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किसी ऊष्मीय विद्युत संयंत्र की चिमनी से उठते सफेद धुएं को देखकर अगर आप यह सोचें कि "ईंधन की ऊष्मा सीधे बिजली में परिवर्तित हो जाती है", तो आप दक्षता और पर्यावरणीय बोझ के महत्व को भूल जाएंगे। वास्तव में, संयंत्र ईंधन की रासायनिक ऊर्जा को दहन गैस की ऊष्मा में परिवर्तित करता है, भाप या उच्च तापमान वाली गैस से टरबाइन को घुमाता है, और जनरेटर और ट्रांसफार्मर के माध्यम से बिजली को ग्रिड तक पहुंचाता है। बॉयलर, टरबाइन, कंडेंसर, फ्लू-गैस उपचार और शीतलन उपकरण, ये सभी दक्षता और उत्पादन लचीलेपन के बीच एक संतुलन से जुड़े होते हैं।

इरु थर्मल पावर प्लांट के अंदर टरबाइन और जनरेटरटरबाइन और जनरेटर का उदाहरण

चित्र: Waste इरु थर्मल पावर प्लांट में ब्लॉक टरबाइन और जनरेटर (लौरी वीरडे, CC BY-SA 4.0), विकिमीडिया कॉमन्स। यह एक आंतरिक उदाहरण है, तुलना में उपयोग किए गए विशिष्ट संयंत्र की तस्वीर नहीं है।

30-सेकंड का संस्करण

  • एक स्टीम टरबाइन रैंकिन चक्र पर चलती है; एक गैस टरबाइन ब्रेटन चक्र पर चलती है। एक संयुक्त चक्र (CCGT), जो निकास ऊष्मा से भी भाप बनाता है, उच्च दक्षता प्राप्त करता है।

  • उत्पादन दक्षता न केवल दहन तापमान पर निर्भर करती है, बल्कि भाप के दबाव और तापमान, कंडेंसर वैक्यूम, शीतलन जल के तापमान, आंशिक भार और इकाई के चालू और बंद होने की आवृत्ति पर भी निर्भर करती है।

  • कोयला एक स्थिर ईंधन है, लेकिन CO₂ और वायु प्रदूषकों के प्रबंधन का बोझ भारी है। प्राकृतिक गैस से चलने वाली CCGT कम उत्सर्जन करती है और तेजी से चालू होती है, लेकिन मीथेन रिसाव और ईंधन की कीमतों में उतार-चढ़ाव का खतरा बना रहता है।

  • कार्बन उत्सर्जन कम करने के लिए थर्मल ऊर्जा को नवीकरणीय ऊर्जा और बैटरी के साथ जोड़ा जाता है, और बायोमास, हाइड्रोजन/अमोनिया सह-दहन और CCS/CCUS की तुलना जीवनचक्र के आधार पर की जाती है।

  • परिवर्तनशील उत्पादन को बैकअप देने वाली थर्मल पावर के लिए, मूल्य उत्पादन की तुलना में न्यूनतम भार, रैंप दर, स्टार्टअप समय, सिंक्रोनस इनर्शिया और उत्सर्जन तीव्रता द्वारा अधिक निर्धारित होता है।

1. ऊष्मा से विद्युत तक का मार्ग

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दहन गैस, भाप-उपज जल और शीतलन जल प्रणालियों तथा दो जनरेटरों को अलग करने वाला GTCC आरेख

चित्र 1 — एक संयुक्त चक्र पहले गैस-टर्बाइन जनरेटर को चलाता है, फिर HRSG के माध्यम से निकास ऊष्मा को दूसरे टर्बाइन-जनरेटर के लिए भाप में स्थानांतरित करता है। भाप को संघनित किया जाता है, पंप किया जाता है और HRSG में वापस भेज दिया जाता है; एक अलग शीतलन जल प्रणाली कंडेंसर की ऊष्मा को दूर करती है।

मान लीजिए Q_{in} ईंधन इनपुट की रासायनिक ऊर्जा है और P_e विद्युत आउटपुट है; उत्पादन दक्षता का अनुमान इस प्रकार लगाया जा सकता है:

सेंड-आउट दक्षता सहायक खपत के बाद विद्युत आउटपुट को ईंधन इनपुट से विभाजित करने पर प्राप्त होती है।

