Bienvenidos al Mundo de las Plantas Generadoras de Corriente eléctrica!
La
empresa
PERU AIR SERVICE S.A.C., esta
ofreciendo al mercado peruano y sudamericano plantas generadoras de
corriente eléctrica de 1000 a 1500 KW, en base a la conversión de motores
de aviación turbohélices que han cumplido su tiempo de servicio en vuelo, que funcionan con gas natural.
Grandes Centrale Vs con Turbinas
a Gas
Se
predice que las turbinas a gas capturaran el 35% de la capacidad de
generación eléctrica mundial
Camilo Velasquez Grandez, fundador
de PERU AIR SERVICE S.A.C., de profesión ingeniero Mecánico Aeronáutico,
Master of Science, en la especialidad de “explotación técnica de aviones
y motores”; graduado en el Instituto de Ingenieros de la Aviación Civil
de Kiev - Ucrania, esta respaldado con 17 años de experiencia profesional
en el campo de la aeronáutica, autor de 02 libros y trabajos de investigación;
en el año 2003, en la Universidad Nacional de Ingeniería de Lima–Peru
ha sustentado su Tesis de Maestría en Ingeniería Aeronáutica con Mención
en “Motores de Turbinas a Gas”, exponiendo el tema “Estudio sobre la
conversión de turbinas aeronáuticas en plantas de generación eléctrica”.
PERU AIR
SERVICE S.A.C., cuenta con
un staf de profesionales especialistas en motores aeronáuticos,
habiéndose especializado en la conversión de motores de aviación
turbohélice AI-20D que han cumplido su tiempo de servicio
para el vuelo, en plantas de generación de corriente eléctrica
transportables, habiéndose realizado todas las modificaciones
en el motor, adaptándole un alternador en el eje de salida
del motor, incluyendo la adaptación de un
sistema de combustible de gas natural desde la línea
de suministro hasta la cámara de combustión del motor.
Suministramos el diseño, los trabajos de conversión y el mantenimiento
de la planta generadora de corriente eléctrica, según la necesidad
de generación de potencia que puede ser de 1000 a 1500 kW.
El costo total de la
planta generadora de corriente eléctrica es aproximadamente
04 veces menor en comparación con el costo
de una planta turbogeneradora fabricado para estos fines;
además el costo por kW/hr del gas natural, para
el funcionamiento de la planta, resulta aproximadamente 05 veces menor que utilizando petróleo
diesel y aproximadamente
04 veces menor con respecto al consumo de corriente
de la línea eléctrica comercial.
Actualmente, contamos con 02 motores de aviación AI-20D del
avión AN-32, listos para su conversión en planta generadora
de corriente eléctrica con una potencia generadora de 1500
kW cada uno, el costo total de cada planta generadora de corriente
eléctrica en base al motor AI-20D es de $ 300000.00 (trescientos
mil dólares USA); La
importación de una planta generadora de corriente eléctrica
similar, cuesta en el mercado Norteamericano aproximadamente
entre un millón y un millón y medio de dólares
A
través de nuestro compromiso, experiencia y profesionalismo hemos establecido
una relación comercial con nuestros clientes que perdurará toda la vida!
Explicare
en forma breve sobre mi trabajo de tesis para optar el Grado de Maestro
en Ingeniería Aeronáutica con Mención en Motores de Turbinas a gas presentado
por Camilo Velasquez Grandez sobre “Estudio sobre la conversión
de Turbinas Aeronáuticas en Plantas de Generación”. (PROHIBIDO LA REPRODUCCION TOTAL O PARCIAL, ES PROPIEDAD
INTELECTUAL DEL AUTOR).
INTRODUCCIÓN
En el extranjero, una amplia difusión en la construcción
de maquinaria energética obtuvieron los Motores de turbinas
a gas (MTG), en base a los cuales se generan una parte significativa
de la energía eléctrica y térmica.
La utilización de los motores de aviación convertidos en
plantas móviles de centrales eléctricas, son las potentes
reservas para la solución de tareas de suministro de la energía
eléctrica y térmica en la economía de los países. Además,
la utilización de la tecnología aeronáutica permite solucionar
tareas de suministro de energía con un nuevo nivel técnico.
A comienzos de los años 70, en la industria energética,
de petróleo y gas, un rol significativo comenzaron a tener
las plantas de turbinas a gas, creados en base a los Motores
a turbinas de gases de aviación (MTGA).
Actualmente en EE.UU parte de la energía eléctrica es generado
con Plantas de turbinas a gas (PTG), conformando el 8% y en
el mundo alcanza el 5%. En Rusia, la demanda de plantas energéticas
con turbinas a gas asciende a 100 millones de kilovatios.
