Capitulo 04 Anexo 00 Tipos de Turbinas de Gas

 

Directorio de turbinas de gas

1. Introducció Introducción

 Aunque el título del directorio es el de turbinas de gas, el trabajo va precedido de un estudio comparativo centrado en la utilización tanto de turbinas de gas como de motores alternativos, dejando de lado por tanto, la tercera forma enunciada como de generación de energía térmica, los hornos-caldera. La utilización de turbinas y motores se basa en su eficiencia según los puntos de  vista técnico y económico. El industrial que desea instalar un sistema de cogeneración debe analizar los dos puntos citados, así como su cumplimiento con la normativa medioambiental vigente.  Analizaremos a continuación las ventajas e inconvenientes que presenta la utilización de motores o turbinas, desde un punto de vista general y que deben ser concretadas en cada proyecto en particular. particular. 2. Criterios té técnicos

2.1. Aprovechami Aprovechamiento ento de la energía térmica –––––––––––––––––––––––––––––––

- Caudal de gases de combustión más altos para las turbinas, del orden de 12 kg/h por kW, frente a valores de 7 kg/h por kW para los motores alternativos. Estas dos características hacen que el aprovechamiento de calor de los gases de escape, por ejemplo produciendo vapor, sea más fácil en el caso de las turbinas de gas que en el de los motores alternativos. Esta ventaja es más importante cuanto más altas son las condiciones de presión y temperatura del vapor requerido. Aproximadamente la mitad de la energía térmica de los motores se utiliza en el aire comprimido de carga al motor, en la refrigeración de las camisas y del aceite lubricante. Los niveles de temperatura a los que se dispone de este calor son bajos y únicamente pueden apro vecharse si se precisa agua sobrecalentada o agua caliente.  A grandes rasgos, la energía del combustible que entra en una máquina se aprovecha de la siguiente forma: - Turbina de gas:

• Energía eléctrica: 30 a 35%. • Energía térmica: 60 a 65%. • P érdidas: 5 a 10%. - Motores alternativos:

- Las turbinas tienen temperaturas de salida de los gases de combustión más altas, de 450 a 600ºC, comparadas con valores de 350 a 425ºC para los motores alternativos (dependiendo si utilizan fuelóleo o gasóleo, respectivamente).

• Energía eléctrica: 38 a 45%. • Energía t érmica gases: 20 a 25%. • Energía térmica agua: 18 a 22%. • Energía térmica aire: 5 a 7%. • P érdidas: 10 a 15%.

 

 Además, hay que tener en cuenta que cuando la energía térmica se aprovecha en una caldera de recuperación de calor para producir vapor o agua sobrecalentada para el proceso de la industria, el rendimiento térmico varía con el tipo de máquina y con el tipo de combustible que se utiliza. Así, como idea aproximativa, se puede considerar que la energía t érmica de los gases se reduce a la siguiente proporción: - Turbina Turbina de gas natural: natural: 80/85%. - Motor de gas gas natural: natural: 70/75%. - Motor Motor de fuel fuelóleo: 50/55%. Por todo ello, se comprueba que, en líneas generales, la turbina de gas es mejor máquina termodinámica que el motor de combustión interna. Como resumen, y como números que pueden utilizarse para una primera aproximación, se considera que para producir una tonelada/hora de vapor saturado para proceso, es necesario que la potencia instalada de la máquina sea: - Turbina de gas: 0,5 MWe. MWe. - Motor de gas natural: 1 MWe. MWe. - Motor Motor de fuel fuelóleo: 2 MWe. En la Tabla I se muestra una

comparación entre ambas máquinas, considerando como pérdidas la energ ía térmica no aprovechable.

entre el 80 y el 100%, mientras que los motores se adaptan mejor a las variedades de carga.

2.2. Eficiencia –––––––––––––––––––––––––––––––

2.3. Funcionamiento –––––––––––––––––––––––––––––––

- Los motores alternativos tienen una alta eficiencia, con valores que pueden ir desde un 38 a un 45%, frente a unos valores para las turbinas de gas en el mismo rango de potencias del 30 al 35%.

