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Estudio Teórico y Práctico del Fenómeno de Fouling en Turbocompresores Axiales

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Capítulo 1

Introducción. El fenómeno de fouling

1.1 Motivación y objetivos

El objetivo del presente documento es el análisis de los mecanismos de

ensuciamiento de los turbocompresores que forman parte de las turbinas de gas. Este

fenómeno, inevitable en cualquier aplicación de estos motores térmicos, repercute

negativamente sobre las prestaciones del mismo reduciendo su rendimiento y

potencia efectiva, tanto por disminución del rendimiento interno de la turbomáquina

como por disminución del gasto másico circulante.

Cuando la situación anterior aparece en turbinas de gas de tipo “aeroderivado”

debe contemplarse un nuevo efecto negativo sobre el motor. En concreto, dada la

capacidad de estas unidades para elevar su temperatura de entrada a la turbina, TIT,

respecto del valor nominal (en aplicaciones de propulsión el objetivo de este

sobrecalentamiento es incrementar el empuje), es frecuente que el personal que

opera la unidad incurra inconscientemente en este modo de operación a fin de

contrarrestar la pérdida de potencia experimentada por el motor como consecuencia

del aumento de temperatura estival y el ensuciamiento interno del motor. Tal acción

no anula la pérdida de rendimiento y, sin embargo, acelera el deterioro del motor por

efecto del aumento de la temperatura de operación. Esta situación es completamente

indeseada.

El objetivo es estudiar las diferentes teorías existentes que permiten estimar el

grado y velocidad del fouling de una turbina de gas en función de las características del

entorno de operación y del propio motor. Esta revisión es fundamental a la vista de la

falta de un consenso en la comunidad científica e industrial ya que, si fuera posible

estimar la sensibilidad de un determinado motor al fouling, sería posible seleccionar el

equipo óptimo en el proceso de compra, actuando de manera anticipada sobre los

costes de operación y mantenimiento.


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1.2 Estructura del proyecto

De acuerdo con la naturaleza de este proyecto existen dos partes claramente

diferenciadas en el mismo. En la primera parte (Capítulo 1, 2, 3, 4 y 5) se presenta un

estudio teórico del fenómeno de fouling. En la segunda parte (Capítulo 5, 6 y 7) se

desarrolla un estudio práctico, modelándose el fenómeno de fouling sobre el

turbocompresor de la General Electric LM2500-30.

En el Capítulo 1 se describen los objetivos de este proyecto y se trata de ofrecer

una visión global de la degradación en el funcionamiento de turbinas de gas y en qué

medida contribuye a ello el fouling del compresor.

El Capítulo 2 recoge una explicación detallada del fouling, centrada ya en el

turbocompresor axial. Se describen las causas que lo producen, así como los efectos

que origina sobre el motor y la forma de detectarlo.

Una definición más técnica del fouling se desarrolla en el Capítulo 3, en el que se

introducen los parámetros e índices que permiten estimar el deterioro ocasionado o

dar una medida del grado de ensuciamiento del motor.

En el Capítulo 4 se presenta una breve descripción acerca de las técnicas de

limpieza del turbocompresor para eliminar el fouling.

Finalmente, en el Capítulo 5 se resumen las conclusiones más relevantes a

considerar en el tratamiento teórico de este fenómeno de ensuciamiento.

En relación a la parte práctica del proyecto, en el Capítulo 6 se presenta el

desarrollo del método empleado para poder modelar el funcionamiento del

turbocompresor axial, a fin de poder simular posteriormente el fenómeno de fouling.

En el Capítulo 7 se plantean diferentes escenarios de ensuciamiento, a fin de

obtener las modificaciones que sufre el funcionamiento del compresor en presencia de

fouling y poder contrastar los resultados obtenidos con lo desarrollado anteriormente

en la primera parte del proyecto.

Por último, el Capítulo 8 recoge los resultados más relevantes derivados de las

distintas situaciones de ensuciamiento simuladas.


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1.3 Breve descripción de las Turbinas de Gas

En las últimas décadas, la turbina de gas ha sido uno de los dispositivos más

utilizados para producir energía eléctrica ya que es capaz de desarrollar potencias

elevadas para una relación de tamaño/peso muy alta. En sus inicios, el principal

obstáculo para competir con otros motores térmicos fue el bajo rendimiento. En la

actualidad este aspecto ha evolucionado notablemente debido a mejoras tales como

la investigación de nuevos materiales y técnicas de refrigeración que permiten el

aumento de la temperatura de entrada del gas en la turbina (y del vapor vivo en la

turbina de vapor si se tratara de una planta de ciclo combinado de gas y vapor),

mejorando así el rendimiento de la planta.

