CAPITULO II 1

INTRODUCCION A LAS TURBINAS DE GAS

Como en el caso de cualquier motor, la turbina de gas, mas comúnmente denominada hoy en día turbina de combustión, opera utilizando un fluido operante (working fluid) para convertir la energía térmica (heat energy) en energía mecánica. El motor toma la energía mecánica y la pone en uso. La turbina de gas se distingue de la familiar turbina de vapor en tres aspectos principales:

La turbina de gas es un motor de combustión interna, a diferencia de la turbina de vapor, en el cual el combustible se quema en una caldera externa.

La turbina de gas utiliza un fluido operante diferente. Al igual que la

turbina de vapor, el nombre de turbina de gas se refiere a su fluido operante, es decir, algún tipo de sustancia gaseosa (generalmente aire atmosférico y productos de combustión). Un concepto erróneo común de las turbinas a gas es que su nombre se refiere al combustible que utiliza el motor, por ejemplo, gas natural.

La turbina de gas opera a altas temperaturas y bajas presiones,

mientras que la turbina de vapor generalmente opera a presiones relativamente altas y temperaturas relativamente moderadas.

CAPITULO II 2

Hay toda una serie de variaciones en los ciclos de turbinas de combustión. El más común de ellos consta de tres componentes principales: compresor, sistema de combustión y una turbina que esta acoplada mecánicamente al compresor. La potencia se desarrolla en la sección de la turbina y activa tanto el compresor como una carga externa a velocidad constante. En una variación de la turbina de combustión de ciclo simple, las funciones de hacer operar el compresor y activar el eje motor (output shaft) están separadas. La sección de la turbina esta dividida en una turbina de compresor y una turbina de potencia "libre", sin conexión mecánica entre ambas. Esta configuración es valiosa en situaciones en las que se pueda requerir variar la velocidad del eje motor. Con un motor de turbina libre, esto se puede hacer sin necesidad de un embrague. PRIMERAS TURBINAS DE COMBUSTION Y PROPULSION Aeolipilo:

Hero, de Alejandria, Egipto, aproxi-madamente el año 150 A.C., ha recibido los créditos por el primer dispositivo de propulsión a chorro el "AEOLIPILO". Este fue tan solo uno de una serie de inventos importantes atribuidos a Hero, entre los cuales se contaban un reloj de agua, un órgano hidráulico y una catapulta de aire comprimido. La historia ha dejado solo una descripción bastante vaga del "AEOLIPILO", pero aparente-mente consistía en una caldera suspendida sobre un fuego, de la cual salían dos tubos que llegaban a una esfera. La esfera estaba hecha de manera tal que podía rotar

alrededor de los tubos, propulsada por la reacción de vapor que salía de dos chorros que estaban montados en la esfera. La historia registra que este dispositivo estaba instalado para abrir las puertas de un templo. Aparentemente Hero se retiro en esas fechas y no hay otros desarrollos registrados en el campo de la propulsión a chorro hasta muchos siglos después.

CAPITULO II 3

Molino de Pisones de Branca: En 1629, Giovanni Branca anuncio la invención de lo que probablemente fue la primera turbina real. Una boquilla, montada en una caldera esférica, dirigía el vapor contra una rueda de turbina horizontal, que a través de un reductor de engranaje, movía un "stamp mili".

Carruaje a Vapor de Newton: Sir Isaac Newton, en su libro Philosophis Naturalis Principia Mathematica, incluía una ilustración de un carruaje propulsado a chorro conocido como el "Carruaje a Vapor de Newton". Sin embargo, se cree que el diseñador real del vagón a vapor fue el holandés William Jako Gravesaude. El conductor regulaba la velocidad por medio de una varilla que operaba una

válvula en la boquilla. Aunque se cree que Sir Newton construyo un modelo del vehículo, no hay mas información disponible sobre el mismo. Sin embargo, fue, y sigue siendo, una precisa demostración de la Tercera Ley del Movimiento de Newton: " para cada acción, hay una reacción igual y opuesta".

CAPITULO II 4

Turbina de Combustión de Barber:

En 1791, John Barber propuso y patento la primera turbina de combustión. Sin embargo, la idea de obtener movimiento rotacional directamente de una mezcla combustible, sin utilizar una caldera de vapor de mecanismo reciprocante, a pesar de resultar algo intrigante, fue algo que desafío la realización practica. Solo en el siglo veinte la turbina de combustión alcanzo el estado de desarrollo que la convirtió en una maquina de desarrollo de energía.

TURBINA DE COMBUSTION BASICA La operación de una turbina de combustión básica se ilustra en la figura siguiente, en la parte (A) se tiene un recipiente de aire comprimido con una abertura, es decir, una boquilla, a través de la cual el aire pasa hacia la atmósfera hasta que se agota la presión. Este flujo de aire breve y de alta velocidad, o sea, su velocidad a través de la boquilla, produce una fuerza de reacción momentánea suave. La presión y densidad del aire se aumentan por calentamiento, como se indica en (B). El resultado de estos aumentos es que el aire calentado que sale del recipiente tiene una alta velocidad, como lo indica la flecha larga, en comparación con el aire comprimido original, como lo indica la flecha corta. En (C), el aire calentado se muestra cuando se esa dirigiendo a una turbina, es decir, el aire esta chocando contra los alabes de forma aerodinámica que están conectados con el borde de un disco. Esto hace que la turbina rote alrededor de su eje longitudinal (centerline). Para suministrar un flujo de aire continuo, se hace una abertura en un extremo del recipiente, y una bomba mecánica, un compresor, se usa para forzar el aire en el recipiente a través de dicha abertura, como se muestra en (D). La turbina que esta siendo propulsada por aire a alta velocidad se usa, a su vez, para propulsar el compresor a través de un eje que conecta las dos partes rotatorias, como se muestra en (E).

