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OllLf9 
UNIVERSIDAD NACIONAL 
AUTÓNOMA DE MÉXICO 
Programa de Posgrado en Ingeniería 
Sistema experto para el análisis energético y económico en 
turbinas de combustión a carga base de tecnología "F" 
ciclo abierto 
T E s 1 s 
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE: 
MAESTRO EN INGENIERíA 
P R E S E N T A: 
J. VALENTíN CÁRDENAS FLORES 
DIRECTOR: Dr. Javier E. Aguillón Martínez 
JURADO: 
Presidente: Dr. Jorge Islas Samperio 
Vocal: Dr. Arturo Palacio Pérez 
Secretario: Dr. Javier E. Aguillón Martínez 
Suplente: Dr. Arturo Reinking Cejudo 
Suplente: Ing. Augusto Sánchez Cifuentes 
fYI . 343331 
México DF, Abril 2005 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
Dedicatoria 
11 
Agradecimientos 
Quiero agradecer especialmente la realización de esta tesis a mis padres Juan Cárdenas 
Hemández y María Flores Ortega, y a mi hermana Emma por su paciencia y ánimos 
para realizarla, a pesar de no entender algunas veces la finalidad de la misma. 
Por supuesto, Ma. Guadalupe Barrera Serrato mi esposa es la que ha tenido que estar y 
animar en los malos momentos que a veces he tenido. Además, ella ha tenido siempre 
un interés especial para que yo la realizara. 
El director de mi tesis, Dr. Javier E. Aguillón Martínez ha estado siempre a mi lado 
disponible para cualquier duda o sugerencia en su realización. Nuestras reuniones 
periódicas han servido para enriquecerme personalmente. Esta tesis también ha servido 
para establecer una relación especial de amistad y confianza con el rng. Jorge 
Armando Moreno Bonilla, que para mi es un apoyo fundamental en el trabajo diario. 
También quiero agradecer al Ing. Francisco Rodríguez Morales por otorgarme los 
permisos y flexibilidad de horarios, que ha permitido desarrollar gran parte de mi tesis 
de maestría. 
111 
Resumen 
Las tecnologías de generación de energía eléctrica continúan proporcionando mejoras 
que beneficiara a los consumidores de electricidad. Fundamentalmente, estas mejoras 
están enfocadas a la eficiencia, para reducir la componente del combustible al costo de 
la electricidad, manteniendo las metas de elevada disponibilidad y operando por debajo 
de los decrecientes niveles de emisión. Los sistemas que queman gas natural pueden 
producir el impacto ambiental por kilowatt-hora más bajo de todos los equipos de 
generación que queman combustible fósil [Pennwell, 2000]. Los ciclos combinados 
que utilizan turbinas de gas enfriadas con vapor en circuito cerrado representan los 
sistemas de generación de energía eléctrica más limpios y más eficientes que se 
disponen hoy en día. 
El uso de turbinas de gas para la generación de energía eléctrica ha ido en aumento 
constante de popularidad durante más de cinco décadas. Los ciclos de turbinas de 
combustión son inherentes capaces de una densidad de potencia más elevada, más alta 
eficiencia en el uso de combustible y emisiones más bajas que las plataformas con las 
que compite. El rendimiento de la turbina de gas está en función de la temperatura de 
ignición, la que está directamente relacionada con la producción específica y 
relacionada inversamente con el consumo de combustible por kWh producido. Esto 
quiere decir que los aumentos en la temperatura de ignición proporcionan un eficiencia 
de combustible más elevada (menor consumo de combustible por kWh producido) y, 
al mismo tiempo, una producción específica más elevada (más kW por kilogramo de 
aire que pasa a través de la turbina). 
Por otra parte, la tendencia es y seguirá siendo aumentar la temperatura de gases en los 
primeros pasos de la turbina de gas, ya que esta variable es determinante en la 
eficiencia de la turbina misma. Para incrementar la temperatura de gases que puede 
soportar la turbina se han desarrollado nuevos materiales y se están creando álabes 
mono cristalinos que sean más resistentes a los efectos de erosión-corrosión, además de 
que se han optimizado los pasajes de enfriamiento de los álabes mismos. 
Aunque posiblemente la tecnología de manejo de estos nuevos materiales quede en 
poder exclusivo de los fabricantes, al menos por algunos años será necesario 
desarrollar tecnologías de rehabilitación de componentes para reparar álabes y sellos 
en el resto de la máquina. Además, la operación a altas temperaturas obliga a mejorar 
los esquemas de evaluación de vida residual de los componentes afectados. 
