Motores de turbina de gas

Las turbinas de gas varían en tamaño desde las microturbinas de <50 CV (37,3 kW) hasta las grandes turbinas industriales de >250.000 CV (190 kW). Esta página se centra en el motor de la turbina de gas, las diferencias entre los tipos de turbinas y los elementos a tener en cuenta cuando se aplican como motor principal.

Proceso

Como se muestra en la Fig. 1 y la Fig. 2, el ciclo Brayton «abierto» es el ciclo termodinámico de todas las turbinas de gas. Este ciclo consiste en:

• Compresión diabática
• Calentamiento a presión constante
• Expansión diabática

La turbina de gas está formada por los siguientes componentes:

• Un compresor de aire
• Una cámara de combustión
• Una turbina de potencia, que produce la energía para accionar el compresor de aire y el eje de salida

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  Fig. 1-Diagrama simplificado de una turbina de gas de ciclo simple.

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  Fig. 2-Ciclo Brayton «abierto» típico para turbinas de gas.

El aire entra en la entrada del compresor en condiciones ambientales (Punto 1), se comprime (Punto 2) y pasa por el sistema de combustión, donde se combina con el combustible y se «calienta» hasta la temperatura máxima del ciclo (Punto 3). El aire calentado se expande a través de la sección de la turbina productora de gas (entre los puntos 3 y 5), donde se extrae la energía del fluido de trabajo para generar energía para impulsar el compresor, y se expande a través de la turbina de potencia para impulsar la carga (punto 7). A continuación, el aire se expulsa a la atmósfera. Se utiliza un sistema de arranque para que el compresor de aire alcance una velocidad suficiente para suministrar aire para la combustión con el combustible inyectado en la cámara de combustión. El ciclo de combustión continuo de una turbina, combinado con la rotación continua del rotor de la turbina, permite un funcionamiento prácticamente sin vibraciones, así como un menor número de piezas móviles y puntos de desgaste que otros motores primarios.

Consideración de diseño y funcionamiento

Temperatura máxima del ciclo, TRIT

La potencia de salida de una turbina de gas puede incrementarse aumentando la temperatura máxima del ciclo. La temperatura máxima del ciclo se denomina TRIT, que significa temperatura de entrada al rotor de la turbina. La API 616 define la temperatura nominal de encendido como la temperatura de entrada a la turbina (TIT) calculada por el proveedor inmediatamente antes del rotor de la turbina de primera etapa para un servicio continuo a la potencia nominal. La TRIT se calcula inmediatamente antes del rotor de la turbina de la primera etapa e incluye los efectos calculados del aire de refrigeración y la caída de temperatura a través de los álabes del estator de la primera etapa.

Flujo de aire

La potencia de salida de una turbina de gas también puede incrementarse aumentando el flujo másico de aire a través de la turbina de gas. La geometría de la turbina de gas, en particular el compresor, y la velocidad del compresor dictan el flujo másico de aire básico. Un aumento del flujo requiere un aumento de la velocidad, que está limitada a la velocidad máxima de funcionamiento continuo de cualquier diseño particular. A una velocidad determinada, un incremento de la densidad del aire de entrada aumenta el caudal másico del aire. La densidad del aire de entrada aumenta directamente con la presión barométrica e inversamente con la temperatura ambiente.

Los principales parámetros que afectan a la potencia de salida son la velocidad y el TRIT para cualquier diseño mecánico/aerodinámico dado. El aumento de cualquiera de estos parámetros aumenta la capacidad de potencia de salida de la turbina de gas. La velocidad y la temperatura pueden ser dictadas por la potencia de salida y la tasa de calor deseada dentro de las restricciones impuestas por los siguientes factores:

• Vida útil de los componentes
• Coste
• Factibilidad técnica

Limitaciones de velocidad

A medida que aumenta la velocidad de una turbina de gas, aumentan las fuerzas centrífugas sobre los componentes giratorios. Estas fuerzas aumentan el esfuerzo de los componentes giratorios, en particular los siguientes:

• Discos
• Cuchillas
• Sujeción de las cuchillas al disco

Los materiales de los componentes tienen límites de esfuerzo que son directamente proporcionales a sus límites de velocidad y no deben ser superados. Así, la velocidad máxima continua del elemento giratorio es función de:

• Geometría del motor
• Propiedades del material de los componentes
• Factores de diseño de seguridad

Es la velocidad más alta permitida para el funcionamiento continuo.

Limitaciones de temperatura

Una forma de aumentar la potencia de salida es aumentar el flujo de combustible y, por tanto, el TRIT. A medida que aumenta el TRIT, los componentes de la sección caliente operan a mayores temperaturas del metal, lo que reduce el tiempo entre inspecciones (TBI) de la turbina de gas. Dado que la vida de los materiales de la sección caliente está limitada por la tensión a alta temperatura, existen limitaciones en las temperaturas máximas para un TBI determinado. La vida de los materiales disminuye rápidamente a temperaturas más altas. El TBI es una función del tiempo a TRIT y de la tasa de cambio de TRIT durante los transitorios, como el arranque. El límite de fluencia o de rotura por tensión lo establecen las propiedades del material en función de su nivel de tensión y de la temperatura de funcionamiento.

