Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice-Rectorado “Luis Caballero Mejías” Departamento de Ingeniería Mecánica Cátedra: Laboratorio de instalaciones térmicas Sección: 01
PRATICA DE LABORATORIO
PLANTA DE TURBINA A GAS
Integrantes: Cadena anderson, exp: 2009203038 Gómez José Antonio exp: 2008103000
Caracas, noviembre de 2013
Introducción
En nuestro país, la Turbina a Gas tiene muy diversas aplicaciones,
siendo
la
aviación
en
la
que
se
emplean
estatoreactores cuyo funcionamiento rige el ciclo Joule – Bryton abierto la más difundida a nuestro criterio y la cual se realiza en la experiencia del laboratorio; a continuación pues podemos considerar el área de generación de energía eléctrica o plantas de generación de potencia; tales como las termoeléctricas que emplean también turbinas a gas con el
ciclo
–
Joule
Bryton
abierto;
también podemos considerar a la
en
tercer
industria
naval
lugar con el
empleo de plantas de propulsión en base a turbinas a gas reduciendo enormemente los costos de operación de las embarcaciones
y
es
aun
haciéndose
más
eficientes
combinándose con el muy conocido también ciclo Clausius Para esta experiencia de laboratorio se observara la aplicación el Ciclo Brayton de Turbina de Gas, con de todos sus parámetros y variables que intervienen en el proceso de generación e potencia eléctrica.
Objetivos generales
Determinar el rendimiento real de la planta de Turbina de Gas, para un régimen de trabajo predeterminado en función de la velocidad y potencia generada y compararlo con el rendimiento ideal del ciclo Brayton para las mismas condiciones de trabajo en cuanto a la relación de presión del Ciclo.
Objetivos específicos
Identificar y proceder al encendido y arranque de los equipos e instalaciones de la planta de turbina de gas.
Describir los equipos y función que tienen en la planta de turbina de gas para el estudio en función de un flujo de gas y dibujar el diagrama esquemático representativo de la planta
Establecer el tipo de trabajo predeterminado en la planta para graficar curvas en función de la velocidad y potencia producida.
Registrar los valores experimentales reflejados en el tablero de control y mando de las propiedades del gas en función de un flujo de gas y velocidad desarrollada reflejada en revoluciones por minuto en el eje de la turbina acoplada al dinamómetro.
Determina el balance energético para el cálculo de energía, potencia producida y rendimiento de equipos y planta bajo las condiciones de operación.
Analizar termodinámicamente el ciclo de la planta para graficar curvas de
comportamiento
de
los
procesos:
Ciclo
Brayton
y
sus
modificaciones y copara los valores experimentales con loestipulados teóricamente
Datos Obtenidos en la Práctica de Laboratorio.
C3 H8 Aire
Ace
Presiones
ite
(Bar)
Orifici mf gr/seg
Tg ºC
P g
n Temperaturas (ºC)
Potencia (RPS)
∆ P23
o T ºC
P3
P4
mmhg
T1
T2
T3
T4
T5
n1
n2
V
A
fp
mmh2 o
1,7
35
75
110
0,5 0,2
2
32
90
850
720
700
1000
260
40
85
1
1,9
42
85
115
0,5 0,1
2
36
100
835
730
690
1100
430
32
30
1
2,1
43
95
118
0,4 0,1
2
38
100
820
780
680
1200
520
30
20
1
Diagrama esquemático y representativo de la planta (Ciclo brayton)
Cálculos
a) Determinar el Trabajo consumido por el Compresor en Kw El trabajo que consume el Compresor Etapa 1-2 es el 100% del generado por la Turbina de Gas Etapa 3-4 gracias al eje que los une. por ello que se considera conveniente proceder al cálculo de la potencia generada por la Turbina de Gas que se encuentra ubicada en los puntos 3-4, del Ciclo de Generación, hallando estos valores para los tres estados de Operación del Equipo, se obtendrán a su vez el valor de trabajo que consume el Compresor. Partiendo de Ecuación Estequiometria Teórica C3H8 + AT( O2 + 3.76N2) → CO2 + N2 + H2O Balanceando la ecuación se obtiene como resultado: C3H8 + 5( O2 + 3.76N2) → 3CO2 + 18.8N2 + 4H2O Se procede a determinar la relación aire/combustible: (
) (
( )
) (
)
.
Se obtiene:
m a teórico = 686.4 kg/aire
Calculamos la masa de aire con la siguiente ecuación Donde h=75 mmH2O √
maire 12.22 h
Donde h=85 mmH2O √
Donde h=95 mmH2O √
Procedemos a obtener la relación aire combustible real aplicando siguiente ecuación: Ra/creal= mairereal/ mcombreal Se obtiene lo siguiente: Rpm
mcombreal (Kg./s)
mairereal(Kg./s)
Ra/creal
1000
0,0017
0,10583
62,253
1100
0,0019
0,112662
59,2957
1200
0,0021
0,119105
56,7166
Comparando las relaciones aire/combustible reales con la teórica se tiene:
la
Aplicando primera ley de la termodinámica al compresor:
ment hent Qc msal hsal Wc Wc mair cpTSAL TENT
Wc mair cpT2 T1 (
)
(
)
(
)
b) Determinar el Trabajo producido por la Turbina de Gas en KW
Wt maire mcomb h3 h4 Con los valores de temperatura (ºK) obtenidos en la práctica y utilizando la tabla de 400% de exceso de aire se obtiene: RPS
T3(ºK)
h3(KJ/Kg)
Pr3
T4(ºK)
h4(KJ/Kg)
Pr4
1000
1123
1212,176
201,612
993
1057,81
121
1100
1108
1193,224
190,341
1003
1069,58
126.497
1200
1093
1175,984
179,81
1053
1128,464
153,986
Los valores para el punto 4 son ideales, por ello con la relación de presión se halla la Pr4 y se obtienen los valores reales de las entalpías para dicho punto.