En la actualidad, la situación en el mercado mundial de
los hidrocarburos ha variado significativamente. El crecimiento
del valor del petróleo y de los productos del petróleo ha
aumentado en los años 70-80, los pronósticos indican que su
precio seguirá en aumento hasta el presente. El problema económico,
junto con la oposición a la construcción de plantas eléctricas
atómicas y el aumento de las reservas, en el sentido ecológico,
el combustible-gas llevó hacia el crecimiento de la necesidad
de la PTG, en base a los MTGA. Considerando los bajos índices
de economía y ecológicos de los PTG estacionarios, creados
muchos años atrás, lleva a esperar un significativo crecimiento
del requerimiento de las plantas de turbinas a gas de aviación
(PTGA), especialmente para la energética y su utilización
en combinación con las plantas de vapor y gas.
En base a lo indicado, se puede concluir, que las escalas
de elaboraciones y la utilización práctica de la PTGA debe
ser significativamente amplia. Este camino permite el ulterior
crecimiento del potencial científico - técnico en la construcción
de los motores de aviación.
Las PTGA tienen una gran variedad de aplicación energética; se emplean en
el transporte terrestre, fluvial, marítimo, en la generación
de energía eléctrica a través de plantas térmicas, eólicas,
nucleares, etc. Asimismo encuentran aplicación en el sector
metalúrgico y petrolero.
Debido a la gran confiabilidad de los MTGA, luego de cumplir
su vida útil de aviación son muy atractivos por su versatilidad
como plantas de fuerza de uso estacionario, para diversas
aplicaciones tales como: generación, bombeo de petróleo y
gas, ventilación para la industria metalúrgica, etc.
Muchos países, como el Peru, poseedores de recursos naturales
tan importantes como el gas natural y por la necesidad de
mayor generación de energía eléctrica, particularmente en
los lugares muy alejados, resulta muy propicio para la aplicación
de este tipo de maquina térmica.
Como
se sabe, las innumerables ventajas que ofrece el gas natural
como fuente de energía ha hecho que se ponga mayor énfasis
en la búsqueda de yacimientos de gas en todo el mundo, habiéndose
establecido prácticamente una igualdad de reservas de petróleo
y gas.
A pesar de haberse
más que duplicado el consumo de gas natural desde 1990, las
reservas probadas de gas natural han crecido considerablemente
más rápido que su consumo, ya que se efectúan nuevos hallazgos
continuamente y se elevan las reservas de los yacimientos
existentes por las mejoras en las técnicas de producción.
Las reservas totales probadas de gas natural en el mundo cubrirían
la demanda de más de 60 años a los niveles actuales de consumo.
Los expertos estiman que las reservas totales de gas natural
son varias veces mayores que las probadas, lo que prolonga
el tiempo de vida previsto para sus reservas y asegura que
el gas natural puede actuar como una energía puente hacia
otro sistema energético en un futuro lejano.
En la mayor parte
de los casos, el objetivo de reducir la emisión de contaminantes
en los diferentes usos energéticos y procesos va de la mano
con el ahorro de energía. La promoción del uso racional de
la energía y la reducción de la contaminación son considerados
de máxima prioridad por las compañías de gas natural. Los
ahorros de energía que se obtienen por aplicación de técnicas
que utilizan preferentemente el gas natural dan lugar a menor
consumo y por consiguiente menor contaminación.
La generación
de energía eléctrica por sistemas convencionales tiene rendimientos
del 35-40% con hasta un 65% de la energía primaria consumida,
desperdiciada como calor residual.
El gas natural
se ha constituido en un combustible atractivo para la generación
de electricidad con alto rendimiento en toda una serie de
aplicaciones, ofrece las mejores oportunidades en términos
de economía, aumento de rendimiento y reducción del impacto
ambiental. Estas ventajas pueden conseguirse tanto en grandes
centrales como en pequeñas centrales y unidades de cogeneración
termoeléctrica.
El uso de turbinas
de gas para mejorar centrales existentes y en nuevas centrales
de ciclo combinado permite alcanzar ahorros de energía de
entre el 15 y el 40%.
Las razones para
el renovado interés en el uso del gas natural para generación
de electricidad son:
- el desarrollo de ciclos combinados a gas con
turbina de gas,
- el menor impacto
ambiental considerable que aporta la generación eléctrica
con gas que con otros combustibles sólidos,
- la disponibilidad a largo plazo de grandes
y crecientes reservas de gas,
- las centrales
de ciclos combinados a gas con turbina de gas pueden ser construidas con relativa rapidez
y con costos de inversión relativamente bajos.
