Turbiny parowe

Rys. 3. Schemat ideowy turbiny przeciwprężnej

Turbiny parowe to jedne z bardziej uniwersalnych napędów. Chociaż znane są już od dawna, są ciągle używane, ciesząc się popularnością także w systemach kogeneracji, głównie średniej i dużej skali. W przeciwieństwie do instalacji CHP z turbinami gazowymi oraz silnikami tłokowymi, w których ciepło jest produktem ubocznym, w systemach z turbinami parowymi to energia elektryczna jest produktem uzyskiwanym niejako dodatkowo.

Zasada ich działania jest powszechnie znana: para wodna o dużym ciśnieniu wytworzona w kotle w wyniku spalania paliwa przepływa przez turbinę, która napędza generator elektryczny. Takie rozwiązanie pozwala oddzielić proces spalania od pozostałych komponentów urządzenia, dzięki czemu w turbinach parowych wykorzystuje się rozmaite rodzaje paliwa, m.in. węgiel, gaz ziemny, ale również np. odpady spalane w specjalnych kotłach, wyposażonych w systemy przechwytywania lub neutralizacji zanieczyszczeń i substancji toksycznych.

W systemach kogeneracji używa się najczęściej dwóch typów turbin, które ze względu na sposób wykorzystania pary wylotowej określa są jako turbiny przeciwprężne (rys. 3) oraz upustowo-kondensacyjne. W pierwszym przypadku cała para wodna trafia do obciążenia, gdzie oddaje ciepło, ulegając kondensacji (kondensat wraca z powrotem do systemu).

Rys. 4. Turbiny parowa i gazowa w układzie kombinowanym

W turbinach tego typu para wodna opuszczająca turbinę ma ciśnienie równe lub wyższe od ciśnienia atmosferycznego, w zależności od wymagań instalacji. W turbinach upustowo‑kondensacyjnych część strumienia pary jest pobierana z tzw. upustów, dzięki czemu do odbiorników ciepła dopływa para o konkretnej temperaturze i ciśnieniu. Spośród dwóch wymienionych rozwiązań prostsze w realizacji są turbiny przeciwprężne.

Ich zaletą jest też duża sprawność energetyczna w porównaniu do turbin upustowo-kondensacyjnych dzięki temu, że ciepło jest całkowicie przekazywane do obciążenia. Wadą natomiast jest uzależnienie natężenia przepływu pary, a tym samym wytwarzanej mocy elektrycznej od termicznego obciążenia turbiny. Dlatego w systemach kogeneracji z turbinami przeciwprężnymi wręcz wymagane jest podłączenie do publicznej sieci energetycznej, z której można uzupełniać niedobory energii lub odsprzedać do niej nadwyżki, jeżeli produkcja systemu kogeneracji przekroczy zapotrzebowanie.

Turbiny gazowe

Rys. 5. Agregat kogeneracyjny

Obok turbin parowych równie często wykorzystywanym elementem systemów kogeneracji dużej skali są turbiny gazowe. W urządzeniach tego typu paliwo jest spalane w przepływającym przez komorę spalania sprężonym powietrzu. Spaliny powstające w tym procesie zasilają wirnik turbiny napędzającej generator.

Gazy spalinowe o bardzo wysokiej temperaturze można dalej wykorzystać, np. doprowadzając je do kotłów odzyskowych, w których odzyskuje się część energii cieplnej, wytwarzając parę wodną używaną następnie w różnych procesach lub np. do zasilania turbin parowych w tzw. układach kombinowanych (rys. 4). Systemy kogeneracji z turbinami gazowymi można ogólnie podzielić na dwie grupy, z tzw. turbinami w układzie otwartym i zamkniętym.

W częściej spotykanym układzie otwartym wykorzystuje się powietrze pobierane z zewnątrz. W związku z tym, że łopatki turbiny są w takim wypadku wystawione na wpływ gazów spalinowych, należy zwrócić uwagę, by produkty spalania nie zawierały substancji korozyjnych. W przypadku, gdy nie można tego uniknąć, zaleca się ich oczyszczanie przed wprowadzeniem do turbiny. W drugim przypadku gaz roboczy (zazwyczaj hel lub powietrze) krąży w zamkniętym obwodzie, w którym przed wprowadzeniem do turbiny jest podgrzewany w wymienniku ciepła, a po opuszczeniu turbiny jest chłodzony.

Dzięki temu roboczy gaz pozostaje "czysty", co pozwala uniknąć opisywanych wcześniej problemów z korozją. Ponadto, dzięki zewnętrznemu spalaniu, podobnie jak w turbinach parowych także w tym wypadku można wykorzystać dowolne paliwo. Ze względu na mniejsze wymagania pod względem konserwacji turbiny gazowe w układzie zamkniętym coraz częściej dorównują popularnością dominującym dziś układom otwartym.

Trzecią grupą urządzeń powszechnie wykorzystywanych w systemach CHP są silniki spalinowe tłokowe, klasyfikowane m.in. na podstawie sposobu zapłonu na silniki z zapłonem samoczynnym (silniki Diesla) i silniki o zapłonie iskrowym (silniki Otto). Silniki Diesla są używane przede wszystkim w dużych systemach kogeneracji, chociaż można je wykorzystać także w instalacjach pracujących na mniejszą skalę. Z kolei silniki z zapłonem iskrowym są częściej spotykane w systemach kogeneracji małej i średniej skali, w których powszechnie wdraża się rozwiązania modułowe, czyli kompleksowo wyposażone agregaty kogeneracyjne (rys. 5).