- Los motores soportan mejor

Por otra parte, mediante los ciclos regenerativos y combinados, la eficiencia de las instalaciones con turbinas de gas pueden mejorar sustancialmente, incluso superando a los motores. Las grandes plantas de ciclo combinado con turbinas de gas pueden alcanzar eficiencias de hasta el 58%. - Los motores también tienen una alta eficiencia a cargas parciales. Un valor típico para la eficiencia al 50% de la carga nominal es del 87/89% del valor a plena carga. La turbina de gas al 50% de su carga nominal puede tener una de sólo el 75% de su  valor a la carga nominal. Las aplicaciones normales de las turbinas de gas son a cargas próximas a su valor de dise ño,

Tabla I. Aprovechamiento energético de las máqui-

Sistema

Uds. eléctricas

Uds. calor

Pérdidas

- En general, una turbina de gas acorta su período de vida alrededor de ocho horas por cada arranque, lo que en una instalación que exija paradas y arranques diarios puede suponer un acortamiento de su vida de un 30 a un 40%. - En una instalación que utilice motores alternativos los autoconsumos representan un 2,5 a 3,5%, mientras que si se utilizan turbinas de gas las pérdidas por autoconsumo son algo mayores, 3,5 a 5%. 2.4. Influencia del emplazamiento –––––––––––––––––––––––––––––––

Las características de las turbinas de gas (Fig. 1) son definidas según las condiciones ISO, que son: - Altitud Altitud sobre sobre el nivel del mar, 0 m. - Temperatura Temperatura ambiente, ambiente, 15ºC. - Humedad Humedad relativa relativa ambiente, ambiente, 60%. - Pérdidas en la entrada y la salida, 100 mm de columna de agua.

Rendim.

Convencional

37

----

63

37

TURBINA GAS Hasta 20.000 kW

27

48

25

75

20.000-80.000 kW

32

49

19

81

80.000-150.000 kW

35

52

13

87

T.G. con postcombustión

17

69

14

86

MOTORES hasta 5.000 kW

35

30

35

65

5.000-10.000 kW

40

30

30

70

10.000-15.000 kW

45

30

25

75

Base: 100 uds. té térmicas

que las turbinas de gas los arranques y paradas repetidas.

 V  Variaciones ariaciones sobre estos valores repercuten en la potencia que puede generar una turbina de gas. Así: - Cada 100 m de variaci ón en la altitud, suponen una disminución de la potencia de alrededor un 1%. - Un aumento de la temperatura de aire de 1 ºC puede supoérdida de eficiencia ner una pIgualmente, del 0,8%. disminución de la temperatura de aire de 1ºC puede suponer un au-

 

mento de la eficiencia del 0,5%, aunque con un límite de 4ºC.

Figura 1. Eficiencia de  turbinas de gas 

- Una pérdida de presión en la succión de 100 mm de columna de agua puede suponer una pérdida de eficiencia próxima al 2%, y una pérdida de 200 mm en la descarga puede suponer una pérdida de eficacia del 1,5%. Los motores alternativos soportan mejor las variaciones de las condiciones ISO, de forma que comienzan a tener pérdidas de potencia con altitudes superiores a 500 m.  Ambas máquinas a partir de temperaturas superiores a 35/ 40ºC sufren pérdidas en potencias y eficiencias. 2.5. Mantenimiento

en el tipo de planta de cogeneración que se desea proyectar. Estas son:

receptora de la energía excedente (en su caso). 2.8. Conclusiones –––––––––––––––––––––––––––––––

- Instalación de ventilación de

–––––––––––––––––––––––––––––––

la nave de motores.

Las paradas para mantenimiento programado de las turbinas de gas son menos frecuentes que para los motores alternativos; asimismo, son menores sus costes de mantenimiento.

- Necesidades de espacio próximo a los puntos de consumo térmico y eléctrico.

Desde un punto de vista técnico es aconsejable emplear turbinas de gas para instalaciones de cogeneración cuando se cumplan todos o algunos de los siguientes requisitos:

- Respeto al entorno arquitectónico y la integración en el mismo.

