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HISTOIRE DE LA TECHNOLOGIE, TECHNOLOGIE, OBJETS AUTOUR DE NOUS
Centrale thermique. Histoire de l'invention et de la production
Annuaire / L'histoire de la technologie, de la technologie, des objets qui nous entourent Centrale thermique (centrale thermique) - une centrale électrique qui génère de l'énergie électrique en convertissant l'énergie chimique du combustible en énergie mécanique de rotation de l'arbre du générateur électrique.
Dans les centrales thermiques, l'énergie thermique dégagée lors de la combustion des énergies fossiles (charbon, tourbe, schiste, pétrole, gaz) est transformée en énergie mécanique puis électrique. Ici, l'énergie chimique contenue dans le carburant passe par un chemin complexe de transformations d'une forme à une autre pour obtenir de l'énergie électrique. La conversion de l'énergie contenue dans le combustible d'une centrale thermique peut être divisée en plusieurs étapes principales : la conversion de l'énergie chimique en énergie thermique, de l'énergie thermique en énergie mécanique et de l'énergie mécanique en énergie électrique. Les premières centrales thermiques (TPP) sont apparues à la fin du XIXe siècle. En 1882, le TPP a été construit à New York, en 1883 - à Saint-Pétersbourg, en 1884 - à Berlin. La plupart des TPP sont des centrales thermiques à turbine à vapeur. Sur eux, l'énergie thermique est utilisée dans une unité de chaudière (générateur de vapeur).
L'un des éléments les plus importants de la chaudière est le four. Dans celui-ci, l'énergie chimique du combustible est convertie en énergie thermique lors de la réaction chimique des éléments combustibles du combustible avec l'oxygène atmosphérique. Dans ce cas, des produits de combustion gazeux se forment, qui perçoivent l'essentiel de la chaleur dégagée lors de la combustion du combustible. Lors du chauffage du combustible dans le four, du coke et des substances gazeuses et volatiles se forment. À une température de 600 à 750 °C, les substances volatiles s'enflamment et commencent à brûler, ce qui entraîne une augmentation de la température dans le four. Dans le même temps, la combustion du coke commence. En conséquence, des gaz de combustion se forment qui sortent du four à une température de 1000-1200 °C. Ces gaz sont utilisés pour chauffer l'eau et produire de la vapeur. Au début du XIXème siècle. pour obtenir de la vapeur, des unités simples ont été utilisées, dans lesquelles le chauffage et l'évaporation de l'eau n'étaient pas distingués. Un représentant typique du type le plus simple de chaudières à vapeur était une chaudière cylindrique. Pour le développement de l'industrie de l'énergie électrique, il fallait des chaudières produisant de la vapeur à haute température et à haute pression, car c'est dans cet état qu'elle fournit la plus grande quantité d'énergie. De telles chaudières ont été créées et appelées chaudières à tubes d'eau. Dans les chaudières à tubes d'eau, les gaz de combustion s'écoulent autour des tuyaux dans lesquels l'eau circule, la chaleur des gaz de combustion est transférée à travers les parois des tuyaux vers l'eau, qui se transforme en vapeur.
La chaudière à vapeur moderne fonctionne comme suit. Le combustible brûle dans un four avec des tuyaux verticaux près des murs. Sous l'influence de la chaleur dégagée lors de la combustion du carburant, l'eau contenue dans ces canalisations bout. La vapeur qui en résulte monte dans le tambour de la chaudière. La chaudière est un cylindre en acier horizontal à paroi épaisse rempli d'eau jusqu'à la moitié. La vapeur est collectée dans la partie supérieure du tambour et en sort dans un groupe de serpentins - un surchauffeur. Dans le surchauffeur, la vapeur est en outre chauffée par les fumées sortant du four. Il a une température supérieure à celle à laquelle l'eau bout à une pression donnée. Cette vapeur est dite surchauffée. Après avoir quitté le surchauffeur, la vapeur va au consommateur. Dans les conduits de la chaudière situés après le surchauffeur, les gaz de combustion traversent un autre groupe de serpentins - un économiseur d'eau. Dans celui-ci, l'eau avant d'entrer dans le ballon de la chaudière est chauffée par la chaleur des gaz de combustion. En aval de l'économiseur, le long du trajet des gaz de combustion, des tuyaux de réchauffeur d'air sont généralement placés. Dans celui-ci, l'air est chauffé avant d'être introduit dans le four. Après le réchauffeur d'air, les gaz de combustion