas remotamente a partir deste escudo: abrir e fechar todos os dispositivos de fechamento em tubulações, iniciar e parar mecanismos auxiliares individuais, bem como iniciar e parar toda a unidade da caldeira como um todo. As caldeiras aquatubulares do tipo descrito têm uma desvantagem muito significativa: a presença de um tambor volumoso, pesado e caro. Para se livrar dele, foram criadas caldeiras a vapor sem tambores. Eles consistem em um sistema de tubos curvos, em uma extremidade da qual é fornecida água de alimentação e na outra sai vapor superaquecido na pressão e temperatura necessárias, ou seja, a água passa por todas as superfícies de aquecimento uma vez sem circulação antes de se transformar em vapor. Essas caldeiras a vapor são chamadas de passagem única. O esquema de operação de tal caldeira é o seguinte. A água de alimentação passa pelo economizador e entra na parte inferior das bobinas, localizadas helicoidalmente nas paredes do forno. A mistura vapor-água formada nessas serpentinas entra na serpentina localizada na chaminé da caldeira, onde termina a conversão de água em vapor. Esta parte da caldeira de passagem única é chamada de zona de transição. O vapor então entra no superaquecedor. Após sair do superaquecedor, o vapor é direcionado para o consumidor. O ar necessário para a combustão é aquecido no aquecedor de ar. As caldeiras de passagem única permitem obter vapor com uma pressão de mais de 200 atmosferas, o que é impossível em caldeiras de tambor. O vapor superaquecido resultante, que possui alta pressão (100-140 atmosferas) e alta temperatura (500-580 ° C), é capaz de se expandir e realizar trabalho. Esse vapor é transferido por meio de dutos principais para a casa de máquinas, onde são instaladas as turbinas a vapor. Nas turbinas a vapor, a energia potencial do vapor é convertida em energia mecânica de rotação do rotor da turbina a vapor. Por sua vez, o rotor é conectado ao rotor do gerador elétrico. O princípio de operação e o dispositivo de uma turbina a vapor são discutidos no artigo "Turbina Elétrica", portanto não vamos nos debruçar sobre eles em detalhes. A turbina a vapor será a mais econômica, ou seja, quanto menos calor ela consumir para cada quilowatt-hora gerado por ela, menor será a pressão do vapor que sai da turbina. Para tanto, o vapor que sai da turbina não é direcionado para a atmosfera, mas para um dispositivo especial chamado condensador, no qual é mantida uma pressão muito baixa, apenas 0,03-0,04 atmosferas. Isso é conseguido diminuindo a temperatura do vapor resfriando-o com água. A temperatura do vapor a esta pressão é de 24-29 °C. No condensador, o vapor cede seu calor para a água de resfriamento e, ao mesmo tempo, condensa, ou seja, transforma-se em água - condensado. A temperatura do vapor no condensador depende da temperatura da água de resfriamento e da quantidade dessa água consumida para cada quilograma de vapor condensado. A água usada para condensar o vapor entra no condensador a uma temperatura de 10-15 °C e sai a uma temperatura de cerca de 20-25 °C. O consumo de água de resfriamento atinge 50-100 kg por 1 kg de vapor. O condensador é um tambor cilíndrico com duas tampas nas extremidades. Placas de metal são instaladas em ambas as extremidades do tambor, nas quais um grande número de tubos de latão é fixado. A água de resfriamento passa por esses tubos. Entre os tubos, fluindo ao redor deles de cima para baixo, o vapor da turbina passa. O condensado formado durante a condensação do vapor é removido por baixo. Durante a condensação do vapor, a transferência de calor do vapor para a parede dos tubos por onde passa a água de resfriamento é de grande importância. Se houver uma pequena quantidade de ar no vapor, a transferência de calor do vapor para a parede do tubo se deteriora drasticamente; a quantidade de pressão que precisará ser mantida no condensador também dependerá disso. O ar que inevitavelmente entra no condensador com vapor e através de vazamentos deve ser continuamente removido. Isso é feito por um aparelho especial - um ejetor a jato de vapor. Para resfriar no condensador o vapor que saiu da turbina, é utilizada água de rio, lago, lagoa ou mar. O consumo de água de resfriamento em usinas poderosas é muito alto e, por exemplo, para uma usina