La turbina de gas es un motor térmico cuya función es obtener trabajo mecánico

a partir de la energía térmica liberada en un proceso de combustión. Los tres

componentes principales son compresor, cámara de combustión y turbina, conectados

entre sí según los diagrama de las Figuras 1.1 y 1.2.

Figura 1.0.1 – Configuración Turbina de Gas


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Figura 1.2 – Representación esquemática Turbina de Gas

El aire aspirado a la presión atmosférica es comprimido por el compresor,

elevando su temperatura igualmente, siendo conducido posteriormente a la cámara

de combustión mediante conductos de transición. En este dispositivo se inyecta el

combustible, el cual se quema de forma continuada con el oxígeno presente en el aire

proveniente del compresor. Los gases de combustión calientes resultado de esta

combustión se hacen circular a través de una o varias etapas de turbinas,

expandiéndose y desarrollando trabajo útil en un eje que permitirá accionar el

compresor y los equipos externos. Finalmente los gases son expulsados a la atmósfera

o a otro proceso a través del escape. Este ciclo se conoce como ciclo Brayton y su

esquema se puede observar en la Figura 1.3.

Figura 1.3 – Diagrama h-S Ciclo Brayton

Las aplicaciones de la turbina de gas son muy variadas, y van desde su uso en

procesos industriales en los que el eje se conecta a algún equipo mecánico, como por

ejemplo un alternador o un turbocompresor de gas natural en un gasoducto, hasta


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aplicaciones de propulsión en la que los gases de escape se usan como empuje del

propio avión. Asimismo, estas turbinas se encuentran instaladas por todo el mundo en

entornos muy diversos y sometidas en muchas ocasiones a condiciones desfavorables,

por lo que son necesarias tecnologías que permitan asegurar y mantener su

funcionamiento.

1.4 Degradación en el funcionamiento de las turbinas de gas

industriales

El funcionamiento de una turbina de gas (Figura 1.4) es resultado de la actuación

conjunta de diversos componentes los cuales son susceptibles de deterioro por uso a

lo largo de su vida útil. Una de las principales causas de este deterioro es la gran

cantidad de aire que ingieren estas turbinas, siendo éstas muy sensibles a la calidad del

mismo, pues la atmósfera y el entorno industrial en el que se encuentran instaladas

hace que el aire de combustión contenga partículas y contaminantes que suponen un

riesgo para los componentes del sistema. Las partículas contaminantes que ensucian el

compresor y demás componentes del motor pueden entrar de manera adicional con el

aire de refrigeración, el combustible, los aditivos del combustible o con el agua o vapor

usados para el control de las emisiones de NOx.

Las partículas de suciedad se acumulan y adhieren a los álabes y superficies

libres que encuentra el aire en su recorrido, modificándose así la geometría de los

álabes y aumentando la rugosidad de las paredes, lo cual origina efectos no deseados

en el funcionamiento del motor. Incluso bajo condiciones normales de

funcionamiento, con un adecuado sistema de filtrado, y usando un combustible limpio,

los conductos del motor sufrirán ensuciamiento, erosión o corrosión, dando lugar al

deterioro del funcionamiento del mismo, el cual empeorará al aumentar el tiempo de

operación.

El efecto del desgaste de los componentes sobre el funcionamiento del motor es

aun en la actualidad un motivo de discusión ya que la turbina de gas se comporta

como un sistema y no como un conjunto de componentes aislados, lo que dificulta la

obtención de un criterio unívoco que determine en qué grado se verá mermado el

funcionamiento del motor. Existen diversos fenómenos que pueden ocasionar

disminución en la eficiencia del motor; ensuciamiento en general, corrosión y erosión

de las superficies, daños internos debido a la ingestión de objetos, aumento de las

holguras y tolerancias entre los distintos componentes, son algunos de los cambios

que tienen lugar durante la operación de la turbina. Algunos de estos cambios sólo

podrán corregirse reemplazando el componente en cuestión, en otros casos el lavado


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del compresor o la parada y puesta a punto del motor serán medidas eficaces para

contrarrestar las pérdidas.