जहां \dot m_f ईंधन द्रव्यमान प्रवाह दर है और LHV निम्न तापीय मान है। सेंड-आउट दक्षता की तुलना सहायक उपकरणों (फीडवाटर पंप, फोर्स्ड-ड्राफ्ट पंखे, फ्लू-गैस उपचार, शीतलन जल पंप) द्वारा खपत की गई शक्ति को घटाने के बाद करना महत्वपूर्ण है।

2. रैंकिन चक्र और स्टीम टर्बाइन

कोयला, भारी तेल, बायोमास आदि जलाने वाले बॉयलर में, पानी को उच्च दबाव वाली भाप में परिवर्तित किया जाता है। भाप उच्च, मध्यवर्ती और निम्न दबाव वाले टर्बाइनों से होकर विभिन्न चरणों में फैलती है, कंडेंसर में पानी में वापस आ जाती है, और फीडवाटर द्वारा बॉयलर में वापस भेज दी जाती है। पंप। आदर्श रैंकिन चक्र की तापीय दक्षता है:

रैंकिन दक्षता टरबाइन के शुद्ध कार्य को बॉयलर की ऊष्मा इनपुट से विभाजित करने पर प्राप्त होती है।

और इसे रीहीट, पुनर्योजी फीडवाटर हीटिंग और सुपरक्रिटिकल प्रक्रिया द्वारा बढ़ाया जाता है।

भाप का तापमान जितना अधिक होगा, दक्षता उतनी ही अधिक होगी — लेकिन बॉयलर ट्यूब, टरबाइन ब्लेड और वेल्ड में क्रीप, ऑक्सीकरण और संक्षारण की समस्या बढ़ जाती है। अल्ट्रा-सुपरक्रिटिकल (USC) इकाइयाँ उच्च-Cr स्टील और Ni-आधारित मिश्र धातुओं का उपयोग करती हैं, और सामग्री का जीवनकाल और रखरखाव अंतराल अंततः उत्पादन लागत निर्धारित करते हैं। टरबाइन के अंतिम चरण में, गीली भाप में पानी की बूंदें ब्लेड को नष्ट कर देती हैं, इसलिए इससे निपटने के लिए नमी विभाजक और रीहीटर लगाए जाते हैं।

कंडेंसर कम दबाव पर भाप को वापस पानी में बदल देता है, जिससे टरबाइन आउटलेट दबाव कम हो जाता है और निकाले गए कार्य की मात्रा बढ़ जाती है। जब गर्मियों में समुद्री जल का तापमान अधिक होता है या कूलिंग टॉवर का प्रदर्शन गिरता है, तो कंडेंसर का दबाव बढ़ जाता है और उत्पादन और दक्षता दोनों कम हो जाती हैं। न केवल ऊष्मा स्रोत, बल्कि शीतलन जल और नदी या समुद्र की पर्यावरणीय परिस्थितियाँ भी इस पर प्रभाव डालती हैं। ऊर्जा का उपयोग तापीय चक्र के भाग के रूप में किया जाता है।

3. गैस टर्बाइन और संयुक्त चक्र

एक गैस टर्बाइन कंप्रेसर में हवा को संपीड़ित करता है, कंबस्टर में ईंधन जलाता है, और परिणामस्वरूप उच्च तापमान वाली गैस को टर्बाइन के माध्यम से विस्तारित करता है। आदर्श ब्रेटन चक्र की दक्षता लगभग दाब अनुपात r_p और विशिष्ट-ऊष्मा अनुपात \gamma द्वारा निर्धारित की जाती है।

आदर्श ब्रेटन दक्षता दाब अनुपात के साथ बढ़ती है, जो कंप्रेसर और टर्बाइन की सीमाओं के अधीन है।

दाब अनुपात बढ़ाने से आदर्श दक्षता बढ़ती है, लेकिन कंप्रेसर कार्य, ब्लेड तापमान, सर्ज मार्जिन और शीतलन वायु सभी बाधाएं बन जाती हैं।

एक साधारण चक्र की निकास गैस अभी भी गर्म होती है। एक संयुक्त चक्र (CCGT), जो भाप बनाने के लिए हीट-रिकवरी स्टीम जनरेटर (HRSG) और इसका उपयोग करने के लिए स्टीम टर्बाइन जोड़ता है, ईंधन की ऊष्मा को दो चरणों में निकालता है। प्राकृतिक गैस CCGT उच्च सेंड-आउट दक्षता को अपेक्षाकृत कम स्टार्टअप समय के साथ जोड़ता है, और सौर और पवन परिवर्तनशीलता के अनुरूप लचीले उत्पादन के रूप में उपयोग किया जाता है।

