CAPITULO V 1

INTRODUCCION Siendo la Turbina de Gas básicamente una máquina que utiliza aire, su funcionamiento y confiabilidad a largo plazo es una función de la calidad y limpieza de este fluido.

La función del Sistema de Admisión de aire es proveer cantidades adecuadas de aire limpio a la Turbina de Gas. La selección apropiada del equipo de limpieza de aire puede minimizar efectivamente el ensuciamiento, la erosión y la corrosión causada por las partículas en suspensión en el aire y puede evitar la pérdida de potencia de la unidad.

Esto es de suma importancia si se considera que el compresor absorbe en promedio un 66% de la potencia de la turbina.

El sistema de admisión consiste generalmente de:

• Sistema de filtración de aire • Silenciador • Sección de entrada al compresor.

Sección

Entrada

CAPITULO V 2

SISTEMA DE FILTRACION

La filtración de aire de admisión de las turbinas de gas es una parte esencial de la instalación. La atención prestada durante el diseño de una instalación a la selección de un filtro apropiado, está bien recompensada por el aumento de la confiabilidad y la reducción del mantenimiento de la máquina. Igualmente, el filtro de aire debe recibir un mantenimiento adecuado para que su eficiencia no se vea afectada.

En este trabajo se discute la naturaleza de los contaminantes de aire y su efecto sobre la máquina. Se dan algunas recomendaciones para la selección y mantenimiento de los filtros de admisión de aire para su operación en diferentes condiciones ambientales.

Las turbinas de gas son la principal fuente energética en las operaciones de producción de gas y petróleo, donde se espera que funcionen de una manera confiable en toda una variedad de ambientes difíciles. Este trabajo discute el tema del aire suministrado y la eliminación de contaminantes que pueden ser nocivos para el mismo. Se podría uno formular la pregunta de ¿por qué instalar una filtración de aire de admisión? Las primeras instalaciones tenían muy poca filtración, o ninguna. Los operadores se sorprendían cuando los motores fallaban después de 8.000 horas de operación por erosión de las paletas del compresor y por corrosión. Los cambios en el diseño de las turbinas también han dictaminado un cambio en los

CAPITULO V 3

requerimientos de filtración de aire. Hay sistemas modernos de filtración de aire que dan una protección satisfactoria a las más complejas turbinas bajo la mayoría de las condiciones ambientales. No hay un sistema de filtración barato que "abarque todo" y se adapte a todas las operaciones. El sistema se tiene que adaptar al ambiente y se debe mantener dentro de ciertas normas si se desea que la vida de la máquina llegue a la duración prevista por el fabricante. Datos Históricos

Las primeras instalaciones de turbinas de gas en Estados Unidos y en el Medio Oriente sólo tenían unos tamices de admisión o filtros barrera en el mejor de los casos. Estas máquinas operaban razonablemente bien, pero sufrían de erosión de las paletas del compresor. Había poco ensuciamiento del compresor y la erosión por calor prácticamente era desconocida. Las temperaturas máximas de entrada a la turbina eran inferiores a los 800°C y los combustibles solían estar contaminados con sodio y/o azufre. Algunas turbinas en ambientes arduos sufrían grave erosión de las paletas y requerían repaletaje después de apenas 10.000 horas de operación. Varios investigadores estudiaron la causa de la erosión de las paletas de los compresores. Se encontró que las partículas más grandes en el aire eran las culpables y se desarrolló la filtración para eliminar las partículas más pesadas. La erosión disminuyó como problema, pero el ensuciamiento de las paletas aumentó. Para esas fechas, principios de los setenta, las temperaturas de entrada de las turbinas se acercaban a los 900-950 °C y se empezaba a establecer el enfriamiento de paletas y toberas. Se encontró que el uso de partículas sólidas para limpiar los contaminantes de los compresores de aire sólo servía para reubicar el sucio y acumular las sales en el lugar donde podían hacer más daño, los componentes de la turbina y las vías de paso del gas caliente. Se hizo necesario remover las partículas pequeñas de la comente de aire para impedir el ensuciamiento. La filtración de aire en etapas múltiples se considero necesaria para la remoción de estas partículas debido a que los costosos medios de filtración se tapaban rápidamente ocasionando altos costos de mantenimiento.

La construcción de plataformas costa afuera en áreas de mucho viento agregó otra dimensión al problema de filtración de aire. Las primeras suposiciones con respecto a la calidad del aire ambiente en las plataformas costa afuera habían sido incorrectas y varias plataformas habían sido sometidas a importantes modificaciones en sus filtros de aire para lograr una operación satisfactoria.

Ha surgido un problema especial en áreas industriales con turbinas en sistemas combinados de electricidad y calor (CHP o Cogeneración). Estas máquinas son generalmente de la más alta eficiencia y utilizan metalurgia e ingeniería avanzadas, cualquier deterioro en su rendimiento por ensuciamiento se siente enseguida. Una instalación en los Países Bajos sufrió una pérdida del 20% de potencia en las primeras seis horas de operación cuando el humo y el polen ensuciaron las superficies aerodinámicas del compresor.

CAPITULO V 4

Tamaño de las Partículas

Un típico cabello humano tiene un diámetro sobre los 150 micrones (fotografía 1). La partícula más pequeña que puede ser vista por el ojo humano esta cerca de los 10 micrones. Para ver esta partícula se debe de tener una visión de 20/20 y debe ser observada en un cuarto bien iluminado y bajo ciertas consideraciones de posición de la misma. En realidad, la mayoría de las personas no pueden ver partículas más pequeñas de 30 micrones

CAPITULO V 5

Distribución de las Partículas

La tabla 1 muestra un ejemplo típico de la distribución del tamaño de las partículas del polvo en la atmósfera. Se puede observar, que la mayor concentración de partículas está en el rango de 6 a 30 micrones.

