Características Principales de una Turbina de Gas Una turbina turbina de gas gas es una turbomá turbomáquina quina térmica térmica motora motora accionada accionada por la la expansión de los gases calientes. Las primeras turbinas de gas con éxito comercial fueron las que se diseñaron para aplica aplicacio ciones nes de avia aviació ción n 1930 F. Whit Whittle tle,, 1936 Hans Hans von Ohian, Ohian, aunqu aunquee fue durante la segunda guerra mundial cuando se desarrolló definitivamente la tecnología. Existen tres criterios fundamentales para clasificar las turbinas de gas: 1- Según ciclo termodinám termodinámico ico de funcionamiento: funcionamiento: Ciclo Abierto: El fluido que se comprime es aire tomado del ambiente. Los gases de escape son vertidos a la atmósfera. Ciclo Cerrado: El fluido de trabajo opera en un ciclo cerrado, existiendo dos circuitos secundarios, uno que hará de foco caliente y otro de foco frío. Ciclo Regenerati Regenerativo: vo: Se aprovechan aprovechan los gases turbinados turbinados para precalentar precalentar el aire antes de ponerlo en contacto con el foco caliente.
Características Principales de una Turbina de Gas Las más utilizadas en aplicaciones de cogeneración son las de ciclo abierto y simple. Los componentes principales de este tipo de turbinas de gas son: Compresor ( de una o varias etapas ), Cámara de Combustión , Turbina (de una o varias etapas)
El principio de funcionamiento es el siguiente: El aire atmosférico aspirado se comprime en el compresor y se introduce en la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible, previamente comprimido también, produciéndose la combustión. Los gases calientes resultantes resultantes de la combustió combustión n se hacen circular circular a través de una o varias etapas etapas de turbinas, expandiéndose y produciendo un movimiento rotativo en un eje de donde se extrae la potencia necesaria para mover el compresor de aire y el alternador. 2- Según aplicac aplicación: ión: Propulsi Propulsión ón aérea, aérea, marítima marítima y ferroviaria, ferroviaria, Generaci Generación ón eléctrica, Cogeneración, Bombeo en gaseoductos. 3- Según número de ejes: ejes: Monoeje Monoeje o Multiej Multieje. e.
Características Principales de una Turbina de Gas Las más utilizadas en aplicaciones de cogeneración son las de ciclo abierto y simple. Los componentes principales de este tipo de turbinas de gas son: Compresor ( de una o varias etapas ), Cámara de Combustión , Turbina (de una o varias etapas)
El principio de funcionamiento es el siguiente: El aire atmosférico aspirado se comprime en el compresor y se introduce en la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible, previamente comprimido también, produciéndose la combustión. Los gases calientes resultantes resultantes de la combustió combustión n se hacen circular circular a través de una o varias etapas etapas de turbinas, expandiéndose y produciendo un movimiento rotativo en un eje de donde se extrae la potencia necesaria para mover el compresor de aire y el alternador. 2- Según aplicac aplicación: ión: Propulsi Propulsión ón aérea, aérea, marítima marítima y ferroviaria, ferroviaria, Generaci Generación ón eléctrica, Cogeneración, Bombeo en gaseoductos. 3- Según número de ejes: ejes: Monoeje Monoeje o Multiej Multieje. e.
Características Principales de una Turbina de Gas Cámara de combustión Sistema de Arranque
Compresor Axial Compresor Radial 3 etapas
G E N E R AD OR DE GA S
Gases de Escape
Turbina 2 etapas
POTENCIA
Turbina Turbina de Gas Aeroderiva Aeroderivada da de dos ejes TurboMe TurboMeca ca
Características Principales de una Turbina de Gas Como parámetro parámetross más críticos críticos en el diseño diseño de una una turbina turbina de gas, se puede destacar: la temperatura del aire aspirado por el compresor, la temperatura de los gases a la salida de la cámara de combustión y los rendimientos en la turbina y en el compresor. Existen otros parámetros también relevantes, como el rendimiento de la cámara de combustión, combustión, las pérdidas pérdidas mecánicas, mecánicas, las pérdidas de carga en el fluido, etc. Otras características fundamentales son: elevada relación potencia/peso, no necesitan necesitan refrigeración refrigeración por agua, arranques arranques rápidos, posibilidad posibilidad funcionamie funcionamiento nto automático, controlado remotamente.
