dampkraftværk

Brændslet, der anvendes til dampkraftværker, er oftest kul, olie eller naturgas. I mindre, decentrale kraftvarmeværker anvendes også affald og biobrændsler som halm, træflis eller biogas. Størstedelen af den danske elproduktion er baseret på kulfyring i store dampkraftværker. Værkerne er placeret ved kyster med egne, dybe havne dels for at kunne fragte kul med skib direkte til værkernes kulpladser, dels for at udnytte havvandet til køling i kondensatoren. Fra kulpladsen føres kul på transportbånd til siloer, som på nyere kraftværker føder kulmøller, der formaler kullet til fint støv. Kulstøvet blæses af forbrændingsluften til kedlens brændere og antændes til lange stikflammer. Ved olie- og gasfyring benyttes tilsvarende brændere, mens affald, halm og andet fast biobrændsel forbrændes på rist.

Kul indeholder 5-10 % ikke-brændbare stoffer (sand, sedimenter o.l.), som smelter til slagge eller sintrer til flyveaske i forbrændingszonen. Slaggen udtages fra kedlens bund, mens asken udskilles fra røggassen i filtre.

Forbrændingsluften tages fra atmosfæren og forvarmes med røggas eller damp, før den sammen med kulstøv blæses ind i kedlen. Med særlige brændere kan man opnå, at kun en mindre del af luftens kvælstofindhold iltes til miljøskadende kvælstofilter.

Røggassen har en temperatur på 1200-1400 °C. Ved at passere forbi kedelrørene, hvori der strømmer vand og vanddamp, afkøles den til ca. 300 °C. Temperaturen sænkes yderligere til ca. 150 °C, ved at røggassen forvarmer forbrændingsluften.

Herefter går røgen til filtre, som kan være mekaniske (cykloner), men oftest er elektrostatiske. De elektrostatiske filtre består af tusindvis af udspændte metaltråde, som holdes på høj elektrisk spænding. Derved klæber flyveaskepartikler til trådene, hvorfra de bankes af og forlader filtret igennem en silo i bunden. Røgen indeholder herefter under 1 % aske.

Hvis kullet har et højt svovlindhold (5-10 %), kan der påbygges afsvovlingsanlæg. Evt. kan anlægget også indrettes til at nedbringe indholdet af kvælstofilter (vha. et SNOX-filter).

Den således rensede røg suges ud af blæsere og sendes gennem skorstenen, som ved større kraftværker kan være op til 250 m høj.

Vand og damp cirkulerer i et lukket kredsløb og følger en termodynamisk proces, som kaldes Rankine-cyklus. For at opnå en høj virkningsgrad ved omdannelse af varme til mekanisk energi skal varmeenergien tilføres arbejdsmediet (vand/damp) ved højst mulig temperatur og til slut fraføres mediet ved lavest mulig temperatur. Den lave temperatur er bestemt af det kølemiddel, der anvendes i kondensatoren. Den høje temperatur, ved hvilken varmen tilføres arbejdsmediet, er bestemt af kedelrørenes materialeegenskaber. I princippet er der 1200-1400 °C "til rådighed" i røggassen; men ingen rørmaterialer kan modstå vanddamps tryk ved disse temperaturer. Det maksimalt opnåelige tryk er 250-300 bar, og sluttemperaturen af dampen 500-600 °C. Man må altså acceptere det tab, som skyldes forskellen i temperatur mellem røggas og arbejdsmedium.

Den varmeenergi, dampen indeholder i form af tryk og temperatur, omdannes i dampturbinen til mekanisk energi, som driver rotoren rundt med et omdrejningstal svarende til vekselstrømsnettets frekvens. Tryk og temperatur falder hen igennem turbinens skovlrækker, og ved 50-60 bar sendes dampen tilbage til kedlen for at blive gen-overhedet. Til slut er dampen ekspanderet til nær vakuum, hvorefter den fortættes til vand i kondensatoren. Herfra suges vandet af pumper til forvarmere, hvor det bliver opvarmet til nær 300 °C med damp udtaget fra turbinen, før det af fødevandspumper bliver sat under kedeltrykket (250-300 bar) og vender tilbage til kedlen som fødevand.