CAPITULO II 5

Hasta este punto, el recipiente solo puede calentar el aire por medio de una fuente de calor externa. Sin embargo, una vez que se introduce el combustible y se prende dentro del recipiente, este se convierte en una cámara de combustión interna, como se muestra en (F). Cuando el aire comprimido entra en la cámara de combustión, refuerza el proceso de combustión y se calienta rápidamente. Luego sale por la boquilla en la forma de gas caliente a alta velocidad que choca contra los alabes de la turbina. Durante el proceso, parte de la energía disponible de los gases es convertida en trabajo útil por la turbina. Aunque la mayor cantidad del trabajo hecho por la turbina se usa para propulsar el compresor, parte del trabajo se utiliza para dar energía a una carga externa, como se muestra en (G).

CAPITULO II 6

Principios Básicos

Todas las turbinas de gas son variaciones del mismo principio básico, compresor-combustor-turbina. Antes de continuar tratando el tema energético es importante aclarar algunos conceptos físicos de gran importancia que nos ayudarán a comprender mejor la materia.

• La energía y la materia son dos caras de la misma realidad física, no se pueden separar. La suma de energía y materia es constante en el universo.

• La energía y la materia no se crean ni se destruyen, se transforman.

• La energía puede ser transformada, o pasar de una forma a otra sin destruirse. Sin embargo, cada vez que la energía se transforma de un estado a otro, la cantidad de energía disponible para realizar un trabajo disminuye, ya que una parte del flujo energético se ha perdido en forma de energía no disponible.

• La eficiencia es el coeficiente entre el trabajo efectuado por una máquina y el trabajo necesario para hacerla funcionar. Este concepto se hace extensible a cualquier transformación de energía. Para las leyes termodinámicas la eficiencia nunca puede ser superior a 1. También se expresa en valores de porcentaje (0-100%).

Aunque pueda parecer que dado que la cantidad de energía/materia del universo es constante, éstas se podrían utilizar tantas veces como

quisiéramos, esto no es cierto puesto que hay dos formas de energía/materia: una forma disponible y otra no disponible y la suma de

ambas es constante.

CAPITULO II 7

Primera Ley de Newton

La primera ley explica que una fuerza es necesaria para hacer que una turbina de gas funcione. La bola sobre la mesa no se moverá hasta que una fuerza actué sobre ella. Similarmente, hasta que el combustible y el aire mezclado no sea quemado, no existirá una fuerza que haga mover el rotor. Segunda Ley de Newton

CAPITULO II 8

La segunda ley explica que el aire debe ser comprimido y acelerado para crear una fuerza. En la figura, un martillo es usado para clavar un clavo. La fuerza necesaria para esto, es proporcional a la masa (peso) del martillo multiplicada por la velocidad que se le imprima. La masa y la aceleración afectan directamente la cantidad de la fuerza creada. Cuanta mas cantidad de aire que entre al compresor (masa) mayor será la fuerza creada por el proceso de combustión. Tercera Ley de Newton

La tercera ley explica como una fuerza de acción crea una fuerza de empuje (reacción) para la rotación del eje. En la turbina de gas la fuerza de empuje es la acción. Esta fuerza actúa directamente en los alabes de la turbina. Los alabes reaccionan a esta fuerza y mueven el rotor.

CAPITULO II 9

Leyes de la Termodinámica Las leyes termodinámicas explican los efectos del calor en la turbina Primera Ley Segunda Ley

Es muy fácil convertir energía mecánica en calor, con un rendimiento del 100 %, pero si se quiere convertir calor en energía mecánica, o sea, si se procura realizar trabajo a partir del calor, las cosas cambian de aspecto. No es posible lograr una eficiencia del 100 % en esa transformación. Es decir, en un proceso cíclico nunca se logra convertir en trabajo toda una cantidad de energía disponible bajo la forma de calor.

Cualquier sistema que recibe calor y suministra trabajo como resultado de transformaciones se denomina motor térmico. Su eficiencia termodinámica se expresa así: recibe calor de una fuente que se halla a temperatura determinada; convierte parte de dicho calor en trabajo, y devuelve el ambiente el remanente de calor no utilizado.

La energía y la materia no se crean ni se destruyen, se transforman

No todo el calor puede convertirse en trabajo durante un ciclo

CAPITULO II 10

Ley de Boyle

La compresibilidad de un gas es un factor importante en las características de las turbinas de gas ya que ellas usan aire comprimido para la combustión.

Ley de Charles

Esta ley explica la expansión de los gases cuando el calor es añadido por la combustión. En las turbinas de gas los gases expandidos por el calor actúan sobre los alabes de la turbina y hacen girar el rotor.

CAPITULO II 11

CICLO DE LA TURBINA DE GAS SIMPLE

El ciclo de la turbina a gas es el ciclo Joule o Brayton. Este se ilustra en la figura T.1. en un diagrama p-V y uno T-S. Consta de las siguientes evoluciones:

CAPITULO II 12

• En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 según una

adiabática (idealmente sin roce, normalmente una politrópica con roce).

o Luego el aire comprimido se introduce a una cámara de combustión. Allí se le agrega una cierta cantidad de combustible y este se quema. Al producirse la combustión se realiza la evolución 2-3. Típicamente esta es isobárica (o casi isobárica, pues se pierde un poco de presión por roce). Como a la cámara de combustión entra tanto fluido como el que sale, la presión casi no varía. La temperatura T3 es una temperatura crítica, pues corresponde a la mayor temperatura en el ciclo. Además también es la mayor presión. Por lo tanto los elementos sometidos a T3 serán los más solicitados.

• A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión

ambiente. Esta expansión la debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3 a 3') el trabajo de expansión se recupera en una turbina que sirve para accionar el compresor. En la segunda fase (de 3' a 4) existen dos opciones:

o Si entre 3' y 4 se instala una turbina, el trabajo de expansión se

convierte en trabajo mecánico. Se trata de un turbopropulsor o lo que comúnmente se llama turbina a gas.

o Si entre 3' y 4 se sigue con la expansión de los gases en una

tobera, el trabajo de expansión se convierte en energía cinética en los gases. Esta energía cinética sirve para impulsar el motor. Se trata de un turboreactor o lo que comúnmente se llama un motor a reacción.