Naturaleza de la Contaminación del Aire

El aire contiene una mezcla de partículas con una distribución de tamaños muy amplia. Estos contaminantes se pueden clasificar en "permanentes" y "temporales". Los contaminantes permanentes están entre 5 micras y menos de 0,001 micras. Estos últimos son predominantemente productos de la combustión, como humo y hollín, o polen y materia orgánica. Los contaminantes permanentes son responsables de la neblina atmosférica que se ve en días calmados. Algunos contaminantes gaseosos como dióxido de azufre, amoníaco y otros, pueden reaccionar en la presencia del aire para formar partículas sólidas.

La contaminación temporal de la atmósfera es mantenida en el aire por la turbulencia del viento que levanta las partículas sólidas y líquidas de la superficie de la tierra. Los vientos fuertes pueden levantar objetos muy grandes a una altura elevada. Las partículas con tamaños entre 10 y 500 micras son de interés para el diseño de admisión de aire de turbinas

CAPITULO V 6

La división de los contaminantes en temporales y permanentes es conveniente. Se ha encontrado que los contaminantes temporales son la causa principal de la erosión de las paletas del compresor, y los contaminantes permanentes son la causa principal del ensuciamiento de las paletas. Ambos contribuyen a la corrosión de las vías de paso de gas caliente, dependiendo de su composición química. La naturaleza de la contaminación atmosférica depende mucho del ambiente. Para estos efectos se consideran cinco clases:

• Desiertos áridos • Clima templado y tropical no industrial. • Clima templado industrial • Clima marino costa afuera. • Clima ártico.

Veamos la naturaleza de los contaminantes en estos ambientes.

Desiertos Áridos

Estos están caracterizados por una amplia gama de temperaturas ambiente que a veces oscilan entre -5°C° y 50°C, de acuerdo con la estación, humedades relativas rara vez por encima del 50% y muy poca vegetación. Algunos de estos desiertos son los lechos de antiguos mares, con un alto contenido de cloruro de sodio y sulfato de calcio en la superficie del suelo. Bajo condiciones de calma el aire puede ser claro, con muy poca neblina. Las velocidades de vientos superiores a 3 m/s pueden levantar partículas de hasta 10 micras de la superficie. La perturbación de la superficie por la acción humana o los animales puede aumentar drásticamente la cantidad de material levantado de la superficie.

El aumento de la velocidad del viento aumenta la cantidad y el tamaño de las partículas, aunque rara vez las partículas de una superficie relativamente lisa de más de 100 micras se levantan más de 2 metros por encima de la superficie. Esto no es cierto en el sotavento de dunas de arena grandes, por ejemplo. Las condiciones fuertes de los vientos generalmente están acompañadas por humedades relativas muy bajas, siendo el promedio menos del 20 por ciento. Los contaminantes son por lo tanto muy secos y no se aglomeran fácilmente en un revoque sólido. En algunos desiertos los polvos rojizos finos, tipo talco tienen una concentración de yeso que se funde en una masa sólida cuando se humedecen con agua. Además de los contaminantes de áreas desérticas están los productos provenientes de procesos que llevan turbinas de gas al área. Los mechurrios, los motores diesel y el arrastre de los separadores llevan hidrocarburos y humos a la

CAPITULO V 7

atmósfera. Estos constituyentes cementan las partículas de polvo en un revoque pesado que puede ser difícil de remover, especialmente si se ha calentado. Climas Templados y Tropicales no Industriales

Generalmente son zonas de gran vegetación, con precipitaciones tipo garúa o chaparrones y una gran variedad de insectos. Los polvos atmosféricos suelen provenir de carreteras no selladas o de actividades de minería o canteras. Las humedades relativas oscilan entre 40% y cerca de 100%.

Los principales contaminantes permanentes son producidos por el hombre y se trata de humos de combustión. Otros contaminantes permanentes son el polen, que abunda en ciertas estaciones. Los contaminantes temporales incluyen polvos de sílice de carreteras y canteras, materia orgánica como insectos. Algunas áreas experimentan densas concentraciones de insectos en ciertas épocas del año. La lluvia puede contener contaminantes solubles e insolubles en su acción depuradora del aire. Clima Templado Industrial

Una gran variedad de contaminantes producidos por el hombre transportados por el aire a temperaturas atmosféricas moderadas con humedades que oscilan entre 40% y saturación. Los principales contaminantes son permanentes y se trata de los afluentes de procesos de combustión y escapes de vapores reactivos a la atmósfera. Los contaminantes temporales son menos frecuentes y se producen principalmente en operaciones de limpieza, (chorro de arena), manejo de materiales sólidos como fertilizantes, productos de la leche y materiales excavados en canteras. En estos ambientes la lluvia se convierte en uno de los principales contaminantes, con frecuencia de alta acidez. Otros contaminantes incluyen productos de reacción atmosférica que producen sales solubles e insolubles que pueden ser saturadas o secas, dependiendo de la humedad relativa del ambiente. Bajo condiciones de alta humedad y temperaturas que se acercan al punto de congelación, se puede formar escarcha en las admisiones del motor, lo que llevaría a su bloqueo.

