Todo Sobre Turbinas de Gas

 

TURBINAS DE GAS Las turbinas de gas (figura 1)  son turbomáquinas que, de un modo general, pertenecen al grupo de máquinas térmicas generadoras y cuya franja de operación va desde pequeñas potencias (30 KW para las microturbinas) hasta 500 MW para los últimos desarrollos. De esta forma, compiten tanto con los motores alternativos (ciclos termodinámicos OTTO y DIESEL) como con las instalaciones de vapor de pequeña y media potencia.

Figura 1: TURBINA DE GAS INDUSTRIAL

HISTORIA DE LA PRIMERA TURBINA DE GAS La primera patente para una turbina fue otorgada en 1791 a un inglés un inglés llamado John Barber (Figura 2). Incorporaba mucho de los elementos de una turbina de gas moderna, pero usaban un compresor alternativo. Hay muchos otros ejemplos de turbina por varios inventores, pero no son consideradas verdaderas turbinas de gas porque utilizaban vapor en cierto punto del proceso. del proceso.  

Figura 2: John Barber, ingeniero e inventor de la primera turbina de gas

 

La turbina de Barber (Figura 3) consistía en quemar el gas obtenido de madera, carbón, petróleo u otras sustancias, calentados en una retorta o productor, donde los gases se transportaban a un receptor y se enfriaban. El aire y el gas se comprimían en diferentes cilindros y se bombeaban a un "explotador" (cámara de combustión) donde se encendían, y la mezcla de gas caliente chocaba contra las aspas de una rueda de paletas. Se le inyectaba agua a la mezcla explosiva para enfriar la boca de la cámara, produciendo vapor para aumentar el volumen de la carga.

Figura 3: Esquema de la turbina de Gas de Jhon Barber El concepto de Barber era er a sólido, pero dada la tecnología d de e ese día, no era posible que el dispositivo creara suficiente energía como para comprimir el aire y el gas, y producir un trabajo útil. Sin embargo, el mérito por la idea que conduce a la turbina de gas moderna se le puede dar a John Barber. En años más recientes en 1995, la empresa Industrial manufacturera con sede en Munich (Alemania), Siemens, se logro convertir en la primera manufacturera en grandes turbinas de gas que producen electricidad, incorporando la tecnología de monocristales y álabes de turbinas (cada una de las paletas curvas que forma la turbomaquina) en un modelo único de producción, lo que permite alcanzar temperaturas de funcionamiento más altas y una mayor eficiencia. 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.

 

TURBINAS DE GAS VS TURBINAS DE VAPOR Comparadas con las turbinas de vapor ( Figura 4), las turbinas de gas apenas tienen necesidades de refrigeración, lo que facilita enormemente su instalación. Además, su baja inercia térmica les permite alcanzar su plena carga en tiempos muy bajos, lo que las hace ideales para determinadas aplicaciones en las que se requiere variaciones de carga rápidas (regulación de red o abastecimiento de picos de demanda).

Figura 4: la turbina de vapor se observa que tiene más complejidad operacional debido a que necesita de una caldera para su funcionamiento en relación con la de gas (figura1) la cual solo necesita la inyección de combustible Esta simplicidad comparada con turbinas de vapor y con co n motores alternativos otorga a las turbinas de gas dos ventajas adicionales

VENTAJAS DE LA TURBINA DE GAS 1. Sus principales ventajas son ssu u pequeño peso y volumen en relación a su potencia y la flexibilidad de su operación. Esto hace hac e que sean máquinas cuyo uso para determinadas aplicaciones, especialmente las referidas a la generación de electricidad y a la propulsión de buques y aviones, esté en claro aumento. 2. Al ser máquinas rotativas presentan una clara ventaja frente a los motores alternativos, por la ausencia de movimientos alternativos y de rozamientos entre superficies sólidas (como las que se dan entre pistón y camisa), lo que se traduce en menores problemas de equilibrado y menores consumos de aceite quecombustión. además no están en contacto con superficies supe rficies calientes ni con lubricante, productos de

 

  3. un mantenimiento sencillo comparado con otras máquinas térmicas y una elevada fiabilidad. 4. la reducción de las necesidades de lubricación y refrigeración, la continuida continuidad d del proceso de combustión y la ausencia de movimientos alternativos hace que la probabilidad de fallo disminuya. 5. Una instalación de generación eléctrica basada en una turbina de gas puede alcanzar con facilidad valores de disponibilidad superiores al 95% y valores de fiabilidad cercanos al 99% si la instalación está bien diseñada, bien construida, bien operada y con un adecuado nivel de mantenimiento.

