ELEKTROWNIE CIEPLNE

1. Autor: Artur Sikora ELEKTROWNIE CIEPLNE

2. ELEKTROWNIE CIEPLNE • Elektrownie cieplne w Polsce • Elektrownia Bełchatów • Zespół Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin • Historia • Elektrownia Pątnów • Elektrownia Adamów • Elektrownia Konin • Elektrownia Pątnów II • Elektrownia cieplna • Elektrociepłownia • Turbina parowa • Turbina gazowa • Silnik tłokowy

3. W Polsce pierwsze siłownie cieplne (parowe) powstały w XIX w. Dostarczały one energię mechaniczną poszczególnym zakładom przemysłu maszynowego lub włókienniczego, hutom, kopalniom itp. Pierwsza elektrownia miejska w Królestwie Polskim powstała w Radomiu w 1900 roku, kolejna w 1902 roku w Warszawie. Po I wojnie światowej planowano w Polsce budowę wielu elektrowni, ale planu tego nie zrealizowano. Dopiero po II wojnie światowej nastąpił gwałtowny rozwój elektroenergetyki w oparciu o własne zasoby surowców energetycznych (węgiel kamienny i później brunatny). Dzisiaj w Polsce mamy 55 cieplnych elektrowni zawodowych, które wytwarzają 90% energii naszego kraju. Opalane są w 60% węglem kamiennym, a w 38% węglem brunatnym. Elektrownie cieplne w Polsce

4. Rozmieszczenie dużych elektrowni cieplnych zależy od trzech czynników: - Dostępu do paliwa, - Możliwości łatwego poboru wody, - Bliskości rynku zbytu energii. Elektrownie opalane węglem brunatnym zlokalizowane są tuż przy kopalniach odkrywkowych. Są to elektrownie: Bełchatów, Zespół Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin, Turów. Elektrownie opalane węglem kamiennym znajdują się w Górnośląskim Okręgu Przemysłowym, np. Rybnik (ROW), Jaworzno III i Łaziska. Kilka elektrowni opalanych węglem kamiennym zlokalizowano nad dużymi rzekami. Są to: Połaniec, Kozienice, Dolna Odra, Ostrołęka. Energia elektryczna ma wielkie znaczenie dla gospodarki Polski. Dostarczana jest do wszystkich dziedzin przemysłu. Podczas produkcji energii do atmosfery wyrzucane są spaliny z kominów w tym dwutlenek węgla i siarki oraz tlenek azotu. Elektrownie cieplne stwarzają wielkie zagrożenie dla środowiska dlatego powinno się ograniczać wytwarzanie takiej energii i przestawić się na energię ekologiczną np. elektrownie słoneczne, czy wodne.

5. Elektrownia Bełchatów – największa w Europie elektrownia cieplna (kondensacyjna) opalana węglem brunatnym pochodzącym z pobliskiej KWB Bełchatów SA. Elektrownia położona jest na terenie gminy leszczów w powiecie bełchatowskim w województwie łódzkim. Generuje moc 4440 MW. Roczna produkcja energii wynosi przeciętnie 27-28 TWh, co stanowi ponad 20% produkcji krajowej. Elektrownia Bełchatów wchodzi w skład spółki (holdingu) BOT. Elektrownia Bełchatów

6. Zespół Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin to zespół 3 działających (i 4 w budowie) elektrowni w rejonie Konina, dostarczających około 10 procent mocy krajowej i wynosi 2288 MW. W skład zespołu wchodzą następujące obiekty: Elektrownia Pątnów I w Koninie Elektrownia Adamów w Turku Elektrownia Konin w Koninie Elektrownia Pątnów II w Koninie Zespół Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin

7. Elektrownie wchodzące w skład spółki zostały wybudowane w latach 1958 – 1974 (pierwszy blok w Elektrowni Pątnów I uruchomiony w 1967, Elektrownia Adamów uruchomiona w 1964, Elektrownia Konin uruchomiona w latach 50-ych XX w., Elektrownia Pątnów II ma zostać oddana do eksploatacji 31 grudnia 2007 roku). W 1970 elektrownie Pątnów, Adamów i Konin zostały połączone organizacyjnie w Zespół Elektrowni Pątnów-Adamów-Konin, a w grudniu 1994 Przedsiębiorstwo Państwowe ZE PAK przekształcone zostało w jednoosobową spółkę akcyjną Skarbu Państwa. W latach 1995-1999 prowadzono do restrukturyzacji i prywatyzacji, aby w 1999 inwestorem strategicznym ZE „PAK” SA został Elektrim SA. Inwestor ten ma obecnie około 39% akcji, 50% Skarb Państwa i około 10% pracownicy. Od 1999 postępuje restrukturyzacja, w wyniku której wyodrębniono pięć spółek zależnych: Elektrownia Pątnów II PAK SERWIS EL PAK AS PAK TRANS PAK PAK ODSIARCZANIE Sp. z o.o. „PAK Centrum Usług Informatycznych” Sp. z o.o. 19 grudnia 1996 został zawarty kontrakt długoterminowy na budowę bloku w Elektrowni Pątnów II, 20 lipca 2005 nastąpiło przekazanie placu pod budowę, a eksploatacja rozpocznie się 31 grudnia 2007 roku. Historia

8. Elektrownia Pątnów To największa elektrownia Grupy Kapitałowej ZE „PAK” SA (57,6 procent mocy zainstalowanej) i została zaprojektowana jako elektrownia parowa, zawodowa, kondensacyjna, blokowa z międzystopniowym przegrzewaczem pary, opalana węglem brunatnym. Obecnie elektrownia składa się z 6 bloków energetycznych po 200 MW o łącznej mocy osiągalnej 1200 MW. Elektrownia Adamów Elektrownia jest zawodową, konwencjonalną elektrownią cieplną o mocy osiąganej 600 MW opalaną węglem brunatnym. Oprócz produkcji energii elektrycznej Elektrownia Adamów dostarcza również energię cieplną dla części miasta Turek i do zakładów w pobliżu elektrowni oraz dostarcza parę technologiczną do Zakładów Przemysłu Jedwabniczego "Miranda". fot: Widok na elektrownię Adamów od strony Malanowa

9. Elektrownia Konin Elektrownia ta jest najstarsza w Grupie Kapitałowej ZE „PAK” SA i oprócz energii elektrycznej jest dostawcą energii cieplnej dla miasta Konina. W Elektrowni Konin obecnie zainstalowane jest 8 kotłów energetycznych oraz 7 turbozespołów. Układ cieplny elektrowni podzielony jest na część kolektorową i blokową. Część kolektorowa obejmuje: 6 kotłów: 2 kotły OP-130b 2 kotły OP-130b zmodernizowane wg metody HUS „hybrydowego układu spalania” – każdy o wydajności 130 t/h pary 2 kotły wieżowe OB-230p każdy o wydajności 280 t/h pary wyposażone w instalację odsiarczania spalin metodą mokrą) 5 turbozespołów: TG-1 – typu Skoda o mocy zainstalowanej 28 MW, TG-2 – typu EscherWyss o mocy zainstalowanej 55 MW, TG-4 nowoczesny turbozespół kondensacyjno-ciepłowniczy typu 7CK60 o mocy zainstalowanej 65 MW, TG-5 typ TK-50 o mocy zainstalowanej 50 MW oraz TG-6 typ TK-50 o mocy zainstalowanej 50 MW Łączna moc zainstalowana części kolektorowej wynosi 248 MW. Moc cieplna zainstalowana wszystkich urządzeń ciepłowniczych w Elektrowni Konin wynosi 477 MW. Na zmodernizowanych urządzeniach (TG-4, TG-6, K-5, 6, 7, 8, IMOS) zabudowano system sterownia i automatyki Procontrol firmy ABB. Część blokowa wyposażona jest w 2 bloki energetyczne każdy o mocy zainstalowanej 120 MW. Łączna moc zainstalowana Elektrowni Konin wynosi 488 MW.