Esto es claramente un ambiente muy difícil para la operación de turbinas de gas debido a la formación de depósitos y a los contaminantes corrosivos de la atmósfera. Clima Marino Costa Afuera

En esta área hay dos categorías de instalaciones, barcos navegando y estructuras costa afuera. Las consideraciones ambientales son muy diferentes. En los barcos hay un rociado muy fuerte por el movimiento de los mismos y rocío de la superficie por la acción del viento. Las admisiones de aire de motor en plataformas costa afuera están normalmente por lo menos 30 metros sobre el nivel del mar y el

CAPITULO V 8

rociado fuerte rara vez llega a esta altura, excepto en condiciones inusuales de tormenta. Cuando el rocío se levanta de la superficie del mar, las gotas rápidamente alcanzan el equilibrio con el aire que las rodea y la gota se concentra con sal. La investigación hecha por dos personas independientes determinó que la sal en el aire era función de la velocidad del viento y elaboraron una ecuación para predecir la concentración de sal en el aire a diferentes velocidades de viento. A humedades relativas bajas las gotas se secan en partículas sólidas de sal con una distribución normal de 2 micras. A humedades relativas por encima del 70% las partículas se licúan en gotas de sal. No hay concordancia en las referencias con respeto a la humedad relativa por debajo de la cual se secan las gotas. Se sabe que a humedades relativas por debajo del 40% las partículas de sal son secas, pero el secado se podría producir entre 40% y 70% RH. Durante el verano, en el Mar del Norte, las humedades relativas generalmente caen a 50%-60% y las partículas prácticamente se secarán y tendrán un tamaño de menos de 5 micras.

Las plataformas costa afuera también tienen una alta carga de contaminantes permanentes y temporales debido a sus operaciones. Los contaminantes permanentes son emanaciones de mechurrios y escapes de motores. Los contaminantes temporales incluyen lodos de perforación y cemento descargado en silos, residuos de la combustión de lodos con base de aceite y de la preparación de superficies para pintarlas. Un sistema de admisión en una plataforma costa afuera que ignora los contaminantes sólidos creados en la plataforma garantizará costos excesivos de mantenimiento de la máquina.

Clima Ártico

Los cambios climáticos son drásticos según la estación. Durante el verano, las densas segregaciones de insectos predominan entre los contaminantes temporales; los contaminantes permanentes son principalmente el polen y las emanaciones provenientes de actividades humanas. Durante el invierno, la nieve y los cristales de hielo transportados por el aire son el contaminante principal. La nieve y los cristales de hielo se aglomeran rápidamente en una admisión para ocasionar su bloqueo. A bajas temperaturas ambiente hay que suministrar calor al aire de admisión para derretir las acumulaciones de hielo, o la admisión se tiene que diseñar de modo tal que vaya desalojando el hielo cuando se forme.

Las clases ambientales antes mencionadas sólo dan una información generalizada de los contaminantes atmosféricos. Cada lugar tendrá sus cualidades específicas. Sólo cuando se han producido los daños en el motor es cuando se toman las muestras de aire para determinar la naturaleza de los contaminantes y el tipo de filtración de aire que debería haberse instalado inicialmente. La excepción ha sido hecha por las flotas navales del mundo para establecer una comprensión detallada del ambiente en el que operan los buques y los vehículos con amortiguamiento por aire. Estas fuentes están bien documentadas. El muestreo de aire y el análisis de

CAPITULO V 9

los residuos colectados son actividades altamente científicas. Los consultores del campo de aire en combinación con laboratorios expertos en el análisis de pequeñas cantidades de partículas mínimas han dado útil asesoría a clientes con condiciones ambientales difíciles.

Varios investigadores han publicado información sobre la cantidad y el tamaño de partículas en la atmósfera. Se ha determinado que el aire limpio tiene una concentración promedio de contaminantes de 0,18 mg/m3, con una distribución granulométrica de hasta 1 micra. Bajo condiciones de tormenta de arena costa afuera en el Golfo la concentración puede aumentar a 140 mg/m3, con una distribución granulométrica de hasta 15 micras. En tierra adentro, los niveles en una tormenta de arena serán mayores, con partículas de hasta 100 micras a una elevación de 3 metros, (la visibilidad cero en el aire se produce a una densidad de polvo de 880 mg/m3). La información de contaminantes de aire para seleccionar un filtro de aire en una instalación nueva es lamentablemente bastante escasa. Rara vez se hacen pruebas de calidad de aire durante la etapa de planificación del proyecto. La selección del filtro de aire tiende a no ser científica y con frecuencia está basada en experiencias y prejuicios, pero casi siempre está influenciada primero por el costo. Efecto de los Contaminantes en las Turbinas de Gas

Veamos el efecto de los contaminantes atmosféricos sobre el motor. Estos motores ingieren enormes cantidades de aire para sus operaciones.

La ingestión de contaminantes tiene los siguientes efectos sobre el motor:

• Corrosión

• Erosión

• Depósitos o Ensuciamiento

Veamos estos efectos en detalle.

Corrosión

La preocupación principal es la corrosión de los componentes de las vías de gas caliente. Los principales villanos son los metales alcalinos que en la presencia de azufre producen grave corrosión de los componentes de aleación de níquel en las vías de gas caliente. Todos los fabricantes de turbinas de gas establecen límites de metales alcalinos y azufre en sus especificaciones. Se debe tomar en cuenta la presencia de estos contaminantes en el aire de admisión. El paletaje de compresores de baja aleación es susceptible a la corrosión por ácidos y sales de

CAPITULO V 10

cloruro en el aire de admisión. Esto se puede controlar aplicando recubrimientos inertes a las superficies aerodinámicas del compresor, generalmente se trata de compuestos plásticos relativamente blandos. Algunas máquinas usan compresores centrífugos de titanio sólido que aparentemente son inertes a los contaminantes corrosivos transportados por el aire.

