UNIDAD III. TURBINAS DE GAS Centrales Eléctricas
III.1 ARREGLOS ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS Veamos el siguiente vídeo
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III.1 ARREGLOS ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS
Una turbina de gas es una turbomáquina térmica motora accionada por la expansión de los gases calientes. Las primeras turbinas de gas con éxito comercial fueron las que se disearon para aplicaciones de aviación !"#$ %. &'ittle( !"#) *ans von +'ian( aunque fue durante la segunda guerra mundial cuando se desarrolló definitivamente la tecnología.
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS Existen tres criterios fundamentales para clasificar las turbinas de gas, !eg/n ciclo termodinámico de funcionamiento, Ciclo 0bierto, El fluido que se comprime es aire tomado del ambiente. Los gases de escape son vertidos a la atmósfera. Ciclo Cerrado, El fluido de traba1o opera en un ciclo cerrado( existiendo dos circuitos secundarios( uno que 'ará de foco caliente 2 otro de foco frío. Ciclo 3egenerativo, e aprovec'an los gases turbinados para precalentar el aire antes de ponerlo en contacto con el foco caliente.
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS
Las más utili4adas en aplicaciones de cogeneración son las de ciclo abierto 2 simple. Los componentes principales de este tipo de turbinas de gas son, Compresor 5 de una o varias etapas 6( Cámara de Combustión ( 7urbina 5de una o varias etapas6
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS El principio de funcionamiento es el siguiente, El aire atmosférico aspirado se comprime en el compresor 2 se introduce en la cámara de combustión( donde se me4cla con el combustible( previamente comprimido también( produciéndose la combustión. Los gases calientes resultantes de la combustión se 'acen circular a través de una o varias etapas de turbinas( expandiéndose 2 produciendo un movimiento rotativo en un e1e de donde se extrae la potencia necesaria para mover el compresor de aire 2 el alternador.
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS
8- eg/n aplicación, 9ropulsión aérea( marítima 2 ferroviaria( :eneración eléctrica( Cogeneración( ;ombeo en gaseoductos. #- eg/n n/mero de e1es,
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS
Como parámetros más críticos en el diseo de una 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 2 los rendimientos en la turbina 2 en el compresor. Existen otros parámetros también relevantes( como el rendimiento de la cámara de combustión( las pérdidas mecánicas( las pérdidas de carga en el fluido( etc. +tras características fundamentales son, elevada relación potencia=peso( no necesitan refrigeración por agua( arranques rápidos( posibilidad funcionamiento automático( controlado remotamente.
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS
Las turbinas de gas funcionan con un importante exceso de aire 5entre un 8>? 2 un ?$$@ 6 con el ob1etivo de evitar que las elevadas temperaturas que se alcan4an tras la combustión 5del orden de !.$$$ a !.#$$ AC 6 pueden afectar las características mecánicas de los rodetes de las turbinas. Los combustibles empleados pueden ser tanto gaseoso 5:as Batural( :L9( ... 6( como líquidos 5 gasóleo( fuelóleo o gasolina6. 7anto el combustible como el aire comburente deben estar tratados para limpiarlos de impure4as( partículas sólidas 2 a4ufre 5en el caso de los combustibles líquidos6. 9uesto que la combustión se reali4a a alta presión la alimentación del combustible debe ser a presión 5 entre 2 8D bar6. i el gas canali4ado no alcan4a estas presiones deben utili4arse equipos de compresión del gas.
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS TIPOS DE TURBINAS DE GAS Turbinas de un solo eje: En estas turbinas el generador de gas 2 la sección de potencia son accionados por el mismo e1e solidario. Este tipo de tecnología permite que las turbinas de gas presenten, Un funcionamiento mecánico bastante sencillo 2 construcción robusta. %uncionan a velocidad de rotación constante( mediante regulación del combustible in2ectado en la cámara de combustión. isminución importante del rendimiento térmico con la carga( especialmente a n/mero de revoluciones constante( como ocurre en el accionamiento de alternadores. 9uesto que la turbina debe arrastrar al compresor 2 al alternador( no existe riesgo de embalamiento si se pierde la carga eléctrica. Elevada potencia de arranque( del orden de un #@ de la potencia de la máquina. ebido a su sencille4 2 sus características es la más extendida en los equipos de cogeneración.
