Plantas a gas_segunda_parte

Capitulo II: Plantas a gas 54

2.5.2. CÁMARA DE COMBUSTION.

La finalidad de la cámara de combustión es conseguir una
combustión lo más completa posible en un espacio y con un peso
mínimo. Las cámaras de combustión se constituyen, por lo general, de
tal forma que la combustión pueda llevarse a cabo rápidamente y se
realice en una llama de alta temperatura, que se forma a partir de la
inyección del combustible líquido o gaseoso. Este espacio interno de
combustión se rodea con una envoltura de aire más frío, de manera que
la envoltura exterior no adquiera temperaturas elevadas. El aire de la
combustión procedente de la envoltura exterior de aire secundario, se
mezcla después con la llama, produciendo así una combustión
completa.

Figura 2.30: Esquema de la cámara de combustión de una planta a gas.
Fuente: Propia

La función de la cámara de combustión es quemar la mezcla de
combustible y aire para luego descargar los gases resultantes en la
admisión de la turbina a una temperatura que no exceda los límites
permisibles. En vista de que la mezcla diluida es difícil de encender y
mantenerla en combustión continuamente, se divide la cámara de


combustión en dos zonas. Una zona primaria llamada de REACCIÓN y
otra zona llamada de DILUCION, en la figura 2.30 se puede observar la
cámara de combustión donde están claramente definidas estas dos
zonas.

El aire comprimido proveniente de la descarga del compresor es
dividido hacia las dos zonas, según se observa en el esquema de la
figura 2.31. Se calcula que una turbina de gas requiere de 60 a 80
partes de aire en peso, por una parte de combustible.
Aproximadamente 15 partes de aire, denominado aire primario, es
utilizado para la combustión en la zona de reacción y las partes
restantes de aire, llamada aire secundario (45 a 65 partes) son usadas
en la zona de dilución para enfriar y darle sentido de flujo a los gases
calientes ya formados en la zona de reacción, antes de ser introducidos
a las toberas de la turbina.

Aire Primario
(Aproximadamente
15 partes)

Combustible Gases hacia
(Una parte) Reacción la turbina
Dilución
Aire para Dilución
(45 a 65 partes)

Aire proveniente de la
descarga del compresor
(60 a 80 partes)
Figura 2.31: Esquema de la repartición del aire en una cámara de combustión.
Fuente: Propia


En la figura 2.32, se
muestra como se
distribuye el aire que
proviene del compresor,
cuando ingresa a la
cámara de combustión. El
aire se divide en dos
Figura 2.32: Distribución aproximada del aire en
partes, como la cámara de combustión
Fuente: Manual Interactivo de Plantas a Gas
anteriormente sé indicó, la
cantidad de aire primario que ingresa a la zona de reacción es
aproximadamente el 18% de la cantidad total de aire, el 82% restante
está constituido por lo que se denomina el aire secundario. El aire
primario al ingresar a la envoltura interna, se mezcla con el combustible
y reacciona con éste formando los gases de combustión, la cantidad de
aire que reacciona es precisamente la cantidad estequiométrica de la
relación aire-combustible, se estima que es aproximadamente el 10% del
aire que proviene del compresor, por lo tanto del aire primario queda
alrededor de un 8%, que representa el aire en exceso, el cual contribuye
en el desarrollo del proceso de combustión. El 82% correspondiente al
aire secundario, va ingresando de la región anular hacia la envoltura
interior, se estima que ingresa primeramente alrededor de un 10%, y
finalmente ingresa el 72% restante.

En la figura 2.33 se puede observar el movimiento del flujo de aire
a lo largo de una cámara de combustión típica. En ella, el aire fresco
que asciende entre la envoltura interior (Mi) y la exterior (Ma) sirve para
la refrigeración de la envoltura interior (Mi) de la cámara de combustión
y por ello, se calcula previamente como parte del aire de combustión.


E = Entrada
A = Salida
Mi = Envoltura interior
Ma = Envoltura exterior
Dr = Cuerpo giratorio
Dii = Tobera de combustible
Z = Dispositivo de encendido
M = Orificios de mezcla

Figura 2.33: Esquema de cámara de combustión.
Fuente: Brown Boveri

En las figuras siguientes se pueden observar diferentes tipos de
cámaras de combustión, y en las cuales se detallan las partes
principales de las que están constituidas, así como también las zonas de
reacción y de mezcla, hay que tener presente que algunos autores
dividen la zona de dilución en dos zonas, y las denominan zona de
mezcla y zona de dilución.

En la figura 2.34, se observa el esquema de una cámara de
combustión del tipo anular, en ella el flujo del aire, ingresa a la cámara
por la región anular formada por la envoltura externa y el
compartimiento que protege al eje de la turbo compresora, de ese
recinto, el aire penetra a la envoltura interna, donde se mezcla con el
combustible formando la combustión en la zona de reacción y los gases
a alta temperatura, estos se van mezclando con el aire fresco que


proviene de la región anular, para finalmente ser descargados en los
álabes de la turbina.

Figura 2.34: Esquema de una cámara de combustión tipo anular
Fuente: Recopilado de Internet

En la cámara de combustión con torbellinador, que se muestra en
la figura 2.35, es posible observar el flujo de aire que proviene de la
descarga del compresor
y es recibido en la
parte central de la
cámara, para ser
distribuido. Una parte
se dirige hacia la
región anular y la otra
ingresa a la envoltura
interior, denominada
tubo de llama (1), a Figura 2.35: Cámara de combustión con Torbellinador
través de un elemento
cilíndrico, que recibe el nombre de torbellinador (J), provisto de álabes
que inducen al aire que lo atraviesa a formar un flujo en forma circulo-
helicoidal, con la intención de crear turbulencia en el flujo de aire con el
propósito de lograr una buena mezcla entre el aire primario y el
combustible, el cual es inyectado a la cámara por medio de los


inyectores (2), que se colocan en el centro de la cámara. En este sitio
ocurre la combustión del combustible, a esta zona se la denomina de
reacción (A). Los gases formados a alta temperatura, se mezclan con el
aire secundario, proveniente de la región anular, atravesando la
envoltura interior a través de los agujeros (6), practicados a lo largo de
ésta. En la zona de dilución (B), el aire secundario y los gases producto
de la combustión se mezclan permitiendo que la temperatura de los
gases disminuya hasta los valores permisibles en los álabes de la
turbina.

El principio de funcionamiento de las cámaras de combustión,
que se muestran en las figuras 2.36 y 2.37 es similar al descrito en el
esquema anterior, y en la figura 2.38 se muestra un conjunto de cestos
combustores, instalados sobre la unidad o planta a gas.

Figura 2.36: Zonas de la cámara de combustión
Fuente: Catálogo de la SULZER

El principio de funcionamiento de la cámara de combustión que
se muestra en la figura 2.39, es ligeramente diferente motivado a que en
éste tipo de cámara, el aire proveniente del compresor, cambia de
dirección, es decir crea un flujo contrario a la dirección longitudinal de
la turbina de gas, conduciéndolo por la región anular, en la cual el aire


secundario penetra al tubo de llamas a través de los agujeros
practicados en él. El aire primario que resta va hacia la zona de
reacción para producir la combustión del combustible y de ahí en
adelante el proceso es similar al que se describió anteriormente.