I kondensatoren fortættes dampen på ydersiden af flere tusinde kondensatorrør ved et tryk på 0,03 bar og en dertil svarende temperatur på 27 °C. Rørene går på langs igennem kondensatoren og gennemstrømmes af havvand, der suges ind med pumper og filtreres for urenheder. Der skal bruges meget store mængder kølevand; fx bruger et værk med en eleffekt på 400 MW omkring 50.000 m³ i timen. Havvandet opvarmes 6-8 °C og sendes tilbage til havet. En delstrøm kan sendes igennem bassinanlæg til opdræt af fisk.

Dampturbinen er koblet til en generator, der omdanner rotationsenergien til elektrisk energi i form af 3-faset 50 Hz vekselstrøm ved en spænding på 10-15 kV. Spændingen forøges i en transformer til den spænding, nettet kræver (oftest over 100 kV). Elektriciteten forlader derefter kraftværket gennem højspændingsledninger.

For de nyeste dampkraftværker uden udtag af damp til fjernvarmeproduktion er elvirkningsgraden ca. 45 %, dvs. at knap halvdelen af brændslets kemiske energi omdannes til elektrisk energi.

De fleste danske dampkraftværker producerer også varme til fjernvarmesystemer. Anlægget kaldes da et kraftvarmeværk. I store, centrale kraftvarmeværker udtages en stor del af dampen fra turbinen ved et tryk på 0,5-1 bar, før den når den havvandskølede kondensator, og fortættes i stedet i en særlig kondensator, som køles af returvandet fra fjernvarmesystemet. Fjernvarmevandet opvarmes herved til nær 100 °C og ledes ud til varmeforbrugerne. I mindre, decentrale kraftvarmeværker anvendes en såkaldt modtryksturbine, hvorfra dampen alene kondenseres med returvandet fra fjernvarmesystemet.

Ved kombineret produktion af elektricitet og varme i kraftvarmeværker kan op mod 90 % af brændslets energi udnyttes.

Stort set alle processer i et dampkraftværk er automatiserede: Brændsel og luft tilføres efter den ønskede generatorydelse, damptrykket styres af kul/vand-balancen i kombination med turbinens ventiler, generatoren (og turbinen) roterer med 50 o/s, fastholdt af højspændingsnettets frekvens på 50 Hz, og spændingen reguleres ved generatorens magnetisering. Alt måles, vises og registreres i kontrolrummet, hvor personale også kan gribe ind om nødvendigt.

Der er gjort en stor indsats for at mindske miljøforurening fra dampkraftværker. Det er store mængder brændsel, der medgår til driften. Et kulfyret dampkraftværk med en eleffekt på 500 MW bruger over 1 mio. ton kul om året. Ud over de brændbare stoffer indeholder det meste brændsel også forureningsstoffer. Kulforbrænding giver således slagge og flyveaske samt SO₂ og NOx i røggassen. Slagge genbruges bl.a. som vejunderlag, og flyveaske genbruges til opfyldning og cementproduktion. Afsvovlingsprodukter kan anvendes til gipsproduktion eller til fremstilling af svovlsyre, og hvis anlægget også fjerner NO_x, kan der fremstilles salpetersyre, eller rent kvælstof kan sendes tilbage til atmosfæren, hvor det kom fra. CO2 fra selve kulstofforbrændingen kan ikke fjernes og er medvirkende til den såkaldte drivhuseffekt. Kølevandet afgiver sin overtemperatur på 6-8 °C til havvandet i et snævert område omkring udløbet. Der sker ikke herved påviselig skade på flora eller fauna.

Den største dampkraftværksenhed i Danmark er blok 5 på Asnæsværket ved Kalundborg.