Czym jest jest i jak działa turbina gazowa?
Najprościej mówiąc, to silnik, w którym jest spalany gaz wytwarzający energię mechaniczną, która służy do produkcji energii cieplnej i elektrycznej.
Turbiny gazowe tworzą układy turbinowe, które składają się z następujących urządzeń:
• Sprężarki
• komory spalania,
• turbiny,
• generatora (nagrzewnicy).
Zasada działania układu turbinowego: istotne elementy
Najpierw powietrze pobierane jest z zewnątrz układu za pomocą sprężarki, które następnie tłoczone jest do komory spalania, gdzie następuje proces wymieszania spalonego paliwa (gazu) z powietrzem właściwym. W ten sposób spaliny razem z powietrzem tworzą mieszaninę gazową, która jest kierowana do turbiny.
Na tym etapie należy zwrócić na dwa ważne aspekty związane z komorą spalania: jakość paliwa gazowego i temperaturę spalin. Wskazane parametry mają ogromne znaczenie dla całego procesu wytwarzania energii. Kaloryczność paliwa gazowego, czyli zawartość metanu i chłodzenie układu, są głównymi czynnikami decydującymi o sprawność pracy turbiny. Im wyższa zawartość metanu, tym lepszej jakości wytworzone paliwo (pod kątem ilości ciepła spalania, wyrażonej w wytwarzanej energii cieplnej na ilość zużytego paliwa gazowego MJ/m3). Drugim ważnym czynnikiem jest temperatura spalin. Powietrze zasysane przez sprężarkę, zwane rozcieńczającym, służy do obniżenia temperatury płomienicy komory spalin i temperatury wlotowej spalin. Chłodzenie układu turbinowego może odbywać się w sposób otwarty, czyli powietrze rozcieńczające, lub w sposób zamknięty – jako para wodna z kotła odzysknicowego.
Serce układu turbinowego
To właśnie w turbinie zachodzi właściwy proces spalania (drugi). To tutaj następuje transformacja energii cieplnej ze spalin w energię mechaniczną za pomocą wirnika i wału napędzającego, połączonego generatorem prądu, który służy do wytworzenia energii elektrycznej. Należy zwrócić uwagę, że produktem końcowym opisywanego procesu jest energia elektryczna. Niemniej ważnym produktem ubocznym - energia cieplna. Taką produkcję energetycy nazywają skojarzoną lub kogeneracją wysokosprawną. Proces wpisuje się w myśl koncepcji gospodarki zamkniętej: produkt pośredni, jakim jest ciepło, nie jest marnowane jak w tradycyjnej elektrowni, tylko wykorzystywane jako „podgrzewacz” czynnika ciepłowniczego zasilającego sieć ciepłowniczą. Może też stanowić bufor w postaci akumulatora energii. Isotna jest też samowystarczalność turbiny, która zasila energią elektryczną urządzenia pomocnicze układu turbinowego, w tym sprężarki.
Krótki rys historyczny turbiny
Pierwsze prace nad stworzeniem turbiny rozpoczęły się już w starożytności. Za ojca tego urządzenia uważa się Herona z Aleksandrii, który w 60 r. n.e. stworzył pierwszy pierwowzór turbiny, zwany Banią Herona lub turbiną Herona. Przez kolejne wieki wynalazek był traktowany jako ciekawostka bez praktycznego zastosowania. W XVI w. nad opisywanym urządzeniem pochylił się sam Leonardo da Vinci, który wykonał po raz pierwszy szkic turbiny parowej, która mogłaby zostać zamontowana na przydomowych kominach. Jednak również w tych czasach nie znalazła zastosowania. Ludzkość musiała czekać jeszcze ponad 200 lat, by odkryć i wykorzystać potencjał turbiny. Nastąpiło to podczas rewolucji przemysłowej. Pierwszą turbinę gazową opatentowano w 1791 roku, a już pod koniec XIX w. wykorzystywano technologię do napędzania statków i okrętów. W 1918 r., firma General Electric uruchomiła seryjną produkcją turbin dla energetyki i przemysłu stoczniowego.
Turbiny gazowe znalazły zastosowanie w różnych dziedzinach, w tym motoryzacji, okrętach wodnych, lotnictwie, przemyśle a przede wszystkim energetyce i ciepłownictwie. Dopiero rozwój lotnictwa na początku XX w. sprowokował wykorzystywanie silników turboodrzutowych, a ich ciągłe udoskonalanie i dążenie do niezawodności zostały przełożone na współczesne konstrukcje turbin gazowych.
Przykłady wykorzystania doświadczeń eksploatacyjnych z samolotów na energetykę
Dobrym przykładem jest chociażby turbina gazowa od GE na bazie konstrukcji silnika odrzutowego obsługującego samolot Boeinga 747, w tym samolot Air Force One, która zapewnia dostawę energii cieplnej i elektrycznej szpitalowi Texas Medical Center. W Polsce przykładem może być chociażby Elektrownia PGE Toruń, gdzie użytkowane są 2 turbiny gazowe GE LM 6000 na bazie silnika odrzutowego Boeing 787 Dreamliner. Wspomniane turbiny osiągają swoją moc szczytową w zaledwie 10 minut od ich uruchomienia, czyli jak startujący samolot. To właśnie współcześnie turbiny zastępują tradycyjne bloki energetyczne nie tylko z powodu zmiany polityki klimatycznej, ale przede wszystkim praktycznych aspektów, do których możemy zaliczyć:
• koszty budowy układu turbinowego
• sprawność turbiny gazowej
• niezależność od źródeł wody chłodzącej
• lekka konstrukcja
• automatyzacja procesu
• ograniczona emisja zanieczyszczeń gazowych
• brak odpadów paleniskowych i pyłowych
• koszty paliwa gazowego.
Turbiny to zielona przyszłość energetyki
W Polsce rozwój energetyki opartej o turbiny gazowe nastąpi już w najbliższych dekadach. Przede wszystkim ze względu na planowaną transformację energetyczną. W chwili obecnej głównym medium stosowanym do zasilania turbin gazowych jest gaz ziemny. Jednak cały świat czeka zielona rewolucja i to ona spowoduje zastąpienie paliw kopalnych, np. gazu ziemnego, paliwami „zielonymi”, czyli wodorem pochodzącym z OZE, czym zajmiemy się w innym artykule.
Jeśli interesują Was dodatkowe informacje, dotyczące tego tematu, zapraszamy do kontaktu z Michałem Rusteckim (michal.rustecki.@warta.pl)
Źródła:
1. A. Miller „Turbiny gazowe i układy parowo-gazowe” Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej
2. J.Lewandowski, A. Miller „Energetyczne turbiny gazowe”
