Evidencias Desarrolladas por el Alumno
para la Unidad 5:
Nombre de la unidad: Turbinas de vapor Competencia específica a desarrollar: Describir la clasificación y los componentes de las turbinas de vapor, así como su funcionamiento. Reconocer y explicar los modelos termodinámicos asociados al diseño de turbinas de vapor y compararlos con los comportamientos reales. SUBTEMAS:
5.1. Ciclo Rankine. Definición y eficiencia del ciclo. 5.2. Clasificación y principio de funcionamiento funcionamiento de las Turbinas de vapor.
i. Instrumentos de Evaluación Aplicados (los instrumentos deben de presentar evidencia de haber sido revisados por el docente)
ii. Reportes de práticas.
Introducción La turbina es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas.
Introducción La turbina es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas.
5.1. Ciclo Rankine. Definición y eficiencia del ciclo. Una turbina de vapor es una turbo máquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor (se expande) aumentando así su velocidad. Este vapor a alta velocidad es el que hace que los álabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre los mismos. Por lo general una turbina de vapor posee más de un conjunto tobera-álabe (o etapa), para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y, si ésta se convierte en energía cinética en un número muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerzas centrífugas muy grandes causando fallas en la unidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, p artes, el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen la parte móvil de la turbina. El estator también está formado por álabes, no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. El Éxito obtenido con las turbinas de agua condujo cond ujo a utilizar el principio de la turbina para extraer energía del vapor de agua. Mientras que la maquina a vapor de vaivén desarrollada por el inventor e ingeniero escocés James Watt utilizaban la presión del vapor, la turbina consigue mejores rendimientos al utilizar también la energía cinética de este. La turbina puede ser más pequeña, más ligera y más barata que una máquina de vapor de vaivén de la misma potencia, y puede ser de un tamaño mucho mayor que las máquinas de vapor convencionales. Desde el punto de vista de la mecánica, tiene la ventaja de producir directamente un movimiento giratorio sin necesidad de una manivela o algún otro medio de convertir la energía de vaivén en energía rotatoria. Como resultado de ello, la turbina de vapor a remplazado a las máquinas de vaivén en las centrales generadoras de energía eléctrica, y también se utiliza como una forma de propulsión a chorro.
La turbina de vapor no fue inventada por una única persona, sino q fue el resultado del
trabajo de un grupo de inventores a finales del siglo XIX. Algunos de los participantes más notables en este desarrollo fueron el Británico Charles Algernon Parsons fue responsable del denominado principio de escalones, mediante el cual el vapor se expandía en varias fases aprovechándose su energía en cada una de ellas. De Laval fue el primero en diseñar chorros y palas adecuadas para el uso eficiente de la expansión del vapor. 5.2. Clasificación y principio de funcionamiento de las Turbinas de vapor. Clasificación
Existen turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades de 1 HP (0.75 Kw.) Usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000 Kw.) Utilizadas para generar electricidad. Existen diversas clasificaciones para las turbinas de vapor modernas. Se distinguen dos tipos de turbinas : de acción o de reacción. La forma más sencilla de turbina de vapor es la denominada turbina de acción , en la que los chorros de la
turbina están sujetos a un punto dentro de la carcasa de la turbina, y las palas están dispuestas en los bordes de ruedas que giran alrededor de un eje central. El vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las palas. Estas absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar la rueda y con ella el eje al que está unida. La turbina está diseñada de forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una serie de boquillas hasta que a perdido la mayor parte de su energía interna. En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor
en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas unas móviles y otras fijas. Las palas esta colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande. Las palas de las turbinas de reacción suelen montarse en un tambor en lugar de una rueda, el tambor actúa como eje de la turbina. Para que la energía del vapor se utilice eficientemente en ambos tipos de turbina, es necesario utilizar varios escalones en cada uno de los cuales se convierte en energía cinética, una parte de la energía térmica del vapor. Si se h iciera toda la conversión de los dos tipos de energía en un solo escalón, la velocidad rotatoria de la rueda seria excesiva. Por lo general se utilizan más escalones en las turbinas de reacción que en las turbinas de acción. Se puede comprobar que, con el mismo diámetro y la misma cantidad de energía, la turbina de reacción necesita el doble de escalones para obtener un rendimiento máximo. Las turbinas más grandes, que normalmente son de acción, emplean hasta cierto grado la reacción al principio del rec orrido del vapor para que el flujo de vapor sea eficaz. Muchas de las turbinas de reacción utilizan primero un escalón de control de acción, lo que reduce el número de escalones necesarios. A causa del aumento de volumen del vapor cuando se expande, es necesario aumentar en cada escalón el tamaño de las aberturas a través de las cuales pasa el vapor. Durante
