IntroducciónPara modificar la potencia de una turbina de gas se deben alterar, principalmente, dos parámetros: el flujo másico que pasa a través de los álabes de la turbina y la temperatura del fluido de trabajo a la entrada del rotor.

Así mismo, es posible incrementar la eficiencia y la potencia de un ciclo simple recuperando la energía remanente en los gases de escape mediante un recuperador de calor. Este equipo produce vapor que puede ser expandido en el mismo eje de la turbina de gas o en otro eje mediante una turbina de vapor.

Factores que afectan a las prestaciones de las turbinas de gasDado que la turbina de gas es un motor que respira aire del ambiente, su desempeño cambia con cualquier cosa que afecte el flujo de masa de aire de admisión al compresor, y con mayor razón los cambios en las condiciones de referencia de la Internacional Standards Organization (ISO) de 15ºC (59ºF), 60% de humedad relativa y 101.4 kPa (14.7 psia). Debido a esto, el desempeño de las turbinas de gas varía significativamente con las condiciones locales, y la temperatura ambiente es un factor determinante (1).

Si se disminuye la temperatura ambiente, la capacidad y eficiencia de las turbinas de gas se incrementan, debido a que esta disminución induce un aumento en la densidad del aire en la succión del compresor y, para una velocidad constante del mismo, esto se traduce en un incremento en el flujo másico.

La presión atmosférica tiene, igualmente, un efecto importante sobre la capacidad de las turbinas de gas, aunque no sobre su eficiencia. Cuando la presión atmosférica disminuye, la densidad del aire baja, lo que, a su vez, reduce el flujo de masa hacia la turbina y, por tanto, su capacidad. De igual modo, el aire húmedo, al ser más denso que el aire seco, también afecta la producción de potencia.

El tipo de combustible también influye en el rendimiento. Es así como el gas produce alrededor del 2 % más de salida de potencia que los destilados del petróleo.

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LSistemas de EnfriamientoLos parámetros que se tienen en cuenta para seleccionar el tipo de sistema de enfriamiento más conveniente incluyen: el tipo de turbina, las condiciones climáticas, las horas de operación de la turbina, la relación entre flujo másico y potencia generada y el precio de la energía en el mercado.

Las principales ventajas que se obtienen al enfriar el aire en la succión del compresor son: mejoramiento en la potencia de salida, disminución del consumo térmico específico en ciclo simple y ciclo combinado y disminución en las emisiones debido al mejoramiento en la eficiencia total.

Enfriador Evaporativo

Este sistema reduce la temperatura de una corriente de aire a través de la evaporación de agua y es aplicable en lugares donde el aire es cálido, y es más efectivo en ambientes secos. El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a través de un filtro por el cual se deja que escurra el agua. Debido a la baja humedad relativa del ambiente, parte del agua líquida se evapora. La energía del proceso de evaporación viene de la corriente de aire, por lo que éste se enfría. Un enfriador evaporativo incrementa la humedad relativa hasta valores alrededor del 85%.

La capacidad de enfriamiento de este sistema está limitada por la diferencia entre las temperaturas del bulbo seco y bulbo húmedo del ambiente. Sus ventajas son sus bajos costos iniciales y su facilidad de operación.

Sistema de Niebla (Fogging System).

Este sistema trabaja con el mismo principio del enfriador evaporativo, pero en lugar de un filtro usa billones de micro gotas de agua atomizada para el intercambio de energía, y es posible alcanzar disminuciones en la temperatura del aire de hasta 20ºF. Este sistema eleva la humedad relativa hasta el 100%.

La figura 3 muestra un esquema de este sistema y señala sus componentes. Sus costos de capital son comparativamente bajos y su operación no es compleja.

Compresión Húmeda (Wet Compression)

La “compresión húmeda” proporciona un método económico para producir un aumento significativo en la capacidad de generación de una turbina de gas. Incluye un sistema de atomización y rocío, modificaciones en la lógica de control de la turbina de gas y cambios adicionales en algunos componentes, a fin de hacerlos más seguros y confiables. El incremento en la potencia viene de una combinación de los efectos de un enfriamiento evaporativo, un incremento en el flujo másico y una reducción en el trabajo del compresor debida a un interenfriamiento en las primeras etapas del mismo. Los incrementos de potencia logrados con este sistema oscilan entre el 10% y el 25%, y son más confiables que los alcanzados por enfriadores evaporativos y sistemas de niebla, ya que no dependen de la humedad relativa del medio ambiente.