Las turbinas de gas, al aumentar la temperatura de gases, se vuelve más delicadas en 
componentes tales como cámaras de combustión y ductos de cruce de flama que 
deberán ser mantenidos y reparados por el personal de las centrales, para lo cual se 
requiere de tecnologías adecuadas. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
IV 
Una de las limitaciones de los ciclos combinados, derivadas de las limitaciones de la 
turbinas de gas, es su sensibilidad a las condiciones de presión y temperatura ambiente, 
que hacen que la potencia real de la turbina disminuya sensiblemente al aumentar la 
temperatura ambiente o al reducirse la presión atmosférica. Sobre la presión 
atmosférica no se tiene control, pues depende de la ubicación geográfica de la central, 
pero es importante estar conciente de que la potencia nominal de una turbina de gas 
disminuye del orden de 1 % por cada cien metros de elevación sobre el nivel del mar. 
El crecimiento del sector eléctrico mexicano para los próximos diez años esta planeado 
en base a la instalación de 20 mil MWe de plantas de ciclo combinado. Esta tendencia 
es motivada por la evolución de las eficiencias térmicas de los últimos años en las 
distintas tecnologías para la generación de energía eléctrica; es evidente que el ciclo 
combinado tiene una ventaja determinante sobre las demás tecnologías por su 
eficiencia térmica neta del orden de 56.0%, la opción convencional está alrededor de 
37.5%. La rápida evolución de las eficiencias de los ciclos combinados se debe a los 
desarrollos logrados en las turbinas de gas que, a partir de las mejoraras a los 
materiales de los primeros pasos de álabes y de las tecnologías de fabricación más 
refinadas, han logrado incrementar la eficiencia de la turbina de gas, [CFE, 2003]. 
Por otra parte, las centrales de ciclo combinado en la actualidad resultan más baratas --
de 600 a 700 dólares por kW instalado-- que las opciones alternativas de carbón o 
combustoleo que están en el rango de 900 a 1200 dólares por kW, además de que los 
tiempos requeridos para su construcción son menores. 
Esta situación plantea la necesidad de asimilar la tecnología de operación, diagnóstico, 
mantenimiento y rehabilitación de turbinas de gas prácticamente de inmediato, ya que 
el personal de operación de la Comisión Federal de Electricidad (CFE) se verá 
enfrentado a equipos con los cuales no está plenamente familiarizado y que tienen 
requerimientos de operación más estrictos que las centrales térmicas convencionales, 
para las cuales ya existe suficiente experiencia en la CFE . 
Los requerimientos tecnológicos que plantean las turbinas de gas para su operación y 
mantenimiento están estrechamente ligados con los requerimientos de los ciclos 
combinados. 
Por un lado será necesario aplicar con mayor intensidad técnicas de diagnóstico en 
línea y en estado estacionario de turbo máquinas para su análisise interpretación de sus 
variables fundamentales. Con apoyo de los sistemas expertos basados en la cantidad 
almacenada de conocimiento de expertos se logra tener una estimación conservadora 
de los resultados pero eficaz al momento que se requiere, la capacidad de esta técnica 
persigue la automatización, partiendo en ocasiones de información insuficiente o 
incompleta. Así, de esta forma el enfoque analítico toma un entorno de pronosticar y 
planificar más que de diagnosticar en base a la técnica empleada. 
Esta Tesis de Maestría desarrolla la elaboración de un Sistema Experto para el análisis 
energético y económico de una turbina de combustión o de otra forma llamada de 
turbina de gas, aplicado a una de las tecnologías de mayor utilización y demanda en el 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
v 
mundo que es la clase "F" analizada a ciclo abierto. Asimismo, se aplican las 
metodologías que componen las investigaciones en el campo de la inteligencia 
artificial a sistemas de una turbina de gas de potencia de energía eléctrica, sin 
incursionar en aspectos de impacto ambiental por emisiones. 
El modelado matemático de la turbina de combustión en este trabajo se basa en la 
programación matemática para calcular el desempeño térmico y evaluar el aspecto 
económico, con lo cual se representan matemáticamente las características 
operacionales y de diseño y las restricciones del sistema, además de las condiciones y 
demandas que se deben de satisfacer. 
La secuencia que debe seguir la metodología, se plantea mediante el sistema experto, 
con el cual se realiza el análisis termodinámico de la turbina de combustión tipo "F". 
Posteriormente, con este análisis se presentan los parámetros de comportamiento para 
el cálculo del desempeño térmico y con el consumo del combustible, se construyen las 
funciones matemáticas de costos de combustible, necesarias para modelado 
económico. 
