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Universidad Autónoma Juan Misael Saracho Facultad de Ciencias y Tecnología Carrera de Ingeniería Química Catedra: PRQ – 043 Tema: Turbinas a Gas

Univ.: Valeria León

TURBINAS A GAS 1) Introducción.-

1.1) Definición.1.2) Historia y Evolución de la Turbina de Gas.-

2) Características.-

2.1) Partes fundamentales de una turbina a gas.-

3) Principio de funcionamiento.-

3.1) Eficiencia.3.2) Principio termodinámico.-

4) Tipos.-

4.1) Principales fallos en las Turbinas a gas y Mantenimiento.4.2) Costes y fabricantes.-

5) Áreas de aplicación.-

6) Ejercicio.-

7) BIBLIOGRAFIA.-

TURBINAS A GAS 1) Introducción.El presente trabajo está destinado al estudio de las turbinas de gas, haciendo énfasis a su principio de funcionamiento y características relevantes. Creemos que este trabajo de investigación y recopilación, debe ser lo más preciso y didáctico, con el fin de ser el elegido para el estudio general de una turbina a gas. 1.1) Definición.Deriva del término latino “turbo”, que puede traducirse como “remolino”. Básicamente es: máquina que consiste en una rueda en el interior de un tambor provista de paletas curvas sobre las cuales actúa la presión de un fluido haciendo que esta gire. Las turbinas son máquinas que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas. Para que el fluido alcance alta velocidad requerida para que se produzca variaciones útiles en el momento, debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina y la de escape. Las TURBINAS DE GAS son equipos capaces de transformar la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, ya sea para su aprovechamiento energético o como fuerza de impulso de aviones, automóviles o barcos. Las turbinas de gas (TG) operan bajo el ciclo termodinámico Brayton, los principios de la tecnología se remontan al año 1900, y se comenzaron a usar para la generación eléctrica estacionaria en los años 30. Las turbinas revolucionaron la industria aérea en los años 40, y hasta la actualidad, son la tecnología de mayor uso en el mundo. Las TG convencionales son una tecnología madura. El rango de potencias es de 500 kW hasta 25 MW para aplicaciones medias, y hasta aproximadamente 250 MW para centrales de generación, generalmente de ciclo combinado. Funcionan con gas natural, petróleo, o una combinación de ellos (sistemas duales). Tienen eficiencias típicas del 20 a 45% (basadas en el PCI) a plena carga y disminuye un poco a cargas parciales.

Muchos factores afectan la eficiencia, pero en general, a mayor tamaño de la turbina mejor eficiencia. Se utilizan mucho en el sector eléctrico para cubrir las demandas punta de electricidad, siendo la tecnología pilar de la industria de potencia. Casi todas las plantas de nuevo desarrollo usan las turbinas de gas como ciclo combinado. Las turbinas de gas medianas tienen características favorables para usar en aplicaciones de cogeneración. 1.2) Historia y Evolución de la Turbina de Gas.La primera turbina de gas realmente construida fue concebida por J.F. Stolze en 1872 a partir de una patente de Fernlhougs, y construida realmente entre 1900 y 1904. Constaba de un compresor axial multietapa, un intercambiador de calor que precalentaba el aire antes de entrar en la cámara de combustión, utilizando los gases de escape de la turbina para este fin, y una turbina de expansión multietapa. A pesar de lo genial del diseño, el poco éxito fue debido al bajo rendimiento tanto del compresor como de la turbina, por las bajas relaciones de compresión y la baja temperatura máxima alcanzada en función de los materiales disponibles en la época. El desarrollo de la turbina de gas ha tenido históricamente, pues, tres obstáculos que han dificultado y ralentizado su desarrollo: - La relación de compresión del compresor y su rendimiento. - La resistencia de los materiales para poder usar altas temperaturas en la cámara de combustión y en las primeras etapas de la turbina. - En menor medida, la dificultad para controlar todo el sistema de forma manual. El desarrollo de la turbina de gas sólo ha sido posible tras desarrollar un compresor axial a partir de la mejora de conceptos aerodinámicos, que han permitido altas relaciones de compresión. El segundo de los pilares ha sido la innovación tecnológica en el campo de los materiales, con el desarrollo de nuevas aleaciones mono cristal y recubrimientos cerámicos. Esto, unido un profundo estudio de la refrigeración interior del alabe ha permitido alcanzar temperaturas muy altas tanto en cámara de combustión como en las primeras ruedas de álabes.

