Centrales a gas
Turbinas a gas
La ventaja principal respecto a otros motores de combustión interna es que no necesita convertir un movimiento alternado en uno rotativo, sino que los gases se emplean de forma directa en una turbina que genera el movimiento rotativo.
El aire de la combustión es previamente comprimido, y su flujo dividido en dos: una parte se reinyecta a la cámara de combustión en donde se encuentra el combustible (líquido o gaseoso) mientras que otra parte se reencuentra con los gases a la salida de la cámara de combustión a fines de moderar la temperatura de salida para ser finalmente dirigidos mediante toberas a la turbina para la generación de energía.
La temperatura máxima de trabajo está entre los 540 y 950 C en relación a la que los álabes de la turbina pueden soportar. Aún así, son temperaturas mucho mas altas que en las turbinas a vapor (siendo menor su presión de trabajo).
Se puede mejorar la eficiencia del ciclo si
- Incrementa el trabajo obtenido en la turbina
- Disminuye el trabajo consumido en el compresor
- Disminuye la cantidad de combustible necesario
Para conseguir lo primero, se suele dividir el ciclo en dos o mas saltos: uno de alta presión y otro de baja presión, así, los gases que salen del ciclo de alta presión son recalentados con otra cámara de combustión y reinyectados a una turbina que trabaja a menor presión, maximizando así el volumen de gas turbinado.
Para mejorar la eficiencia de la compresión, y acercarla a un trabajo isotérmico, se emplean varias etapas de compresión sucesivas con enfriamiento intermedios para que el volumen del aire a comprirmir sea el mínimo y se encuentre a la presión adecuada.
Para disminuir la cantidad de combustible se procede al precalentamiento del aire de combustión entre la salida del compresor y el ingreso a la cámara.
Rendimientos, ventajas y usos
Su baja relación de compresión ofrece ventajas y desventajas respecto a una turbina de vapor. Sus menores presiones de trabajo las hacen menos costosas en cuanto a resistencia de mecánica de los los materiales, pero obligan a tener grandes volúmenes, lo que ocasiona que deban ser instalaciones muy grandes si se desea obtener una gran potencia.
El uso de turbina de gas, sobresale para centrales de entre 15 y 120 MW, por su
- mayor simplicidad
- menor costo inicial
- reducido consumo de agua
- Rapidez de puesta en marcha e instalación
- Vida útil similar a una turbina de vapor
Para potencias menores a 15 MW se usan turbinas similares a las que tiene los aviones en donde se verifica que tienen
- Menor costo inicial
- Buen rendimiento térmico (hasta 25%)
- Rápida velocidad de arranque
- Mayor mantenimiento
- Deben usar combustible mas caro
Compitiendo con los motores diesel en este rango de potencias.
Ciclos combinados y mixtos
Turbinas de vapor y de gas, se complementan en lo que se llaman ciclos combinados.
Ciclo combinado
Se añade a una central con TV una TG que precalienta el agua que alimenta la caldera, permitiendo trabajos a mayor temperatura (lo que obliga a sobredimensionar las prestaciones de la caldera respecto de la central TV simple). El costo es menor que si instaláramos una TG para usarse sólo durante los picos que la TV no pueda cubirar, pero mayor al de aumentar la potencia de la TV, por lo que es una opción interesante para centrales de TV existentes.
Ciclo mixto
Además del calor residual de la TG para calentar el agua de la caldera, los gases de escape aún contienen un gran porcentaje de aire y oxígeno sin quemar que pueden suministrarse en la combustión de una caldera.
Si la TG de gas sale de funcionamiento, el aire de combustión necesario para la TV debe suministrarse por otros medios con solpadores, pero como éste aire no está precalentado la caldera disminuye su potencia.
Ciclo mixto babcokc y wilcox
Se interconectan las purgas de la TV con la salida de gase de la TG funcionando alternadamente unas u otras. Cuando la TG está activa, no se realizan extracciones de la TV, y cuando la TG se detiene, se compensa con las prugas de la TV, funcionando el sistema siempre a su máximo potencial.
Turbina de pistones libres
Usados como compresores para torpedos durante la segunda guerra mundial, los pistones (no conectados a un sistema biela manivela como en un motor común) se unen a otro pistón coaxial que sobrecomprime el aire de la combustión que luego es direccionado a un pulmón que atenúa las oscilaciones mecánicas para luego impulsar una turbina.
Se construyen para potencias entre 5 y 20 MW
- Buen rendimiento térmicp
- Pueden usar combustible de baja calidad
- Bajo costo de mantenimiento
- Arranque rápido
Perspectivas futuras
La pérdida de eficiencia más grande en las TG se da en la compresión para refrigerar los gases de salid y evitar así la destrucción de los materiales de la turbina. Si se consiguieran masteriales que resistan mayores temperaturas, ésto se ahorraría y se podría pasar de rendimientos del 30% actual a un 50%