Figura 2.37: Cámara de combustión de
un motor de turbina de gas tipo 3/S3 de
la SULZER
Fuente: Turbomáquinas de fluido compresible

Figura 2.38: Cámara de combustión
completa, con todos los cestos combustores
Fuente: Manual Interactivo de Plantas a gas –
Traducción del autor

Figura 2.39: Cámara de combustión de flujo reversible, de una
turbina de gas MS-9001, General Electric


2.5.2.1. ACCESORIOS DE LAS CÁMARAS DE COMBUSTIÓN.

La cámara de combustión denominada también cesto combustor,
para que funcione a cabalidad, requiere de una serie de accesorios, los
cuales son utilizados en su mayoría y que mencionaremos a
continuación:

2.5.2.1.1. Toberas de combustible

Son pequeñas boquillas con uno o varios orificios, como se
observa en las figuras 2.40 y 2.41, para introducir e inyectar el
combustible dentro de la cámara de combustión, ya sea este líquido o
gaseoso. En el caso de inyectar combustible líquido, adicionalmente se
utiliza una tobera, la cual se introduce en el inyector del combustible,
para suministrar aire a alta presión, con el fin de poder atomizar el
combustible líquido que entra al sistema de combustión. Dichas
toberas de combustible, son colocadas en la zona de reacción del cesto
combustor.

Figura 2.40: Toberas para la inyección del Figura 2.41: Quemador, para la cámara de
combustible. combustión anular, con sus inyectores
Fuente: Recopilado de Internet Fuente: Recopilado de Internet


2.5.2.1.2. Sistema de ignición por bujías

Es el sistema que aporta el tercer elemento necesario para que se
efectúe la combustión y esto lo hace frecuentemente utilizando un
sistema de circuito eléctrico o electrónico que permite el salto de una
chispa, en los electrodos de una bujía, cuyo voltaje oscila entre los
7.000 a 15.000 voltios. En la cámara de combustión las bujías deberían
estar colocadas una en cada una de los cestos combustores, sin
embargo mediante la
utilización del tubo
cruza llamas, se utilizan
únicamente una o dos
bujías. En la figura
2.42, se muestra un
cesto combustor, donde
se observan los tubos Figura 2.42: Cesto combustor
Fuente: Mitsubishi Gas Turbine Generators
cruza llamas y el tubo
donde se coloca la bujía del sistema de ignición. Las plantas de gas, que
utilizan cámaras de combustión tipo Westinhouse usan una sola bujía
mientras que las del tipo General-Electric utilizan dos bujías. El
sistema de ignición, en la parte que corresponde a la bujía, posee un
sistema retráctil automático el cual le permite alejar las bujías de la
zona de combustión cuando la cámara se encuentra a la presión de
régimen e introducirla nuevamente a la cámara cuando la planta de gas
se halle en condiciones de parada. Es importante que el operador
observe la operación antes descrita, durante el arranque y la parada de
la máquina, ya que esto le da una visión de que el proceso se está
llevando en condiciones de operación normal.


2.5.2.1.3. Pieza de transición

Es una pieza ensamblada en forma tubular y su función es guiar
el flujo de gases calientes provenientes de la cámara de combustión
hacia las toberas de la turbina. Ver figuras 2.43 y 2.44.

Figura 2.43: Instalación de la Figura 2.44: Conjunto de piezas de transición,
pieza de transición dispuestas para su instalación
Fuente: Recopilado de Internet Fuente: Manual Interactivo de Plantas a Gas.

2.5.2.1.4. Tubo cruza-llamas

Está colocado en la zona primaria o de reacción e interconectan
los cestos combustores con la finalidad de propagar la llama de las
cámaras con bujías hacia las cámaras que no poseen bujías. Utilizando
este tubo cruza llamas se evita tener que utilizar una bujía por cada
cesto combustor, en la figura 2.42 se pueden observar los tubos cruza
llamas de la cámara de combustión.

2.5.2.1.5. Detector de llama

Es el sistema que indica la presencia o ausencia de la llama para


ser transmitido al sistema de arranque, y consiste en un electrodo de
metal (una fotocélula), que detecta la radiación producida por la llama,
generando una corriente que es transmitida a un amplificador y de ahí
al sistema de control, el cual dirige el sistema de arranque o el de
parada.4

2.5.3. LA TURBINA

El tercer elemento mecánico básico en una planta a gas, lo
constituye la turbina de expansión o elemento productor de fuerza de la
máquina. Los gases calientes bajo la presión de la cámara de
combustión proporcionan la energía requerida por la turbina, para
generar potencia mecánica en un eje que rota.

La temperatura de los gases que entran a la turbina varía de 650
a 950 °C aproximadamente en las operaciones continuas a plena carga
para la mayoría de las turbinas comerciales que hay en el mercado.
Esta gama de temperaturas será mas alta, a medida que pase el tiempo,
debido a las mejoras en los materiales de los cuales se fabrican los
álabes de la turbina y al progreso en las técnicas del diseño, que
conducen a mejorar los sistemas de enfriamiento de los mismos.

De la operación práctica de estas máquinas se conoce que,
aproximadamente dos terceras partes de la fuerza desarrollada por la
turbina, se utiliza para mover al compresor y a los accesorios de la
máquina (bomba de combustible, bomba de aceite de lubricación, etc.).
La potencia restante al eje, es la salida de fuerza útil de la máquina, esta
condición es la que motiva a predecir porque estos equipos poseen bajos

4 M. Polo, Turbomáquinas de Fluido compresible


rendimientos.

Si todas las etapas de expansión de la turbina están en el mismo
eje del compresor, la turbina se llama de “un solo eje” o turbina de “eje
fijo”, como se ve el rotor de
la figura 2.45. La turbina de
fuerza se puede dividir en
dos ejes, en este tipo de
máquina un eje se utiliza
exclusivamente para mover
al compresor y los sistemas
accesorios de la máquina y
a ésta se la llama turbina
Figura 2.45: Rotor de turbina de un solo eje
compresor o turbo
compresora, dejando la otra turbina que suministra la fuerza, colocada
en otro eje separado la cual se denomina turbina de fuerza o turbina de
potencia. Este tipo de
turbina se nombra “turbina
de doble eje” o de “eje
dividido”. En la figura 2.46,
se observa una turbina de
doble eje, la turbina que
mueve al compresor, recibe
los gases a alta presión y
Figura 2.46: Turbina de doble eje
temperatura, provenientes Fuente: Manual Interactivo de Plantas a Gas

de la cámara de combustión,
la potencia generada por esta turbina, se utiliza únicamente para mover
al compresor, por esta razón se le denomina turbo compresora, la
energía remanente de los gases a la salida de esta turbina inciden
posteriormente sobre las dos ruedas de turbina de baja presión, la cual


está montada sobre un eje distinto al de la turbo compresora, y la
potencia que se obtiene de esta turbina, se aprovecha para mover la
carga, es decir el generador eléctrico o cualquier otro elemento mecánico
que así lo requiera.

La turbina (o expansor roto dinámico) es el medio casi universal
para extraer energía de una corriente de gas de alta presión. Se usan
dos tipos de rotores de turbina, de flujo radial, que es similar al de un
compresor centrífugo, y de flujo axial. La eficiencia isentrópica de
ambas turbinas está en el orden de 0,75 a 0,90.

2.5.3.1. TURBINA RADIAL

Es el tipo de turbina de gas utilizado para bajas relaciones de
presión, el gas entra a través de la periferia de la tobera y fluye del
perímetro de la rueda hacia el interior en dirección radial, donde ejercen
fuerzas sobre los álabes de la rueda, para luego escapar en dirección
axial hacia la atmósfera, ver figura 2.47.

Estas turbinas son
usadas por lo general en
plantas a gas pequeñas con
bajos rangos de eficiencia y
de velocidad específica,
donde la cantidad de
generación de potencia
eléctrica es de poca
importancia, que no es el Figura 2.47: Rotor de una turbina radial.
caso precisamente de las
plantas a gas utilizadas para generar la energía del sistema eléctrico


interconectado de cualquier país.