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS Turbinas de dos ejes. e esta forma se obtiene ma2or comodidad de regulación( por e1emplo puede utili4arse una turbina de velocidad constante para accionar el generador 2 otra de velocidad variable para accionar el compresor. 0demás esto permite reducir el tamao del reductor o incluso eliminarlo.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA CONDUCTO DE ADMISIÓN DE AIRE Este conducto toma el aire atmosférico 2 lo conduce 'asta la etapa de compresión. En este conducto el aire es tratado( pues de lo contrario las impure4as que transporta el aire pueden atacar a la turbina de gas( produciéndole
erosión, ensui!"ien#o $ orrosión. E%is#en &!ri!s 'or"!s (e #r!#!"ien#o (e) aire( entre las cuales destacan,
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
Se*!r!(ores Ineri!)es: En este tipo de filtrado las partículas son decantadas por efecto de las fuer4as centrífugas que las arrastran contra las paredes del separador( perdiendo así velocidad 2 ca2endo por su ma2or peso al fondo del separador. on /tiles para partículas de diámetro superior a !$ Fm. El principal inconveniente es que este tipo de separadores está diseado para un determinado caudal( no presentando un buen funcionamiento ante variaciones respecto del caudal de diseo. +i)#ros (e +ir!: En estos filtros la corriente de aire los atraviesa( quedando las partículas atrapadas en una maraa de fibras. Los tipos principales de filtros de fibra son, filtros alfombra( filtros enrrollables( de bolsa 2 rígidos. Los dos /ltimos tipos de filtros presentan una ma2or superficie de filtrado lo que permite disminuir la pérdida de carga al disminuir la velocidad de paso( a parte son los que presentan una ma2or eficiencia dentro de los filtros de fibra. Estos filtros deben resistir a la corrosión en atmósferas '/medas 2 agresivas( deben resistir impactos mecánicos 5vibraciones p.e.6 2 deben garanti4ar un filtrado seguro incluso ante aumentos de presión.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
+i)#ros (e Su*er'iie , son los que presentan la capacidad de filtrar partículas de menor diámetro 5G!Fm6. 0 diferencia de los filtros de fibra en los cuales las partículas quedaban atrapadas en su interior( en estos filtros las impure4as quedan depositadas sobre la superficie del mismo( por lo que se requieren velocidades de paso del aire mu2 ba1as 5 del orden de $($# m=s o menores6. Las superficies pueden ser planas o cilíndricas( siendo estas /ltimas las mas utili4adas. La formación de la capa de polvo en la superficie presenta el efecto positivo de aumentar el tami4 del filtro reduciendo el diámetro de paso de las impure4as. Cuando se detecta una caída de presión excesiva entre la entrada 2 la salida del filtro se procede a la limpie4a de su superficie 2 puede volver a utili4arse.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA ENFRIADOR EVAPORATIVO
9ara poder aumentar la densidad del aire 2 que de esta forma pueda introducirse un ma2or caudal másico del mismo( 2 por tanto una ma2or cantidad de oxígeno por metro c/bico aspirado( se reduce su temperatura 'aciendo pasar la corriente de aire al través de una cortina de agua. Con este sistema se obliga a tener un control de 'umedad del aire a la salida del intercambiador. El enfriamiento entre etapas de compresión se emplea fundamentalmente cuando se traba1a con compresores centrífugos( pues( como se verá mas adelante mueven caudales de aire menores( además( su forma constructiva facilita el alo1amiento de los interrefrigeradores.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA COMPRESOR
Los compresores empleados en las turbinas de gas son todos de tipo dinámico, Está formado por, Un rótor o impulsor 5álabes móviles6 en el que se comunica movimiento a la masa de aire aspirada. Un estátor o difusor 5álabes fi1os6 en el que la velocidad se transforma en presión.
e caracteri4a principalmente por, 3elación de compresión 5presión salida=presión entrada6 Caudal de aire que circula a través de él. 9otencia 0bsorbida.
