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Capítulo 8: Turbinas Térmicasfuerza motriz
Arce lucana abel christian – cari cabana alexINGENIERIA MECANICA
10mo Semestre
16 DE JULIO DE 2014
Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
Contenido
1. Turbina de Gas.....................................................................................................................2
2. Ciclos Termodinámicos.........................................................................................................2
2.1. Ciclo Joule Brayton...........................................................................................................2
3. Mejoras del Ciclo..................................................................................................................2
4. Campo de Aplicación............................................................................................................2
5. Análisis y Diagnóstico de los Consumos...............................................................................2
5.1. Demanda de Energía........................................................................................................2
5.1.1. Horas Punta..................................................................................................................2
5.1.2. Horas Fuera de Punta...................................................................................................2
5.2. Calidad de Energía............................................................................................................2
5.2.1. Armónicas.....................................................................................................................2
5.2.2. Variaciones de Tensión.................................................................................................3
5.2.3. Variaciones de Potencia en el Sistema de Potencia......................................................3
5.3. Generador Síncrono.........................................................................................................4
5.4. Regulación de Motores Turbina a Gas..............................................................................6
5.4.1. Regulador por by pass..................................................................................................6
5.4.2. Regulación por estrangulamiento................................................................................6
5.4.3. Regulación por estrangulamiento en el escape............................................................7
5.5. Sistema Eléctrico Interconectado SEIN.............................................................................7
5.6. Mercado Eléctrico............................................................................................................7
5.7. Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional COES...............10
6. Líneas generales de actuación............................................................................................10
7. Bibliografía.........................................................................................................................10
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
1. Turbina de Gas Una turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas esta
destinada comúnmente a la generación de energía eléctrica o trabajo en las plantas térmicas o
en las de cogeneración, así como en los campos aeronáuticos y marítimos Como la
compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas de gas son turbomáquinas
térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas de gas por separado de las turbinas ya que,
aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son
diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de
fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.
1.1. Ciclo Joule Brayton
Desarrollado alrededor de 1870. La turbina de gas es un dispositivo diseñado para extraer
energía química de un fluido que fluye a través de si y transformarla en energía mecánica.
Como se muestra en la figura nro 1
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
Una turbina de gas de ciclo abierto descrito anteriormente puede modelarse
como un ciclo cerrado como se muestra en la figura nro 2
Figura Nro 2 ciclo brayto cerrado
1.2. Componentes principales de una turbina de gas
Los principales elementos de la turbina de gas son 4:
La admisión de aire, El compresor, la cámara de combustión, y La turbina de expansión. A continuación se detallan las principales características de cada uno de estos elementos
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
El sistema de admisión de aire. Consta de todos los elementos necesarios para que
el aire entre al compresor en las condiciones más adecuadas de presión, temperatura
y limpieza, para ello cuenta con filtros de varios tipos que se encargaran de eliminar
la suciedad que pueda arrastrar el aire y de una serie de sistemas que acondicionaran
la temperatura para facilitar que entre a la turbina la mayor cantidad de masa de aire
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
Compresor de aire. Su función es elevar la presión del aire para la combustión una vez
que este ha sido filtrado antes que entre a la cámara de combustión en una relación
que varia según la turbina pero que normalmente esta comprendida en una relación
entre 10 :1 y 40:1, esta compresión se realiza en varias etapas y consume alrededor de
las 2/3 del trabajo producido por la turbina.
Una parte del aire del compresor se usa para la refrigeración de los alabes y la cámara
de combustión, de forma que aproximadamente un 50% de la masa de aire es usado
para este fin.
Cámara de
combustión. En
ella tiene lugar
la combustión a
presión
constante del
gas combustible
junto con el aire.
