Historia de La Turbina de Gas

Historia de la turbina de gas. La primera referencia al fenómeno en que se basa la turbina hay que buscarla en el año 150 A.C de manos del filósofo egipcio Hero, que ideó un pequeño juguete llamado Aeolipilo, que giraba a partir del vapor generado en una pequeña caldera. El juguete era una pura elucubración mental, pues no se tiene constancia de que jamás fuera construido.

En 1687 Isaac Newton anuncia sus leyes del movimiento. Entre ellas, la tercera ley anunciaba que existe un equilibrio entre acción y reacción: «para cada acción habrá una reacción de la misma fuerza e intensidad pero de sentido opuesto». Cuando las fuerzas se equilibran, son iguales en todas las direcciones.

Pero no fue hasta en 1872 que la primera turbina de gas realmente construida fue concebida por J.F. Stolze, 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. Los primeros turbocompresores axiales de rendimiento aceptable aparecen en 1926, A. A. Griffith establece los principios básicos de su teoría del perfil aerodinámico para el diseño de compresores y turbinas, y es a partir de aquí cuando se emprende el desarrollo de los compresores axiales. Hasta 1937 todos los desarrollos de turbinas de gas tenían una finalidad industrial, y no conseguían competir con los motores alternativos a pistón, debido siempre a su bajo rendimiento máximo (20%). Pero sus características de bajo peso y pequeño volumen hicieron que un poco antes del inicio de la segunda guerra mundial comenzara el desarrollo de turbinas para uso aeronáutico. Así, Whittle en Gran Bretaña en 1930 concibió y patentó el uso de un reactor como medio de propulsión.

Figura 1- Primera turbina de gas , para la generación de energía eléctrica presentada en 1939. Pot 4000 Kw. En 1939 Heinkel hizo volar el primer avión utilizando un motor a reacción de gas. No obstante, con las mayores velocidades alcanzables aparecieron nuevos problemas aerodinámicos que tuvieron que ir solucionándose.

Figura 2- Primer avión que uso la turbina de gas como propulsor. De esta forma, a partir de los años 60 el uso del reactor se generalizó y en la década de los 70 prácticamente toda la aviación de gran potencia era impulsada por turbinas.

A continuación se presenta los 3 obstáculos que dificultaron el desarrollo de la turbina de gas, pero como hoy en día la tecnología ha ayudado a su solución de estos mismos: DIFICULTAD

SOLUCION El desarrollo de la turbina de gas sólo ha sido

La relación de compresión del compresor y su

posible tras desarrollar un compresor axial a

rendimiento.

partir de la mejora de conceptos aerodinámicos, que

han

permitido

altas

relaciones

de

compresión. El segundo de los pilares ha sido la innovación La resistencia de los materiales para poder usar altas temperaturas en la cámara de combustión y en las primeras etapas de la turbina.

tecnológica en el campo de los materiales, con el desarrollo de nuevas aleaciones mono cristal y recubrimientos cerámicos.

El desarrollo de la informática. El empleo de En menor medida, la dificultad para controlar todo el sistema de forma manual.

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.

Ciclo Brayton: el ciclo ideal para los motores de turbina de gas. El ciclo Brayton fue propuesto por George Brayton por vez primera para usarlo en el motor reciprocante que quemaba aceite desarrollado por él alrededor de 1870. Actualmente se utiliza en turbinas de gas donde los procesos tanto de compresión como de expansión suceden en maquinaria rotatoria. Las turbinas de gas generalmente operan en un ciclo abierto, como se observa en la figura siguiente:

Figura 3- Ciclo Brayton

Su función básica y principal es:

Se introduce aire fresco en condiciones ambiente dentro del compresor, donde su temperatura y presión se elevan. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión, donde el combustible se quema a presión constante. Los gases de alta temperatura que resultan entran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, produciendo potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), causando que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.