el diseño real de las turbinas, este aumento se consigue alargando las palas de un escalón a otro y aumentando el diámetro del tambor o la rueda a la que están acopladas las palas. También se agregan dos o más secciones de turbina en paralelo. Como resultado de esto, una turbina industrial pequeña puede ser prácticamente cónica, con el diámetro más pequeño en el extremo de entrada, de mayor presión, y el diámetro mayor en el extremo de salida. Las grandes turbinas de una central eléctrica nuclear pueden tener cuatro rotores con una sección de alta presión con flujo doble, seguida de tres secciones de baja presión y flujo doble. Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un pistón de equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor. La eficiencia de expansión de las turbinas modernas de varios escalones es alta, dado el avanzado estado de desarrollo de los componentes utilizados en las turbinas y la posibilidad de recuperar las pérdidas de un escalón en los siguientes, con un sistema de recalentamiento. El rendimiento que se obtiene al transformar en movimiento la energía teóricamente disponible suele superar el 90%. La eficiencia termodinámica de una instalación de generación con vapor es mucho menor, dada la pérdida de energía del vapor que sale de la turbina. Estas categorías incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, de recalentamiento, extracción e inducción. Las turbinas de no-condensación o de contrapresión son más ampliamente usadas
para aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías, plantas de papel y pulpa y en instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión. Las turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de potencia
eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad mayor al 90%, a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador. Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente en plantas
de potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión. Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina
de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos
procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo. Los fluidos extraídos pueden ser controlados mediante una válvula o pueden no controlarse. Las turbinas de inducción introducen vapor a baja presión en una etapa intermedia para producir potencia adicional. Turbina de vapor para generación de electricidad
Las turbinas de vapor se emplean principalmente en las centrales eléctricas de generación de energía eléctrica, cuyos componentes principales son: Caldera: su función es la de generar el vapor necesario para el funcionamiento de la turbina. Turbina: es la encargada de utilizar la energía del vapor de la caldera y transformarla en trabajo útil para mover un generador eléctrico. Condensador: se emplea para condensar el vapor que sale de la turbina. Bomba: usada para alimentar la caldera con el agua que proviene del condensador.
Componentes básicos de una central termoeléctrica Principio de funcionamiento de las turbinas
Las primeras turbinas de vapor del tipo industrial, fue la desarrollada por Laval hace mediados del siglo XIX, la que aprovechaba la energía cinética del vapor para impulsar un rotor que tenía una serie de paletas sobrepuestas sobre su superficie mientras que el vapor era acelerado y guiado a través de un Boquerel.
Posteriormente con el fin de mejorar su primer diseño, se colocaron varios Boquereles, tratando de cubrir en mejor forma el rotor.
En ambos diseños el vapor empleado se dispersaba en la atmósfera; para recuperarlo se ideo una carcaza para así poderlo guiar hacia un condensador, a su vez fue necesario variar la posición de las paletas en el rotor, ubicándolas en la periferia del mismo para darle sentido axial, al vapor y además el Boquerel vario su forma circular a arco de co rona circular, llamándose ahora, alabes de tobera o simplemente estator. Las paletas de rotor se conocen actualmente como alabes móviles. Al analizar el primer diseño de la turbina Laval, se observa que el principio de funcionamiento es el empleo de la energía cinética del vapor que actúa directamente sobre los alabes del rotor. Partes constituidas de una turbina
