ABC energetyki - cz. 3

Jak przetwarza się energię zawartą w węglu w energię elektryczną?
Najpierw miele się węgiel na drobny pył, umożliwia zwiększenie powierzchni kontaktu paliwa z powietrzem, co pozwala na jego dokładniejsze spalanie. Systemy spalania węgla w kotłach pyłowych (PCC od Pulverised Coal Combustion): miał węglowy jest wdmuchiwany do komory paleniskowej kotła, gdzie jest spalany w wysokiej temperaturze (patrz poniższy schemat). Gorące gazy, a dokładniej wytworzona energia cieplna zamienia wodę znajdującą się w rurach oplatających kocioł w parę wodną. Para pod wysokim ciśnieniem jest przekazywana do turbiny zawierającej tysiące łopatek podobnych do śmigieł. Para wprawia te łopatki w ruch, powodując obracanie się wału turbiny z dużą prędkością. Generator jest zamontowany na jednym końcu wału turbiny i składa się z dokładnie nawiniętych na wirnik zwojów drutu. Energia elektryczna powstaje w wyniku szybkich obrotów wirnika z nawiniętym uzwojeniem w silnym polu magnetycznym. Po przejściu przez turbinę, parę wodną skrapla się i zawraca do kotła, gdzie jest ponownie ogrzewana.

Rysunek 1. Schemat funkcjonowania elektrowni węglowej.

1. Mielenie i suszenie węgla
2. Spalanie pyłu w palenisku kotła (z reguły 50 kg/sekundę, przy węglu brunatnym 250 kg / sekundę)
3. Doprowadzenie do kotła powietrza, które jest wstępnie podgrzewane energią odzyskaną ze spalin
4. Odzysk ciepła ze spalin płynących do komina
5. Podgrzanie i odparowanie wody o wysokim ciśnieniu, a następnie przegrzew pary
6. Przepływ przegrzanej pary do turbin
7. Rozprężanie pary do możliwie najniższego ciśnienia. Przemiana energii cieplnej w parze na energię kinetyczną ruchu obrotowego wirnika turbiny
8. Wytwarzanie energii elektrycznej przez generator połączony z turbiną
9. Przepływ pary do kondensatora
10. Skroplenie (kondensacja) pary wodnej
11. Chłodnia kominowa - chłodzenie wody obiegowej (wody, która odbiera ciepło od pary w kondensatorze)
12. Przetłoczenie kondensatu za pomocą pompy do kotła - zamknięcie głównego obiegu.

PKN ORLEN buduje we Włocławku i zbuduje w Płocku elektrownię gazowo- parową CCGT. Jak działają takie elektrownie?
Elektrownie gazowo-parowe (CCGT - Combined Cycle Gas Turbine, po polsku BGP Blok Gazowo-Parowy) stanowią połączenie w jednym bloku turbiny gazowej i turbiny parowej. Turbina parowa i generator działają tak samo, jak w przypadku już omówionej elektrowni węglowej. Natomiast turbina gazowa jest maszyną, przez którą przepływają gorące spaliny powstałe ze spalenia gazu. Pierwszymi turbinami gazowymi wykorzystywanymi na potrzeby energetyki były duże silniki lotnicze osadzone w łożyskach i połączone z generatorem. W celu zwiększenia efektywności energetycznej bloków z turbinami gazowymi postanowiono wykorzystać energię cieplną spalin wylotowych z turbiny gazowej. W tym celu gorące spaliny z wylotu turbiny gazowej kieruje się do kotła odzyskowego (ang. HRSG Heat Recovery Steam Generator), w którym oddają one ciepło wodzie, zamieniając ją w parę a następnie tę parę przegrzewają do wysokich temperatur (ponad 550oC). HRSG jest to kocioł, w którym nie ma komory spalania i płomienia. Para wodna powstaje w wyniku wymiany ciepła pomiędzy spalinami a wodą. Para wytworzona w kotle odzyskowym jest kierowana na turbinę parową, gdzie po wprawieniu w ruch jej wirnika ulega skropleniu w kondensatorze (skraplaczu) i powraca do kotła. W układzie CCGT ok. 2/3 mocy generowane jest przez turbinę gazową a ok. 1/3 przez turbinę parową. Dzięki takiemu rozwiązaniu - odzyskowi energii ze spalin, bloki gazowo - parowe uzyskują sprawność netto przekraczającą już 60%. W typowych blokach gazowo-parowych stosuje się zabudowanie turbiny gazowej, turbiny parowej i generatora na jednym wale. To rozwiązanie (jednowałowe) zmniejsza koszty inwestycji i powierzchnie zabudowy elektrowni. Takie rozwiązanie przyjęto w bloku gazowo-parowym budowanym przez PKN Orlen we Włocławku. W praktyce funkcjonują także inne rozwiązania, takie jak, na przykład 2 turbiny gazowe i jedna wspólna turbina parowa. Układy te generują wysoką moc, w dzisiejszych warunkach dochodzącą do 1 GW. Rozwiązania 2 wałowe z reguły są stosowane w blokach wytwarzających większe ilości pary technologicznej, lub ciepła, co jest związane z niestandardową turbiną parową, której nie można zabudować na wspólnym wale z turbiną gazową.

Rys. 2. Schemat elektrowni gazowo parowej (jednowałowej) na przykładzie układu realizowanego przez PKN ORLEN we Włocławku (z wyprowadzeniem pary technologicznej oraz energii elektrycznej do Anwilu)