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テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト
火力発電所。 発明と生産の歴史
ディレクトリ / テクノロジーの歴史、テクノロジー、私たちの周りのオブジェクト 火力発電所 (火力発電所) - 燃料の化学エネルギーを発電機のシャフトの回転による機械エネルギーに変換することによって電気エネルギーを生成する発電所。
火力発電所では、化石燃料（石炭、泥炭、シェール、石油、ガス）の燃焼中に放出される熱エネルギーが機械エネルギーに変換され、その後電気エネルギーに変換されます。 ここで、燃料に含まれる化学エネルギーは、ある形態から別の形態への複雑な変換経路を経て、電気エネルギーを取得します。 火力発電所における燃料に含まれるエネルギーの変換は、化学エネルギーから熱エネルギーへの変換、熱エネルギーから機械エネルギーへの変換、機械エネルギーから電気エネルギーへの変換という主な段階に分けることができます。 最初の火力発電所 (TPP) は 1882 世紀末に登場しました。 TPPは1883年にニューヨークで、1884年にサンクトペテルブルクで、XNUMX年にベルリンで設立されました。 TPP のほとんどは火力蒸気タービン発電所です。 これらでは、ボイラーユニット（蒸気発生器）で熱エネルギーが利用されます。
ボイラーユニットの最も重要な要素の XNUMX つは炉です。 その中で、燃料の可燃性要素と大気中の酸素との化学反応中に、燃料の化学エネルギーが熱エネルギーに変換されます。 この場合、ガス状の燃焼生成物が形成され、燃料の燃焼中に放出される熱の大部分を吸収します。 炉内で燃料を加熱する過程で、コークスとガス状の揮発性物質が形成されます。 600〜750℃の温度では、揮発性物質が発火して燃焼し始め、炉内の温度が上昇します。 同時にコークスの燃焼が始まります。 その結果、燃焼排ガスが形成され、1000 ～ 1200 °C の温度で炉から排出されます。 これらのガスは水を加熱し、蒸気を生成するために使用されます。 XNUMX 世紀初頭。 蒸気を得るには、加熱と水の蒸発を区別しない単純な装置が使用されました。 最も単純なタイプの蒸気ボイラーの代表的なものは円筒ボイラーでした。 発展途上にある電力業界では、高温高圧の蒸気を発生させるボイラーが最も多くのエネルギーを生み出す状態であることが求められました。 このようなボイラーが作られ、水管ボイラーと呼ばれました。 水管ボイラーでは、水が循環するパイプの周りを排ガスが流れ、排ガスからの熱がパイプの壁を通って水に伝達され、水が蒸気に変わります。
現代の蒸気ボイラーは次のように機能します。 燃料は、壁の近くに垂直パイプを備えた炉で燃焼します。 燃料の燃焼中に放出される熱の影響で、これらのパイプ内の水が沸騰します。 生じた蒸気はボイラードラム内に上昇します。 ボイラーは厚肉の水平鋼製シリンダーで、半分まで水が満たされています。 蒸気はドラムの上部に集められ、コイルのグループ、つまり過熱器の中に排出されます。 過熱器では、蒸気は炉から出る煙道ガスによってさらに加熱されます。 一定の圧力で水が沸騰する温度よりも高い温度です。 このような蒸気を過熱蒸気といいます。 過熱器を出た後、蒸気は消費者に送られます。 過熱器の後にあるボイラーダクトでは、煙道ガスは別のグループのコイル、つまり節水装置を通過します。 その中で、ボイラードラムに入る前の水は、排ガスの熱によって加熱されます。 エコノマイザーの下流、排ガス経路に沿って、通常、エアヒーターパイプが配置されます。 その中で、空気は炉に供給される前に加熱されます。 空気加熱器を通過した後、120 ～ 160 °C の温度の排ガスが煙突に排出されます。 ボイラーユニットのすべての作業プロセスは完全に機械化され、自動化されています。 電気モーターによって駆動される多数の補助機構によって作動し、その出力は数千キロワットに達する場合があります。 強力な発電所のボイラーユニットは、140〜250気圧の高圧と550〜580℃の高温の蒸気を生成します。 これらのボイラーの炉では、主に固形燃料を粉砕して粉砕した燃料油や天然ガスを燃焼させます。 石炭の粉砕状態への変換は、粉砕プラントで行われます。 ボールドラムミルを備えたこのような設備の動作原理は次のとおりです。 