10. Elektrownia Pątnów II Elektrownia jest w trakcie budowy, planuje się wprowadzenie do eksploatacji w 2008 roku bloku 464 MW i będzie to będzie pierwsza jednostka prądotwórcza na parametry nadkrytyczne w krajowym systemie elektroenergetycznym, charakteryzująca się m.in. wysoką sprawnością energetyczną: 44,0 % brutto i 41,0 % netto. W skład Bloku 464 MW wchodzą: kocioł o wydajności 361 kg/s (1300 t/h), turbina kondensacyjna napędzająca generator synchroniczny, elektrofiltr, układ odsiarczania spalin metodą wapienno-gipsową (IOS), nowy komin, układ wyprowadzenia mocy na szyny rozdzielni 400 kV. Zakładane parametry to: Moc znamionowa bloku na zaciskach generatora przy średnio rocznej temperaturze wody chłodzącej 16ºC: 470,2 MW Moc bloku netto na szynach 400 kV przy temperaturze wody chłodzącej 16ºC: 446 MW Roczny czas wykorzystania mocy zainstalowanej: 6800 h Roczna produkcja energii elektrycznej: 3180 GWh

11. Elektrownia cieplna (konwencjonalna lub nie) to zespół urządzeń produkujący energię elektryczną wykorzystując do tego celu szereg przemian energetycznych, wśród których istotne znaczenie odgrywa ciepło. Energia cieplna pochodzi zwykle ze spalania paliwa w kotle parowym. Służy ona do pogrzania i odparowania wody oraz przegrzania pary wodnej. W turbinie następuje zamiana entalpii na energię mechaniczną odprowadzaną wałem do generatora elektrycznego, w którym zamieniana jest na energię elektryczną. W elektrowni wykorzystującej układ turbiny gazowej ciepło dostarczane jest w komorze spalania (układ otwarty), bądź w wymienniku ciepła. Elektrownia cieplna

12. Elektrownia cieplna

13. W elektrowni cieplnej energia pierwotna występuje zwykle w formie chemicznej i jest uwalniana w procesie spalania: paliw kopalnych (najczęściej węgla lub gazu ziemnego), substancji organicznych, odpadów przemysłowych lub komunalnych, biomasy, biogazu, i innych. Energia cieplna powstaje zwykle w wyniku spalania paliwa, ale może pochodzić z innych źródeł, np. ciepło odpadowe z dowolnych procesów technologicznych, źródeł geotermalnych, energii słońca. Rozróżnia się następujące rodzaje elektrowni cieplnych: parowe (z turbinami parowymi) gazowe (z turbinami gazowymi) gazowo-parowe z turbinami gazowymi, parowymi i kotłem odzyskowym spalinowe (z silnikami tłokowymi).

14. Na blok energetyczny elektrowni cieplnej składają się: urządzenia podstawowe (kocioł parowy, silnik Diesla), turbina spalinowa, turbina parowa, generator synchroniczny, skraplacz, pompa wody zasilającej, transformator oraz urządzenia pomocnicze pracujące na potrzeby bloku energetycznego (młyny, pompy, wentylatory), instalacje odsiarczania i odazotowania spalin, wymienniki regeneracyjne, zbiornik wody zasilającej z odgazowywaczem, wzbudnica, rurociągi wody i pary, smoczki, zawory, taśmociągi, podajniki, i wiele innych. W Polsce para produkowana najczęściej jest w kotle parowym opalanym węglem, ale w elektrowniach jądrowych wytwarza ją reaktor jądrowy, a może też być także produkowana w elektrowniach słonecznych typu CRS. W elektrowniach gazowo-parowych para wytwarzana jest zwykle w kotłach odzyskowych.

15. W teorii maszyn cieplnych mówi się, że obiegiem porównawczym elektrowni parowej jest obieg Clausiusa-Rankine'a (obieg C-R). Obieg rzeczywisty elektrowni parowej uwzględnia poszczególne straty, zwłaszcza spadek ciśnienia w kotle i przyrost entropii w turbinie. Poza tymi najistotniejszymi stratami występują mniejsze - w pompie wody zasilającej, skraplaczu, rurociągach i wymiennikach regeneracyjnych. Ciepło ujemne obiegu odprowadzane jest do otoczenia najczęściej za pomocą układu chłodzenia przekazującego energię cieplną od skraplacza do chłodni kominowej. Natomiast obiegiem porównawczym siłowni gazowej jest obieg Joule'a-Braytona, składający się (podobnie jak obieg C-R) z dwóch adiabat odwracalnych i dwóch izobar. Jednak z uwagi na znaczne oddalenie parametrów czynnika od linii nasycenia, ta ostatnia nie jest zaznaczana na wykresach termodynamicznych zawierających obieg Braytone'a. I w tym przypadku obieg siłowni rzeczywistej uwzględnia odpowiednie straty ciśnienia i przyrosty entropii procesów adiabatycznych.