CAPITULO II 13

• Finalmente los gases de combustión se evacuan a la atmósfera en 4. La evolución 4-1 es virtual y corresponde al enfriamiento de los gases hasta la temperatura ambiente.

Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible realizarlo como ciclo cerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le extrae. También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un aporte de calor entre 2 y 3. Esto se ha hecho en algunos motores en que se opera según un ciclo Brayton. La cantidad de trabajo que se produce durante el Ciclo Brayton esta directamente relacionada con la cantidad de calor agregado al fluido operante por el combustible. Un examen de la termotransferencia (heat transfer) que tiene lugar durante el ciclo, indicara el trabajo que el gas puede producir. Puesto que el calor esta indicado tanto por la temperatura como por la entropía* el ciclo Brayton para un motor de turbina de gas ideal se puede representar gráficamente con un diagrama de temperatura-entropía, como se muestra en la siguiente figura. (Un motor "ideal" es aquel que no tiene perdida mecánicas).

Explicación: La única indicación física de termotransferencia es un cambio de temperatura. Sin embargo, la temperatura por si misma es insuficiente para describir el calor. De la misma forma en que la presión debe tener área para describir una fuerza, la temperatura tiene que tener un factor adicional para describir el cambio en el calor. Este factor adicional se llama entropía. Esta relación se expresa con la ecuación Dq=T(s)dS donde "Q" es el calor en

CAPITULO II 14

Btu/lb; "T" es la temperatura en grados Rankine, ºR, (expresados como función de S); y "S" es entropía en Btu/lb-R. En la figura anterior, la temperatura en grados Rankine, (ºF+460=ºR) se muestra en el eje vertical, y la entropía, en Btu/lb-°R, en el eje horizontal. En el diagrama también se muestran varias líneas de presión constante. Examinando aun más el ciclo Brayton con la ayuda de la figura superior, El Punto 1 describe la temperatura ambiente y la presión del aire antes de su uso en el ciclo. La turbina de combustión aspira aire en estas condiciones y lo comprime a cierta presión de trabajo (working pressure). Un aumento de la presión hace que la temperatura del aire también aumente. El resultado se muestra como cambio del Punto 1 al Punto 2. Obsérvese que el camino mostrado es vertical. La razón de esto es que el proceso ideal de compresión es isentrópico, lo que significa que no hay termotransferencia al aire o desde el aire. Por lo tanto, aunque la temperatura del gas puede cambiar en el proceso, su entropía no cambiara. La tasa de trabajo (Wc) durante esta compresión es el producto de la tasa de flujo de masa (m) del fluido y el cambio de entalpía (h) desde el Punto 1 al Punto 2.

Wc = m(h2-h1)

Después de la compresión el aire pasa al sistema de combustión, donde tiene lugar una adición de calor. El aire se mezcla con combustible y se enciende la muestra, produciendo un alto aumento de temperatura. La adición tiene lugar a presión constante, por lo tanto el proceso se muestra en ambas ilustraciones como un cambio del Punto 2 al Punto 3. La tasa de adición de calor (QA) es igual al producto de la tasa de flujo de masa y el cambio de entalpía del Punto 2 al Punto 3.

QA = m (h3-h2)

Cuando la mezcla entra en la sección de la turbina, su presión cae cuando se expande (de nuevo isentropicamente) en los alabes de la turbina. Esto hace que gire el disco al cual están fijados los alabes. El gas continúa expandiéndose hasta que la presión vuelve a bajar a presión ambiente. La caída de presión con la expansión y la concomitante baja de temperatura se muestran en el cambio del Punto 3 al Punto 4. La expansión del fluido de alta energía durante este segmento de "trabajo" del ciclo resulta en una tasa de trabajo (WT) igual al producto de la tasa de flujo de masa y el cambio de entalpía del Punto 3 al Punto 4, o

WT = m (h3-h4)

La temperatura de la muestra en el Punto 3 sigue siendo alta en comparación con la temperatura ambiente, indicando que sigue existiendo una cantidad significativa de energía térmica. Este calor es rechazado cuando la mezcla se

CAPITULO II 15

enfría a temperatura ambiente, mostrado por el camino desde el Punto 4 al Punto 1. La eliminación del calor (QR), después de la expansión de trabajo, es igual al producto de la tasa de flujo de masa por un cambio de entalpía del Punto 4 al Punto 1, o:

QR = m (h4-h1)

El trabajo disponible del ciclo (WT) es igual al calor agregado (QA) menos el calor eliminado (QR). La eficiencia térmica del ciclo es la relación entre esta cantidad y el calor agregado, o:

Eficiencia Térmica = QA-QR/QA

De manera que

( ) ( )( )( )

( )( )23

14123

1423hhhh

hhmhhhhmTérmicaEficiencia

−−

−=−

−−−=

Esta eficiencia debe necesariamente ser menor del 100%, incluso en un ciclo ideal, debido a los procesos irreversibles (no isentrópicos) de la adición de calor y la eliminación de calor. Al calcular los valores de temperatura y presión en esos puntos, se puede llegar a una eficiencia térmica ideal "promedio" del 40%. Por supuesto, dicha eficiencia ideal presupone una eficiencia del 100% de motor.

Examinando gráficamente el ciclo, el calor agregado por la inflamación del combustible (QA) esta representado por el área bajo la curva entre el Punto 2 y el punto 3.

El calor eliminado hacia la atmósfera a través del escape (QR) esta representado por el área bajo la curva entre los puntos 1 y 4. El área restante, es decir, el área sombreada, es la potencia disponible (power output) especifica neta (WT en kW/lb) y la proporción entre esta área y el área total bajo 2-3 es la eficiencia térmica. Cualquier cosa que se pueda hacer para aumentar esta proporción aumentara la eficiencia térmica general del ciclo. Un método obvio es aumentando la relación de presión (la relación entre presión de trabajo y la presión ambiente).

CAPITULO II 16

Ciclo de Brayton Ideal vs Real

2 → 2’ : Pérdidas Aerodinámicas en el compresor 3 → 3’ : Caída de Presión en el Combustor 4 → 4’ : Pérdidas Aerodinámicas en la Turbina

Presión y Temperatura en la Turbina de Gas

1

2

3

4

T

S

1

2

3

4

T

S

1

2

3

4

T

S

3’

2’

4’

1

2

3

4

T

S

3’

2’

4’

CAPITULO II 17

Flujo de Energía de Ciclo Simple: En la figura inferior se muestra un análisis del flujo de energía de turbina de combustión de ciclo simple. Comienza en la entrada del compresor, donde el aire que entra tiene arbitrariamente asignado un nivel de energía de cero. Durante la compresión, el trabajo desarrollado para girar el compresor se transforma en el aire, aumentando su nivel de energía. En el combustor se libera la energía térmica del combustible, aumentando la energía interna del aire al máximo del ciclo. Este aire altamente energizado se introduce a la turbina, donde una parte de su energía se convierte en trabajo mecánico para girar el compresor y el eje. El resto de la energía, bastante más de la mitad, se disipa a la atmósfera a través del escape. Del trabajo útil hecho expandiendo el aire, aproximadamente dos terceras partes se dirigen a mover el compresor para mantener el ciclo, y solo queda una tercera parte para hacer trabajo externo. Esta proporción es aproximadamente el promedio para cualquier ciclo donde los gases calientes generan directamente la potencia mecánica.

CAPITULO II 18

Factores que Afectan el Performance de las Turbinas de Gas

Debido a que las turbinas de gas utilizan aire para su funcionamiento y la naturaleza de este depende de las condiciones ambientales, los fabricantes de las turbinas utilizan estándares en el diseño de estas con el fin de tener métodos de comparación entre ellas.

Las condiciones atmosféricas estándar usadas en la industria de las turbinas de gas son 59ºF/15ºC, 14,7 psig/1,013 bar y 60% de humedad relativa, estas son establecidas por la “Internacional Standard Organization” (ISO) y comúnmente llamadas condiciones ISO.

Temperatura del Aire y Altitud

Como la turbina de gas es una máquina que utiliza aire, el performance de esta es afectado por efecto de la densidad y masa del aire que esta entrando al compresor. A continuación podemos observar como la temperatura del aire afecta la potencia, heat rate, el consumo de calor y el flujo de escape en una turbina de gas en particular, Cada modelo de turbina tiene sus propias curvas, estas dependen de los parámetros del ciclo y la eficiencia de los componentes. Así mismo, la altitud o presión barométrica. La densidad del aire se reduce cuando se incrementa la altitud y viceversa.

CAPITULO II 19

Humedad

Similarmente, la humedad del aire también afecta las características de funcionamiento de las turbinas de gas. A continuación tenemos una grafica de este parámetro.

CAPITULO II 20

Inyección de Vapor

Pérdidas por Caída de Presión en la Entrada y la Salida

Insertando un sistema de filtración de aire, silenciadores, enfriadores evaporativos y chillers en el sistema del aire entrada o dispositivos recuperadores de calor en la salida causa una pérdida de presión en el sistema. Los efectos de esta pérdida de presión son únicos para cada diseño de turbina.

CAPITULO II 21

VARIACIONES DEL CICLO

Ciclo Regenerativo:

Debido a que gran parte de la energía térmica desarrollada en la turbina de gas de ciclo simple se queda en el aire de escape, se ha prestado atención considerable a la recuperación de esta energía y a su aprovechamiento para trabajo útil. Como resultado de ello se ha desarrollado una variación del ciclo simple llamada ciclo regenerativo o recuperativo. En este sistema, el calor del aire de escape se transfiere al aire presurizado que entra al combustor. Esta transferencia se hace pasando el aire de escape a través de un intercambiador de calor, llamado regenerador o recuperador, antes de que escape a la atmósfera. De esta forma, el aire que entra al combustor es mas caliente y no es necesario quemar tanto combustible para aumentar su temperatura al nivel de "trabajo" óptimo. Otro beneficio del sistema regenerativo es que el aire que finalmente sale a la atmósfera es más frío que en el sistema de ciclo simple.

El diagrama de temperatura-entropía de un ciclo regenerativo ideal se muestra en la próxima hoja. El Punto 2' es el nivel de energía al cual el aire de escape aumenta el aire de salida del compresor. De manera similar, el Punto 4' es el nivel hasta el cual se baja el aire de escape por medio de intercambiador de calor. Por lo tanto, con la regeneración, el ciclo de eficiencia se convierte en:

CAPITULO II 22

( ) ( )( )( )

( )( )'23

1'41'23

1'4'23hhhh

hhmhhhhmTérmicaEficiencia

−−

−=−

−−−=

Debido a la termotransferencia. Viendo los niveles de entalpía relativa, se puede observar que la eficiencia mejora.

Viendo el ciclo gráficamente, se observa que el calor eliminado a la atmósfera (QR) disminuye desde el área debajo de la curva 1-4 al de 1-4'; y que el calor agregado quemando combustible (QA) disminuye del área bajo 2-3 al de 2'-3. Un factor importante a considerar en la evaluación de los beneficios del sistema regenerativo es la relación de presión, es decir, cuanto aire se comprime cuando pasa a través del compresor. Al aumentar la relación de presión, también aumenta la temperatura del aire comprimido. Esto limita la cantidad de calor que puede transferirse al aire comprimido desde el aire de escape, disminuyendo la ventaja de eficiencia del sistema. Finalmente, la relación de presión se puede aumentar hasta un punto en el que la temperatura sube por encima de la del aire de escape, resultando en una termotransferencia negativa y en una eficiencia menor que la del ciclo simple, como se muestra en la figura inferior.

CAPITULO II 23

Ciclo con Recalentamiento:

Eficiencia Trabajo Específico

η =− + −− −

2 1 22

t c t ct c t c

//

WC T

t c tc

where c rp 1

1

2 1 2= − + −

= −( ) /γ γ

CAPITULO II 24

Ciclo Regenerativo:

Ciclo Simple con Caldera de Recuperación

Las plantas más modernas que utilizan turbina a gas, especialmente aquellas de ciclo de operación de base o intermedia, aprovechan los gases de salida de la turbina en una caldera de recuperación y generan el vapor requerido por las turbinas de vapor para generación eléctrica adicional, se tiene así el llamado ciclo combinado. Adicionalmente, la caldera puede ser proyectada para quemar combustible suplementario, por lo que baja relativamente su eficiencia pero obtiene un incremento de potencia.

CAPITULO II 25

Ciclo Combinado

El ciclo combinado es una de las tecnologías más promisorias disponibles para generar energía eléctrica en forma económica, eficiente y limpia para el ambiente, utilizando cualquier combustible fósil económicamente disponible: derivados de petróleo, gas natural o carbón. Una planta de energía de ciclo combinado recibe este nombre porque combina una turbina de combustión con una turbina de vapor, trabajando juntas en una sola instalación para un máximo de eficiencia. Los gases calientes de escape provenientes de la turbina a combustión, en lugar de ser ventilados a la atmósfera, pasan por un intercambiador de calor denominado generador a vapor recuperador de calor (HRSG). El vapor producido en el HRSG llega a la turbina a vapor a producir energía adicional. La operación en ciclo combinado puede producir cerca del 50% de potencia adicional y elevar de 6% a 15% la eficiencia cuando es comparada con plantas térmicas convencionales de combustible fósil y del orden de aproximadamente +20% respecto de turbinas de gas a ciclo abierto. La elevada eficiencia de los ciclos combinados los torna aptos para operación de base.

Típicamente por cada dos megawatts de energía generada por la combustión del generador TG se puede obtener un megawatt adicional por la turbina de vapor, usando esencialmente la energía del escape de la turbina de gas.

CAPITULO II 26

Ciclo Combinado con Turbina de Extracción Las instalaciones de cogeneración, no obstante su baja flexibilidad operativa y su dependencia del proceso industrial asociado a ellas, presentan un bajo consumo específico, inferior al correspondiente a instalaciones similares destinadas solamente a la generación de electricidad. Debido a esto resultan muy convenientes para el suministro de energía a la red. Su empleo implica una conservación de recursos primarios, generalmente no renovables, variable según la instalación, y que puede ser por ejemplo del 30%, lo cual se traduce directamente en una reducción de la emisión de elementos contaminantes al medio ambiente. Estado de la Técnica de Turbinas a Gas

La sobrecapacidad actual de los fabricantes de turbinas a gas y la dura competencia por los nuevos mercados han hecho desplomarse los precios de las turbinas de gas y de las centrales de ciclo combinado las que han bajado cerca de un 50% en los últimos cinco años.

El mercado exige a los fabricantes el cumplimiento de los siguientes objetivos:

CAPITULO II 27

• Mayores unidades de bloques, es decir aumento de la potencia unitaria y de la potencia específica.

• Aumento de la disponibilidad y prolongación de la vida útil. • Menores inversiones iniciales y reducciones en los costos de

mantenimiento. • Mejoras de rendimiento global • Reducción de la carga medioambiental. • Bajos costos de capital.

Esto en un marco de poca disposición a utilizar tecnologías no probadas. Por esos motivos se está tendiendo a introducir cambios evolucionarios antes que revolucionarios, aunque las presiones comerciales aceleran el proceso y los convierten en revolucionarios.

A estas exigencias los fabricantes han respondido con instalaciones que presentan:

• Altos rendimientos en ciclos combinados, del orden del 54 al 58 %. • Altos valores de confiabilidad y disponibilidad logrados (del orden del

95 % de disponibilidad y 98 % de confiabilidad) • Bajo impacto ambiental. Los avances en el diseño del sistema de

combustión han disminuido las emisiones de NOx a 25 ppm para las nuevas temperaturas y este nivel puede bajar 15 ppm en un futuro próximo.

• Posibilidades de implementación del ciclo combinado en fases, comenzando por las turbinas de gas con sus alternadores en una primera fase, y en una fase posterior los generadores de vapor y la turbina de vapor con su alternador.

Particularmente en lo que hace a las tasas de disponibilidad, el perfil registrado en los últimos años es aproximadamente el siguiente:

En la figura puede observarse el desarrollo del rendimiento térmico en las centrales de ciclo combinado.

CAPITULO II 28

TA Temperatura Admisible de Alabes TIT Temperatura de Entrada de las TG CC Colada Convencional de Alabes SO Solidificación Orientada TM Tecnología Monocristalina

El incremento de la potencia unitaria y del rendimiento se consigue trabajando sobre el proceso mismo de la turbina a gas y sobre los parámetros del mismo. En el proceso clásico de las turbinas a gas el aumento de la potencia unitaria y del rendimiento se consigue a través del flujo másico, de la temperatura de admisión de la turbina y de las correspondientes presiones.

En las figuras anteriores se muestra de manera muy clara cómo ha aumentado la temperatura de entrada de las turbinas en el transcurso de los últimos años, las temperaturas admisibles de los materiales y el rendimiento térmico de las centrales de ciclo combinado. Para conseguir una turbina a gas un rendimiento térmico del 38% o del 58% en una central de ciclo combinado, es condición ineludible incrementar la temperatura de combustión adecuando la refrigeración de aquellos componentes que conducen los gases de combustión. El mayor consumo de aire de refrigeración implica el riesgo de NOx puesto que se reduce el factor aire en la combustión primaria.