h4= 2083,2333 KJ/Kg
Para 1100 rps
h4=765,8973 KJ/Kg
Para 1200 rps
h4=802,4642 KJ/Kg Los resultados se reflejan a continuación: RPS
Pr4
h4R(KJ/Kg)
1000
80,644
945,845
1100
38,0682
765,8973
1200
44,9525
802,4642
Con los valores antes obtenidos se procede a calcular el trabajo producido (
) (
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
c) Determinar el trabajo producido por la turbina de potencia en Kw.
Balance en la turbina:
Wtp maire mcomb h4 h5 Como anteriormente se obtuvo los valores para el punto 4, se procederá igual con el punto 5.
RPS
T5(ºK)
h5R(KJ/Kg)
1000
973
1034.41
1100
963
1022.71
1200
953
1011.08
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
(
)
d) Determinar el trabajo neto producido y la potencia neta en Kw
Wneto Wt1 Wc Wt 2 ((
)
)
((
)
)
((
)
)
e) Calcular la eficiencia térmica del compresor, turbina de gas y de potencia
c Para el compresor
t Para las turbinas
Wideal Wreal
Wreal Wideal
Idealmente se tiene: Para 1000 rps T1= 32°C = 305 °K
Pr1 = 1, 47
h1 = 305.22 KJ/Kg
(
)
Realizando los cálculos se obtiene: T2S
T2
h2s
h2
(°K)
(°K)
(KJ/Kg)
(KJ/Kg)
1000
342,73
363
345,51
363,61
1100
347,22
373
347,69
373,70
1200
353,5
373
353,5
373,70
RPS
De igual manera se obtuvo: P2 RPS (Kpa) 1000
151,525
1100
151,525
1200
141,525
Para cada caso queda: RPS
rp
1000
1,495 : 1
1100
1,495 : 1
1200
1,396 : 1
f) Eficiencia del compresor:
g) Eficiencia de la turbina de gas:
h) Eficiencia de la turbina de potencia:
i) Calcular la eficiencia térmica real del ciclo Brayton y compararla con la eficiencia térmica ideal del ciclo Brayton
Eficiencias reales
c
Wt QH
Eficiencias ideales
ic
Wtp Wneto Wtp
j) Determinar rendimiento de la Planta de Turbina de Gas
i)
Graficar la eficiencia térmica real del ciclo vs. la eficiencia térmica ideal del ciclo Brayton
RPS
rc %
ic %
1000
16,46
19,42
1100
13,96
43,65
1200
13,23
113,13
eficiencia real vs eficiencia ideal 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 19.42
43.65
113.13
k) Graficar la eficiencia térmica real del ciclo vs. la temperatura en la cámara de combustión.
RPS
rc %
T3 ºK
1000
16,46
1123
1100
13,96
1108
1200
13,23
1093
eficiencia real vs temperatura 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
1123
1108
1093
l) Graficar la eficiencia térmica real del ciclo vs. la relación de presión en la turbina de potencia
RPS
rc %
Rp
1000
16,46
1,495 : 1
1100
13,96
1,495 : 1
1200
13,23
1,396 : 1
18
eficiencia real vs relacion de presion en turbina de potencia
16 14 12 10 8 6 4
2 0 1,495 : 1
1,495 : 1
1,396 : 1
m) Graficar la eficiencia térmica real del ciclo vs. la diferencia de temperatura (T3-T2)
RPS
rc %
T3-T2
1000
16,46
1033
1100
13,96
1008
1200
13,23
993
eficiencia real vs diferencia de temperatura (t3-t2) 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1033
1008
993
n) Graficar la eficiencia térmica real del ciclo vs. el flujo de gas
RPS
rc %
Mcombu (Kg/s)
1000
16,46
0,0017
1100
13,96
0,0019
1200
13,23
0,0021
eficiencia real vs flujo de gas 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0.0017
0.0019
0.0021
Conclusiones
Tras finalizar el análisis del comportamiento de una planta de turbina gas se concluye en que las diferencias entre los cálculos ideales y los reales, difieren mucho, ya que en este caso los resultados reales eran inferiores a los resultados ideales esto es debido a que se toman en consideración más factores que tenderán a disminuir el trabajo Neto tanto en la turbina, compresor y el ciclo con tal, y a su vez el rendimiento del mismo. Cabe destacar que algunos de los resultados fueron muy diferentes que en la realidad, esto puede deberse mala data obtenida; por tal motivo algunas eficiencias dan muy por encima de las esperadas o inferiores.