2.5.3.2. TURBINA AXIAL

La turbina axial es similar a un compresor axial, pero sus álabes
son más complicados que los obtenidos con una simple inversión de los
álabes de un compresor. Extraen considerable energía, y con una sola
etapa pueden accionar un compresor de seis o siete etapas que admita
el mismo flujo másico. A continuación se presentan diferentes tipos de
rotores de turbinas axiales con el propósito de familiarizar al lector en el
conocimiento de estas máquinas motrices, las cuales son las de mayor
utilización.

La turbina de flujo axial, comprende dos elementos principales:
una rueda de turbina o rotor, ver figuras 2.48, 2.49 y 2.50, y un juego
de álabes fijos llamado diafragma o tobera, formando una etapa, o si son
varias etapas entre cada rueda del rotor se insertan álabes fijos, así
como también a la entrada y a la salida de la turbina, ver figura 2.51, en
la cual se muestra el conjunto de rotor y diafragma donde están
alojadas las ruedas de álabes, en este caso de seis etapas de expansión.

Figura 2.48: Rotor de turbina de alta Figura 2.49: Rotor de turbina de alta
presión de una sola etapa presión de doble etapa de expansión
Fuente: Catálogo de la General Electric Fuente: Catálogo de la General Electric


Figura 2.50: Rotor turbocompresor Mod. EM85 de General Electric:
1.- Compresor axial de 12 etapas de compresión
2.- Turbina axial de alta presión de 2 etapas de expansión
3.- Turbina axial de baja presión de 2 etapas de expansión
Fuente: Catálogo de la General Electric.

Figura 2.51: Rotor y diafragma de una turbina axial de seis etapas de
expansión
Fuente: Catálogo de la General Electric y traducción del autor


En la figura 2.52, se puede
observar el rotor de una turbina axial, en
el instante de la instalación de uno de
sus álabes, y el conjunto del rotor de una
turbo-compresora. Es importante
destacar que el acople de los álabes con
el rotor, se efectúa mediante colas de
milano, las cuales permiten mayor Figura 2.52: Instalación de los
álabes en el rotor de una turbo
agarre, para evitar desprendimiento de compresora
Fuente: Catálogo de la General Electric
los álabes cuando estén girando a altas
velocidades de rotación.

En la figura 2.53 se puede observar el corte esquemático de otra
turbina de gas donde se detalla el rotor de la turbina sobre el cual están
instalados el compresor de 16 etapas tipo axial y la turbina axial, de dos
etapas de expansión a alta presión y de 6 etapas a baja presión.

Figura 2.53: Corte del conjunto de una turbina de gas tipo General Electric, modelo
LM2500.
Fuente: Catálogo de la General Electric.

Finalmente en la figura 2.54, se detalla otra de las turbinas de


características similares a las mostradas anteriormente, donde se
observa claramente el rotor de la turbina soportando las 18 ruedas de
álabes del compresor y las 3 ruedas de álabes de la turbina, ésta
relación entre el número de etapas de compresión y el número de etapas
de expansión es normal; es
decir siempre las etapas de
compresión son mayores
que las etapas de
expansión, la razón de este
fenómeno es que el fluido
cuando está en expansión,
va en la dirección normal
de la naturaleza es decir
está buscando el nivel más
Figura 2.54: Corte longitudinal de una turbina
bajo de equilibrio, mientras axial
que cuando se comprime el
gas, el proceso ocurre en contra de la disposición natural.

En la figura 2.55, se observa
el rotor de la turbina turbo
compresora de una planta a gas,
cuando se está en proceso de
instalación de la unidad, es
importante observar el tamaño de
este equipo, al compararlo con los
operarios que están procediendo en
la actividad de mantenimiento. En
la parte frontal se muestra la turbina
por el lado de baja presión y al fondo
Figura 2.55: Rotor de turbina turbo
se ve el lado del compresor.
compresora


Uno de los problemas que presentan las turbinas axiales de las
unidades a gas, es la alta temperatura que deben soportar los álabes de
la rueda de turbina de primera etapa, lo cual limita la operación de
estas unidades, por ello se ha tratado de corregir este problema,
utilizando varias soluciones: construir los álabes con materiales que
resisten las condiciones extremas de temperatura, y diseñar los álabes
de turbina con sistemas de
enfriamiento interno, para
ello se utiliza esencialmente
el mismo aire proveniente
del compresor, como se
observa en la figura 2.56, en
la cual se ve el camino que
toma el aire dentro del álabe
y en su recorrido, recoge la
energía térmica acumulada
en las paredes de los álabes
de la turbina, evitando con
ello que la temperatura de
los mismos se incremente
por encima de los valores

Figura 2.56: Enfriamiento de los álabes de la permisibles de los
turbina utilizando el aire proveniente del materiales de los cuales
compresor.
Fuente: Catálogo de la General Electric
están construidos.

Las turbinas axiales se dividen en dos tipos básicos que son: las
turbinas de impulso o de acción y las turbinas de reacción, las cuales
dependen del grado de reacción, que se define como el salto entálpico
real para la parte móvil, sobre el salto entálpico para toda la etapa de


expansión.

Cambio de entalpia en la parte movil de la etapa
R= 2.15
Cambio de entalpia para toda la etapa

2.5.3.2.1. Turbinas de acción o impulso

Su característica principal es que la expansión y la reducción de
presión de los gases calientes ocurren solamente en el diafragma de
álabes fijos, llamados también toberas, ocasionando un aumento de
velocidad de los gases hacia los álabes móviles. Este tipo es el
mayormente utilizado en turbinas a vapor y están provistas de múltiples
toberas que regulan las variaciones de carga, a través de la
parcialización (by-pass) del flujo de vapor a la turbina. En este caso el
grado de reacción toma el valor cero.

2.5.3.2.2. Turbinas de reacción

La expansión y la pérdida de presión de los gases se efectúan al
pasar por los álabes móviles, creando la reacción, por lo que se impulsa
aún mas la velocidad de los gases calientes. En la mayoría de las
turbinas de plantas a gas el grado de reacción (R) es igual o mayor a 0,5
y por lo tanto son turbinas de reacción. Se dice que una turbina es de
reacción pura cuando el grado de reacción es del 100%.

2.5.4. ACCESORIOS DE LAS TURBINAS DE GAS

2.5.4.1. SISTEMAS DE COMBUSTIBLE

Los constructores de las turbinas a gas se han esforzado, y siguen
esforzándose, en conseguir que estas máquinas sean capaces de operar


con cualquier tipo de combustible. Gracias a esto las turbinas a gas
pudieran competir con los otros tipos de motores térmicos, ya que al
emplear combustibles más económicos, compensarían su menor
rendimiento.

Siendo tan amplia la zona de utilización de las turbinas a gas, que
abarca desde instalaciones pesadas estacionarias de gran potencia,
hasta los turbo reactores y grupos de pequeña potencia; los puntos de
vista para la selección de los sistemas de combustible, dependen
directamente de la selección del combustible mas apropiado, según
alternativas en cuanto a: economía, técnicas, seguridad y hasta de
disponibilidad en tiempos de guerra en las aplicaciones militares.

Los combustibles usados en las plantas con turbinas a gas son
fundamentalmente hidrocarburos, ya sean estos gaseosos o líquidos.
También pueden emplearse combustibles sólidos, pero son menos
frecuentes, ya que su implementación aún se encuentra en la fase de
experimentación.

El sistema de combustible, consiste del conjunto de tuberías y
conexiones múltiples y en algunos casos, de una o más bombas, según
se requiera para alimentar el combustible a una presión suficiente para
efectuar una inyección satisfactoria dentro de la cámara de combustión.

Los elementos del sistema de control como válvulas de cierre y
reguladores, se encuentran en el sistema de combustible, entre la
entrada de la máquina y la cámara de combustión. En la figura 2.57 se
observa un esquema típico de un sistema de inyección de combustible
líquido.


