Las turbinas de gas disminuyen la potencia con el tiempo de uso, debido a la degradación de los procesos internos de succión de aire, compresión de aire, combustión, expansión de gases de combustión y descarga de gases a la atmósfera.
La condición técnica de la turbina de gas es ampliamente evaluada a través del monitoreo de la potencia efectiva de la unidad. Rara vez, se evalúa la condición técnica de las turbomáquinas que forman parte de la unidad como son el compresor axial y las turbinas de expansión.
Uno de los componentes más complejos e importantes de una turbina de gas es el compresor axial. La potencia consumida por el compresor supera la mitad de la potencia generada por la turbina, por lo que es importante mantener una alta eficiencia de este componente. Generalmente, los periodos de limpieza de los compresores se hacen en función de la degradación de la potencia efectiva de la turbina, un parámetro, que como se dijo anteriormente, depende del estado de todos los procesos y condiciones de los componentes de la turbina.
Procedimiento de monitoreo
Como las turbinas de gas suelen tener instalados diferentes sensores como se muestra en la figura 1, la eficiencia del compresor axial se puede medir y monitorear usando el siguiente procedimiento:
- Calcular la eficiencia del compresor axial por la ecuación 1
- Calcular y monitorear el desempeño operacional del compresor axial a través de la eficiencia relativa de la ecuación 2
- Obtener la eficiencia de referencia a partir de datos de condiciones operacionales similares, en condiciones de buen funcionamiento
- Aplicar técnicas de análisis de regresión para predecir condiciones criticas
Figura1. Esquema de un ciclo de turbina abierto de doble expansión (aeroderivada) de aplicación la generación eléctrica [fuente 1]
En la ecuación 1; T2: temperatura de descarga absoluta, TI: temperatura de succión absoluta, P2: presión de descarga absoluta, P1: presión de succión absoluta y K = coeficiente de calores específicos
En la ecuación 2, ηisen es la eficiencia isentrópica en la condición de operación actual para un modo operativo determinado y ηo es el valor de referencia de la eficiencia isentrópica para el mismo modo de operación.
Una condición o modo de operación implica la misma potencia efectiva reducida o potencia real bajo las mismas condiciones atmosféricas, con igualdad de condición y configuración externa (por ejemplo, el mismo estado de los sistemas auxiliares), así como igualdad de componentes internos, operando en las mismas condiciones (por ejemplo, los mismos ángulos de los álabes guías de entrada, si son regulables).
Uso de las tecnologías 4.0
Como se requiere manejar gran cantidad de datos para definir los valores de los parámetros de los diferentes modos de operación y calcular la eficiencia de referencia para los modos de operación actuales. se puede recurrir a la tecnología actual de tratamiento de datos, el IoT, la big data y la analítica de datos. Además, los datos se pueden almacenar en las nubes de datos internas o externas, para estar disponibles en el momento que se requiera.
Caso de aplicación
Blinov y Deryabin [1] utilizaron regresión lineal para demostrar la efectividad de esta tecnología para predecir el instante cuando la eficiencia relativa de una turbina de gas alcanza un valor crítico y planificar con anterioridad las acciones de mantenimiento de recuperación de la eficiencia, mediante la limpieza en línea del compresor axial, como se observa en la figura 2. En la figura 2, TCC es el Parámetro de Condición Técnica utilizado, que en este caso en la Eficiencia Relativa.
Figura2. Ejemplo de variación del Parámetro de Condición Técnica (PCT) de un compresor axial de una turbina de gas [Fuente Ref.1].
En conclusión, la degradación de los compresores axiales de las turbinas de gas se puede monitorear utilizando como parámetro de degradación: la Eficiencia Relativa, definida como la relación entre la eficiencia adiabática actual y la eficiencia adiabática de referencia, calculadas ambas para un mismo modos de operación. Se define como Mismo Modo de Operación el que cumple con la misma condición de potencia efectiva reducida e igualdad de condición y configuración operacional.
El uso de las tecnologías de la industria 4.0 sobre adquisición, tratamiento y manejo de datos como IoT, big data, analítica de data y almacenamiento en la nube, hacen viable la aplicación de esta tecnología de monitoreo de compresores axiales de turbinas de gas.
Referencia
- V L Blinov and G A Deryabin 2022 IOP Conf. Ser.: Earth Environ. Sci. 990 012037
(Referenciar el articulo: H. Espinoza (2022). Monitoreo de la degradación del compresor axial de turbina de gas y el uso de las tecnologías de la industria 4.0. Artículo Técnico Interno. HE Consulting)