Estas ventajas
han coincidido con la creciente preocupación sobre el daño
ocasionado por la lluvia ácida causada por las emisiones de
SO2 y NOx y por el papel de las emisiones
de CO2 provocadas por el hombre sobre el creciente
efecto invernadero.
La tecnología
de ciclos combinados con turbina de gas es la de más alto
rendimiento entre las tecnologías de generación que funcionan
con combustibles fósiles. El atractivo de esta nueva tecnología
basada en un ciclo termodinámico de alto rendimiento reside
en su capacidad de utilizar calor, que de otra forma se hubiera
perdido para generar energía eléctrica adicional.
Utilizando el calor residual
desperdiciado tradicionalmente en la generación de energía
eléctrica a gran escala, la cogeneración alcanza rendimientos
mucho mayores que las formas convencionales de generación
de energía eléctrica.
El gas natural
se puede encontrar en forma "asociado", cuando en
el yacimiento aparece acompañado de petróleo, o gas natural
"no asociado" cuando está acompañado únicamente
por pequeñas cantidades de otros hidrocarburos o gases.
La composición
del gas natural incluye diversos hidrocarburos gaseosos, con
predominio del metano, por sobre el 90%, y en proporciones
menores etano, propano, butano, pentano y pequeñas proporciones
de gases inertes como dióxido de carbono y nitrógeno.
Actualmente más
de 70 países en el mundo son productores de gas natural. Las
reservas mundiales de gas natural exceden a las de petróleo
en un 22%.
En los próximos
25 años los combustibles derivados de hidrocarburos permanecerán
como la principal fuente de energéticos y contrario a lo que
podría pensarse, su demanda aumentará.
Paralelamente,
uno de los combustibles que se perfila como de más amplio
uso es el gas natural. Por ejemplo, durante el año 2000 el
mundo consumió una cantidad de gas natural equivalente a 44.7
millones de barriles de crudo al día, y se prevé que la demanda
para el 2020 aumentará 92 %, al pasar a 86.1 millones de barriles
diariamente. En contraste, el petróleo crudo lo hará en 46
%.
En el Perú ha cobrado actualidad el aprovechamiento de las ventajas del
gas como combustible para diferentes aplicaciones, entre las
que se encuentran el empleo de las plantas de bombeo o de
generación con turbinas a gas usando como combustible las
reservas del gas de Camisea.
En este objetivo se abre una gran alternativa de convertir
turbinas de gas aeronáuticas en plantas estacionarias para
bombeo de gas o para generación de energía eléctrica.
Debido al estado actual de la energética en el Perú y en
otros países en vías de desarrollo, se requiere la participación
de los medios disponibles entre los cuales se encuentra el
material aeronáutico; el uso de los motores de aviación que
han cumplido su tiempo de servicio en vuelo y que conservan
sus propiedades operativas en regímenes mínimos, los cuales
pueden seguir siendo utilizados, permitirán resolver problemas
energéticos, con las ventajas de contar con el mínimo personal
para su mantenimiento y disminuyendo los costos del combustible
usando para ello gas natural que se obtendría del mismo lugar
de prospección, ahorrándose grandes cantidades de dinero por
la compra de generadores de corriente diseñado para estos
fines.
Los países industrializados como Estados Unidos de Norteamérica
y Rusia, tienen experiencia en la conversión de motores de
aviación dados de baja para el servicio en vuelo, en plantas
móviles generadoras de corriente eléctrica, los cuales han
demostrado que es una solución correcta y adecuada en la solución
de problemas energéticos en pueblos distantes, donde no existe
electrificación de centrales hidroeléctricas.
El objetivo del presente trabajo es desarrollar una metodología
de cálculo para la conversión de turbinas aeronáuticas en
turbinas estacionarias. Dicha metodología es probada con el
modelo AI-20D.
Situación de la explotación de hidrocarburos en
el Perú
El Perú es conocido en todo el mundo por el extraordinario
potencial que presenta para el desarrollo de actividades destinadas
al aprovechamiento de sus recursos naturales, en particular,
en el ámbito energético.
En aquellas regiones, ubicadas en la vertiente oriental
de los Andes y la Región Amazónica, se debe destacar los importantes
descubrimientos de la Selva Norte en la cuenca Marañón que
ha acumulado a la fecha alrededor de 779 millones de barriles
y los de la Selva Central en la cuenca Ucayali con 21 millones
de barriles de petróleo equivalente; y en la década de los
80, los importantes descubrimientos del gas de Camisea en
la Selva Sur.
Las reservas
de hidrocarburos de Camisea fueron descubiertas por una de
las compañías de Shell a mediados de la década de 1980. En
Camisea se estima que las reservas probadas mas probables
están alrededor de 12.7 x 1012 pies cúbicos (pc);
807x106 de barriles (Bls) de LGN. Las reservas
mundiales de gas natural exceden a las de petróleo en un 22%.