Las turbinas de vapor están constituidas por dos partes principales; la parte giratoria- el rotor y la parte estacionaria- el estator . El estator (cilindro), está constituido por pedestales, cargadores, bloques de toberas, diafragmas y sellos y en ocasiones por el sistema de distribución de vapor y por el condensador. Los pedestales de la turbina sirven como apoyo del cilindro y de los rotores. Los cilindros de las turbinas normalmente se fabrican en dos mitades unidas entre sí por la unión horizontal y apretadas mediante tornillos y espárragos. Para garantizar la coincidencia plena de ambas mitades, en la unión horizontal Se practican orificios guías con espárragos especialmente construidos para ello. Las turbinas que se construyen con parámetros de vapor vivo, que superan las 90 atm. y los 500° C y que poseen cilindros de alta y media presión con recalentamiento intermedio, normalmente están construidos con cilindros interiores. Los cilindros interiores también son unidos por la unión horizontal. Las turbinas que se construyen con cilindros interiores tienen la ventaja de disminuir las tensiones térmicas e hidráulicas que sufre el metal del cilindro y como consecuencia el espesor de las bridas de la unión horizontal y, además, facilitar la aceleración del arranque con un calentamiento más uniforme. Dentro del cilindro están maquinados los encajes de los cargadores, diafragmas y sellos. Algunos cilindros como los de las máquinas de reacción tienen ranuras para insertar los alabes estacionarios y otros cilindros por razones tecnológicas tienen cargadores que agrupan sellos y diafragmas, esto facilita conformar el espacio y ubicar las extracciones
de forma más compacta, también disminuye considerablemente la cantidad de tornillos lo que agiliza el mantenimiento. Para impedir la fuga del vapor hacia el ambiente o las pérdidas entre los pasos y para evitar la penetración del aire en el cilindro sometido al vacío se construyen sistemas de empaquetadura o de sellaje. Las cajas de sellos ubicadas en el exterior del cilindro se llaman estufas TURBINAS CON ETAPAS DE VELOCIDAD (CURTIS)
Estas turbinas toman la energía cinética del vapor y la usan para impulsar dos o tres rotores acoplados a un mismo árbol; en este montaje es necesario instalar alabes fijos en medio de los rotores; denominando al conjunto de elementos fijos seguido de álabes móviles, una etapa. Este diseño fue desarrollado por el Ingeniero Curtís y por tal razón a ésta turbina se le denomina comúnmente como turbina Curtís. La admisión del vapor es parcial, es decir que únicamente los alabes móviles que se encuentran enfrente de las toberas reciben vapor, los otros álabes trabajan en vacío.
Turbina Curtis con dos etapas de velocidad o de doble rotor
Distribución de la velocidad y la presión en una turbina con dos etapas de velocidad o Curtis. Turbinas con etapas de Presión
Estas turbinas distribuyen el salto de presión del vapor a lo largo de varias etapas de la turbina, logrando de ésta forma que la velocidad del vapor no sea tan alta en medio de las etapas. Usando este principio se diseñaron simultáneamente dos tipo diferentes de turbinas, la turbina Rateau y la de Reacción. Turbinas Rateau:
En este tipo de turbina, cada etapa está compuesta por un grupo de alabes fijos que actúan como toberas, es decir permiten una caída de presión y por lo tanto un incremento de la energía cinética del vapor y a continuación un grupo de alabes móviles que reciben la energía del vapor que sale de los alabes fijos transformándola en trabajo al árbol; todos los rotores están acoplados al mismo árbol. Estas turbinas pueden tener varias etapas (entre 5 y 15) y normalmente el vapor cubre la totalidad (360°) de los alabes móviles (admisión total) y utilizan generalmente en su primera etapa una de velocidad, que puede ser de tipo Laval o Curtis. En estas turbinas el régimen de rotación es menor que en las turbinas Laval o Curtis, lo cual permite lograr una mayor vida de la misma, su inconveniente es que el árbol debe ser robusto, debido a su gran longitud. Su nombre se debe a su inventor. Tal como ha sido descrita ésta turbina sería como tener varias turbinas Laval, una a continuación de la otra. Turbinas de reacción (Parsons):
Esta turbina debe el nombre a su inventor, tiene gran número de etapas (entre 15 y 50); cada una de ellas con admisión total de vapor y tanto en el grupo de álabes fijos como en los móviles se presenta caída de presión del vapor, que debido al gran número de
partes donde se sucede, los incrementos de velocidades (energía cinética) del vapor no son altos; por tal razón, al igual que en las turbinas Rateau, los regímenes de rotación son bajos. Por su gran longitud, debido al alto número de etapas, en lugar de usar árbol, generalmente, los álabes móviles están montados sobre un tambor, en especial los de las últimas etapas. Esta turbina es usada para mover generadores de gran potencia. En la actualidad, las turbinas Rateau o Parson por si solas no se construyen, sino que las turbinas de gran potencia se fabrican con los diferentes tipos de etapas descritos, colocándose una etapa de velocidad en su parte inicial, que puede ser de tipo Laval o Curtis, posteriormente, en su zona intermedia se instalan etapas tipo Rateau y finalmente en su parte final, zona de bajas presiones, se instalan etapas tipo Parson. Al pasar de las etapas de velocidad que son de admisión parcial a las etapas de presión, ya sean Rateau o Parson, que son de admisión total, el vapor pasa por una zona o compartimiento de la carcaza de la turbina llamado escalón de regulación al que permite que éste cambio en la admisión del vapor en los alabes, se realice. El Ciclo de vapor de Carnót
