Gas-turbinak
Barne-errekuntzako motor tradizionalek bolumen txiki batean potentzia handia emateko dituzten mugek gas-turbinak deritzen makina termikoak garatzera bultzatu dute. Industria-alor askotan gas-turbinaren erabilera areagotu egin da etengabe.
Gas-turbinak industrialki fabrikatzeko lehen saioa XX. mendearen hasieran egin zen. 1905ean, enpresa batek 400 zaldi-potentziako gas-turbina egin zuen, konpresio-erlazioa 4,8:1 eta biratze-abiadura 4.250 b/min-koa zituena. Hala ere, teknologiaren aurrerapen handiena Bigarren Mundu Gerraren amaieran gertatu zen. Harrezkero, bai diseinuan bai fabrikazioan, hobekuntza ugari egin dira.
Gaur egun, gas-turbinen erabilera industrial garrantzitsuenen artean honako hauek nabarmen ditzakegu:
Makina eta sorgailu elektrikoen eragintza gune zailetan eta, oro har, energia elektrikoaren hornikuntzarako linearik ez dagoen lekuetan
Larrialdietarako erreserba-taldeak
Prozesu kimiko konplexuetan integratzea
Ziklo konbinatuen bidez energia elektrikoa ekoiztea
Baterako sorkuntza
Hegazkin eta itsasontzien propultsioa
Ekonomikoki, gas-turbinak lurrun-turbinak baino errentagarriagoak dira. Izan ere, potentzia handia eskaintzen dute betetako bolumen-unitateko, hozte-fluido gutxiago behar dute eta fluido labaingarri gutxiago kontsumitzen dute.
Ondorengo lerroetan gas-turbina baten oinarrizko funtzionamendua deskribatu, dituen zikloak eta errendimendua aztertu eta osagairik garrantzitsuenak zehatz deskribatuko ditugu.
Ziklo bakarreko gas-turbinaren funtzionamendua
Irudian ziklo bakarreko gas-turbina baten oinarrizko osagaiak ageri dira. Konpresoreak atmosferako airea xurgatu eta konprimitu egiten du. Airea errekuntza-ganberara doa, eta hor oxigenoak injektatu den erregaiarekin erreakzionatzen du. Prozesu hori presio konstantean gertatzen dela suposa daiteke eta, tenperatura handiko errekuntza-produktuak sortzen dira. Produktu horiei 'ihes-gas' deritze eta turbinan hedatu ondoren, aireratu egiten dira. Turbinak, hartara, konpresoreari eragiteko eta instalaziora akoplatutako mekanismoa (karga) mugiarazteko behar duen potentzia lortzen du. Lan baliagarria, beraz, turbinan lortutakoaren eta konpresorean erabilitakoaren arteko kendura da.
gas-turbinaren eskema
Aipatu irudian ikus daitekeenez, ez da prozesu itxia, sarreratik airea eta injektoretik erregaia etengabe sartzen ari baitira eta, bestetik, errekuntza-gasak irteeratik kanporatzen dira. Horrenbestez, zikloa behin eta berriro errepikatzen da.
Gas-turbinaren oinarrizko zikloa. Errendimenduaren kalkulua
Gas-turbinaren ziklo ideala Braytonen zikloa da, “birsortzerik gabeko ziklo ireki” izenaz ere ezaguna. Ondoko irudian, ziklo teoriko horren T/s diagrama ikus daiteke goian, gas-turbinaren eskeman oinarrituta.
gas-turbinaren eskema
Braytonen zikloaren T/s diagrama
Irudian ageri denez, ziklo honek honako urrats hauek ditu:
1-2: Konpresio adiabatiko itzulgarria (isoentropikoa), non sistemaren presioa eta tenperatura igo egiten diren.
2-3: Beroa presio konstantean xurgatzea, sistemaren tenperatura nabarmen igotzea eragiten duena. Bero-ekarpena honela adieraz daiteke:
[1]
3-4: Turbinan zeharreko hedapen adiabatiko itzulgarria (isoentropikoa) turbinan zehar. Sistemaren presioa eta tenperatura jaitsi egiten dira.