Figura 1.4 - Sección transversal de una Turbina de Gas

En consecuencia es frecuente distinguir entre tres tipos de deterioro o pérdidas

ocasionadas en la turbina:

- Pérdidas recuperables, las cuales pueden ser eliminadas mediante el lavado

del compresor.

- Pérdidas no recuperables, las cuales no pueden ser eliminadas mediante un

simple lavado y requieren la parada y puesta a punto del motor,

reemplazando las piezas afectadas que sea necesario.

- Pérdidas permanentes, las cuales se deben al propio envejecimiento de la

máquina, no siendo posible devolver el motor a su estado inicial (motor como

en estado nuevo).

En la mayoría de los casos, el principal y más común mecanismo de deterioro en

el funcionamiento de la turbina de gas es el fouling o ensuciamiento del compresor.

Sin embargo, el ensuciamiento también puede afectar a la turbina. Si el combustible

utilizado no es un combustible limpio, y contiene residuos o aditivos, el fouling en la

turbina puede ser predominante e incluso más crítico, pues no se podría proceder al

lavado de la turbina, al contrario que con el compresor.

El fouling del compresor se debe a la ingestión de partículas en suspensión que

se encuentran mezcladas con el aire ambiente. Éstas se adhieren a la superficie de los

álabes y al tambor y carcasa, afectando al comportamiento del compresor. En

concreto, hasta 2/3 de la potencial total generada por la turbina es consumida por el

compresor, sus pérdidas son el doble que las que puedan ocasionarse en otras partes


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del motor, pudiendo llegar a ser responsable del 70-85% del total de pérdidas

acumuladas durante el funcionamiento. Perdidas de potencia de salida entre el 2%

(bajo condiciones favorables) y el 15-20% (bajo condiciones adversas) se han

experimentado en estudios de plantas en operación (Minco, Meher-Homji, 2009).

Cabe señalar que la determinación anticipada del grado exacto de deterioro en el

funcionamiento de la turbina no es una cuestión trivial. Es asimismo complicado

detectar estos problemas cuando el motor está en operación. Por esta razón, en las

últimas décadas, el desarrollo de tecnologías para monitorizar el comportamiento del

motor permite a los operadores del mismo prever los problemas antes que el daño sea

irreversible. De esta forma está comprobado que se reducen los costes de

mantenimiento y las paradas no previstas.

La disminución de la potencia a la salida del motor y el aumento del consumo de

combustible ponen de manifiesto la degradación del funcionamiento de la turbina, y el

concepto de fouling se asocia generalmente a la variación en la potencia obtenida en

el motor respecto de la esperada. Sin embargo estos factores no son suficientemente

representativos de la fuente del problema, y el mecanismo debe ser analizado en

referencia a los problemas físicos reales que ocasiona, como son el cambio en la

aerodinámica y rugosidad de los álabes y demás superficies, así como en las

propiedades mecánicas. En cualquiera caso, el comportamiento del motor debe ser

restaurado al estado de referencia o diseño. Debido a los hechos mencionados es

necesario disponer de sistemas auxiliares que permitan eliminar o prevenir los

problemas originados a raíz del ensuciamiento. Además de los conocidos sistemas de

filtrado, siempre presentes en este tipo de maquinaria, se trata de solventar el

problema mediante el lavado del motor.

La Figura 1.5 muestra el cambio en el rendimiento del compresor y en la tasa de

calor a lo largo del tiempo debido al fouling en una turbina de 40 MW. Como dato

representativo, una turbina de gas promedio (46,5 MW) con un ensuciamiento normal

en la que sólo se reduce un 3% la producción de energía y se incrementa en un 1% el

consumo específico de calor, puede sufrir una pérdida de rendimiento que suponga

más de 500.000 $ cada año (Minco).