Erosión

Varios investigadores han estudiado el efecto de la erosión de partículas sólidas de las superficies aerodinámicas de compresores de aire. La erosión es insignificante con partículas de menos de 5 micras, pero aumenta con el tamaño de las partículas hasta un punto bien definido de acuerdo con la dureza del material. Para los metales típicos usados en los compresores de aire los sólidos con un tamaño de partícula superior a las 15 micras son la causa principal de la erosión de las paletas. Los recubrimientos plásticos aplicados al paletaje de aleación baja para la protección contra la corrosión son especialmente susceptibles a daño por erosión.

Depósitos (Ensuciamiento)

Las partículas de menos de 1 micra tienen inercias similares a las moléculas del aire y pueden seguir las corrientes de aire a través de la máquina. Cuando se produce estancamiento, las partículas se adhieren a las secciones aerodinámicas. Esto lleva a la aspereza de las superficies aerodinámicas y al cambio de su sección, produciendo una pérdida de la eficiencia aerodinámica. Este efecto se ve muy marcado en las turbinas de gas modernas de alta eficiencia donde las formas aerodinámicas son altamente refinadas.

La deposición puede producirse también en componentes calientes, especialmente si las temperaturas de combustión están por encima de la temperatura de fusión del contaminante. El taponamiento de orificios por deposición y enfriamiento produce un rápido deterioro de las toberas y las paletas de la turbina

CAPITULO V 11

FILTROS DE AIRE

Para eliminar los contaminantes del aire de admisión se necesita algún tipo de filtro de aire. La literatura de los fabricantes revela una abrumadora gama de equipos, entre los cuales tiene que elegir el ingeniero. Todos los fabricantes de filtros de aire darán el rendimiento esperado de sus productos en comparación con una prueba de polvo normal. Estas son típicamente "Arizona Road Dust Fine" o el polvo de prueba estándar ASHRAE.

Los filtros de aire de todas las marcas se pueden categorizar en varios tipos:

• Alabes corrugados

• De inercia, con o sin extracción de aire

• De barrera, no limpiable y auto-limpiante

• Medio filtrante

• De choque viscoso

CAPITULO V 12

Alabes Corrugados

Estos son como las rejillas de un separador tipo alabe, y su único propósito es remover gotas de líquido de una corriente de aire. No remueven intencionalmente sólidos de la corriente. Cuando el aire fluye a través del alabe, las gotas son centrifugadas a placas donde son recogidas por los ganchos y caen por gravedad a un sumidero. Se basa en una alta velocidad. Un alabe de una sola etapa no puede remover más del 95% de las gotas de menos de 5 micras.

Separadores por Inercia

CAPITULO V 13

Estos separadores se basan en la diferencia en inercia entre las partículas pesadas y el aire para lograr la separación. La siguiente figura muestra un tipo utilizando cambios pronunciados en la dirección en alabes de forma chevron para hacer la separación. La separación de polvo y gotas se basa en un flujo secundario de aire de extracción de aproximadamente 10% del flujo de entrada para barrer el filtro.

Los separadores por inercia tienen una eficiencia que depende de la velocidad de la corriente de aire de entrada, que remueve el 98% de las partículas mayores de 15 micras. Su eficiencia se reduce rápidamente por debajo de 10 micras. La velocidad de aproximación está en el orden de 3 a 7 m/s. Los separadores por inercia son resistentes y confiables, y si están hechos de acero inoxidable son prácticamente indestructibles. Rara vez requieren limpieza. Hay que prestar atención ocasional al ventilador de aire secundario. Su desventaja es la baja eficiencia para remover partículas pequeñas. Son ideales como primera etapa de un filtro multietapas.

CAPITULO V 14

Filtros de Barrera

Estos se basan en una sola lámina o medio filtrante con poros cuidadosamente diseñados de acuerdo al tamaño de filtración deseado. Son un filtro absoluto que remueve las partículas por encima del nivel de filtración especificado, como se muestra en la siguiente figura. El medio de filtración puede ser papel, fibra sintética o metálica. El papel es el más común debido al bajo costo. A medida que se van tapando los poros, aumenta la caída de presión y la vida del filtro queda limitada por su área superficial. Una gran área superficial se logra plegando el material en comportamientos cilíndricos o rectangulares. Algunos filtros de barrera se pueden limpiar con chorros de agua o aire. Los elementos de papel son reusables sólo en un número limitado de ciclos de limpieza. El uso de un filtro de barrera limpiable de una sola etapa de 15 micras como prefiltro de un filtro de medio de alta eficiencia, prolonga la vida de este último.

Una variante del filtro de barrera es el tipo auto-limpiante. Los polvos secos que se depositan sobre la superficie, se aglomeran y forman un revoque. La aplicación de flujo de aire inverso con pulsaciones a través del filtro desaloja este revoque. Si el flujo reverso se introduce con un choque, se mejora la limpieza. Para mantener la caída de presión en niveles prácticos, los filtros de barrera generalmente se especifican para una filtración de 10 micras. A medida que el revoque se va acumulando en la superficie, aumenta la eficiencia contra partículas menores. Las partículas muy pequeñas, especialmente de humo pegajoso de 2 micras y menos no son retenidas por este filtro y se ha visto ensuciamiento severo en compresores de aire que sólo tenían filtros de barrera. El revoque no se puede salir cuando tiene contaminantes industriales pegajosos. Un pre recubrimiento de los elementos con un medio de filtración como arcilla esméctica ayuda, pero se tiene que repetir después de cada pulsación del sistema de auto-limpieza.