16. Sprawność elektrowni cieplnych nie przekracza 60%. Najpotężniejszą elektrownią tego typu na świecie jest rosyjska Elektrownia Berezowska o zainstalowanej mocy 6400 MW. Niewiele jej ustępującą jest największa w Polsce Elektrownia Bełchatów o mocy ponad 4400 MW. Wytwarzanie energii elektrycznej często wiąże się z jednoczesnym (skojarzonym) wytwarzaniem ciepła użytecznego (układy kogeneracyjne). Układ taki popularnie nazywany jest elektrociepłownią. Stosowanie skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i cieplnej pozwala na znacznie lepsze wykorzystanie paliwa (o ok. 15 %) niż rozdzielone ich wytwarzanie w kotłowniach i elektrowniach kondensacyjnych. Od pewnego czasu obserwuje się wprowadzanie trójgeneracji - jednoczesnego wytwarzania energii elektrycznej, cieplnej i "zimna", czyli ciepła ujemnego (stosowanego w klimatyzacji), co może jeszcze bardziej podnieść efektywność wykorzystania paliwa. Ciepło ujemne wytwarzane jest w absorpcyjnych ziębiarkach, w których "siłą napędową" jest gorący czynnik opuszczający turbinę gazową bądź silnik tłokowy.

17. Elektrociepłownia jest to zakład przemysłowy wytwarzający w jednym procesie technologicznym w sposób skojarzony energię elektryczną oraz ciepło w postaci czynnika (najczęściej wody) o wysokiej temperaturze dla miejskiej sieci ciepłowniczej lub przemysłu. Elektrociepłownie to najczęściej konwencjonalne siłownie cieplne z turbinami upustowo-kondensacyjnymi i upustowo-przeciwprężnymi. Turbiny obu typów wyposażone są w upusty ciepłownicze, z których para przegrzana zasila wymienniki ciepłownicze przekazując tam ciepło wodzie sieciowej doprowadzanej do instalacji komunalnej c.o. centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Ostatnio coraz bardziej popularne stają się elektrociepłownie z turbinami gazowymi. Budowane są także elektrociepłownie o mniejszych mocach z klasycznymi tłokowymi silnikami na gaz lub silnikami diesla. Alternatywą dla elektrociepłowni stają się systemy tzw. kogeneracji rozproszonej z zastosowaniem silników Stirlinga. Elektrociepłownia

18. Skojarzone wytwarzanie energii cieplnej i elektrycznej jest dużo efektywniejsze niż oddzielna produkcja, jednak wysoki koszt budowy sieci ciepłowniczej ogranicza stosowanie ogrzewania scentralizowanego do obszarów gęsto zaludnionych. System ten ma duże plusy, ponieważ ogranicza zużycie paliwa - emituje mniej spalin, niż oddzielnie zbudowane: kotłownia i elektrownia kondensacyjna. Powodem jest wykorzystanie ciepła, które w elektrowni kondensacyjnej jest tracone do otoczenia (ciepło skraplania pary wodnej), co wynika z II-giej zasady termodynamiki.

19. Turbina parowa – turbina, w której czynnikiem obiegowym jest para wodna. Pierwowzorem turbiny parowej była bania Herona. Jest to silnik (maszyna cieplna) wykorzystujący energię cieplną pary wodnej, wytworzonej zwykle w kotle parowym lub wytwornicy pary, do wytworzenia energii mechanicznej, odprowadzanej wałem do innej maszyny, np. generatora elektrycznego. Turbina parowa

20. Przepływ gazu przez turbinę wiąże się ze spadkiem jego entalpii (energii potencjalnej). W myśl Zasady Zachowania Energii entalpia ta zamieniana jest w inną formę energii, a konkretnie w energię mechaniczną odprowadzaną wałem do maszyny napędzanej. Z drugiej zasady termodynamiki wynika, że nie można skonstruować silnika cieplnego w całości zamieniającego dostarczone ciepło na pracę, co w praktyce oznacza, że turbiny parowe oprócz użytecznej pracy zawsze oddają do otoczenia ciepło, które jeśli nie jest wykorzystane, staje się ciepłem odpadowym. Stanowi to podstawę skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w elektrociepłowniach. Zasada działania