燃料はベルトコンベアを介してボイラー室に入り、バンカーに排出され、そこから自動秤量された後、フィーダーによって石炭ミルに供給されます。 燃料の粉砕は、約 20 rpm の速度で回転する水平ドラム内で行われます。 鋼球が入っています。 300～400℃の温度に加熱された熱風がパイプラインを通じて工場に供給されます。 熱の一部を燃料の乾燥に与え、空気は約130℃の温度まで冷却され、ドラムから出て、ミル内で形成された石炭ダストをダストセパレーター（分離器）に運びます。 大きな粒子が除去された粉塵と空気の混合物は上部から分離器を出て、粉塵分離器 (サイクロン) に送られます。 サイクロンでは、石炭粉塵が空気から分離され、バルブを通って石炭粉塵バンカーに流入します。 分離器では、大きな粉塵粒子が落ちてミルに戻り、さらなる粉砕が行われます。 石炭粉塵と空気の混合物がボイラーのバーナーに供給されます。 微粉炭バーナは、微粉燃料とその燃焼に必要な空気を燃焼室内に供給する装置です。 空気と燃料の均一な混合物を生成することで、燃料の完全燃焼を保証する必要があります。 現代の微粉炭ボイラーの炉は高いチャンバーであり、その壁はパイプ、いわゆる蒸気水スクリーンで覆われています。 これらは、燃料の燃焼中に形成されるスラグが燃焼室の壁に付着するのを防ぎ、スラグの化学作用や炉内で燃料が燃焼するときに発生する高温による急速な摩耗からライニングを保護します。 スクリーンは、主に燃焼排ガスとの直接接触により排ガスの熱を感知するボイラーの他の管状加熱面よりも、表面 10 平方メートルあたり XNUMX 倍多くの熱を感知します。 燃焼室では、石炭粉塵がそれを運ぶガス流の中で点火して燃焼します。 気体または液体燃料を燃焼させるボイラー炉も、スクリーンで覆われたチャンバーです。 燃料と空気の混合物がガスバーナーまたはオイルバーナーを通じて供給されます。 石炭粉塵で動作する最新の大容量ドラムボイラーユニットの装置は次のとおりです。 粉塵の形の燃料は、燃焼に必要な空気の一部とともにバーナーを通して炉内に吹き込まれます。 残りの空気は、300 ～ 400 °C の温度に予熱された炉に供給されます。 炉内では石炭粒子が即座に燃焼し、温度 1500 ～ 1600 °C のトーチが形成されます。 石炭の不燃性不純物は灰になり、そのほとんど (80 ～ 90%) は、燃料の燃焼の結果として形成される煙道ガスによって炉から除去されます。 残りの灰は、互いにくっついたスラグ粒子からなり、炉のスクリーンのパイプ上に蓄積され、その後スクリーンから分離されて、炉の底に落ちます。 その後、火室の下にある特別なシャフトに収集されます。 スラグはその中で冷水ジェットによって冷却され、その後、水圧式灰除去システムの特別な装置によってボイラーユニットの外に水によって運び出されます。 炉の壁はスクリーン、つまり水が循環するパイプで覆われています。 燃えているトーチから放射される熱の影響で、部分的に蒸気に変わります。 これらのパイプはボイラードラムに接続されており、エコノマイザーで加熱された水もボイラードラムに供給されます。 排ガスが移動すると、その熱の一部がスクリーン管に放射され、ガスの温度が徐々に低下します。 炉出口では1000～1200℃になっています。 さらに移動すると、炉の出口の排ガスがスクリーンのチューブと接触し、900 ～ 950 °C の温度まで冷却されます。 ボイラーのガスダクト内には、蒸気が通過するコイルの管が配置され、スクリーンパイプ内に形成され、ボイラードラム内の水から分離されます。 コイル内では、蒸気は煙道ガスから追加の熱を受け取り、過熱します。つまり、その温度は同じ圧力で沸騰する水の温度よりも高くなります。 ボイラーのこの部分は過熱器と呼ばれます。 過熱器のパイプの間を通過した後、500〜600℃の温度の排ガスは、給湯器または節水器のパイプが配置されているボイラーの部分に入ります。 温度210〜240℃の給水がポンプによって供給されます。 このような高い水温は、タービン プラントの一部である特別なヒーターで実現されます。 水エコノマイザーでは、水は沸点まで加熱され、ボイラードラムに入ります。 節水器のパイプ間を通過する煙道ガスは冷却を続け、次にエアヒーターのパイプ内を通過します。そこで、ガスが発する熱により空気が加熱され、その温度は 120 ℃まで下がります。 -160℃。 燃料の燃焼に必要な空気は送風ファンによってエアヒーターに供給され、そこで300～400℃に加熱された後、燃料燃焼炉に入ります。 