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Figura 1.5 – Efecto del fouling en una Turbina de Gas

1.4.1 Factores que afectan al deterioro en turbinas de gas

Algunos de los factores más importantes que afectan al funcionamiento de las

turbinas de gas industriales se describen a continuación (Kurz, 2007; Diakunchak, 1992;

Vigueras, 2007)

Contaminantes

Las partículas transportadas junto con el aire de aspiración o introducidas a

través del combustible son el punto de partida en el deterioro del motor. Del tipo de

partícula (polvo, arena, cenizas, sal, aceites, productos químicos, fertilizantes, etc.) y

de su tamaño, dependerá el fenómeno que cause el mal funcionamiento de la

máquina. Los mecanismos de deterioro presentes se pueden agrupar en las siguientes

categorías:

- Fouling: originado por la deposición de partículas con diámetro <5-10 μm

sobre las superficies aerodinámicas del compresor.

- Corrosión en caliente y corrosión: causadas por la reacción química entre las

partículas contaminantes y el material de los componentes.

- Oxidación a alta temperatura: causada por la reacción química entre el

oxígeno y los componentes metálicos.

- Erosión: originada por el impacto de contaminantes abrasivos (diámetro >10-

20 μm) sobre las superficies.

- Daño por objetos extraños (FOD): causado por la ingesta de objetos de mayor

tamaño que impactan en los componentes.

- Abrasión, fricción y desgaste: originados por el contacto entre dos superficies

en movimiento, generalmente una en rotación y la otra estática.


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La literatura revisada pone de manifiesto que no existe una información

exhaustiva sobre todos los mecanismos de deterioro en las turbinas de gas, pues los

altos costes y dificultad que implican los test experimentales limitan el número de

investigaciones sobre este tema.

Tipo de filtro

La función de los filtros es eliminar las partículas de suciedad a la entrada del

compresor para así prevenir los fenómenos de fouling, erosión, corrosión, etc. Los

principales tipos de filtros son los siguientes (Diakunchak, 1992):

- Filtro de inercia: es el filtro más simple y barato. Su funcionamiento se basa en

retirar las partículas a la entrada mediante centrifugado. Este filtro es efectivo

para la eliminación de partículas cuyo tamaño está por encima de los 20 μm

de diámetro, por lo que resulta de utilidad para evitar la erosión. Sin embargo

no es demasiado efectivo para acabar con las partículas por debajo de los 20

μm de diámetro y por ellos no es útil para prevenir el fouling.

- Filtro de auto-limpieza mediante pulso: este sistema utiliza filtros de cartucho

de alta eficiencia que son secuencialmente limpiados durante el normal

funcionamiento de la turbina mediante pulsos de aire a presión a

contracorriente. A medida que las partículas de suciedad se van acumulando

en la superficie de los cartuchos, la caída de presión a través de ellos va

aumentando hasta que alcanza un límite preestablecido. En ese instante la

secuencia de pulsos automática de limpieza se activa. Los chorros de aire

comprimido crean vibraciones en los cartuchos y sacuden la suciedad. Este

sistema de filtrado es apropiado para ambientes con elevada humedad o

donde la formación de hielo es probable. Su efectividad suele ser bastante

elevada.

- Filtros de alta eficiencia (HEPA): este filtro incorpora almohadillas de fibra de

vidrio que deben ser reemplazadas cuando la caída de presión se hace

excesiva. Es necesario detener el motor para cambiar la almohadilla. Este tipo

de filtro tiene la eficacia más alta.

La elección del sistema de filtrado adecuado dependerá de las características del

emplazamiento, y en general, será una combinación de los tipos mencionados.

Recubrimientos

Las razones principales para emplear recubrimientos en los perfiles

aerodinámicos son mejorar el funcionamiento y proteger frente a la corrosión e

incluso erosión. La rugosidad de los álabes favorece la retención de partículas y el


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consecuente deterioro en el funcionamiento. Con los álabes recubiertos (Figura 1.6), el

ensuciamiento de los mismos se ve reducido, son más fáciles de limpiar y el intervalo

entre lavados se ve incrementado. De acuerdo con datos de la literatura, tras un largo

periodo de funcionamiento, el comportamiento de un compresor con álabes de este

tipo es entre un 1% y un 3% mejor que el de un compresor con álabes sin

recubrimiento. Sin embargo, en turbinas de gas relativamente pequeñas, un

revestimiento de 0,1 mm de grosor sobre el álabe puede originar en el compresor una

reducción del gasto másico de hasta el 10% y el 5% en el rendimiento (Meher-Homji,

2009).