Diagrama T-s del ciclo Brayton ideal:

Figura 4

1-2 Compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a presión constante 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a presión constante

Tipos de turbinas de gas

Turbina de gas aeroderivadas: Provienen del diseño de turbinas para fines aeronáuticos, pero adaptadas a la producción de energía eléctrica en plantas industriales o como micro turbinas. Sus principales características son su gran fiabilidad y su alta relación potencia/peso, además cuentan con una gran versatilidad de operación y su arranque no es una operación tan crítica como en otros tipos de turbinas de gas. Pueden alcanzar potencias de hasta 50 MW, moviendo los gases a una gran velocidad, pero bajo caudal. Su compacto diseño facilita las operaciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven a cabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.

Turbina de gas industriales: La evolución de su diseño se ha orientado siempre a la producción de electricidad, buscándose grandes potencias y largos periodos de operación a máxima carga sin paradas ni arranques continuos. Su potencia de diseño puede llegar a los 500 MW, moviendo grandes cantidades de aire a bajas velocidades, que pueden aprovecharse en posteriores aplicaciones de cogeneración. Su mantenimiento debe realizarse in situ debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

Turbina de cámara de combustión tipo silo: En estos diseños la cámara aparece dispuesta sobre la parte superior de la turbina. 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.

Su diseño no está muy expandido, y se restringe a turbinas de H2 y otros combustibles experimentales.

Turbina de cámara de combustión anular: En este caso la cámara consiste en un cilindro orientado axialmente instalado alrededor del eje. Tiene un único tubo de llama y entre 15 y 20 inyectores. Consiguen una buena refrigeración de los gases de combustión y bajas pérdidas de

carga,

aunque

su

distribución

de

temperaturas

y

mezcla

combustible/comburente es menos uniforme que en cámaras tuboanulares. Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas.

Turbina de cámara de combustión tubo anular: Una serie de tubos distribuidos alrededor del eje de forma uniforme conforman este diseño de cámara de combustión. Cada una posee un único inyector y bujía. Tienen mejor resistencia estructural que las anulares, pero menor rendimiento y mayor peso. Además si una de ellas deja de funcionar y no es detectado, pueden producirse grandes diferencias de temperaturas en la estructura. La pieza de transición, que es la que recoge todos los gases de combustión para dirigirlos a la turbina de expansión, es una parte delicada de la instalación.

Turbina monoeje: El compresor, turbina de expansión y generador giran de forma solidaria con un único eje de rotación. La velocidad de giro es en la inmensa mayoría de los casos de 3000 rpm, forzado por la frecuencia que debe tener el rotor del generador eléctrico al verter a la red general (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.

Turbina multieje: La turbina de expansión se encuentra dividida en 2 secciones, la primera o turbina de alta presión, se encuentra unida al compresor axial al que proporciona la potencia necesaria para su funcionamiento. La segunda sección comparte eje con el generador, aprovechándose la energía transmitida en la generación de electricidad. Esta tecnología es utilizada en aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

Arranque de una turbina de gas. Tipos de arranque: Arranque frío, que es aquel que se produce cuando la turbina ha estado más de 72 horas parada. Arranque templado, entre las 24 y 72 horas. Arranque caliente se produce en menos de 24 horas de que se haya producido la parada. Adicionalmente, existen dos tipos más de arranques: Arranque superfrío. Después de una parada programada, sin virador. El virador es una máquina encargada de hacer girar el rotor a muy bajas revoluciones para que se enfríe de forma homogénea y con ello evitar que se deforme. En el arranque superfrío el metal de la turbina está a temperatura ambiente, y posiblemente el rotor se encuentre ligeramente curvado, por lo que será necesario que la turbina fire en modo virador entre 6 y 24 horas Rearranque inmediatamente después de un disparo, se produce después de un disparo porque algún sensor ha dado un aviso y se ha corregido rápidamente o ha sido una falsa alarma, o se están haciendo prueba. Curiosamente, el número de arranques fallidos (arranques que no llegan a completarse) en rearranques es más elevado que en el resto de los tipos de arranque. La diferencia fundamental está en la temperatura de la carcasa y del rotor en el momento de inicio del arranque. Debido a que la carcasa y el rotor se calientan a diferente ritmo por tener masas diferentes (la carcasa es más pesada que el rotor),

lo que obliga a una subida controlada en carga. el estrés térmico y la dilatación diferencial entre la carcasa y el rotor marcan la velocidad de esa subida de potencia.