La eficiencia de un ciclo de potencia se maximiza si todo el calor suministrado por una fuente de energía ocurre a la máxima temperatura posible, y si toda la energía expulsada a un sumidero ocurre la mínima temperatura posible. Para un ciclo reversible que opere en estas condiciones, la eficiencia térmica es la eficiencia de Carnót, dada por (Ta Tb.)/Ta. Un ciclo teórico que satisface estas condiciones es el ciclo del motor térmico de Carnót. Un ciclo de Carnót se compone de dos procesos isotérmicos reversibles y dos procesos adiabáticos reversibles ( o procesos isoentrópicos). Si durante las partes del ciclo el fluido de trabajo aparece tanto en la fase líquida como en la fase de vapor, entonces el diagrama Ts es como sigue:
Ciclo Rankine Ideal
En termodinámica se conoce como ciclo Rankine ideal, el empleado en las centrales termoeléctrica. El vapor que sale de la caldera (estado 1), es recalentado, a una presión relativamente alta, este es conducido a trabes de una tubería hasta la turbina donde
recibe el vapor y produce una expansión isentrópica, permitiendo de esta forma mover su rotor y así producir el trabajo (Wt) necesario para mover el generador, el vapor sale de la turbina (estado 2), generalmente vapor húmedo a pres ión baja; pasa el condensador donde se transforma en liquido saturado (estado 3), en un proceso de extracción de calor (Qr) que se realiza a presión constante; allí el agua es tomada por la bomba y con un trabajo de bombeo (Wp) se aumenta la presión, en un proceso de compresión isentrópica hasta el estado liquido sub. enfriado (estado 4), donde se alcanza la presión del trabajo de la caldera; en esta se adiciona calor (Qa) transformando él liquido en vapor recalentado a través de un proceso a presión constante, obteniéndose nuevamente el vapor necesario para alimentar la turbina (estado 1). En algunos ciclos se acostumbra extraer vapor de la turbina en partes intermedias, para recalentarlo y volverle a permitir que se expanda hasta la presión final, este proceso se llama ciclo Rankine con recalentamiento, el cual permite obtener un mayor trabajo de la turbina.
El Ciclo de Recalentamiento Ideal
En el ciclo de Rankine ideal, la eficiencia se puede incrementar mediante el empleo de un sobre calentador. El proceso de sobrecalentamiento en general hace que se eleve la temperatura promedio a la cual se suministra calor al ciclo, elevando así la eficiencia teórica. Se puede lograr un aumento equivalente en la temperatura promedio durante el proceso de entrada de calor elevando la presión máxima del ciclo, es decir, la presión en la caldera. Esto puede dar por resultado un mayor costo inicial del generador de vapor, debido a la mayor presión que debe soportar, pero a través de los años la mayor eficiencia de toda la unidad compensa con creces ese desembolso. Sin embargo, con una temperatura máxima dada en el generador de vapor, un aumento de presión del evaporador da por resultado una disminución en la cantidad de vapor que sale de la turbina. Para evitar el problema de la erosión sin perder la ventaja de las mayores temperaturas logradas mediante el incremento de la presión en la caldera, se ha desarrollado el ciclo de recalentamiento. En el ciclo de recalentamiento no se permite que el vapor se expanda completamente hasta la presión del condensador en una sola etapa. Después de una expansión parcial el vapor se extrae de la turbina y se recalienta a presión constante. Luego se regresa a la turbina para expandirlo más hasta la presión del condensador. Puede considerar se que la turbina consiste en dos etapas, una de alta presión y otra de baja presión
Procedimientos Instrucciones y Formularios.
Las turbinas generadoras de electricidad de las Centrales Eléctricas trabajan durante largos períodos de tiempo, con pocos períodos de interrupción. Para asegurar una explotación segura del equipo se realizan diferentes tipos de mantenimientos. Los mantenimientos prolongan la vida útil de la turbina y la eficiencia del Sistema Electro energético. Las turbinas durante su tiempo de trabajo, como cualquier mecanismo, sufre desgastes de sus elementos y estos a su vez pueden provocar averías, por desajuste o por fatiga de los metales. Los mantenimientos se dividen según el volumen de trab ajo a ejecutar en Mantenimiento General. Estos se realizan cada 4 ó 5 años según las recomendaciones del fabricante o el organismo superior en Cuba que es la Unión Eléctrica, en ello se tiene en cuenta los avances tecnológicos sobre nuevos metales, que prolongan los tiempos de explotación, dispositivos automáticos para el monitoreo seguro y eficiente, nuevos tipos de control de temperatura y presiones con registradores que guardan en “memorias” lo acontecido
durante el tiempo de explotación o modernizaciones dentro de la turbina que mejora su eficiencia e incluso su repotenciación. E l periodo de mantenimiento depende principalmente de los parámetros inici ales del vapor y como cons ecuencia de la potenci a. Rendimiento Térmico
El rendimiento térmico es una variable de proceso adimensional que mide el coeficiente de efectividad de una máquina térmica. Se designa con la letra griega : El Lt. / Q1 el
térmico = Beneficio / gasto = Lneto /Q1 = Lneto - Lb /Q1 = t =h4-h5/h4-h1
Por lo cual el ciclo Rankine, aunque de menor t que el ciclo de Carnót, resultara más conveniente y será el adoptado para las instalaciones de vapor. Rendimiento Global de una planta de vapor y consumo espe cíficos reales
Se consideran para su cálculo: la caldera, la turbina, el generador eléctrico y las líneas de transmisión (P
de ©
(g) .