CAPITULO V 15

Los filtros de barrera auto limpiantes son caros, requieren una presión de aire de limpieza de 6 bars, y los elementos requieren la renovación casi anualmente.

CAPITULO V 16

Medios Filtrantes

A estos también se los denomina filtros de profundidad y están fabricados con hilos de fibra de vidrio o fibra sintética. Estas fibras están recubiertas con geles para ayudar a atrapar las partículas contaminantes.

Los medios filtrantes trabajan con una combinación de impacto y atracción. No hay un camino claro a través del medio, y las partículas más grandes chocarán inevitablemente con una de las fibras del filtro, donde permanecerán adheridas al recubrimiento de gel. Las partículas más pequeñas, cuyo movimiento se aproxima al browniano, tienen alta probabilidad de chocar con una fibra. También, a medida que pasan a través del medio, la fricción genera electricidad estática que las atrae a las otras partículas y se aglomeran en las fibras. Aunque el tamaño de poro a través del medio filtrante es grande, pueden tener eficiencias que excedan el 90% por encima de 2 micras y 100% por encima de 10 micras (Figura 2), teniendo una caída de presión razonable. Las partículas atrapadas permanecen en el medio filtrante. Los elementos no son por lo tanto fácilmente limpiables y se pueden desechar cuando la caída de presión llega al límite.

La caída de presión y la eficiencia se ven afectadas por altas velocidades (3 m/s es el máximo a través de la superficie del medio). Por esta razón se instalan en bolsas con pliegues profundos. Los medios filtrantes tienen la tendencia a fusionar gotas de agua durante períodos de humedad relativamente alta, que luego migran a través del medio y se separan de la cara posterior del medio para entrar en una corriente de aire limpio. Las cajas de filtros bien diseñadas permiten cambiar los elementos de filtro mientras el motor está en línea, sin peligro para los operadores. Los elementos de medio filtrante son costosos. Se requiere alguna forma de prefiltro para conservar la vida de estos elementos de alta eficiencia.

CAPITULO V 17

Filtros de Choque Viscoso

Esta es una variación del medio filtrante, excepto que están humectados con aceite y el medio es auto-limpiante. El tamiz está en una cadena sin fin y cuando gira los paneles se sumergen en un baño de aceite donde las partículas se adhieren se remueven. Los paneles recién limpiados se salen entonces del baño. La rotación es tal que los paneles limpios van a la cara delantera del filtro para

CAPITULO V 18

asegurar que todas las gotas de aceite quedan atrapadas por el tamiz de dirección descendente. Los filtros usan una serie de tamices de malla tejida en los paneles, o placas solapadas que ofrecen un camino tortuoso para la corriente de aire (Figura 6). La velocidad de aproximación máxima para este tipo de filtro es 3 m/s.

La eficiencia de esos filtros se acerca a la de los de medio filtrante seco. Son especialmente efectivos para la remoción de humos aceitosos del aire de admisión.

Los filtros de choque viscosos humectados con aceite han sido criticados por la contaminación con aceite del aire de admisión. Cuando se operan correctamente y se usa el grado correcto de aceite, son eficientes y confiables. El desenlodamiento regular del baño de aceite es una tarea esencial de mantenimiento.

Selección de Filtros de Aire

De la discusión anterior queda claro que no hay una sola selección de filtro que satisfaga la amplia gama de ambientes en los que operan las turbinas de gas. Sin embargo, hay algunas reglas generales que se aplican a todas las instalaciones. Estas son:

1. El filtro de costo inferior que ignora los requerimientos de las especificaciones siempre es una mala compra. Una mala calidad de filtración de aire siempre da lugar a altos costos de mantenimiento, tanto del filtro como del motor que está supuesto a proteger. El costo de capital y de caída de presión de un sistema de filtración de aire de alta calidad se ve compensado por la reducción de costos de mantenimiento y la mayor confiabilidad del motor. Siempre se debe instalar una campana para la lluvia delante del filtro de aire, con una velocidad media en la abertura hacia el filtro por debajo de 3 m/s.

2. Una admisión de flujo ascendente remueve la mayor parte de la lluvia y de la nieve de la corriente de aire de admisión, especialmente si se sigue la velocidad de aproximación baja. La lluvia y la nieve contienen gran cantidad de contaminantes permanentes. Las campanas de lluvia se deben usar incluso en climas desérticos.

3. Se debe usar acero inoxidable en la fabricación de filtros de aire, ductos de admisión y cajas de filtros. El costo es marginalmente mayor que el de acero al carbono adecuadamente preparado y recubierto, y ahorra el mantenimiento del recubrimiento durante toda la vida del filtro. La fabricación con aleación de aluminio puede ahorrar sustancialmente en peso, pero todos los componentes del filtro y su caja de entrada deben estar fabricados con aluminio para prevenir la corrosión anódica severa del aluminio. Se debe instalar un aislamiento entre la estructura del aluminio y sus alrededores.

CAPITULO V 19

4. El filtro de admisión y su caja deben ser suministrados por el fabricante como una sola pieza. El fabricante tiene la responsabilidad de asegurar que el filtro y su caja son totalmente a prueba de fugas. La inspección en los talleres del fabricante es esencial. Cualquier fuga anula completamente la efectividad de un filtro de aire costoso.