La tercera de las claves ha sido el desarrollo de la informática. El empleo de ordenadores ha permitido por un lado poder simular determinadas condiciones y comportamientos, para así mejorar los diseños. Por otro, ha permitido desarrollar sistemas de control que permiten de forma muy sencilla para el operador arrancar, parar y vigilar los principales parámetros de operación de la máquina minuto a minuto, y además pueden diagnosticar el estado técnico del equipo y predecir futuros fallos. En la década de los 70 se intensificó el uso de turbinas para generación de electricidad. Así, en 1974 se construyó la primera instalación de 50 MW. En España, la primera turbina de gas de gran tamaño (260 MW) se puso en marcha en el año 2002, arrancando la era de las centrales térmicas de ciclo combinado que ya había comenzado hacía tiempo en otros países. 2) Características.Hoy en día, el diseño de turbina de gas que se ha impuesto está basado en un compresor axial multietapa, una cámara de combustión interna y una turbina de expansión, todo ello construido de una forma bastante compacta que da idea de un equipo unitario. Pero al diseño de turbina predominante en la actualidad se ha llegado después de una larga evolución desarrollada a lo largo del siglo XX, principalmente. 2.1) Partes fundamentales de una turbina a gas.Los principales elementos de la turbina de gas son cinco: la admisión de aire, el compresor, la cámara de combustión, la turbina de expansión. A continuación se detallan las principales características de cada uno de estos elementos. Admisión de aire El sistema de admisión de aire consta de todos los elementos necesarios para que el aire entre en la turbina en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura y limpieza. Para ello cuenta con filtros de varios tipos, que se encargarán de eliminar la suciedad que pueda arrastrar el aire; y de una serie de sistemas que acondicionarán la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad posible de masa de aire.

Compresor de aire La función del compresor es elevar la presión del aire de combustión (una vez filtrado) antes que entre en la cámara de combustión, en una relación que varía según la turbina pero que normalmente está comprendida entre 10:1 y 40:1. Esta compresión se realiza en varias etapas y consume aproximadamente las 2/3 partes del trabajo producido por la turbina. El control de la entrada de aire para la combustión se realiza variando el ángulo de inclinación de las ruedas iniciales de álabes del compresor. A mayor ángulo, mayor cantidad de aire de entrada al compresor, y por tanto, a la turbina. Este método se usa para mejorar el comportamiento a carga parcial de la turbina de gas. Una parte del aire del compresor se utiliza para refrigeración de álabes y de la cámara de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado para este fin. Cámara de combustión En ella tiene lugar la combustión a presión constante del gas combustible junto con el aire. Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de presión adecuado, que oscila entre 16 y 50 bar. Debido a las altas temperaturas que pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir demasiado la vida útil de los elementos componentes de la cámara, se trabaja con un exceso de aire alto, utilizando del 300 al 400% del aire teórico necesario, con lo que se consigue por un lado reducir la temperatura de llama y por otro refrigerar las partes más calientes de la cámara. Parte del aire que procede del compresor, se dirige directamente hacia las paredes de la cámara de combustión para mantener su temperatura en valores convenientemente bajos. Otra parte se hace circular por el interior de los álabes de la turbina, saliendo por orificios en los bordes que crean una película sobre la superficie de los álabes. Turbina de expansión En la turbina es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en los gases de combustión, en forma de presión y temperatura elevada (entalpía), a potencia mecánica (en forma de rotación de un eje). Como se ha indicado antes, una parte importante de esta potencia es absorbida directamente por el compresor. Los gases, que entran a la turbina a una temperatura de 1200-1400ºC y una presión de 10 a 30 bar., salen a unos 450-600ºC.