- Se dispone de gas natural.

Consideraciones s 2.6. Consideracione medioambientales –––––––––––––––––––––––––––––––

Un aspecto fundamental a tener en cuenta en el desarrollo de un proyecto de cogeneración es el cumplimiento de la normativa medioambiental vigente, transposición de la directiva europea que establece los límites de emisiones en instalaciones de generación eléctrica. La turbina de gas cumple mejor que los motores alternativos los límites de emisiones, tanto por el combustible como por el proceso de combustión que se produce en su interior. 2.7. Otros criterios –––––––––––––––––––––––––––––––

ás deahora,  Adem los criterios descritos hasta hay otras consideraciones, de menor importancia técnica, que influyen

- La demanda de energía t érmica es continua durante el funcionamiento de la instalación.

- Aislamiento acústico. - Modificaciones de las instalaciones eléctricas existentes. - Interconexión con las instalaciones de la industria.

- La energía t érmica que precisa el proceso es de alta calidad, esto es, la temperatura de los gases de escape o del vapor

- Interconexión con la subestación de la compañía eléctrica

tiene que ser alta, ya que la temperatura de salida de gases en la turbina es mayor que en motor.

Tabla II. Comparación sistemas de generación Inversi Inversió ón (kpta/kW instalado)

Coste generaci generació ón (pta/kWh producido)

125 - 250

4-5

Carbón 135 - 170 Fueló Fuel óleo 125

5-8 6-9

Ciclo combinado

80 - 90

4,5 - 5,5

Cogeneració Cogeneraci ón motores

80 - 120

6 - 7,5

Cogeneració Cogeneraci ón turbinas

90 - 110

6,5 - 7

Residuos biomasa

150 - 250

7-9

Residuos urbanos

200 - 300

7-9

Tipo de central Hidrá Hidr áulica Térmica convencional

 

Figura 2. Evaluación de las eficiencias de  turbinas de gas 

- Coste del kWh generado

Este coste es el que define la rentabilidad económica. Tres factores intervienen en el cálculo: • Coste del combustible. Este coste tiene un peso de alrededor del 60% del coste del kWh generado. Su valor es función directa de la eficiencia de la planta. • Coste de operación y mantenimiento. En general, se puede estimar:

CALDERA CON TURBINA VAPOR TURBINA DE GAS

4%

25%

PLANTAS 

- La relación entre energía térmica y la eléctrica es alta, es decir, el proceso es un gran consumidor de energía térmica. Técnicamente se aconseja el empleo de motores alternativos cuando: - No se dispone de gas natural y no hay restricciones medioambientales, en cuyo caso se podrá emplear fuelóleo y/o gasóleo. - La demanda de energía t érmica varía a lo largo del tiempo, o el funcionamiento de la instalación es discontinuo, puesto que el motor admite unas mayores variaciones de carga que la turbina.

3. Criterios econó econ ómicos

Una vez diseñada técnicamente la planta de cogeneración, con una o varias alternati vas, se procede con el estudio económico. Para ello hay que tener en cuenta los valores siguientes:

MOTOR ALTERANTIVO 71%

Figura 3. Distribución de las plantas de cogeneración por tecnología 

CALDERA CON TURBINA VAPOR MOTOR

7%

ALTERANTIVO

TURBINA DE GAS

44%

49%

- Inversión específica, es decir, las pesetas a invertir por cada kW instalado.

POTENCIA

 A grandes rasgos, se puede considerar:

- La energía t érmica que precisa el proceso no tiene que ser de alta calidad y es suficiente con unas temperaturas en los gases de escape bajas, o bien un  vapor de baja presi ón y temperatura.

• Motor alternativo en ciclo abierto: 80.000 - 100.000 pta/kW. • Motor alternativo en ciclo simple: 90.000 - 130.000 pta/kW. • Turbina en ciclo abierto: 70.000 - 100.000 pta/kW. • Turbina en ciclo simple: 90.000 - 130.000 pta/kW. • Turbina en ciclo combinado: 110.000 - 150.000 pta/kW.