9ueden clasificarse como, Cen#r-'uos o R!(i!)es. A%i!)es.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
Co"*resores Cen#r-'uos. C onsiste 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( tomando velocidad( durante el transito del aire por el impulsor parte de la velocidad adquirida es convertida en energía de presión. 0 la salida del impulsor el aire pasa a la etapa del difusor donde prácticamente toda la energía cinética es convertida en energía de presión.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
Co"*resores A%i!)es. En este tipo de compresores el flu1o de aire corre paralelo al e1e del compresor. Cada etapa del compresor está formada por una rueda de álabes móviles 5rotor6 2 a continuación otra de álabes estacionarios 5estator6( 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.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA CÁMARA DE COMBUSTI/N
Es el lugar donde se in2ecta combustible( se me4cla con el aire comburente procedente del compresor 2 se provoca la combustión. Este proceso es continuo 2 se reali4a en condiciones de presión 2 temperaturas elevadas. En las turbinas de gas la relación combustible=aire es mu2 inferior a la estequiométrica( de manera que el aire de exceso sirva para enfriar los gases de la combustión 2 así( las temperaturas obtenidas no sean excesivamente elevadas para los materiales de la 4ona posterior a la cámara( así( si para el gas natural la relación de compresión estequiométrica combustible=aire sería !,!?( la relación utili4ada se sit/a alrededor de !,?$.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
El diseo de la misma debe garanti4ar la estabilidad de la llama( un encendido efica4 2 una operación segura a diferentes regímenes de funcionamiento. 9ara conseguir esto la cámara dispone de dos 4onas, La 0on! *ri"!ri! en )! ue se *er"i#e )! en#r!(! (e !ire !ire *ri"!rio3 en un! !n#i(!( suficiente para producir una
combustión completa. 9ara ello se crean regiones ricas( en las que además se producen recirculaciones para mantener la llama estable. La introducción del combustible se reali4a a través de unos in2ectores que permitan una 'omogenei4ación rápida de la me4cla. En la 0on! seun(!ri! )os !ses resu)#!n#es (e )! o"us#ión se (i)u$en on "4s !ire on )o que la temperatura disminu2e antes de la admisión en la turbina. Este caudal de aire secundario es del orden de # o D veces ma2or que el de aire primario.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
0ntes 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 5puesto que la pérdidas de carga son proporcionales al cuadrado de la velocidad6. entro de la cámara de combustión( en la 4ona primaria( es necesario que se forme una buena me4cla del aire con el combustible in2ectado 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 2 por otro la me4cla en la periferia del vórtice.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
La geometría de las cámaras de combustión está diseada 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 diseo( la eficiencia de la cámara se reducirá( por ello( en las turbinas de gas industriales se colocan válvulas que regulan la proporción combustible=aire seg/n las condiciones de operación. Las cámaras se constru2en con aleaciones resistentes a las altas temperaturas( por e1emplo( níquel-molibdeno-cromo.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
Existen tres disposiciones principales de situar la cámara de combustión en las turbinas de gas, Dis*osiión #uu)!r, 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 cáma ras se encuentran espaciadas alrededor del e1e que une el compresor 2 la turbina 2 está alimentada con su propio c'orro de combustible procedente de una línea de alimentación com/n. Este tipo de disposición es adecuada cuando se traba1a con compresores centrífugos pues el caudal de aire 2a sale dividido en varias corrientes. Dis*osiión !nu)!r: existe una /nica cámara que rodea el e1e del rotor( de esta manera se aprovec'a al máximo el espacio existente entre el compresor 2 la turbina( teniendo por ello menores pérdidas de carga. in embargo la distribución de combustible es menos 'omogénea 2 estructuralmente es más débil. Dis*osiión #uo5!nu)!r , es una combinación de las dos anteriores( la cámara misma es anular( mientras que los tubos de llama son individuales.
III.1 ARREGLOS BÁSICOS DE TURBINAS DE GAS TURBINA
La turbina es la máquina térmica donde se extrae la energía de los gases de combustión( transformándola en energía mecánica. 9ueden ser( al igual que los compresores( de flu1o radial o axial( siendo las empleadas en cogeneración las de flu1o axial /nicamente( 'abiéndose relegado las radiales a los sistemas de sobrealimentación en motores diesel 2 otros sistemas particulares. La turbina está formada por una serie de etapas( cada una de las cuales consta de una re1illa de álabes fi1os 5distribuidor6 2 otra de álabes móviles 5rueda6.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
Los gases procedentes de la cámara de combustión circulan primero por los álabes fi1os. donde la presión se transforma en velocidad debido a la sección convergente entre ellos. 0l mismo tiempo( el flu1o es desviado 'acia los álabes de la rueda( en los cuales se originan las fuer4as que provocan la rotación. El tipo de fuer4a reali4ada permite distinguir entre turbinas de acción 2 de reacción. Los álabes estacionarios están fi1ados a dos anillos concéntricos formando las llamadas toberas 5no44le6( de los cuales el exterior está fi1o a la carcasa de la turbina 2 en ocasiones( es la misma carcasa. 9or su lado el rotor está formado por un disco móvil con álabes 5blades6 en su periferia.