Esa alta temperatura hace que la energía que contienen pueda ser aprovechada bien para mejorar el rendimiento de la turbina (con un sistema conocido como REGENERACIÓN, que consiste en utilizar estos gases para calentar adicionalmente la mezcla en la cámara de combustión) o bien, como es más habitual, para generar vapor en una caldera de recuperación. Ese vapor posteriormente se introduce en una turbina de vapor consiguiéndose un aumento del rendimiento global igual o incluso superior al 55% (el rend. de la turbina de gas es de 30-35%). 3) Principio de funcionamiento.El principio de operación en una turbina de gas obedece al siguiente esquema: el aire entra al compresor donde se incrementa su presión y temperatura, posteriormente se mezcla con el combustible y ocurre la combustión. Los gases calientes se expanden hasta presión atmosférica y producen trabajo en la turbina. El compresor opera con una parte de la energía que desarrolla la turbina (aproximadamente un 65%), y la energía restante, es la energía mecánica disponible en el eje de la turbina. Un generador eléctrico se conecta al eje de la turbina y produce electricidad. El calor de los gases de combustión se recupera mediante calderas recuperadoras de calor, HRSG. La combustión se lleva a cabo con un alto exceso de aire, por lo que los gases de escape a la salida de la cámara de combustión, con una alta temperatura, poseen altas concentraciones de oxígeno (hasta un 16%). La alta temperatura del ciclo se registra en este punto (la salida de la cámara de combustión), a mayor temperatura mayor la eficiencia del ciclo y con la tecnología disponible hasta el momento se pueden lograr temperaturas de hasta 1300 ºC. Posteriormente, después de expandirse, los gases de escape abandonan la turbina a una temperatura entre 450 y 600 ºC. Las características de operación de las turbinas de gas dependen de las condiciones del aire ambiental, la calidad del combustible, el suministro de agua de enfriamiento, la inyección de agua y la altitud principalmente. El consumo de combustible puede disminuir precalentando el aire comprimido con el calor de los gases de escape de la turbina usando un recuperador o un regenerador, el trabajo de compresión puede reducirse y la potencia aumentar con el uso de interenfriamiento y preenfriamiento, y los

gases de escape utilizarse en un HRSG para producir vapor y generar trabajo en un ciclo combinado. 3.2) Eficiencia.De forma general, la eficiencia aumenta a mayor tamaño de la turbina de gas, a medida que la eficiencia eléctrica aumenta, la cantidad total de energía térmica disponible disminuye por unidad de potencia, y la relación potencia-calor aumenta. Las turbinas de gas necesitan una presión de gas de alrededor de 37 bar para las pequeñas, con una presión sustancialmente mayor para las grandes turbinas de gas y las aeroderivadas (entre 70 bares hasta 320 bares manométricos). Dependiendo de estos factores el compresor de gas adicional es un factor importante. Las condiciones ambientales bajo las cuales opera la turbina de gas tienen un efecto notable sobre la potencia y la eficiencia. A temperatura elevada del aire, la potencia y eficiencia disminuyen. La potencia disminuye debido a la disminución del flujo másico de aire (la densidad del aire disminuye a medida que la temperatura aumenta) y la eficiencia disminuye debido a que el compresor requiere mayor potencia para comprimir el aire a mayor temperatura. Inversamente, la potencia y la eficiencia aumentan cuando la temperatura disminuye. De forma general puede decirse que la potencia y el consumo de combustible disminuyen un 3,5% cada 304,8 m sobre el nivel del mar, la potencia disminuye en un 0,3 a 0,5% por cada ºC de incremento en la temperatura ambiente y el régimen térmico se incrementa en 0,1 a 0,2% por cada ºC de incremento de la temperatura de entrada. Existen varias tecnologías que pueden aumentar la potencia o la eficiencia de las turbinas de gas, como son el uso de Recuperador de Calor, Interenfriadores, Enfriamiento del Aire de Admisión. - Recuperador: el uso del combustible puede disminuir, y por tanto la eficiencia mejorar, con el uso de intercambiadores de calor conocidos como recuperadores, que usan el calor de escape de la turbina para precalentar el aire comprimido que entra a la cámara de combustión. Dependiendo

