Przemiany energii w procesie otrzymywania prądu elektrycznego.

Sprawozdanie opisujące Przemiany energii w procesie otrzymywania prądu elektrycznego, wraz z informacjami na temat Elektrowni Jaworzno III. W ZAŁĄCZNIKU.

Końcem października br. wzięliśmy udział w wycieczce przedmiotowej z fizyki do Elektrowni Jaworzno III S.A., której celem było poznanie funkcjonowania Elektrowni oraz zapoznanie się z procesem produkcji energii elektrycznej.

Elektrownia Jaworzno III zlokalizowana jest w zachodniej części Jaworzna w pobliżu granicy z Mysłowicami. Wraz z towarzyszącymi jej obiektami oraz zapleczem technologicznym i pomocniczym zajmuje obszar ok. 85 ha. W kierunku południowo-zachodnim, w odległości około 1 km od ogrodzenia terenu elektrowni, zlokalizowana jest zakładowa oczyszczalnia ścieków, leżąca nad rzeką Przemszą. Natomiast na południowy-wschód w odległości ponad 2 km znajduje się buforowe składowisko odpadów paleniskowych i gipsu elektrowni. Obecnie w Elektrowni III zatrudnionych jest około 1500 osób. Elektrownia III, jako zawodowa elektrownia cieplna produkująca energię elektryczną, wyposażona jest w sześć bloków energetycznych o łącznej mocy zainstalowanej 1345 MW. Należy do najnowocześniejszych i największych elektrowni tak w województwie śląskim, jak i w kraju.

Energia elektryczna (wytwarzana w elektrowni) jest najcenniejszą postacią energii finalnej. Jest ekologicznie czysta, łatwo ją przesyłać i przetwarzać w różne postacie energii użytkowej. Stanowi siłę napędową urządzeń stosowanych w domach, szkołach, czy zakładach pracy.

EJ III jest elektrownią cieplną. Oznacza to, iż wykorzystuje ciepło spalonego paliwa (którym jest węgiel) do ogrzania kotła z wodą i uzyskania w ten sposób pary, która następnie rurami trafia do turbiny, gdzie przechodzi przez łopatki i obraca turbiną, która z kolei napędza generator. Tak w skrócie przedstawia się przebieg pracy naszej miejskiej elektrowni.

Paliwem spalanym w EJ III jest węgiel, dostarczany wagonami z kopalń, ważony, rozładowywany na dwóch zwrotnicach, a następnie przenośnikiem taśmowym transportowany na składowisko węgla (które daje możliwość zmagazynowania ilości węgla wystarczającej na 20 dni pracy elektrowni). Następnie węgiel jest przygotowywany do spalania, poprzez procesy przemiału, suszenia i dozowania. Do kotła, w którym zachodzi proces spalania, doprowadzane są potrzebne paliwo i powietrze. Kocioł jest urządzeniem służącym do produkcji pary wodnej o złożonym stopniu suchości i odpowiedniej temperaturze. Zachodzi wówczas proces przemiany energii, który schematycznie przedstawia się następująco:


Kocioł składa się z wysokiego paleniska oplecionego rurami, wewnątrz których płynie woda. Do tegoż paleniska wdmuchiwany jest miał wraz z powietrzem, który zostaje poddany procesowi spalania. Powstałe w ten sposób ciepło powoduje, iż woda w rurach zaczyna wrzeć, a następnie parować. Para najpierw jest gromadzona, a następnie ponownie trafia w najgorętsze miejsca paleniska. Efektem tego jest otrzymanie tzw. pary przegrzanej. Podczas spalania paliwa w komorze paleniskowej powstają spaliny. Przepływając przez komorę paleniskową, oddają one energię cieplną poszczególnym powierzchniom. W rezultacie spalania paliwa w kotle powstaje żużel oraz lotny popiół.

W kolejnym etapie produkcji prądu elektrycznego zastosowana została turbina akcyjna z przegrzewem międzystopniowym. Jest to trójkadłubowa turbina jednowałowa. Ze względu na parametry (sprężenie) dopływającej pary wodnej wyróżnia się trzy części: wysokoprężną, średnioprężną i niskoprężną. Powstała w kotle para przegrzana rurami dopływa do trzech połączonych ze sobą turbin. Po przejściu przez pierwszą z nich (wysokoprężną), para jest zwracana do kotła, gdzie następuje jej ponowne ogrzanie. Następnie przechodzi przez pozostałe dwie turbiny (średnioprężną i niskoprężną), gdzie stopniowo traci swą energię. Na koniec para z powrotem zamieniana jest w wodę. Proces ten zachodzi w tzw. skraplaczu, gdzie w wyniku skroplenia pary wodnej powstaje gorąca woda, która następnie wraca z powrotem do kotła. W tym etapie zachodzi następująca przemiana energii:

W trzecim etapie energia kine-tyczna przetwarzana jest w energię elektryczną. Służą temu generatory z chłodzeniem wodno-wodorowym, o mocy 215 MW każdy, których w Elektrowni Jaworzno III jest aż sześć. Generatorem obraca wirująca turbina. W gruncie rzeczy generator składa się z dwóch kręgów drutu. Jeden z nich (nazywany wirnikiem) obracany jest bezpośrednio przez turbinę. Drugi zaś (zwany stojanem bądź twornikiem) nawinięty jest na żelazny rdzeń i przymocowany do podłoża. Żelazny rdzeń jest cały czas słabo namagnesowany tak, że gdy generator rozpoczyna swą pracę, przez wirnik przepływa mały prąd elektryczny, którego część dopływa do nieruchomego uzwojenia, czyniąc je tym samym silnym elektromagnesem. Następnie prąd elektryczny stopniowo rośnie, aż do uzyskania pełnej mocy generatora. Wyprowadzenie energii elektrycznej do sieci prezentuje poniższy układ:

Pięć bloków przekazuje swą energię do sieci o napięciu 220 000 V, a jeden blok do sieci o napięciu 110 000 V. Obiekty znajdujące się w Jaworznie (domy, fabryki, biurowce) są podłączone do elektrowni za pomocą sieci energetycznej. Przewody przesyłają energię elektryczną o bardzo wysokim napięciu 220 kV, gdyż niższe napięcie powodowałoby zbyt duże straty przesyłu. Na końcu każdej linii przesyłowej znajduje się urządzenie zwane transformatorem, którego funkcją jest zmiana napięcia płynącego prądu przemiennego.
W elektrowni transformator podwyższający napięcie stanowi połączenie generatora i linii przesyłowej. Na drugim końcu transformator redukuje napięcie do poziomu, na którym energia elektryczna energia elektryczna może być użytkowana w fabrykach oraz w gospodarstwach domowych.

W trakcie procesu energetycznego spalania węgla powstaje ogromna ilość spalin. W ciągu zaledwie jednej godziny EJ III S.A. emituje ponad 5 mln Nm3 spalin. Ważne jest więc maksymalne ograniczenie zanieczyszczeń w spalinach, aby nie rozprzestrzeniały się one zarówno na okoliczny region, jak i na cały kraj. Dzięki nowoczesnym technologiom zastosowanym w elektrowni ponad 99% pyłów zostaje wychwyconych w elektrofiltrach. Na każdym z bloków energetycznych elektrowni zainstalowane są trzy elektrofiltry trójsferowe o końcowym stężeniu pyłów w gazie maksimum 360 mg/Nm3.
Najbardziej niepożądany jest jednak dwutlenek siarki. Elektrownia bowiem spalając węgle charakteryzujące się dużą zawartością siarki, stała się jednym z głównych emitentów SO2 w Polsce. Dlatego też Elektrownia Jaworzno III wyposażona jest w specjalną odsiarczalnię spalin. W procesie odsiarczania spaliny przechodzą przez absorber, gdzie na skutek ich kontaktu z zawiesiną płuczącą powstaje CaSO3. Oczyszczone spaliny z absorbera kierowane są do chłodni kominowej, gdzie wraz z parą wodną przedostają się do otoczenia. Nieznaczna część strumienia zawiesiny wraz z produktami reakcji odprowadzana jest z obiegu płuczącego do zbiornika zawiesiny gipsu. Po odwodnieniu gips o wilgotności ok. 10% zostaje przetransportowany do magazynu gipsu. Gips obecnie zagospodarowywany jest przez zakład materiałów budowlanych firmy Knauf.
Na kolejnej stronie przedstawiony został schemat instalacji odsiarczania spalin metodą mokrą wapienną, do którego objaśnienie znajduje się obok.

Podsumowując, celem pracy Elektrowni Jaworzno III S.A. jest wytworzenie energii elektrycznej z energii cieplnej. Zanim jednak do tego dojdzie, musi nastąpić wiele procesów, dzięki którym możemy na co dzień korzystać z urządzeń zasilanych energią elektryczną. Dzięki tej wycieczce przedmiotowej dowiedziałem się, jaki są zasady funkcjonowania elektrowni oraz poznałem poszczególne etapy produkcji prądu oraz powiązania miedzy nimi. Schemat przemian energii w EJ III przedstawia się zatem następująco: