GUÍA Turbinas de Gas Cogeneración

3.1. Turbina de gas

Tiene dos funciones, uno a nivel térmico (procesos termodinámicos) y otro mecánico, para que la turbina gire y proporcione trabajo en su eje.

3.1.1. Principio de funcionamiento

Una turbina de gas es una máquina térmica rotativa cuya misión es la de convertir la energía química contenida en un combustible en energía mecánica, que se transmite a través del eje de la turbina hacia el generador eléctrico, para transformarse en energía eléctrica que se envía a la red. Esta conversión se produce por pasos:

La energía química del combustible se libera durante la combustión y se transforma en energía calorífica, que se lleva a la turbina.

El calor del gas de combustión se convierte inicialmente en energía cinética y después en mecánica. Para este fin, se usan los álabes de la turbina. La energía mecánica se transmite al generador mediante el eje acoplado.

Usando el principio de inducción, el generador transforma esta energía mecánica en eléctrica, la cual es conducida hacia la red a través de sus terminales HV (alta tensión), disyuntor y transformador elevador principal.

a) Las partes principales de una turbina de gas son;

Toma de aire: recoge aire de la atmósfera y lo introduce por la boca del compresor, la cual tiene un filtro de partículas para evitar que entren impurezas al compresor y se pueda dañar.

Compresor axial: máquina volumétrica con un eje recubierto de varias filas de álabes, que provocan una aspiración del aire al girar y lo van comprimiendo en cada fila. “Cuanto mayor sea la presión de descarga del compresor mayor será el número de filas de álabes que lo compondrán”.

Cámaras de combustión. puede haber una o dos cámaras y están diseñadas para que el aire comprimido y caliente que llega del compresor, se mezcle con el combustible que inyectan las lanzas, provocan la combustión uniforma. Estas lanzas están fijadas a la carcasa y forman un anillo de quemadores a lo largo de la cámara.

Turbina axial. tiene álabes colocados alrededor del eje y se distinguen en 2 tipos:

- De una única cámara de combustión y una única turbina

- De dos cámara de combustión, una turbina inicial de alta, y otra de baja.

Escape. Tras atravesar los álabes, los gases no tienen energía cinética, pero si tienen la energía térmica que no ha podido ser convertida en energía mecánica en forma de rotación.

b) La representación esquemática de la turbina:

Explicación de funcionamiento:

El aire que entra a la turbina es comprimido por etapas según atraviesa los alabes, lo que ocasiona un calentamiento del aire, que al llegar a la Cámara de combustión se mezcla con el combustible inyectado por las lanzas y por la ignición de la mezcla, se origina una combustión que expande la turbina y sale por el escape.

Realiza un ciclo termodinámico abierto, ya que los gases de escape no vuelven a entrar al compresor, sino que coge aire nuevo a la entrada.

c) diagrama T-S ( ciclo recorren los gases desde que entran hasta que salen de la turbina)

Una turbina con una sola cámara de combustión realizaría el ciclo 1-2’-3||-4.

Una turbina con dos cámaras de combustión realizaría el ciclo 1-2-3-3|-3||-4.

Proceso 1-2: el aire es comprimido en el compresor axial, incrementando su presión y temperatura. La entropía aumenta ligeramente debido a que el aire no se comporta como un gas ideal.

Proceso 2-3: el aire se mezcla con el combustible y se produce la combustión a presión constante, dentro de la cámara de combustión. En este proceso aumenta su volumen y su temperatura enormemente.

Proceso 3-3|: los gases que se expanden a la turbina de alta, convierten parte de su energía térmica en energía cinética y ésta en energía mecánica, al interactuar con las etapas de álabes del rotor, denominadas de reacción, donde los gases pierden velocidad a cambio de imprimir una fuerza de rotación al eje de la turbina.

Proceso 3|-3||: se vuelve a producir una combustión añadiendo más combustible en una segunda cámara de combustión. Esta vez a una presión constante, pero menor que en la primera.

Proceso 3||-4: el gas se expande, convirtiendo la energía térmica en cinética y después en mecánica. Pero conservando parte de la energía térmica adquirida durante el proceso.

La energía útil entregada por la turbina es la energía mecánica transmitida al eje por ésta, menos la energía mecánica que necesita el compresor para comprimir el aire.

En el diagrama T-S, vemos que una turbina que realice el ciclo con la misma temperatura de combustión realizaría menos trabajo, es decir, de menor potencia.

Y una con dos cámaras de combustión se incrementa la potencia de las turbinas de gas, sin elevar la temperatura a la salida de las cámaras de combustión.

3.1.2. Compresor, sistema de alivio o bypass

El sistema de alivio del compresor o sistema de soplado, es el encargado de realizar el bypass de las etapas finales del compresor con la finalidad de reducir la potencia necesaria del motor de arranque del turbogrupo y controlar la estabilidad de la llama durante el arranque

Funciones principales del sistema

Estabilizar la llama, en la cámara de combustión en los primeros instan

tes de la ignición, controlando que la temperatura de la combustión ascienda de forma progresiva durante la puesta en marcha sin superar el máximo esfuerzo térmico recomendado para la turbina.

Reducir la potencia necesaria durante el arranque para poner en marcha la turbina de gas, ya que vamos aumentando la capacidad del compresor según la turbina entrega más potencia.

Tenemos dos problemas a la hora de poner en marcha la turbina si partimos de parado:

El compresor requiere de una potencia mecánica enorme para funcionar, que en movimiento es aportada por la turbina. Pero durante la puesta en marcha la turbina va entregando de forma gradual y partiendo de 0. Por lo tanto, necesitamos una máquina externa que mueva el eje del compresor.

La turbina necesita que se inicie la combustión, para poder funcionar, para ello requiere de un caudal de aire mínimo y estable, de lo contrario corremos el riesgo de que se apague la llama.

Esto se consigue con el sistema de alivio de compresor que está formado por unas tomas de aire situadas estratégicamente en los primeros álabes del compresor, que reconducen parte del aire soplado al conducto de escape de la turbina, realizando un bypass de parte del compresor y turbina.

Así,

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