Vapor) .
=
(T) (T)
. .
(L de T)
Consumo Teórico de Vapor
Es el caudal de vapor en Kg./h que debe circular por la turbina para producir en la misma una potencia de 1 Kw. C.T.V = 860/Lt. = (Kcal.)/(Kw.h) / (Kcal) / (Kg) => Kg. de vapor/ Kw.h
Caudal Teórico total de vapor, Gv = C.T.V.N => Gv 860/Lt. (Kg de vapor / Kw.h) . N (Kw.) => (Kg de Vapor/ h) Reparación y Mantenimiento de Turbinas de Vapor
El funcionamiento eficaz de las turbinas de vapor es importante para las industrias del mundo, pero como toda maquinaria, es necesario examinar y mantener constantemente este equipo para producir los mejores resultados. Ofrecemos mantenimiento in situ para mantener el equipo en buen estado de funcionamiento y reducir al mínimo las posibilidades de avería. Mantenimiento de turbinas de vapor para centrales eléctricas
Las centrales de turbinas de vapor producen la mayor parte de la electricidad necesaria para las industrias del mundo. Por ejemplo, representan cerca del 70 por ciento del consumo de electricidad en América. Por lo tanto, las averías de estos equipos no son sólo costosas, sino que pueden causar muchos problemas. Ayudamos a los técnicos de las centrales eléctricas y a los fabricantes originales a reparar y modificar las turbinas de vapor durante los cierres planificados y en situaciones de emergencia. Podemos llevar a cabo las reparaciones de las turbinas de vapor in situ, siendo éstos algunos de los servicios que ofrecemos: Maquinado orbital de chumaceras de rotores de turbina Perforación en línea y fresado de envueltas de turbinas, bombas y cajas de engranajes Taladrado, aterrajado y encabillado de piezas de turbina
Conclusión En conclusión de las turbinas de vapor, hemos aprendido muchas cosa s acerca de ellas, desde cómo están compuestas, su funcionamiento, distintos tipos de turbinas, y más. Estas turbinas son utilizadas en la generación de energía de origen nuclear, como en la propulsión de los buques con plantas nucleares, así también como en aplicaciones de cogeneración que requieran calor, y en ciclos combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. También podemos decir que las turbinas están compuestas por dos partes: el rotor y el estator. El rotor está formado por ruedas de alabes unidas al eje y que constituye la parte móvil de la turbina; y el estator también está formado por alabes, pero no unidos al eje sino a la carcasa de la turbina. Se puede decir que el uso de ellas tiene un margen muy amplio de tamaños y po tencias, ya que se la puede utilizar desde maquinas con baja potencia (bombas, compresores), y también en aquellas que poseen 1500000 Kw. para generar electricidad.
Evidencias Desarrolladas por el Alumno
para la Unidad 6:
Nombre de la unidad: Turbinas de gas Competencia específica a desarrollar: Describir la clasificación y los componentes de las turbinas de gas, así como su funcionamiento. Reconocer y explicar los modelos termodinámicos asociados al diseño de turbinas de gas y compararlos con los comportamientos reales. SUBTEMAS:
6.1. Ciclo Brayton. Definición, clasificación y partes constitutivas. 6.2. Eficiencia y curvas de expansión real. 6.3. Cámaras de combustión. 6.4. Regeneradores 6.5. Curvas de operación. 6.6. Sistemas de regulación y protección. Definiciones. iii. Instrumentos de Evaluación Aplicados (los instrumentos deben de presentar evidencia de haber sido revisados por el docente)
iv. Reportes de práticas.