DESVENTAJAS DE LAS TURBINAS DE GAS No obstante, también tienen algunos inconvenientes importantes, entre los que hay que destacar dos: la alta velocidad de rotación y su bajo rendimiento (30-35%) comparado con los motores diesel desarrollos ya alcanzan el 50% de rendimiento) o conalternativos las turbinas de (algunos vapor (valores del 40% son muy normales).

ESTRUCTURA BÁSICA DE LA TURBINA DE GAS Normalmente se entiende por turbina de gas el conjunto formado por los siguientes elementos (Figura 5): Compresor, responsable de la elevación de presión del fluido de trabajo Sistema de aporte de calor al fluido Elemento expansor, o turbina propiamente dicha.

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, como se verá más adelante. 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 conten ida 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 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 aprovech ada 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 rendimiento de la turbina de gas es de 30-35%).

 

  Figura 5: Partes que componen una turbina de gas básica de multieje Sus aplicaciones son muy variadas, siendo su campo de aplicación el más amplio entre los motores térmicos. Inicialmente se utilizaron para la realización de trabajo mecánico. Posteriormente se trasladaron al campo de la aeronáutica como elemento propulsor, sobre todo a partir de la segunda guerra mundial. Más tarde se utilizaron como elemento motor para la generación energía eléctrica, para la que se han desarrollado modelos específicosdeque han tratado de aplicación adaptarse a las exigencias de ese mercado. La posibilidad de aprovechar el calor de los gases de escape para producir vapor aprovechable en la industria como energía térmica o para producir más energía eléctrica (en los denominados ciclos combinados gasvapor) han provocado una auténtica revolución en el mercado de la generación eléctrica, donde la turbina de vapor ha sido la reina indiscutible durante muchos años.

 

TIPO DE TURBINAS DE GAS Turbinas de gas Aeroderivadas: Provienen del diseño de turbinas de 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 oper aciones de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven a cabo revisiones completas en menores intervalos de tiempo.

Figura 6: revisión de turbina Aeroderivada

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 si-tu debido a su gran tamaño y peso, buscándose alargar lo más posible en el tiempo las revisiones completas del equipo.

 

  Figura 7: las turbinas industriales son de gran tamaño 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 perdidas de carga, aunque su distribución de temperaturas y mezcla combustible/comburente es menos uniforme que en cámaras tubo anulares. Este diseño se utiliza por los fabricantes Alstom y Siemens, y en general en turbinas aeroderivadas.

Figura 8: turbina de gas de combustión anular

 

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, es la que todos los gases deinstalación. combustiónEsta paratecnología dirigirlos a es la turbina de que expansión, es recoge una parte delicada de la utilizada en sus diseños por Mitshubishi y General Electric.

Figura 9: partes de la turbina de cámara de tubo anular

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 gene ral (50 Hz). Es el diseño usual en las grandes turbinas comerciales de generación eléctrica.

Figura 10: la turbina de gas de monoeje, es el diseño usual y básico de las grandes turbinas que son comercializadas para generación electrica

 

 

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 transmitida en la generación gener ación de electricidad. Esta tecnología es utilizada laenenergía aeroderivadas y turbinas de pequeña potencia, y ofrece un mejor comportamiento frente a variaciones de carga.

Figura 11: partes de la turbina de doble eje PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LA TURBINA DE GAS Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de combustión interna, donde a partir de la energía aportada por un combustible se produce energía mecánica y se genera una importante cantidad de calor en forma de gases calientes y con un alto porcentaje de oxígeno.

Figura 12: Flujos en una turbina de gas. 

 

El ciclo térmico que representa esta máquina es el ciclo Brayton. La máquina sigue un ciclo abierto, puesto que se renueva continuamente el fluido que pasa a través de ella. El aire es aspirado de la atmósfera y comprimido para después pasar a la cámara de combustión, donde se mezcla con el combustible y se produce la ignición. Los gases calientes, producto de la combustión, fluyen a través de la turbina. Allí se expansionan y mueven el eje, que acciona el compresor de la turbina y el alternador.

RENDIMIENTO DE LAS TURBINAS DE GAS Una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expandirse a través de la turbina tur bina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido produ cido se usa comprimiendo el aire. El otro 1/3 está disponible para generar electricidad, impulsar un dispositivo mecánico, etc. Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones. Ejemplos de turbinas que usan este ciclo son: la Solar Centaur de 3500 hp hasta la General Electric Frame 5 de 35000 hp.