CAPITULO II 29

Tal como mencionáramos anteriormente, buena parte de la tecnología utilizada para estos logros es la directa aplicación de la utilizada en turbinas de aviación, basada en tres elementos principales:

• Algoritmos de computación para cálculos aerodinámicos muy eficientes que permiten analizar y diseñar configuraciones de alabes y otras partes de la turbina en plazos breves obteniendo los mejores diseños. Estos avances son considerados como los más importantes y mayores responsables de las performances de las turbinas en los últimos años.

• Materiales muy sofisticados que resisten altas temperaturas (del orden de 2580 ºF, 1417 ºC).

• Técnicas de refrigeración de alabes muy efectivas.

En la búsqueda de incrementos en los rendimientos se ha recurrido a incrementar el diámetro de las etapas de la turbina, lográndose incrementos en el flujo del 25 % con respecto a modelos anteriores. El diseño de los alabes del compresor, mejorado por las herramientas de computación, ha permitido minimizar pérdidas, maximizar el flujo y conseguir mejores relaciones de compresión, en algunos casos reduciendo inclusive el número de etapas, reduciéndose por consiguiente las necesidades de refrigeración. El aumento de la presión de compresión permite incrementar la eficiencia.

Otro fabricante ha introducido un esquema de combustión secuencial, con dos cámaras de combustión, en una misma turbina, usando el aire comprimido en el ciclo dos veces antes de su descarga, materializando de esta forma un ciclo de gas con recalentamiento, lo que conduce a una mayor eficiencia.

En una primera cámara de combustión el aire impulsado por el compresor a una presión de 30 bar, se calienta con una parte del combustible y a continuación se expande parcialmente en la turbina de alta presión. Estos gases pasan luego a la segunda cámara de combustión, en la cual la parte restante de combustible provoca un nuevo recalentamiento, llevándolo al

CAPITULO II 30

mismo nivel de temperatura que alcanzaba originalmente. Estos gases calientes se expanden en la turbina a baja presión, hasta una presión prácticamente equivalente a la del ambiente, saliendo de la turbina a una temperatura del orden de 620ºC. Pasan luego, en los ciclos combinados, a la caldera de vapor de recuperación, en la cual el intercambio de calor con el proceso de vapor acoplado a continuación, permite extraerles la energía residual hasta la temperatura de chimenea, del orden de 100ºC. Lo cual permite llegar a eficiencias del 58%. ( Ej. ABB, etc.)

En este caso el incremento del rendimiento se basa en el aumento de la presión de compresión y en la utilización de una combustión secuencial y no solamente mediante la elevación de la temperatura de entrada de los gases de combustión. Lo anterior permite limitar la mencionada temperatura, requiriendo por lo tanto materiales y diseños menos sofisticados y en consecuencia un mantenimiento menos oneroso.

Desde 1990 el costo específico de las centrales de ciclo combinado se ha reducido, debido a un número de razones que incluyen:

• Mejoras y estandarización del diseño de las centrales por parte de los fabricantes, como se indicó.

• Turbinas a gas con temperaturas de quemado más elevadas, y por lo tanto potencias mayores, han resultado en menores costos específicos.

• Competencia del mercado, como causa primaria de la búsqueda de mayores eficiencias.

En algunos países, como Estados Unidos, con abundante carbón, se ha estado investigando para lograr la conjunción de los altos rendimientos de las turbinas de gas con la abundancia de ese recurso. Para ello se ha estado investigando la posibilidad de convertir al carbón de combustible sólido en uno gaseoso y luego purificarlo lo suficiente como para que se pueda utilizar en la turbina a gas. Los análisis a partir de resultados obtenidos indican que, combinando este proceso de gasificación del carbón con una central de ciclo combinado de rendimiento 60 %, se podría llevar el rendimiento de estos equipos desde el 42 % hasta el 52 %.

El proceso tecnológico se denomina Ciclo combinado de Gasificación Integrada IGCC (Integrated Gasification Combined Cicled) porque integra una planta de ciclo combinado con un gasificador que produce el combustible utilizado en la TG.

Las plantas IGCC utilizan una combustión en dos etapas, con una limpieza entre etapas.

La eficiencia ganada al utilizar un ciclo combinado compensa la energía utilizada en la gasificación del carbón.

CAPITULO II 31

La ceniza es vitrificada en una masa vidriosa no soluble, de modo que los materiales peligrosos no se pueden disolver ni lixiviar en el suelo. Incluso las cenizas son utilizadas como material de construcción o carga en el asfalto de rutas.

En Diciembre/94 Siemens alcanzó por primera vez el record de eficiencia de 38% en ciclo simple y 58% en ciclo combinado. Actualmente diversos fabricantes provén turbinas de gas que operando en ciclo combinado alcanzan eficiencias netas de 58%.

La tendencia es en un futuro no muy lejano alcanzar rendimientos del orden del 60 % (1430 kcal/kWh). Uno de los problemas a resolver es lograr funcionamientos a temperaturas del orden de 2600 ºF (1430 ºC), existiendo ya turbinas que funcionan a temperaturas cercanas a esa.

Existen actualmente desarrollos en fase de experimentación que permitirán alcanzar eficiencias netas del 60% en turbinas de trabajo pesado operando en ciclo combinado y de 39,5% en ciclo simple. Este desarrollo se basa en la optimización del diseño del compresor, sistema de combustión y turbina aplicando la experiencia desarrollada en turbinas de avión.

El compresor es directamente construido a escala, con un factor de valor aproximadamente igual a 3, respecto de un compresor de turbina de avión de desempeño suficientemente comprobado.

El sistema de combustión se basa en un diseño modificado respecto de combustores cuyo funcionamiento ha sido satisfactoriamente comprobado en diversas instalaciones. Se aumentó el diámetro del combustor, en aproximadamente un 20 %, al efecto de alcanzar los requerimientos de incremento de caudal.

