Czym jest turbina gazowa?

Zasada działania turbiny gazowej opiera się na ciągłym przepływie powietrza i spalin przez kolejne elementy maszyny. Podstawowymi komponentami są sprężarka, komora spalania oraz turbina.

Proces rozpoczyna się od zasysania powietrza atmosferycznego przez sprężarkę osiową lub promieniową. Powietrze zostaje sprężone do ciśnienia od kilku do nawet kilkudziesięciu barów. W nowoczesnych jednostkach przemysłowych stopień sprężania wynosi zwykle od 10:1 do ponad 30:1.

Następnie sprężone powietrze trafia do komory spalania, gdzie mieszane jest z paliwem. W wyniku spalania temperatura gazów wzrasta do wartości rzędu 1000–1500°C, a w najbardziej zaawansowanych konstrukcjach nawet do 1600°C.

Powstałe spaliny kierowane są na łopatki turbiny. Podczas rozprężania oddają swoją energię kinetyczną i cieplną, powodując obrót wirnika. Część uzyskanej mocy napędza sprężarkę powietrza będącą elementem turbiny gazowej, natomiast pozostała energia może zostać wykorzystana do napędu generatora elektrycznego, sprężarek procesowych lub innych urządzeń przemysłowych.

Charakterystyczną cechą turbin gazowych jest bardzo wysoka temperatura spalin opuszczających turbinę. Zwykle wynosi ona od 400 do 600°C, co stwarza doskonałe warunki do odzysku energii cieplnej.

Najczęściej stosowanym paliwem jest gaz ziemny wysokometanowy. Wynika to z jego dostępności, wysokiej wartości opałowej oraz stosunkowo niskiej emisyjności w porównaniu z paliwami stałymi czy olejowymi. W zależności od konstrukcji i wyposażenia układu spalania turbiny mogą być zasilane również:

• gazem ziemnym LNG,
• gazem płynnym LPG,
• biogazem,
• gazem wysypiskowym,
• gazem koksowniczym,
• gazem wielkopiecowym,
• gazem syntezowym (syngazem),
• wodorem lub mieszaninami gazu ziemnego z wodorem.

Opracowuje się także rozwiązania umożliwiające współspalanie wodoru. Wielu producentów deklaruje obecnie możliwość pracy turbin na mieszankach zawierających od 20% do nawet 100% wodoru, co wpisuje się w proces dekarbonizacji przemysłu.

Jednym z najważniejszych zastosowań przemysłowych turbin gazowych jest kogeneracja, czyli jednoczesna produkcja energii elektrycznej i ciepła użytkowego. W klasycznej elektrowni znaczna część energii paliwa tracona jest w postaci ciepła odpadowego. Sprawność produkcji samej energii elektrycznej wynosi zazwyczaj od 30 do 42%.

W układzie kogeneracyjnym gorące spaliny opuszczające turbinę kierowane są do kotła odzyskowego. W kotle tym produkowana jest para technologiczna, gorąca woda lub inne medium wykorzystywane w procesach przemysłowych.

Dzięki temu możliwe jest wykorzystanie energii, która w tradycyjnej elektrowni zostałaby utracona. Typowe parametry układów kogeneracyjnych z turbiną gazową wynoszą:

• sprawność elektryczna: 25–45%,
• sprawność cieplna: 35–55%,
• sprawność całkowita: 75–90%.

W przedsiębiorstwach charakteryzujących się dużym i stabilnym zapotrzebowaniem na ciepło kogeneracja pozwala znacząco obniżyć koszty zakupu energii oraz zwiększyć bezpieczeństwo energetyczne zakładu.

Zakres mocy turbin gazowych jest bardzo szeroki. Najmniejsze mikroturbiny wykorzystywane w małych instalacjach kogeneracyjnych osiągają moc od 30 kW do około 500 kW. W przypadku zastosowań przemysłowych najczęściej spotykane są jednostki o mocy od 1 MW do 50 MW. Przykładowe moce jednostek:

• mikroturbiny: 30–500 kW,
• małe turbiny przemysłowe: 1–10 MW,
• średnie turbiny przemysłowe: 10–50 MW,
• duże turbiny przemysłowe i energetyczne: 50–300 MW,
• największe turbiny energetyczne: ponad 500 MW.