इस पर दूसरी ओर, बार-बार चालू और बंद होने से ऊष्मीय तनाव बढ़ता है और जीवनकाल कम हो जाता है। CCGT संचालन के लिए न केवल कुशल रेटेड-लोड संचालन, बल्कि कम लोड पर उत्सर्जन, न्यूनतम आउटपुट, रैंप दर, ईंधन आपूर्ति और रखरखाव योजना को भी अनुकूलित करना आवश्यक है।

4. द्रव-गैस उपचार और पर्यावरणीय भार

ईंधन में कार्बन मुख्य रूप से CO₂ में परिवर्तित होता है; नाइट्रोजन और उच्च तापमान दहन से NOx उत्पन्न होता है; सल्फर SOx में परिवर्तित होता है; और राख कण पदार्थ में परिवर्तित होती है। उत्सर्जन नियमों का पालन करने के लिए DeNOx (SCR), इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रेसिपिटेटर या बैग फिल्टर और डीसल्फराइजेशन उपकरण का संयोजन किया जाता है। डीसल्फराइजेशन अभिकर्मक, अमोनिया, पंखे और अवशोषक-तरल परिसंचरण सभी सहायक बिजली खपत और अपशिष्ट को बढ़ाते हैं, इसलिए उत्सर्जन की गणना केवल स्टैक सांद्रता के लिए नहीं, बल्कि पूरी सुविधा के लिए की जानी चाहिए।

ईंधन की खपत और कार्बन सामग्री से ईंधन के CO₂ उत्सर्जन का अनुमान लगाया जा सकता है।

ईंधन की कार्बन सामग्री और कार्बन से CO₂ का आणविक द्रव्यमान अनुपात प्रत्यक्ष उत्सर्जन निर्धारित करता है।

यहाँ w_C ईंधन में कार्बन द्रव्यमान अंश है। ईंधन। ऊर्जा स्रोतों की तुलना करते समय, जनरेटर टर्मिनलों के बजाय प्रति आउटपुट आधार पर g-CO₂/kWh देखें, उपकरण निर्माण, ईंधन परिवहन और निपटान सहित जीवनचक्र पर विचार करें, और क्षमता कारक और स्टार्टअप उत्सर्जन को अलग-अलग देखें।

5. हाइड्रोजन/अमोनिया सह-दहन और सीसीएस

हाइड्रोजन जलने पर CO₂ उत्सर्जित नहीं करता है, लेकिन इसकी उत्पादन विधि ऊर्जा स्रोत के रूप में इससे होने वाले उत्सर्जन को निर्धारित करती है। प्राकृतिक गैस रिफॉर्मिंग और सीसीएस से प्राप्त ब्लू हाइड्रोजन, और नवीकरणीय बिजली का उपयोग करके इलेक्ट्रोलाइसिस से प्राप्त ग्रीन हाइड्रोजन, दोनों का ऊर्जा दक्षता, परिवहन, रिसाव और भंडारण सहित मूल्यांकन किया जाना आवश्यक है। हाइड्रोजन की ज्वाला गति और ज्वलनशीलता अधिक होती है, इसलिए दहनक में फ्लैशबैक, NOx और सामग्री भंगुरता जैसी समस्याओं का समाधान करना आवश्यक है।

अमोनिया तरल रूप में परिवहन करने में आसान है, लेकिन इसकी धीमी दहन गति के कारण अज्वलित अमोनिया (स्लिप) और NOx का उपचार एक चुनौती है। सह-दहन अनुपात बढ़ाने से रेट्रोफिट कार्य का दायरा और ईंधन लागत दोनों बढ़ जाती हैं, इसलिए इस पर विचार करना आवश्यक है। मौजूदा संयंत्रों के जीवनकाल को बढ़ाने, नए समर्पित-चालित इकाइयों के निर्माण और नवीकरणीय ऊर्जा के साथ-साथ बैटरी के उपयोग की तुलना में इन विकल्पों का मूल्यांकन किया जाना चाहिए।

कार्बन कैप्चर एंड स्टोरेज (CCS) फ्लू गैस से CO₂ को अलग करता है, उसे संपीड़ित करता है, परिवहन करता है और भूमिगत रूप से संग्रहित करता है। अमाइन अवशोषण पृथक्करण के लिए भाप और बिजली का उपयोग करता है, जिससे उत्पादन दक्षता कई गुना कम हो जाती है। भंडारण स्थल की खोज, रिसाव की निगरानी, पाइपलाइन में चरण प्रबंधन और दीर्घकालिक देयता सहित व्यावहारिकता का मूल्यांकन किया जाना आवश्यक है। जहां CCUS कैप्चर की गई CO₂ का उपयोग फीडस्टॉक या ईंधन के रूप में करता है, वहां यह भी पुष्टि करना महत्वपूर्ण है कि यह अंततः वायुमंडल में कब वापस लौटेगी।

