¿Cómo genera energía una turbina de gas en una planta industrial?

Una turbina de gas genera energía al comprimir aire, mezclarlo con combustible y quemar la mezcla para producir gases a alta temperatura que impulsan una turbina y un generador.

En las plantas industriales, este proceso proporciona electricidad fiable y también puede suministrar calor útil para la producción.

Comprender el funcionamiento de cada etapa ayuda a los ingenieros de planta y a los responsables de energía a evaluar la eficiencia, los requisitos operativos y el papel de las turbinas de gas en los sistemas integrados de generación eléctrica.

¿Cómo produce electricidad una turbina de gas?

Una turbina de gas convierte la energía química del combustible en potencia mecánica en el eje. A continuación, un generador convierte esa potencia mecánica en electricidad para los equipos de la planta o para la red.

El proceso se desarrolla de forma continua mientras la unidad está en funcionamiento. El aire entra en la máquina, pasa por las etapas de compresión y combustión y se expande a través de los álabes de la turbina antes de salir como gases de escape calientes.

A diferencia de una turbina de vapor, que requiere vapor procedente de una fuente de calor independiente, una turbina de gas produce sus gases de trabajo directamente dentro de su sistema de combustión.

1. Admisión y compresión de aire

El aire ambiente entra a través de un sistema de admisión, donde los filtros eliminan las partículas suspendidas que podrían ensuciar o dañar el compresor. A continuación, el compresor eleva la presión del aire.

La compresión requiere una potencia mecánica considerable. Una parte de la potencia del eje de la turbina acciona el compresor, mientras que la potencia útil restante puede accionar un generador u otros equipos.

La temperatura del aire es importante porque el aire caliente es menos denso. En los días más cálidos, por lo general, una turbina aspira menos aire en términos de masa, lo que puede reducir la potencia disponible.

2. Mezcla de combustible y combustión

El aire presurizado fluye hacia la cámara de combustión, donde se introduce y quema el combustible. Los gases resultantes, a alta temperatura, proporcionan la energía necesaria para hacer girar la turbina.

El gas natural es un combustible común, aunque algunas máquinas pueden utilizar combustibles líquidos u otras mezclas de combustibles aprobadas. La capacidad real para utilizar distintos combustibles depende del diseño de la turbina y del sistema de combustión.

Los controles de combustión regulan el suministro de combustible y las temperaturas de funcionamiento. Los requisitos de emisiones también influyen en la selección de la cámara de combustión y pueden exigir un tratamiento adicional de los gases de escape en las instalaciones de la planta.

3. Expansión a través de la turbina

Los gases calientes se expanden a través de filas de álabes fijos y móviles. Al pasar, transfieren energía al rotor y hacen girar el eje.

Según la configuración de la máquina, la turbina puede accionar el compresor y el generador mediante un eje común, o bien una turbina de potencia independiente puede accionar el generador.

Los materiales de los álabes, los sistemas de refrigeración y los límites de funcionamiento son importantes, ya que los componentes de la turbina deben soportar altas temperaturas y esfuerzos mecánicos durante toda su vida útil.

4. Generación de electricidad y gases de escape

El eje giratorio acciona un generador, que produce energía eléctrica mediante inducción electromagnética. A continuación, los equipos eléctricos acondicionan, protegen y distribuyen esa energía a las cargas de la planta.

Los gases que salen de la turbina siguen estando calientes. La planta puede expulsarlos por una chimenea o recuperar parte de su calor para producir vapor y alimentar otros procesos.

¿Qué ocurre con el calor de los gases de escape?

En una instalación de ciclo simple, la turbina genera electricidad sin utilizar sus gases de escape para producir energía adicional. Esta configuración es relativamente sencilla y puede permitir un funcionamiento flexible.

En una planta de ciclo combinado, los gases de escape pasan por una caldera de recuperación de calor. El vapor resultante acciona una turbina de vapor conectada a otro generador o a una configuración de ejes distinta.

Por lo general, los ciclos combinados producen más electricidad con el mismo aporte de combustible, pero requieren equipos adicionales, sistemas de agua y una operación más compleja. Su idoneidad depende de la carga y de las condiciones de las instalaciones.

Un sistema de cogeneración, también denominado CHP, utiliza el calor recuperado en un proceso útil, como la producción de vapor, el calentamiento de agua o el secado industrial.

La cogeneración puede mejorar el aprovechamiento total del combustible cuando la planta necesita de forma constante tanto electricidad como calor. Su valor depende de que el calor recuperado se ajuste a la demanda real del proceso.

La eficiencia eléctrica y el aprovechamiento total del combustible son medidas distintas. Las cifras de CHP pueden incluir tanto el calor útil como la electricidad, por lo que no deben compararse directamente con la eficiencia eléctrica por sí sola.

¿Qué función cumple una turbina de gas en una planta industrial?

Una turbina de gas puede ser la fuente principal de electricidad, complementar las compras de energía a la red o abastecer una instalación industrial específica. La configuración operativa depende de los requisitos de cada planta.