21. Moc turbiny bez upustów regeneracyjnych określa się wzorem: gdzie: P - moc, [ W ], G - wydatek masowy, [ kg/s ], h0 - entalpia pary na wlocie do turbiny, [ J/kg ], h2 - entalpia pary na wylocie z turbiny, [ J/kg ], c2 - prędkość pary na wylocie z turbiny, [ m/s ] ηm - sprawność mechaniczna. W przypadku turbin wielostopniowych wzór ten może być stosowany zarówno do poszczególnych stopni, jak i całej turbiny. W obliczeniach dotyczących turbin upustowych należy jednak pamiętać, że w poszczególnych stopniach zmienia się wydatek masowy.

22. W obliczeniach często pomocna okazuje się sprawność wewnętrzna, którą w przypadku turbiny można określić wzorem: gdzie: h0-h2t to teoretyczny spadek entalpii przy takim samym, jak w rzeczywistości, spadku ciśnienia podczas analogicznej przemiany izentropowej (adiabata odwracalna jest jednocześnie izentropą). Ponieważ turbina cieplna składa się z kolejno po sobie następujących stopni, więc obliczenia energetyczne turbiny sprowadzają się do obliczeń poszczególnych stopni. Moc całkowita turbiny jest sumą mocy poszczególnych stopni. Stopień turbiny składa się z nieruchomego wieńca kierowniczego, związanego na stałe z korpusem, i wieńca wirnikowego, związanego z obracającym się wałem. W wieńcu kierowniczym następuje zamiana entalpii czynnika na jego energię kinetyczną, w wieńcu wirnikowym zaś zamiana energii kinetycznej na mechaniczną. W stopniu jako całości następuje zamiana entalpii czynnika na energią mechaniczną.

23. Różnica między parą wodną a innym gazem (np. spalinami) jest niewielka i polega przede wszystkim na większym cieple właściwym. Układ siłowni parowej różni się od gazowej temperaturą i ciśnieniem czynnika roboczego na wlocie do turbiny. Optymalne ciśnienie spalin na wlocie do turbiny w układzie gazowym jest kilkakrotnie niższe, niż w układzie parowym. Ponadto uzyskanie wysokiego ciśnienia wody jest znacznie łatwiejsze i mniej energochłonne, niż powietrza (pompa zamiast sprężarki). Także ciśnienie czynnika na wylocie z turbiny jest w większości przypadków różne. W siłowni gazowej ciśnienie to jest zwykle zbliżone do ciśnienia otoczenia, natomiast w siłowni parowej możliwe jest uzyskanie ciśnienia znacznie niższego od otoczenia (tzw. próżnia w skraplaczu). Znacznie większa różnica ciśnień w siłowni parowej oraz większe ciepło właściwe pary wodnej, niż gazów spalinowych powodują, że w turbinie parowej może być zrealizowany znacznie większy spadek entalpii czynnika, niż w turbinie gazowej. Wynika z tego, że turbiny parowe mają znacznie większą liczbę stopni, na poziomie kilkudziesięciu. Turbina gazowa ma zwykle kilka stopni.

24. Duża liczba stopni turbiny parowej powoduje, że konieczny staje się podział wirnika turbiny na kilka części połączonych ze sobą sprzęgłem. Zbyt długi wał wirnika byłby za mało sztywny, co powodowałoby zbyt duże ugięcia i problemy dynamiczne (związane zwłaszcza z drganiami). Podział wału wirnika na kilka części, z których każda jest odpowiednio ułożyskowana na własnych łożyskach, pozwala na uzyskanie odpowiedniej sztywności elementów wirujących. Zwykle każda część wału ma także osobny korpus. Mamy więc do czynienia z jakby niezależnymi turbinami, których wały połączone są sprzęgłami i napędzają zwykle jeden wspólny generator. Ze względu na sposób zamiany entalpii czynnika na energię mechaniczną w stopniu można wyróżnić stopnie: akcyjne, w których znaczna większość entalpii czynnika zamieniana jest w kierownicy na energię kinetyczną, która w wirniku zamieniana jest z kolei na energię mechaniczną; reakcyjne, w których zarówno w kierownicy jak i w wirniku zamieniana jest entalpia na energię kinetyczną, z czym wiąże się generowanie mocy mechanicznej w ruchomym wieńcu wirnikowym.