5. El uso de equipos anti-formación de hielo debe analizarse en detalle. Se sabe que en la mayoría de las áreas del Mar del Norte no se producen las condiciones de formación de hielo que se producen con temperaturas que bajan alrededor del punto de congelación con la humedad relativa cercana a 100. La formación de hielo de un aerosol aplicado con temperaturas de aire por debajo de 20 °C puede darse, pero es raro. El anticongelante que usa la purga del compresor de aire del motor, reduce la potencia de éste, lo cual puede ser inaceptable. Algunos motores tienen conexiones externas para descargar el aire de sello usado. Este aire de alta temperatura puede utilizarse para anticongelamiento sin reducir la potencia del motor. Las campanas de lluvia son efectivas en la reducción de la ingestión de nieve que se acumula en la cara del filtro.

Conclusiones

La filtración de aire en las turbinas es una parte esencial de la instalación. El cuidado tomado durante el diseño de una instalación para especificar un filtro apropiado para el ambiente esté bien recompensado al aumentar la confiabilidad y reducir el mantenimiento del motor y el filtro. Se pueden hacer algunas generalizaciones con respecto a los contaminantes de aire en diferentes ambientes, pero cada instalación difiere en detalles.

Cuando sea posible se debe hacer un muestreo de aire para determinar la naturaleza de los contaminantes atmosféricos que permita la selección de un filtro de aire apropiado. Todos los filtros de aire necesitan mantenimiento. Se prestan a mantenimiento de acuerdo a las condiciones, identificadas por la caída de presión en el filtro. No hay un sólo sistema de filtración que se ajuste a todas las aplicaciones, cada uno se debe diseñar de acuerdo con los requerimientos del motor y la naturaleza del aire ambiente.

CAPITULO V 20

Puertas de Implosión

Un sistema de filtración bien diseñado no debe de llegar a obstruirse catastróficamente. Si hay contaminación atmosférica que produce obstrucción rápida del filtro y esto no se detecta, puede llegar a dañarse la integridad del sistema de filtración y por ende el compresor.

Por está razón vale la pena estudiar la ventaja de instalar puertas de implosión o de desahogo de presión adyacentes a los filtros para que se abran cuando la resistencia del filtro alcance un valor determinado y emita una señal de alarma cuando esto ocurra. Si la presión continua aumentando se debe contar con un dispositivo para parar la unidad automáticamente.

CAPITULO V 21

SILENCIADORES

El ruido, como la contaminación ambiental, está recibiendo cada día más atención a nivel comunitario e industrial. De modo amplio e impreciso se puede definir el ruido como sonido indeseable y desagradable, en cantidades excesivas evita que la gente rinda más en su trabajo, así como que disfrute de su merecido descanso. Pero los trabajadores tienen una preocupación mas personal por el ruido pues en cantidades extremas puede deteriorar su audición.

Conceptos Fundamentales sobre Sonido y Ruido

El sonido consiste de cambios transmitidos de la presión atmosférica producidos por un objeto que vibra. Las ondas producidas se propagan en el aire a una velocidad de 345 m/s en todas las direcciones como esferas concéntricas hasta que llegan al oído. Las características del sonido son frecuencia y amplitud. La frecuencia es el número de vibraciones o ciclos por unidad de tiempo, generalmente un segundo.

La forma básica de la onda de sonido es el tono puro generado por un tipo de movimiento de onda o vibración conocido como armónica simple. En el tono puro la energía acústica está concentrada en una frecuencia particular, se oye como tono discreto, como un pito. El tono puro tiene una frecuencia igual al número de veces por segundo que traza una curva sinusoidal. La amplitud o fuerza está por la altura de la curva.

Los tonos puros no existen por sí mismos en la naturaleza. Las ondas de sonido están más comúnmente formadas por un número de componentes con varias frecuencias y amplitudes que se combinan para dar una forma compleja de la onda. La frecuencia más baja se llama la fundamental; es la que el oído nota y se identifica como el tono propiamente dicho del sonido. Todas las otras frecuencias doble, triple, etc. armónica.

Fuentes de Ruido de le Turbina de Gas

Las fuentes principales discretas de ruido de la Turbina de Gas son: • Sistema de Admisión • Sistema de escape • Carcasa de la turbina

Las fuentes secundarias son: • Generador, compresor o bomba • Sistema de ventilación y enfriamiento • Estructura de la base

CAPITULO V 22

Cada una de estas fuentes tiene características distintas que se explicarán a continuación:

Sistema de Admisión:

Produce normalmente la mayor potencia sonora de la Turbina de Gas y se caracteriza porque el ruido es en gran parte de alta frecuencia, que es el más alta y molestoso para el oído porque a ésta frecuencia el oído es más sensible.

El sonido de admisión se produce por la rotación del compresor al pasar las paletas del rotor frente a las del estator y depende del caudal del aire. El ruido generado es directamente proporcional a la relación de compresión, el número de paletas y la velocidad de rotación.

Sistema de Escape:

Se caracteriza por producir ruido mayormente en las bandas de baja frecuencia. El ruido del sistema de escape es generado por el ruido de la combustión, el ruido de las paletas de la turbina, y el flujo turbulento de los gases de combustión y también depende del caudal de gases que a su vez depende de la potencia de la máquina.

Carcasa de la Turbina:

Puede ser única como en turbinas estacionarias o puede contener el generador de gases y la turbina de potencia de las unidades tipo aeronáutico. A veces se incluye la estructura de la base como parte de la carcasa. El ruido generado por la carcasa es el segundo más objetable debido a que ocurre en las gamas de frecuencias más sensibles al oído, y se debe al ruido producido por la estructura generado por la vibración del aire de la envoltura y aislamiento así como la vibración de partes de cuerpos rotativos (cojinetes, engranajes, acoplamientos, etc.) trasmitidos a la carcasa.