Los sistemas de
combustible de las plantas a
gas pueden diseñarse para
manejar cualquier tipo de
combustible, bien sea sólido,
líquido o gaseoso, según los
requerimientos y las
condiciones de operación de la
Figura 2.57: Esquema típico de un sistema
planta, así como también de la de inyección de combustible líquido: (1)
Depósito de combustible. (2) Filtro. (3)
disponibilidad del combustible. Válvula de sobrante. (4) Bomba de
Se analiza a continuación cada inyección. (5) Bomba de combustible. (6)
Filtro.
Fuente: Manual del Ingeniero Mecánico
uno de estos sistemas:

2.5.4.1.1. Sistema de combustible sólido

La utilización de los combustibles sólidos, como el carbón,
encuentra mayor aplicación en las turbinas de circuito cerrado que en
las de circuito abierto. Con este fin se ha ideado la turbina de aire
caliente, la cual puede funcionar en un circuito abierto o cerrado, en
ambos casos el sistema de combustible usado se modifica para sustituir
la cámara de combustión por un intercambiador de calor, tipo
superficie, y en el cual los gases producto de combustión, le trasfieren la
energía térmica al aire, y éste será en definitiva quien realice el proceso
por la turbo compresora y por la turbina de potencia.

Los sistemas de combustible sólido que manejan carbón sólido
(coque), o carbón pulverizado, pueden presentar dos formas de quemado
del combustible: en un lecho fijo para carbón sólido, en donde el
material se extiende en tamaños variables desde unos cuantos


milímetros hasta unos pocos centímetros, acumulándose sobre sistemas
de rejillas fijas o móviles; o bien en estado pulverizado, mediante la
inyección del material utilizando corrientes de aire de gran turbulencia,
que circulan dentro de los intercambiadores de calor.

El sistema de combustión de carbón pulverizado opera según el
siguiente esquema: el combustible previamente pulverizado en una
cámara de molido y triturado es inyectado al intercambiador de calor
utilizando un chorro de aire, que se mezcla íntimamente con el
combustible. Los minúsculos granos de carbón se calientan por efecto
de la transmisión de calor de las paredes del horno, de la llama de
combustión y por el contacto con los gases de recirculación. A cierta
distancia de este punto se da inicio el proceso de combustión generando
un frente estacionario de llama, en el cual el combustible se quema,
reduce o agota por completo. Por lo general este tipo de combustibles se
usa en plantas a gas de circuito cerrado.

2.5.4.1.2. Sistema de combustible líquido

El uso de combustibles líquidos en turbinas a gas, está mas
generalizado que los gaseosos, particularmente en unidades móviles
(aviones o barcos), y también en unidades estacionarias donde no llega
la tubería de gas natural. Esto es debido a que, por unidad de volumen
de combustible, se puede tener mayor contenido energético en la forma
líquida que en la gaseosa.

El principal requerimiento, para un sistema de combustible
líquido, es que tenga presión suficiente para permitir una caída de
presión a través del inyector que sea suficiente para atomizar el
combustible, la presión de descarga debe ser mayor que la presión de la


cámara de combustión, de lo contrario no se podría efectuar la
inyección. El inyector es generalmente una boquilla atomizadora de
rocío continuo. El requerimiento de presión para atomizar varía
dependiendo de la viscosidad y de la tensión superficial del combustible.
Aún cuando algunos sistemas de combustible líquido requieren de 35 a
70 Kg/cm2 de presión, los requerimientos de potencia de la bomba de
combustible son relativamente bajos, motivado a la poca cantidad de
caudal de combustible manejado.

Los principales componentes del sistema de combustible líquido
son los siguientes:

a. Tanques de almacenamiento: Su función es almacenar o depositar
el combustible.
b. Tuberías: Tienen como función transportar el combustible desde el
sitio de almacenamiento hasta los quemadores.
c. Filtro de combustible: Su función es purificar el combustible y con
ello proteger las toberas del sistema.
d. Válvula de drenaje del divisor ó múltiple: Su función es drenar el
múltiple del combustible después de la parada.
e. Válvula de drenaje del combustor: Asegura que no se produzca
bajo ningún concepto, una acumulación de combustible líquido en
la cámara de combustión.
f. Válvula de aislamiento: Controla la admisión de combustible a los
cestos combustores.
g. Válvula de cierre del combustible líquido: Su función es cerrar
completamente el paso de combustible, cuando la turbina sea
parada por una secuencia normal, por un disparo de emergencia o
por un disparo de sobre velocidad.


2.5.4.1.3. Sistema de combustible gaseoso

Este sistema trabaja con el combustible ideal para las turbinas a
gas, entre otras cosas por su elevado grado de limpieza, que permite la
eliminación prácticamente del filtro como un componente del sistema.
Para utilizar el gas como combustible, solo se requiere establecer los
ductos convenientes desde los yacimientos a los centros de consumo.

El gas natural, es el combustible ideal en muchos aspectos para la
operación de las turbinas a gas. La forma gaseosa facilita la
combustión, tiene alto poder calorífico, es de fácil manejo, no suele
contener impurezas que ocasionen corrosión, erosión o depósitos en los
álabes de la turbina. Los gases licuados obtenidos del petróleo, como el
propano y el butano, también son excelentes combustibles para las
turbinas de gas. Sus características son idénticas a las del gas natural.
Se mantienen en fase líquida en tanques de acero a presiones superiores
a los 7 bar, y se gasifican al salir del tanque a la temperatura y a la
presión normal.

La presión requerida para inyectar un combustible gaseoso, es
esencialmente la presión de descarga del compresor más las caídas de
presión en el sistema de control y las respectivas conexiones. Un
inyector de combustible gaseoso generalmente consiste de un tubo con
agujeros, la caída de presión a través de este inyector generalmente es
muy pequeña; por lo tanto la relación de presiones del compresor de la
máquina determina la presión requerida para el sistema de combustible
gaseoso.

Los principales componentes del sistema de combustible gaseoso
son los siguientes:


a. El múltiple o distribuidor y las toberas del combustible.
b. Las válvulas de: alimentación de combustible, aislamiento y de
regulación de presión.
c. El secador.
d. Un transmisor de presión.
e. Dos manómetros.

2.5.4.1.4. Sistema de combustible dual

Este sistema se diseña para que la instalación pueda trabajar con
dos tipos de combustibles, ya sea en forma independiente o en forma
conjunta. El combustible principal para los sistemas de combustible
dual es, por lo general, el gas natural o cualquier gas de proceso o
excedente, ya que estos son los combustibles gaseosos más económicos.
El uso de un segundo combustible, que se pueda almacenar cerca de la
instalación; la mayor parte de las veces lo determina un requerimiento
para operaciones de emergencia o simplemente por un contrato de
suministro de gas intermitente y no confiable. El combustible
secundario es generalmente un líquido que se almacena en tanques.

El combustible y el sistema de combustión se pueden arreglar de
tal manera que sea posible pasar del combustible principal al
secundario con carga. Este sistema, consiste esencialmente en dos
sistemas completos, montados sobre la planta, teniendo cada uno sus
propios dispositivos de control continuamente en operación y una
boquilla para el combustible que se pueda usar para cualquiera de los
dos sistemas. Cuando el cambio se va a realizar automáticamente, se
debe incluir en la instalación, un interruptor, que al percibir la
disminución de presión de alimentación del combustible principal,


conecte inmediatamente el sistema con el combustible almacenado de
combustible principal en la tubería o en otro dispositivo que sea
suficiente para mantener la presión hasta que el combustible
secundario llegue a la cámara de combustión.