Fases de un arranque. 1) Funcionamiento en virador. Para asegurar el reparto de pesos a lo largo del eje de rotación en caso de parada prolongada es necesario que la turbina gire en virador durante unas horas, evitando así deformaciones producidas al enfriarse de forma no homogénea. Si tras la parada ha estado funcionando en virador, está fase ya está realizada. 2) Preparación para el arranque.  Debe haber presión de gas, se debe ir metiendo gas poco a poco.  El sistema de alta tensión debe estar operativo, ya que nos alimentara al generador que en este caso actuara de motor para arrancar la turbina.  El sistema de refrigeración debe estar operativo, para ir evacuando el calor conforme lo vayamos generando y no tener que sacar mucho de golpe.  Niveles de caldera correctos, si tiene sistema de recuperación de gases, se debe revisar el sistema para ver que todo está correcto y no nos de problemas cuando pongamos a plena carga la turbina.  Bomba auxiliar de lubricación en marcha, temperatura correcta, para que todo este bien lubricado y evitar posibles daños.  Ausencia de alarmas de cualquier tipo, ver que no hay ninguna alarma que nos avise de posibles fallos, no vaya a ser que exista un problema no nos demos cuenta y a la hora de poner a plena carga el sistema nos de un fallo y tengamos que parar.

3) Inicio y subida hasta velocidad de barrido de gases.  El motor de arranque, que suele ser el propio generador, hace girar la turbina, empezando nosotros a meter gas y aire.  El variador controla la velocidad del motor de arranque para ir subiendo de forma adecuada intentando evitar lo más rápido posible las zonas peligrosas de vibración.  Sube lentamente la velocidad, hasta una velocidad de giro lento, no superior a 500 rpm. Se busca realizar un barrido de gases que pudiera haber en la turbina, para evitar explosiones. También se pretende que la distribución de pesos a lo largo del eje de rotación sea perfecta y se eviten problemas de vibración al atravesar las velocidades críticas.

4) Aceleración hasta velocidad de sincronismo. Paso por velocidades críticas.   

Se ordena desde el control subir hasta velocidades de sincronismo. Interesa pasar por las velocidades críticas lo más rápido posible. La supervisión de las vibraciones durante la aceleración es fundamental, ya



que nos pueden indicar posibles problemas. El sistema también supervisa la aceleración, para asegurar que se pasa

rápidamente por las velocidades críticas.  A una velocidad determinada, se activa el ignitor, y se enciende la llama



piloto. La llama piloto enciende a su vez las cámaras de combustión o

quemadores (FLAME ON).  A partir de ese momento la fuerza de los gases de combustión empieza a impulsar la turbina.



Poco a poco, la fuerza que ejerce el motor va siendo menor, y la de los

gases mayores.  A una velocidad determinada, el motor de arranque se desconecta. Si es el generador, deja de actuar como motor y se prepara para actuar como generador. Se alcanza la velocidad de sincronismo, empezamos a producir energía eléctrica, en esta fase es donde más disparos se producen. 5) Sincronización y 6) Subida de carga hasta la potencia seleccionada.  El cierre del interruptor de máquina una vez alcanzada la velocidad de sincronismo suele ser muy rápido, unos minutos como mucho.  El sincronizador varía ligeramente la velocidad de la turbina.  La subida de carga debe ser lenta, de acuerdo al tipo de arranque.

