INSTITUTO TECNOLÓGICO DE MÉRIDA

INGENIERIA ELECTRICA

TEMAClasificación de las turbina de gas

ALUMNOEuan Tun Larry MartinMotul Narvaez SantosNaal Can Joel Ituriel

Oy Montes Royel

OBJETIVO GENERAL

Investigar, conocer y estudiar los tipos de clasificación de las turbine de gas que se encuentran en el mundo

sus evoluciones durante el tiempo

¿Qué son las turbinas de gas?

Una turbina de gas es un motor térmico rotativo de flujo continuo que utiliza el flujo de gas como medio de trabajo, para convertir energía térmica en energía mecánica y se caracteriza por presentar una baja relación peso/potencia y una velocidad de giro muy elevada.

Emplean como combustible gas natural o líquidos como queroseno o gasoil. También puede usarse carbón, una vez transformado en gas en un gasificador aparte.

Un poco de historia

La primera patente de una turbina de gas la obtiene en 1791 John Barber, pero fue a principios del siglo pasado cuando se construye la primera turbina de gas que funcionó realmente.

El primer avance importante lo logró F. Stolze en Alemania cuya turbina consistía en los mismos elementos que las turbinas de gas actuales: cámara de combustión que funciona separadamente y compresor multietapa de flujo axial, movido directamente por una turbina multietapa de reacción.

No obstante, los rendimientos del compresor y la turbina, así como la temperatura del gas, eran aún demasiado bajos para permitir un funcionamiento aceptable.

En 1903 se construyó en Francia la primera turbina de gas que funcionó con éxito. Constaba de compresor alternativo, cámara de combustión y turbina de impulso de dos etapas. Su rendimiento térmico era casi del 3%. Los progresos fueron lentos.

En los años 30, la Compañía de Sir Frank Whittle diseñó la Whittle W1, la que a la postre se convirtió en la primera turbina a gas a ser implementada en una aeronave; el avión alemán Heinkel He 178. En esos mismos años se implementó la primera turbina de gas para la producción de energía eléctrica.

La primera turbina derivada de las usadas por la aviación para uso naval fue la Proteus en 1958, mientras que la primera generación de turbinas a gas de concepción naval fue probada en el mar hacia fines de la década del 50.

LA TECNOLOGÍA DE TURBINAS DE GAS DE GE ENERGY MARCA UN HITO DE LA INDUSTRIA

El parque global de turbinas de clase F supera los 30 millones de horas de funcionamiento

GE Energy ha anunciado hoy el último logro de su base instalada de turbinas de gas de tecnología F: más de 30 millones de horas de funcionamiento comercial en centrales eléctricas de todo el mundo.

El parque de más de 1000 máquinas de clase F de la empresa también ha superado las 600 000 puestas en marcha, ilustrando así la durabilidad y disponibilidad del modelo. El alto número de puestas en marcha da fe de la eficacia de la tecnología F como una unidad de ciclos o picos, satisfaciendo las necesidades de flexibilidad del cliente de generación de energía actual. Esta disponibilidad líder de la industria mejora la rentabilidad de las centrales eléctricas y de las empresas de la industria que utilizan la tecnología de turbinas de gas de clase F de GE.

"En un contexto en el que los países de todo el mundo buscan gas natural de quemado más limpio y combustibles alternativos para alcanzar sus objetivos económicos, medioambientales y de seguridad, este hito pone de relieve el papel que la tecnología F de GE está desempeñando para ayudar a que los clientes superen este reto", "Las turbinas de gas de clase F han logrado una reputación global entre los clientes de energía que buscan altos niveles de flexibilidad y fiabilidad de sus equipamientos de generación".

Desde su introducción en 1987, la tecnología F de GE ha establecido estándares industriales en cuanto a fiabilidad, disponibilidad y emisiones. Por ejemplo, según los datos de ORAP*, la turbina 7F de GE es la turbina de gas más fiable en la clase F y es la primera en lograr un 99,1 % de fiabilidad.

Las máquinas F de GE también presentan una destacada flexibilidad operativa, puesto que fueron las primeras turbinas de gas en su clase en alcanzar un margen de funcionamiento del 40 % mientras mantenían niveles de emisión de NOx y CO de un solo dígito.