à une température de 120-160 °C sortent dans la cheminée. Tous les processus de travail de la chaudière sont entièrement mécanisés et automatisés. Il est desservi par de nombreux mécanismes auxiliaires entraînés par des moteurs électriques dont la puissance peut atteindre plusieurs milliers de kilowatts. Les chaudières des centrales électriques puissantes produisent de la vapeur à haute pression - 140-250 atmosphères et à haute température - 550-580 °C. Les foyers de ces chaudières brûlent principalement du combustible solide, broyé à l'état pulvérisé, du fioul ou du gaz naturel. La transformation du charbon à l'état pulvérisé s'effectue dans des usines pulvérisées. Le principe de fonctionnement d'une telle installation avec un broyeur à boulets est le suivant. Le combustible entre dans la chaufferie par des convoyeurs à bande et est déchargé dans le bunker, à partir duquel, après des balances automatiques, il est alimenté par un alimentateur vers le broyeur à charbon. Le broyage du combustible s'effectue à l'intérieur d'un tambour horizontal tournant à une vitesse d'environ 20 tr/min. Il contient des billes d'acier. De l'air chaud chauffé à une température de 300 à 400 °C est fourni au broyeur par une canalisation. Donnant une partie de sa chaleur au séchage du combustible, l'air est refroidi à une température d'environ 130 ° C et, sortant du tambour, entraîne la poussière de charbon formée dans le broyeur dans le séparateur de poussière (séparateur). Le mélange air-poussière débarrassé des grosses particules quitte le séparateur par le haut et se dirige vers le séparateur de poussière (cyclone). Dans le cyclone, la poussière de charbon est séparée de l'air et, à travers la vanne, pénètre dans le bunker à poussière de charbon. Dans le séparateur, de grosses particules de poussière tombent et retournent au broyeur pour un broyage supplémentaire. Un mélange de poussière de charbon et d'air est introduit dans les brûleurs de la chaudière. Les brûleurs à charbon pulvérisé sont des dispositifs permettant d'amener du combustible pulvérisé et l'air nécessaire à sa combustion dans la chambre de combustion. Ils doivent assurer une combustion complète du carburant en créant un mélange homogène d'air et de carburant. Le four des chaudières à charbon pulvérisé modernes est une chambre haute dont les parois sont recouvertes de tuyaux, appelés écrans vapeur-eau. Ils empêchent les parois de la chambre de combustion de coller aux scories formées lors de la combustion du combustible, et protègent également le revêtement de l'usure rapide due à l'action chimique des scories et à la température élevée qui se développe lorsque le combustible est brûlé dans le four. Les écrans perçoivent 10 fois plus de chaleur par mètre carré de surface que les autres surfaces chauffantes tubulaires de la chaudière, qui perçoivent la chaleur des fumées principalement par contact direct avec celles-ci. Dans la chambre de combustion, la poussière de charbon s'enflamme et brûle dans le flux de gaz qui la transporte. Les fours-chaudières qui brûlent des combustibles gazeux ou liquides sont également des chambres recouvertes d'écrans. Un mélange de carburant et d'air leur est fourni par des brûleurs à gaz ou des brûleurs à mazout. Le dispositif d'une chaudière à tambour moderne de grande capacité fonctionnant à la poussière de charbon est le suivant. Le combustible sous forme de poussière est insufflé dans le four par les brûleurs, ainsi qu'une partie de l'air nécessaire à la combustion. Le reste de l'air est fourni au four préchauffé à une température de 300-400 °C. Dans le four, les particules de charbon brûlent à la volée, formant une torche, à une température de 1500-1600 °C. Les impuretés non combustibles du charbon se transforment en cendres, dont la plupart (80 à 90%) sont éliminées du four par les gaz de combustion formés à la suite de la combustion du combustible. Le reste des cendres, constitué de particules de scories collées entre elles, accumulées sur les tubulures des grilles du four puis détachées de celles-ci, tombe au fond du four. Après cela, il est collecté dans un puits spécial situé sous la chambre de combustion. Le laitier y est refroidi avec un jet d'eau froide, puis il est transporté par de l'eau à l'extérieur de la chaudière par des dispositifs spéciaux du système hydraulique d'élimination des cendres. Les parois du four sont recouvertes d'un écran - des tuyaux dans lesquels l'eau circule. Sous l'influence de la