Introducción En esta unidad que es la sexta y lleva por nombre turbina de gas, una turbina de gas simple está compuesta de tres secciones principales: un compresor, un quemador y una turbina de potencia. Las turbinas de gas operan en base en el principio del ciclo Brayton, en donde aire comprimido es mezclado con combustible y quemado bajo condiciones de presión constante. El gas caliente producido por la combustión se le permite expandirse a través de la turbina y hacerla girar para llevar a cabo trabajo. Una variación del sistema de turbina simple (Brayton) es el de añadir un regenerador. El regenerador es un intercambiador de calor que aprovecha la energía de los gases calientes de escape al precalentar el aire que entra a la cámara de combustión. Este ciclo normalmente es utilizado en turbinas que trabajan con bajas presiones.
CICLO BRAYTON
DEFINICION: El ciclo Brayton, también conocido como ciclo Joule o ciclo Froude, es un ciclo termodinámico consistente, en su forma más sencilla, en una etapa de compresión adiabática, una etapa de calentamiento isobárico y un a expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible. El objetivo del ciclo Brayton de turbina de gas es convertir energía en forma de calor en trabajo, por lo cual su rendimiento se expresa en términos de eficiencia térmica. Las dos principales áreas de aplicación de la turbinas de gas son la propulsión de aviones y la generación de energía eléctrica. 1-2 compresión isentrópica (en un compresor) 2-3 Adición de calor a P=constante 3-4 Expansión isentrópica (en una turbina) 4-1 Rechazo de calor a P=constante
El ciclo Brayton puede ser de dos tipos: Sistema abierto Sistema cerrado
CICLO ABIERTO
Las turbinas de gas usualmente operan en un ciclo abierto. El aire fresco en condiciones ambiente se introduce dentro del compresor donde su temperatura y presión se eleva. El aire de alta presión sigue hacia la cámara de combustión donde el combustible se quema a presión constante. Luego los gases de alta temperatura que resultan en tran a la turbina, donde se expanden hasta la presión atmosférica, de tal forma que producen potencia. Los gases de escape que salen de la turbina se expulsan hacia fuera (no se recirculan), lo que provoca que el ciclo se clasifique como un ciclo abierto.
CICLO CERRADO
El fluido de trabajo en ciclo cerrado entra al intercambiador de calor de temperatura elevada en el estado, donde se le agrega energía a un proceso de presión constante, hasta que alcanza la temperatura elevada del estado . Entonces, el fluido entra a la turbina y tiene lugar una expansión isentrópica, produciendo cierta potencia. El fluido sale de la turbina al estado y pasa a ser enfriado, en un proceso a presión constante, en el intercambiador de calor de temperatura baja, de donde sale al estado , listo para entrar al compresor. Ahí el fluido es comprimido isentrópicamente al estado y el ciclo se repite.
CLASIFICACION DE LAS TURBINAS DE GAS
Las turbinas de gas, al igual que las turbinas a vapor, se clasifican en: 1. Turbinas a gas de acción 2. Turbinas a gas de reacción
También las turbinas a gas se clasifican de acuerdo al número de estadios móviles, en cuyo caso pueden ser: 1. Turbinas a gas mono etapa (un solo estadio móvil) 2. Turbinas a gas multi etapas (varios estadios móviles)
Igualmente cabe otra clasificación, la cual está en función del número de ejes de la turbina, pudiendo en este aspecto clasificarlas como: 1. Turbinas a gas de un solo eje 2. Turbinas a gas de dos ejes Monoeje: En este tipo de turbinas el compresor, turbina y gen erador, están todo unido en el mismo rotor girando de forma solidaria, son las más comunes para uso de generación eléctrica. Su velocidad de giro suele estar en 3000 rpm para ajustarse a los 50 Hz de la red eléctrica.
Multieje: Este tipo de turbinas está dividido el eje en dos, un eje en el que está el compresor y la turbina de alta, que es la encargada de impulsar al compresor. En el otro eje se encuentran la turbina de potencia que es la que mueve el generador. Este tipo de configuración se usa en turbinas aeroderivadas y de pequeña potencia ya que tiene buen comportamiento frente a variaciones de carga.
Partes constitutivas
La máquina está compuesta de los siguientes elementos:
1. Un compresor de flujo axial 2. Una o varias cámaras de combustión (según el fabricante) 3. La turbina a gas 4. Sistemas auxiliares para su operación: a) Sistemas de lubricación b) Sistema de alimentación de combustible c) Sistema de regulación de velocidad d) Sistema de puesta en marcha y parada e) Sistemas de protección de máquina f) Sistema de acoplamiento hidráulico g) Sistema de virado (virador) 5. Motor de lanzamiento (motor Diesel, o motor eléctrico)
6.2. Eficiencia y curvas de expansión real. EFICIENCIA
La eficiencia térmica aumenta con el aumento de la relación de presiones y la relación de calores específicos. La temperatura más alta en el ciclo ocurre al final del proceso de combustión (estado 3) y esta limitada por la temperatura máxima que los alabes de la turbina pueden resistir. Esto también limita las relaciones de presión que pueden utilizarse. En muchos diseños comunes las relaciones de presión de turbinas de gas varía de 11 a 1.