En abril del 2009, marcando un importante desarrollo para la familia de clase F, GE Energy anunció la entrega de su turbina de gas Frame 6FA número 100 a un proyecto de calor y electricidad combinados (CHP) en la ciudad rusa de Kurgan, al sur de los Urales. La nueva central CHP está diseñada para proporcionar capacidad de generación de electricidad y de energía térmica, y contribuir así al desarrollo económico y social de la región. Este modelo de tamaño medio de la flota de tecnología F de GE es bien conocido por su flexibilidad de combustible y capacidades operativas, con más de dos millones de horas acumuladas de servicio comercial en 30 países de todo el mundo.

Diseñada tanto para aplicaciones de 50 como de 60 hercios, la 6FA es una máquina de 75 megavatios. Su rango de salida, la elevada energía al escape, el acondicionamiento total y el robusto diseño hacen de la 6FA una máquina muy recomendable para multitud de aplicaciones, desde la calefacción urbana y la cogeneración industrial hasta la mera generación de energía en ciclo combinado, tanto para su funcionamiento en isla como para su integración en refinerías.

La Frame 9FB es un ejemplo de la continua inversión de GE en la mejora de la disponibilidad, fiabilidad y rendimiento de su parque de clase F. Configuradas con las turbinas de vapor de tecnología avanzada de alta eficiencia (HEAT) de ciclo combinado de gas natural de GE, las 9FB tienen una capacidad de más de 437 megavatios, un significativo incremento en comparación con la potencia de salida de las 9FA de ciclo combinado, de aproximadamente 390 megavatios.

En la última evolución de la tecnología de clase F, GE anunció recientemente una versión mejorada de la turbina de gas Frame 7FA, que ofrece mayor potencia de salida, eficiencia, operabilidad y flexibilidad mejoradas, para responder a las crecientes necesidades de los operadores de centrales eléctricas actuales. Una central eléctrica típica que opera dos nuevas turbinas de gas 7FA con una única turbina de vapor en una configuración de ciclo combinado puede lograr un ahorro en los costes de más de dos millones de dólares al año a un precio del gas natural de 6 dólares por MMBtu (millones de unidades térmicas británicas), comparada con una central similar que utilice una versión previa de la 7FA. Muchas de las unidades en el parque instalado de máquinas de tecnología F de GE también están cubiertas por acuerdos de servicio contractuales (CSA), que incluyen suministro de piezas, reparaciones y servicios de campo en interrupciones del servicio planificadas y no planificadas para los generadores-turbinas de gas, y equipamiento accesorio, junto con garantías de rendimiento.

(http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/03-turbina_a_gas.pdf)

Desde la década de los 90 el gas natural ha ido posicionándose con mayor fuerza como el combustible de elección en las nuevas plantas de energía. Además de ser un combustible más limpio que el carbón, puede ser utilizado para generar electricidad a través de turbinas de gas, una tecnología que ha ido evolucionando a lo largo del tiempo y que se ha vuelto cada vez más popular.Como resultado, los expertos apuntan a que la dependencia mundial en turbinas de gas seguirá incrementándose en los próximos años, mientras que el uso del carbón continua reduciéndose progresivamente en Europa y Estados Unidos, dado el cada vez mayor apoyo gubernamental a la producción de energía renovable.Un dato que nos ha resultado interesante, ha sido el informe realizado por la Administración de Información Energética de Estados Unidos (EIA), en el que señala que

la cuota de gas natural utilizada supuso el 16% del total de la generación de energía mundial en el año 2000, aumentando al 24% en 2010 y estimando que continúe creciendo al 27% en 2020, así como al 30% en 2040.

Llegados a este punto, merece la pena aclarar de forma clara y concisa elfuncionamiento de las turbinas de gas. En primer lugar se introduce aire en la propia turbina que es comprimido al pasar a través de unas cuchillas rotativas, siendo conducido posteriormente hacia una cámara de combustión donde se le añade el combustible, quemándose y produciendo gas caliente. El calor generado por la combustión aumenta la presión dentro de la cámara produciéndose una expansión de los gases al salir de la misma. Como resultado, a medida que el gas pierde presión gana simultáneamente velocidad que es aprovechada por los álabes de la turbina haciendo que esta gire, mientras que un generador convierte la energía mecánica producida en electricidad.