Punto de clasificación

Se puede establecer un punto de clasificación para determinar el rendimiento de la turbina de gas para unas condiciones ambientales específicas, pérdidas en los conductos, combustible, etc.

La Organización Internacional de Normalización define sus condiciones estándar como:

• 59°F
• 1,013 bar
• 60% de humedad relativa sin pérdidas

Este se ha convertido en un punto de clasificación estándar para comparar turbinas de diversos fabricantes y diseños.

Calificación del emplazamiento

La calificación del emplazamiento es una declaración del rendimiento básico de la turbina de gas en condiciones específicas del emplazamiento, incluyendo:

• Temperatura ambiente
• Elevación
• Pérdidas de presión en los conductos
• Control de emisiones
• Combustible composición
• Toma de fuerza auxiliar
• Extracción de aire del compresor
• Nivel de potencia de salida

Por ejemplo, un aumento de la temperatura ambiente reduce la potencia de salida a un ritmo influenciado por el diseño de la turbina de gas.

Temperatura del aire de entrada

La Fig. 3 relaciona lo siguiente con la temperatura del aire de entrada a la velocidad óptima de la turbina de potencia para un ejemplo de turbina de gas:

• Potencia de salida
• Caudal de combustible
• Temperatura de escape
• Caudal de escape

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  Fig. 3-Potencia de salida frente a la temperatura del aire de entrada al compresor.

Aumento de la eficiencia de la turbina

Ciclo simple

La mayor parte de la energía mecánica extraída de la corriente de gas por la turbina se requiere para accionar el compresor de aire, quedando el resto disponible para accionar una carga mecánica. La energía de la corriente de gas no extraída por la turbina se rechaza a la atmósfera en forma de calor.

Ciclo recuperativo

En el ciclo recuperativo, también llamado ciclo regenerativo, el aire de descarga del compresor se precalienta en un intercambiador de calor o recuperador, cuya fuente de calor es el escape de la turbina de gas. La energía transferida desde el escape reduce la cantidad de energía que debe añadir el combustible. En la Fig. 4, el ahorro de combustible está representado por el área sombreada bajo 2 a 2′. Los tres diseños principales utilizados en los recuperadores estacionarios son los siguientes:

• Aleta de placa
• Cáscara y tubo
• Superficie primaria

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  Fig. 4-Ciclo recuperado.

Ciclo combinado

La adición de un ciclo de fondo de vapor al ciclo Brayton utiliza el calor de escape para producir caballos de fuerza adicionales, que pueden utilizarse en una carga común, como se muestra en la Fig. 5, o para una carga independiente. El área sombreada representa la entrada de energía adicional.

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  Fig. 5-Ciclo combinado.

Sistema de entrada de aire

Filtración del aire de entrada. La calidad del aire que entra en la turbina de gas es una consideración de diseño muy importante. La eficiencia de la turbina disminuirá con el tiempo debido a los depósitos que se acumulan en la trayectoria del flujo interno de la turbina y en los álabes giratorios. Esta acumulación provoca un aumento del mantenimiento y del consumo de combustible. La selección y el mantenimiento del sistema de filtración de aire de entrada adecuado para las condiciones específicas del emplazamiento afectarán a la tasa de disminución de la eficiencia a lo largo del tiempo.

Caída de presión

Es fundamental minimizar la caída de presión del aire que pasa por el: Conductos de entrada Filtro de aire de entrada Silenciador de entrada (ver Atenuación del ruido más adelante)

La pérdida de presión en el aire atmosférico que entra en la turbina afecta en gran medida al rendimiento de la turbina de gas.

Atenuación del ruido

El ruido producido por una turbina de gas se encuentra principalmente en los rangos de mayor frecuencia, que no se transmiten tan lejos como los ruidos de menor frecuencia producidos por motores primarios de menor velocidad, como los motores alternativos. La mayor parte de los ruidos de alta frecuencia producidos por la turbina se generan en la entrada de aire, y una cantidad menor procede del escape. Las fuentes de ruido y el método de atenuación son los siguientes:

Entrada de aire

El silenciador de entrada debe diseñarse específicamente para el perfil de ruido de la turbina de gas y los requisitos del emplazamiento. Este silenciador se instala en el conducto de entrada de aire entre el filtro de aire y la entrada del compresor de aire de la turbina.