com capacidade de 1 milhão de kW, é de cerca de 40 m3 / s. Se a água for retirada do rio para resfriar o vapor nos condensadores e, em seguida, aquecida no condensador, for devolvida ao rio, esse sistema de abastecimento de água é chamado de passagem única. Se não houver água suficiente no rio, é construída uma represa e formada uma lagoa, de uma extremidade da qual a água é retirada para resfriar o condensador e a água aquecida é descarregada na outra extremidade. Às vezes, para resfriar a água aquecida no condensador, são utilizados resfriadores artificiais - torres de resfriamento, que são torres com cerca de 50 m de altura. A água aquecida nos condensadores da turbina é fornecida às bandejas localizadas nesta torre a uma altura de 6 a 9 m. Escoando em jatos pelas aberturas das bandejas e espirrando na forma de gotas ou película fina, a água flui para baixo, enquanto evapora parcialmente e esfria. A água resfriada é coletada em uma piscina, de onde é bombeada para os condensadores. Esse sistema de abastecimento de água é chamado de fechado. Examinamos os principais dispositivos utilizados para converter a energia química do combustível em energia elétrica em uma usina termelétrica a turbina a vapor. A operação de uma usina a carvão é a seguinte. O carvão é alimentado por trens ferroviários de bitola larga até o dispositivo de descarga, onde, com a ajuda de mecanismos especiais de descarga - basculantes de vagões - é descarregado dos vagões para transportadores de correia. O estoque de combustível na sala das caldeiras é criado em tanques de armazenamento especiais - bunkers. Dos bunkers, o carvão entra no moinho, onde é seco e moído até o estado de pulverização. Uma mistura de pó de carvão e ar é alimentada no forno da caldeira. Quando o pó de carvão é queimado, gases de combustão são produzidos. Após o resfriamento, os gases passam pelo coletor de cinzas e, depois de limpos das cinzas volantes, são jogados na chaminé. As escórias e as cinzas volantes dos coletores de cinzas que caíram da câmara de combustão são transportadas pela água através de canais e depois bombeadas para o depósito de cinzas. O ar de combustão é fornecido por um ventilador ao aquecedor de ar da caldeira. O vapor superaquecido de alta pressão e alta temperatura obtido na caldeira é alimentado através de tubulações de vapor até a turbina a vapor, onde se expande a uma pressão muito baixa e segue para o condensador. O condensado formado no condensador é levado pela bomba de condensado e alimentado através do aquecedor para o desaerador. O desaerador remove ar e gases do condensado. A água bruta que passou pelo dispositivo de tratamento de água também entra no desaerador para compensar a perda de vapor e condensado. Do tanque de alimentação do desaerador, a água de alimentação é bombeada para o economizador de água da caldeira de vapor. A água para resfriar o vapor de exaustão é retirada do rio e enviada ao condensador da turbina por uma bomba de circulação. A energia elétrica gerada pelo gerador conectado à turbina é descarregada através de transformadores elétricos elevadores através de linhas de alta tensão até o consumidor. A potência das usinas termelétricas modernas pode atingir 6000 megawatts ou mais com uma eficiência de até 40%. As usinas termelétricas também podem usar turbinas a gás natural ou a gás de combustível líquido. As usinas de turbinas a gás (GTPPs) são usadas para cobrir picos de carga elétrica. Existem também usinas de ciclo combinado nas quais a usina consiste em turbinas a vapor e turbinas a gás. Sua eficiência chega a 43%. A vantagem das usinas termelétricas em relação às hidrelétricas é que elas podem ser construídas em qualquer lugar, ficando mais próximas do consumidor. Eles funcionam com quase todos os tipos de combustíveis fósseis, portanto, podem ser adaptados ao tipo disponível na área. Em meados dos anos 70 do século XX. a parcela de eletricidade gerada nas usinas termelétricas foi de aproximadamente 75% da geração total. Na URSS e nos EUA foi ainda maior - 80%. A principal desvantagem das usinas termelétricas é o alto grau de poluição ambiental com dióxido de carbono, bem como uma grande área ocupada por depósitos de cinzas. Autor: Pristinsky V.L.
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