de los parámetros de operación de la turbina de gas el uso de este intercambiador puede aumentar un 10% de eficiencia (por ejemplo de 30 a 40%). Los recuperadores son costosos y su gasto puede justificarse cuando la turbina opera un gran número de horas a carga total y el coste del combustible es alto. - Interenfriadores: se utilizan para aumentar la potencia de la turbina dividiendo el compresor en dos secciones y enfriando el aire comprimido que sale de la primera sección antes de que entre a la segunda sección del comprensor. La eficiencia de la turbina no cambia significativamente con el uso de los interenfriadores ya que, se requiere una mayor cantidad de combustible. - Enfriamiento del Aire a la Entrada: la disminución de la potencia y la eficiencia de las turbinas de gas a alta temperatura ambiente, significa un cambio en el rendimiento de la turbina.

3.1) Principio termodinámico.Una turbina de gas funciona según el principio de ciclo abierto. Una característica típica del ciclo abierto es que la sustancia activa se adquiere del ambiente y se devuelve al ambiente.

Diagrama T-s: Representación del proceso ideal de turbina de gas Q1 absorbción de calor, Q2 cesión de calor, W trabajo útil, T temperatura, s entropía; 1-2 compresión, 2-3 alimentación de calor, 3-4 expansión

• Compresión adiabática del gas frío con un compresor (A) de presión ambiente p1 a la presión p2, con el aumento de temperatura respectivo de T1 a T2.

• Calentamiento isobárico de gas de T2 a T3 mediante la alimentación de calor. La alimentación de calor se realiza quemando combustible con el oxígeno atmosférico en la cámara de combustión (B). • Expansión adiabática de gas caliente en una turbina (C) de presión p2 a p1, con la reducción de temperatura correspondiente de T3 a T4. Una parte de la potencia, que se extrae con la turbina, sirve para el accionamiento del compresor. El resto queda disponible como potencia útil. 4) Tipos.Existen diferentes tipos de turbinas dependiendo de su origen, disposición de la cámara de combustión y ejes con los que cuente. Dependiendo de su origen las podemos clasificar como: 1) Aeroderivadas: Son aquellas que tiene su origen en turbinas diseñadas para propulsar aviones, son compactas, robustas, tienen una alta relación potencia/peso, son versátiles de operar, ya que al derivar de aviones estos nos van siempre a un ritmo constante y pueden necesitar subidas o bajadas rápidas de potencia, su arranque es más sencillo que las diseñadas para uso industrial puro. Sus potencias rondan los 50 MW. Todas estas características las hacen fáciles de mantener y sustituir en caso necesario. 2) Industriales: Son turbinas diseñadas desde su origen para uso industrial por lo que su peso y tamaño es mayor al no estar limitadas por su lugar de utilización, por lo que al ser de gran tamaño en general las revisiones se llevan a cabo en la misma planta. Se ha buscado siempre grandes potencias para producción eléctrica estas pueden llegar hasta unos 500 MW, también se ha buscado que estén operando el mayor tiempo posible de forma constante, ya que sus paradas son más largas que la de las aeroderivadas por lo que se pierde más dinero al no tenerla funcionando. Su rendimiento eléctrico es algo menos importante que en las aeroderivadas, ya que puede aprovechar el calor de sus gases de escape para cogeneración. Su velocidad de rotación es importante ya que al ser usadas para la producción de electricidad deben rondar los 50-60 Hz.

