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


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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.

Figura 2.31: Esquema de la repartición del aire en una cámara de combustión. Fuente: Propia

Dilución

Aire Primario (Aproximadamente

15 partes)

ReacciónCombustible

(Una parte) Gases hacia la turbina

Aire proveniente de la descarga del compresor

(60 a 80 partes)

Aire para Dilución (45 a 65 partes)


56

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

partes, como

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.

Figura 2.32: Distribución aproximada del aire en

la cámara de combustión Fuente: Manual Interactivo de Plantas a Gas


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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


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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

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

Figura 2.35: Cámara de combustión con Torbellinador Fuente: Recopilado de Internet


59

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


60

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

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


61

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

combustible. Fuente: Recopilado de Internet

Figura 2.41: Quemador, para la cámara de combustión anular, con sus inyectores

Fuente: Recopilado de Internet


62

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

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.

Figura 2.42: Cesto combustor

Fuente: Mitsubishi Gas Turbine Generators


63

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 pieza de transición

Fuente: Recopilado de Internet

Figura 2.44: Conjunto de piezas de transición, dispuestas para su instalación

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


64

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


65

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

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

temperatura, provenientes

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

Figura 2.46: Turbina de doble eje

Fuente: Manual Interactivo de Plantas a Gas

Figura 2.45: Rotor de turbina de un solo eje



66

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

caso precisamente de las

plantas a gas utilizadas para generar la energía del sistema eléctrico

Figura 2.47: Rotor de una turbina radial.



67

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

presión de una sola etapa Fuente: Catálogo de la General Electric

Figura 2.49: Rotor de turbina de alta presión de doble etapa de expansión

Fuente: Catálogo de la General Electric


68

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


69

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

agarre, para evitar desprendimiento de

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

Figura 2.52: Instalación de los álabes en el rotor de una turbo

compresora Fuente: Catálogo de la General Electric


70

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

bajo de equilibrio, mientras

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

se ve el lado del compresor.

Figura 2.54: Corte longitudinal de una turbina

axial Fuente: Recopilado de Internet

Figura 2.55: Rotor de turbina turbo

compresora Fuente: Manual Interactivo de Plantas a Gas


71

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

permisibles de los

materiales de los cuales

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

Figura 2.56: Enfriamiento de los álabes de la

turbina utilizando el aire proveniente del compresor.

Fuente: Catálogo de la General Electric


72

expansión.

Cambio de entalpia en la parte movil de la etapaR

Cambio de entalpia para toda la etapa= 2.15

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


73

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.


74

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

planta, así como también de la

disponibilidad del combustible.

Se analiza a continuación cada

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

Figura 2.57: Esquema típico de un sistema de inyección de combustible líquido: (1) Depósito de combustible. (2) Filtro. (3) Válvula de sobrante. (4) Bomba de inyección. (5) Bomba de combustible. (6) Filtro. Fuente: Manual del Ingeniero Mecánico


75

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


76

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.


77

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:


78

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,


79

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


80

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


81

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

garantizar que el aceite de

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

Figura 2.60: Depósito típico de un sistema

de circulación de aceite de lubricación. Fuente: Manual del Ingeniero Mecánico


82

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.


83

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.


84

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


85

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%


86

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


87

el acoplamiento de

gancho y de ahí el

movimiento es trasmitido

al eje de la unidad a gas.

b. Motores con

expansores ó turbinas

de gas: Utilizan una

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

puede detallar este

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 2.62: Esquema de arranque por motor

eléctrico Fuente: Turbomáquinas de fluido compresible

Figura 2.63: Esquema de arranque con

expansor de gas Fuente: Turbomáquinas de fluido compresible

Figura 2.64: Esquema de arranque utilizando

motor hidráulico. Fuente: Turbomáquinas de fluido compresible


88

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


89

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

estima que está cercana al

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.

Figura 2.65: Secuencia de arranque de una

Turbina de Gas. Fuente: Propia del autor


90

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.


91

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


92

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.


93

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


94

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


95

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


96

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


97

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


98

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


99

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.

Fuente: Turbomáquinas de fluido compresible


100

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

una potencia de 350

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) Fuente: Recopilado de Internet

Figura 2.71: Vista aerea de la central de Puertollano

en España Fuente: Recopilado de Internet


101

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.


102

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