Las reservas estimadas son de 13 x 1012
pies cúbicos (pc) de gas natural y 660x106
de barriles de líquidos que, al comercializarse, reducirán
el costo de la electricidad y del combustible nacional.
Estos yacimientos
son lo suficientemente grandes como para satisfacer las necesidades
actuales de energía del Perú por más de un siglo. Por lo que
este yacimiento se constituyó en una de las fuentes de energía
mis importantes del país. La zona de Camisea
se encuentra a unos 500 kilómetros al este de la ciudad de
Lima, capital del Perú, en la vertiente oriental de la Cordillera
de los Andes en el departamento del Cuzco. Está situada en
el Valle del Bajo Urubamba, una de las áreas de diversidad
biológica natural de mayor importancia en el mundo. La zona
está habitada por comunidades nativas.
Por los estudios
realizados del gas de Camisea, se ha determinado que es un
conjunto de yacimientos de gas natural no asociado, se estima
que esta constituido por 80% de gas metano, 10% de etano,
4% de propano, 2% de butano y 3% de pentano, estos porcentajes
de propano y butano le dan mayor valor al gas natural.
Las reservas
de Camisea son de gran importancia para nosotros los peruanos
pues tienen el potencial de reducir las importaciones de energía,
mejorar la posición de la balanza de pagos, reducir los precios
de la electricidad, crear nuevos puestos de trabajo, atraer
nuevas industrias al país y generar una cantidad significativa
de ingresos por tributación.
El proyecto gasífero
de Camisea ya es una realidad. Pluspetrol-Hunt Oil- Sk Corporation
y el consorcio Techint-Pluspetrol-Hunt Pipelline Company of
Perú - SK Corporation, L'Enterprise Nationale Sonatrach-Graña
y Montero) se adjudicaron la buena pro de las etapas de explotación
y transporte – distribución.
La tendencia
mundial, en materia de combustibles, es reemplazar el petróleo
por otros más limpios y baratos. Por eso, cuando Camisea sea
una realidad, el Perú estará energéticamente integrado en
todos sus confines. No obstante de que sólo la primera fase
del proyecto, que concluye el 2004, demandará una inversión
de 400 millones de dólares, el proyecto Camisea ya está en
marcha.
Se espera que
el gas de Camisea llegue en la primera etapa (año 2003) a
las plantas de generación eléctrica y a las grandes industrias,
porque éstas abrirán el camino de la comercialización por
ser grandes consumidores. Después serán las industrias medianas,
los hospitales, las clínicas y hasta los pequeños negocios
los que utilicen el gas en el 2005. Además, por supuesto,
de beneficiarse con una reducción de 25 % en las tarifas de
electricidad.
Se
calcula que el proyecto Camisea alcanzará en su etapa piloto
inicial una producción cercana a los 30 mil barriles de gas
al día. Cifra que se incrementaría dé acuerdo con la demanda
del gas. La intención es que el gas llegue a Lima el año 2004.
Antecedentes
sobre el desarrollo de motores de turbinas a gas de aviación
como plantas generadoras de corriente eléctrica
La ventaja de los motores de aviación convertidos consiste
en su alto nivel tecnológico, su elevado grado de automatización
en su funcionamiento, la presencia de los sistemas confiables
de control y protección de los principales parámetros que
permiten una operación confiable y segura.
Durante la conversión del motor de aviación, el alternador que se le adapta
en el eje de salida del reductor hacia la hélice, asegura
un elevado tiempo de servicio durante su operación en tierra,
para aliviar la operación del motor se prevé la posibilidad
de un montaje y desmontaje rápido (8-10 horas) de toda la
planta y de sus partes, en sus soportes de apoyo, lo cual
permite realizar reparaciones en mejores condiciones.
Cualidades
económicas de una planta de turbina construida en base a una
turbina de gas aeronáutica
- Bajos
parámetros económicos, debido a la utilización de los motores
de aviación que han cumplido su tiempo de servicio en vuelo
y que conservan sus propiedades operativas en regímenes mínimos;
- Permiten
realizar la construcción de centrales termoeléctricas en tiempos
mas cortos y por consecuencia a menores costos, representando
la mejor alternativa para el empleo de los ciclos combinados;
- Requiere contar
con el mínimo personal para su mantenimiento;
- Por la utilización del gas natural, son más
económicos y progresivamente irán reemplazando a los generadores
que usan petróleo o carbón; incluso la generación eléctrica
utilizando gas como fuente de energía compite, con ventaja,
con una central hidráulica;
- Menor costo de mantención de quemadores;
- Eliminación de pérdidas por derrame;
- Mayor duración del motor;
- Menor costo de mantenimiento y/o reparación;
- Servicio ininterrumpido;
- Alto rendimiento de combustible;
- Disminución de los costos del
combustible usando para ello gas natural; el cual cuenta con
las siguientes
ventajas:
- El gas natural es un combustible limpio, de bajo costo;
- Tiene elevado poder calorífico, no es tóxico,
tiene una combustión limpia y un bajo costo;
- En el sector industrial el gas natural ofrece
mayores rendimientos energéticos y ahorro de energía, ahorro
en costos de explotación
y mantenimiento, mejora de calidad de producto y menores emisiones.
