ES2241237T3 - Sistema de lavado para comprensoress de turbina de gas. - Google Patents

Abstract

PROCEDIMIENTO DE UN COMPRESOR (1) DE TURBINA A GAS EN EL CUAL LAS GOTAS DE LIQUIDO LIMPIADOR SON ROCIADAS AL INTERIOR DEL COMPRESOR, QUE COMPRENDE LOS PASOS SIGUIENTES: ROCIAR GOTITAS DE UN PRIMER TAMAÑO BASICAMENTE UNIFORME EN EL INTERIOR DEL CONDUCTO DE PASO DEL FLUIDO O SOBRE ESTE DURANTE UN PRIMER PERIODO: Y DESPUES ROCIAR GOTITAS DE UN SEGUNDO TAMAÑO BASICAMENTE UNIFORMES EN EL INTERIOR DEL RECORRIDO DEL FLUIDO O SOBRE ESTE DURANTE UN SEGUNDO PERIODO, EN EL CUAL LOS PRIMEROS Y SEGUNDOS TAMAÑOS DE GOTITAS UNIFORMES SON DISTINTOS.

Description

Sistema de lavado para compresores de turbina de gas.

La presente invención se refiere a un método y un aparato para limpiar un paso delimitado que define un camino para gases a través de un dispositivo. La invención es particularmente adecuada para limpiar el interior (incluyendo álabes y rotor) de dispositivos tales como compresores de turbina, a través de los cuales pasan grandes cantidades de aire. El aire arrastra contaminantes y éstos se adhieren y ensucian los álabes del compresor, reduciendo así la eficiencia del compresor.

Un método conocido para intentar eliminar contaminantes atmosféricos de las superficies internas de los compresores mientras están en funcionamiento ha sido inyectar grandes volúmenes de agua, o mezclas de agua y detergentes, a una presión constante en el compresor a través de boquillas de pulverización. El fluido abandona la boquilla en forma de gotitas que varían en volumen en función de la presión del fluido suministrado a la boquilla y de las características de la boquilla.

Los documentos WO 96/40453, US-A-5.011.540 y US-A-5.193.976 describen sendos sistemas de limpieza de turbina o compresor que inyectan gotitas de tamaño uniforme de un fluido de limpieza en la turbina o compresor.

Este método se basa en la energía de impacto de las gotitas (así como todo efecto químico producido por el fluido limpiador) para limpiar las superficies sucias golpeadas por las gotitas de limpieza. Sin embargo, de las gotitas producidas por las boquillas de pulverización, la mayoría son, o bien demasiado grandes y por tanto tienen tendencia a ser expulsadas debido a la rotación de las paredes del compresor por las fuerzas centrífugas que actúan sobre ellas, o bien demasiado pequeñas y por tanto sin energía suficiente como para penetrar superficies a presión. Esto significa que sólo una proporción del fluido de limpieza pasa del centro del espacio del compresor donde están situados los álabes del compresor. La pequeña proporción de este fluido que pasa de la mitad del compresor según el método conocido deja sin tratar áreas significativas de las bases de los álabes del compresor.

Por otro lado, las gotitas que, debido a su tamaño, no se ven afectadas por las fuerzas centrífugas, están sujetas a evaporación y reducción de volumen hasta el punto en que ya no tienen suficiente masa como para penetrar la capa límite que cubre los álabes del compresor e impactar en los álabes del compresor. Esta capa límite es creada por el flujo de aire sobre la superficie de los álabes. Por tanto, en este método conocido, poco o ningún fluido alcanza las últimas etapas del compresor.

Este método de limpieza conocido es particularmente poco efectivo para las bases de álabes de compresor situados en la zona posterior del compresor. Las gotitas más grandes han sido expulsadas debido al giro hacia fuera y las gotitas más pequeñas evaporadas en gran medida cuando el fluido de limpieza alcanza la zona posterior de un compresor.

La expulsión debido al giro hacia fuera de grandes gotitas, y la incapacidad de las gotitas más pequeñas para penetrar la capa límite del álabe del compresor, significan que dichos sistemas de limpieza desperdician grandes volúmenes del agente limpiador y agua, ya que las gotitas demasiado grandes y demasiado pequeñas no entran en contacto con los álabes del compresor y por tanto no efectúan una acción limpiadora sobre ellos.