Dependiendo de su tipo de cámara de combustión las podemos clasificar en tres categorías: 1) Cámaras de combustión tipo Silo: Este tipo de turbinas tienen la cámara de combustión fuera del eje que une la turbina y el compresor, puesto en la parte superior, los inyectores se instalan atravesando el techo superior de la cámara, y los gases de escape llegan a la turbina de expansión por una abertura inferior conectada a ésta, son turbinas que por ahora se utilizan para combustibles experimentales como el hidrogeno. 2) Cámaras de combustión Anulares: En este tipo de cámara de combustión, la cámara forma un anillo continuo alrededor del eje entre el compresor y la turbina, los quemadores los tiene dispuestos a lo largo de todo el anillo, la mezcla combustible/comburente y la distribución de temperaturas es menos uniforme que en las tuboanulares, aunque también son menores las pérdidas de carga y tiene una buena refrigeración la cámara de combustión. Las turbinas con este diseño suelen ser aeroderivadas, principalmente utilizadas por los fabricantes Alstom y Siemens. 3) Cámaras de combustión Tuboanulares: Este tipo de cámaras de combustión está formada por una serie de cilindros puestos alrededor del eje cada uno con su quemador y sistema de encendido, por lo que en caso de que uno no encienda puede provocar grandes diferencias de temperatura con lo problemas que esto puede acarrear. Son más pesadas al tener varias cámaras de combustión, pero tienen una mayor resistencia estructural. Sus fabricantes son General Electric y Mitshubishi. Dependiendo del número de ejes las podemos clasificar como: 1) Monoeje: En este tipo de turbinas el compresor, turbina y generador, están todo unidos en el mismo rotor girando de forma solidaria, son las más comunes para uso de generación eléctrica. Su velocidad de giro suele estar en 3000 rpm para ajustarse a los 50 Hz de la red eléctrica.

2)

Multieje: Este tipo de turbinas está dividido el eje en dos, un eje en el que está el compresor

y la turbina de alta, que es la encargada de impulsar al compresor. En el otro eje se encuentran la turbina de potencia que es la que mueve el generador. Este tipo de configuración se usa en turbinas aeroderivadas y de pequeña potencia ya que tiene buen comportamiento frente a variaciones de carga.

4.1) Principales fallos en las Turbinas a gas y Mantenimiento.La mayor parte de los fallos en turbinas de gas están relacionados con las altas temperaturas que se emplean en la cámara de combustión y en las primeras filas de álabes de la turbina de expansión. Fallos en casa de filtros: Es un fallo importante ya que la casa de filtros se encarga de intentar que el aire entre lo más limpio posible de partículas y objetos extraños al compresor, ya que cualquier objeto por partícula sólida por muy pequeña que sea puede ocasionar graves daños a nuestro equipo. Fallos en álabes (compresor y turbina de expansión): El fallo en los álabes es un muy delicado ya que los álabes son los encargados de impulsar el aire en el compresor y de aprovechar los gases de combustión para mover la turbina, por lo que están sometidos a esfuerzos y cargas térmicas muy grandes, todo ello girando a altas velocidades, lo que puede provocar que pequeños defectos en su superficie se hagan importantes al poco tiempo, pudiendo llegar a romperse el alabe y provocando un gran desastre en el interior de la turbina. Fallos en cámara de combustión: La cámara de combustión es el lugar donde se produce combustión del combustible con el comburente en ella se pueden alcanzar muy altas temperaturas y presiones, que provocarían la destrucción del metal si este se encontrase desnudo por ello se ha de recubrir de materiales cerámicos y estar refrigerado, siendo este uno de los fallos posibles que se pueden dar en esta parte del grupo. Fallos del rotor: El rotor es el elemento que nos une todo el sistema en la turbinas de un solo eje, por lo que un fallo en él es muy importante ya que al unir turbina, compresor, generador y turbina de vapor, el fallo puede ser comunicado a todo el sistema con lo que ello supondría de desajustes y daños.

El mantenimiento de la TG consiste principalmente en rutinas de lavado del compresor mensualmente, o cuando el fabricante lo especifique, el lavado remueve depósitos en los álabes, mantenimiento de los rodamientos y el mantenimiento mayor debe hacerse cada 9.000 o 10.000 horas de operación, el remplazo de los álabes para turbina de gas que operan con gas natural se

hace cada 25.000 horas de operación y de 20.000 horas aproximadamente para combustibles líquidos.