Características Principales de una Turbina de Gas Las turbinas de gas funcionan con un importante exceso de aire (entre un 275 y un 500% ) con el objetivo de evitar que las elevadas temperaturas que se alcanzan tras la combustión (del orden de 1.000 a 1.300 ºC ) pueden afectar las características mecánicas de los rodetes de las turbinas. Los combustibles empleados pueden ser tanto gaseoso (Gas Natural, GLP, ... ), como líquidos ( gasóleo, fuelóleo o gasolina). Tanto el combustible como el aire comburente deben estar tratados para limpiarlos de impurezas, partículas sólidas y azufre (en el caso de los combustibles líquidos). Puesto que la combustión se realiza a alta presión la alimentación del combustible debe ser a presión ( entre 8 y 24 bar). Si el gas canalizado no alcanza estas presiones deben utilizarse equipos de compresión del gas.
Características Principales de las Turbinas de Gas Equipo de Cogeneración con Turbina de Gas Toma de Aire Exterior Cerramiento
Caja de Alternador Engranajes
Turbina
Tobera de Salida de Gases
Características Principales de las Turbinas de Gas Tipos de Turbinas de Gas:
Turbinas de un solo eje: En estas turbinas el generador de gas y la sección de potencia son accionados por el mismo eje solidario. Este tipo de tecnología permite que las turbinas de gas presenten:
Un funcionamiento mecánico bastante sencillo y construcción robusta.
Funcionan a velocidad de rotación constante, mediante regulación del combustible inyectado en la cámara de combustión.
Disminución importante del rendimiento térmico con la carga, especialmente a número de revoluciones constante, como ocurre en el accionamiento de alternadores.
Puesto que la turbina debe arrastrar al compresor y al alternador, no existe riesgo de embalamiento si se pierde la carga eléctrica.
Elevada potencia de arranque, del orden de un 3% de la potencia de la máquina.
Debido a su sencillez y sus características es la más extendida en los equipos de cogeneración.
Turbinas de dos ejes. De esta forma se obtiene mayor comodidad de regulación, por ejemplo puede utilizarse una turbina de velocidad constante para accionar el generador y otra de velocidad variable para accionar el compresor. Además esto permite reducir el tamaño del reductor o incluso eliminarlo.
Características Principales de las Turbinas de Gas Turbina de Gas de Eje Unico
Gas Natural Gases de Escape
Aire
C.C.
C
Turbina de Gas de Dos Ejes
T
Gas Natural Gases de Escape
Aire
C.C.
C
TA
TB
Características Principales de las Turbinas de Gas Tipos de Turbinas de Gas:
Turbinas axiales. Cuando los gases fluyen coaxialmente al eje de las máquinas. Son las de construcción más complicadas, destacándose sobre todo su elevado rendimiento.
Turbinas radiales: los gases fluyen radialmente en relación con el eje de la máquina. Son las más utilizadas para pequeñas potencias, ya que conjugan una notable sencillez constructiva con un diseño robusto, fácil mantenimiento y coste menor que las axiales.
Turbinas
Industriales: presentan una elevada relación peso/potencia, así como un diseño conservador que permite un mantenimiento relativamente barato y una vida larga de sus componentes, lo que encarece su precio.