Esta combustión a presión obliga a que el combustible sea introducido a un nivel de
presión adecuado, que oscila entre los 16 y 50 bar. Debido alas altas temperaturas que
pueden alcanzarse en la combustión y para no reducir la vida útil de los componentes
se trabaja con unos 300% a 400% de aire teórico, parte de este aire es dirigido
directamente alrededor de las paredes de la cámara de combustión
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
Turbina de expansión. Es donde tiene lugar la conversión de la energía contenida en
los gases de combustión en forma de presión y temperatura elevada (entalpia) a
potencia mecánica en forma de rotación de un eje.
Los gases que entran a la turbina a una temperatura de 1200 0C a 14000C y una
presión de 10 a 30 bar, salen a unos 5000C a 6500C , esa alta temperatura hace que
la energía que contienen pueda ser aprovechada para mejorar el rendimiento de la
turbina con un sistema conocido como REGENERACION.
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
1.3. arranque de una turbina de gas
Tipos de arranque
Los fabricantes de turbinas de gas los suelen dividir en tres grupos
• Arranque frio. Que es el que se produce cuando la turbina ha estado más de 72 horas
parada
• Arranque templado entre las 24 y 72 horas
• Arranque caliente. Se produce en menos de 24 horas de que se ha producido la
parada.
Existe un arranque adicional que es el superfrio sin virador, que se da cuando la
turbina he excedido mucho tiempo sin funcionamiento
2. Ciclos termodinámicos
Se denomina ciclo termodinámico a cualquier serie de procesos termodinámicos en los
que un sistema parte de una situación inicial y tras aplicar dichos procesos regrese al
estado inicial. Como procesos termodinámicos se conoce a la variación de las propiedades
termodinámicas del sistema (presión, entropía, volumen, entalpía y temperatura) desde
un estado inicial a un estado final.
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
Como ya lo habíamos mencionado el ciclo desarrollado por las turbinas a gas el el joule
bryton, sin embargo se debe resaltar que existe un ciclo ideal teorico de máxima eficiencia
con el cual se comparan todos los cilos restantes y es el ciclo de Carnot
Para el estudio del ciclo bryton debemos tener en cuenta las suposiciones de aire estándar
a la entrada del compresor, que son:
1. El fluido que trabaja es aire que continuamente circula en un ciclo cerrado y siempre se
comporta como un gas ideal.
2. Todos los procesos que conforman el ciclo son internamente reversibles.
3. El proceso de combustión es reemplazado por un proceso de calor adicional de una
fuente externa.
4. El proceso de aire disipado es reemplazado por un proceso de rechazo de calor que
restaura el fluido que esta trabajando a su estado inicial.
2.1. Procesos internamente reversibles
en un ciclo Joule Brayton
1-2 Compresión isentrópica en un compresor
2-3 Adición de calor a presión constante
3-4 Expansión isentrópica en una turbina
4-1 Rechazo de calor a presión constante
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
2.2. Eficiencia térmica del ciclo Joule Brayton. El ciclo de Brayton de aire normal, es el
ciclo ideal de una turbina de gas simple. El ciclo abierto de una turbina de gas simple,
que utiliza un proceso de combustión interna se puede observar en la gráfica
superior.
El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal se encuentra como sigue.
Sin embargo notamos que,
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
El rendimiento del ciclo de Brayton de aire normal es, por lo tanto, una función de la
relación isentrópica de presión. El rendimiento aumenta con la relación de presión, y esto
es evidente en el diagrama T-s ya que al ir aumentando la relación de presión, se cambiará
el ciclo de 1-2-3-4-1 a 1-2’-3’-4-1. El último ciclo tiene mayor suministro de calor y la misma
cantidad de calor cedido, que el ciclo original, y por tanto, tiene mayor rendimiento.