- Su eficiencia energética es superior al carbón,
las gasolinas y combustoleos,
- No requiere instalaciones de gas especiales;
- La instalación requiere menos espacio que
una central convencional;
- Elevada potencia de generación con una eficiencia
también elevada.
- El uso de turbinas de gas para mejorar centrales
existentes y en nuevas centrales de ciclo combinado permite
alcanzar ahorros de energía de entre el 15 y el 40%.
Cualidades ecológicas de una planta de turbina construida en
base a una turbina de gas aeronáutica
- El gas natural con la que trabaja,
es menos contaminante que el petróleo o la energía atómica;
-
Su baja emisión de contaminantes, por lo que su uso cumple
con las cada día más estrictas legislaciones medioambientales;
- No es tóxico, tiene una combustión limpia y
un bajo costo;
- Menor generación de cenizas, como consecuencia
de la combustión limpia;
- Mejor ambiente laboral, condiciones de limpieza
en el medio laboral;
- Menor contenido de S02;
- Menor emisión de NOx;
- Menor posibilidad de generar lluvia ácida;
- Bajas emisiones de carbono y bióxido de carbono,
estas ventajas han coincidido con la creciente preocupación
sobre el daño ocasionado por la lluvia ácida causada por las
emisiones de SO2 y NOx y por el papel
de las emisiones de CO2 provocadas por el hombre
sobre el creciente efecto invernadero;
- Disminución de
la reactividad fotoquímica de los hidrocarburos no quemados
y la posibilidad de limpiarlo previamente a su uso de impurezas
indeseables como el azufre que puede ser removido casi totalmente
por procesos establecidos;
- Menor impacto ambiental que aporta la generación eléctrica con gas
que con otros combustibles sólidos;
- El gas natural contamina menos la atmósfera que la gasolina;
- La emisión de monóxido de carbono baja un 95%;
- La emisión de hidrocarburos baja un 80%;
- La emisión de óxidos de nitrógeno baja un 30%;
- La emisión de gases que contribuyen al cambio
climático global, tales como el dióxido de carbono, se reducen
en casi un 15%, comparado con la gasolina;
-
La producción de gas natural es mucho más "limpia"
que transportar y refinar petróleo y luego generar electricidad;
- La combustión del gas natural, compuesto principalmente
por metano (CH4), produce un 25% menos de CO2 que
los productos petrolíferos y un 40% menos de CO2
que la combustión del carbón por unidad de energía producida.
Se atribuye al CO2 el 65% de la influencia de la
actividad humana en el efecto invernadero, y al CH4 el 20%
de dicha influencia;
- El
gas natural es más liviano que el aire. Si accidentalmente
se produce una fuga de gas, éste se dispersa rápidamente en
la atmósfera y no contamina ríos ni tierras;
- Debido a su composición química y características
de combustión limpia, el gas natural puede contribuir al mantenimiento
de una mejor calidad de aire y mejores condiciones de salubridad;
- La combustión del gas natural está clasificada
mundialmente como la más limpia entre los combustibles industriales
tradicionales;
- Menor generación de cenizas;
- La mayor relación hidrógeno / carbono en la
composición del gas natural, en comparación con la de otros
combustibles fósiles, hace que en su combustión se emita menos
CO2 por unidad de energía producida;
- El gas natural es el combustible fósil más
limpio que existe. Virtualmente no produce emisiones de azufre,
tampoco polvo, contribuye un volumen mucho menor de contaminantes
causantes del smog (polución urbana) y la mitad del CO2
que produce la combustión de carbón por la generación de la
misma cantidad de energía. Los óxidos de azufre contribuyen
a la formación de la lluvia ácida y las emisiones de monóxido
de carbono contribuyen así mismo al llamado "efecto de
invernadero". El gas natural produce niveles mucho más
bajos de óxidos de nitrógeno y monóxido de carbono que otros
combustibles fósiles;
En la siguiente
tabla, veremos qué cantidad de contaminantes por año arroja
al ambiente cada tipo de central de carbón, gas natural y
fuel oil y cuántas toneladas:
|
CONTAMINANTE |
TIPO DE COMBUSTIBLE |
| Carbón, en ton. |
Gas natural, en ton. |
Fuel oil, en ton. |
|
Dióxido
de
Carbono
Óxidos
de azufre
Óxidos
de
Nitrógeno
Monóxido
de
Carbono
Hidrocarburos
Cenizas |
13.000.000
140.000
20.800
522
209
4.500 |
5.000.000
14
12.200
0
0
454 |
5.500.000
53.000
21.800
9
667
730 |
De las cifras de la tabla anterior
es posible concluir que el Gas natural comprimido:
-
No produce material particulado;
-
Reduce en 6
veces las emisiones de Oxido de Nitrógeno (NOx);
-
Reduce entre 5 y 8 veces la emisión de hidrocarburos
no metánicos, dañinos para
la salud de las personas;
-
Reduce en 4 veces las emisiones de Monóxido de Carbono;
-
Los tanques de gas natural y las estaciones de carga
son sistemas cerrados. El uso de gasolina implica que una cierta cantidad
de la misma se evapora del tanque de combustible, contribuyendo con
casi la mitad de la contaminación.