エアヒーターから出る煙道、つまり流出ガスは、灰を除去するために特別な装置である灰キャッチャーを通過します。 浄化された排ガスは排煙装置により高さ200mまでの煙突から大気中に排出されます。 このタイプのボイラーにはドラムが不可欠です。 炉のスクリーンからの蒸気と水の混合物が多数のパイプを通って炉に入ります。 ドラム内では、この混合物から蒸気が分離され、残りの水はエコノマイザーからこのドラムに入る給水と混合されます。 水はドラムから、炉の外側にあるパイプを通ってプレハブのコレクターに入り、そこから炉内のスクリーンパイプに流れます。 このようにして、ドラムボイラー内の水の循環経路（循環）が閉じられます。 ドラム - 外管 - スクリーンパイプ - ドラムというスキームによる水と蒸気と水の混合物の移動は、スクリーンパイプを満たす蒸気と水の混合物の塔の総重量が水の重量よりも小さいという事実によって起こります。外管内のコラム。 これにより自然循環の圧力が生じ、水が円形に動きます。 蒸気ボイラーは多数の調整器によって自動的に制御され、オペレーターによって監視されます。 ボイラーへの燃料、水、空気の供給を調整し、ボイラードラム内の水位や過熱蒸気の温度を一定に維持する装置です。ボイラーユニットとそのすべての補助機構の動作を制御する装置が集中しています。専用のコントロールパネルで。 また、このシールドから自動操作を遠隔で実行できるデバイスも含まれており、パイプライン上のすべての遮断デバイスの開閉、個々の補助機構の起動と停止、さらにボイラーユニット全体の起動と停止が可能です。 記載されたタイプの水管ボイラーには、かさばり、重く、高価なドラムが存在するという非常に重大な欠点がある。 それを取り除くために、ドラム缶のない蒸気ボイラーが作られました。 それらは湾曲した管のシステムで構成され、その一端に給水が供給され、必要な圧力と温度の過熱蒸気がもう一方の端から出ます。つまり、水は蒸気になる前に循環せずにすべての加熱面を一度通過します。 このような蒸気ボイラーは貫流と呼ばれます。 このようなボイラーの運転方式は以下のとおりです。 給水はエコノマイザーを通過し、炉の壁に螺旋状に配置されたコイルの下部に入ります。 これらのコイル内で形成された蒸気と水の混合物は、ボイラー煙道にあるコイルに入り、そこで水から蒸気への変換が終了します。 貫流ボイラーのこの部分は移行ゾーンと呼ばれます。 その後、蒸気は過熱器に入ります。 過熱器を出た後、蒸気は消費者に送られます。 燃焼に必要な空気はエアヒーターで加熱されます。 貫流ボイラーでは、ドラムボイラーでは不可能な200気圧以上の圧力の蒸気を得ることができます。 結果として生じる高圧（100～140気圧）と高温（500～580℃）の過熱蒸気は膨張して仕事をすることができます。 この蒸気は主蒸気パイプラインを通って蒸気タービンが設置されている機械室に送られます。 蒸気タービンでは、蒸気の位置エネルギーが蒸気タービンローターの回転の機械エネルギーに変換されます。 次に、ローターは発電機のローターに接続されます。 蒸気タービンの動作原理と装置については「電気タービン」の記事で説明されているため、詳しくは説明しません。 蒸気タービンはより経済的になります。つまり、蒸気タービンが生成するキロワット時あたりの消費熱が少なくなり、タービンから出る蒸気の圧力が低くなります。 この目的を達成するために、タービンから出た蒸気は大気中に導かれるのではなく、凝縮器と呼ばれる特別な装置に導かれ、そこではわずか 0,03 ～ 0,04 気圧という非常に低い圧力が維持されます。 これは、蒸気を水で冷却して温度を下げることによって達成されます。 この圧力での蒸気の温度は 24 ～ 29 °C です。 凝縮器では、蒸気は冷却水に熱を放出し、同時に凝縮します。つまり、水 - 凝縮水になります。 凝縮器内の蒸気の温度は、冷却水の温度と、凝縮蒸気 10 キログラムあたりに消費される冷却水の量によって異なります。 蒸気の凝縮に使用される水は、15 ～ 20 °C の温度で凝縮器に入り、約 25 ～ 50 °C の温度で凝縮器から出ます。 冷却水の消費量は蒸気100kgあたり1～XNUMXkgに達します。 コンデンサーは、XNUMX つのエンド キャップが付いた円筒形のドラムです。 太鼓の両端には金属板が取り付けられ、その中に多数の真鍮管が固定されています。 このパイプの中を冷却水が通っています。 