ما هي محطات توليد الكهرباء الحرارية؟

أهمية عمل محطات توليد الكهرباء الحرارية:

وجدت الدراسات بأنه ما يقرب من ثلثي احتياجات العالم بشكل مستمر من “الطاقة الكهربائية” بواسطة محطات “الطاقة الحرارية”، وفي محطات الطاقة هذه؛ فإنه يتم إنتاج البخار بشكل أساسي عن طريق حرق بعض الوقود الأحفوري (مثل الفحم) ثم استخدامه لتشغيل التوربينات البخارية، وبالتالي قد يطلق على محطة الطاقة الحرارية أحياناً اسم محطة الطاقة البخارية.

وبعد مرور البخار من خلال التوربين البخاري المعني بالتوليد؛ فإنه يتم تكثيفه بواسطة مكثف خاص وإعادته مرة أخرى إلى “الغلاية” ليصبح بخاراً، كما يُعرف هذا بدورة الترتيب الحثيث، حيث يوضح هذا الطرح كيفية توليد الكهرباء في محطات الطاقة الحرارية، ونظراً لأن غالبية محطات الطاقة الحرارية تستخدم الفحم كوقود أساسي؛ فإنه يتم التركيز على محطة طاقة حرارية تعمل بالفحم.

المخطط النموذجي لعمل محطة طاقة حرارية:

يظهر أدناه تخطيط مبسط لمحطة طاقة حرارية.

الفحم: في المحطات التخصصية بتوليد الطاقة الحرارية والقائمة على الفحم؛ فإنه 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 منزل المرجل، حيث 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.

كما يخضع “الفحم المسحوق” الناعم للاحتراق الكامل، وبالتالي يطور الفحم المسحوق من الكفاءة التشغيلية الخاصة بالبويلر البخاري الخاص، لذلك يتم إخراج الرماد الناتج بعد احتراق الفحم من فرن الغلاية ثم التخلص منه بشكل صحيح، كما تعتبر الإزالة الدورية للرماد من فرن الغلاية ضرورية للاحتراق السليم.

المرجل: يُؤخذ خليط الفحم المسحوق، والذي تم تجهيزه مسبقاً مخلوطاً مع الهواء (عادة الهواء المسخن مسبقاً) في المرجل ثم يُحرق في منطقة الاحتراق، عند اشتعال الوقود؛ فإنها تتشكل كرة نارية كبيرة في وسط المرجل وتنبعث منه كمية كبيرة من الطاقة الحرارية.

كما يتم استخدام الطاقة الحرارية لتحويل الماء إلى بخار عند درجة حرارة وضغط مرتفعين، بحيث تمتد الأنابيب الفولاذية على طول جدران “الغلاية”، حيث يتم تحويل الماء إلى بخار، لذلك تشق غازات المداخن من الغلاية طريقها من خلال جهاز التسخين والموفر والتسخين المسبق للهواء، وأخيراً يتم استنفادها في الغلاف الجوي من المدخنة.

• الغلاية الفائقة: يتم تعليق الأنابيب الخاصة بهذا السخان في الجزء الأكثر سخونة من الغلاية، كما يتم تسخين “البخار المشبع” الناتج في أنابيب الغلاية إلى حوالي (540) درجة مئوية في السخان الفائق، ثم يتم تغذية البخار عالي “الضغط المحمص” إلى التوربينات البخارية.

• المقتصد: الموفر هو في الأساس سخان مياه التغذية الذي يسخن الماء قبل إمداد الغلاية.

• سخان الهواء المسبق: مروحة الهواء الأولية تأخذ الهواء من الغلاف الجوي ثم يتم تدفئته في سخان الهواء المسبق، كما يتم حقن الهواء المسخن مسبقاً بالفحم في المرجل، كما أن ميزة التسخين المسبق للهواء هي أنه يحسن احتراق الفحم.

التوربينات البخارية: يتم تغذية البخار بالضغط المناسب مع مزامنة أن يكون عالي التسخين إلى التوربينات البخارية مما يؤدي إلى تدوير “ريش التوربينات”، كما يتم تحويل الطاقة في البخار إلى طاقة حركية في التوربينات البخارية التي تعمل كمحرك رئيسي وفعال، بحيث ينخفض ضغط ودرجة حرارة البخار إلى قيمة أقل ويتوسع في الحجم أثناء مروره عبر التوربين، حيث يتم استنفاد البخار الموسع منخفض الضغط في المكثف.