chaleur dégagée par une torche allumée, il se transforme partiellement en vapeur. Ces tuyaux sont reliés au ballon de la chaudière, qui est également alimenté en eau chauffée dans l'économiseur. Au fur et à mesure que les gaz de combustion se déplacent, une partie de leur chaleur est rayonnée vers les tubes écrans et la température des gaz diminue progressivement. A la sortie du four, elle est de 1000-1200°C. Avec un mouvement supplémentaire, les fumées à la sortie du four entrent en contact avec les tubes des écrans, se refroidissant à une température de 900-950 °C. Dans le conduit de gaz de la chaudière, des tubes de serpentins sont placés, à travers lesquels passe la vapeur, formés dans les tuyaux de tamis et séparés de l'eau dans le tambour de la chaudière. Dans les serpentins, la vapeur reçoit de la chaleur supplémentaire des gaz de combustion et surchauffe, c'est-à-dire que sa température devient supérieure à la température de l'eau bouillant à la même pression. Cette partie de la chaudière s'appelle le surchauffeur. Après être passés entre les tuyaux du surchauffeur, les gaz de combustion à une température de 500 à 600 ° C pénètrent dans la partie de la chaudière dans laquelle se trouvent les tuyaux du chauffe-eau ou de l'économiseur d'eau. L'eau d'alimentation à une température de 210-240 °C lui est fournie par une pompe. Une telle température élevée de l'eau est obtenue dans des réchauffeurs spéciaux qui font partie de l'installation de turbine. Dans l'économiseur d'eau, l'eau est chauffée au point d'ébullition et pénètre dans le tambour de la chaudière. Les fumées passant entre les tubulures de l'économiseur d'eau continuent à se refroidir puis passent à l'intérieur des tubulures de l'aérotherme, dans lequel l'air est réchauffé grâce à la chaleur dégagée par les gaz, dont la température est alors abaissée à 120 -160 °C. L'air nécessaire à la combustion du combustible est fourni au réchauffeur d'air par un ventilateur soufflant et y est chauffé à 300-400 °C, après quoi il entre dans le four pour la combustion du combustible. Les gaz de combustion, ou sortants, quittant le réchauffeur d'air passent à travers un dispositif spécial - un récupérateur de cendres - pour l'élimination des cendres. Les gaz d'échappement purifiés sont émis dans l'atmosphère par une cheminée jusqu'à 200 m de haut par un extracteur de fumée. Le tambour est essentiel dans les chaudières de ce type. Par de nombreux tuyaux, un mélange vapeur-eau provenant des écrans du four y pénètre. Dans le tambour, la vapeur est séparée de ce mélange et l'eau restante est mélangée à l'eau d'alimentation entrant dans ce tambour à partir de l'économiseur. Du tambour, l'eau passe à travers des tuyaux situés à l'extérieur du four dans des collecteurs préfabriqués, et de ceux-ci dans des tuyaux à tamis situés dans le four. De cette façon, le chemin circulaire (circulation) de l'eau dans les chaudières à tambour est fermé. Le mouvement de l'eau et du mélange vapeur-eau selon le schéma tambour - tuyaux extérieurs - tuyaux de tamis - tambour se produit du fait que le poids total de la colonne de mélange vapeur-eau remplissant les tuyaux de tamis est inférieur au poids de l'eau colonne dans les tuyaux extérieurs. Cela crée une pression de circulation naturelle, assurant un mouvement circulaire de l'eau. Les chaudières à vapeur sont contrôlées automatiquement par de nombreux régulateurs, qui sont supervisés par l'opérateur. Les dispositifs régulent l'alimentation en combustible, en eau et en air de la chaudière, maintiennent un niveau d'eau constant dans le tambour de la chaudière, la température de la vapeur surchauffée, etc. Les dispositifs qui contrôlent le fonctionnement de la chaudière et de tous ses mécanismes auxiliaires sont concentrés sur un panneau de contrôle spécial. Il contient également des dispositifs permettant d'effectuer à distance des opérations automatisées à partir de ce bouclier : ouverture et fermeture de tous les dispositifs d'arrêt sur les canalisations, démarrage et arrêt des mécanismes auxiliaires individuels, ainsi que démarrage et arrêt de l'ensemble de la chaudière dans son ensemble. Les chaudières à tubes d'eau du type décrit présentent un inconvénient très important : la présence d'un ballon encombrant, lourd et coûteux. Pour s'en débarrasser, des chaudières à vapeur sans tambour ont été créées. Ils consistent en un système de tubes courbes, à une extrémité desquels l'eau d'alimentation est fournie, et de la vapeur