El nivel de ruido generado es menor que el de las aeroderivadas, mientras que su rendimiento es ligeramente superior. La relación de compresión media se sitúa alrededor de 15:1
Turbinas aeroderivadas: este tipo de turbinas derivan de la aviación, destacan por su ligereza y por las elevadas prestaciones a las que son sometidas lo que obliga a un mantenimiento mucho más especializado y constante. La relación de compresión media se sitúa alrededor de 18:1, mientras que la potencia máxima pude ser de 35 MW
Características Principales de las Turbinas de Gas
Componentes Principales de las Turbinas de Gas Conducto de Admisión de Aire Este conducto toma el aire atmosférico y lo conduce hasta la etapa de compresión. En este conducto el aire es tratado, pues de lo contrario las impurezas que transporta el aire pueden atacar a la turbina de gas, produciéndole erosión, ensuciamiento y corrosión. Existen varias formas de tratamiento del aire, entre las cuales destacan:
Separadores Inerciales: En este tipo de filtrado las partículas son decantadas por efecto de las fuerzas centrífugas que las arrastran contra las paredes del separador, perdiendo así velocidad y cayendo por su mayor peso al fondo del separador. Son útiles par a partículas de diámetro superior a 10 µm. El principal inconveniente es que este tipo de separadores está diseñado para un determinado caudal, no presentando un buen funcionamiento ante variaciones respecto del caudal de diseño.
Filtros de Fibra: En estos filtros la corriente de aire los atraviesa, quedando las partículas atrapadas en una maraña de fibras. Los tipos principales de filtros de fibra son: filtros alfombra, filtros enrrollables, de bolsa y rígidos. Los dos últimos tipos de filtros presentan una mayor superficie de filtrado lo que permite disminuir la pérdida de carga al disminuir la velocidad de paso, a parte son los que presentan una mayor eficiencia dentro de los filtros de fibra. Estos filtros deben resistir a la corrosión en atmósferas húmedas y agresivas, deben resistir impactos mecánicos (vibraciones p.e.) y deben garantizar un filtrado seguro incluso ante aumentos de presión.
Componentes Principales de las Turbinas de Gas Filtros de Superficie : son los que presentan la capacidad de filtrar partículas de menor diámetro (<1µm). A diferencia de los filtros de fibra en los cuales las partículas quedaban atrapadas en su interior, en estos filtros las impurezas quedan depositadas sobre la superficie del mismo, por lo que se requieren velocidades de paso del aire muy bajas ( del orden de 0,03 m/s o menores). Las superficies pueden ser planas o cilíndricas, siendo estas últimas las mas utilizadas. La formación de la capa de polvo en la superficie presenta el efecto positivo de aumentar el tamiz del filtro reduciendo el diámetro de paso de las impurezas. Cuando se detecta una caída de presión excesiva entre la entrada y la salida del filtro se procede a la limpieza de su superficie y puede volver a utilizarse.
Componentes Principales de las Turbinas de Gas
Componentes Principales de las Turbinas de Gas
TIPOS DE FILTROS
Componentes Principales de las Turbinas de Gas Enfriador Evaporativo Para poder aumentar la densidad del aire y que de esta forma pueda introducirse un mayor caudal másico del mismo, y por tanto una mayor cantidad de oxígeno por metro cúbico aspirado, se reduce su temperatura haciendo pasar la corriente de aire al través de una cortina de agua. Con este sistema se obliga a tener un control de humedad del aire a la salida del intercambiador. El enfriamiento entre etapas de compresión se emplea fundamentalmente cuando se trabaja con compresores centrífugos, pues, como se verá mas adelante mueven caudales de aire menores, además, su forma constructiva facilita el alojamiento de los interrefrigeradores.
Componentes Principales de las Turbinas de Gas Compresor: Los compresores empleados en las turbinas de gas son todos de tipo dinámico y no volumétricos Está formado por: Un
rótor o impulsor (álabes móviles) en el que se comunica movimiento a la masa de aire aspirada. Un
estátor o difusor (álabes fijos) en el que la velocidad se transforma en presión.
Se caracteriza principalmente por:
Relación de compresión (presión salida/presión entrada)
Caudal de aire que circula a través de él.
Potencia Absorbida.
Pueden clasificarse como:
Centrífugos o Radiales.
Axiales.
Componentes Principales de las Turbinas de Gas Compresores Centrífugos. El caudal de trasiego se sitúa como máximo en los 40 Kg/s, con unas relaciones de compresión por etapa de 3:1 o mayores, por ello este tipo de compresor es empleado para pequeños caudales con grandes necesidades de compresión
El compresor centrífugo consiste básicamente en un impulsor (rotor) que está contenido en una carcasa en la que se ubica el otro componente fundamental que es el difusor (estator). El aire es centrifugado en el impulsor, cogiendo velocidad, durante el transito del aire por el impulsor parte de la velocidad adquirida es convertida en energía de presión. A la salida del impulsor el aire pasa a la etapa del difusor donde prácticamente toda la energía cinética es convertida en energía de presión.