III.2 COMPONENTES DE LA TURBINA
ebido 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 2 se dirige 'acia los álabes 2 demás pie4as que necesiten de refrigeración. Las técnicas empleadas se basan en diferentes principios,
III.6 APLICACIONES ESPECIALES DE LA TURBINA
Se)eión (e un! #urin! (e !s *!r! un eui*o (e oener!ión:
Los principales parámetros que nos interesa conocer son, 9otencia desarrollada 5bien mecánica en el e1e( o bien( eléctrica en bornas del alternador6 Consumo de combustible Caudal de gases de escape 7emperatura de los gases de escape
III.6 APLICACIONES ESPECIALES DE LA TURBINA
Los fabricantes presentan los datos anteriores mediante una relación de curvas características 2 en las condiciones H+ Bivel del mar in pérdidas en la admisión in pérdidas en el escape 7emperatura ambiente !? AC 9resión ambiental !.$!# mbar *umedad relativa )$@
III.6 APLICACIONES ESPECIALES DE LA TURBINA Ee!"o de la al"ura sobre el ni#el del $ar Un! "!$or !)#ur! su*one un! "enor (ensi(!( 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. 9ara una temperatura fi1a de salida de los gases de la cámara de combustión( esta menor masa de aire requerirá menos combustible 2 como consecuencia se obtendrá menos potencia. 0 parte la masa de gases de escape también disminuirá. 9or cada !$$ de altura sobre el nivel del mar se tiene una pérdida de potencia en torno a un ! - !(?@
Ee!"o de la "e$%era"ura a$bien"e& Un !u"en#o (e )! #e"*er!#ur! !"ien#e, *!r! un! determinada
presión ambiental conlleva una disminución de la densidad( con los mismos efectos descritos anteriormente. El 'ec'o de que el aire sea menos denso 2 por tanto el caudal másico sea ma2or obliga a invertir una ma2or potencia en el e1e del compresor( que en condiciones normales absorbe 8=# de la potencia mecánica generada.
III.6 APLICACIONES ESPECIALES DE LA TURBINA
Ee!"o de %'rdida de !ar(a en la ad$isi)n del aire
0l igual que antes( para temperatura determinada se produce una disminución de la densidad del aire. Como es imposible no tener pérdidas de carga en las etapas de filtrado del aire 2 en las conducciones de los gases se establece que por cada !?$ mm.c.a. Existe una pérdida de entre un !(? 2 un 8(?@ de la potencia nominal
III.6 APLICACIONES ESPECIALES DE LA TURBINA
III.6 APLICACIONES ESPECIALES DE LA TURBINA
III.7 OPERACI/N 8 MANTENIMIENTO
La especiali4ación 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 2 las revisiones con la turbina parada. El primero lo reali4a normalmente el usuario de la instalación( recabando los datos referentes a, 7emperatura de los gases de escape 2 potencia eléctrica generada( así como( la uniformidad en la temperatura del escape. %recuencia de arranques 7iempo de arranque 2 parada istribución de los niveles de vibración Consumo de combustible en función de la carga de la turbina de gas.
III.7 OPERACI/N 8 MANTENIMIENTO
Las revisiones con la turbina parada( debido a la comple1idad tecnológica de los componentes de la turbina la reali4a la empresa fabricante de la misma. En estas revisiones se controla normalmente,
Limpie4a de los filtros de aire. Hnspección de los elementos de combustión. e debe efectuar cada .$$$ 'oras en caso de utili4ar gas natural 2 cada #.$$$ 'oras si se emplean combustibles líquidos. Hnspección de partes calientes cada 8D.$$$ 'oras utili4ando gas natural 2 cada !$.$$$ 'oras con combustibles líquidos. Hnspección general que requiere la apertura de la turbina( cada D.$$$ 'oras con gas natural 2 cada 88.$$$ 'oras con combustibles líquidos.
III.7 OPERACI/N 8 MANTENIMIENTO
La especiali4ación 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 2 las revisiones con la turbina parada. El primero lo reali4a normalmente el usuario de la instalación( recabando los datos referentes a, 7emperatura de los gases de escape 2 potencia eléctrica generada( así como( la uniformidad en la temperatura del escape. %recuencia de arranques 7iempo de arranque 2 parada istribución de los niveles de vibración Consumo de combustible en función de la carga de la turbina de gas.