4.2) Costes y fabricantes.Un paquete básico de una turbina de gas está formado por (compresor, cámara de combustión y expansor), la caja de engranajes, generador eléctrico, conductos de entrada y de escape, filtros de aire a la entrada, sistemas de lubricación y enfriamiento, sistema de arranque estándar, y silenciador de escape. Los precios de un paquete básico no incluyen sistemas adicionales como comprensor del gas, sistema de recuperación de calor, sistema de tratamiento de agua o sistemas de control de emisiones como SCR o sistemas de monitoreo. El coste total está formado por los costes totales del equipo más la mano de obra y materiales (incluyendo el trabajo en sitio), ingeniería, gestión del proyecto (licencias, seguros, inspección (commissioning), y arranque, y costes de financiación durante los 6 a 18 meses del periodo de construcción. Esta tecnología es la más barata comparada con otras. Los costes de capital de inversión varían y tienden a aumentar al disminuir la potencia. De manera general, los costes de instalación, los costes de equipo y otros gastos, aumentan el coste de capital en un 30-50%. A menos que la turbina se conecte a una línea de gas natural de alta presión, se requerirá un compresor de gas natural para mantener los requerimientos mínimos de presión de la turbina, el compresor aumenta el coste en el rango del 5-10% dependiendo de la capacidad. Si se agrega el equipo de recuperación de calor aumenta el coste de capital. Algunos de los principales fabricantes de TG que podemos mencionar entre otros muchos son los siguientes: 

† Alstom (4 MW a 288 MW)

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† General Electric Power Systems

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† IHI ( 5 MW a 50 MW)

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† Kawasaki Gas Turbines (650 kW a 18 MW)

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† Pratt & Whitney ( 20 MW a 50 MW)

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† Rolls-Royce (2 MW a 51.2 MW)

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† Siemens Power Corporation (67 MW a 265 MW)

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† Solar Turbines (15 MW)

5) Áreas de aplicación.Se utilizan turbinas de gas cuando se requiere una potencia alta y un peso escaso. • Propulsión de aviones con motores turborreactores y de hélice • Propulsión de barcos rápidos, locomotoras y vehículos de carga rápidos • Propulsión de generadores eléctricos en centrales energéticas • Propulsión de compresores y bombas en la extracción de gas natural y aceite. Una ventaja adicional es la rápida disposición de servicio. Las turbinas de gas pueden ponerse a carga total en muy poco tiempo y por ello se utilizan como accionamientos para las horas punta y de reserva. Un inconveniente es el alto consumo de combustible en comparación con el motor diesel.

BIBLIOGRAFIA.http://www.sc.ehu.es/nmwmigaj/TURBINA.htm http://www.energiza.org/tubinasgasmarzo14/124-especial-turbinas-de-gas/973-turbinas-de-gas http://www.energiza.org/tubinasgasmarzo14/124-especial-turbinas-de-gas/971-principio-deoperaci%C3%B3n-en-una-turbina-de-gas http://www.cicloscombinados.com/18tiposturbinasgas.html http://www.energiza.org/anteriores/energizaseptiembre2011.pdf https://www.gunt.de/images/download/Conocimientos-bsicos-turbinas-de-gas_spanish.pdf

6) Ejercicio.1) En una TG, que funciona según el ciclo abierto sencillo de Brayton entra aire a la presión de p1= 1 atm y temperatura absoluta T1 = 300ºK. La relación de compresión es = p2/p1 = 8, y la temperatura máxima del cicloT3 = 900ºK ; = 1,4 ; R = 29,27 Kgm/(kgºK) Determinar: a) Los parámetros del aire en los puntos característicos del ciclo b) El rendimiento del ciclo

https://es.scribd.com/doc/88013093/Problemas-Resueltos-de-Turbinas Otro Ejercicio: https://www.youtube.com/watch?v=WWWhv2a0Chc