Figura 1.6 – Recubrimiento de protección frente a corrosión a alta temperatura para

álabes de compresor de alta presión (www.mtu.de)

Operación y mantenimiento del motor

La forma en que el motor opera repercute directamente sobre el nivel de

deterioro. Por ejemplo, el arranque del motor es un momento crítico en el que tienen

lugar los mayores gradientes térmicos. Asimismo, durante el encendido, la

temperatura de salida de la cámara de combustión es mayor que la que corresponde a

condiciones normales de operación. Esto hace que, durante ese tiempo, la corrosión y

oxidación en los elementos de la sección caliente sean especialmente severas,

añadiendo así una componente adicional a la degradación del motor.

1.4.2 Actuaciones contra la degradación

En la realidad no es posible evitar por completo la degradación de la turbina, sin

embargo existen medidas que permiten prevenirla y disminuir sus efectos. La selección

de los filtros adecuados y su mantenimiento, el óptimo tratamiento del combustible,

vapor o agua que necesiten ser inyectados, así como el cumplimiento de las

recomendaciones de los fabricantes, son medidas que contribuyen a un adecuado

funcionamiento del motor.

http://www.mtu.de/


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El fouling está causado por la adhesión de partículas submicrométricas que

entran junto con el aire de aspiración en la turbina. La contaminación en dicho aire

puede verse reducida en gran medida mediante el uso de un sistema de filtrado

eficiente. Es fundamental que dicho sistema sea capaz de reducir la cantidad de

partículas pequeñas ingeridas. Por otra parte, debe ser capaz de proteger también

frente a contaminantes de mayor tamaño. Estos dos requisitos deben tratar de

satisfacerse teniendo en cuenta también la caída de presión en la entrada de la turbina

que provoca el filtro, ya que originaría pérdidas adicionales en el funcionamiento.

Además, el sistema debe estar optimizado para la localización específica de la turbina y

las condiciones ambientales. Los sistemas de filtrados deben equilibrar entonces el

conflicto existente entre los requisitos demandados por la eliminación de partículas,

pérdida de presión, coste y vida útil, todo ello para los diversos tipos de

contaminantes.

En la práctica, incluso con estas precauciones, el fenómeno de fouling sigue

estando presente y la mejor solución es llevar a cabo la limpieza de la máquina

existiendo principalmente tres métodos para ello (Minco, ZOK)

- Desarme y limpieza del motor: es un método costoso aunque muy efectivo, por

lo que, en caso de realizarse, suele tener lugar a la vez que el mantenimiento

rutinario de la turbina. Dado que se lleva a cabo con poca frecuencia, existe un

largo periodo de deterioro del funcionamiento entre limpiezas.

- Chorro abrasivo: mientras el motor está en funcionamiento, la entrada de aire

se alimenta con cascaras de nuez, huesos triturados o algún material similar.

Este material, en su paso por el compresor, eliminará las partículas adheridas a

los componentes debido al impacto con los mismos. El inconveniente es que

este proceso puede dar lugar a la erosión de los álabes y demás superficies

mecanizadas por lo que en determinados motores es un método prohibido y el

último recurso empleado.

- Lavado regular: consiste en el lavado del compresor mediante la inyección de

agua y, generalmente, un producto de limpieza disolvente/detergente. Es la

mejor opción ya que el buen funcionamiento se recupera de forma regular. Si el

lavado se lleva a cabo con el motor en marcha, se denomina lavado “on-line” y

con él se recuperaran la mayoría de las pérdidas recuperables. Para eliminar las

llamadas pérdidas no-recuperables hay que recurrir al lavado “off-line”, en el

cual hay que desconectar el motor de la red y reducir su velocidad de giro. En

este último caso la cantidad de agua inyectada en la sección de entrada al

motor es mayor que en el caso anterior (respecto de la masa de aire ingerida

por el motor).


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1.5 Fouling en el compresor

Los álabes del compresor, y también los de la turbina, se van ensuciando con el

normal funcionamiento de la máquina. Los dos mecanismos de degradación más

relevantes sobre el compresor son, como se ha dicho anteriormente:

- Erosión de los álabes: causada por partículas cuyo diámetro es superior a 10-20

μm.

- Fouling: debido a partículas con menos de 5-10 μm de diámetro.

Ambos son causantes de la pérdida de eficiencia del motor debido, por un lado, a

la caída del rendimiento interno del compresor y, por otro, a la disminución del flujo

másico de aire ingerido por el mismo (reducción de la sección efectiva de paso). El

resultado es el aumento de la demanda de combustible por unidad de energía

producida.