4-1. Beroaren presio konstanteko kanporatze itzulgarria, adierazpen honen arabera:
[2]
non cp fluidoaren presio konstanteko bero espezifikoa den.
Errendimendu termikoa adierazpen honek ematen du:
[3]
Prozesu politropikoen erlazioak aplikatuz:
[4]
Cp = bero espezifikoa presioa konstante denean
Cv = bero espezifikoa bolumena konstante denean
[3]-an ordezkatuz eta presioen arteko erlazioari e deituz, gas-turbinaren errendimendu termikoa presioen erlazioaren beraren bidez adieraz dezakegu:
[5]
Errendimendua presioen arteko erlazioarekin batera handitzen dela dakusagu. Era berean, errendimendua soilik presioen erlazioaren mendekoa da, eta, zehazki, zikloaren T3 tenperatura handienarekiko independentea, hau da, turbinaren sarrerako tenperaturarekiko.
Turbinen batez besteko errendimenduak hauek dira: konpresorearen errendimendua, 0,85; turbinaren errendimendua, 0,90; errendimendu mekanikoa, 0,98.
Taulan, gas-turbinen fluxuaren beste parametro batzuen ohiko balioak azaltzen dira, hala nola presioa, tenperatura, abiadura eta Mach zenbakia, hainbat puntutan.
gas-turbinen fluxuaren parametroen ohiko balioak
Gas-turbinaren birsortze-ziklo ideala
Azaldu berri dugun ziklo idealean, ihes-gasek turbinatik ateratzean duten tenperatura atmosferako tenperatura baino askoz handiagoa da. Gas bero horiek kanpoaldera egoztean, energia galdu egiten da eta, beraz, zentzuzkoa da aprobetxamenduan pentsatzea, zikloaren errendimendua hobetuko bada. Horretarako, aire konprimitua berotu egin behar da eta, hartara, birsortze-ziklo deituko diogun ziklo berria burutzen da.
gas-turbinaren birsortze-zikloa
Konpresorearen eta turbinaren artean 'birsorgailu' deritzon bero-trukagailua ezartzen da, konpresoretik ateratzen den airea turbinatik ateratzen diren ihes-gas beroen bidez berotzeko. Horrenbestez, errekuntza-ganberan erregaiaren kontsumoa murriztea lortzen da.
Irudian ziklo birsortzaile idealaren P/v eta T/s diagramak daude:
gas-turbinaren birsortze-ziklo ideala
Birsorgailuan bero-transmisioa isobarikoa da, eta xurgatu eta askatutako beroak honako hauek dira, hurrenez hurren:
[6]
Beraz, birsortze-zikloaren errendimendua hauxe da:
[7]
Honako ondorio hauek atera ditzakegu: presioen arteko erlazioa handitzean, errendimendua eta konpresoreko tenperatura jaitsi egiten dira, baita turbinako sarrera-tenperatura jaistean ere.
Gas-turbinaren osagai nagusiak
Aire-sarreraren hodia
Helburua atmosferako airea hartu eta konpresoreko sarrera-ahora eramatea da, ahalik eta egoera hoberenean. Ondoren azalduko ditugun zenbait osagai ditu.
Iragazkiak
Atmosferako aireak ezpurutasunak ditu, turbinen osagaiei, konpresorearen besoei batez ere, kalte egin diezaieketenak. Kalte nagusiak hiru hauek izaten dira, besteak beste. Lehenik, diametroa 5-10 µm baino handiagoa duten zatiki solido eta likidoen eraginez, besoetan gertatzen den higadura. Bigarren, zikinkeriak besoetan jalkinak sortzen ditu; ondorioz, konpresoreak mugiarazten duen emaria txikiagoa da eta, azken finean, potentzia ere bai. Azkenik, tenperatura altua dela eta, zatikiak metalaren azalean metatzen dira eta, erreakzionatzen dutenean, korrosioa sortzen da. Korrosioa ur edo lurrunaren eraginez ere sor daiteke.
Ondorio hauek albait murriztearren, iragazki eta iragazki-sistema ugari daude erabilgarri, hala nola:
inertziazko bereizleak: zatikiak zikloi-formako indar zentrifugoen edo bata bestearen ostean jarritako toberen bidez bereizten dira besoetatik.
zuntz-iragazkiak: aire-lasterra oso zuntz mehez osatutako geruza batetik zehar igarotzen da (eskuarki geruza organiko-sintetikoak izaten dira). Helburua karga-galera minimoak erdiestea da.
azaleko iragazkiak: helburua zatiki solidoak iragazkiaren azalean bertan geratzea da, ondoren erraz kendu ahal izateko.
Lurrunketazko hozkailua
Ase gabeko sarrera-airea zeharkako dutxa batzuen bidez jaurtitako urarekin kontaktuan jartzean, uraren parte bat lurrundu egiten da eta, ondorioz, airea hoztu eta dentsitatea handitu egiten da. Ur-tanten arrastea eragozteko, ekipo honen segidan hezetasun-bereizgailua jartzen da.
Konpresorea
Gas-turbinan gertatzen den prozesu termodinamikoak, errekuntzaren errendimendu onargarria izango bada, presiopeko airea behar du. Hauek dira konpresorearen funtsezko osagaiak: errotorea, aire-masa bat mugiarazten duena, eta estatorea, energia zinetikoa presio bihurtzen duena. Bi konpresore-mota daude
Konpresore zentrifugoa: aire gutxi erabiltzen du (40 kg/s ingururaino), eta modelo esperimentaletan etapa bakoitzeko konpresio-erlazioa 13:1 izaten da. Besoen biratze-abiadura handiaren ondorioz, airea xurgatu egiten da. Fluidoaren energia zinetikoaren parte bat presio bihurtzen da. Ondoren, bultzatzailearen irteeran airea difusoretik igarotzen da, eta hor energia zinetiko gehiena presio-energia bihurtzen da.
Konpresore axiala: airearen fluxua makinaren ardatzarekiko paraleloa da. Fluidoa besodun gurpil baten bidez (errotoreaz) azeleratu egiten da. Ondoren, beso geldikorrak dituen gurpil batera (estatorera) igarotzen da, eta bertan energia zinetikoa presio-energia bihurtzen da.
Konpresore axialetan zentrifugoetan baino askoz emari handiagoak erabil daitezke, sarrera-guneak ia aurrealde osoa betetzen baitu. Konpresoreen egungo diseinuetan, etapa zentrifugoak eta axialak konbinatu egiten dira sarritan.
Errekuntza-ganbera
Gas-turbinan gertatzen den errekuntza prozesu jarraitua da, galdara batean gertatzen denaren antzekoa, eta desberdintasun bakarra da presio eta tenperatura handian eta leku txikiagoan gertatzen dela. Irudian, gas-turbina baten ohiko errekuntza-ganbera baten ebakidura ikusten da.
gas-turbinaren errekuntza-ganbera
Gas naturalaren errekuntza estekiometrikoan erregai/aire erlazioa 1:15 den bitartean, gas-turbinan erabiltzen den erlazioa 1:50 ingurukoa izaten da. Hartara, errekuntza-gasak hoztu egiten dira, eta turbinaren sarreran tenperatura onargarria izango dela ziurtatzen da.
Diseinatzean, honakoak behar dira kontuan izan: garraren egonkortasuna, pizte eraginkorra eta funtzionamendu-erregimen desberdinetan eragiketa segurua izatea, hau da, hainbat emari eta kanpo-kondiziotan segurua izan dadila. Bi gune bereiz daitezke:
Lehen gunea. Errekuntza osoa bermatzen duen erregai-aire nahastea eratzen da. Horretarako eskualdeak eratzen dira, eta horietan barrena garra egonkor mantentzeko birzirkulazioak gertatzen dira.