Componentes Principales de una Turbina de Gas Compresores Axiales. En este tipo de compresores el flujo de aire corre paralelo al eje del compresor.
Cada etapa del compresor está formada por una rueda de álabes móviles (rotor) y a continuación otra de álabes estacionarios (estator), en la primera rueda se le comunica a la corriente de aire energía cinética que posteriormente es convertida en energía de presión en el estator. En cada etapa se consigue una relación de compresión entre 1,1:1 a 1,4:1, pudiéndose alcanzar relaciones de compresión totales de 15:1 o mayores. El rendimiento en este tipo de compresores es mayor que en los centrífugos, y en general para idéntico caudal másico tratado y relación de compresión, presenta menor volumen, menor superficie frontal y menor peso que el compresor centrífugo.
Componentes Principales de las Turbinas de Gas
Componentes Principales de las Turbinas de Gas
Componentes Principales de una Turbina de Gas Cámara de Combustión Es el lugar donde se inyecta combustible, se mezcla con el aire comburente procedente del compresor y se provoca la combustión. Este proceso es continuo y se realiza en condiciones de presión y temperaturas elevadas. En las turbinas de gas la relación combustible/aire es muy inferior a la estequiométrica, de manera que el aire de exceso sirva para enfriar los gases de la combustión y así, las temperaturas obtenidas no sean excesivamente elevadas para los materiales de la zona posterior a la cámara, así, si para el gas natural la relación de compresión estequiométrica combustible/aire sería 1:15, la relación utilizada se sitúa alrededor de 1:50. El diseño de la misma debe garantizar la estabilidad de la llama, un encendido eficaz y una operación segura a diferentes regímenes de funcionamiento.Para conseguir esto la cámara dispone de dos zonas:
La zona primaria en la que se permite la entrada de aire (aire primario) en una cantidad suficiente para producir una combustión completa. Para ello se crean regiones ricas, en las que además se producen recirculaciones para mantener la llama estable. La introducción del combustible se realiza a través de unos inyectores que permitan una homogeneización rápida de la mezcla.
En la zona secundaria los gases resultantes de la combustión se diluyen con más aire con lo que la temperatura disminuye antes de la admisión en la turbina. Este caudal de aire secundario es del orden de 3 o 4 veces mayor que el de aire primario.
Componentes Principales de una Turbina de Gas
Características Principales de las Turbinas de Gas Antes de entrar en la cámara de combustión, el aire procedente del compresor es decelerado mediante unos difusores, de esta manera se evitan las fuertes pérdidas de carga que se darían en una combustión a alta velocidad (puesto que la pérdidas de carga son proporcionales al cuadrado de la velocidad). Dentro de la cámara de combustión, en la zona primaria, es necesario que se forme una buena mezcla del aire con el combustible inyectado en un corto recorrido, por ello se recurre a la creación de turbulencias mediante álabes radiales torsionados, que creen un vórtice alrededor de la llama, lo que permite por un lado la estabilidad de la misma y por otro la mezcla en la periferia del vórtice.
Características Principales de las Turbinas de Gas La geometría de las cámaras de combustión está diseñada para unas condiciones determinadas, cuando la relación combustible/aire, o el gasto de aire, o la presión en la cámara varíen debido a que las condiciones de funcionamiento de la turbina no sean las de diseño, la eficiencia de la cámara se reducirá, por ello, en las turbinas de gas industriales se colocan válvulas que regulan la proporción combustible/aire según las condiciones de operación. Las cámaras se construyen con aleaciones resistentes a las altas temperaturas, por ejemplo, níquelmolibdeno-cromo. Existen tres disposiciones principales de situar la cámara de combustión en las turbinas de gas:
Disposición tubular: el aire procedente del compresor se divide en una serie de corrientes separadas cada una de las cuales alimenta a una cámara de combustión. Estas cámaras se encuentran espaciadas alrededor del eje que une el compresor y la turbina y está alimentada con su propio chorro de combustible procedente de una línea de alimentación común. Este tipo de disposición es adecuada cuando se trabaja con compresores centrífugos pues el caudal de aire ya sale dividido en varias corrientes.