Si se permite la interrupción del servicio, o se puede programar la
parada de la máquina, se puede usar un sistema manual de mayor
sencillez. Se para la máquina, se cambian las boquillas del
combustible, se vuelve a conectar el gobernador para el combustible
secundario y se arranca nuevamente la máquina. El cambio
generalmente se logra en un periodo que varía desde 30 minutos hasta 8
horas dependiendo del diseño de los sistemas.

Figura 2.58: Esquema de un sistema dual de combustible.
Fuente: Recopilado de Internet y traducción del autor


Es importante indicar que ya sea el cambio manual o automático,
no es necesario hacer cambios ni a la máquina ni a la cámara de
combustión. En la figura 2.58, se muestra un sistema dual de
combustible, donde se detallan las diferentes partes de las cuales está
constituido, como se aprecia el sistema dual, está formado por dos
sistemas independientes, uno para el combustible gaseoso y el otro para
el combustible líquido, montados ambos sobre la máquina a gas.

2.5.4.2. SISTEMA DE LUBRICACIÓN

Toda máquina que posea pares de elementos mecánicos en
movimiento, y que por consiguiente precisen lubricación, necesitan de
un sistema, cuya finalidad es la de proporcionar aceite lubricante a
todos aquellos pares mecánicos, inferiores ó superiores. Para evitar el
deterioro y mal funcionamiento de la maquina se hace indispensable
lubricar y enfriar todos aquellos puntos que así lo requieran, tales como:
rodamientos, ejes, chumaceras, así como las cajas de engranajes
principales y auxiliares. La función del sistema de lubricación es
lubricar y enfriar las chumaceras y engranajes, ya sea que la máquina
tenga chumaceras de cojinete o de anti-fricción o una mezcla de ambos
tipos. En el esquema que se muestra en la figura 2.59, se puede
observar un sistema típico de lubricación para una turbina a gas.

Las máquinas grandes requieren que las bombas de lubricación,
se muevan independientemente, con el fin de proporcionar la presión
total de lubricación desde que se inicia la rotación hasta el reposo
absoluto después de parar la máquina; mientras que las unidades
pequeñas por lo regular, usan una sola bomba de lubricación la cual es
movida directamente por la máquina. Algunas unidades grandes usan
una combinación de bombas de lubricación: movidas por la máquina y


otras independientes movidas por motores eléctricos o turbinas de
vapor.

Figura 2.59: Esquema del sistema de lubricación
Fuente: Propia del autor

El sistema de lubricación consta principalmente de:

a. Depósito de aceite: El
depósito debe ser lo
suficientemente grande,
como para permitir que el
aceite permanezca en reposo
un mínimo de 15 minutos
antes de recircularlo. Debe
tener deflectores para Figura 2.60: Depósito típico de un sistema
de circulación de aceite de lubricación.
garantizar que el aceite de Fuente: Manual del Ingeniero Mecánico

retorno no recircule de inmediato. El tiempo de reposo en el


depósito permite al aceite sedimentar los contaminantes y disipar el
calor y el aire que pudiese haber captado durante la circulación. En
la figura 2.60 se muestra un depósito típico de un sistema de
lubricación. El nivel del fluido de aceite, en el depósito, es muy
importante para asegurar que los sistemas de circulación operen sin
problemas. Si la línea de succión no se encuentra sumergida por
completo en el aceite en todo momento, podría presentarse
cavitación en la bomba. También es importante que la línea de
retorno esté sumergida en el aceite para reducir la entrada de aire y
de esta manera, prevenir problemas de formación de espuma que
pudieran presentarse si el aceite de retorno se salpicara dentro del
depósito.

b. Bomba principal: Es la encargada de suministrar el aceite al
sistema de tuberías, cuando la maquina está en funcionamiento, por
lo general se encuentra acoplada al eje de la turbina.

c. Bombas auxiliares: Estas bombas son del tipo centrífugo, y son las
encargadas del suministro de aceite durante el arranque y la parada
de la turbina, se encuentran localizadas dentro del tanque de aceite,
su accionamiento es llevado a cabo por medio de motores eléctricos
de corriente alterna.

d. Bomba de reserva: Esta bomba es utilizada solo en caso de
emergencia cuando el sistema eléctrico está fuera de servicio y se
necesita arrancar la maquina, en este caso la bomba de reserva
suministra la presión necesaria para el buen funcionamiento del
sistema de lubricación, la misma se encuentra localizada también en
el tanque de aceite y es accionada por un motor de corriente
continua, lo que la diferencia de las bombas auxiliares.


e. Eyector: Son bombas fluido dinámicas que utilizan la energía de un
fluido primario para mantener un caudal de otro fluido secundario
mediante un salto de presión. En el sistema de lubricación, el
eyector se utiliza para extraer el aire o la espuma que se pudieran
almacenar en el depósito del aceite lubricante, para evitar que
retornen al sistema de bombeo y la bomba pueda presentar
problemas.

f. Enfriadores: El control de la temperatura del aceite lubricante es
mantenido por una válvula termostática, la cual controla el
porcentaje de flujo de aceite desviado hacia los enfriadores. Existen
esencialmente dos tipos de enfriadores:
1. Intercambiador de carcasa y tubos: Son usados
preferiblemente por ser de fácil realización, fácil limpieza y
excelente eficiencia.
2. Intercambiadores de tubo fino enfriado por aire: Estas son
unidades pequeñas y económicas, tienen su aplicación en
instalaciones menores y donde el aprovisionamiento de agua sea
limitado.

g. Filtros de aceite: Varios tipos de filtros son usados para proteger
los componentes del sistema de impurezas y contaminantes
presentes en el aceite de lubricación. Entre estos se pueden citar:
1. Malla simple: Utiliza cartuchos de papel, y son usualmente
instalados aguas abajo de la bomba principal de aceite
lubricante, protegiendo de partículas abrasivas a los pares de
contacto en rodamiento.


2. Malla fina múltiple: Estos cartuchos son usados para proteger
las juntas de contacto de altas velocidades y componentes de los
servo-motores.
3. Chips detector magnético: Son utilizados en muchas unidades
para identificar la presencia de partículas ferrosas causadas por
el roce y la vibración las cuales conducirían a causar daños a la
caja de engranajes.

h. Sistema de tuberías, para la conducción y el respectivo retorno del
aceite lubricante.

Es de destacar que un sistema de lubricación requiere además de
un conjunto de elementos que deben monitorear permanentemente el
sistema ya que el principal inconveniente que se presenta es el riesgo de
una falla catastrófica en el equipo provocada por un mal funcionamiento
del sistema de lubricación. Para evitar esto, se instalan dispositivos de
monitoreo y alarma para poner en alerta a los operarios cuando se
presenta una falla en el sistema de lubricación. Estos dispositivos
pueden ser timbres de alarma, sirenas, luces intermitentes, apagado
automático del equipo o simplemente indicadores luminosos. Todos
ellos son efectivos si se mantienen en buenas condiciones de operación.

En la figura 2.61, se puede observar el esquema de un sistema de
lubricación, para una máquina que utiliza una combinación de bombas.
La bomba principal del aceite, que es la encargada de suministrar el
aceite al sistema de tuberías cuando la máquina está en
funcionamiento, la misma se encuentra acoplada al eje de la turbina.
Para la marcha en frío, es decir durante el arranque y parada de la
turbina, la alimentación de lubricante se hace por medio de una bomba
auxiliar del tipo centrifugo, que se encuentra sumergida en el aceite del


tanque y es accionada por un motor eléctrico de corriente alterna;
también existe dentro del tanque de aceite otra bomba llamada bomba
de reserva, movida por un motor de corriente continua, la cual se utiliza
solo en caso de emergencias cuando el sistema eléctrico está totalmente
fuera de servicio y se necesita arrancar la máquina, en este caso la
bomba de reserva suministra la presión de aceite requerida para el
normal funcionamiento del sistema de lubricación.