3. Mejoras y desarrollos en las turbinas de gas
Las primeras turbinas de 1940 tenían eficiencias en ciclo simple alrededor de 17%, debido
a bajas eficiencias del compresor y la turbina, así como a las bajas temperaturas de
entrada a la turbina dadas las limitaciones de la metalurgia de esos tiempos. Por lo tanto
las turbinas de gas tuvieron un uso limitado a pesar de su versatilidad y capacidad de
quemar gran variedad de combustibles. Los esfuerzos por mejorar la eficiencia del ciclo de
concentraron en tres áreas:
a) incrementar las temperaturas de entrada a la turbina ( o de quemado)
Este ha sido el principal enfoque tomado para mejorar la eficiencia de la turbina de gas.
Las temperaturas de entrada de estas han aumentado en forma constante, desde
aproximadamente 5400C en 1940 hasta 14250C actualmente, estos incrementos fueron
posible gracias al desarrollo de nuevos materiales y por las innovadoras técnicas de
enfriamiento de sus componentes críticos, como la de revestir los alabes de la turbina con
capas cerámicas y enfriarlos con aire de descarga del compresor
b) Incremento de las eficiencias de los componentes de turbomaquinaria
El desempeño de las primeras turbinas sufría grandemente de las ineficiencias de turbinas
y compresores, sin embargo el advenimiento de las computadoras así como el diseño
asistido por computadora, hizo posible diseñar estos perfiles aerodinámicamente
reduciendo sus pérdidas al mínimo
c) Adición de modificaciones al ciclo básico
Las eficiencias de ciclo simple de las primeras turbinas fueron prácticamente duplicados,
al incorporar el regeneramiento, interenfriamiento y recalentamiento, desde luego estas
mejoras se realizaron a expensas de mayores costos, tanto inicial como el de operación, y
no pueden justificarse a menos que la disminución en los gastos de combustible
contrarresten el incremento en otras áreas
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
3.1. Ciclo Brayton con Regeneracion.
En las turbinas de gas la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suele
ser considerablemente mayor que la del aire que sale del compresor. Por lo tanto, el aire a
alta presión que sale del compresor, puede calentarse transfiriéndole calor desde los gases
de escape calientes mediante un intercambiador de calor a contraflujo, el cual se conoce
también como regenerador o recuperador.
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
Por consiguiente la eficiencia térmica de un ciclo Bryton con
regeneración depende de la relación entre las temperaturas mínima y máxima, así como de la
relación de presiones
3.2. Ciclo Brayton con Interenfriamiento recalentamiento y regeneración.El trabajo neto de un ciclo de turbina de gas es la diferencia entre la salida de trabajo de la
turbina y la entrada de trabajo del compresor, y puede incrementarse si se reduce el trabajo
del compresor o si aumenta el de la turbina o ambas cosas. Se sabe que el trabajo requerido
para comprimir un gas entre dos presiones especificadas puede disminuirse al efectuar el
proceso de compresión en etapas con interenfriamiento
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
.
Comparación de entradas de trabajo en un compresor de una sola etapa y de dos
etapas con interenfriamiento.
Turbina de gas con compresión de dos etapas con interenfriamiento, expansión en dos etapas con recalentamiento y regeneración
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
Si se incrementa el número de etapas tanto de compresión como de
expansión la eficiencia se aproximara al ciclo Erikson
4. Campos de aplicación de las turbinas de gas
Las turbinas de gas son empleadas en diferentes campos como:
4.1. Generación eléctrica: Las compañías de servicios eléctricos las utilizan para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalación y operación, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables para trabajos intermitentes. aproximadamente dos minutos para arrancar a plena carga. se han instalado plantas de potencia a carga pico arriba de 150 MW con un solo generador.
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
4.2. Aviación comercial: Se utilizan aviones de turbina de chorro (turbo-jet) y de turbina
de hélice (turbo-fan). En las aerolíneas de carga se emplean turbinas de gran
potencia.
4.3.
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
4.4. Turbinas para transmisión de gas. Es de las industrias que más utilizan turbinas de
gas. Las turbinas de gas han sido instaladas para impulsar compresores en medidas
superiores a 22500 KW (300 HP). Esta es una aplicación excelente ya que el gas
natural es un combustible ideal y se requiere una gran cantidad de fuerza motriz.