- La relación entre la energía térmica y la eléctrica es baja, o lo que es lo mismo, prevalece el consumo de electricidad sobre

Estos valores están referidos a las potencias que normalmente se utilizan en cogeneración. Para grandes instalaciones, supe-

el consumo de energía térmica. - La potencia eléctrica a instalar es baja.

riores con a 100turbinas MW, el ciclo nado tiene combicostes que pueden reducirse hasta el 60% del valor indicado.

Figura 4. Distribución de la potencia instalada por tipo de tecnología 

> 50 MW 1% < 1 MW

25 - 50 MW

19%

3% 10 - 25 MW 11%

PLANTAS  5 - 10 MW 17%

1 - 5 MW 49%

Figura 5. Distribución de las platas de cogeneración  por rangos de potencia 

Fuente: El IDAE y la Cogeneración. Una alternativa energética y medioambiental.

 

• Turbinas de gas: Entre 0,6 y  0,9 pta/kWh. * Motores alternativos: Entre 1,2 y 1,5 pta/kWh. * Costes financieros.

En la Tabla II se muestra una comparación, aproximada, de los distintos sistemas de generación. 4. Turbinas de gas

Dado que la potencia generada por las turbinas de gas, a diferencia de la producida por las turbinas de vapor que se diseñan a medida, cambia en escalones discretos, puede haber un problema para el ajuste entre la energía eléctrica producida y la producción de vapor requerida. Las soluciones van en dos direcciones: aumentar la energía eléctrica producida mediante in yección de vapor en la turbina de gas o incrementar la producción de vapor mediante postcombustión.

bles alternativos, mayor continuidad de operación y eficiencia ligeramente inferiores. Con el paso del tiempo ambas familias de diseño han adaptado algunas de las características de sus competidoras con objeto de mejorar sus puntos menos atracti vos. La figura 2 muestra las predicciones del Collaborative Advanced Gas Turbine  Programme en el que participan compañías eléctricas, agencias gubernamentales y  fabricantes de turbinas de gas. El objetivo de este programa es el desarrollo de una turbina de gas aeroderivada con refrigeración intermedia (ICAD) con una eficiencia del 45 al 47% basado en el PCI. La selección del tipo de turbina, aeroderivada o industrial, es una cuestión con una respuesta dif ícil, y posiblemente la solución deba venir dictada por los requisitos de continuidad de la planta industrial o proceso en que se instale. Los suministradores de turbinas de gas pueden clasificarse en los siguientes grupos: - Licenciantes, que desarrollan las diversas turbinas de gas, que las fabrican y comercializan directamente, y en adición llegan a acuerdo de licencia con otros fabri-

cantes para la producción de sus máquinas. En esta categoría, y  para turbinas de gran tamaño pueden citarse a General Electric, Pratt & Withney , Rolls Royce, Siemens-Westinghouse y ABB. - Fabricantes que producen turbinas de gas con tecnolog ía cedida por otros, mediante un acuerdo de licencia. - Empaquetadores, que adquieren las turbinas de gas y las completan con el alternador eléctrico, instrumentación y demás elementos necesarios para suministrar un equipo de generación completo, listo para su conexión y funcionamiento inmediato. La Tabla III muestra las características principales de una serie de turbinas de gas, y puede servir de guía para unos tanteos preliminares con objeto de establecer la viabilidad de un pro yecto. Para conseguir más información pueden señalar el número correspondiente en la última página de la revista.

En relación al tipo de turbina a usar, hay dos grandes familias de diseño: aeroderivadas e industriales. Listado de suministradores

Las aeroderivadas han venido marcadas por las necesidades de disminución de peso, aumento de eficiencia, mayor flexibilidad de operación. Por las características de su servicio son aceptables paradas programadas para revisiones en plazos relativamente cortos. Esto ha llevado a relaciones de compresión y temperaturas de combustión más altas y al uso de materiales exóticos. Lo que ha resultado en eficiencias ligeramente superiores a las turbinas industriales. En el diseño de las turbinas industriales ha primado por encima de cualquier otra consideración la necesidad de aumentar la disponibilidad de la máquina, espaciando el tiempo entre paradas programadas. ha resultado en construirEsto máquinas más pesadas, con mayor tolerancia para el uso de combusti-