Los intentos para mejorar la eficiencia de dichos sistemas de inyección se han enfocado anteriormente en reducir la cantidad de fluido de limpieza desperdiciado seleccionando un tamaño deseado de las gotitas que se ha calculado como el tamaño óptimo para la limpieza del compresor. Se forman gotitas que son de un tamaño más uniforme que se considera óptimo para la limpieza de un compresor particular. Dichos sistemas son esencialmente versiones mejoradas del sistema de limpieza descrito anteriormente. Aunque esta optimización, combinada con flujos elevados, asegura un mojado más uniforme de las superficies de los álabes del compresor y da como resultado que los operarios puedan mantener la limpieza del compresor con volúmenes de fluido relativamente pequeños, este sistema mejorado no resuelve el problema de limpiar de manera efectiva la zona posterior del compresor.

Como se explicó arriba, un problema significativo asociado a los sistemas de limpieza de compresor conocidos es su incapacidad para limpiar de manera efectiva la zona posterior de un compresor o similar. Además de la expulsión hacia fuera debido al giro y de la evaporación de las gotitas, los sistemas conocidos también eliminan depósitos de las primeras etapas de un compresor, pero también permiten que éstas se modifiquen en las últimas etapas con el riesgo inherente de corrosión y pérdidas del compresor. Este problema es particularmente relevante en los llamados sistemas de limpieza "en línea" que lavan/limpian mientras el motor o dispositivo (por ejemplo, un compresor) funcionan a las velocidades y temperaturas de funcionamiento.

Los inventores de la presente invención han apreciado que la ineficiencia de los sistemas de limpieza conocidos se produce debido a las muy diferentes condiciones ambientales existentes en diferentes puntos del dispositivo (por ejemplo, un compresor de turbina) que está siendo limpiado. Los inventores son también los primeros en apreciar que estas diferencias significan que no existe un único tamaño óptimo de las gotitas para la limpieza de un compresor o dispositivo similar que tenga un camino para gases.

Un compresor de turbina de gas industrial típico consiste en 12 etapas, cada una de las cuales tiene unas condiciones diferentes de presión y temperatura (ver Fig. 1). La temperatura y presión del aire entrante en la primera etapa serán típicamente valores ambientales y típicamente aumentarán en 25ºC y 1 bar de presión por etapa. La temperatura y presión de la salida estarán típicamente por tanto en el orden de los 300ºC a 12 bar. Teniendo en cuenta el efecto de la presión en la temperatura, la temperatura efectiva a la salida es del orden de 160ºC.

Las gotitas del líquido de limpieza que son pulverizadas dentro del compresor estarán sujetas a los mismos aumentos de temperatura y presión que el aire entrante, por tanto su volumen se reducirá al moverse a través del compresor.

Si el tamaño óptimo de las gotitas para la limpieza utilizando un fluido de limpieza para compresor concreto (por ejemplo, el disponible bajo la marca registrada R-MC) se calcula en 200 micrómetros, entonces las gotitas de este tamaño original habrán reducido su volumen en un 80% cuando alcancen la última etapa del compresor de un compresor de 12 etapas como el mostrado en la Figura 1. Este tamaño de las gotitas será demasiado pequeño como para penetrar la capa límite del aire que fluye sobre la superficie del álabe, y por tanto no se producirá ninguna limpieza.

Si el tamaño de las gotitas en general se aumentaba para tener en cuenta las pérdidas por evaporación, entonces las primeras etapas del compresor no se limpiarían de manera efectiva, ya que las gotitas serían demasiado grandes para esta porción del compresor.

Los inventores son los primeros en reconocer que la ineficiencia de los métodos de limpieza conocidos surge debido a las diferentes condiciones ambientales existentes en las diferentes partes del camino del gas, y consecuentemente la existencia de diferentes tamaños óptimos de las gotitas para diferentes partes del camino del gas a través de, por ejemplo, un compresor.

La presente invención, tal como se define en las reivindicaciones independientes a las que se debe hacer ahora referencia, proporciona un método de limpieza y un aparato de limpieza que limpia conductos que definen caminos para gases a través dispositivos como compresores mucho más efectivo que los sistemas anteriormente conocidos.