Refrigeración Mecánica/Absorción

Este sistema es capaz de mantener una temperatura del aire tan baja como se desee, sin importar las condiciones ambientales. Sus desventajas son: alto consumo de energía de auxiliares, alta complejidad, alto costo inicial y requiere grandes espacios. En algunos casos no es económicamente viable.

 

Alternativas para recuperar la energía de los gases 

Una forma de llevar al máximo la recuperación de la energía en los gases de escape mediante la producción de vapor, consiste en utilizar un recuperador de calor que genere vapor a múltiples niveles de presión. El vapor generado es inyectado en una turbina de vapor o en la cámara de combustión de la misma turbina de gas. Las secciones de transferencia de calor incluyen (i) economizadores, por los cuales entra el agua al recuperador, gracias a lo cual eleva su temperatura hasta 5ºC (10ºF) por debajo de la temperatura de saturación del agua a la presión que es bombeada; (ii) evaporadores, donde el agua cambia de líquido comprimido a vapor saturado, e (iii) sobrecalentadotes, en los que el vapor gana calor para pasar de vapor saturado a vapor sobrecalentado. En la figura 7 se observa el esquema de un ciclo STIG con turbina de vapor en el que se detalla el interior del recuperador de calor de dos niveles de presión.

Turbinas de gas en ciclo combinado*

La configuración más usada para aumentar la potencia y eficiencia de una turbina de gas es el ciclo combinado. Este sistema utiliza un recuperador de calor generador de vapor acoplado a la salida de los gases de escape de la turbina para producir vapor que será expandido en una turbina de vapor. Los principales equipos que requiere un ciclo combinado son: una turbina de vapor, un condensador de superficie, un sistema de enfriamiento, un generador eléctrico adicional y numerosos sistemas auxiliares.

Una de las mayores desventajas que presentan los ciclos combinados es la alta inversión de capital que implican. Con el fin de salvar esta dificultad se han ideado ciclos de potencia diferentes para recuperar la energía disponible en los gases de escape de una turbina de gas.

* En el artículo “Turbinas a gas: tecnología competitiva en el mercado eléctrico colombiano”, publicado en la edición Nº 7 de esta revista, se expone más ampliamente esta configuración.

Ciclo STIG (Steam Injected Gas Turbine System)

El ciclo STIG proporciona una alternativa eficiente a un relativamente bajo costo para recuperar la energía de los gases de escape de una turbina de gas. Este sistema utiliza un recuperador de calor acoplado a la salida de los gases de escape de la turbina para generar vapor que será inyectado en la cámara de combustión de la misma turbina de gas. El propósito de esta configuración es incrementar el flujo másico que pasa a través de los álabes de la turbina, que son los encargados de transmitir la energía del fluido de trabajo, en este caso, la mezcla de gases de combustión y vapor sobrecalentado, al rotor.

La gran cantidad de agua requerida para la formación de vapor representa un problema importante, debido a que no hay recuperación del agua utilizada.

Ciclo STIG con turbina de vapor.

Este sistema consta de cuatro pasos: (1) Se genera un primer flujo de vapor a una presión A. (2) Se genera un segundo flujo de vapor a una presión B, siendo B mayor que A. (3) Se produce potencia en un segundo eje por la expansión parcial de B – en una turbina de vapor- hasta los niveles de presión de A. (4) Finalmente, se unen los dos flujos de vapor, de presión A, y se inyectan en la cámara de combustión de la turbina de gas para incrementar su potencia de salida /2/.

En este sistema, al igual que en el ciclo STIG, no hay recuperación de agua utilizada para generar el vapor.

Ciclo Cheng avanzado.