4.5. Transporte: En barcos, la alta potencia específica de las turbinas de gas permite
realizar diseños de altas velocidades. Esto es muy útil para barcos tipo containers,
botes moto-torpedo y grandes barcos de guerra. También se usan en ferrocarriles, en
locomotoras de carga y trenes ligeros de pasajeros, pero solo en los últimos ha
representado un cambio significativo.
5. Ventajas y desventajas de las turbinas de gas
Sobre turbinas de vapor:
-Instalaciones mas compactas
-Menos dispositivos auxiliares
-No necesitan condensador
-No necesitan agua
-Lubricación más simple
-Fácil control
-Cimientos ligeros
-Escape limpio (no necesita chimenea)
-Relación peso / potencia mas pequeña
Sobre los grupos electrogenos
Muy alta relación potencia-peso, en comparación con motores alternativos;
Más pequeño que la mayoría de motores de pistón de la misma potencia.
Se mueve en una sola dirección, con menos vibraciones de un motor alternativo.
Menos partes móviles que los motores alternativos.
Una mayor fiabilidad, en particular en aplicaciones donde se requiere alta potencia de
salida sostenida
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
El calor residual se disipa casi en su totalidad en los gases de escape. Esto resulta en
una corriente de escape de alta temperatura que es muy útil para hervir agua en un
ciclo combinado, o para la cogeneración.
Las bajas presiones de operación.
Altas velocidades de operación.
De bajo costo y el consumo de aceite lubricante.
Puede funcionar con una amplia variedad de combustibles.
Muy bajas emisiones tóxicas de CO y HC, debido al exceso del aire, la combustión
completa y no "enfriamiento" de la llama en las superficies frías
Desventajas de la turbina de gas
El costo es muy alto
Menos eficiente que los motores alternativos al ralentí
Mayor arranque de motores alternativos
Menos sensible a cambios en la demanda de energía en comparación con los motores
alternativos
Zumbido característico puede ser difícil de suprimir
6. Análisis y diagnóstico de los consumos
6.1. Demanda de Energía
6.1.1.Horas Punta
Periodo comprendido entre las 18:00 y 23:00 horas de cada día
6.1.2.Horas Fuera de Punta
Resto de horas no comprendidas en las horas punta (HP)
6.2. Calidad de Energía
6.2.1.Armónicas
Los armónicos son tensiones o corrientes sinusoidales cuya frecuencia es un múltiplo
integral de la frecuencia fundamental del sistema la cual, para el caso de nuestro país
es 60 Hz.
Las formas de onda distorsionadas son descompuestas, de acuerdo con Fourier, en la
suma de una componente fundamental más las componentes armónicas. La distorsión
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
armónica se origina, fundamentalmente, por la característica no lineal de las cargas en
los sistemas de potencia.
El nivel de distorsión armónica se describe por el espectro total armónico mediante las
magnitudes y el ángulo de fase de cada componente individual.
Es común, además, utilizar un criterio denominado distorsión total armónica (THD)
como una medida de la distorsión.
6.2.2.Variaciones de Tensión
Son aquellas desviaciones del valor R.M.S. de la tensión que ocurren con una duración
superior a un minuto.
La norma ANSI C84.1 especifica las tolerancias en la tensión de estado estable en un
sistema de potencia. Una variación de voltaje se considera de larga duración cuando
excede el límite de la ANSI por más de un minuto. Debe prestarse atención a los
valores fuera de estos rangos.
En Perú los límites están definidos entre +10% y –10% de la tensión nominal, según
código nacional de electricidad.
6.2.3.Variaciones de Potencia en el Sistema de Potencia
La variación de frecuencia es la desviación de la frecuencia fundamental del sistema de
su valor nominal especificado (60 Hz en el caso de Perú).