25. Jeśli turbina składa się ze stopni akcyjnych, to nazywana jest akcyjną, jeśli z reakcyjnych – reakcyjną. W wielu przypadkach część stopni turbiny to stopnie akcyjne, a część – reakcyjne. Trudno wtedy jednoznacznie zakwalifikować turbinę do jednej z grup. W zależności od ciśnienia pary w poszczególnych częściach turbiny wyróżnia się część wysokoprężną, średnioprężną i niskoprężną. Para po rozprężeniu w części wysokoprężnej doprowadzana jest do średnioprężnej, i dalej ze średnioprężnej do niskoprężnej. Z części niskoprężnej odprowadzana jest już do skraplacza, gdzie następuje jej całkowite skroplenie i nieznaczne przechłodzenie kondensatu. Z powodu wysokiego ciśnienia pary na wlocie do turbiny (a właściwie w całej części wysokoprężnej) konieczne jest (ze względów wytrzymałościowych) stosowanie grubych ścianek elementów doprowadzających czynnik do turbiny oraz korpusu turbiny. Wraz ze spadkiem ciśnienia w kolejnych stopniach konstrukcja staje się coraz „lżejsza”.

26. Jednym ze sposobów podnoszenia sprawności siłowni cieplnej jest przegrzew wtórny czynnika. Jest to realizowane między częścią wysokoprężną a średnioprężną turbiny. Para wodna po opuszczeniu części wysokoprężnej kierowana jest z powrotem do kotła celem podniesienia temperatury i entalpii a następnie trafia do części średnioprężnej. W wyjątkowych przypadkach, w największych elektrowniach parowych, stosowane są dwa przegrzewy wtórne. Innym sposobem podnoszenia sprawności siłowni cieplnej jest stosowanie regeneracyjnego podgrzewu wody zasilającej przed dopływem do kotła parowego. Woda podgrzewana jest parą odprowadzaną z upustów turbiny.

27. Turbina parowa jest podstawową maszyną wytwarzającą moc mechaniczną wykorzystywaną do napędu generatorów elektrycznych w elektrowniach parowych (przede wszystkim węglowych i jądrowych, znacznie rzadziej geotermalnych czy solarnych), elektrociepłowniach i układach gazowo-parowych. Fakt ten stawia ją na pierwszym miejscu wśród maszyn nakręcających rozwój gospodarczy (wiek XIX - maszyna parowa, wiek XX i XXI - turbina parowa). Bez istnienia turbiny parowej wystąpiłby prawdopodobnie deficyt energii elektrycznej na świecie. Zastosowanie turbin parowych fot. Wirnik turbiny parowej Parsonsa z ORP Wicher (II) w skansenie broni morskiej na Helu.

28. Na statkach i okrętach do napędu pędników (Śruba okrętowa, Koło łopatkowe) bądź innych urządzeń. Na statkach (np. na Titanicu) często stosowana była łącznie z maszyną parową jako stopień niskiego ciśnienia. Para wylotowa zza turbiny może być wykorzystywana w elektrociepłowniach do podgrzewania wody użytkowej lub w innych zakładach do celów przemysłowych. W pierwszej połowie XX. wieku próbowano napędzać lokomotywy parowe przy użyciu turbin parowych. Próby były jednak nieudane z powodu bardzo niskich sprawności tych maszyn w zakresie małych prędkości obrotowych. W elektrowniach współczesnych stosowane są także do napędu pompy zasilającej. Są bowiem najlepszym źródłem mocy mechanicznej, odprowadzanej wałem przy prędkościach obrotowych znacznie wyższych od prędkości synchronicznej maszyn elektrycznych, dzięki czemu pompy mają mniejsze wymiary i większą sprawność. Turbiny parowe dzielimy również ze względu na wykorzystanie pary odlotowej na przeciwprężne i kondensacyjne. W turbinach kondensacyjnych para odlotowa nie jest w żaden sposób wykorzystywana, a ciepło jej skraplania jest odprowadzane do otoczenia i stanowi czystą stratę energii. Można ją zmniejszyć stosując zamiast wody ciecze organiczne, których ciepło parowania jest znacznie mniejsze, jednak komplikuje to znacznie układ i prowadzi do powstawania innych problemów, trudnych do ominięcia.