6. ग्रिड संचालन में मूल्य

एक थर्मल पावर प्लांट ईंधन की उपलब्धता तक निरंतर उत्पादन प्रदान कर सकता है और ग्रिड को सिंक्रोनस जनरेटर की जड़ता और शॉर्ट-सर्किट करंट की आपूर्ति करता है। कुछ गैस-टर्बाइन इकाइयां मिनटों से लेकर दसियों मिनटों में चालू हो सकती हैं, जिससे वे आपूर्ति-मांग संतुलन के लिए उपयुक्त होती हैं। कोयला-चालित और बड़े स्टीम-टर्बाइन इकाइयों में उच्च न्यूनतम भार और लंबे स्टार्टअप समय होते हैं, और बार-बार लोड-फॉलोइंग से इनकी जीवन अवधि कम हो जाती है।

मान लीजिए रैंप दर R=dP/dt, न्यूनतम लोड P_{min} और स्टार्टअप समय t_{start} है; नवीकरणीय पूर्वानुमान त्रुटि को कवर करने की इकाई की क्षमता का मूल्यांकन केवल रेटेड आउटपुट के आधार पर नहीं, बल्कि बेहतर तरीके से किया जा सकता है, क्योंकि

उपलब्ध डिस्पैच रेंज रैंप दर, बीता हुआ समय और न्यूनतम स्थिर लोड द्वारा सीमित होती है।

थर्मल यूनिट को बैटरी, हाइड्रो, डिमांड रिस्पॉन्स और इंटरकनेक्टर के साथ जोड़ने से कम लोड पर थर्मल यूनिट को निष्क्रिय रहने की आवश्यकता कम हो जाती है।

7. आज के उपकरण और अनुसंधान को पढ़ना

जापान में, TEPCO/JERA, Kansai Electric Power, Tohoku Electric Power और अन्य कंपनियां उच्च दक्षता वाले LNG थर्मल, कोयला आधारित संयंत्रों के लिए पर्यावरणीय नियंत्रण और नवीकरणीय ऊर्जा के साथ परिचालन समन्वय पर काम कर रही हैं। विदेशों में, GE Vernova, Siemens Energy और Mitsubishi Heavy Industries बड़े गैस टर्बाइन, स्टीम टर्बाइन आदि विकसित कर रही हैं। टर्बाइन, सीसीजीटी और अमोनिया/हाइड्रोजन-सक्षम कंबस्टर। उत्पाद नामों से परे, रेटेड दक्षता, न्यूनतम भार, स्टार्टअप समय, ईंधन विनिर्देश, रखरखाव अंतराल और उत्सर्जन गारंटी की तुलना करना महत्वपूर्ण है।

अनुसंधान के विषयों में अति-उच्च तापमान सामग्री, कम-एनओएक्स कंबस्टर, एआई-संचालित बॉयलर दहन अनुकूलन, ऊष्मा पुनर्प्राप्ति, ठोस ऑक्साइड ईंधन सेल के साथ संकरण, CO₂ पृथक्करण झिल्ली और लचीले संचालन के लिए जीवनकाल मॉडल शामिल हैं। यह पुष्टि करना महत्वपूर्ण है कि सहायक बिजली, उत्प्रेरक प्रतिस्थापन, ईंधन पूर्व-उपचार और ग्रिड-कनेक्शन लागतों को शामिल करने के बाद भी नई तकनीक की दक्षता में वृद्धि बरकरार रहती है या नहीं।

निष्कर्ष

थर्मल पावर एक ऐसी तकनीक है जो ईंधन, कंबस्टर, थर्मल चक्र, टर्बाइन, जनरेटर, फ्लू-गैस उपचार, शीतलन और ग्रिड संचालन को एक एकीकृत इकाई के रूप में डिजाइन करती है। केवल दक्षता के आधार पर, उच्च तापमान और संयुक्त-चक्र विन्यास बेहतर साबित होते हैं - लेकिन सामग्री का जीवनकाल, स्टार्ट-स्टॉप चक्रण, ईंधन आपूर्ति, CO₂/एनओएक्स, शीतलन जल और स्थानीय पर्यावरणीय परिस्थितियाँ इसे सीमित करती हैं। समय।