Bigarren gunea. Gasak airean disolbatzen dira, turbinara sartu aurretik tenperatura jaisteko. Gune honetan airearen emaria lehen gunean baino 3-4 bider handiagoa da.
Azken finean, errekuntzaren arazoa nahaste ona eta errekuntza osoa lortzeko besteko turbulentzia lortzea da, eta, aldi berean, karga-galerak minimizatzea. Horretarako, geometriaren zenbait aldaerarekin jokatzen da; ganberaren barruko turbulentzia handituta, hobeto nahastea lortzen da, irudian ikus daitekeen bezala.
errekuntza-ganberen konfigurazio ezberdinak; helburua da errendimendua hobetzea
Turbina
Konpresoreetan bezalatsu, funtsezko bi turbina-mota daude: fluxu erradialekoak eta fluxu axialekoak. Lehenengoak dira hedatuenak, eta funtsean alderantzizko fluxua eta kontrako biratze-noranzkoa duen konpresore zentrifugoaz osatuta daude. Hegazkinetan konpresore zentrifugoarekin batera erabili zen lehenengo makina izan zen.
Erregaiaren elikatze-sistema
Eginbehar nagusia turbina presioaren eta tenperaturaren arabera egoki den erregai-emariaz hornitzea da. Osagai nagusiak elikatze-ponpa, kontagailua, iragazkiak eta banatze-sistema dira. Gas-turbinak, orokorrean, injekzio-sistema nagusia eta abiorako beste sistema bat izaten ditu.
Kontrol- eta aginte-sistema
Gaur egun, gas-turbina gehienek, erregaia kontrolatzeko, balbulari eragiten dioten kontrol-sistema elektronikoak dituzte. Hala, oinarrizko elementua abiaduraren erreguladorea da, eta bere egitekoa turbinaren funtzionamendu-egoera geldikor mantentzea da. Modu sinkronoan (abiadura konstante mantenduz) edo modu asinkronoan lan egin dezake (abiadura kargarekin batera aldatuz, hots, karga handitzean abiadura txikituz). Erreguladoreak mekanikoak, mekaniko-hidraulikoak edo elektronikoak izan daitezke, eta azken horiek dira gaur egun erabiltzen direnak. Sistema hauek abioa eta azelerazioa kontrolatzen dituzte, eta potentzia maximoa mugatzen dute.
Lubrifikatze-sistema
Helburua atal mugikor guztiak presio eta tenperatura egokiko olioaz hornitzea da. Horren bidez, berotze eta marruskadurak eragindako kalteak saihesten dira, baita hornikuntza nagusiak huts egiten duenean ere. Osagai nagusiak turbinaren ardatzak eragiten dion ponpa, olio-andela eta bero-trukagailu hoztailea dira.
Pizte-sistema
Txinparta sortu eta errekuntzari hasiera emateko, bi pizte-sistema mota erabiltzen dira gaur egun, zirkuitu kapazitiboa eta induktiboa. Lehenengoa kondentsadore baten deskargan oinarrituta dago. Deskargak erdieroale baten bidez bereizita dauden elektrodo biren artean energia askarazten du. Bigarrenean, txinparta sortzeko behar den energia eroale batean fluxu magnetikoaren aldaketa lasterra eraginez lortzen da. Ondorioz, elektrodo bien artean maiztasun eta tentsio handiko txinparta sortzen da.
Hozte- eta zigilatze-sistema
Helburua gas beroek zuzenean ukitzen dituzten atalak gehiegi ez berotzea da. Konpresoretik ateratzen den airearen parte txiki bati hoztu beharreko ataletan zehar zirkularazten zaio. Era berean, errodamenduetan karga axialak gutxitzearren, diskoen azalak presurizatu egiten dira, eta horrela estankotasuna hobetzen da.
Alternadorea
Gas-turbinak energia termikoaz gain energia elektrikoa ere ekoizteko ezartzen da alternadorea. Bi funtzionamendu-modu daude. Lehenengoan, alternadorea instalazioko sarera konektatuta dago, eta sare horren beharrizanei erantzuten die. Bigarren aukerasare elektrikora konektatuta egotea da, turbinak elektrizitate-sarea elika dezan.