Ahora se describirán realizaciones preferidas de la invención mediante la referencia a las figuras que se acompañan, en las cuales:

La Figura 1 es una representación gráfica de la temperatura y la presión en diferentes etapas del compresor de una turbina de gas;

Las Figuras 2 y 3 son gráficos que ilustran la eficiencia de limpieza de métodos de limpieza conocidos;

La Figura 4 es un gráfico que ilustra la eficiencia de limpieza del método de limpieza de la presente invención;

Las Figuras 5 a 8 son diagramas ilustrativos de realizaciones alternativas de la presente invención; y

La Figura 9 es un gráfico que ilustra los parámetros de funcionamiento óptimos para una realización del método de limpieza de la presente invención utilizando el aparato de la figura 5 para limpiar una turbina de gas aeroderivada LM 1600 de General Electric.

La Figura 1 muestra gráficos de temperatura y presión en diferentes puntos de un compresor típico de catorce etapas. Ambos aumentan significativamente al pasar el aire o fluido a través del compresor. Las catorce etapas del compresor conforman el eje x, estando representadas la temperatura y la presión en el eje y.

La Figura 2 es un gráfico que ilustra la eficiencia de limpieza del sistema de limpieza conocido sin la determinación y selección de un tamaño de las gotitas óptimo. La falta de optimización significa que la sección de limpieza de las gotitas no es óptima (aproximadamente un 55% como mínimo) para ninguna de las porciones del dispositivo que se limpia.

La curva 20 de tamaño de las gotitas muestra la distribución del tamaño de las gotitas, y el área sombreada bajo la curva de tamaño de las gotitas representa la eficiencia de limpieza. El área total sombreada cubre el tamaño de partícula efectivo y requerido. El área total bajo la curva de tamaño de las gotitas representa el total del fluido de limpieza que fluye a través del dispositivo que se está limpiando, y el área sombreada bajo la curva representa la proporción de fluido de limpieza que impacta sobre las superficies sucias y efectúa una acción limpiadora. En el sistema mostrado, aproximadamente la mitad del fluido (área sombreada por encima de la curva de tamaño de las gotitas) no efectúa ninguna acción limpiadora y se desperdicia.

La Figura 3 es un gráfico similar al de la Figura 2 pero ilustra la efectividad de limpieza del sistema mejorado con la determinación y uso de un único tamaño de las gotitas óptimo.

Como se puede observar en la Figura 3, el tamaño de las gotitas tiene una eficiencia de limpieza del 80% para la zona delantera del compresor, y se desperdicia ligeramente menos de la mitad del fluido. Si embargo, como se expuso arriba y se ilustró en el gráfico, las últimas etapas del compresor no se limpian.

La Figura 4 es un gráfico que ilustra la eficiencia de limpieza de la presente invención. Como se muestra en la Figura 4, la utilización de una secuencia de diferentes tamaños de las gotitas (con las correspondientes curvas 20 de tamaño de las gotitas) significa que el compresor se limpia eficientemente en toda su longitud.

El sistema mostrado en la Fig. 5 generará gotitas de un tamaño específico en cualquier momento dado. Se conecta un depósito 2 de fluido de limpieza a través de una bomba 3 a las boquillas 4 de pulverización que están dispuestas para pulverizar el fluido bombeado desde el depósito 2 hasta el compresor 1. El depósito y la línea que conecta el depósito y la bomba tiene una unidad 7 de calentamiento para calentar el fluido de limpieza del depósito. Alternativamente se puede situar una unidad 7' de calentamiento en la línea de salida del depósito. Se puede utilizar también el ajuste de la temperatura del fluido para controlar la presión del fluido y el tamaño de las gotitas.

La bomba 3 es accionada por un motor 5 que tiene asociado una unidad 6 de control. La bomba, el motor y la unidad de control conjuntamente forman un regulador de presión motorizado. El tamaño de las gotitas pulverizadas por las boquillas 4 se determina mediante la presión de inyección de fluido, que se puede ajustar mediante el regulador de presión motorizado. El regulador se controla de forma que al comienzo del proceso de limpieza se produzcan gotitas de pequeño tamaño que limpiarán efectivamente la primera etapa del compresor. Al continuar el programa de limpieza, el tamaño de las gotitas se irá aumentando gradualmente mediante la presión del regulador, de manera que al final del programa se esté generando el tamaño correcto de las gotitas requerido para limpiar la etapa final del compresor.