उपकरण या अनुसंधान का मूल्यांकन करते समय, निम्नलिखित की जाँच करना सहायक होता है: (1) कौन सा चक्र, और किस तापमान और दबाव पर; (2) आउटपुट दक्षता और आंशिक भार प्रदर्शन; (3) आउटपुट बदलने में कितने मिनट लगते हैं, और इसमें कितने वर्षों का जीवनकाल लगता है; और (4) ईंधन उत्पादन, परिवहन, फ्लू-गैस उपचार और सीसीएस को शामिल करने के बाद उत्सर्जन कैसा दिखता है।

अपनी समझ की जाँच करें
क्या थर्मल संयंत्रों की तुलना केवल दक्षता संख्याओं के आधार पर की जा सकती है?

हीटिंग-वैल्यू आधार, सकल बनाम शुद्ध आउटपुट और लोड स्थितियों को संरेखित करें। आंशिक भार पर भी दक्षता बदलती है।

संदर्भ

8. ऊष्मा संतुलन और शुद्ध उत्पादन

\dot Q_{fuel}=P_{gross}+\dot Q_{condenser}+\dot Q_{stack}+\dot Q_{other}

P_{net}=P_{gross}-P_{aux},\qquad \eta_{net}=\frac{P_{net}}{\dot m_f H}

9. रैंकिन चक्र में एन्थैल्पी लेखांकन

w_t=h_3-h_4,\qquad w_p=h_2-h_1,\qquad q_{in}=h_3-h_2

\eta_R=\frac{w_t-w_p}{q_{in}} =\frac{(h_3-h_4)-(h_2-h_1)}{h_3-h_2}

10. CHP और दक्षता की ऊपरी सीमा

\eta_{total}=\frac{P_{net}+Q_{useful}}{\dot m_f H}

\eta_C=1-\frac{T_L}{T_H}

11. गैस टरबाइन कार्य और संयुक्त चक्र

w_{GT}=w_t-w_c
\eta_{CC}=\eta_g+(1-\eta_g)\eta_s

12. सामग्री और तापीय तनाव

\sigma_{th}\propto\frac{E\alpha\Delta T}{1-\nu}

13. उत्सर्जन तीव्रता और सीसीएस

I_{CO_2}=\frac{EF_{fuel}}{\eta_{net}}
I_{life}=I_{upstream}+I_{transport}+I_{plant}-I_{stored}
\text{Avoidance rate}=1-\frac{I_{CCS}}{I_{reference}}

14. 30 मेगावाट का एक उदाहरण

P_{net}=1\times50\times0.60=30\ \mathrm{MW}
\dot m_f=\frac{30}{50\times0.50}=1.2\ \mathrm{kg/s}

15. जापानी प्राथमिक स्रोत

16. समीक्षा चेकलिस्ट

दो थर्मल इकाइयों की तुलना करने से पहले हीटिंग-वैल्यू आधार, सकल बनाम शुद्ध आउटपुट, आंशिक-लोड व्यवहार, रैंप दर, स्टार्टअप जीवन खपत, ईंधन आपूर्ति, शीतलन-जल बाधाएं और जीवनचक्र उत्सर्जन की जांच करें।

17. सहायक बिजली और शीतलन हानि

18. ऊष्मा पुनर्प्राप्ति और भाप की स्थिति

19. दहन नियंत्रण और NOx

20. लचीला संचालन और रखरखाव

21. ईंधन जीवनचक्र सीमाएं

22. सुरक्षा और निगरानी

23. तुलना का दायरा

एकसमान संकेतन की पुष्टि के लिए, जापानी संस्करण में भी निम्नलिखित का प्रयोग किया गया है: \eta=W_{net}/Q_{in} , P_{gross} , \dot Q_{condenser} , \dot Q_{stack} , P_{aux} , \dot m_f , H , h , w_p\simeq v(P_2-P_1) , T_H , T_L , \eta_g , \eta_s , \eta_g=0.40 , \eta_s=0.35 , \eta_{CC}=0.61 , \Delta T , E । \alpha , \nu , EF_{fuel} , NH_3 , N_2O , और r ।

जापानी संस्करण द्वारा उपयोग किए गए अतिरिक्त स्रोत कम कार्बन ईंधन और बिजली के लिए CCUS हैं। SVG नेमस्पेस W3C SVG के बाद आता है और आरेख मार्कअप से मेल खाने के लिए इसे यहां दोहराया गया है: W3C SVG।

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