INSTITUTO TECNOLGICO DE MRIDA INGENIERIA ELECTRICA

TEMA Clasificacin de las turbina de gas

ALUMNO Euan Tun Larry Martin Motul Narvaez Santos Naal Can Joel Ituriel Oy Montes Royel

OBJETIVO GENERAL Investigar, conocer y estudiar los tipos de clasificacin de las turbine de gas que se encuentran en el mundo sus evoluciones durante el tiempo

Qu son las turbinas de gas? Una turbina de gas es un motor trmico rotativo de flujo continuo que utiliza el flujo de gas como medio de trabajo, para convertir energa trmica en energa mecnica y se caracteriza por presentar una baja relacin peso/potencia y una velocidad de giro muy elevada. Emplean como combustible gas natural o lquidos como queroseno o gasoil. Tambin puede usarse carbn, 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 funcion realmente. El primer avance importante lo logr F. Stolze en Alemania cuya turbina consista en los mismos elementos que las turbinas de gas actuales: cmara de combustin que funciona separadamente y compresor multietapa de flujo axial, movido directamente por una turbina multietapa de reaccin. No obstante, los rendimientos del compresor y la turbina, as como la temperatura del gas, eran an demasiado bajos para permitir un funcionamiento aceptable. En 1903 se construy en Francia la primera turbina de gas que funcion con xito. Constaba de compresor alternativo, cmara de combustin y turbina de impulso de dos etapas. Su rendimiento trmico era casi del 3%. Los progresos fueron lentos. En los aos 30, la Compaa de Sir Frank Whittle dise la Whittle W1, la que a la postre se convirti en la primera turbina a gas a ser implementada en una aeronave; el avin alemn Heinkel He 178. En esos mismos aos se implement la primera turbina de gas para la produccin de energa elctrica. La primera turbina derivada de las usadas por la aviacin para uso naval fue la Proteus en 1958, mientras que la primera generacin de turbinas a gas de concepcin naval fue probada en el mar hacia fines de la dcada del 50.

LA TECNOLOGA 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 ltimo logro de su base instalada de turbinas de gas de tecnologa F: ms de 30 millones de horas de funcionamiento comercial en centrales elctricas de todo el mundo. El parque de ms de 1000 mquinas de clase F de la empresa tambin ha superado las 600 000 puestas en marcha, ilustrando as la durabilidad y disponibilidad del modelo. El alto nmero de puestas en marcha da fe de la eficacia de la tecnologa F como una unidad de ciclos o picos, satisfaciendo las necesidades de flexibilidad del cliente de generacin de energa actual. Esta disponibilidad lder de la industria mejora la rentabilidad de las centrales elctricas y de las empresas de la industria que utilizan la tecnologa de turbinas de gas de clase F de GE. "En un contexto en el que los pases de todo el mundo buscan gas natural de quemado ms limpio y combustibles alternativos para alcanzar sus objetivos econmicos, medioambientales y de seguridad, este hito pone de relieve el papel que la tecnologa F de GE est desempeando para ayudar a que los clientes superen este reto", "Las turbinas de gas de clase F han logrado una reputacin global entre los clientes de energa que buscan altos niveles de flexibilidad y fiabilidad de sus equipamientos de generacin". Desde su introduccin en 1987, la tecnologa F de GE ha establecido estndares industriales en cuanto a fiabilidad, disponibilidad y emisiones. Por ejemplo, segn los datos de ORAP*, la turbina 7F de GE es la turbina de gas ms fiable en la clase F y es la primera en lograr un 99,1 % de fiabilidad. Las mquinas F de GE tambin 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 mantenan niveles de emisin de NOx y CO de un solo dgito. En abril del 2009, marcando un importante desarrollo para la familia de clase F, GE Energy anunci la entrega de su turbina de gas Frame 6FA nmero 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 est diseada para proporcionar capacidad de generacin de electricidad y de energa trmica, y contribuir as al desarrollo econmico y social de la regin. Este modelo de tamao medio de la flota de tecnologa F de GE es bien conocido por su flexibilidad de combustible y capacidades operativas, con ms de dos millones de horas acumuladas de servicio comercial en 30 pases de todo el mundo.

Diseada tanto para aplicaciones de 50 como de 60 hercios, la 6FA es una mquina de 75 megavatios. Su rango de salida, la elevada energa al escape, el acondicionamiento total y el robusto diseo hacen de la 6FA una mquina muy recomendable para multitud de aplicaciones, desde la calefaccin urbana y la cogeneracin industrial hasta la mera generacin de energa en ciclo combinado, tanto para su funcionamiento en isla como para su integracin en refineras. La Frame 9FB es un ejemplo de la continua inversin de GE en la mejora de la disponibilidad, fiabilidad y rendimiento de su parque de clase F. Configuradas con las turbinas de vapor de tecnologa avanzada de alta eficiencia (HEAT) de ciclo combinado de gas natural de GE, las 9FB tienen una capacidad de ms de 437 megavatios, un significativo incremento en comparacin con la potencia de salida de las 9FA de ciclo combinado, de aproximadamente 390 megavatios. En la ltima evolucin de la tecnologa de clase F, GE anunci recientemente una versin 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 elctricas actuales. Una central elctrica tpica que opera dos nuevas turbinas de gas 7FA con una nica turbina de vapor en una configuracin de ciclo combinado puede lograr un ahorro en los costes de ms de dos millones de dlares al ao a un precio del gas natural de 6 dlares por MMBtu (millones de unidades trmicas britnicas), comparada con una central similar que utilice una versin previa de la 7FA. Muchas de las unidades en el parque instalado de mquinas de tecnologa F de GE tambin estn 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 garantas de rendimiento. (http://www.edutecne.utn.edu.ar/maquinas_termicas/03-turbina_a_gas.pdf) Desde la dcada de los 90 el gas natural ha ido posicionndose con mayor fuerza como el combustible de eleccin en las nuevas plantas de energa. Adems de ser un combustible ms limpio que el carbn, puede ser utilizado para generar electricidad a travs de turbinas de gas, una tecnologa que ha ido evolucionando a lo largo del tiempo y que se ha vuelto cada vez ms popular. Como resultado, los expertos apuntan a que la dependencia mundial en turbinas de gas seguir incrementndose en los prximos aos, mientras que el uso del carbn continua reducindose progresivamente en Europa y Estados Unidos, dado el cada vez mayor apoyo gubernamental a la produccin de energa renovable. Un dato que nos ha resultado interesante, ha sido el informe realizado por la Administracin de Informacin Energtica de Estados Unidos (EIA), en el que seala que

la cuota de gas natural utilizada supuso el 16% del total de la generacin de energa mundial en el ao 2000, aumentando al 24% en 2010 y estimando que contine creciendo al 27% en 2020, as 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 travs de unas cuchillas rotativas, siendo conducido posteriormente hacia una cmara de combustin donde se le aade el combustible, quemndose y produciendo gas caliente. El calor generado por la combustin aumenta la presin dentro de la cmara producindose una expansin de los gases al salir de la misma. Como resultado, a medida que el gas pierde presin gana simultneamente velocidad que es aprovechada por los labes de la turbina haciendo que esta gire, mientras que un generador convierte la energa mecnica producida en electricidad.

Los fabricantes de turbinas de gas se encuentran en una bsqueda sin fin para aumentar la eficiencia con el objetivo de reducir los costes mientras se aumenta los niveles de produccin, tendencia que ha ayudado a que las plantas de energa basada en turbinas de gas sean relativamente ms baratas en comparacin con los costes de construccin de una planta a carbn. Aunque pueda parecer lo contrario, una pequea mejora en la eficiencia es muy valiosa para la vida til de las turbinas. En la actualidad, las investigaciones realizadas por los ingenieros se estn centrando en incrementar el valor de la eficiencia entre el 1 y el 2% en los sistemas de refrigeracin para los componentes que trabajan en las zonas de mayor temperatura de la turbina, as como en los revestimientos de la barrera trmica. Como resultado, ambas de estas tcnicas son las que permiten que la turbina funcione a temperaturas ms altas y por lo tanto obtengan una mayor eficiencia, mientras se garantiza la preservacin de la vida de los componentes.

En los ltimos aos tambin 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 ms rpidamente en su puesta en marcha, as como en las tareas de carga y descarga. Esta flexibilidad es cada vez ms importante en los mercadoscon altos niveles de

generacin de energa renovable elica y solar, debido a la imprevisibilidad de estas para mantener unos niveles constantes y elevados de produccin elctrica. Actualmente los principales actores que lideran el mercado en el desarrollo de tecnologas de turbinas de gas para la generacin de energa 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 ltima generacin. Turbinas de Gas 7F 7-Series de General Electric:

El mayor fabricante mundial de turbinas de gas, General Electric (GE), cuenta con la nueva evolucin de su plataforma de clase F, dando lugar a los nuevos modelos 7F 7Series dentro de su gama FlexEfficiency* 60 Portfolio. Cuenta con una eficiencia de ciclo combinado neto superior al 61% y un mayor nivel de produccin 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). Adems, cuenta con 4 etapas de gas caliente con refrigeracin avanzada y sellado para aumentar el rendimiento, as como un novedoso compresor aerodinmico 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 garantas de emisiones. Las turbinas han sido testadas al lmite 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 validacin 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 ms de 7.000 datos en tiempo real durante el funcionamiento de las turbinas de gas. Turbinas de Gas J-Series de Mitsubishi:

La nueva generacin 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% ms que la generacin anterior (clase G y F). En el desarrollo de estas nuevas turbinas los ingenieros se centraron principalmente en el aumento de la presin de combustin permitiendo un aumento de la temperatura a 1.600 grados, es decir, 100 grados ms que la serie de la clase G, gracias al avanzado revestimiento de barrera trmica implementado. Mitsubishi, en el marco del Programa de Energa Nacional de Japn, un proyecto de investigacin y desarrollo que se inici en 2004 orientado aldesarrollo de tecnologas de turbinas de gas, ha dado lugar a importantes mejoras en la estructura de refrigeracin en las nuevas turbinas. Esto es sumamente importante en el diseo, ya que, si mejoras la temperatura de combustin sin mejorar previamente los sistemas de refrigeracin, los componentes se deterioran muy rpidamente acortando de forma drstica la vida til de la turbina de gas.

Por otro lado, la compaa ha indicado que la reduccin de las emisiones de CO2 en las operaciones de ciclo combinado es aproximadamente un 60% menor en comparacin con las plantas convencionales de carbn.

Turbinas de Gas KA24 de Alstom:

Alstom ha conseguido evolucionar su tecnologa 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 combustin en la entrada de la turbina, los ingenieros de Alstom optaron por algo que se denomina combustin secuencial. Mediante la inyeccin del gas natural en dos sistemas de combustin en serie, es posible aumentar la produccin y la eficiencia del ciclo sin incrementar significativamente las emisiones en cargas total y parcial. La configuracin dos en uno significa que tiene la capacidad de producir 450 MW en slo diez minutos, un aspecto especialmente interesante para los mercados que buscan la mxima flexibilidad de cara su utilizacin cuando existe baja produccin en energas renovables, as como aquellos clientes que buscan una reduccin de los costos de combustible y mantenimiento. A nivel de rendimiento, cuenta con un 15% ms en la potencia de salida que la generacin anterior, el equivalente a suministrar electricidad extra a ms de 85.000 personas. Adems, ofrece hasta un 30% ms de tiempo de operacin entre las inspecciones programadas, aumentando la disponibilidad y reduciendo los costes de mantenimiento.

(Artculo, EUGENIO RODRGUEZ, INDUSTRIAL MECNICA 21 AGO, 2013, http://www.fierasdelaingenieria.com/turbinas-de-gas-la-busqueda-permanente-de-laeficiencia/)

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

TURBINA DE GAS CLASIFICACION DE DISEO 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 unidad Unidad lder M701F3 > 47,200 hrs / 305 arranques Unidad lder M501F3 > 40,600 hrs / 115 arranques

SERIE G Ciclo Combinado Planta de Verificacin 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 lder M701G > 49,200 hrs / 85 arranques Unidad lder M501G > 24,900 hrs / 1,507 arranques

M701G2 Prueba en fbrica y puesta en Marcha. Prueba de carga en fbrica se ha realizado en MHI Takasago Machinery Works desde 1997. Puesta en marcha de la primera mquina G2 en Japn en 2006. La primera mquina G2 fuera de Japn se construir en Espaa, con puesta en marcha en 2009. (TECNOLOGIA AVANZADA EN TURBINA DE GAS MITSUBISHI.PDF)

CONCLUCION: Las turbinas de gas son poco ms eficientes que un ciclo comn ya que mayor mente lo utilizan en ciclo combinado para generar una mayor eficacia para le central elctrica. Las etapas de la turbina de gas son muy importantes ya que cada generacin se vuelve ms confiable con menos prdidas y mayor aprovechamiento de generacin de la energa elctrica avanzando con mayor ingenio y tecnologa.

REFERENCIAS

Artculo, EUGENIO RODRGUEZ, INDUSTRIAL MECNICA 21 AGO, 2013, http://www.fierasdelaingenieria.com/turbinas-de-gas-la-busqueda-permanentede-la-eficiencia/

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