surchauffée de la pression et de la température requises sort de l'autre, c'est-à-dire que l'eau traverse toutes les surfaces chauffantes une fois sans circulation avant de se transformer en vapeur. Ces chaudières à vapeur sont appelées à passage unique. Le schéma de fonctionnement d'une telle chaudière est le suivant. L'eau d'alimentation traverse l'économiseur, puis pénètre dans la partie inférieure des serpentins, situés en hélice sur les parois du four. Le mélange vapeur-eau formé dans ces serpentins entre dans le serpentin situé dans la cheminée de la chaudière, où se termine la conversion de l'eau en vapeur. Cette partie de la chaudière à passage unique est appelée la zone de transition. La vapeur entre alors dans le surchauffeur. Après avoir quitté le surchauffeur, la vapeur est dirigée vers le consommateur. L'air nécessaire à la combustion est réchauffé dans l'aérotherme. Les chaudières à passage unique vous permettent d'obtenir de la vapeur avec une pression de plus de 200 atmosphères, ce qui est impossible dans les chaudières à tambour. La vapeur surchauffée résultante, qui a une pression élevée (100-140 atmosphères) et une température élevée (500-580 ° C), est capable de se dilater et de faire du travail. Cette vapeur est transférée via des conduites de vapeur principales vers la salle des machines, où sont installées des turbines à vapeur. Dans les turbines à vapeur, l'énergie potentielle de la vapeur est convertie en énergie mécanique de rotation du rotor de la turbine à vapeur. À son tour, le rotor est relié au rotor du générateur électrique. Le principe de fonctionnement et le dispositif d'une turbine à vapeur sont abordés dans l'article "Turbine électrique", nous ne nous y attarderons donc pas en détail. La turbine à vapeur sera d'autant plus économique, c'est-à-dire que moins elle consommera de chaleur pour chaque kilowattheure généré par elle, plus la pression de la vapeur sortant de la turbine sera faible. À cette fin, la vapeur sortant de la turbine n'est pas dirigée dans l'atmosphère, mais dans un dispositif spécial appelé condenseur, dans lequel une très basse pression est maintenue, seulement 0,03-0,04 atmosphères. Ceci est réalisé en abaissant la température de la vapeur en la refroidissant avec de l'eau. La température de la vapeur à cette pression est de 24-29 °C. Dans le condenseur, la vapeur cède sa chaleur à l'eau de refroidissement et, en même temps, elle se condense, c'est-à-dire qu'elle se transforme en eau - condensat. La température de la vapeur dans le condenseur dépend de la température de l'eau de refroidissement et de la quantité de cette eau consommée pour chaque kilogramme de vapeur condensée. L'eau utilisée pour condenser la vapeur entre dans le condenseur à une température de 10-15 °C et en sort à une température d'environ 20-25 °C. La consommation d'eau de refroidissement atteint 50 à 100 kg pour 1 kg de vapeur. Le condenseur est un tambour cylindrique avec deux embouts. Des planches métalliques sont installées aux deux extrémités du tambour, dans lesquelles un grand nombre de tubes en laiton sont fixés. L'eau de refroidissement passe par ces tuyaux. Entre les tubes, circulant autour d'eux de haut en bas, passe la vapeur de la turbine. Le condensat formé lors de la condensation de la vapeur est évacué par le bas. Lors de la condensation de la vapeur, le transfert de chaleur de la vapeur vers la paroi des tubes traversés par l'eau de refroidissement est d'une grande importance. S'il y a même une petite quantité d'air dans la vapeur, le transfert de chaleur de la vapeur à la paroi du tube se détériore fortement ; la quantité de pression qui devra être maintenue dans le condenseur en dépendra également. L'air qui pénètre inévitablement dans le condenseur avec de la vapeur et par des fuites doit être évacué en permanence. Ceci est effectué par un appareil spécial - un éjecteur à jet de vapeur. Pour refroidir dans le condenseur la vapeur produite dans la turbine, on utilise l'eau d'une rivière, d'un lac, d'un étang ou d'une mer. La consommation d'eau de refroidissement dans les centrales électriques puissantes est très élevée et, par exemple, pour une centrale électrique d'une capacité de 1 million de kW, elle est d'environ 40 m3 / s. Si l'eau est prélevée dans la rivière pour refroidir la vapeur dans les condenseurs, puis, chauffée dans le condenseur, est renvoyée dans la rivière, un tel système d'alimentation en eau est appelé à passage unique. S'il n'y a pas assez