La variedad de tamaños requeridos para cualquier compresor variará de un tipo a otro y dependerá también del fluido de limpieza utilizado pero estará en el rango de 50-500 micrómetros.

El ciclo óptimo de tamaños de las gotitas depende del flujo de aire a través del compresor, del número de etapas del compresor así como de las condiciones de temperatura y presión a la entrada, salida, y en diferentes puntos del compresor. Cada turbina de gas (o tipo de turbina de gas) tendrá un conjunto específico de parámetros de limpieza óptimos gobernados por los parámetros específicos de funcionamiento de la turbina de gas.

El ciclo de limpieza óptimo se determina como sigue:

1. Determinar el número y tipo de boquillas de pulverización requeridas evaluando el ángulo de pulverización y el flujo requeridos para una limpieza efectiva. Durante esta evaluación se considera el tamaño de las gotitas y se puede utilizar un tamaño de 150 micrómetros a 70 bar de presión de la bomba para la calibración.

El ángulo de pulverización se determina considerando la distancia entre la ubicación propuesta del anillo de pulverización y la primera etapa del compresor. Se requieren boquillas suficientes como para dar una cobertura de 360º de los álabes de la primera etapa.

El flujo deseado se calcula considerando el volumen total de fluido requerido para una duración de la limpieza de cuatro a cinco minutos. Se ha descubierto que una duración de la limpieza de al menos cuatro a cinco minutos es necesaria para asegurar un mojado adecuado de las superficies a limpiar. El volumen de fluido requerido para cada tipo o modelo de turbina de gas es una función de su salida y se calcula a partir de su salida medida en MW.

2. Estudiar los gradientes de presión y temperatura del compresor e identificar la etapa en la que se evapora el agua.

3. Una vez identificado el punto en el que se evapora el agua, las secciones anteriores a ésta pueden ser tratadas con gotitas pequeñas (por ejemplo, 80-100 micrómetros). Esto se puede conseguir aumentando la presión de la bomba hasta aproximadamente 100 bar. La porción del compresor situada después del punto de evaporación del agua sería tratada entonces con gotitas ligeramente más grandes, por ejemplo, de 150 micrómetros, con una presión de salida de la bomba de 70 bar.

4. El tamaño de las gotitas para limpiar las últimas etapas del compresor donde hay temperaturas y presiones locales mayores está afectada por la longitud de las secciones en las últimas etapas y por la longitud total del compresor. El tamaño de las gotitas para estas últimas etapas sería típicamente manipulado para que esté entre 200 y 500 micrómetros, alterando la presión de salida de la bomba hasta que esté entre 20 y 40 bar.

Las Figuras 6 y 7 muestran diferentes métodos mediante los que se puede controlar el tamaño de las gotitas.

La Figura 6 muestra un sistema en el que el tamaño de las gotitas se controla utilizando un regulador de presión. La bomba 3 produce fluido con una presión de salida constante que se controla regulando un regulador de presión electrónico que comprende un accionador 8 PRV y que está bajo el control de una unidad 6' de control.

La Figura 7 muestra un sistema en el que el tamaño de las gotitas se controla utilizando una boquilla de orificio múltiple o variable. Una unidad 6'' de control controla el tamaño del orificio de la boquilla.

La Figura 8 muestra un sistema en el que el tamaño de las gotitas se controla utilizando una unidad 3''' de bombeo con presión y flujo de salida variables controlables controlados mediante una unidad 6''' de control para el motor, bomba y calentador PRV.

En una realización alternativa (no mostrada), se pueden utilizar para controlar el tamaño de las gotitas ondas de ultrasonido aplicadas al fluido al pasar éste a través de una boquilla.

Es posible conseguir el control del tamaño de las gotitas aplicando la salida de la bomba 3 a una serie de boquillas 4 que tengan diferentes características de pulverización o a boquillas que tengan un orificio variable.