Antes de continuar hay que mencionar que no existe un consenso claro sobre los

efectos que se espera que el fouling origine en un determinado motor, si será más

propenso al ensuciamiento una turbina de doble eje frente a una de un solo eje, o si el

fouling perjudica de forma más severa a un motor de pequeño tamaño antes que a

uno mayor, entre otros. Por ello hay que distinguir entre dos conceptos

fundamentales, en los que se hará hincapié más adelante:

- La susceptibilidad de diferentes diseños de turbinas de gas al fouling, es decir,

la propensión de un determinado compresor al ensuciamiento.

- La sensibilidad de diferentes diseños de turbinas de gas al fouling, es decir, el

grado en que repercute el ensuciamiento sobre el funcionamiento de un

determinado compresor.

Una vez introducida la distinción entre estos dos conceptos, se describe de forma

general el fenómeno, a fin de obtener una visión global de la raíz del problema y de los

efectos que origina.

En los compresores axiales, el fouling está causado principalmente por partículas

menores de 5-10 μm que viajan con el aire. Estas partículas se adhieren a los álabes del

compresor a pesar de las altas fuerzas centrífugas involucradas, ya que las fuerzas de

atracción de Van Der Waals entre la partícula y el álabe son mayores que las fuerzas de

inercia generadas por la pequeña masa de la partícula. Este hecho se puede ver

además favorecido en presencia de una atmósfera aceitosa, la cual potencia la

adhesión de las partículas.


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Son varios los principales efectos no deseables que causa este fenómeno.

- En primer lugar, el área efectiva de paso del compresor se ve reducida, lo que

origina una reducción tanto del flujo másico como de la relación de

compresión proporcionada por el compresor (la relación de compresión baja

porque la contrapresión impuesta por la turbina es menor, ya que baja el

gasto de aire por el motor). Esta disminución también se extiende a la turbina,

con lo que como resultado la potencia generada por el motor se ve reducida.

- Por otra parte, la deposición de partículas en los álabes hace que el perfil

aerodinámico de los mismos se modifique. Como consecuencia los triángulos

de velocidades en los diferentes escalonamientos del compresor difieren de

aquellos en las condiciones de diseño, lo que merma el rendimiento global del

componente.

- En último lugar, la acumulación de material transforma las superficies pulidas

de los álabes y demás conductos en superficies rugosas, aumentando las

pérdidas por fricción y la variación de entropía. El aire se calienta más de lo

diseñado y aumenta el trabajo de compresión, suponiendo constante la

relación de compresión.

En la práctica estos tres efectos tienen lugar simultáneamente. Así, el material

adherido reduce la capacidad de flujo másico y eleva la rugosidad de las paredes,

modificándose el perfil de los álabes y aumentando el espesor de la capa límite. El

resultado neto sobre la turbina de gas es la disminución de la potencia obtenida en el

eje y un incremento del consumo específico de calor para una temperatura de salida

dada. Esto implica que una turbina de gas cuyo compresor esté afectado por fouling

necesite trabajar a una temperatura de entrada a turbina superior que uno no

afectado para obtener una determinada potencia de salida. Las Figuras 1.7 y 1.8

muestran ejemplos típicos de fouling en el compresor.

Figura 1.7 – Fouling en álabes de compresor de turbina de gas


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Figura 1.8 – Fouling en compresor de turbina de gas (260 MW)

(www.turbotec.com)

La tendencia al ensuciamiento del compresor dependerá del tamaño del motor,

geometría o parámetros del ciclo, entre otros. Además, un efecto secundario del

fouling, cuando afecta a la turbina, es el calentamiento excesivo de los álabes de la

turbina de alta presión, así como el ensuciamiento de los conductos de refrigeración,

lo que reduce la efectividad de la transferencia de calor y disminuye la vida útil de los

álabes y de la sección caliente.

Cuando las partículas no son eliminadas por el sistema de filtrado del aire de

entrada, el operario se verá obligado a lavar frecuentemente la sección del compresor,

bien mediante un lavado temporal on-line, o bien de forma más eficiente mediante la

parada del motor.