CURVAS DE EXPANSION REAL Los ciclos que se llevan a cabo en los dispositivos reales son difíciles de analizar debido a la presencia de efectos complicados, como la fricción y la fa lta de tiempo suficiente para establecer las condiciones de equilibrio durante el ciclo. Cuando al ciclo real se le eliminan todas las irreversibilidades y complejidades internas, se consigue finalmente un ciclo que se parece en gran medida al real pero que está formado en su totalidad por procesos internamente reversibles.
Diagrama del ciclo Brayton teórico (en negro) y real (en azul), en función de la entropía S y la temperatura T.
El sistema de combustión provisto en las turbinas a gas puede ser de dos tipos: a) Turbinas a gas monocámara b) Turbinas a gas multicámaras Las turbinas con diseño monocámaras, como es el caso del fabricante Asea - Brown Boveri (ABB), la cámara se ubica en posición perpendicular al eje de la máquina. En el caso de las turbinas multicámaras, diseño General Electric (GE), las cámaras se ubican en forma concéntricas (paralelas) al eje de la máquina. Un ciclo Brayton (o Joule) ideal modela el comportamiento de una turbina, como las empleadas en las aeronaves. Este ciclo está formado por cuatro pasos reversibles, según se indica en la figura. Pruebe que el rendimiento de este ciclo viene dado por la expresión
siendo r = pB / p A la relación de presión igual al cociente entre la presión al final del proceso de compresión y al inicio de él.. El método para obtener este resultado es análogo al empleado para el Ciclo Otto.
Admisión
El aire frío y a presión atmosférica entra por la boca de la turbina
6.3. Cámaras de combustión. LA CAMARA DE COMBUSTION
El calor se introduce en las turbinas de gas a través de la cámara de combustión. Esta cámara recibe el aire comprimido proveniente del compresor y lo envía a una elevada temperatura hacia la turbina expansora, idealmente sin pérdida de presión.
De esta forma, la cámara de combustión es un calentador de aire donde el combustible, mezclado con mucha mayor cantidad de aire que lo que correspondería a una mezcla estequiometria aire-gas. Existen varios tipos de cámaras de combustión, pero en general pueden agruparse en tres categorías: las anulares, el tubo anular y las tipo silo. Cámara interior: Se produce la mezcla del combustible, mediante los inyectores, y el comburente, que rodea y accede a ésta mediante distribuidores desde la c ámara exterior en 3 fases. En la primera se da la mezcla con el combustible y su combustión mediante una llama piloto, en el paso posterior se introduce una mayor cantidad de aire para asegurar la combustión completa, y por último y antes de la salida de los gases a la turbina de expansión se introduce el resto del aire comprimido para refrigerar los gases de escape y que no dañen las estructuras y equipos posteriores. Cámara exterior: Se ocupa de recoger el comburente, aire, proveniente del compresor, hacerlo circular por el exterior de la cámara interior para refrigerar los paneles cerámicos, y a su vez distribuir la entrada de aire a la cámara interior de forma adecuada. La cámara de combustión anular
La cámara de combustión anular es la solución adoptada principalmente por Alstom y Siemens para sus turbinas industriales, y en general, es la que suelen implementar la práctica totalidad de las turbinas aeroderivadas. Esta disposición supone que existe una única cámara en forma de anillo que rodea al eje del compresor-turbina; dicha cámara consta de un solo tubo de llama, también anular, y una serie de inyectores o quemadores, cuyo número puede oscilar entre 12 y 25 repartidos a lo lardo de todo la circunferencia que describe la cámara.
6.4. Regeneradores Los regeneradores son intercambiadores en donde un fluido caliente fluye a través del mismo espacio seguido de uno frío en forma alternada. Los recuperadores reducen el consumo de combustible por el uso de los residuos de calor recuperados de la corriente de gas de salida de las turbinas de gas antiguas, de más baja eficiencia. Esto típicamente incrementa la eficiencia de la turbina en un 10%. Los regeneradores o intercambiadores de calor empleados en las turbinas a gas son del tipo estacionario, o bien, del tipo rotativo o giratorio, siendo los primeros los más empleados.