Este sistema logra la unión del ciclo Brayton y el ciclo Ranking sin requerir de generador eléctrico adicional, condensador, turbina de vapor, torre de enfriamiento ni grandes sistemas auxiliares. El sistema Cheng opera como un carburador, en un motor de gasolina, al momento de inyectar vapor sobrecalentado dentro de la cámara de  combustión de la turbina para alcanzar la mayor eficiencia y potencia posibles. En esta técnica, la combustión del gas calienta la mezcla de aire y vapor a la temperatura de trabajo de la turbina de combustión y permite su operación a temperaturas superiores a 1.450ºC (2650ºF). En consecuencia, el incremento de potencia es debido no sólo al aumento del flujo másico a través de la máquina sino también a las elevadas temperaturas de los gases a la entrada del rotor de la turbina. En este proceso, el vapor trabaja sinérgicamente con la mezcla aire-combustible, lo cual eleva su potencia térmica /3/.

El ciclo Cheng provee eficiencias de ciclo combinado a costos de ciclo simple basándose en que la eficiencia pico del ciclo se logra a una única relación de flujo másico entre el vapor sobrecalentado y el aire comprimido en la cámara de combustión. Es así como este ciclo alcanza incrementos en la potencia de salida y la eficiencia de hasta el 80 y 40%, respectivamente. La tabla de abajo presenta las capacidades y eficiencias que se pueden alcanzar con dos modelos de turbina del fabricante Westinghouse, operando en condiciones ambientales similares, en distintas configuraciones.

El ciclo Cheng es muy constante a todos los niveles de temperatura ambiente, lo cual es una real ventaja cuando se opera en climas cálidos, pero presenta el mismo inconveniente del ciclo STIG, puesto que en este sistema tampoco hay recuperación del agua utilizada para la producción del vapor.

Las diferencias entre el sistema tradicional de inyección de vapor y el moderno ciclo Cheng consisten básicamente en que este último inyecta mayores cantidades de vapor, ya que no sólo lo usa para incrementar la potencia de salida, sino también para reemplazar parte del aire de sangrado del compresor en la misión de enfriar los combustores. Además de esto, el sistema Cheng es aplicable tanto en turbinas que requieran ser repotenciadas como en turbinas modernas y de gran capacidad.

Tipos de Turbinas de GasLas 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. En este artículo prestaremos atención a su papel como productor comercial de electricidad., ya sea de forma independiente, en cogeneración junto con turbinas de vapor, o en diseños híbridos con otras tecnologías renovables.

Pueden clasificarse según el origen de su desarrollo, por el diseño de su cámara de combustión y por su número de ejes.

Turbina 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 de sustitución y mantenimiento, lo que hace viable que se lleven

acabo 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

si-tu 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 perdidas 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. Esta tecnología es utilizada en sus diseños por Mitshubishi

y General Electric

.

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.

Principios de FuncionamientoUna 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.

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.

Las pérdidas de energía se desprenden en forma de calor que hay que evacuar del sistema. Normalmente no son superiores al 3% de la energía aportada.

Rendimiento de Turbinas de GasUna 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 expanderse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. En una turbina de gas con una eficiencia del 33%, aproximadamente 2/3 del trabajo producido 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.

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 de los materiales, estos límites siempre van aumentando. Una turbina de este tipo es la 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. Estos ciclos los podemos ver a continuación:

 

 

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.

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.

sin embargo notamos que,

El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una función de la relación isentrópica de presión. El rendimiento aumenta con la relación de presión, y esto es evidente en el diagrama T-s ya que al ir aumentando la relación de presión, se cambiará el ciclo de 1-2-3-4-1 a 1-2’-3’-4-1. El último ciclo tiene mayor suministro de calor y la misma cantidad de calor cedido, que el ciclo original, y por tanto, tiene mayor rendimiento; advierta, sin embargo, que el último ciclo tiene una temperatura máxima (T3’) más alta que la del ciclo (T3). En la turbina de gas real, la temperatura máxima del gas que entra a la turbina es determinada por consideraciones metalúrgicas. Por lo tanto si fijamos la temperatura T3 y aumentamos la relación de presión, el ciclo resultante es 1-2’-3’’-4’’-1. Este ciclo tendrá un rendimiento más alto que el del ciclo original, pero, de esta manera, cambia el trabajo por kilogramo de substancia de trabajo.