La turbina es un desarrollo de nueva tecnología. En la primera etapa, se emplearon alabes de aleación monocristalina, las restantes etapas están constituidas de aleación direccionalmente solidificada. La primera y segunda etapa se refrigeran con vapor, la tercera con aire y la cuarta no se refrigera. La primera etapa también emplea un novísimo desarrollo de recubrimiento de barrera térmica.

Cuando se utiliza aire para enfriamiento de las turbinas, el mismo, al ser inyectado en el flujo de gases calientes, provoca turbulencias que significan pérdida de eficiencia y de potencia de salida. La utilización de vapor como elemento de refrigeración para alabes de turbina provoca menos perturbaciones en el flujo de gases calientes lo cual, junto a las mejoras en los materiales (aleaciones) y a los recubrimientos utilizados como barreras térmicas en los alabes, permite alcanzar esas temperaturas de trabajo. El vapor utilizado se toma de la salida de la etapa de alta presión de la turbina de vapor, el que se introduce en las partes fijas y móviles de la

CAPITULO II 32

turbina a gas (en las partes móviles a través de los sellos del eje y el rotor), el cual es luego recuperado y devuelto al ciclo de vapor.

Se espera que en poco tiempo más se puedan lograr rendimientos del orden del 60 %.

Algunos de estos avances provienen de los esfuerzos realizados por fabricantes en conjunto, como el caso de Westinghouse (Estados Unidos), Mitsubishi (Japón) y Fiat Avio (Italia), los que en el modelo 501G de 230 MW anuncian la incorporación de super aleaciones metálicas, alabes de rotor solidificados direccionalmente y recubrimientos que actúan como barrera térmica, además de lograr bajas emisiones de NOx.

Muchos expertos consideran que los fuertes avances en la tecnología de turbinas a gas de esta última década no se repetirán en la próxima, una de cuyas razones es que el incremento de la temperatura de los gases que ingresan a la turbina puede estar llegando a un límite, ya que los materiales que se necesitan para soportar tales temperaturas están en el límite de lo alcanzable. Los especialistas deben lograr una solución de compromiso entre resistencia a la corrosión, fatiga mecánica y térmica. Las superaleaciones utilizadas varían según el fabricante, pero generalmente están basadas en níquel o cobalto, con otros materiales tales como cromo, molibdeno, tungsteno, titanio y aluminio.

Los fabricantes indican que algunos de estos metales pueden operar confiablemente a temperaturas de algunos cientos de grados por debajo de su punto de fusión, pero la experiencia operativa con algunos modelos recientes de turbinas de gas muestran que muchos de los componentes de la turbina que están en la senda de los gases de combustión, no alcanzan el tiempo de vida útil esperado. Los alabes de la turbina a menudo fallan antes de las 50000 horas, tiempo típico de vida útil, e inclusive algún experto ha sugerido que estas partes de la turbina sean consideradas como elementos consumibles. Generalmente el mayor problema en las turbinas a gas utilizadas en carga base resulta el daño en los alabes y vanos de la primera etapa de las mismas.

Algún fabricante indica que en sus turbinas es posible reemplazar alabes de rotores y vanos con el rotor colocado, mientras que otros ofrecen la posibilidad de inspección de la traza de gases de combustión sin necesidad de abrir la turbina pero, en resumen, parece que las tareas de mantenimiento de estas partes de la turbina habrá de incrementarse en las turbinas modernas.

Debido a las limitaciones de la metalurgia, muchos fabricantes de turbinas de gas confían en mejorar los rendimientos de sus equipos mediante la utilización de materiales cerámicos, ya que permiten trabajar con

CAPITULO II 33

temperaturas más elevadas y por lo tanto permiten mejorar la eficiencia y performance.

Sin embargo, antes que esos materiales se puedan utilizar como alabes de turbinas, se debe mejorar su confiabilidad, su resistencia, se debe comprender mejor su comportamiento frente a la corrosión y se deben reducir sus costos de fabricación. Por todo ello, la mayoría de los expertos consideran que la producción en serie de componentes cerámicos no puede esperar.

Adicionalmente a los nuevos materiales, la performance de las turbinas a gas se ha mejorado mediante nuevas técnicas de fabricación. En particular, mediante el proceso de "solidificación direccional" aplicado al fundido y moldeado del material al vacío, se mejora la elasticidad longitudinal de las palas, mejorando su resistencia a la fatiga, y permitiendo trabajar con mayores temperaturas, aunque serán necesarios años de operación de estos equipos para comprobar estas suposiciones.

Todavía se puede conseguir mayor incremento en la temperatura de trabajo y mejor resistencia a la fatiga, mediante la utilización de materiales monocristalinos (single cristal), procedimiento que con el agregado de tratamiento térmico, consigue una mayor homogeneidad y consigue una mejor estructura específica de material. Este tipo de procedimiento ya está en uso en las turbinas de aviación.

Su uso en turbinas a gas estáticas requiere aún de mayores desarrollos, entre otras cosas por el tamaño, peso, menor pureza del combustible y tiempo de vida útil significativamente mayor que se requiere de las mismas.

Al mismo tiempo, se han desarrollado cubiertas protectoras para proteger alabes y vanes de los inevitables procesos de oxidación y corrosión que se generan a elevadas temperaturas de combustión. Estas cubiertas aseguran la integridad del material no sólo de los efectos químicos sino también de los térmicos de los gases de combustión.

Las capas protectoras térmicas se han usado durante años en las turbinas de aviación de alto rendimiento, y en general son de dos capas: la externa de cerámica la cual, por su baja conductibilidad térmica reduce el flujo de calor al metal del alabe, en general de materiales de coeficientes de dilatación térmica equivalentes a los de los metales y una capa interna de unión de la cerámica con el metal. Los dos mecanismos de falla de estas capas son: el escamado, que se produce como consecuencia del shock térmico inducido por esfuerzos transitorios incompatibles entre las superficies interna y externa del material cerámico y el descascarado causado por el crecimiento de óxido en la capa de unión con el metal de base, que se oxida como consecuencia de la difusión de oxígeno a través de la capa cerámica.