La tecnología del método y del aparato descritos arriba podría aplicarse a la limpieza interna de compresores axiales y rotativos de aire/gas, los caminos para los gases de motores de combustión interna y a cualquier dispositivo rotativo utilizado para el movimiento de aire y gases.

La presente invención se podría aplicar para limpiar, por ejemplo, el compresor de una turbina de gas LM 1600.

La turbina aeroderivada LM 1600 de General Electric es una turbina de gas moderna de la que muchos dicen que tiene un compresor difícil de limpiar. Esta turbina de gas particular está diseñada con un compresor de dos etapas: un compresor de baja presión y un compresor de alta presión. El compresor de baja presión es un compresor axial de 3 etapas y el compresor de alta presión es un compresor axial de 7 etapas. La relación de compresión del compresor es de 20:1 y el flujo de aire a través del compresor es aproximadamente 0.46 kg/s y la temperatura de salida es de 500Cº. Se tiene que considerar una distancia entre los compresores de baja y alta presión de aproximadamente 25 cm. La velocidad del aire a la entrada del compresor está entre 180-200 m/s. A la salida del compresor, la velocidad del aire es de aproximadamente 220-230 m/s.

La limpieza se lleva a cabo en operaciones como se describió anteriormente para conseguir el tamaño correcto de las gotitas para todas las etapas del compresor. La Figura 9 muestra la variación de la presión del fluido de limpieza y el correspondiente tiempo de limpieza (así como el tamaño resultante de las gotitas de entrada) al limpiarse el compresor.

La primera operación cubrirá las primeras dos etapas del compresor de baja presión. Esta operación debería durar al menos 60 segundos y la presión de inyección se debe mantener entre 90-100 bar para alcanzar una velocidad de las gotitas de aproximadamente 120 m/s y un tamaño de las gotitas de 120 \mum.

La siguiente operación es para la última etapa del compresor de baja presión y debería durar al menos 45 segundos. La presión se debe reducir hasta 60-70 bar para conseguir gotitas de aproximadamente 150 \mum. El compresor de alta presión requerirá una secuencia de 3 operaciones.

La tercera operación es para la cuarta etapa (primera etapa del compresor de alta presión) y debería durar 45 segundos y se debería reducir la presión hasta aproximadamente 45 bar para producir gotitas de 180 \mum. Entre las etapas cuatro y cinco las condiciones de temperatura y presión producirán la evaporación del agua del fluido de limpieza y la duración de las operaciones debe ser, por tanto, extendida. La operación cuatro cubrirá las etapas cinco, seis y siete. La duración de esta operación es de 90 segundos y la presión se reduce hasta 30-35 bar. La última operación cubrirá las etapas ocho, nueve y diez, también con una duración de 90 seg. Con una presión de 20 bar, la velocidad de las gotitas para la última operación baja hasta aproximadamente 55 m/s, que todavía es mayor que la velocidad del aire en la zona frontal de la boca acampanada del compresor.

Claims (20)

1. Un método para limpiar objetos que definen un camino para el flujo de un fluido, en el que se pulverizan gotitas de un fluido de limpieza dentro o sobre el camino del fluido, que comprende las operaciones de:

pulverizar gotitas de un primer tamaño sustancialmente uniforme dentro o sobre el camino del fluido durante un primer período; y después pulverizar gotitas de un segundo tamaño sustancialmente uniforme dentro o sobre el camino del fluido durante un segundo período, en el que el primer y el segundo tamaños uniformes de las gotitas son diferentes.

2. Un método según la reivindicación 1 que comprende al menos otra operación de pulverización en la que se pulverizan gotitas de otro tamaño sustancialmente uniforme dentro o sobre el camino del fluido durante otro período predeterminado, y en el que el tamaño o los tamaños uniformes de las gotitas asociados a la otra operación, o a cada una de las otras operaciones, de pulverización son diferentes del primer y del segundo tamaños uniformes de las gotitas, y en el que hay más de una operación de pulverización adicional en la que el tamaño de las gotitas es diferente de los tamaños de las gotitas de las otras operaciones de pulverización.

3. Un método para limpiar un compresor de turbina de gas según cualquier reivindicación precedente, en el que el primer tamaño uniforme de las gotitas está en el rango de 80 a 120 micrómetros, y el segundo tamaño uniforme de las gotitas está en el rango de 130 a 170 micrómetros.