Con el advenimiento de los reactores nucleares, el ciclo cerrado de la turbina de gas ha cobrado gran importancia. El calor se transmite ya sea directamente o a través de un segundo fluido, del combustible en el reactor nuclear a la substancia de trabajo en la turbina de gas; el calor es cedido de la substancia de trabajo al medio exterior.

La turbina de gas real, difiere principalmente del ciclo ideal a causa de las irreversibilidades en el compresor y en la turbina y debido al descenso de presión en los pasos de flujo y en la cámara de combustión (o en el cambiador de calor en una turbina de ciclo cerrado). Los rendimientos de l compresor y de la turbina están definidos en relación a los procesos isentrópicos. Los rendimientos son los siguientes:

CICLO DE UNA TURBINA DE GAS SIMPLEMENTE CON REGENERADOR

El rendimiento del ciclo de una turbina de gas, puede mejorarse con la adición de un regenerador. Se puede observar el ciclo en la gráfica siguiente:

 

Observe como el intercambiador de calor utiliza la energía en forma de calor de los gases de escape para calentar el aire de entrada a la cámara de combustión.

Note que el ciclo 1-2x3-4-y -1, la temperatura de los gases que salen de la turbina en el estado 4, es más alta que la temperatura de los gases que salen del compresor: por lo tanto puede transmitirse calor de los gases de salida a los gases de alta presión que salen del compresor; si esto se realiza en un intercambiador de calor de contracorriente, conocido como regenerador, la temperatura de los gases que salen del regenerador Tx’ pueden tener en el caso ideal, una temperatura igual a T4, es decir, la temperatura de los gases de salida de la turbina. En este caso la transmisión de calor de la fuente externa sólo es necesaria para elevar la temperatura desde Tx hasta T3 y esta transmisión de calor está representada pro el área x-3-d-b-x; el área y-1-a-c-y y representa el calor cedido.

La influencia de la relación de presión en el ciclo simple de una turbina de gas con regenerador, se ve al considerar el ciclo 1-2’-3’-4-1; en este ciclo, la temperatura de los gases de salida de la turbina es exactamente igual a la temperatura de los gases que salen del compresor; por lo tanto, aquí no hay posibilidad de utilizar un regenerador. Esto puede verse mejor al determinar el rendimiento del ciclo de gas ideal de la turbina con regenerador.

El rendimiento de este ciclo con regeneración se encuentra como sigue, donde los estados son:

Pero para el regenerador ideal, T4 = Tx y por lo tanto qH = wt; de donde,

Vemos, así, que para el ciclo ideal con regeneración el rendimiento térmico depende no sólo de la relación de presión, sino también de la relación de la mínima a la máxima temperaturas. También notamos que, en contraste con el ciclo de Brayton, el rendimiento disminuye al aumentar la relación de presión. El rendimiento térmico contra la relación de presión, para este ciclo.

La efectividad o rendimiento de un regenerador está dada por el término rendimiento del regenerador; El estado x representa a los gases de alta presión que salen del regenerador. En el regenerador ideal habría una diferencia infinitesimal de temperaturas entre los dos flujos y los de alta presión saldrían del regenerador a la temperatura Tx’ pero T3’ = T4. En el regenerador real que debe operar a una diferencia de temperaturas finita Tx y, por lo tanto, la temperatura real que sale del regenerador, es menor que Tx’. El rendimiento del regenerador se define como,

Si suponemos el calor que el calor específico es constante, el rendimiento del regenerador también está dado por la relación

Es bueno señalar que se puede alcanzar un rendimiento alto usando un regenerador con una gran área de transmisión de calor; sin embargo, esto también incrementa el descenso de presión, que representa una pérdida, y tanto el descenso de presión como el rendimiento del regenerador, deben considerarse para determinar que regenerador dará el máximo rendimiento térmico del ciclo. Desde el punto de vista económico, el costo del regenerador debe tomarse en cuenta para saber si justifica el ahorro que se obtendrá con su instalación y uso.