La frecuencia está directamente relacionada con la velocidad de rotación de los
generadores que componen el sistema. Normalmente existen ligeras variaciones de
frecuencia debido a la fluctuación del balance entre la generación y la demanda de
potencia de un sistema.
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
El Consejo de la Industria de Tecnología de la Información (ITIC) describe los valores
tolerables y la duración de las variaciones de voltaje que pueden ocurrir sin dañar o
interrumpir las funciones de sus productos.
Estos valores son aplicables a sistemas de 220 V R.M.S. 60 Hz. Esta no debe variar +/-2
Hz
6.3. Generador Síncrono
El principio de funcionamiento de un G.S se basa en la ley de Faraday. Para crear
tensión inducida en el circuito de armadura (estator), debemos crear un campo
magnético en el rotor o circuito de campo, esto lo lograremos alimentado el rotor con
una batería, este campo magnético inducirá una tensión en el devanado de armadura
por lo que tendremos una corriente alterna fluyendo a través de él.
Al operar como generador, la es suministrada a la máquina por la aplicación de
un torque y por la rotación del eje de la misma, una fuente de energía mecánica puede
ser, por ejemplo, una turbina hidráulica, a gas o a vapor. Una vez estando el generador
conectado a la red eléctrica, su rotación es dictada por la frecuencia de la red, pues
la frecuencia de la tensión trifásica depende directamente de la velocidad de la
máquina.
Para que la máquina síncrona sea capaz de efectivamente convertir energía mecánica
aplicada a su eje, es necesario que el enrollamiento de campo localizado en el rotor de
la máquina sea alimentado por una fuente de tensión continua de forma que al girar
el campo magnético generado por los polos del rotor tengan un movimiento relativo a
los conductores de los enrollamientos del estator.
Debido a ese movimiento relativo entre el campo magnético de los polos del rotor, la
intensidad del campo magnético que atraviesa los enrollamientos del estator irá a
variar el tiempo, y así tendremos por la ley de Faraday una inducción de tensiones en
las terminales de los enrollamientos del estator.
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
Debido a distribución y disposición espacial del conjunto de enrollamientos del estator,
las tensiones inducidas en sus terminales serán alternas senoidales trifásicas.
La corriente eléctrica utilizada para alimentar el campo es denominada corriente de
excitación. Cuando el generador está funcionando aisladamente de
un sistema eléctrico (o sea, está en una isla de potencia), la excitación del campo irá a
controlar la tensión eléctrica generada. Cuando el generador está conectado a
un sistema eléctrico que posee diversos generadores interligados, la excitación del
campo irá a controlar la potencia reactiva generada.
Consideraciones
El Generador Síncrono, o también llamado Alternador, es un tipo de máquina
eléctrica rotativa capaz de transformar energía mecánica (en forma de
rotación) en energía eléctrica.
Son los encargados de generar la mayor parte de la energía eléctrica
consumida en la red, y su respuesta dinámica resulta determinante para la
estabilidad del sistema después de una perturbación. Por ello, para simular la
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
respuesta dinámica de un sistema eléctrico es imprescindible modelar
adecuadamente los generadores síncronos.
Es capaz de convertir energía mecánica en eléctrica cuando opera como
generador y energía eléctrica en mecánica cuando operada como motor.
Los GS funcionan bajo el principio de que en un conductor sometido a
un campo magnético variable crea una tensión eléctrica inducida cuya
polaridad depende del sentido del campo y su valor del flujo que lo atraviesa.
La razón por la que se llama generador síncrono es la igualdad entre la
frecuencia eléctrica como la frecuencia angular es decir el generador girara a
la velocidad del campo magnético a esta igualdad de frecuencias se le
denomina sincronismo.
Esta máquina funciona alimentando al rotor o circuito de campo por medio de
una batería es decir por este devanado fluirá CC. mientras q en el estator o
circuito de armadura la corriente es alterna CA.