Fuentes Secundarias:

Entre las fuentes secundarias, el generador produce un ruido electromagnético, y el compresor o bomba produce ruidos típicos de estas turbomáquinas y de sus tuberías.

El ruido del sistema de ventilación y enfriamiento se genera por las paletas del ventilador que se mueven en el espacio con una sustentación aerodinámica, creando de presión en el espacio. El ruido de la estructura de la base se explica por sí mismo y se caracteriza por ser mayoritariamente de baja frecuencia.

Tipos y Aplicaciones

Un silenciador es un ducto o tubería especial diseñado especialmente para

CAPITULO V 23

atenuar el sonido mientras permite el flujo libre del aire o de los gases de escape.

Los silenciadores deben satisfacer 3 criterios simultáneamente:

• El criterio acústico especifica la reducción mínima del sonido en función de la frecuencia

• El criterio aerodinámico especifica la máxima caída de presión promedio a una temperatura y caudal dados

• El criterio geométrico especifica el máximo volumen permisible y las restricciones de forma

En forma ideal los silenciadores pueden dividirse en 2 grupos: • Disipativos • Reactivos

El comportamiento acústico de un Silenciador Disipativo está determinado predominantemente por la presencia de material poroso resistente al flujo como deflectores paralelos o forros de ductos, hechos de fibra de vidrio o lana mineral.

Los Silenciadores Reactivos son a su vez de tres clases: • Resonador de Helmoitz • Cámara de Expansión • Codo de 90°

En estos silenciadores la atenuación se logra debido a la reflexión y cancelación de ondas sonoras y su comportamiento no depende del uso de materiales que absorben el sonido. Sin embargo, en la práctica se usan forros absorbentes para mejorar el comportamiento de los silenciadores reactivos.

Los diferentes tipos de silenciadores se aplican según sus características y las de la admisión, escape, carcasa, etc.

Hay que tener presente que la trayectoria del ruido no es igual a la del aire o de los gases.

Silenciadores de admisión

La cantidad más grande de potencia sonora se produce normalmente en el sistema de admisión. El sistema se diseña para silenciar todas las frecuencias pero se le da una consideración especial al ruido de alta frecuencia. El ruido de admisión es más alto directamente frente a la abertura de admisión. Al usar un

CAPITULO V 24

codo de 90° (silenciador reactivo) se dirige el ruido hacia arriba, resultando en una reducción de 15 db. Si se utiliza una cámara de expansión/codo (silenciador reactivo) y las paredes se forran con un material acústico (silenciador disipativo) se obtiene una reducción adicional de ruido de 10-15 db en las frecuencias primarias donde el ruido es más objetable. Se logra una reducción adicional al incorporar un silenciador de admisión que pude ser de varias configuraciones y longitudes.

CAPITULO V 25

SECCION DE ADMISION

Descripción

La sección de la caja de admisión (inlet casing section) forma un conducto liso delimitador por donde pasa el aire que fluye hacia el compresor axial, constituyendo a la vez la carcaza del cojinete de empuje y de la chumacera de rumbo directo. Durante los arranques se colocan paletas directrices de admisión variable (variable inlet guide vanes) para modular el flujo de aire que entra, las cuales se abren completamente mientras perdura el modo de operación. El suministro de aire que entra a la sección de la caja de admisión fluye a través del Múltiple de Admisión (Inlet Manifold Assembly), es decir, el ducto de entrada de aire. Este múltiple constituye la interfase entre el Sistema de Admisión de Aire y la Sección de la Caja de Admisión.

CAPITULO V 26

Caja

La caja de admisión con boca acampanada actúa como un conducto liso por donde se aspira el aire atmosférico que pasa hacia el compresor axial, y constituye la carcaza que alberga el cojinete de soporte y de empuje. Este tipo de caja de admisión ha sido diseñada con el único objetivo de obtener la mayor eficiencia aerodinámica posible. Básicamente, la caja de admisión es un embudo acampanado cuyos hombros se encuentran cuidadosamente redondeados de manera de oponer poca resistencia al aire. La perdida registrada a través del ducto es tan mínima que puede ser despreciada. La carcaza de la chumacera, la carcaza del sello y la caja de admisión forman una sola pieza. No es necesario ajustar la chumacera. La tapa de la carcaza de la chumacera también se encuentra maquinada a la caja de admisión formando una sola pieza, y permite el acceso a la chumacera.

CAPITULO V 27

Paletas Diretrices de Admisión Variable

Para mejorar la aceleración al arranque y evitar el ahogamiento o atascamiento del rotor, la turbina de combustión esta equipada con un sistema de paletas directrices de admisión variable que modula el flujo de aire atmosférico durante el ciclo de arranque. Las paletas directrices de admisión van montadas en la caja de admisión inmediatamente delante de los alabes rotativos del compresor axial de la primera etapa. Las paletas directrices tienen una posición de cierre completo de aproximadamente 37 grados.

Mientras la turbina se encuentre parada las paletas se cerraran por completo, permaneciendo en esta posición hasta que se encienda la turbina. Al iniciarse la señal de arranque, las paletas giraran hasta alcanzar una posición intermedia y permanecerán en ella hasta que el controlador cambie la posición.

Durante el ciclo de operación normal, las paletas adoptan la posición de apertura completa, aproximadamente cero grados. Pueden colocarse a otros ángulos de apertura según los requerimientos de la temperatura de escape.

CAPITULO V 28

COJINETES:

La turbina de combustión 501F emplea chumaceras de muñón basculante (tilting pad) en los extremos de admisión y de escape para prestar soporte al rotor. Además, se utiliza un cojinete de empuje para mantener la posición axial. Estos cojinetes se lubrican por presión con el aceite que suministra el sistema de aceite de lubricación principal.