Las turbinas de gas pueden dividirse en seis grandes partes principales:

Compresor

Cámara de combustión

Turbina de expansión

Carcasa

Además cuenta con una seria de sistemas auxiliares necesarios para su funcionamiento, como son la casa de filtros, cojinetes, sistema de lubricación, recinto acústico, bancada, virador, etc.

Compresor:

Su función consiste en comprimir el aire de admisión, hasta la presión indicada para cada turbina, para introducirla en la cámara de combustión. Su diseño es principalmente axial y necesita un gran número de etapas, alrededor de 20 para una razón de compresión de 1:30, comparada con la turbina de expansión.

Su funcionamiento consiste en empujar el aires a través de cada etapa de alabes por un estrechamiento cada vez mayor, al trabajar en contra presión es un proceso que consume mucha energía, llegando a significar hasta el 60% de la energía producida por la turbina. Para disminuir la potencia necesaría para este proceso, puede optarse por un diseño que enfríe el aire en etapas intermedias, favoreciendo su compresión, aunque reduce la eficiencia de la turbina por la entrada más fría del aire en la cámara de combustión.

El control de la admisión de aire en el compresor puede realizarse según dos posibilidades.

Turbinas monoeje: El compresor siempre gira a la misma velocidad, que viene dada por el generador, y por

lo tanto absorbe la misma cantidad de aire. El trabajo para comprimir ese aire es el mismo, tanto si trabajamos

a carga máxima como si trabajamos a cargas más bajas, y por lo tanto producimos menos potencia. En este

caso las primeras etapas diseñan con geometría variable, dejando pasar más o menos aire según su posición

relativa, y por lo tanto consumiendo menos potencia.

Turbinas multieje: En este caso como la velocidad de giro del compresor es independiente del generador, la

velocidad de rotación del compresor puede regularse para una admisión adecuada de aire para cada

momento.

Cámara de combustión:

A pesar de los distintos tipos de cámaras de combustión todas ellas siguen un diseño general similar.

Cuanto mayor sea la temperatura de la combustión tanto mayor será la potencia que podamos desarrollar en nuestra turbina, es por ello que el diseño de las cámaras de combustión esta enfocado a soportar temperaturas máximas, superiores a los 1000 ºC, mediante recubrimientos cerámicos, pero a su vez evitar que el calor producido dañe otras partes de la turbina que no está diseñadas para soportar tan altas temperaturas.

Están diseñadas mediante una doble cámara:

Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea

y accede a ésta mediante distribuidores desde la cámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla

con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor

cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la

turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no

dañen las estructuras y equipos posteriores.

Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el

exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la

cámara interior de forma adecuada.

Turbina de expansión:

Está diseñada para aprovechar la velocidad de salida de los gases de combustión y convertir su energía cinética en energía mecánica rotacional. Todas sus etapas son por lo tanto de reacción, y deben generar la suficiente energía para alimentar al compresor y la producción de energía eléctrica en el generador. Suele estar compuesta por 4 o 5 etapas, cada una de ellas integrada por una corona de alabes con un adecuado diseño aerodinámico, que son los encargados de hacer girar el rotor al que están unidos solidariamente. Además de estos, hay antes de cada etapa un conjunto de alabes fijos sujetos a la carcasa, y cuya misión es redireccionar el aire de salida de la cámara de combustión y de cada etapa en la dirección adecuada hasta la siguiente.

Los alabes deben estar recubiertos por material cerámico para soportar las altas temperaturas, además, un flujo de aire refrigerador proveniente del compresor los atraviesa internamente, saliendo al exterior por pequeños orificios practicados a lo largo de toda su superficie.

Carcasa:

La carcasa protege y aisla el interior de la turbina pudiéndose dividir en 3 secciones longitudinales:

Carcasa del compresor: Está compuesta por una única capa para soporte de los alabes fijos y para

conducción del aire de refrigeración a etapas posteriores de la turbina de gas.

Carcasa de la cámara de combustión: Tiene múltiples capas, para protección térmica, mecánica y

distribución de aire para las 3 fases en que se introduce el aire en la combustión.