Turbinaren inguratzailea eta segurtasun-sistemak
Turbina-alternadore multzoa zarata-isolatzaile den edukiontzi baten barruan egoten da. Edukiontzia altzairuzko oinarrira soldatuta dago, eta egitura eramangarria da. Hormak zarata isolatzen duen material isolatzailez beteta daude, eta turbinaren atal nagusietara irispidea errazten duten ateak dituzte. Gainera, gasak irteteko, aireztapenerako eta airea sartzeko juntura eta saretak ditu. Azkenik, sistemak sua detektatu eta itzaltzeko sistema du, alarma banarekin.
Irudian, ohiko gas-turbina baten osagaien antolamenduaren eskema ikus daiteke.
ardatz bakarreko turbina axialaren ebakidura
Gas-turbinak eta energia
Irudian, ohiko gas-turbina baten Sankey diagrama azaltzen da. Ikusten den bezala, erregaiak emandako energiaren zati bat bakarrik erabil daiteke, eta galeren zatirik handiena ihes-gasetatik ateratzen den entalpia handiko energiari dagokio; hori dela eta, energia hori erabiltzeko moduak pentsa daitezke, hala nola berreskuragailuak jartzea edo, besterik gabe, erregarri gisa erabiltzea beste instalazio batzuetan.
gas-turbina baten Sankey diagrama
Irudian, azken berrogeita hamar urteetan gas-turbinekin sortutako bero-eraginkortasunaren (ezkerrean) eta bero-potentziaren (eskuinean) bilakaerak ikusten dira. Gehikuntza konstantea eta garrantzitsua izan da; duela lau urte inguru goia jo zuen, eta, hortik aurrera, gas naturalaren prezio-igoera dela eta, sortutako potentzia nabarmen jaitsi da.
gas-turbinen bero-eraginkortasunaren eta potentziaren bilakaera
Gas-turbinen sailkapena
Gas-turbinak “industrialak” edo “aeroeratorriak” izan daitezke. Lehenengo multzoko turbinen helburua energia ekoiztea da; bigarren multzokoetan, berriz, propultsioa da helburua. Industrialen kasuan, pisuak ez du mugarik ezartzen, errendimendua txikiagoa da eta bizitza baliagarria handiagoa; turbina aeroeratorrietan, pisuak asko mugatzen ditu, bizitza baliagarri txikiagoa dute eta errendimendua handiagoa da. Taulan, bi turbina-moten hainbat parametroren konparatiboa ikus daiteke.
gas-turbinen bi multzoen ohiko parametroen konparatiboa
Gas-turbina baten kurba ezaugarriak
Kurba ezaugarriek erakusten dituzte turbinaren funtzionamendu-maila eta hainbat parametroren aldaketa (bero-potentzia, fluxu masikoa, irteera-tenperatura eta abar). Gas-turbina batek, oro har, ez du beti potentzia betean lan egiten; horregatik, errendimenduaren aldaketak garrantzi handia du ekonomiaren ikuspegitik. Diseinuaren puntua turbinaren eta konpresorearen kurba ezaugarrien arteko elkargunearen araberakoa da.
Eztanda-erlazioa handia bada, fluidoak konprimagarria izango balitz bezala lan egiten du, eta turbinaren kurba ezaugarriak tobera batekin parekatuta lor daitezke, zeinaren fluxua eztarriak ezarritako baldintzen araberakoa bakarrik baita.