Cuando un generador síncrono está sometido a carga, la tensión inducida sufre
cambios por lo que se deberá utilizar equipos auxiliares que garanticen una
óptima operación del mismo.
6.4. Regulación de Motores Turbina a Gas
6.4.1.Regulador por by pass
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
6.4.2.Regulación por estrangulamiento
6.4.3.Regulación por estrangulamiento en el escape
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
6.5. Sistema Eléctrico Interconectado SEIN
6.6. Mercado Eléctrico
La potencia efectiva a nivel nacional registrada por las generadoras de energía eléctrica en
el 2010 fue 8 000 MW, cifra mayor en 10,7% a la registrada el año 2009, situación que se
explica por el ingreso en operación efectiva de aproximadamente 396 MW con centrales
térmicas y 230 MW con centrales hidráulicas. De otro lado, el 41% de la potencia efectiva
fue de origen hidráulico y 59% térmico.
Para el servicio efectuado al mercado eléctrico se tuvo disponible 6 875 MW que
representó el 86% del total nacional y, los 1 125 MW restantes para uso propio.
A nivel de sistema, la capacidad efectiva del SEIN fue 6 888 MW, de los cuales el 46% es
hidroeléctrico y es 54% térmico. Asimismo, la potencia efectiva aislada fue 1 113 MW,
donde el 10 % es hidroeléctrica y el 90% es térmica.
Con relación a la potencia efectiva de las centrales hidroeléctricas que conforman el
parque generador a nivel nacional se tuvo 3 317 MW a diciembre del 2010, que representó
el 41% del total. La central hidroeléctrica Santiago Antúnez de Mayolo fue la más
representativa con 671 MW. Asimismo, las empresas de mayor capacidad efectiva
hidroeléctrica en el mercado eléctrico fueron Electroperú S.A. con 27% y EDEGEL S.A.A.
con 17%.
El parque térmico a diciembre del 2010, cuenta con una capacidad efectiva de 4 682 MW
correspondiente a las centrales termoeléctricas que conforman el sistema de generación
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
del país. También se precisa que el 79% de dicha capacidad efectiva corresponde al
Sistema Eléctrico Interconectado Nacional.
Entre las centrales de mayor potencia efectiva se encuentran la Central Térmica Kallpa con
566 MW, Central Térmica Chilca I con 534 MW, Central Térmica Ventanilla con 493 MW y
la Central Térmica Ilo1 232 MW. Se destaca además las empresas con unidades de mayor
potencia efectiva de origen térmico en el mercado eléctrico como EDEGEL S.A.A. con 27% y
Energía del Sur S.A. con 25%.
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
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Fuerza Motriz Capítulo 8: Turbina de Gas
6.7. Comité de Operación Económica del Sistema Interconectado Nacional COES
Está conformado por todos los Agentes del SEIN (Generadores, Transmisores,
Distribuidores y Usuarios Libres) y sus decisiones son de cumplimiento obligatorio por
los Agentes. Su finalidad es coordinar la operación de corto, mediano y largo plazo del
SEIN al mínimo costo, preservando la seguridad del sistema, y el mejor
aprovechamiento de los recursos energéticos
7. Líneas generales de actuación
8. Bibliografía
Termodinámica - Yunus Cengel - V edición
Turbinas Térmicas - Claudio Mataix
Código nacional del Electricidad Suministros 2001
Generación de la Energía Eléctrica - Osinerming
Paginas web
http://www.fierasdelaingenieria.com/turbinas-de-gas-la-busqueda-permanente-de-la-
eficiencia/
http://fluidos.eia.edu.co/hidraulica/articuloses/maquinashidraulicas/turbinas_gas/index.html
27
![03-Turbina a Gas[1]](https://img.pdfslide.tips/doc/110x75/577d2f5b1a28ab4e1eb17b58/03-turbina-a-gas1.jpg)