Carcasa de la turbina de expansión: Cuenta al menos con 2 capas, una interna de sujeción de los alabes

fijos y otra externa para la distribución del aire de refrigeración por el interior de los alabes. Debe también de

proveer protección térmica frente al exterior.

Otros componentes de la turbina de gas:

Casa de filtros: Se encarga del filtrado del aire de admisión que se introduce al compresor, se componen de

2 primeras fases de filtrado grosero, y una última con filtro de luz del orden de las 5 micras. En este proceso

se puede aplicar diferentes tecnologías para aumentar la humedad y disminuir la temperatura del aire.

Cojinetes: Pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del

eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por un material especial antifricción llamado material

Babbit, el cual se encuentra su vez lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco

anillado al eje y se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contacto es

directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados en angulo para detectar

vibraciones.

Sistema de lubricación: Puede contener hasta 10.000 litros de aceite en grandes turbinas de generación

eléctrica, su misión es tanto el refrigerar como mantener una película de aceite entre los mecanismos en

contacto. El sistema de lubricación suele contar con una bomba mecánica unida al eje de rotación, otra

eléctrica y otra de emergencia, aunque en grandes turbinas desaparece la turbina mecánica por una turbina

eléctrica extra. Entre sus componentes principales están el sistema de filtros, el extractor de vahos

inflamables, refrigerador, termostato, sensor de nivel, presostato, etc.

Recinto acústico: Recubre todos los sistemas principales de la turbina, y su función es aislarla de las

inclemencias del tiempo y a su vez aislar al exterior del ruido. Debe contar con un sistema contra incendios y

de ventilación.

Bancada: Se construye en cemento para soportar la estructura de la turbina, con una cimentación propia para

que no se transmitan las vibraciones propias del funcionamiento de la turbina al resto de los equipos de la

planta.

Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace

girar lentamente la turbina cuando no esta en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su

propio peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos

para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del

rotor. Si por alguna razón la turbina se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con

desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.

ConclusionesComo respuesta a las exigentes condiciones que impone el mercado eléctrico , los generadores térmicos que

operan turbinas de gas en ciclo simple se ven en la obligación de buscar alternativas, diferentes al costoso

ciclo combinado, que les permitan permanecer dentro de un mercado que ha demostrado aceptar sólo

unidades eficientes y competitivas. En atención a esta necesidad se presentan los ciclos STIG y Cheng, que

al incrementar el flujo másico a través de los álabes de la turbina logran aumentos considerables en la

eficiencia y potencia de los sistemas de producción de energía con turbinas de gas.

 

El aumento en el flujo másico a través de la turbina y la disminución del trabajo demandado por el compresor,

que se logran enfriando el aire en la succión del mismo, además de incrementar la potencia representan la

alternativa más económica para mejorar la eficiencia y la competitividad de las turbinas de gas. Lo anterior

teniendo en cuenta que con estos sistemas es posible alcanzar incrementos en la potencia de salida

alrededor del 20% con inversiones de capital comparativamente bajas.

Mantenimiento de Turbinas de GasEl mantenimiento de la turbina de gas tiene dos bases: mantenimiento condicional, basado en observar el comportamiento de la máquina e inspeccionar regularmente sus partes internas, actuando en caso de encontrar algo anormal, y el mantenimiento en parada, con la organización de grandes revisiones en las que se cambian sistemáticamente gran cantidad de piezas sometidas a desgaste.

Podemos dividir las actividades de mantenimiento de la turbina de gas en tres grandes grupos: mantenimiento rutinario, inspecciones y grandes revisiones.

Mantenimiento rutinario

Las actividades principales son las siguientes:

Vigilancia de parámetros (temperaturas 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 aceite 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 muy especializado. Se

sustituyen tanto los álabes fijos como los móviles de la turbina (no del compresor). Los álabes que se retiran

se 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

Como el tiempo necesario para llevar a cabo estas grandes revisiones suele ser alto (entre 10 y 30 días), se acometen en este momento muchos otros trabajos en la planta, por lo que la cantidad de personal que se ve implicado en una de estas grandes revisiones suele ser grande.