Figura 2.61: Sistema típico de lubricación para una planta a gas.
Fuente: Recopilado de Internet y traducción del autor

2.5.4.3. SISTEMA DE ARRANQUE

La función del sistema de arranque, es acelerar la turbina a una
velocidad suficiente para que sea capaz de completar el arranque con su
propia fuerza, por lo que debe girarse dicha máquina hasta el 10 ó 20%


de su velocidad nominal, antes de que se sostenga y hasta un 40 á 50%
de su velocidad nominal, para completar su arranque dentro de los
límites razonables de tiempo y temperatura. Una de las principales
ventajas de las turbinas a gas es la habilidad que poseen éstas de poder
ser aceleradas desde la condición de estática hasta una velocidad plena
de marcha, al alcanzar este estado el sistema puede auto sustentar su
funcionamiento, inyectando de manera continua combustible a la
cámara de quemado.

Un motor de arranque debe mover el torque de acoplamiento dado
por el eje de la turbina, que viene a representar una especie de
resistencia que oponen los siguientes equipos:

a. La carga del compresor,
b. La resistencia de los rodamientos, de los engranajes y cojinetes y,
c. La carga de los accesorios (Bomba de aceite, bomba de combustible,
etc.)

2.5.4.3.1. Tipos de arrancadores

Una turbina a gas no puede producir ningún torque, cuando está
parada, por lo que se necesita de un “embrague” para el momento del
arranque a través de cualquiera de los siguientes dispositivos:

a. Motores eléctricos: Pueden ser de corriente alterna o corriente
continua y utilizan como accesorios principales: reguladores de
voltaje, cargadores de batería, acumuladores y un convertidor de
torque. En la figura 2.62, se observa el esquema de arranque
utilizando un motor eléctrico, para una planta a gas, en el cual el
motor eléctrico mueve el acoplamiento hidráulico y luego éste mueve


el acoplamiento de
gancho y de ahí el
movimiento es trasmitido
al eje de la unidad a gas.

b. Motores con
expansores ó turbinas
Figura 2.62: Esquema de arranque por motor
de gas: Utilizan una eléctrico
turbina de gas para
mover la carga por medio de un acoplamiento de arranque, esta
máquina es totalmente
independiente de la
unidad a gas que
pretende sacar de la
inercia. El expansor se
acopla directamente y en
forma rígida a la caja del
engranaje auxiliar. Se Figura 2.63: Esquema de arranque con
expansor de gas
puede detallar este Fuente: Turbomáquinas de fluido compresible

sistema en la figura 2.63.

c. Motores de combustión interna: e utilizan normalmente, motores
Diesel, pero también son frecuentes los motores a gasolina.

d. Motores hidráulicos: El
motor está activado por
una bomba montada
sobre un patín de
arranque auxiliar de la
turbina. La bomba gira
Figura 2.64: Esquema de arranque utilizando
motor hidráulico.


a dos velocidades de operación: alta para arrancar la turbina y baja
para ser usada en el lavado por agua y mantenimiento. En la figura
2.64, se observa el sistema hidráulico que controla el acoplamiento.

2.5.4.3.2. Secuencia de arranque, carga y parada

La secuencia exacta del procedimiento de arranque es sumamente
importante, porque debe haber suficiente flujo de aire pasando por la
máquina, para evitar el peligro de una explosión antes de que la mezcla
aire-combustible se encienda. La relación de flujo de combustible debe
ser suficiente para permitir que la máquina se acelere, hasta después de
que se haya llegado a la velocidad de auto aceleración, ya que si el
arrancador se desactiva por debajo de ésta, la máquina podría no llegar
a la velocidad de marcha en vacío ó podría comenzar a desacelerarse
porque no puede producir suficiente energía, para sostenerse rodando ó
acelerar durante la fase final del ciclo de arranque. El arrancador debe
por lo tanto, continuar ayudando a la unidad por arriba de la velocidad
de auto aceleración, para evitar un retraso en el ciclo de arranque, lo
que ocasionaría un arranque caliente ó un arranque falso ó una
combinación de ambos. En los puntos apropiados de la secuencia, el
arrancador y la ignición deben cortarse automáticamente.

En la figura 2.65, se muestra una secuencia típica de arranque de
una turbina de gas, en la cual se representan dos curvas: la primera
muestra la velocidad de giro del compresor y la segunda la temperatura
que adquieren los gases producto de combustión a la salida de la
turbina. Al analizar la primera curva se detallan los instantes en que
tanto la ignición como el arrancador se activan o se desactivan, con la
intención de que el proceso de arranque se lleve a feliz término, así se
puede indicar que una vez que el arrancador ha acelerado al compresor


lo suficiente como para establecer un flujo de aire a través de él, se
conecta la ignición y posteriormente la alimentación del combustible,
esto conduce a que en la cámara se produzca la combustión de éste, con
lo cual los gases producto de combustión, elevan bruscamente la
temperatura tal como se
observa en la curva
respectiva, de ahí en
adelante, el compresor
aumenta aún más su
velocidad, ya que tanto el
arrancador como la turbo
compresora ayudan a
impulsar al compresor
hasta alcanzar la
velocidad de auto
sustentación, la misma se
Figura 2.65: Secuencia de arranque de una
estima que está cercana al
Turbina de Gas.
Fuente: Propia del autor
20% de su velocidad
nominal, donde la máquina genera tanta potencia como la que requiere
la carga del compresor y sus accesorios. A pesar de que la máquina en
este punto puede auto sostenerse, el arrancador sigue aún colaborando
en el proceso hasta alcanzar aproximadamente un 50% de la velocidad
nominal, donde éste es desacoplado, ya que la unidad puede continuar
el proceso de arranque motivado a que la turbina genera mayor potencia
que la requerida por la carga. El proceso de arranque continúa hasta
que la planta a gas llega a la velocidad nominal en vacío. De ahí en
adelante la velocidad de la unidad permanece constante, aún con las
variaciones de carga, para que la frecuencia de la corriente generada
permanezca invariable.


En cuanto a la temperatura, una vez que el combustible es
encendido y se generan los gases producto de combustión, éstos elevan
su temperatura en forma rápida, hasta lograr un máximo, el mismo
ocurre cuando el compresor llega a la velocidad nominal, de ahí en
adelante, el sistema trata de alcanzar el equilibrio térmico hasta que los
gases logren la temperatura de velocidad en vacío, la cual permanece
constante, siempre y cuando no existan cambio en la carga. Cuando se
presentan cambios en la carga, es decir si se incrementa por el inicio en
la generación de energía eléctrica o simplemente por cualquier
incremento en la demanda, la máquina requiere aperturar la válvula de
suministro de combustible, para soportar el cambio, lo cual conlleva a
incrementar la energía térmica en la cámara de combustión y esto
conduce a aumentar la temperatura de los gases de escape, hasta lograr
un nuevo punto de equilibrio térmico. En el caso de disminuciones de
carga por baja en la demanda de electricidad, la unidad responde
cerrando la válvula de suministro de combustible y ello conduce a
disminuir la temperatura de los gases de escape, hasta un nuevo punto
de equilibrio.

2.5.4.4. SISTEMAS DE PROTECCIÓN

Ciertas condiciones de sobrecarga o desarreglos de las turbinas a
gas se pueden vigilar o advertir para evitar la posible destrucción o daño
de la máquina. Para proporcionar estas protecciones se incluyen,
generalmente, ciertos dispositivos de protección básicos en todas las
máquinas con turbinas a gas. Por lo regular el sistema de protección,
de las plantas a gas, consiste en un número de sistemas primarios y
secundarios, el primero de los cuales opera en cada arranque y parada
normal, y el otro sistema se usa estrictamente para condiciones
anormales y de emergencia que requieran el paro de la turbina.


