Estratto: Libro bianco – Fattori d’influenza e parametri delle turbine a gas e loro importanza per l’ottimizzazione del rendimento e delle emissioni
Le turbine a gas nel settore industriale
Grazie alle loro prestazioni fuori dal comune nel campo dei picchi di carico, le turbine a gas si sono affermate come componenti decisivi e affidabili in numerose applicazioni industriali. Le turbine a gas vengono impiegate particolarmente spesso nel campo dell’economia elettrotermica così come nell’industria del petrolio e del gas. Nel settore dell’approvvigionamento energetico industriale le turbine a gas garantiscono la copertura del picchi di domanda e la produzione di calore utile. Gli impieghi più frequenti sono centrali a turbogas, impianti a ciclo combinato gas-vapore e impianti di cogenerazione. Un’efficienza energetica particolarmente alta viene raggiunta con la combinazione di turbine a gas e a vapore. Nell’industria del petrolio e del gas le turbine a gas vengono impiegate come propulsori meccanici di pompe, compressori e generatori per il trasporto e la lavorazione di materie prime. Le turbine a gas vengono azionate con combustibili liquidi e gassosi come gas metano, benzina, diesel, olio combustibile o petrolio. Per ottenere la massima efficienza possibile di questo processo, che consuma molto combustibile e produce molti gas combusti, è importante trovare il giusto equilibrio nella complessa interazione tra i parametri dei fumi e la regolazione del processo di combustione nella turbina a gas, cioè le basi per una prestazione ottimale. Per il tecnico addetto al servizio assistenza è importante capire come funziona il processo di combustione e quali sono gli effetti dei singoli parametri di misura sulle prestazioni e l’emissione di agenti inquinanti della turbina a gas.
Principio funzionale delle turbine a gas
Le turbine a gas sono motori a combustione interna formati da tra componenti: un compressore situato a monte la camera di combustione centrale e la turbina vera e propria. A seconda dell’applicazione e del campo d’impiego, le turbine a gas si differenziano nella costruzione, nelle prestazioni e nelle dimensioni. Il principio funzionale rimane tuttavia sempre lo stesso e di basa sul ciclo termodinamico di James Prescott Joule (“processo Joule”). Attraverso la palettatura di uno o più stadi di compressione, l’aria viene compressa e successivamente miscelata nella camera di combustione con un combustibile gassoso o fluido, innescata e combusta.
Nella turbina a ciclo di espansione i gas combusti caldi e saturi di energia si espandono all’incirca alla pressione atmosferica e riducono la loro velocità. Durante la fase di espansione, i gas combusti cedono potenza alla turbina. Per azionare il compressore (aspirazione dell’aria) sono necessari circa 2/3 di questa potenza. Un generatore accoppiato direttamente trasforma l’energia meccanica in energia elettrica. Sul lato bassa pressione rimane ancora a disposizione circa 1/3 della potenza effettiva per un secondo albero ad es. per azionare un generatore, un rotore, un compressore o il motore di una pompa, prima che i gas combusti caldi vengano convogliati nella caldaia di recupero per la produzione di calore utile.Da questa miscela di aria compressa e gas combusti viene prodotto un gas caldo che può raggiungere temperature di oltre +1.000 °C e giunge nella sezione a valle della turbina dove si espande: l’energia termica si trasforma in energia meccanica.
Analizzare correttamente la concentrazione dei gas combusti
La concentrazione dei gas combusti liberati fornisce importanti informazioni sull’efficienza della combustione e su come aumentarla. I valori CO e NOx forniscono indizi sullo stato attuale dell’impianto e sul rispetto dei limiti di emissione. L’alimentazione d’aria tra “rich” e “lean” così come la correlata temperatura della camera di combustione influiscono sul livello di emissioni della turbina a gas.
Sfide da affrontare durante la messa in funzione, l’esercizio e la manutenzione
Quando si misurano le emissioni di una turbina a gas, la sfida principale è rappresentata dalla necessità di misurare con precisione sia concentrazioni di gas molto basse, sia molto alte. Con una temperatura d’esercizio corretta, le turbine a gas regolate in modo ottimale emettono solo valori CO e NOx insignificanti (<10 ppm). Tuttavia possono verificarsi alte concentrazioni di gas quando l’impianto viene ad es. avviato per svolgere i necessari collaudi. Anche la riduzione delle emissioni di NO2 e gli accorgimenti per evitare una perdita di pressione nella camera di combustione sono fattori importanti per un esercizio efficiente della turbina a gas.
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