ABB ASLTOM POWER Para más información señalar en la última página de la re vista   541

DRESSER-RAND Para más información señalar en la última página de la re vista   542

TURBOMECA Y GHH BORSIG Representada por PASCH Y CIA Para más información señalar en la última página de la re vista   543

PIGNONE ESPAÑA, S.A. Para más información señalar en la última página de la re vista   545

ROLLS-ROYCE INDUSTRIAL & MARINE GAS TURBINE LIMITED Repr. por TURBOMACH ESPAÑA, S.A. Para más información señalar en la última página de la re vista   546

SIEMENS-Westinghouse Para más información señalar en la última página de la re vista   547

MTU Representada por ANSELM MAYR, S.A. Para más información señalar   544 en la última página de la re vista

TURBOMACH ESPAÑOLA, S.A. Para más información señalar   548 en la última página de la re vista

 

Tabla III

Suministrador TURBOMACH DRESSER RAND DRESSER RAND PIGNONE ESPAÑA PASCH/TURBOMECA TURBOMACH PASCH/TURBOMECA ABB ALSTOM ABB ALSTOM TURBOMACH ABB ALSTOM ABB ALSTOM TURBOMECA TURBOMACH PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA ABB ALSTOM TURBOMECA ABB ALSTOM TURBOMACH TURBOMECA ABB ALSTOM TURBOMACH PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA TURBOMACH ABB ALSTOM PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA TURBOMACH DRESSER RAND MTU MT U ** ABB ALSTOM PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA DRESSER RAND MTU** ABB ALSTOM PASCH/GHH BORSIG PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA DRESSER RAND ABB ALSTOM TURBOMACH PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA DRESSER RAND ABB ALSTOM TURBOMACH PASCH/GHH BORSIG ABB ALSTOM ABB ALSTOM SIEMENS PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA ABB ALSTOM PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA SIEMENS*** ABB ALSTOM PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA ABB ALSTOM SIEMENS PIGNONE ESPAÑ ESPAÑA ABB ALSTOM

Modelo Saturn 20 KG2-3C KG2-3E PGT 2 EURODYN Centaur 40 TM 4000 TB5000 Typhoon Centaur 50 50 Typhoon Typhoon TM 5000 TAURUS 60 60 PGT 5 Typhoon TM 7000 Tornado TAURUS 70 TM 9000 Tempest MARS 90 PGT 10 MARS 100 Cyclone PGT 16 Titán 130 S Titá DR 60G LM 16 1600 00 GT35 PGT 25 DR 61 LM 2500 GT10B FT 8 MS 5001 DR 61 PLUS GT10C RR RB211-T MS 6001 DR63G GTX100 TRENT FT8 TWIN PACK

GT8C GT8C2 V64.3 MS 6001 FA GT11N2 MS 9001 E V94.2 GT13E2 MS 9001 EC GT24 V94.3 A MS 9001 FA GT26

Pot. Cons. espec. kWe kJ/kWh 1.204 1.475 1.840 2.000 2.435 3.515 3.845 3.960 4.350 4.601 4.700 5.050 5.050 5.499 5.220 5.250 6.200 6.750 7.513 7.550 7.700 9.284 10.140 10.681 12.900 13.390 13.491 13.495 13.9 13 .982 82 17.000 21.910 22.060 22.371 24.800 25.420 26.300 26.640 29.100 31.700 38.340 38.410 43.000 51.460 52.000 52.800 57.200 60.000 70.140 113.700 123.400 159.000 165.100 169.200 183.000 220.000 226.500 265.000

14.643 22.811 21.090 14.400 11.612 12.914 12.413 13.896 11.998 12.270 11.932 11.915 11.428 11.847 13.380 11.925 11.368 11.418 10.661 11.310 11.723 11.370 11.660 11.089 10.585 10.230 10.814 9.505 10.1 10 .169 69 11.180 10.155 9.970 10.418 10.535 9.443 12.650 9.473 10.000 9.254 11.460 9.303 9.720 8.759 9.292 10.463 10.371 10.811 10.530 10.463 10.650 9.890 10.083 10.300 9.398 9.750 10.090 9.347