Disposición anular: existe una única cámara que rodea el eje del rotor, de esta manera se aprovecha al máximo el espacio existente entre el compresor y la turbina, teniendo por ello menores pérdidas de carga. Sin embargo la distribución de combustible es menos homogénea y estructuralmente es más débil.
Disposición tubo-anular: es una combinación de las dos anteriores, la cámara misma es anular, mientras que los tubos de llama son individuales.
Características Principales de las Turbinas de Gas Cámara de combustión tubular
Características Principales de las Turbinas de Gas Cámara de combustión anular
Cámara de combustión tubo-anular
Características Principales de las Turbinas de Gas Turbina: La turbina es la máquina térmica donde se extrae la energía de los gases de combustión, transformándola en energía mecánica. Pueden ser, al igual que los compresores, de flujo radial o axial, siendo las empleadas en cogeneración las de flujo axial únicamente, habiéndose relegado las radiales a los sistemas de sobrealimentación en motores diesel y otros sistemas particulares. La turbina está formada por una serie de etapas, cada una de las cuales consta de una rejilla de álabes fijos (distribuidor) y otra de álabes móviles (rueda). Los gases procedentes de la cámara de combustión circulan primero por los álabes fijos. donde la presión se transforma en velocidad debido a la sección conver gente entre ellos. Al mismo tiempo, el flujo es desviado hacia los álabes de la rueda, en los cuales se originan las fuerzas que provocan la rotación. El tipo de fuerza realizada permite distinguir entre turbinas de acción y de reacción. Los álabes estacionarios están fijados a dos anillos concéntricos formando las llamadas toberas (nozzle), de los cuales el exterior está fijo a la carcasa de la turbina y en ocasiones, es la misma carcasa. Por su lado el rotor está formado por un disco móvil con álabes (blades) en su periferia.
Características Principales de las Turbinas de Gas
Características Principales de las Turbinas de Gas Debido a las elevadas temperaturas de los gases de escape es necesaria la refrigeración de los álabes de las turbinas, para ello se redirecciona parte del aire tratado en el compresor y se dirige hacia los álabes y demás piezas que necesiten de refrigeración. Las técnicas empleadas se basan en diferentes principios:
Características Principales de las Turbinas de Gas
Características Principales de las Turbinas de Gas Selección de una turbina de gas para un equipo de cogeneración: Los principales parámetros que nos interesa conocer son:
Potencia desarrollada (bien mecánica en el eje, o bien, eléctrica en bornas del alternador)
Consumo de combustible
Caudal de gases de escape
Temperatura de los gases de escape
Los fabricantes presentan los datos anteriores mediante una relación de curvas características y en las condiciones ISO Nivel
del mar
Sin pérdidas en la admisión
Sin pérdidas en el escape
Temperatura ambiente 15 ºC
Presión
ambiental 1.013 mbar
Humedad relativa 60%
Características Principales de las Turbinas de Gas
Turbina monoeje Typhoon (ISO) 5,25 MW Engine speed: 17.384 rpm Altitude: Sea level Ambient pressure: 101,3 kPa Relative humidity: 60% Inlet ducting loss: 1,0 kPa Exhaust ducting loss: 2,0 kPa Gearbox efficiency: 90% Alternator efficiency: 96,5% Natual gas fuel only.