Generalmente, se suministran los siguientes controles protectores
para una turbina a gas:

a. Sobre velocidad de la máquina: Este control proporciona un medio
para revelar velocidades que se acerquen a los límites de seguridad.
El sistema consiste en que los dispositivos convertidores de torque
poseen un embrague centrífugo, el cual se acciona cuando las
revoluciones del eje alcanzan los límites de seguridad,
desconectando el eje de la turbina de la caja de accesorios de
engranajes, permitiendo que el rotor se desacelere hasta llegar a las
condiciones de parada por efecto de inercia.

b. Detectores de temperatura: La temperatura de entrada a la
turbina, es la cantidad física para la que se desea protección, pero la
temperatura de escape de los gases a la salida de la turbina se mide
mas fácilmente y ésta se relaciona directamente con la temperatura
de entrada. Los más importantes dispositivos de detección de
temperatura son los siguientes:
1. Termostato bimetalito: Funciona bajo el principio de la
diferencia de los coeficientes de dilatación de dos metales ante la
irradiación de calor produciendo el movimiento de los mismos y
cerrando un contacto eléctrico.
2. Termostato de disco de acción instantánea: Un disco metálico
pasa de cóncavo a convexo cuando se alcanza el valor nominal
de temperatura del termostato. Una ventaja particular de estos
termostatos es que, cuando la temperatura baja, estos vuelven a
su condición original.
3. Termostato de línea: El cable del termostato es del tipo de
línea, en ellos el cable esta formado por dos metales separados


uno del otro por medio de un recubrimiento sensible al calor que
se aplica de manera directa a los alambres. Este recubrimiento
se funde cuando se alcanza la temperatura nominal y los dos
alambres entran en contacto y accionan una alarma. La sección
de cable afectado deberá reemplazarse después.

c. Baja presión del aceite lubricante: Este control determina cuando
la presión en el aceite alcanza el límite permisible.

d. Alta temperatura del aceite de lubricación: La condición de alta
temperatura del aceite, puede conducir a problemas en el sistema de
lubricación, por diferentes circunstancias, por eso se debe proveer
un control que determine la condición límite permisible de ésta.

e. Indicador de llama: Existen dos condiciones en las que es
importante conocer que la combustión prosigue normalmente con el
objeto de evitar daños a la máquina:
1. Encendido: Al arrancar, se abren las válvulas de combustible y
se inicia la ignición. Generalmente se suministra un método
para indicarle al sistema de encendido que cierre el suministro
de combustible, si la combustión no ocurre dentro de un tiempo
muy corto luego de ser admitido el combustible.
2. Apagado: Si ocurre un cese de la combustión durante la
operación de la turbina, se presentará la misma condición
peligrosa como cuando no enciende al iniciar la combustión y el
suministro de combustible debe cerrarse de inmediato, ya que,
aunque la máquina pierde fuerza inmediatamente, la energía de
rotación continuará proporcionando presión al combustible
durante un periodo corto de tiempo.


Los indicadores o detectores de la llama son esencialmente de
dos tipos básicos a saber:
1. Infrarrojo y ultravioleta: Estos detectores contienen elementos
sensibles a la luz radiante no perceptible por el ojo humano, por
lo general están instalados en los tubos cruza llamas, detectando
la proximidad de encendido del mismo.
2. Fotoeléctrico: Este detector emplea una foto celda que cuando
se expone a la energía radiante puede hacer una de dos cosas:
cambiar su conductividad eléctrica o producir un potencial
eléctrico, lo cual permite actuar sobre el sistema, por lo general,
este detector se instala en los puntos de suministro de la chispa
de encendido.

f. Vibración: Cualquier operación anormal o descompostura que
cause un desequilibrio en las partes giratorias de una turbina o
también la combustión inestable, producen un nivel de vibración
superior al normal. Existen sistemas que detectan estos niveles de
vibración anormal y le envían la información al panel de control de
la máquina, para transmitir la información al operario.

g. Baja presión del combustible: La presión baja del combustible, ya
sea ésta momentánea ó esporádica, podría originar operaciones
erráticas ó condiciones peligrosas de funcionamiento.

h. Sistema de protección contra incendios: Por lo general, se instala
un sistema de protección contra fuegos a base de Dióxido de
Carbono (CO2), contenido en cilindros a alta presión y suplidos a
través de un sistema de distribución hacia las toberas de descarga,
localizadas a lo largo de la turbina. Hay que hacer notar que el
Dióxido de Carbono es una sustancia asfixiante y la exposición en


espacios cerrados es fatal, por lo tanto se debe proveer de una
alarma audible, la cual se activará durante algunos segundos antes
de activar el sistema de protección contra incendios, para avisarle a
los operarios y permitir la evacuación del personal de los
compartimientos de la turbina.

2.6. DIVERSAS APLICACIONES DE LAS PLANTAS A GAS

Una vez reconocidos los diferentes componentes de las plantas a
gas, además de revisar y analizar su funcionamiento, de conocer la
estructura física de ellos y las ventajas y limitaciones de los distintos
elementos que lo constituyen, se pretende a continuación mostrar varias
aplicaciones de las plantas a gas, efectuando una breve descripción de
cada una de ellas.

Primeramente se muestra el esquema completo de una turbina a
gas, donde se observa el conjunto de las tres partes principales de las
plantas a gas es decir: el compresor axial, la cámara de combustión y la
turbina axial. En la figura 2.66, se observan estos componentes,
además se detalla adicionalmente el camino que toma el aire,
representado en color azul, desde su entrada proveniente del medio
ambiente, su paso por el compresor e ingreso a la cámara de
combustión y la vía que siguen los gases producto de combustión,
mostrado en color rojo, se inicia en la cámara de combustión, se
traslada a la turbina axial y luego salen hacia la atmósfera. Se puede
destacar que el compresor es del tipo axial de nueve etapas de
compresión, la cámara de combustión es similar a la descrita en la
figura 2.33, donde el aire es introducido a la región anular formada por
las dos envolturas, una parte del aire, denominado aire primario se


dirige a la zona de reacción y el resto es decir el aire secundario se
introduce a la zona de dilución, a través de los agujeros de la envoltura
interior, luego de la combustión los gases producto de la misma, salen
hacia la turbina utilizando la pieza de transición. La turbina es del tipo
axial de tres etapas de expansión

Figura 2.66: Corte esquemático de una planta a gas completa
Fuente: Recopilado de Internet con modificaciones propias del autor

En la representación esquemática de la figura 2.67, que se
muestra a continuación se representa el esquema de un turbo reactor
para aviones, en este se observa el compresor de tipo centrífugo, la
cámara de combustión anular y la turbina tipo axial. Además se
observa el movimiento del aire y de los gases producto de combustión,
desde la entrada al compresor centrífugo, pasando por la cámara de
combustión anular, donde se produce la combustión del gas
combustible y luego siguiendo por la turbina axial, que aquí solamente
tiene la función de mover al compresor, ya que la energía se aprovecha
por el movimiento de aire que se genera lo cual se traduce en un efecto


de reacción sobre la estructura donde esté apoyada la unidad y por el
movimiento del aire sobre algún perfil aerodinámico. En la figura se
encuentran detalladas las diferentes partes constitutivas de este tipo de
unidad.

Figura 2.67: Esquema de un turborector para aviones
Fuente: Termodinámica de Faires

En la figura siguiente se muestra una planta de gas, utilizada
como un motor térmico, es importante indicar, que motores similares al
que se observa, se han utilizado como motores para vehiculos, es más


en años pasados estos se instalaron en los autoplazas de la Formula I
actuando con cierto éxito relativo, pero estos desarrollos han sido
paralizados. En el caso específico de este motor, fue construido para su
empleo en automóviles. El aire es comprimido por un compresor
centrífujo hasta algo más de tres atmósferas; pasa después por
regeneradores rotativos, de ahí a los combustores, a partir de los cuales
los gases impulsan primero a la turbina gasificadora, la que a su vez
impulsa al compresor y luego, por la turbina de energía o potencia, la
cual entrega ésta mediante su eje. La turbina gasificadora y la de
potencia no están conectadas mecánicamente. Los gases de escape de
la turbina de potencia pasan por los regeneradores y les ceden calor.