Problemas habituales durante los arranques     

Vibraciones al atravesar las velocidades críticas. Fallo de llama (Flame Off), se nos apaga la llama. Aceleración insuficiente. Desplazamiento axial excesivo al subir carga. Temperatura excesiva de cojinetes, esta fallando la lubricación o estamos

hiendo muy rápido.  Vibraciones al subir carga.

Consejos útiles en los arranques de turbinas de gas 1) Si se ha producido un disparo durante un arranque, no hay que arrancar de nuevo hasta no tener claro qué ha provocado el disparo y haberlo solucionado.

2) Las averías no se arreglan solas, de forma mágica. Aunque es cierto que a veces son problemas “irreales” relacionados con la instrumentación, la mayoría de las veces no es así. 3) Las turbinas de gas no son caprichosas: cuando tienen un problema no intentan llamar la atención, tienen un problema de verdad. 4) Puentear sensores, anular detectores o elevar valores de consigna en el control para facilitar un arranque es una mala decisión. Las averías más graves en una turbina siempre están relacionadas con una negligencia de este tipo.

Proceso de arranque de una turbina de vapor. Arranque en frio. 1.- Puesta en marcha de una turbina de contrapresión Como norma general es obvio decir que, siempre que vayamos a poner en servicio una turbina , el sistema que arrastra, bomba, compresor, alternador, etc, deberá estar perfectamente preparado antes de la puesta en marcha de la misma, o su preparación puede realizarse de forma paralela, de forma que cuando la turbina esté en disposición de rodarse, el compresor, la bomba, etc. esté preparado.

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Poner en servicio el agua al refrigerante de aceite.Todas las turbinas llevan un sistema de refrigeración del aceite lubricante. Hay que comprobar la circulación de agua a través del sistema de refrigeración de la turbina si hubiera mirillas para ello. Si no las hubiera, comprobar la circulación de agua abriendo purgas del circuito.

- Comprobar nivel de aceite en el cárter. Es fundamental la comprobación del nivel de aceite antes de la puesta en marcha. Tambien es muy conveniente purgar la posible existencia de agua en el carter procedente de posibles fugas, por la purga inferior del mismo.

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Asegurarse de que el volante de la válvula de entrada de vapor (válvula de regulación y cierre rápido ) está cerrado a tope. Antes de proceder a hacer ninguna maniobra en las líneas de entrada de vapor a la turbina conviene asegurarse de que la válvula o sistema automático que controla la entrada de vapor a la turbina está cerrada manualmente o bloqueada.

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Purgar de condensado las líneas de entrada y salida de vapor de la turbina (líneas externas). a. Línea de entrada por la purga anterior al bloqueo general de entrada de la turbina. b. Línea de salida por la purga posterior al bloqueo general de salida.

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Purgar condensado de líneas de entrada, salida y cuerpo de la turbina (líneas internas). a. Purga posterior al bloqueo general de entrada de vapor a la turbina. b. Purga de salida anterior al bloqueo general de escape. c. Purga del cuerpo de la turbina.

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Poner en servicio la bomba auxiliar de aceite. Si el sistema de regulación de la velocidad de la turbina es hidráulico, la turbina dispone de bomba incorporada de aceite para suministrar la presión correspondiente. También llevará una bomba auxiliar para que en el caso de que falle la principal, no se pare la turbina. En esta fase de la puesta en marcha será necesario poner en servicio la bomba auxiliar para empezar a rodar la turbina.

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Cuando salga vapor vivo por las purgas (vapor sin gotas de agua, vapor que no moja ) cerrar las válvulas de purga de condensado. En un primer momento, no conviene cerrar del todo las válvulas de purga, sino dejarlas ligeramente despegadas hasta que la turbina esté a su régimen de funcionamiento normal.

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Abrir válvula de vapor de entrada a la turbina y empezar a rodarla siguiendo la curva recomendada de subida de revoluciones.