29. Turbina gazowa (nazywana także turbiną spalinową lub silnikiem turbospalinowym) jest silnikiem cieplnym, który energię napędową pobiera z przepływających spalin lub innego gazu roboczego, zwanego czynnikiem termodynamicznym lub roboczym. Określenie "turbina gazowa" odnosi się do maszyny składającej się ze sprężarki i turbiny (połączonych zwykle wspólnym wałem), oraz komory spalania umieszczonej pomiędzy nimi. Turbina gazowa

30. Ze względu na sposób realizacji ogrzewania i chłodzenia czynnika roboczego: - układ otwarty (najczęściej stosowany), - układ zamknięty, - układ kombinowany. Ze względu na ilość wałów łączących turbinę ze sprężarką i maszyną napędzaną: - jednowałowe, - dwuwałowe, - trójwałowe. Ze względu na budowę układu: - układ prosty, - układ z chłodnicą wstępną, - układ z regeneracją, - układ z chłodzeniem międzystopniowym sprężanego powietrza, - układ z przegrzewem międzystopniowym rozprężanych spalin, - układ z nawilżaniem powietrza (HAT), - układ z wtryskiem pary do komory spalania (STIG), - układ z kotłem odzyskowym, dowolna kombinacja powyższych wariantów (np. z nawilżaniem powietrza i regeneracją ciepła, lub z chłodzeniem międzystopniowym i regeneracją ciepła). Ze względu na rodzaj paliwa: - na paliwo gazowe (najpopularniejsze w układach stacjonarnych), - na paliwo ciekłe (najpopularniejsze w układach trakcyjnych), - na paliwo stałe (w fazie prób). Podział

31. Fot.1 Fot.1 - Przykładowy schemat turbiny gazowej pracującej w układzie otwartym; S - sprężarka, KS - komora spalania, T - turbina, G - generator elektryczny Fot.2 - Przykładowy schemat turbiny gazowej pracującej w układzie zamkniętym; S - sprężarka, WW - wysokotemperaurowy wymiennik ciepła, T - turbina, WN - wymiennik ciepła niskotemperaurowy, G - generator elektryczny Fot.2

32. Na wale turbiny zamocowana jest sprężarka (patrz rys. obok) dostarczająca sprężone powietrze do komory spalania. Po spaleniu paliwa w komorze (paliwo spalane jest bezpośrednio w sprężonym powietrzu przepływającym przez komorę spalania), spaliny przepływając przez stojan i wirnik turbiny generują moc mechaniczną na wale wirnika napędzając jednocześnie zamocowaną na nim sprężarkę. W turbinie generowana jest większa moc od mocy pobieranej przez sprężarkę, więc jej nadmiar może zostać odprowadzony do dowolnej maszyny, np. generatora elektrycznego. Większa moc turbiny niż sprężarki wynika z wyższych temperatur panujących w turbinie. Im wyższa temperatura czynnika, tym większa jego objętość właściwa (dla tego samego ciśnienia), a więc tym więcej energii trzeba zużyć do jego sprężenia, bądź więcej energii uzyska się z jego rozprężenia. Natomiast im niższa jest temperatura czynnika, tym energia sprężania i rozprężania jest niższa. Można więc wyciągnąć wniosek, że sprężanie w sprężarce czynnika powinno przebiegać przy możliwie niskiej temperaturze, a rozprężanie w turbinie - przy możliwie wysokiej. Zasada działania

33. Czynnik roboczy po rozprężeniu w turbinie posiada jeszcze stosunkowo wysoką temperaturę (więc niesie dużą energię). W układach najprostszych czynnik po opuszczeniu turbiny wydalany jest do otoczenia, co jest przyczyną występowania stosunkowo dużej straty energii. Aby ją ograniczyć stosuje się m.in. rekuperatory, kotły odzyskowe lub inne urządzenia energetyczne, które odzyskują część energii cieplnej z wyrzucanych do otoczenia spalin. Energia cieplna może być wykorzystywana w celach użytkowych, np. do ogrzewania pomieszczeń lub wody użytkowej, ewentualnie do wytworzenia pary. Energia odbierana z wału turbiny to energia mechaniczna służąca do napędu statków, pociągów, generatorów energii elektrycznej, śmigieł, sprężarek i innych urządzeń, a nawet czołgów. W zastosowaniach lotniczych turbina gazowa jest elementem konstrukcyjnym silnika turboodrzutowego lub turbowałowego (turbośmigłowego, śmigłowcowego). Obieg turbiny gazowej jest zwykle otwarty (w odróżnieniu od obiegu zamkniętego, gdzie rozprężony czynnik pozostaje w obiegu obiegu, np. obieg turbiny parowej). W układzie otwartym czynnik termodynamiczny jest pobierany z zewnątrz (powietrze i paliwo) i po przejściu przez komorę spalania i turbinę oddawany do otoczenia (spaliny).