CAPITULO II 34

Debido a restricciones en lo que respeta a contaminación ambiental, los combustores de baja emisión de NOx constituyen uno de los más importantes avances en la tecnología de turbinas de gas. Sin embargo, estos logros tienen impactos negativos en el desempeño de las mismas.

Existen problemas de inestabilidad de la llama causados por la necesidad de utilizar mezclas aire-combustible más pobres que con los combustores de difusión convencionales. La combustión se realiza en múltiples ubicaciones con una secuencia precisa y en este complejo proceso, la llama es susceptible de oscilar, lo que puede producir vibraciones y ruido inaceptables, y además afectar la vida útil y la confiabilidad de la turbina. Se utilizan controles por computadora para lograr un control preciso de la mezcla aire - combustible. El premezclado constituye además un paso importante en lo que se refiere a la eficiencia del quemado de combustible.

Debido a estas necesidades, de adecuado control para lograr una apropiada operación de la turbina, nos lleva a la necesidad de utilizar sistemas de control por computadora, en cuyo caso sus eventuales fallas conducen a fallas en el funcionamiento de la turbina.

Todo esto trae aparejado una mayor rigidez en el uso de distintos tipos de combustibles, ya que el diseño se optimiza para el uso de gas natural. De producirse un incremento en los costos, podría darse la necesidad de tener que utilizar otros combustibles, como el caso de carbón gasificado, el diseño de combustores para lograr el quemado de gas natural con bajas emisiones de contaminantes imponen restricciones en el uso de otros tipos de combustibles. Por otra parte, los recubrimientos protectores térmicos pueden ser muy susceptibles a las más mínimas impurezas del combustible utilizado.

Por todo esto, existen algunas dudas en lo que se refiere a la bien ganada reputación de confiabilidad de las turbinas de gas modernas.

El ciclado de las centrales impone más esfuerzos térmicos que la operación en régimen permanente, ya que los transitorios de temperatura que resultan de los arranques y paradas, tienden a perjudicar a los componentes del camino de los gases de combustión, causando fatiga termomecánica de los metales base. De acuerdo con muchas fuentes, cada arranque acorta la vida útil de una turbina a gas en el equivalente a 10 horas de funcionamiento en régimen permanente, mientras que cada parada de emergencia afecta a la turbina en el equivalente a 10 arranques normales, (por lo que un ciclo parada intempestiva-arranque representa 100 hs. de funcionamiento continuo).

Mientras que algunos fabricantes buscan avances tecnológicos de las turbinas de gas y ciclos combinados relacionados con el aumento de la temperatura de combustión y el mejoramiento de los componentes de la turbina, otros utilizan diversos enfoques relativos a combinaciones de nuevos

CAPITULO II 35

y sofisticados ciclos de combustión, como refrigeración intermedia del aire del compresor, precalentamiento de mezcla combustible antes de ingresar a los combustores mediante recuperación de calor de los gases de escape, y ciclos que utilizan recuperación química, en la cual una parte de los gases de combustión se comprime y mezcla con combustible, se calienta con calor extraído de los mismos gases de escape, causando una reacción endotérmica entre el metano y la mezcla de CO2 y agua de los gases.

En la turbina de aire húmedo (humid-air turbine, HAT), se mezcla vapor de agua con el aire comprimido, llevado a los combustores y expandido junto con los gases de combustión, resultando en vapor que aumenta la masa que fluye por la turbina.

Este ciclo ha sido modificado levemente para crear la turbina avanzada humidificada en cascada (Cascaded Humidified Advanced Turbine, CHAT) en la que la expansión del fluido humidificado ocurre a través de un sistema en cascada en dos etapas de turbo expansores.

En general, las unidades de ciclo combinado se han construido bajo la forma de contrato llave en mano y cotizadas a precios unitarios en $/kW instalado. Sin embargo, el precio puede variar considerablemente dependiendo del tamaño, necesidades específicas de la localización, ubicación geográfica y condiciones de competencia en el mercado.

En 1990, el costo para una central de ciclo combinado estaba en el orden de 600 $/kW para una central del orden de 250 a 700 MW y en el orden de 750 $/kW para potencias menores a 100 MW.

En el año 2000 los precios para las centrales de ciclo combinado a gas natural estaban en el orden de 340 $/kW a 420 $/kW para centrales de potencia del orden de 350-700 MW.

Actualmente el rendimiento de las unidades TG y CC ha crecido significativamente llegando a valores del 58% (1500 kcal/kWh) en centrales de 600 a 800 MW en una configuración de dos TG, dos calderas de recuperación y una TV.

En lo que se refiere a ciclos abiertos, las tendencias son a rendimientos del orden de 39.5 % (2180 kcal/kwh), aunque dada la competencia por lograr rendimientos cada vez menores, necesarios para competir en mercados con precios que se reducen, no se estima como factible, en el período en análisis, la incorporación de TG a ciclo abierto.

CAPITULO II 36

Ciclo de Inyección Agua/Vapor:

Como se indico anteriormente, la tasa de trabajo (WR) de una turbina de combustión es proporcional a la tasa de flujo de masa (m) de gas a través de la sección de la turbina. El aumento de la tasa de flujo de masa seria un método muy efectivo de aumentar la potencia disponible. Una técnica para hacer esto es inyectando el vapor directamente en el sistema de combustión. Esta inyección ofrece el beneficio de tener un mayor flujo que trabaja contra los alabes de la turbina sin la desventaja de aumentar los requerimientos de potencia del compresor. Debido a que es un medio de controlar la velocidad de flujo que es independiente del compresor, la inyección también se puede usar para variar la tasa de flujo a través de la turbina para compensar las variaciones a través del compresor, manteniendo así una potencia disponible mas constante sobre el intervalo de la temperatura ambiente.

El factor primario en el uso de la inyección de fluido es su efectividad en el control de las emisiones de escape. Este tema se cubrirá en una sección posterior.