Características Principales de las Turbinas de Gas Efecto de la altura sobre el nivel del mar : Una mayor altura supone una menor densidad del aire que entra en el compresor. Considerando que el volumen de entrada es constante para una velocidad de rotación determinada resulta una masa menor de aire. Para una temperatura fija de salida de los gases de la cámara de combustión, esta menor masa de aire requerirá menos combustible y como consecuencia se obtendrá menos potencia. A parte la masa de gases de escape también disminuirá. Por cada 100 de altura sobre el nivel del mar se tiene una pérdida de potencia en torno a un 1 - 1,5% Efecto de la temperatura ambiente: Un aumento de la temperatura ambiente, para una determinada presión ambiental conlleva una disminución de la densidad, con los mismos efectos descritos anteriormente. El hecho de que el aire sea menos denso y por tanto el caudal másico sea mayor obliga a invertir una mayor potencia en el eje del compresor, que en condiciones normales absorbe 2/3 de la potencia mecánica generada. Efecto de pérdida de carga en la admisión del aire , al igual que antes, para temperatura determinada se produce una disminución de la densidad del aire. Como es imposible no tener pérdidas de carga en las etapas de filtrado del aire y en las conducciones de los gases se establece que por cada 150 mm.c.a. Existe una pérdida de entre un 1,5 y un 2,5% de la potencia nominal.
Características Principales de las Turbinas de Gas Desde el punto de vista de la cogeneración las características principales de una turbina de gas son: Elementos que intervienen en las plantas de cogeneración: Turbina de Gas, Alternador, Caldera de Recuperación, Quemador de postcombustión, Otros equipos menores. Características: • Relación de Energía Calorífica/Eléctrica……………………………….3-4 • Temperatura Gases de Escape………………………...………450 - 600 ºC • Potencia………………………………
……………………0,6 - 200 Mw
Es aconsejable su empleo cuando: • Se disponga de gas natural • La demanda de energía térmica es constante durante el funcionamiento de la instalación. • La energía térmica demandada es de alto nivel térmico. • La relación calor/electricidad sea alta, es decir, el proceso sea un gran consumidor de energía térmica.
Características Principales de las Turbinas de Gas CARACTERISTICAS
VENTAJAS
INCONVENIENTES
• Gran gama de aplicaciones.
• No admite variaciones de carga
• Alto nivel Térmico
• Mantenimiento caro
•Larga vida operativa..100.000 -
• Alimentación de Gas Natural a
120.000 horas
alta a presión.
•Poca intensidad de mantenimiento •Sencilla recuperación de calor.
Características Principales de las Turbinas de Gas Mantenimiento La especialización en el mantenimiento de las turbinas obliga a contratar el servicio con la casa fabricante de la turbina. Existen dos categorías en el mantenimiento, el seguimiento diario durante el funcionamiento de la turbina y las revisiones con la turbina parada. El primero lo realiza normalmente el usuario de la instalación, recabando los datos referentes a: •Temperatura de los gases de escape y potencia eléctrica generada, así como, la uniformidad en la temperatura del escape. •Frecuencia de arranques •Tiempo de arranque y parada •Distribución de los niveles de vibración •Consumo de combustible en función de la carga de la turbina de gas. Las revisiones con la turbina parada, debido a la complejidad tecnológica de los componentes de la turbina la realiza la empresa fabricante de la misma. En estas revisiones se controla normalmente: •Limpieza de los filtros de aire. •Inspección de los elementos de combustión. Se debe efectuar cada 8.000 horas en caso de utilizar gas natural y cada 3.000 horas si se emplean combustibles líquidos. •Inspección de partes calientes cada 24.000 horas utilizando gas natural y cada 10.000 horas con combustibles líquidos. •Inspección general que requiere la apertura de la turbina, cada 48.000 horas con gas natural y cada 22.000 horas con combustibles líquidos.
Cogeneración con T.G. Recuperación gases de escape By-pass Gases de Escape Gas Natural Gas Natural Gases de Escape
Aire
Humos de Salida
C.C. Caldera de Recuperación
C
T Alternador
Vapor a Proceso
Agua de Proceso
Cogeneración con T.G. de postcombustión y recuperación de gases
By-pass Gases de Escape Gas Natural Gas Natural
Caldera de Recuperación Gases de Escape
Aire
Humos de Salida
C.C. Quemador Postcombustión
C
T Alternador
Vapor a Proceso
Agua de Proceso
Cogeneración con T.G. y uso directo de gases de escape para secado Gases de Escape
Producto Húmedo Gas Natural Gases de Escape
Aire
C.C.
C
T Alternador
Producto Seco