チューブの間を、タービンからの蒸気が上から下に流れて通過します。 蒸気の凝縮中に形成される凝縮水は下から除去されます。 蒸気が凝縮する際、蒸気から冷却水が通過する管の壁への熱の伝達が非常に重要です。 蒸気中に少しでも空気が含まれると、蒸気から管壁への熱伝達が急激に悪化します。 凝縮器内で維持する必要がある圧力の量もこれに依存します。 蒸気とともに必然的に凝縮器に入り、漏れから入る空気は継続的に除去する必要があります。 これは特別な装置であるスチームジェットエジェクターによって実行されます。 タービンで出た蒸気を復水器で冷却するために、川、湖、池、海の水が使用されます。 強力な発電所における冷却水の消費量は非常に多く、たとえば、容量 1 万 kW の発電所の場合、冷却水の消費量は約 40 m3 / 秒です。 復水器で蒸気を冷却するために川から水を取り出し、復水器で加熱して川に戻す場合、そのような給水システムはワンススルーと呼ばれます。 川に十分な水がない場合は、ダムを建設して池を形成し、その一端から復水器を冷却するために取水し、加熱された水をもう一端に排出します。 場合によっては、凝縮器で加熱された水を冷却するために、高さ約 50 m の塔である冷却塔という人工冷却器が使用されます。 タービン復水器で加熱された水は、この塔内の高さ6～9mの受け皿に供給され、受け皿の開口部からジェットとなって流れ出し、水滴や薄膜となって飛び散ります。部分的に蒸発して冷却しながら、下降します。 冷却された水はプールに集められ、そこから凝縮器にポンプで送られます。 このような給水システムは閉鎖型と呼ばれます。 蒸気タービン火力発電所において、燃料の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される主要な装置を調査しました。 石炭火力発電所の運転は以下の通りです。 石炭は広軌鉄道列車によって荷降ろし装置に送られ、そこで特別な荷降ろし機構である車両ダンプの助けを借りて車両からベルトコンベアに降ろされます。 ボイラー室の燃料の在庫は、特別な貯蔵タンク、つまりバンカーに作成されます。 石炭はバンカーからミルに入り、そこで乾燥され、粉砕されて粉砕状態になります。 石炭粉塵と空気の混合物がボイラー炉に供給されます。 石炭粉塵が燃焼すると、燃焼排ガスが発生します。 冷却後、ガスは灰受け器を通過し、その中の飛灰が取り除かれて煙突に投げ込まれます。 燃焼室から落ちた灰収集器からのスラグと飛灰は、水路を通って水によって輸送され、その後灰ダンプにポンプで送られます。 燃焼用空気はファンによってボイラーエアヒーターに供給されます。 ボイラーで得られた高圧・高温の過熱蒸気は、蒸気配管を通って蒸気タービンに送られ、そこで非常に低圧に膨張して復水器に送られます。 凝縮器内で形成された凝縮水は凝縮水ポンプによって取り込まれ、ヒーターを通って脱気器に供給されます。 脱気器は凝縮水から空気とガスを除去します。 水処理装置を通過した原水も脱気装置に入り、蒸気や凝縮水の損失を補います。 脱気装置の給水タンクから、給水は蒸気ボイラーの水節減器にポンプで送られます。 排気蒸気を冷却するための水を河川から取水し、循環ポンプでタービン復水器に送ります。 タービンに接続された発電機によって生成された電気エネルギーは、昇圧変圧器を介して高圧送電線を介して消費者に送られます。 最新の火力発電所の電力は、最大6000％の効率で40メガワット以上に達する可能性があります。 火力発電所では、天然ガスまたは液体燃料のガス タービンを使用することもできます。 ガス タービン発電所 (GTPP) は、電力負荷のピークをカバーするために使用されます。 蒸気タービンとガスタービンユニットからなる複合サイクル発電所もあります。 その効率は 43% に達します。 水力発電所と比較した火力発電所の利点は、どこにでも建設でき、消費者に近いことです。 ほぼすべての種類の化石燃料で動作するため、その地域で入手可能な種類に適合させることができます。 70 世紀の 75 年代半ば。 火力発電所で発電される電力の割合は総発電量の約 80% でした。 ソ連と米国ではさらに高かった - XNUMX%。 火力発電所の主な欠点は、二酸化炭素による高度な環境汚染と、灰捨て場が広い面積を占めることです。 著者: Pristinsky V.L.
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