Figura 2.68: Motor de turbina de gas regenerativo con torbellino de fuego
Fuente: Problemas de Termodinámica de Faires


En la siguiente figura, tambien se muestra el esquema de un
motor térmico que se fundamenta en la teoria de las plantas a gas, y es
utilizado por la Mercedes Benz en algunos de los vehiculos por ellos
producidos, al igual que el anterior, este posee un compresor centrifugo,
la cámara de combustión y la turbina axial de eje dividido, junto con el
regenerador que permite mejorar las condiciones de eficiencia. Es
importante destacar de este esquema, que en él se muestra claramente
el movimiento del aire y de los gases producto de combustión.

Figura 2.69: Motor térmico de turbina a gas Mercedes Benz
Fuente: Revista Mechanical Engineering


En las tres figuras anteriores se han mostrado aplicaciones
diferentes a la utilización de las plantas a gas para generar energía
eléctrica a partir de la energía química de un combustible, pero es
importante destacar de estas figuras, que las plantas a gas también
tienen otras aplicaciones. En la figura 2.70 se muestra la parte externa
de una gran unidad de planta a gas, cuya potencia es de 100 Mw., la
cual está suspendida del puente grua, motivado a que se encuentra en
reparación, en ella se observan claramente los cestos combustores de la
cámara de combustión, y la zona de aspiración del aire.

Figura 2.70: Turbina de gas Alsthom-Atlantique de 100 Mw.


Otra aplicación importante de las plantas a gas lo constituyen los
ciclos combinados de plantas a gas con plantas a vapor, un ejemplo de
este tipo de unidades se
tiene en la central de
Puertollano, en España,
que es la segunda
instalada en Europa la
cual utiliza la tecnología
de Gasificación Integral
en Ciclo Combinado
(GICC) y es la mayor del
mundo de este tipo, con
Figura 2.71: Vista aerea de la central de Puertollano una potencia de 350
en España
Fuente: Recopilado de Internet MW. En la figura 2.71
se observa una fotografía aérea de la central de Puertollano y en la
figura 2.72, se presenta el esquema de funcionamiento del ciclo
combinado de esta planta, que utiliza la técnica de GICC.

Figura 2.72: Esquema termodinámico de la Central de Puertollano que utiliza la técnica de
la Gasificación Integral de Ciclo Combinado (GICC)


Los ciclos termodinámicos pueden optimizarse con un ciclo de alta
temperatura en el que se utilizan directamente los humos procedentes
de la unidad a gas, los cuales han generado la correspondiente energía
en la turbina, estos humos son descargados en un generador de vapor,
el cual se utiliza para la producción de vapor y este actúa en un ciclo de
menor temperatura, basado en el ciclo Rankine para obtener energía en
la correspondiente turbina a vapor.

De esta manera se logran rendimientos superiores al 50%, en la
producción de electricidad a partir de la energía química de los
combustibles.

Las ventajas medioambientales de la generación de electricidad
por IGCC, consisten en la obtención de emisiones muy bajas de SO2 y de
partículas, lo que hace posible consumir carbones de alto contenido en
Azufre y de baja calidad, lo que se traduce en bajo costo económico de la
potencia generada.


BIBLIOGRAFIA

1. Auñon, J., Del Ojo A., González M., y Martos F. (1998). Manual
Práctico de Turbomáquinas Térmicas. Málaga, España: Servicio de
Publicaciones de la Universidad de Málaga.
2. Baumeister, T., Avallone, E. A., y Baumeister III, T. (1999). Marks
Manual del Ingeniero Mecánico (3era. ed. en español, Vols. I-II) (F.
Castro, L. Castillo, E. Cerdán, S. González, F. Gutiérrez, J. Herce, et
al, Trads.). Cali, Colombia: McGraw-Hill, Carvajal S.A.
3. Cohen, H., G. F. C. Rogers y H.I.H., (1983) Teorías de las Turbinas
de Gas, Saravana Mutoo.
4. Francesc D., Criterios de Selección, Instalación y manejo de Bombas
y Compresores. Barcelona, España: Instituto de Petroquímica
Aplicada de la Universidad Politécnica de Barcelona.
5. Green R., (1992), Compresores, selección, uso y mantenimiento.
México, México: McGraw Hill Interamericana.
6. Harman, R., (1981), Gas Turbine Engineering, Applications Cycles
and Characteristic, First Published.
7. Mataix, C., (1973), Turbomáquinas Térmicas. Madrid, España.
8. Miranda, A., (1998), Turbinas de gas, Monografías de climatización y
ahorro energético. Barcelona, España: Grupo Editorial CEAC S.A.
9. Polo, M. (1984). Turbomáquinas de Fluido Compresible. México D.F.,
México: Editorial Limusa S.A.
10. Sawyer’s, Gas Turbine Engineering Hand Book.
11. Villamizar C., Manual Interactivo de Plantas de Gas, Trabajo de
Grado de Ingeniería Mecánica, U.N.E.T., San Cristóbal, Venezuela.
12. Villares, M. Cogeneración. Madrid, España: Fundación Confemetal


CATALOGOS Y REVISTAS

1. General Electric Co., Gas Generator and Gas Turbine, LM2500 G/G
and LM2500 G/T Photographs Industrial, Evendale Technical
Training School, April 1988 and Revised August 1990.
2. Mitsubishi, Gas Turbine Generators, Mitsubishi Hevy Industries
LTD, Japan.
3. Rolls Wood Group, (1991), The foremost facility to service the world´s
finest industrial gas generators, Rolls Wood Group Repair and
Overhauls Limited.
4. Mechanical Engineering, April 1982

REFERENCIAS ELECTRONICAS EN LINEA

1. Avison, M., V94.3 A Gas Turbines, An Operator´s Experience: Tapada
do Outeiro CCPP with World-Class Availability and Performance,
Power Journal, January 2001, Siemens AG Power Generatión,
consultado el 15 de marzo de 2002, disponible en
http://www.pg.siemens.com/download/pool/2_SD_Avison_e.pdf
2. Hitachi Thermal Power Systems. 30 de Noviembre de 2001.
Disponible en: http://www.power-hitachi.com
3. http://www.efe.mx/internacional/termoele.html
4. http://www.howstuffworks.com
5. http://www.powermag.com
6. http://www.private/cogeneracion.htm
7. http://www.ujaen.es/dep/ingmec/asignaturas/5775.html


8. Nye Thermodynamics, 7 de Junio de 2000, Turbocharger and
Aeroderivative Turbine Projects for Industry, Education and
Recreation. Disponible en: http://www.gas-turbines.com
9. Román, R. (1999). Departamento de Ingeniería Mecánica, La
Turbina a Gas. Disponible en:
http://www.cec.uchile.cl/~roroman/cap10/t-gas01.htm
10. Siemens, Catalogo de Productos y Soluciones, consultado el 23 de
Marzo de 2002, disponible en:
http://www.pg.siemens.com/en/v943a/index.cfm#
11. Zerega, R. Turbinas de gas y sus aplicaciones. Universidad de Chile,
disponible en: http://cipres.cec.uchile.cl

Plantas a gas_segunda_parte

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Destacado

Destacado (11)

Similar a Plantas a gas_segunda_parte

Similar a Plantas a gas_segunda_parte (20)

Plantas a gas_segunda_parte