Escape

El silenciador de escape debe diseñarse específicamente para el perfil de ruido de la turbina de gas y los requisitos del emplazamiento. La altura de la chimenea de escape junto con el silenciador es una consideración importante. La descarga de los gases de escape calientes a la mayor altura posible reduce el ruido medible a nivel del suelo y tiene la ventaja adicional de reducir la posibilidad de recirculación de los gases de escape calientes hacia la entrada de aire. La pérdida de presión (contrapresión) en el escape de la turbina afecta en gran medida al rendimiento de la turbina de gas.

Carcasa/caja de engranajes/equipos accionados

Se pueden instalar recintos de atenuación acústica directamente sobre los equipos, como recintos de entrada montados sobre patines o un edificio que contenga los equipos aislados para cumplir los requisitos, o ambos.

Enfriador de aceite

El método más común de enfriar el aceite es el uso de intercambiadores de aire/enfriadores de ventilador. Estos generan un ruido de ventilador que puede ser controlado con la velocidad de la punta del ventilador. El uso de refrigeradores de agua de carcasa y tubos puede ser eficiente desde el punto de vista del ruido si el medio de refrigeración está disponible.

Tipos de turbinas de gas

Los diseños de las turbinas pueden diferenciarse por:

• Tipo de servicio
• Tipos de quemadores
• Configuración del eje
• Grado de empaquetamiento

Tipos de servicio

Motores de turbina de avión

Los motores de turbina de avión o motores a reacción están diseñados con una construcción muy sofisticada para un peso ligero específicamente para propulsar aviones. Estos diseños requieren la máxima potencia o empuje con el mínimo peso y la máxima eficiencia de combustible. Las turbinas de los aviones tienen cojinetes de rodillos y altas temperaturas de combustión que requieren una metalurgia exótica. Pueden funcionar con una variedad limitada de combustibles. Cuando un motor a reacción se utiliza en una aplicación industrial, debe estar acoplado a una turbina de potencia independiente para producir potencia en el eje.

Motores industriales pesados de turbina de gas

Los parámetros básicos de diseño de los motores industriales pesados de turbina de gas evolucionaron a partir de las turbinas de vapor industriales que tienen velocidades más lentas, rotores pesados y carcas más grandes que los motores a reacción para garantizar una mayor vida útil. Estas turbinas de gas son capaces de quemar la más amplia gama de combustibles líquidos o gaseosos.

Motores de turbina de gas industriales ligeros

Los parámetros de diseño básicos y la tecnología utilizada en las turbinas de las aeronaves pueden combinarse con algunos de los aspectos de diseño de las turbinas de gas industriales pesadas para producir una turbina industrial más ligera con una vida útil cercana a la de una turbina de gas industrial pesada. Estos motores se denominan motores de turbina de gas industriales ligeros.

Tipos de cámara de combustión

Cámara de combustión radial o anular

Esta cámara de combustión rodea las piezas giratorias de la turbina de gas y está integrada en la carcasa del motor (Fig. 6). Las turbinas de los aviones y las turbinas de gas industriales ligeras utilizan este diseño.

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  Fig. 6-Corte típico de una turbina de gas.

Combustor de latas

Se trata de un sistema de combustión simple o múltiple que está separado de la turbina en rotación como latas de combustión externas (Fig. 7). Los diseños que utilizan este tipo de cámara de combustión pueden quemar una gama más amplia de combustibles.

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  Fig. 7-Típica turbina de gas con cámara de combustión de latas (corte).

Configuración del eje

Eje único

La turbina de gas puede tener un diseño de eje único o de dos ejes. El diseño de un solo eje consiste en un eje que conecta el compresor de aire, la turbina productora de gas y la turbina de potencia como un solo elemento giratorio (Fig. 1). Este diseño es el más adecuado para aplicaciones de velocidad constante, como el accionamiento de generadores eléctricos para una frecuencia constante.

Dos ejes

El diseño de dos ejes tiene el compresor de aire y el productor de gas en un eje y la turbina de potencia en un segundo eje independiente. Este diseño proporciona la flexibilidad de velocidad necesaria para cubrir un mapa de rendimiento más amplio del equipo accionado de forma más eficiente. Esto permite que el productor de gas funcione a la velocidad necesaria para desarrollar la potencia requerida por el equipo accionado, como los compresores centrífugos o las bombas. La Fig. 6 muestra una vista en corte de una típica turbina de gas de dos ejes. Los componentes principales son el compresor, el sistema de combustión, la turbina productora de gas y la turbina de potencia. Este diseño incluye una turbina productora de gas de dos etapas y una turbina de potencia de dos etapas.