34. Fot. Schemat turbiny gazowej z przykładowymi temperaturami w charakterystycznych punktach układu; S - sprężarka, KS - komora spalania, T - turbina, ω - prędkość kątowa wału, M - moment obrotowy na wale

35. Sprawność termiczna obiegu turbiny gazowej, a więc także rzeczywistej instalacji, zależy w zdecydowanym stopniu od temperatury spalin na wlocie do turbiny. Im wyższa ta temperatura, tym wyższa sprawność konwersja energii chemicznej paliwa w układzie. Górna granica tej temperatury uwarunkowana jest wytrzymałością materiału łopatek pierwszych stopni turbiny. Ponieważ nawet najbardziej zaawansowane materiały nie mogą znieść zbyt wysokich temperatur, więc stosowane jest chłodzenie łopatek turbiny powietrzem pobieranym ze sprężarki. Powietrze to przepływa przez wewnętrzne kanały wykonane w łopatkach chłodząc je od wewnątrz i następnie wypływa przez otwory (widoczne na zdjęciu obok) tworząc dodatkowo tzw. film powietrzny chroniący łopatkę przez bezpośrednim działaniem gorących spalin. Łopatki chłodzone stosowane są od temperatur rzędu 1000 °C (nieraz nieco wyższych). Najlepsze technologie chłodzenia łopatek umożliwiają uzyskiwanie temperatury spalin na wlocie do turbiny na poziomie ponad 1400 °C. Ponieważ chłodzone łopatki turbiny są stosunkowo drogie, więc nie są one zawsze stosowane. Wysoki stopień komplikacji konstrukcji łopatek powoduje, że tylko niektórzy producenci na świecie są w stanie wyprodukować tego typu łopatki. Jest to przyczyną ich wysokich kosztów. Chłodzenie łopatek

36. Fot. Łopatka turbiny (używana); widoczne otwory do chłodzenia powietrzem (tworzenia filmu powietrznego)

37. Silnik spalinowy tłokowy – silnik, który do wytwarzania pracy wykorzystuje tłoki poruszające się w cylindrach. Tłoki najczęściej są połączone z wałem korbowym, od którego odbierany jest moment obrotowy. Najbardziej znanymi silnikami tłokowymi są spalinowe silniki tłokowe i silniki parowe tłokowe jednak termin ten przypisywany jest najczęściej już tylko tym pierwszym, między innymi dlatego, że już dawno porzucono prace rozwojowe maszyn parowych. Silnik tłokowy

38. Klasyfikacja Ze względu na czynnik roboczy silniki spalinowe • silniki parowe • silniki pneumatyczne • silniki hydrauliczne Ze względu na ustawienie cylindrów silniki rzędowe • silniki widlaste (w układzie V) • silniki gwiazdowe • silniki w układzie przeciwsobnym ("bokser") • silniki w układach specjalnych: dwurzędowy, X i delta Ze względu na rodzaj ruchu tłoka silniki z tłokiem posuwisto-zwrotnym • silnik z tłokami przeciwbieżnymi • silniki z tłokiem obrotowym ("silnik Wankla") Ze względu na liczbę suwów w cyklu roboczym silniki dwusuwowe • silniki czterosuwowe Ze względu na prędkość obrotową (zakresy prędkości determinujące ten podział są bardzo umowne) silniki szybkoobrotowe • silniki średnioobrotowe • silniki wolnoobrotowe Ze względu na sposób prowadzenia tłoka • silniki bezwodzikowe • silniki wodzikowe lub krzyżulcowe (wodzik dwustronny).

39. KONIEC