Planteamiento
de un método de cálculo energético y termodinámico para convertir una
turbina de gas aeronáutica en planta térmica de generación
Cálculo energético del motor
Este calculo se realiza para determinar el consumo relativo de combustible
del motor; al conocer este parámetro se calcula el consumo
de combustible del motor al 50 y 60 % de su potencia máxima,
ya que estas turbinas de gas aeronáutica han cumplido su tiempo
de vida útil para el vuelo.
ESQUEMA PARA EL CALCULO ENERGETICO Y TERMODINAMICO
DEL TURBOGENERADOR
Para los cálculos energético y termodinámico, se analizan
los diferentes parámetros del motor en secciones, tal como
se indica en el esquema, en estas secciones se calculan las
temperaturas, presiones, relaciones de compresión, trabajo
y el consumo relativo de combustible; estas secciones son
los siguientes:
H-H sección del flujo de aire no perturbado o libre
B-B (1-1) sección en la
entrada al motor
K-K (2-2) sección detrás del compresor
g-g (3-3) sección delante de la turbina del compresor
33 sección a
la entrada del estator de la turbina del compresor
T-T (41-41) sección detrás de la turbina del compresor
42-42 sección
en la entrada al estator de la turbina de potencia
5-5
sección detrás de la turbina de potencia
C-C sección en la salida de gases
Para los cálculos se considera los parámetros de la tabla
de la atmósfera estándar internacional, como la temperatura,
presión y velocidad del sonido, los cuales se toma para la
altura a nivel del mar, debido a que la planta generadora
móvil de corriente eléctrica opera a altura cero.
Datos técnicos iniciales:
, altura de vuelo del
avión, en m
, velocidad de crucero del avión, en m/s
,
numero de Mach
, temperatura del gas delante de
la turbina, en K
,
potencia del motor, en kW
,
relación de compresión del compresor
Velocidad del vuelo del avión en el régimen deseado
( 
):
,
m/s
Temperatura de estancamiento
del aire ( 
):
,
K
,
temperatura del aire atmosférico,
en K
,
exponente adiabático del aire
,
numero de Mach
Presión de estancamiento
del aire ( 
),
se calcula en la
sección H-H - sección del flujo de aire no perturbado o libre:
,
presión del aire atmosférico, en N/m2
,
exponente adiabático del aire
,
numero de Mach del avión
Temperatura de estancamiento del aire
delante del compresor ( 
):
,
temperatura del aire en reposo relativo al motor , en K
Presión de estancamiento
del aire delante del compresor ( 
):
, presión del aire en reposo,
en N/m2
,
factor de recuperación de la presión
Relación de compresión
del aire en el conducto de entrada ( 
):
, presión del aire en reposo antes del compresor,
en N/m2
,
presión del aire atmosférico, en N/m2
Trabajo adiabático
gastado en comprimir 1 kg de aire en el compresor (
):
,
calor especifico del aire, en kJ/kg
, temperatura del aire en
reposo relativo al motor, en K
, grado de compresión del
compresor
,
exponente adiabático del aire
Trabajo real en
el compresor ( 
):
,
trabajo adiabático gastado en comprimir 1 kg de aire
en el compresor, en kJ/kg
,
rendimiento del compresor
Presión del aire
detrás del compresor (
):
,
presión del aire en reposo antes del compresor, en N/m2
,
grado de compresión del compresor
Temperatura del
aire detrás del compresor ( 
):
,
temperatura del aire en reposo a la entrada del compresor,
en K
,
trabajo real en el compresor, en kJ/kg
,
calor especifico del aire, en kJ/kg
Consumo relativo
de combustible ( 
):
,
calor especifico de los gases, en kJ/kg
,
temperatura del gas antes
de la turbina, en K
,
calor especifico del aire, en kJ/kg
,
temperatura del aire detrás del compresor, en K
,
poder calorífico del keroseno, en kJ/kg
,
rendimiento de la combustión del keroseno
en el motor
Coeficiente de exceso
de aire ( 
):
,
cantidad de aire estequiometrico
,
consumo relativo de combustible
Presión a la salida
de la cámara de combustión ( 
)r:
,
coeficiente de recuperación de la presión en la cámara de combustión
,
presión del aire detrás del compresor, en N/m2
Trabajo de la turbina ( 
):
,