Los fabricantes de turbinas de gas se encuentran en una búsqueda sin fin para aumentar la eficiencia con el objetivo de reducir los costes mientras se aumenta los niveles de producción, tendencia que ha ayudado a que las plantas de energía basada en turbinas de gas sean relativamente más baratas en comparación con los costes de construcción de una planta a carbón.

Aunque pueda parecer lo contrario, una pequeña mejora en la eficiencia es muy valiosa para la vida útil de las turbinas. En la actualidad, las investigaciones realizadas por los ingenieros se están centrando en incrementar el valor de la eficiencia entre el 1 y el 2% en los sistemas de refrigeración para los componentes que trabajan en las zonas de mayor temperatura de la turbina, así como en los revestimientos de la barrera térmica. Como resultado, ambas de estas técnicas son las que permiten que la turbina funcione a temperaturas más altas y por lo tanto obtengan una mayor eficiencia, mientras se garantiza la preservación de la vida de los componentes.

En los últimos años también se ha invertido un gran esfuerzo en aumentar la flexibilidad operativa de las turbinas de gas de ciclo combinado, para permitir que las plantas puedan operar más rápidamente en su puesta en marcha, así como en las tareas de carga y descarga. Esta flexibilidad es cada vez más importante en los mercadoscon altos niveles de

generación de energía renovable eólica y solar, debido a la imprevisibilidad de estas para mantener unos niveles constantes y elevados de producción eléctrica.Actualmente los principales actores que lideran el mercado en el desarrollo de tecnologías de turbinas de gas para la generación de energía a gran escala son GE, Alstom y Mitsubishi Heavy Industries, sin olvidarnos de Siemens. De ellos, analizaremos resumidamente los principales modelos de ciclo combinado de última generación.

Turbinas de Gas 7F 7-Series de General Electric:

El mayor fabricante mundial de turbinas de gas, General Electric (GE), cuenta con la nueva evolución de su plataforma de clase F, dando lugar a los nuevos modelos 7F 7-Series dentro de su gama FlexEfficiency* 60 Portfolio. Cuenta con una eficiencia de ciclo combinado neto superior al 61% y un mayor nivel de producción que el promedio de los competidores de su clase, requiriendo un menor consumo de combustible que permite disminuir las emisiones en MW-hr (2 ppm en ciclo combinado/ 9 ppm en ciclo simple). Además, cuenta con 4 etapas de gas caliente con refrigeración avanzada y sellado para aumentar el rendimiento, así como un novedoso compresor aerodinámico 3D para mejorar la flexibilidad de funcionamiento.Cabe destacar que al iniciarse toma diez minutos de carga base y puede alcanzar velocidades de 50MW/minuto por turbina de gas dentro de las garantías de emisiones. Las turbinas han sido testadas al límite de sus capacidades en las instalaciones de prueba de GE en Greenville, Carolina del Sur (Estados Unidos), la cual cuenta con uno de los mejores sistemas de validación de turbinas de gas del mundo que ha costado 130 millones de

euros llevarla a la realidad. Con ello, los ingenieros de GE han podido poner a prueba su gama FlexEfficiency* 60 Portfolio en todo tipo de situaciones, analizando más de 7.000 datos en tiempo real durante el funcionamiento de las turbinas de gas.

Turbinas de Gas J-Series de Mitsubishi:

La nueva generación de turbinas de gas de Mitsubishi denominada J-Series, incluye la M501J de 60Hz y la M701J de 50Hz, las cuales registranuna eficiencia de ciclo combinado del 61,5%, un 6,5% más que la generación anterior (clase G y F). En el desarrollo de estas nuevas turbinas los ingenieros se centraron principalmente en el aumento de la presión de combustión permitiendo un aumento de la temperatura a 1.600 grados, es decir, 100 grados más que la serie de la clase G, gracias al avanzado revestimiento de barrera térmica implementado.Mitsubishi, en el marco del Programa de Energía Nacional de Japón, un proyecto de investigación y desarrollo que se inició en 2004 orientado aldesarrollo de tecnologías de turbinas de gas, ha dado lugar a importantes mejoras en la estructura de refrigeración en las nuevas turbinas. Esto es sumamente importante en el diseño, ya que, si mejoras la temperatura de combustión sin mejorar previamente los sistemas de refrigeración, los componentes se deterioran muy rápidamente acortando de forma drástica la vida útil de la turbina de gas.

Por otro lado, la compañía ha indicado que la reducción de las emisiones de CO2 en las operaciones de ciclo combinado es aproximadamente un 60% menor en comparación con las plantas convencionales de carbón.

Turbinas de Gas KA24 de Alstom:

Alstom ha conseguido evolucionar su tecnología para ofrecer las nuevas turbinas de gas de clase avanzada denominada KA24-Series, para el mercado de 60Hz. Con el fin de mejorar la eficiencia, en vez de ir por el camino tradicional de elevar la temperatura de combustión en la entrada de la turbina, los ingenieros de Alstom optaron por algo que se denomina combustión secuencial. Mediante la inyección del gas natural en dos sistemas de combustión en serie, es posible aumentar la producción y la eficiencia del ciclo sin incrementar significativamente las emisiones en cargas total y parcial.La configuración dos en uno significa que tiene la capacidad de producir 450 MW en sólo diez minutos, un aspecto especialmente interesante para los mercados que buscan la máxima flexibilidad de cara su utilización cuando existe baja producción en energías renovables, así como aquellos clientes que buscan una reducción de los costos de combustible y mantenimiento.A nivel de rendimiento, cuenta con un 15% más en la potencia de salida que la generación anterior, el equivalente a suministrar electricidad extra a más de 85.000 personas. Además, ofrece hasta un 30% más de tiempo de operación entre las inspecciones programadas, aumentando la disponibilidad y reduciendo los costes de mantenimiento.

(Artículo, EUGENIO RODRÍGUEZ, INDUSTRIAL · MECÁNICA 21 AGO, 2013, http://www.fierasdelaingenieria.com/turbinas-de-gas-la-busqueda-permanente-de-la-eficiencia/)

GRAFICA DE EVOLUCION DE SERIES DE TURBINA DE GAS DE MODELOS DE MITSUBISHI

TURBINA DE GAS CLASIFICACION DE DISEÑO Y EVOLUCION

HISTORIA Y EVOLUCION SERIE F DE MITSUBISHI

Unidades en servicio comercial : 89 unidades.•Nuevos Pedidos: 48 unidades.

Flota-F total: 137 unidad (Junio ’06)Flota F3 total: 101 unidadUnidad líder M701F3 > 47,200 hrs / 305 arranquesUnidad líder M501F3 > 40,600 hrs / 115 arranques

SERIE G

Ciclo Combinado Planta de Verificación de MHI Takasago (T-point) <M501G> primero en el mundo del tipo G

Puntos clave de la turbina de gas serie G

Unidades en servicio comercial: 18 unidades

Nuevos pedidos: 32 unidades

Flota G total: 50 unidades (Junio ’06)

Unidad líder M701G > 49,200 hrs / 85 arranquesUnidad líder M501G > 24,900 hrs / 1,507 arranques

M701G2 Prueba en fábrica y puesta en Marcha.•Prueba de carga en fábrica se ha realizado en MHI Takasago Machinery Works desde 1997.•Puesta en marcha de la primera máquina G2 en Japón en 2006.•La primera máquina G2 fuera de Japón se construirá en España, con puesta en marcha en 2009. (TECNOLOGIA AVANZADA EN TURBINA DE GAS MITSUBISHI.PDF)

CONCLUCION:

Las turbinas de gas son poco más eficientes que un ciclo común ya que mayor mente lo utilizan en ciclo combinado para generar una mayor eficacia para le central eléctrica. Las etapas de la turbina de gas son muy importantes ya que cada generación se vuelve más confiable con menos pérdidas y mayor aprovechamiento de generación de la energía eléctrica avanzando con mayor ingenio y tecnología.

REFERENCIAS

Artículo, EUGENIO RODRÍGUEZ, INDUSTRIAL · MECÁNICA 21 AGO, 2013, http://www.fierasdelaingenieria.com/turbinas-de-gas-la-busqueda-permanente-de-la-eficiencia/

TECNOLOGIA AVANZADA EN TURBINA DE GAS MITSUBISHI.PDF http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/03-turbina_a_gas.pdf