Irudian, gas-turbina baten kurba ezaugarriak ageri dira; abzisetan sarrerako tenperatura eta ordenatuetan irteerako potentzia irudikatu dira.
gas-turbina baten kurba ezaugarriak
Funtzionamendu idealaren gaineko aldaketak
Kanpo-parametro askok eragiten dute gas-turbina baten funtzionamendu idealean, hala nola tenperaturak, sarrerako presioak, konpresio-erlazioak eta abarrek. Irudian, giro-tenperaturak ohiko gas-turbina baten bero-eraginkortasunean duen eragina ikus daiteke.
giro-tenperaturak bero-eraginkortasunaren gainean duen eragina
Gas-turbinetan erabili ohi diren materialak
Taulan, gas-turbinen osagai garrantzitsuenetan erabiltzen diren ohiko materialak erakusten dira, oinarrizko konposizio kimikoaren ehunekoekin batera.
gas-turbinetan erabili ohi diren materialak
Emisio kutsatzaileak
Taulan, zenbait teknologiaren —besteak beste, gas-turbinen— berariazko emisioen konparatiboa ageri da. Ikus daitekeenez, CO2-iturri handia izan arren, ez dute CO askorik emititzen; halaber, oso NOx eta SOX gutxi emititzen dute.
hainbat teknologiaren bidezko emisio espizifikoen konparatiboa
Hoztea
Gasak turbinaren besoetatik igaro eta hedatzean lortzen diren tenperaturak direla eta, besoen gainazala azkar hondatzen da. Hori saihesteko, hainbat hozte-hodiko besoak diseinatzen dira; airea injektatu eta zulo horietatik ateratzen da, eta, sortzen den konbekzio-geruzaren ondorioz, azaleko tenperatura nabarmen jaisten da. Ezkerreko irudian, turbina baten besoa ikusten da, hozte-zuloak dituela; eskuinean, airearen zirkulazioa behartzen duten hozte-hodien barrualdea ikusten da.
besoen hozte-sistemaren xehetasuna
Ezkerreko irudian, hoztearen eraginkortasuna hoztutako emariaren funtzioan ageri da, gaur egun erabiltzen diren teknologiak kontuan hartuta eta ohiko hoztearekin konparatuta. “Transpirazio” izeneko teknikaren bidez emaitzarik onenak lortzen dira. Eskuineko irudian, transpirazioaren oinarriaren eskema erakusten da.
Irudian, azkeneko urteetan turbinetan erabilitako zenbait materialen erresistentziaren bilakaera ikus daiteke, baita hoztean egindako hobekuntzak ere.
hoztearen eraginkortasuna (ezk.) eta transpirazioaren funtzionamenduaren xehetasuna (esk.)
zenbait materialen erresistentziaren bilakaera eta hoztearen eragina
Akatsak turbinetan
Turbinek, beste edozein makina termikok bezala, akatsak izan ditzakete hainbat arrazoirengatik. Irudian, turbinetan gertatzen diren akats-moten banaketa erakusten da. Ikusten denaren arabera, akatsik ohikoenak bibrazio ez-konpentsatuak, nekea eta korrosioa dira.
gas-turbinen akatsik garrantzitsuenen banaketa
Turbinen diseinua: gaur egungo eta etorkizuneko joerak
Etorkizunean egin beharreko lanen artean, hiru alor nagusi nabarmendu behar dira:
Errekuntza-tenperaturak handitzea
Airearen emari masikoa handitzea
Konpresorearen diseinua hobetzea.
Turbinaren sarrerako airearen hoztea hobetzea.
Turbinaren besoen eta ihes-barreiagailuaren diseinua hobetzea.
Beste alor batzuk
Erregaia aurrez berotzea
Errotorearen eta estatorearen arteko lasaiera txikitzea, konpresio-erlazioa handitzeko.
Eskakizunetara egokitzea (gas-mikroturbinak).
Gas-mikroturbinak
Mikroturbinak duela gutxi azaldu dira merkatuan, eta oso harrera ona izan dute. 20 eta 2.000 kW bitarteko potentzia eta % 14 eta 26 bitarteko eraginkortasun termikoa dute; gaur egun, irtenbide eraginkorra dira eskakizun txikiko aplikazioetarako, eta birsorkuntza-zikloetara akopla daitezke. Irudian, gas-mikroturbina baten osagai nagusiak ikus daitezke.
mikroturbina baten osagai nagusiak
Jesús María Blanco Ilzarbe (EHU)