trabajo del compresor, en kJ/kg
Temperatura del
gas detrás de la turbina ( 
):
,
temperatura del gas antes de la turbina, en K
,
trabajo de la turbina, en kJ/kg
,
calor especifico de los gases, en kJ/kg
Trabajo adiabático
del gas en la turbina:
,
trabajo de la turbina, en kJ/kg
, rendimiento de la turbina
Relación de expansión
en la turbina ( 
):
,
trabajo adiabático del gas en la turbina, en kJ/kg
,
calor especifico de los gases, en kJ/kg
,
temperatura del gas antes de la turbina, en K
,
exponente adiabático de los gases
Presión del gas
detrás de la turbina ( 
),
se calcula en la sección 5-5 -
sección detrás de la turbina de potencia:
,
presión a la salida de la cámara de combustión, en N/m2
,
relación de presión decreciente del gas en la turbina
Calculo termodinámico
del motor
Este
calculo se realiza para la determinación de diferentes parámetros,
especialmente la potencia a la salida del eje del turbogenerador,
el cual determina la cantidad de kilowats de corriente que
generará la planta móvil de corriente eléctrica, esta potencia
de salida y las revoluciones que genera, sirve para poder
acoplar el alternador que cumpla con estas características.
Como
resultado de los cálculos se obtienen los principales parámetros
del turbogenerador en un determinado régimen, con valores
de 
de
la atmósfera estándar, estos parámetros son los siguientes:
- Potencia de salida
- Eficiencia en el acoplamiento del reductor
de la hélice
- Consumo de aire a la entrada del motor
- Relación de expansión
- Eficiencia del compresor
- Temperatura detrás del compresor
- Consumo de combustible
- Temperatura del gas delante de la turbina
-
Presión del gas detrás de la turbina del generador de gases
Temperatura
del gas a la salida de la turbina de potencia
características y particularidades
tecnológicas de la turbina de gas AI-20D
El motor de turbina de gas AI-20D, es un motor que se emplea
en los aviones AN-32, el tipo de motor es turbohélice, trabaja
con una hélice de paso variable, con rotación izquierda.
El motor se conforma de los siguientes grupos:
- reductor planetario;
- cárter delantero;
- compresor axial
con 10 etapas;
- cámara de combustión
anular; con 10 cabezales
- turbina axial
de tres etapas;
- tobera reactiva
es del tipo no regulable; con un área de salida de 0,225
;
- accesorios, trabajos
de mantenimiento del motor y avión.
Principio
de trabajo del motor
El aire atmosférico ingresa al motor a través de una toma
de aire especial del avión, pasa al conducto de aire del cárter
delantero y es succionado por el compresor axial.
Pasando por el conducto de aire del compresor, el aire
se comprime paulatinamente e ingresa a la cámara de combustión,
donde se divide en dos flujos; primario y secundario.
El flujo primario de aire a través de los estabilizadores,
por los orificios en los cabezales de la cámara de combustión
y por el anillo frontal ingresa a la cavidad de la cámara
de combustión, donde se inyecta combustible pulverizado, el
cual combustiona completamente con un regular exceso de aire,
suministra un chorro de flama con una elevada temperatura en la zona de combustión.
El flujo secundario de aire, cubre la parte exterior de
la cámara de combustión enfriándola, ingresa a través de orificios
en la cavidad anular interna de la cámara de combustión, donde se combina con los gases calientes de la combustión del combustible
en el flujo primario de aire, enfriándolo, suministra una
determinada temperatura en todo el flujo de gas en la entrada
de la turbina.
Los gases de la cámara de combustión con alta temperatura
y elevada presión ingresa a la turbina reactiva axial de tres
etapas, donde la parte principal de la energía de los gases
calientes se transforma en trabajo mecánico, entregando al
eje de la turbina. Aproximadamente las dos terceras partes
de la potencia, obtenido en el eje de la turbina, se gasta
en la rotación del rotor del compresor y de los accesorios
del motor, y la potencia remanente restante, se gasta en la
rotación de la hélice.