d'eau dans la rivière, un barrage est construit et un étang est formé, d'une extrémité duquel l'eau est prélevée pour refroidir le condenseur et l'eau chauffée est évacuée à l'autre extrémité. Parfois, pour refroidir l'eau chauffée dans le condenseur, des refroidisseurs artificiels sont utilisés - des tours de refroidissement, qui sont des tours d'environ 50 m de haut. L'eau chauffée dans les condenseurs à turbine est fournie aux plateaux situés dans cette tour à une hauteur de 6 à 9 m. S'écoulant en jets à travers les ouvertures des plateaux et éclaboussant sous forme de gouttes ou d'un film mince, l'eau s'écoule vers le bas, tout en s'évaporant partiellement et en se refroidissant. L'eau refroidie est collectée dans une piscine, d'où elle est pompée vers les condenseurs. Un tel système d'alimentation en eau est appelé fermé. Nous avons examiné les principaux dispositifs utilisés pour convertir l'énergie chimique du combustible en énergie électrique dans une centrale thermique à turbine à vapeur. Le fonctionnement d'une centrale électrique au charbon est le suivant. Le charbon est acheminé par des trains ferroviaires à voie large jusqu'au dispositif de déchargement, où, à l'aide de mécanismes de déchargement spéciaux - des tombereaux de wagons - il est déchargé des wagons sur des convoyeurs à bande. Le stock de combustible dans la chaufferie est créé dans des réservoirs de stockage spéciaux - des soutes. Depuis les bunkers, le charbon entre dans le broyeur, où il est séché et broyé à l'état pulvérisé. Un mélange de poussière de charbon et d'air est introduit dans le four de la chaudière. Lorsque la poussière de charbon est brûlée, des gaz de combustion sont produits. Après refroidissement, les gaz traversent le récupérateur de cendres et, après avoir été nettoyés des cendres volantes, sont jetés dans la cheminée. Les scories et les cendres volantes des collecteurs de cendres qui sont tombées de la chambre de combustion sont transportées par l'eau à travers des canaux, puis pompées vers la décharge de cendres. L'air de combustion est fourni par un ventilateur à l'aérotherme de la chaudière. La vapeur surchauffée à haute pression et haute température obtenue dans la chaudière est acheminée par des conduites de vapeur vers la turbine à vapeur, où elle se détend à une très basse pression et se dirige vers le condenseur. Le condensat formé dans le condenseur est prélevé par la pompe à condensat et acheminé à travers le réchauffeur vers le dégazeur. Le dégazeur élimine l'air et les gaz du condensat. L'eau brute qui a traversé le dispositif de traitement de l'eau entre également dans le dégazeur pour compenser la perte de vapeur et de condensat. Depuis le réservoir d'alimentation du dégazeur, l'eau d'alimentation est pompée vers l'économiseur d'eau de la chaudière à vapeur. L'eau de refroidissement de la vapeur d'échappement est prélevée dans la rivière et envoyée au condenseur de la turbine par une pompe de circulation. L'énergie électrique générée par le générateur connecté à la turbine est déchargée via des transformateurs électriques élévateurs via des lignes électriques à haute tension jusqu'au consommateur. La puissance des centrales thermiques modernes peut atteindre 6000 mégawatts ou plus avec un rendement allant jusqu'à 40 %. Les centrales thermiques peuvent également utiliser des turbines à gaz naturel ou à combustible liquide. Les centrales électriques à turbine à gaz (GTPP) sont utilisées pour couvrir les pointes de charge électrique. Il existe également des centrales électriques à cycle combiné dans lesquelles la centrale est constituée d'unités de turbines à vapeur et de turbines à gaz. Leur efficacité atteint 43%. L'avantage des centrales thermiques par rapport aux centrales hydroélectriques est qu'elles peuvent être construites n'importe où, ce qui les rapproche du consommateur. Ils fonctionnent avec presque tous les types de combustibles fossiles, ils peuvent donc être adaptés au type disponible dans la région. Au milieu des années 70 du XXe siècle. la part de l'électricité produite dans les centrales thermiques représentait environ 75 % de la production totale. En URSS et aux États-Unis, il était encore plus élevé - 80 %. Le principal inconvénient des centrales thermiques est un degré élevé de pollution de l'environnement par le dioxyde de carbone, ainsi qu'une grande surface occupée par des décharges de cendres. Auteur : Pristinsky V.L.
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