2- Puesta en marcha de una turbina de condensación y extracción 2.1- puesta en servicio del sistema de aceite. La primera operación que hay que acometer en la puesta en marcha de una turbina es poner en servicio el sistema de aceite y todos los elementos que lo componen. -

Poner en servicio el agua de refrigeración a los refrigerantes de aceite. Hay que asegurarse de que el agua de refrigeración circula perfectamente ya sea por rotámetros, mirillas o abriendo purgas en las líneas de entrada y salida.

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Comprobar que el nivel y la temperatura en el tanque de aceite sea el correcto. Es posible que después de poner en servicio la bomba de aceite el nivel de aceite en el tanque puede bajar al rellenar líneas y equipos; si esto es así reponerlo.

a. Si el tanque dispone de un sistema para el control de temperatura del aceite, ya sea por medio de un serpentín de vapor de agua o una termoresistencia, ajustar la temperatura del aceite previamente, por si estuviera demasiado frío. Es posible incluso que si la temperatura del aceite es demasiado fría haya un enclavamiento que impida arrancar la turbina.

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Poner en servicio la bomba principal de aceite. A continuación pondremos la bomba principal de aceite, asegurándonos antes de que: a. La válvula de aspiración y la de impulsión que recicla el aceite al tanque están abiertas. b.

Como estas bombas de aceite son normalmente bombas de husillos helicoidales, conviene asegurarse también de que no hay otro tipo de obstrucciones en la línea de impulsión de la bomba antes de su puesta en marcha, pues debido a las características de estas bombas la presión podría alcanzar valores muy altos y romper líneas o equipos.

c. Si existe un sistema de control automático de la presión de impulsión de la bomba, ponerlo en servicio y cerrar la válvula manual de reciclo al tanque.

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Poner en servicio la bomba auxiliar de aceite. Normalmente las turbinas de gran potencia llevan bomba de reserva para que actúe a fallo de la principal. Dejarla en automático para que entre a fallo de la bomba principal, probándola previamente siguiendo las instrucciones anteriormente mencionadas.

- Poner a continuación en servicio cada uno de los diferentes sistemas de aceite de la turbina.

a. Sistema de aceite de lubricación. b. Sistema de aceite de mando o regulación. c. Otros sistemas de aceite que pudiera haber, como ocurre en este caso con el sistema de aceite de sello que sirve para evitar la fuga de gases en los lados del eje del cuerpo del compresor.

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Comprobar que hay flujo de aceite a través de las mirillas del sistema de aceite. Una vez que la bomba de aceite está en servicio es necesario comprobar que el aceite fluye libremente a cojinetes y otras partes de la máquina, inspeccionando visualmente.

2.2 Preparación de la turbina Preparación del condensador. Abrir válvulas de entrada y salida de agua al condensador, abriendo venteos si fuera necesario para purgar el posible aire que pudiera quedar acumulado en puntos altos. -

Puesta en marcha de la bomba de condensado. Hacer nivel de condensado en el depósito inferior del condensador y poner la bomba de condensado en servicio reciclando al depósito.

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Probar la bomba de reserva de condensado y dejarla en automático. Se probará tambien el funcionamiento correcto de la bomba de reserva. Normalmente estas bombas entran en automático por alto nivel del depósito de condensado, o por algún otro fallo en la bomba principal.

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Puesta en servicio del eyector de puesta en marcha. En esta fase de la puesta en marcha, es posible que no se alcance el valor de vacío correcto en el condensador, mientras que el sistema de vapor a los cierres no esté en servicio.

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Maniobras y operación con el vapor de 100 de entrada a la turbina.

La turbina que aquí se menciona, está alimentada con vapor de 100 Kg/cm2 y 450 ºC. Las maniobras a que se hace referencia aquí,están relacionadas con las purgas y venteos del colector de entrada a la turbina,así como otras purgas del cuerpo de la turbina que hay que mantener abiertas durante la puesta en marcha.

a.