La energía cinética de los gases, que sale del motor, crea
el empuje reactivo, el cual junto con el empuje de la hélice
conforma el empuje total de la planta propulsora.
RELACIÓN
DEL RÉGIMEN DE TRABAJO DEL MOTOR, EN % - CONSUMO DE COMBUSTIBLE,
EN KG/HR
RELACIÓN DEL RÉGIMEN DE TRABAJO DEL MOTOR CON LA POTENCIA
HACIA EL GENERADOR
RELACIÓN
DE RÉGIMEN, EN % - COSTO DEL GAS NATURAL, EN $ USA X HR DE
CONSUMO
Comparación
de costos
La importación de
una planta generadora de corriente eléctrica similar requiere una inversión de entre un millón y un millón
y medio de dólares USA, el costo total
de la planta generadora de corriente eléctrica convertido
en base al motor AI-20D es de $ 300000.00 (trescientos mil dólares USA); lo que significa un costo 04 veces menor.
CONCLUSIONES
1.- Se hizo una descripción sobre la situación actual de los hidrocarburos
en el Perú, en las cuáles para resolver los problemas
energéticos puede ser conveniente utilizar los motores de
aviación que hayan cumplido su tiempo de servicio para el
vuelo, para crear en base a ellos plantas móviles de turbinas
a gas generadoras de corriente eléctrica (PMGC).
2.- En calidad de motor base para crear la PMGC se eligió al motor turbohélice
de aviación AI-20D.
3.- Se ha desarrollado una configuración de la PMGC,
adaptándole en el eje de transmisión, un alternador eléctrico
de 1500 Kw.
4.- Se realizo el
cálculo energético del motor.
5.- Se realizo el cálculo de los consumos específicos
para el gas natural; en los regímenes de 50% y 60%.
6.- Se realizo el
cálculo de la potencia hacia el generador para los regímenes
de 50% y 60%.
7.- Se realizo el calculo del consumo de aire
de refrigeración para la turbina del motor AI-20D.
8.- Se realizo las consideraciones de diseño del
sistema de suministro de gas natural.
9.- Se realizo el análisis
de costo de la planta transportable generadora de corriente
eléctrica
10.- Se llego a la conclusión final que es conveniente
la utilización de los motores de aviación que hayan
cumplido su tiempo de vida útil para el vuelo para convertidos
en plantas generadoras de corriente eléctrica transportables
para solucionar los problemas energéticos del Perú.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍCAS
1) ARCIENIER L.B.:
Motores de turbinas a gas estacionarios, Mashinoestroyenia
- Leningrado-1989
2) ARCIENIER L.B.: Propiedades Termodinámicas
de los gases, Mashinoestroenia – Leningrado -1989
3) CÁCERES GRAZIANI,
Luis: El Gas Natural, Editorial Grupo S.R.L., Lima 2000, segunda
edición, 110 paginas
4) CUESTA ÁLVAREZ, Martín: Motores a reacción, Editorial Paraninfo, Madrid
1991, Séptima edición,
740 paginas.
5) ESTEBAN
OÑATE, Antonio: Motores Atmosféricos y Turbo, Editorial Paraninfo,
Madrid 1992, primera edición, 193 paginas.
6)
GALKIN, M. H., MALINOVSKI, K. A. : Metódica para el calculo energético y
características de los motores turborreactores, Editorial
MATI, Moscú 1998, quinta edición,
33 paginas.
7) NECHAIET
I. N., FEDOROV R. M.: Teoría de motores de aviación a turbinas
de gases – Moscú 1981
8) SAINZ DIEZ,
Valentín: El motor de reacción y sus Sistemas Auxiliares,
Editorial Paraninfo, Madrid 2000, primera edición, 242
paginas.
9)
VELASQUEZ GRANDEZ, Camilo: Fundamentos de la Aeronáutica, Lima- Perú –
2001, 760 paginas.
10)
Ministerio de Energía y Minas: Atlas Minería
y Energía en el Perú, Lima-2002.
11)
Pagina web de Petróleos del Perú.
12)
Pagina web del Ministerio de Energía y Minas.
13) Petroleum Measurement Tables, American
Society for Testing and Materials the Institute of Petroleum
14) I Simposium Internacional y Teleconferencia de INGEPET, Tecnologías
de Producción del gas natural, Universidad Nacional de Ingeniería
– Noviembre 2002.
15)
Manual de mantenimiento técnico del motor AI-20D serie 5.
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