Jak wytwarzana jest energia elektryczna w elektrociepłowni (CHP)

Elektrownie cieplne dzielą się na stacje:

• według typu silnika napędowego — turbina parowa, turbina gazowa, z silnikami spalinowymi;

• według rodzaju paliwa — stałym paliwem organicznym (węgiel, drewno opałowe, torf), paliwem płynnym (ropa naftowa, benzyna, nafta, olej napędowy), zasilanym gazem.

W elektrociepłowniach energia spalanego paliwa jest przetwarzana na energię cieplną, która służy do podgrzania wody w kotle i wytworzenia pary. Energia pary napędza turbinę parową połączoną z generatorem.

Elektrownie cieplne, w których do produkcji energii elektrycznej wykorzystywana jest wyłącznie para wodna, nazywane są elektrowniami kondensacyjnymi (CES). Potężne IES znajdują się w pobliżu obszarów produkcji paliw, z dala od odbiorców energii elektrycznej, dlatego energia elektryczna jest przesyłana przy wysokim napięciu (220 — 750 kV). Elektrownie budowane są w blokach.

Elektrownie kogeneracyjne lub elektrociepłownie (CHP) są szeroko stosowane w miastach.W elektrowniach tych para częściowo wyczerpana w turbinie wykorzystywana jest na potrzeby technologiczne, a także do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej w budynkach mieszkalnych i usługach komunalnych. Równoczesna produkcja energii elektrycznej i ciepła obniża koszty dostarczenia energii elektrycznej i ciepła w porównaniu z rozdzielną produkcją energii elektrycznej i ciepła.

Elektrownie cieplne wykorzystują ciepło wytwarzane podczas spalania paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa, gaz, węgiel lub olej opałowy, do produkcji dużych ilości pary wodnej pod wysokim ciśnieniem z wody. Jak widać, tutejsza para, mimo że pełni rolę chłodziwa z epoki parowozów, wciąż doskonale nadaje się do obracania turbiny.

Para z kotła podawana jest do turbiny, której wał połączony jest z trójfazowym generatorem prądu przemiennego. Energia mechaniczna obrotów turbiny jest przetwarzana na energię elektryczną generatora i przekazywana do odbiorców przy napięciu generatora lub napięciu podwyższającym za pośrednictwem transformatorów podwyższających.

Ciśnienie dostarczanej pary w turbinie wynosi ok. 23,5 MPa, natomiast jej temperatura może dochodzić do 560°C. A woda jest wykorzystywana w elektrociepłowni właśnie dlatego, że jest ogrzewana typowym dla takich elektrowni kopalnym paliwem organicznym, którego rezerwy znajdują się w głębinach naszej planety są nadal dość duże, choć dają ogromny minus w postaci szkodliwych emisji, które zanieczyszczają środowisko.

Wirujący wirnik turbiny połączony jest więc tutaj z twornikiem turbogeneratora ogromnej mocy (kilku megawatów) który ostatecznie generuje elektryczność w owej elektrociepłowni.

Pod względem efektywności energetycznej elektrownie cieplne są na ogół takie, że konwersja ciepła na energię elektryczną odbywa się na nich z wydajnością około 40%, podczas gdy bardzo duża ilość ciepła w najgorszym przypadku jest po prostu wyrzucana do środowiska i w najgorszym przypadku - w najlepszym przypadku jest natychmiast dostarczany do ogrzewania i ciepłej wody, dostarczania wody do pobliskich odbiorców. Tak więc, jeśli ciepło uwolnione w elektrowni jest natychmiast wykorzystywane do dostarczania ciepła, to sprawność takiej elektrowni na ogół sięga 80%, a stacja nazywa się elektrociepłownią lub TPP.

Najbardziej rozpowszechniona turbina generatora elektrowni cieplnej zawiera na swoim wale wiele kół z łopatkami rozmieszczonymi w dwóch oddzielnych grupach. Para pod najwyższym ciśnieniem, która jest odprowadzana z kotła, natychmiast wchodzi w tor przepływu zespołu prądotwórczego, gdzie obraca pierwszy zestaw wirników łopatkowych. Dodatkowo ta sama para jest dalej podgrzewana w podgrzewaczu parowym, po czym trafia do drugiej grupy kół pracujących przy niższym ciśnieniu pary.

W rezultacie turbina połączona bezpośrednio z wirnikiem generatora wykonuje 50 obrotów na sekundę (pole magnetyczne twornika, które przecina uzwojenie stojana generatora, również wiruje z odpowiednią częstotliwością). Aby zapobiec przegrzaniu się generatora podczas pracy, stacja posiada układ chłodzenia generatora, który zapobiega jego przegrzaniu.

Wewnątrz kotła elektrowni cieplnej zainstalowany jest palnik, na którym spalane jest paliwo, tworząc płomień o wysokiej temperaturze. Na przykład pył węglowy można spalić tlenem.Płomień obejmuje duży obszar rury o złożonej konfiguracji z przepływającą przez nią wodą, która po podgrzaniu staje się parą wydostającą się na zewnątrz pod wysokim ciśnieniem.

Wypływająca pod wysokim ciśnieniem para wodna podawana jest na łopatki turbiny, przekazując jej swoją energię mechaniczną. Turbina obraca się, a energia mechaniczna jest przetwarzana na energię elektryczną. Pokonując układ łopatek turbiny, para kierowana jest do skraplacza, gdzie spadając na rury z zimną wodą skrapla się, czyli ponownie staje się cieczą - wodą. Taka elektrownia cieplna nazywana jest elektrownią kondensacyjną (CES).

Elektrociepłownie (CHP), w przeciwieństwie do elektrowni kondensacyjnych (CES), zawierają system pozyskiwania ciepła z pary po jej przejściu przez turbinę i już przyczyniłej się do produkcji energii elektrycznej.

Para pobierana jest o różnych parametrach w zależności od typu danej turbiny, regulowana jest również ilość pary pobieranej z turbiny. Para pobierana do produkcji ciepła skrapla się w kotłach sieciowych, gdzie oddaje swoją energię wodzie sieciowej, a woda jest pompowana do szczytowych kotłów wodnych i punktów grzewczych. Dodatkowo do instalacji grzewczej doprowadzana jest woda.

W razie potrzeby można całkowicie wyłączyć odprowadzanie ciepła z pary w elektrociepłowni, wtedy elektrociepłownia stanie się prostym SWI. Tym samym elektrociepłownia może pracować w jednym z dwóch trybów: cieplnym — gdy priorytetem jest wytwarzanie ciepła lub elektrycznym — gdy priorytetem jest energia elektryczna, np. latem.