Abrir válvulas de purga del colector de vapor de 100 de entrada a la turbina.

b. Abrir venteos de vapor de 100 de entrada a la turbina. c. Abrir purgas de los laberintos y otras partes de la carcasa de la turbina, (purgas de agua). d. Abrir completamente el segundo bloqueo de entrada de vapor, que es la válvula más proxima a la turbina. e. Abrir likgeramente el by-pass del primer bloqueo de vapor de entrada a la turbina y calentar la línea.

f.

Reducir purgas y venteos a medida que la línea se vaya calentando para ir subiendo gradualmente la presión del colector de entrada a la turbina.

g. Continuar purgando lentamente hasta que la temperatura de vapor de entrada a la turbina sea la correcta para la puesta en marcha inicial. En este caso son 350 ºC, la temperatura que nos asegura que no existe riesgo de tener condensado. -

Maniobras y operación en el colector de extracción.

a. En el colector de extracción se dejará despegada ligeramente la válvula de purga situada entre la válvula hidráulica de cierre rápido y el bloqueo. b.

-

Igualmente tambien se despegará ligeramente la válvula de purga situada después del bloqueo en el colector de salida de vapor de extracción.

Abrir vapor a los cierres.

Poner a continuación en servicio el sistema de vapor a los cierres para dejar de esta forma el vacío en la turbina controlado. Para ello: a. Abrir una o dos vueltas la válvula grande. b. Abrir muy lentamente la válvula pequeña hasta que se vea salir vapor por las chimeneas de venteo situadas a ambos lados del cuerpo de la turbina en el cierre del lado de alta y en el de baja presión. c. Durante la fase de puesta en marcha habrá que observar varias veces los respiraderos de vapor de los cierres pues habrá que ajustarlos varias veces.

NOTA: Es muy importante este sistema, debido a que en el caso de que no salga vapor por el venteo podemos perder el vacío y puede pararse la turbina.

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Rearmar la válvula de disparo por alta presión (falta de vacío) en el condensador. Cuando el vapor a los cierres esté ajustado el vacío alcanzará el valor correcto y podremos rearmar el dispositivo de disparo por falta de vacío con la palanca para llevar el dispositivo a su posición normal. Si el vacío es correcto el disparo queda reenganchado, sino vuelve a caer.

2.3- Puesta de la turbina y subida de revoluciones Antes de iniciar el proceso de puesta en marcha propiamente dicho de la turbina hay que asegurarse previamente de que se cumplen una serie de condiciones como son: 1. Hay que comprobar que el dispositivo de puesta en marcha inicial de la turbina, está girado a derechas a tope. De esta forma nos aseguramos que en cualquier condición de la turbina esta no llegará a rodar. 2. Hay que comprobar que el volante del limitador del caudal de extracción está girado a derechas y a tope. De esta forma nos aseguramos de que en la puesta en marcha de la turbina no sacaremos caudal de extracción por la línea de extracción ya que las válvulas que dan paso al vapor desde el cuerpo de alta al de baja presión estarán abiertas a tope. 3.

En las anteriores condiciones rearmar el disparo manual de la turbina (disparo de cierre rápido de bola), que debe quedarse cuando se tire de él hacia arriba, en la posición superior. Si no se quedara rearmado mirar si hay producido algún corte de la turbina que afecte a la válvula electromagnética y que nos impide rearmar el disparo manual.

4. A partir de este momento no debe haber producido ningún disparo que impida empezar a rodar la turbina.

Bibliografía: Libros: Termodinámica, Yunes Cengel y Michael Boles, Editorial Mac Graw Hill, 7ª edición. Especial

de

turbinas

de

gas,

Editorial

Renovetec,

(http://www.energiza.org/anteriores/energizaseptiembre2011.pdf)

energiza.org

Internet: http://opexenergy.com/ciclos/principios_de_Gas_CTCC.html#3._ESTUDIO_CONSTRUCTIV O_DE_LOS_ELEMENTOS