Figura 13: esquema de turbina de gas con regenerador o recalentador

 

Las turbinas de gas con altas presiones de trabajo pueden utilizar un interenfriador para enfriar el aire ente las etapas de compresión, permitiendo quemar más combustible y generar más potencia. El factor limitante para la cantidad de combustible utilizado es la temperatura de los gases calientes creados por la combustión, debido a que existen restricciones a las temperaturas que pueden soportar los alabes de la turbina y otras partes de la misma. Con los avances en la Ingeniería materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina tur bina de este tipo esdelalos General Electric LM1600 versión marina. Existen también turbinas de gas con varias etapas de combustión y expansión y otras con interenfriador y regenerador en el mismo ciclo.

Figura 14: Esquema de Turbina de Gas con Interenfriador o Intercooling

TURBINA DE GAS SIMPLE El ciclo de Brayton de aire normal, es el ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple, que utiliza un proceso de combustión interna se puede observar en la gráfica siguiente. Cabe anotar que también existe un ciclo cerrado teórico de una turbina de gas simple. En esta gráfica podemos observar el compresor, la cámara de combustión, la turbina, el aire y combustible en el ciclo abierto Brayton.

 

MANTENIMIENTO MANTENIMIEN TO DE LAS TURBINAS DE GAS Existen 3 tipos de mantenimiento que se les puede pu ede brindar a las turbinas de Gas, esta puede ser una simple Inspección, un servicio rutinario y un servicio mayor.

Mantenimiento rutinario Las actividades principales (temperaturas son las siguientes: Vigilancia de parámetros en las cámaras de combustión, presión y temperatura del compresor de la turbina, niveles de vibración en cojinetes, presión y temperatura del aceite de lubricación, caudal y temperatura del aire de refrigeración, caída de presión en los filtros de aire de admisión y temperatura en el escape, como parámetros más importantes) Comprobación y seguimiento de alarmas y avisos  Análisis del aceit aceite e de lubricación. Filtrado y/o sustitución cuando corresponde Sustitución de prefiltros y filtros del aire de admisión al compresor de la turbina, cuando la caída de presión alcanza un valor determinado Limpieza del compresor, tanto con el compresor en marcha como con el compresor parado (también llamadas limpiezas on-line y off-line). Calibración de la instrumentación (presiones, temperaturas y caudales, fundamentalmente) Comprobaciones del sistema contraincendios

Inspecciones Inspecciones boroscópicas para comprobar el estado de las partes internas de la turbina. Suele comprobarse el estado de las cámaras de combustión y quemadores, y las distintas filas de álabes de la turbina. Estas son las partes sometidas a condiciones más extremas de funcionamiento, pues las temperaturas son muy elevadas, en el límite de la resistencia de los materiales. En las cámaras de combustión, las inspecciones borocópicas (o boroscopias) tratan de buscar deformaciones y daños en los quemadores y en las paredes de la cámara. En los álabes, buscan deformaciones, decoloraciones en la superficie del álabe, impactos de objetos extraños contra la superficie de cada álabe, estado de la capa de recubrimiento cerámico y rozamientos entre partes en movimiento y partes estáticas, fundamentalmente.  Alineamiento de la turbina, si es necesario

 

Grandes revisiones Las grandes revisiones suponen la apertura de la turbina y la sustitución de piezas de desgaste. Entre los trabajos que se realizan en estas grandes revisiones están los siguientes: Sustitución de álabes. Suele ser la parte principal del trabajo, y lo realiza personal especializado. Se sustituyen álabes fijos se como los móviles demuy la turbina (no del compresor). Lostanto álabeslosque se retiran envían al fabricante para su reacondicionamiento, lo que abarata el coste de la revisión sin afectar considerablemente el resultado de ésta. Sustitución completa de la cámara de combustión. Se cambian tanto los quemadores como las paredes de la propia cámara. Limpieza manual de los álabes del compresor. Revisión completa de toda la instrumentación, incluidos sensores, transmisores y cableado. Revisión y reacondicionamiento en su caso de los cojinetes de apoyo Revisión completa de todo el sistema de lubricación, con cambio o filtrado de aceite, revisión de bombas, cambio de filtros, limpieza del depósito Equilibrado del conjunto rotor  Alineamiento de la turbina