Chumacera

El extremo de admisión del rotor se sostiene sobre una chumacera de muñón basculante que se alberga dentro de la caja de admisión. La chumacera esta constituida por un casco externo con una junta apernada horizontal. Tiene cuatro zapatas o muñones con revestimiento antifricción que descansan sobre unos espárragos esféricos endurecidos y ensamblados de forma de mantener el juego y la alineación de la chumacera. Por sus dos extremos la chumacera contiene un sello flotante que retiene el aceite en la chumacera bajo presión y controla el flujo de aceite a través de ella. El casco de la chumacera posee una varilla de freno que va engranada en una ranura ubicada en la caja para evitar que la chumacera gire. El revestimiento antifricción de una de las zapatas de la chumacera esta provisto de RTDs para monitorear las temperaturas de la chumacera.

CAPITULO V 29

Cojinete de Empuje

El cojinete de empuje esta encerrado dentro de una caja que se encuentra fija al extremo anterior de la caja de admisión, y tiene como función mantener la posición axial del rotor. El empuje del rotor se transmite a través de un collarín giratorio, parte integral del eje del rotor, a un cojinete de empuje estándar. Las partes principales de un cojinete de empuje son: el collarín giratorio, las zapatas de empuje, y el montaje igualador de carga para las zapatas. El montaje igualador de carga consta de las placas enclavadas de nivelación y del montaje de la zapata, y esta repartido en dos anillos partidos que sirven de base. Las zapatas de empuje están hechas de acero con revestimientos antifricción a base de estaño. Cada zapata, una vez en su lugar, gira sobre un soporte de acero. Las placas niveladoras descansan una sobre otra de modo que si alguna zapata recibe un esfuerzo de compresión, su movimiento será comunicado a las placas niveladoras inmediatamente contiguas a ella y estas, al estar dobladas hacia abajo por un extremo, se doblaran hacia arriba por el otro., obligando a la zapata siguiente a moverse hacia arriba; por lo tanto, este efecto igualador será transmitido a todas las zapatas haciendo que todas soporten toda la carga. Gracias a este efecto igualador, no es necesario que todas las zapatas sean idénticas en espesor, pues cualquier ligera discrepancia será corregida por las placas niveladoras. Dos de las zapatas que se encuentran del lado de soporte de carga del cojinete de empuje están provistas de RTDs para monitorear las temperaturas del cojinete.

CAPITULO V 30

LUBRICACIÓN

La chumacera y los cojinetes de empuje de la turbina de combustión se lubrican a presión con aceite proveniente del depósito de aceite lubricante. El aceite entra a la chumacera por un orificio que se encuentra en la mitad inferior del casco. Llega a cada zapata por conductos internos que contiene el casco de la chumacera. Dentro de la chumacera, el aceite se mantiene bajo presión gracias a sendos sellos flotantes que se encuentran en cada extremo de esta. Estos sellos (conjuntamente con un orificio que se encuentra en la línea de suministro) también controlan la cantidad de aceite que fluye por la chumacera.

El aceite entra al cojinete de empuje por sus dos extremos, pasando por entre las zapatas y el eje del rotor. Al llegar al collarín de empuje, es expulsado al exterior para su drenaje. Por arriba, se escapa por una salida tangencial ubicada en la caja. La línea de drenaje de aceite contiene un orificio que controla su flujo a través del cojinete.

EMBOLO COMPENSADOR

En el extremo posterior de la caja de admisión se encuentra colocado un embolo compensador cuya función es absorber cualquier carga de empuje adicional, de ser necesario.

Se forma una cavidad entre la pared de la caja de admisión y un disco compensador que se oprime contra el eje del rotor por delante del disco del compresor de la primera etapa. Se coloca un sello compensador en la caja de admisión para que actúe con las ranuras del laberinto del disco. El otro lado de la cavidad se sella mediante los sellos de laberinto que se colocan contra el eje del rotor.

A la cavidad se aplica el aire de la descarga del compresor enfriado para que actúe sobre el disco compensador en dirección opuesta a la de la carga de empuje de la turbina de combustión. La presión se controla mediante una válvula de aire externa.

CAPITULO V 31

SELLOS

Los sellos de aceite que se encuentran en la caja de sellos del cojinete de empuje, por el extremo delantero de la caja del cojinete de empuje, están constituidos por una serie de sellos maquinados en una sola pieza en forma de laberinto, con diámetro uniforme y que guardan un reducido juego con el rotor. Por ambos lados, el cojinete de empuje esta protegida contra fugas de aceite con anillos de estancamiento para aceite. Estos anillos de estancamiento han sido maquinados de tal manera que pueden ser instalados manualmente por la izquierda o por la derecha. La ranura helicoidal que posee el sello esta diseñada para limpiar el aceite de la superficie de la chumacera, obligándolo a regresar al interior de la cámara del cojinete de empuje.

Dentro de la chumacera, donde el aceite podría escurrirse por el rotor hacia el compresor axial, se encuentran tres anillos estancos tipo laberinto, colocados en la caja de sellos que esta fijada a la caja de admisión. Los sellos estancos y la combinación de sello y aire al vacío evitan que el aceite de la chumacera se fugue y pase al compresor, protegiendo así al flujo de aire de la contaminación con aceite. El aceite que queda atrapado en los sellos de laberinto se envía a las ranuras, por donde corre hasta llegar a los orificios de drenaje. Una vez en estos, los atraviesa para eventualmente regresar al depósito de aceite.

CAPITULO V 32