En general, las pérdidas de rendimiento debidas al fouling pueden recuperarse

mediante un lavado off-line. Este método resulta adecuado para motores cuyo servicio

sea intermitente, ya que es necesario desconectar el motor de la red y reducir su

velocidad para proceder a la limpieza del compresor. Sin embargo no es una estrategia

rentable para motores de carga base que deben funcionar durante largos periodos o

aplicaciones en las que el tiempo de inactividad del motor suponga pérdidas

significativas en los ingresos, como ocurre en las turbinas de gas de ciclo combinado o

en las plantas de cogeneración. Como alternativa para este tipo de plantas o motores,

se puede realizar un lavado on-line del compresor, en el que no es necesaria la parada

del mismo. Se verá que este método no permite recuperar la totalidad de las pérdidas,

pero en combinación con el lavado off-line llevado a cabo en los periodos de

mantenimiento del motor permitirá recuperar el rendimiento del motor prácticamente

en su totalidad. En las ocasiones en que el compresor permanezca sucio durante un

periodo de tiempo elevado, las partículas depositadas en los álabes pueden llegar a


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“cocerse” (Figura 1.9) y no podrán ser eliminadas mediante lavado, por lo que habrá

que proceder al desmontaje del motor y a la sustitución del componente.

Figura 1.9 – Depósitos “cocidos” en

escalonamientos traseros de compresor

Todos los compresores son propensos al ensuciamiento, sin embargo el grado y

tasa de fouling depende de diversos factores, entre los que se incluye el tipo de

contaminante presente en el aire, las condiciones ambientales, el diseño del

compresor, la carga aerodinámica o la suavidad y revestimiento de las superficies,

entre otros. La tasa de fouling varía notablemente en función del emplazamiento del

motor, ya que el clima del entorno tiene una influencia importante sobre el

ensuciamiento. La presencia de arena, sal marina o un ambiente aceitoso van a

determinar en gran magnitud las medidas a considerar para el mantenimiento del

motor, la selección del sistema de filtrado adecuado o el programa de lavado.

1.6 El coste del fouling

La problemática relativa a los altos precios del petróleo, gas y tarifas eléctricas

está presente en todo el mundo ya que afecta a empresas, operadores de turbinas de

gas o incluso hogares, por igual. En concreto, en una planta en la que la electricidad se

genera en una turbina de gas, el coste del combustible supone la mayor parte de los

costes totales de la electricidad generada. Como dato orientativo, dicho coste

representa aproximadamente el 60% del precio de venta de la electricidad. Este hecho

lleva a los operadores de turbinas a preocuparse por la selección de un sistema de


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filtración adecuado y mantener los niveles de ensuciamiento o fouling al mínimo para,

así, minimizar también el consumo de combustible.

El entorno, cada vez modificado en mayor grado por el hombre, en que se

encuentran instaladas este tipo de turbinas hace que se vean expuestas a nuevas y

diferentes partículas contaminantes cuya eliminación supone un reto cada vez mayor.

Los camiones, coches, cualquier otro proceso industrial cercano y todo el entorno

influyente en general, generan una concentración de partículas submicrométricas que

viajan con el aire y que, de no ser eliminadas, modificarán el perfil de los componentes

de la turbina.

El coste ocasionado por el fenómeno de fouling supera con creces el coste de su

eliminación, pero la preocupación por el ahorro en los costes de capital a la hora de

tomar decisiones sobre la compra de los equipos, da lugar a que muchas turbinas de

gas estén equipadas con sistemas de filtrado inadecuados lo que hace que, a la poste,

los operarios acaben pagando mucho más en costes de operación que lo que

ahorraron en costes de inversión.

El fouling es costoso, ya sea debido a la pérdida de potencia, al combustible extra

consumido y/o la necesidad de agua y productos químicos para la limpieza del

compresor u otros trabajos de mantenimiento. Los operadores son cada vez más

conscientes de esta situación y es por ello que, además de optimizar la frecuencia de

lavado del compresor, tratan de buscar la tecnología que les permita operar sus

turbinas durante periodos más largos sin paradas. Para conseguir este objetivo es

fundamental mantener limpio el motor, evitando que pequeñas partículas de suciedad

penetren a través del sistema de entrada de aire. Esta prevención pasiva del fouling

demanda sistemas de filtrado que protejan mejor las turbinas de gas y garanticen su

funcionamiento en el punto de diseño durante periodos más largos y sin la necesidad

de paradas no previstas.

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