Grado de empaquetamiento

La norma para la mayoría de las turbinas de gas utilizadas en la industria consiste en incorporar la turbina de gas en un bastidor/patín base con todos los componentes necesarios para la unidad operativa básica. Esto incluye sistemas tales como:

• Sistema de arranque
• Sistema de combustible
• Sistema de lubricación
• Control local
• En algunos casos, la caja de engranajes y el equipo de accionamiento

Los sistemas adicionales requeridos desde el punto de vista operacional son todos ellos, por lo general, sistemas separados preconfeccionados que pueden ser suministrados y personalizados por el fabricante de la turbina. En esta categoría se incluyen sistemas como:

• Filtración/silenciamiento de la entrada de aire
• Enfriadores de aceite
• Sistemas de control remoto
• Cajas de atenuación acústica
• Silenciadores de escape

Emisiones de escape

El deterioro de la atmósfera por los contaminantes gaseosos es un importante problema medioambiental. La turbina de gas, por su diseño de ciclo básico, ofrece una combustión más limpia y produce un menor nivel de contaminantes en comparación con otros motores primarios, lo que supone una gran ventaja. Los contaminantes de las turbinas de gas que suelen estar regulados son:

• Óxidos de nitrógeno
• Monóxido de carbono
• Hidrocarburos sin quemar
• Partículas
• Dióxido de azufre

La solución a algunos de estos problemas de contaminación, aunque no a todos, se encuentra en la cámara de combustión de la turbina de gas. A continuación, un breve análisis.

Óxidos de nitrógeno (NOx)

Sólo dos de los siete óxidos de nitrógeno están regulados: NO y NO2, denominados colectivamente NOx. Casi todos los problemas de emisiones que afectan a los motores principales están relacionados con la producción de NOx y los controles de NOx. La turbina de gas es relativamente limpia en comparación con otros motores primarios. Por ejemplo, las turbinas de gas que queman gas natural suelen producir de 4 a 12 veces menos NOx por unidad de potencia que los motores alternativos. Sin embargo, los NOx son el principal factor a la hora de permitir las instalaciones de turbinas de gas.

El monóxido de carbono (CO)

El CO también se encuentra en un nivel muy bajo en el escape de la turbina debido al exceso de aire en el proceso de combustión. Por lo tanto, no suele ser un problema. Sin embargo, en algunas zonas en las que el nivel ambiental de CO es extremadamente alto o cuando se utiliza la inyección de agua para el control de NOx en la turbina de gas, el CO puede ser un factor a la hora de obtener permisos.

Hidrocarburos no quemados (UHC)

A diferencia de los motores alternativos que producen una cantidad significativa de UHC, las turbinas de gas producen una cantidad baja de UHC porque la gran cantidad de exceso de aire que interviene en el proceso de combustión de la turbina de gas quema completamente casi todos los hidrocarburos. En consecuencia, las emisiones de UHC rara vez son un factor importante a la hora de obtener permisos medioambientales para las turbinas de gas.

Partículas

No se han perfeccionado técnicas de medición de partículas que produzcan resultados significativos en los escapes de las turbinas de gas. Esto rara vez es un factor a la hora de obtener permisos para las turbinas de gas cuando se queman combustibles limpios en la turbina de gas.

Dióxido de azufre (SO2)

Casi todos los equipos que queman combustible, incluidas las turbinas de gas, convierten todo el azufre contenido en el combustible en SO2. Esto hace que el SO2 sea un problema del combustible más que un problema asociado a las características de la turbina. La única forma eficaz de controlar el SO2 es limitando la cantidad de azufre contenida en el combustible o eliminando el SO2 de los gases de escape mediante un proceso de lavado húmedo.

Control de emisiones

La necesidad de cumplir o superar las normas de emisión establecidas por los códigos federales, estatales y locales ha obligado a los fabricantes de turbinas de gas industriales a desarrollar turbinas de combustión más limpia. Se han desarrollado sistemas de emisión en seco con inyectores de combustible de premezcla pobre, tecnología de combustión especial y controles para reducir las emisiones de NOx y CO creando temperaturas máximas de llama más bajas y una oxidación más completa de los combustibles de hidrocarburos. Todos los fabricantes de turbinas de gas industriales tienen productos secos de bajas emisiones. El rendimiento varía según el producto individual debido a las diferencias en el diseño de la cámara de combustión.

Estos sistemas de combustión pobre reducen la formación de NOx y CO a niveles muy bajos, lo que hace innecesario el uso de costosos convertidores catalíticos de alto mantenimiento para eliminar los NOx y el CO después de su formación. En zonas de alto nivel de contaminación, puede ser necesario utilizar convertidores catalíticos selectivos en algunas turbinas de gas para reducir aún más el nivel de NOx y CO. El combustible elegido para la turbina de gas es el gas natural limpio y seco, que produce los gases de escape más limpios.

Calor de escape

Las turbinas de gas tienen la mayor parte de la pérdida de calor del ciclo saliendo por el escape. Este calor puede recuperarse y utilizarse para aumentar la eficiencia térmica global del combustible quemado. El método más común de uso del calor de escape es en la producción de vapor.

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