المكثف: يتم تكثيف البخار المستنفد في المكثف عن طريق تدوير الماء البارد، وهنا يفقد البخار ضغطه ودرجة حرارته ويتحول مرة أخرى إلى ماء. التكثيف ضروري لأن ضغط مائع في حالة غازية يتطلب كمية هائلة من الطاقة فيما يتعلق بالطاقة اللازمة لضغط السائل. وبالتالي، يزيد التكثيف من كفاءة الدورة.

المولد: عندما تكون التوربينات البخارية مقترنة بمولد تيار متردد وعندما يدور التوربين المولد؛ فإنه يتم توليد “طاقة كهربائية” ويتم بعد ذلك تصعيد هذا الجهد الكهربائي المتولد تدريجياً، وذلك بمساعدة محول ثم ينتقل إلى حيث سيتم استخدامه.

مضخة مياه التغذية: يتم تغذية الماء المكثف مرة أخرى إلى “الغلاية” بواسطة مضخة مياه التغذية، كما قد يتم فقد بعض المياه أثناء الدورة، والتي يتم توفيرها بشكل مناسب من مصدر مياه خارجي.

لذلك كان هذا هو مبدأ العمل الأساسي لمحطة “الطاقة الحرارية” ومكوناتها النموذجية، بحيث تمتلك المحطة الحرارية العملية تصميماً أكثر تعقيداً ومراحل أخرى متعددة من التوربينات، مثل التوربينات ذات الضغط العالي (HPT) والتوربينات ذات الضغط المتوسط ​​(IPT) والتوربينات ذات الضغط المنخفض (LPT).

مزايا وعيوب محطة توليد الطاقة الحرارية:

الميزات:

• تكلفة أولية أقل مقارنة بمحطات التوليد الأخرى.

• تتطلب مساحة أقل مقارنة بمحطة الطاقة الكهرومائية.

• الوقود (أي الفحم) أرخص.

• تكلفة التوليد أقل من تكلفة محطات توليد الطاقة التي تعمل بالديزل.

السلبيات:

• تلويث الغلاف الجوي بسبب إنتاج كمية كبيرة من الدخان، وهذا هو أحد أسباب الاحتباس الحراري.

• الكفاءة الكلية لمحطة الطاقة الحرارية منخفضة (أقل من 30٪).

كفاءة محطة توليد الطاقة الحرارية:

يتم فقدان كمية هائلة من الحرارة في مراحل مختلفة من النبات، كما يتم فقد جزء كبير من الحرارة في المكثف، وهذا هو السبب في أن كفاءة المحطات الحرارية منخفضة للغاية.

الكفاءة الحرارية: تسمى نسبة “المكافئ الحراري للطاقة الميكانيكية المنقولة إلى عمود التوربين” إلى “حرارة احتراق الفحم” بالكفاءة الحرارية.

كما تبلغ الكفاءة الحرارية لمحطات الطاقة الحرارية الحديثة حوالي 30٪، وهذا يعني أنه إذا تم إنتاج 100 سعرة حرارية من الحرارة عن طريق احتراق الفحم؛ فإن الطاقة الميكانيكية المكافئة لـ 30 سعرة حرارية ستكون متاحة في عمود التوربينات.

الكفاءة الكلية: يُطلق على نسبة “المكافئ الحراري للناتج الكهربائي” إلى “حرارة احتراق الفحم” الكفاءة الكلية، كما تبلغ الكفاءة الكلية للمحطة الحرارية حوالي 29٪ (أقل بقليل من الكفاءة الحرارية).

وأخيراً تبقى محطات الطاقة الحرارية والتي تكون معنية بتوليد الطاقة الكهربائية 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، وكذلك ضمان ديمومة العمل دون التعرض الى الإخفاقات المؤسفة والمعنية بالجانب الاقتصادي وحتى مبدأ تحقيق الموثوقية الخاصة بشبكات النقل والتوزيع المرتبطة بها.