Turbiny gazowe – działanie, rodzaje, zastosowanie

Pierwsze próby stworzenia turbiny gazowej (turbiny spalinowej) przypisuje się Leonardowi Da Vinci, który zaprojektował komin z konstrukcją wewnętrznych wiatraków, poruszanych przez unoszące się spaliny. Ostatecznie do opatentowania silnika, który był turbiną gazową, doszło jednak prawie 400 lat później, pod koniec XVIII wieku, w czasie rewolucji przemysłowej. Obecnie turbiny gazowe są coraz bardziej popularnym rozwiązaniem, powszechnie stosowanym w branży energetycznej, lotniczej i militarnej. W tym wpisie podpowiemy Ci, jak wygląda podstawowa budowa tego rodzaju silników, jaka jest zasada ich działania oraz jak w praktyce wygląda podział turbin gazowych.

Turbiny gazowe: konstrukcja i budowa

Budowa turbiny gazowej to kwestia indywidualna, uzależniona od konkretnego urządzenia. Można jednak wyróżnić kilka podstawowych elementów, które z reguły są spotykane w silnikach tego typu. Zalicza się do nich:

• Wlot powietrza,
• Sprężarkę,
• Komorę spalania,
• Turbinę – wał z wyprofilowanymi łopatkami.

W kontekście konstrukcyjnym, turbina gazowa jest więc bardzo prostym urządzeniem, które w dużej mierze przypomina silnik turbowałowy, wykorzystywany w śmigłowcach.

Analizując budowę turbiny, nie można jednak zapominać również o rozwiązaniach, które mają podstawowe znaczenie dla poprawy jakości powietrza zasysanego przez wlot. Po co? Działanie turbiny wymaga dużych jego ilości. Niestety, powietrze może być zabrudzone pyłem, wilgocią itp., co negatywnie wpływa na wydajność energetyczną urządzenia oraz skraca żywotność filtra, podnosząc koszty jego konserwacji. W związku z tym, w przypadku niektórych turbin stosuje się systemy chłodzenia wyparnego – chłodnice wstępne często pozwalają na skuteczną filtrację powietrza, dzięki czemu to chłodnica, a nie pierwszy filtr powietrza, usuwa dużą część zanieczyszczeń, przedłużając jego trwałość.

Turbina gazowa – zasada działania

Jeżeli zastanawiasz się, jak działa turbina gazowa, mamy dla Ciebie dobrą wiadomość – zasada funkcjonowania tego rodzaju silnika nie jest skomplikowana.

• Podstawowym zadaniem turbiny jest przekształcenie energii spalin, które są produkowane w efekcie spalania paliwa, w energię mechaniczną.
• Co ważne, po tym, jak turbina gazowa wykona swoją pracę, otrzymujesz nie tylko moc mechaniczną w postaci obrotu wału, ale również energię cieplną, czyli gorące spaliny, które można wykorzystać np. do generowania pary lub gorącej wody.
• Najprościej wyjaśniając charakterystykę turbin gazowych: powietrze łącząc się z gazem ziemnym lub innymi paliwami tworzy mieszankę, dzięki której możliwe jest wprowadzenie turbiny w ruch. Ta z kolei, obracając wał generatora, wytwarza energię elektryczną.

Jak krok po kroku wygląda zasada działania turbiny gazowej? Przekształcenie energii chemicznej w mechaniczną jest możliwe przede wszystkim dzięki procesowi sprzężenia i rozprężenia powietrza.

• We wlocie powietrza dochodzi do zassania chłonnego powietrza atmosferycznego do sprężarki.
• W sprężarce, jak sama nazwa wskazuje, zassane powietrze zostaje sprężone. Ściskane są cząsteczki gazu, dzięki czemu dochodzi do podniesienia jego ciśnienia i temperatury.
• Następnie gaz „przechodzi” do komory spalania, gdzie sprężone powietrze spala się z paliwem.
• Gorący gaz jest wtłaczany do turbiny, czyli specjalnego wału z łopatkami, przez które przechodzi, kiedy zaczyna się rozprężać. Proces rozprężania pozwala natomiast na wprawienie wału w ruch.

Obecnie turbiny gazowe w Polsce i na świecie cieszą się coraz większą popularnością, dlatego producenci silników stoją przed wieloma wyzwaniami. Do najważniejszych należą m.in. poszukiwanie nowych, skuteczniejszych rozwiązań w zakresie chłodzenia węzłów turbiny oraz opracowywanie technologii pozwalających na wydłużenie przydatności do użycia kluczowych elementów konstrukcji.

Rodzaje turbin gazowych

Obecnie turbiny gazowe znajdują zastosowanie przede wszystkim w szeroko pojętej branży energetycznej. Dzięki dużej wydajności – jednej z ich podstawowych zalet – ten rodzaj turbin, może stanowić ciekawą odpowiedź na rosnące zapotrzebowanie, które obecnie świat wykazuje na energię elektryczną. Dotyczy to zwłaszcza turbin gazowych w projektach kogeneracji opierających się o gaz ziemny.

Dla popularności turbin gazowych nie bez znaczenia jest również możliwość zastosowania różnych rodzajów paliw płynnych i odnawialnych oraz gazów, co w dobie dywersyfikacji źródeł energii ma kluczowe znaczenie. Jedna jednostka może być przystosowana do zasilania wieloma rodzajami paliw ciekłych i gazowych

Turbiny gazowe cieszą się dużym zainteresowaniem przemysłu energochłonnego, gdzie wykorzystuje się je w charakterze generatora energii elektrycznej oraz pary czy innych rodzajów ciepła procesowego. Na tym jednak nie koniec. Do często stosowanych rozwiązań należą również turbiny gazowe w elektrowniach i elektrociepłowniach.

Co sprawia, że rośnie ich popularność?

• Jednym z powodów są względy ekologiczne – turbiny gazowe są jednostką kogeneracyjną charakteryzującą się najniższymi poziomami emisji NOx, CO2 czy UHC.
• Są najprostszym i najtańszym urządzeniem mogącym zastąpić duże jednostki węglowe czy olejowe.
• Doskonale wpisują się w plany UE dotyczące dekarbonizacji, przejście na wodór jest płynne i nie wymaga zmiany technologii.

Są to urządzenia o najwyższej rocznej dostępności, mogące pracować przez cały rok bez przerwy, przy zachowaniu corocznego przeglądu.

• Poza tym nie bez znaczenia są również kwestie stricte ekonomiczne. Koszty eksploatacji turbiny gazowej są dla mocy wytwórczych > 6MWe znacznie niższe niż dla konkurencyjnych technologii. Ich lekka konstrukcja i wysoka gęstość mocy umożliwia bardzo tanią zabudowę, niewymagającą dużych nakładów inwestycyjnych. Najstarsze jednostki w Polsce pracują już przeszło 30 lat, co dla innych rozwiązań generacyjnych jest nieosiągalne.

Cena turbiny gazowej liczona za kW mocy zainstalowanej maleje wraz z rozmiarem jednostki. Im większa moc zainstalowana tym tańsza w przeliczeniu jest instalacja.

mail: jbigoszewski@eneria.pl

Autor: Jakub BIGOSZEWSKI

Kierownik produktu, Ekspert ds. Turbin Gazowych