Algunas instalaciones funcionan de forma continua cerca de su carga prevista. Otras operan durante periodos de alta demanda, cuando los precios de la electricidad de la red son desfavorables o cuando un proceso necesita energía adicional.

Las turbinas de gas también pueden accionar directamente compresores u otros equipos rotativos. En esta configuración, la potencia del eje se utiliza en el proceso sin convertirse primero en electricidad.

Para las plantas que evalúan la generación in situ, la aplicación más adecuada no es necesariamente la turbina de mayor tamaño. Es la configuración que mejor se adapta a la demanda eléctrica, la demanda de calor y las horas de funcionamiento.

¿Qué determina la eficiencia y la potencia de salida?

Las cifras de rendimiento publicadas son un punto de partida útil, pero una planta debe evaluar la potencia en sus propias condiciones. Varios factores pueden modificar la potencia suministrada y el consumo de combustible.

• Condiciones ambientales: La temperatura, la altitud y la humedad afectan al aire de admisión y al rendimiento de la turbina. Las temperaturas altas y las grandes altitudes suelen reducir la potencia disponible.
• Carga de funcionamiento: La eficiencia puede disminuir con carga parcial. Revise el perfil de demanda previsto en lugar de suponer que la unidad funcionará siempre a su potencia nominal.
• Características del combustible: El poder calorífico, la presión, la composición y la estabilidad del suministro afectan a los requisitos de los equipos y al consumo de combustible. Compruebe que el combustible propuesto cumple las especificaciones del fabricante.
• Cargas auxiliares: Las bombas, los equipos de refrigeración, la ventilación y otros sistemas auxiliares consumen electricidad. Por tanto, la potencia neta de la planta es inferior a la potencia bruta del generador.
• Estado de los equipos: La suciedad en el compresor, el desgaste de los componentes y el deterioro de las juntas pueden reducir el rendimiento. La planificación del mantenimiento debe contemplar inspecciones, limpieza y sustitución de componentes.

Al comparar opciones, solicite a los proveedores garantías de rendimiento para las condiciones especificadas de las instalaciones. Compruebe si las cifras son brutas o netas y qué cargas auxiliares incluyen.

En sistemas de cogeneración, compare el calor recuperable con la temperatura, la presión y los horarios que requiere el proceso. El calor que no se puede utilizar cuando está disponible tiene un valor práctico limitado.

¿Qué deben saber los operadores sobre la fiabilidad y el mantenimiento?

La fiabilidad del funcionamiento depende de algo más que la propia turbina. El suministro de combustible, la filtración de admisión, los controles, la protección eléctrica y los sistemas de refrigeración influyen en la disponibilidad de la instalación.

Los operadores supervisan las temperaturas, las vibraciones, las presiones y otros indicadores para detectar cambios en el estado de la máquina. El análisis de las tendencias de estas lecturas puede ayudar a los equipos de mantenimiento a investigar los problemas antes de que se agraven.

Los programas de mantenimiento dependen del modelo, las horas de funcionamiento, el número de arranques, el combustible y el ciclo de trabajo. Los arranques y paradas frecuentes pueden afectar a los intervalos de inspección de forma distinta que el funcionamiento continuo.

Antes de seleccionar los equipos, revise la disponibilidad de repuestos, el servicio técnico y los requisitos de las paradas programadas. Un precio inicial más bajo quizá no compense un tiempo de inactividad prolongado o unos costes más elevados a lo largo de la vida útil.

También conviene prestar atención desde el principio a los límites de emisiones, las restricciones de ruido y las obligaciones de obtención de permisos. Estos requisitos pueden influir en la selección de equipos, el coste del proyecto y el tiempo necesario para poner la planta en servicio.

¿Qué otros equipos pueden ser pertinentes?

Los proyectos de energía industrial suelen incluir varios paquetes de equipos. SINO-QNP suministra turbomáquinas, incluidas turbinas de gas, turbinas de vapor, compresores y generadores, además de servicios de ingeniería y proyectos.

Para aplicaciones de bombeo independientes, su gama de bombas de lodo incluye modelos NF y PZ diseñados y fabricados de acuerdo con las normas API.

Estas bombas pueden accionarse mediante motores diésel o eléctricos. Son distintas del proceso de generación de energía con turbinas de gas y deben seleccionarse según el servicio de bombeo previsto.

¿Cómo debe evaluar sus opciones una planta?

Comience con un perfil horario de la demanda de electricidad y calor y, a continuación, determine las horas de funcionamiento previstas, los combustibles disponibles, las condiciones de conexión a la red y las necesidades de capacidad de respaldo.

Compare las configuraciones de ciclo simple, ciclo combinado y cogeneración utilizando la potencia neta específica de las instalaciones, los costes del combustible, el mantenimiento, la inversión de capital y el valor del calor aprovechable durante la vida útil del proyecto.

Una turbina de gas genera electricidad al convertir la energía del combustible en potencia en el eje, mientras que sus gases de escape pueden aportar generación adicional o calor para procesos industriales. La mejor configuración depende de la demanda real de la planta.