Efic, %

T. gases °C

Flujo kg/s

27,88 15,78 17,07 25,00 31,30 27,88 29,00 25,9 30 29,34 30,2 30,2 31,50 30,39 26,90 30,2 31,60 31,5 33,78 31,80 30,7 31,66 30,90 32,46 34 35,20 33,29 37,87 35,4 35 ,40 0 32,1 35,40 36,10 34,60 34,2 38,10 28,50 38,00 36 38,90 31,40 38,15 37 41,10 38,20 34,4 34,7 33,30 34,20 34,4 33,80 34,50 35,7 36,0 38,3 37,00 35,70 38,5

500 565 549 550 460 434 560 487 527 510 525 546 525 510 523 537 530 466 486 505 545 461 484 483 570 493 490 482 454 45 4 375 524 520 542 543 443 487 514 518 500 539 465 546 443 443 517 511 485 597 524 538 545 524 558 640 567 589 640

6,45 12,90 15,00 10,90 11,40 18,61 15,30 22 17,7 19,08 19 19,6 20,34 21,89 24,40 20,3 23,50 29,3 26,92 30,00 29,8 39,16 42,10 41,75 39,7 45,50 49,88 45,80 48,7 48 ,70 0 92,3 68,00 69,00 69,40 80,4 86,70 122,50 83,00 91,1 94,4 137,00 126,00 122 156,1 173,40 183 195 185,00 196,40 382 403,70 500,00 532 498,50 391 600,00 601,90 562

** Se ha corregido la eficiencia para tener en cuenta la del generador y reductor. *** SIEMENS ofrece la lí  lí nea nea PGT de Nuovo Pignone.

Dimensiones (m) L W H

Peso, t

6,0 6,0 6,4 5,5

1,8 2,4 2,4 2,3

2,85 2,7 2,7 2,5

14 17 18 12

10,0

2,2

3,24

32

9,7 10 10,0 10 10

2,4 2,4 2,2 2,4 2,4

2,4 3,2 3,24 3,2 3,2

34 35 35 35 35

10,0 7,7 10

2,2 2,5 2,4

3,24 4,3 3,2

32 30 35

10,4 13,24

2,4 3,0

3,2 3,14

55 55

10,1 14,0 8,1 14,0 12 8,1 15,0 14,0

2,4 3,0 2,5 3,0 2,7 2,5 3,0 3,5

3,6 3,14 4,0 3,14 3,65 3,8 3,24 4,2

52 69 27 69 60 18 72 90

14,1 8,0 17,0

4 3,0 4,2

3,7 3,5 5,0

80 27 110

12,8

4

4,7

71

11,6 11, 6 17,3 12,8 20,8 7,6

3,2 4,2 4 6,0 3,2

3,7 5,0 4,7 3,84 3,8

85 112 71 160 85

14,5 21,65 36,8 7,8 12

7 5,60 4,0 3,2 5,1

6,5 4,50 5,0 3,9 5,2

90 200 95 138

7,6 9,5 13,9

3,2 5,5 4,5

3,8 10 6,3

85 190 215

10,8 13,88 10,5

6,4 4,5 4,1

5,4 6,3 4,6

330 215 197

13,9 12,3

4,5 5

6,3 5,5

215 335

Tipo INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL AERODERIVADA INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL AERODERIVADA INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL AERODERIVADA AERODERIV ADA INDUSTRIAL AERODERIVADA AERO AE RODE DERI RIV VAD ADA A INDUSTRIAL AERODERIVADA AERODERIV ADA AERODERIVADA AERODERIVADA AERODERIV ADA INDUSTRIAL AERODERIVADA AERODERIV ADA INDUSTRIAL AERODERIVADA INDUSTRIAL AERODERIVADA INDUSTRIAL AERODERIVADA INDUSTRIAL AERODERIVADA AERODERIVADA INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL INDUSTRIAL