4. Un método para limpiar los álabes y/o el rotor de un compresor de una turbina de gas según cualquier reivindicación precedente.

5. Un método según la reivindicación 4, en el que las gotitas son de un tamaño que está en el rango de 50 a 500 micrómetros.

6. Un método según cualquier reivindicación precedente, en el que las gotitas son creadas suministrando fluido de limpieza a una o más boquillas.

7. Un método según la reivindicación 6, en el que el tamaño de las gotitas es controlado controlando la presión del fluido suministrado a la boquilla o boquillas.

8. Un método según la reivindicación 7, en el que el tamaño de las gotitas es controlado controlando la presión y el flujo del fluido suministrado a la boquilla o boquillas.

9. Un método según la reivindicación 6, en el que el tamaño de las gotitas es controlado controlando el tamaño de la boquilla o boquillas.

10. Un método según la reivindicación 6, en el que el tamaño de las gotitas es controlado aplicando ondas de ultrasonidos al fluido al pasar éste a través de la boquilla o boquillas.

11. Un método según la reivindicación 6, en el que el tamaño de las gotitas es controlado controlando la temperatura del fluido suministrado a la boquilla o boquillas.

12. Un aparato para limpiar objetos que definen un camino para el flujo de un fluido, que incluye medios (4) de pulverización de fluido de limpieza para pulverizar gotitas de un fluido de limpieza dentro o sobre el camino del fluido, y medios (6, 6', 6'', 6''') de control de la pulverización de fluido para controlar el tamaño de las gotitas pulverizadas dentro o sobre el camino del fluido, de manera que se pulvericen gotitas de un primer tamaño sustancialmente uniforme durante un primer período predeterminado, y después se pulvericen gotitas de un segundo tamaño sustancialmente uniforme, diferente, durante un segundo período.

13. Un aparato según la reivindicación 12, en el que el aparato comprende medios de suministro de fluido para suministrar fluido de limpieza a los medios de pulverización de fluido, comprendiendo los medios de pulverización de fluido una o más boquillas (4), y comprendiendo los medios de control de la pulverización de fluido un regulador (6', 8) de presión para controlar la presión del fluido suministrado a la boquilla o boquillas.

14. Un aparato según la reivindicación 12, en el que el aparato comprende medios de suministro de fluido para suministrar fluido de limpieza a los medios de pulverización de fluido, comprendiendo los medios de pulverización de fluido una o más boquillas y comprendiendo los medios de control de la pulverización de fluido una unidad (3''') de bombeo con una salida de presión y flujo variables.

15. Un aparato según la reivindicación 12, en el que el aparato comprende medios de suministro de fluido para suministrar fluido de limpieza los medios de pulverización de fluido y los medios de control de la pulverización de fluido comprenden una o más boquillas (4'') de orificio variable o con orificios de múltiples tamaños.

16. Un aparato según la reivindicación 12, en el que el aparato comprende medios de suministro de fluido para suministrar fluido de limpieza a los medios de pulverización de fluido, comprendiendo los medios de pulverización de fluido una o más boquillas (4), y comprendiendo los medios de control de la pulverización de fluido medios para aplicar ondas de ultrasonidos al fluido al pasar éste a través de la boquilla o boquillas.

17. Un aparato según la reivindicación 12, en el que el aparato comprende medios de suministro de fluido para suministrar fluido de limpieza a los medios de pulverización de fluido, comprendiendo los medios de pulverización de fluido una o más boquillas (4), y comprendiendo los medios de control de la pulverización de fluido un calentador para controlar la presión del fluido y el tamaño de las gotitas.

18. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 17, que incluye medios (4'') para pulverizar gotitas de un tamaño en el rango de 80 a 120 micrómetros, y medios (4, 4'') para pulverizar gotitas de un tamaño en el rango de 130 a 170 micrómetros.

19. Un aparato según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 18, que incluye medios (4, 4'') para pulverizar gotitas de un tamaño en el rango de 50 a 500 micrómetros.

20. Un aparato para limpiar los álabes y/o el rotor de un compresor de una turbina de gas según cualquiera de las reivindicaciones 12 a 19.