W polskich zakładach przemysłowych szczególnie często spotyka się jednostki o mocy od około 5 do 25 MW, które dobrze odpowiadają zapotrzebowaniu na energię elektryczną i parę technologiczną.

Sprawność elektryczna turbiny gazowej zależy od wielu czynników konstrukcyjnych i eksploatacyjnych, przede wszystkim od stopnia sprężania powietrza, temperatury gazów przed turbiną, wielkości jednostki oraz zastosowanych rozwiązań technologicznych. Małe turbiny przemysłowe osiągają zwykle sprawność elektryczną na poziomie 25–35%, natomiast nowoczesne jednostki średniej i dużej mocy mogą przekraczać 40%, osiągając najczęściej wartości w przedziale 35–45%. Wraz ze wzrostem mocy urządzenia rośnie zazwyczaj jego sprawność, co wynika między innymi z korzystniejszych proporcji strat energetycznych oraz możliwości zastosowania bardziej zaawansowanych układów chłodzenia i spalania.

Najwyższe wartości sprawności uzyskują układy gazowo-parowe, w których energia zawarta w gorących spalinach opuszczających turbinę gazową jest dodatkowo wykorzystywana do produkcji pary napędzającej turbinę parową. Dzięki temu sprawność elektryczna całego bloku może przekraczać 60%, co czyni tę technologię jedną z najbardziej efektywnych metod wytwarzania energii elektrycznej z paliw gazowych. W zastosowaniach przemysłowych równie istotna jest jednak sprawność całkowita układu, uwzględniająca odzysk ciepła technologicznego. W przypadku instalacji kogeneracyjnych wykorzystujących turbinę gazową całkowite wykorzystanie energii zawartej w paliwie może osiągać 75–90%, co znacząco poprawia opłacalność eksploatacji oraz ogranicza zużycie paliwa w przeliczeniu na jednostkę wyprodukowanej energii.

Jedną z największych zalet turbin gazowych jest wysoka gęstość mocy. W porównaniu z wieloma innymi technologiami pozwalają one uzyskać dużą moc przy stosunkowo niewielkich gabarytach urządzenia. Istotną korzyścią jest także możliwość szybkiego uruchomienia. Turbiny gazowe mogą osiągać pełne obciążenie w czasie od kilku do kilkudziesięciu minut, co jest szczególnie ważne w systemach wymagających elastycznej pracy.

Do najważniejszych zalet należą:

• wysoka sprawność całkowita w kogeneracji,
• stosunkowo niska emisja CO₂ (w porównaniu z paliwami stałymi),
• niewielka emisja pyłów i SO₂,
• wysoka niezawodność,
• możliwość pracy na różnych paliwach gazowych,
• niewielkie wymagania przestrzenne,
• możliwość odzysku dużych ilości ciepła ze spalin.

Najważniejszym aspektem, który warto wziąć pod uwagę jest zależność opłacalności pracy turbiny od ceny paliwa gazowego. W okresach wysokich cen gazu koszty produkcji energii mogą znacząco wzrastać.

Do głównych wad należą także:

• wysoki koszt inwestycyjny,
• konieczność stosowania paliwa o odpowiednich parametrach jakościowych,
• spadek sprawności przy pracy z częściowym obciążeniem,
• obniżenie mocy w wysokich temperaturach otoczenia,
• wysokie wymagania dotyczące serwisowania gorących części turbiny,
• emisja CO₂ związana ze spalaniem paliwa.

Turbina gazowa jest jednym z urządzeń stosowanych we współczesnej energetyce i przemyśle. Dzięki wykorzystaniu energii powstającej podczas spalania gazu umożliwia efektywną produkcję energii elektrycznej, a w układach kogeneracyjnych również ciepła technologicznego. Typowe jednostki przemysłowe osiągają moce od kilku do kilkudziesięciu megawatów, a całkowita sprawność instalacji w kogeneracji może zbliżać się do 90%, przy optymalnym wykorzystaniu ciepła odpadowego. Wysoka niezawodność, możliwość odzysku ciepła oraz stosunkowo niska emisyjność w porównaniu z paliwami stałymi sprawiają, że turbiny gazowe pozostają jednym z narzędzi transformacji energetycznej przemysłu, szczególnie w przedsiębiorstwach dążących do ograniczenia kosztów energii i redukcji emisji gazów cieplarnianych.