En ellos los gases de escape pasan por el interior de los tubos y el aire a precalentar por el exterior de los mismos. En los motores de turbina de gas, la temperatura de los gases de escape que salen de la turbina suele ser bastante mayor que la temperatura del aire que abandona el compresor. Por consiguiente, el aire de alta presión que sale del compresor puede calentarse transfiriéndole calor de los gases de escape calientes en un intercambiador de calor en contraflujo, el cual se conoce también como un regenerador o recuperador. El empleo de regeneradores presenta tres inconvenientes: Gran superficie de intercambio de calor. Dificultad para la limpieza de la misma. Aumento de la resistencia al paso de los gases de escape. En un regenerador ideal, en donde suponemos que no hay pérdidas de calor, el balance de energía se establece igualando toda la energía que recibe el aire a la energía entregada por los gases de escape.
6.5 curvas de operación Las curvas de operación son aquellas que nos van a servir para poder identificar si nuestra turbina está trabajando debidamente. Una turbina de gas por lo general, no funciona a plena potencia, por lo que la variación del rendimiento es un factor de importancia económica, para adaptar una turbina de gas a plena potencia dada se puede actuar sobre; La temperatura de admisión de los gases de la turbina El número de rpm del compresor, lo que implica el gasto, relación de compresión que depende de la variación de la velocidad del compresor. Algo de suma importancia en las curvas de operación nos va a s poder servir para identificar las características de un sistema para poder elegir el más eficiente o para corregir su funcionamiento. Curvas características del compresor. Las curvas del características del compresor representan, en un diagrama en el que sobre el eje de las ordenadas se lleva el grado de compresión, y sobre las abscisas el gasto másico para una velocidad de rotación determinada n(rpm), permaneciendo invariable las condiciones del flujo de aire de aspiración.
Los límites de funcionamiento Son impuestos por;
Zona de inestabilidad de bombeo del compresor. La temperatura de admisión máxima de la turbina. Puntos de funcionamiento con la potencia útil de acuerdo a temperatura de admisión de los gases.
Curva de operación para el arranque.
Esta curva nos va a representar gráficamente lo que son los aspectos que van a intervenir cuando se encienda una turbina de gas desde que se enciende hasta que llega a su plena carga.
Temperatura del aire de aspiración en la turbina.- A mayor temperatura de aspiración, la energía necesaria para mover el compresor es mayor, disminuyendo el rendimiento y la potencia generada, por lo que conviene situar la toma de aire en aquel punto en el que la temperatura de admisión sea más baja. Un incremento de la temperatura de admisión de 15ºC puede suponer una disminución de la potencia en el eje. 6.6 sistemas de regulación y protección.
Controles Son dispositivos de control y seguridad que representan una alta proporción de los costos totales.
Son requeridos para la operación a velocidad constante y conexiones del generador. Comúnmente son utilizados los plc. Funciones Secuencia de arranque, parada y protección. Monitoreo de vibraciones. Gobernador de combustible y vapor. Alarmas. Monitoreo de fuego y gas.
El sistema de protección tiene por objetivo, ante una falla, sacar de servicio la parte fallada para evitar un daño grave al resto de la unidad. Los criterios básicos del diseño del sistema de protección son los siguientes: 1.- disponer de dos niveles de protección, un nivel de alarma que permita tomar una acción correctiva y otro nivel que saque de servicio la unidad. 2.- evitar un rearranque de la turbina mientras no haya sido localizada y reparada la falla que causa la salida de servicio de la unidad. El sistema primario Detecta la velocidad de protección primaria, esta sobre velocidad no es muy elevada con respecto a la velocidad nominal, y envía una señal de alerta al circuito de protección principal, este da la señal de parar la unidad y da la señal de alarma de sobre-velocidad. En caso de que la unidad aumente su velocidad hasta la velocidad de protección secundaria, la cual es mayor que la primaria, debido a que la protección secundaria se
especifica de acuerdo a los límites de resistencia de las partes móviles de la unidad, el sistema secundario de protección cierra la válvula moduladora de combustible, para que la velocidad disminuya lo más rápido posible del límite mecánico y luego a velocidad cero. El sistema secundario Protección puede ser electrónico o mecánico, pero en los últimos años se ha preferido que sea eléctrico debido a que ofrece las siguientes ventajas:
Mayor confiabilidad al detectar la falla de sobre velocidad debido a la implementación de tres canales independientes para censar la velocidad de la turbina. Mayor exactitud en la determinación de la velocidad de la turbina debido a sensores de velocidad de alta precisión.