Tomando en cuenta las consideraciones hechas durante el desarrollo de Sistema 
Experto, el resultado de este trabajo marca las ventajas de utilizar este tipo de 
metodologías para lograr con ello tener una herramienta útil y confiable para la toma 
de decisiones técnico-económicas más acertadas en campo. Se presenta esta ventaja 
mediante una comparación de los resultados del modelado obtenido con el Sistema 
Experto construido con Visual Basic para aplicaciones en Excel y de los resultados 
obtenidos en pruebas de desempeño en campo realizadas por los principales 
fabricantes de este tipo de equipos además, del comparativo con los parámetros reales 
de trabajo en línea para un determinado tiempo. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
VI 
Índice 
Resumen 
Índice 
Nomenclatura 
Lista de figuras 
Lista de figuras 
CAPÍTULO 1. Introducción 
1.1 Uso racional de la energía 
1.2 Generación de energía eléctrica y el ambiente 
1.2.1 Gas natural para cogeneración termoeléctrica 
1.2.2 Perspectivas para las reservas de gas natural 
1.3 Las máquinas térmicas en el contexto de la energética 
1.3.1 Evolución de la turbina de combustión 
1.3.2 Avances tecnológicos 
1.4 Inteligencia artificial, IA 
1.5 Desarrollo de la tesis de maestría 
CAPÍTULO 2. Caracterización de la turbina de combustión 
2.1 Aspectos teóricos de las turbinas de combustión 
2.1.1 Características técnicas sobre su funcionamiento 
2.1.2 Ciclo Joule - Brayton ideal 
2.1 .3 Componentes principales en la TG 
2.1.3.1 Compresor 
2.1.3.2 Cámara de combustión 
2.1.3.3 Turbina 
2.2. Análisis paramétrico de la turbina de combustión 
2.2.1 Ciclo de la turbina de combustión simple 
2.2.2 Modelo matemático 
2.2.3 Análisis paramétrico 
2.3 El Sistema Experto 
2.3.1 Los sistemas expertos 
2.3.2 El experto y la naturaleza de su destreza 
2.3.3 Componentes de un sistema experto 
2.4 Flesumen 
CAPÍTULO 3. Modelo estacionario de la TG tecnología "F" 
3.1 Factores de diseño 
3 .1.1 Estados de referencia 
3 .1.2 Condiciones ambientales 
3 .1.2.1 Presión atmosférica 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
IV 
VlI 
IX 
Xlll 
xv 
1 
2 
2 
5 
6 
8 
9 
10 
14 
15 
19 
20 
20 
20 
23 
23 
23 
24 
24 
26 
26 
28 
35 
35 
37 
37 
40 
41 
41 
41 
42 
42 
VIl 
3.2 
3.3 
3.4 
3.5 
CAPÍTULO 4. 
4.1 
4.2 
4.3 
4.4 
4.5 
4.6 
CAPÍTULOS. 
Síntesis 
5.1 
5.2 
5.3 
5.4 
Conclusiones 
Perspectivas 
3.1.2.2 Propiedades del aire 
Combustibles 
3.2.1 Gas Natural 
3.2.2 Combustibles líquidos 
Modelo analítico 
3.3.1 Compresor 
3.3.2 Turbina de potencia 
3.3.3 Cámara de combustión 
Análisis energético de la turbina de combustión 
3.4.1 Balance de materia y energía 
Resumen 
Análisis económico de la TG tecnología "F" 
Costos totales de generación 
4.1.1 Costos de inversión 
4.1.2 Costos de los combustibles 
4.1.2.1 Equivalencias 
4.1.2.2 Precios externos de referencia para el combustible 
El costo nivelado 
4.2.1 Ajuste al costo nivelado por cambios en los precios relativos 
de sus componentes 
Costos de operación y mantenimiento [O&M] 
Costos por el trabajo operativo 
4.4.1 Efecto del trabajo operativo sobre la vida útil de los álabes 
de turbina 
4.4.2 Sobrecarga de la TG por causa del incremento de la TIT 
4.4.3 Costos adicionales 
Evaluación económica 
Resumen 
Metodología de análisis del Sistema Experto. 
Algoritmo de resolución 
Estructura del Win-Expert 
Validación del Sistema Experto 
Resumen 
Referencias bibliográficas 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
42 
43 
43 
47 
48 
49 
51 
52 
53 
53 
55 
56 
57 
58 
60 
63 
64 
65 
66 
67 
68 
68 
71 
71 
72 
73 
74 
75 
85 
91 
99 
100 
101 
103 
104 
Vlll 
Nomenclatura 
Símbolo 
a 
A 
Ai 
Bj 
BWR 
CFE 
CMV 
C 
CC 
CDP 
CI 
COPAR 
Cp 
CS 
Cv 
C.T. 
DLN 
Ej. 
EOH 
ES 
F 
Fig. 
F.P. 
g 
GE 
GI 
GN 
GNAt 
GTCC 
HP 
H2S 
lA 
ICC 
IP 
IPC 
Unidad 
[MXNIMWh] 
[kglm2] 
[MXNIMWh] 
[kJ/kg.K] 
[kJ/kg.K] 
[hrs] 
[MWh] 
Significado 
Altura del sitio sobre el nivel del mar 
Área efectiva 
Factores constantes por el fabricante 
Factores constantes por el fabricante 
Gran reactor nuclear de agua en ebullición 
Comisión Federal de Electricidad 
Variable de mapeo del compresor 
Costo específico de la energía 
Ciclo Combinado 
Presión de descarga del compresor 
Costo nivelado por concepto de inversión 
Costos y Parámetros de Referencia para la 
Formulación de Proyectos de Inversión en el Sector 
Eléctrico - Generación 
Calor específico a P=cte. 
Velocidad corregida 
Calor específico a V=cte. 
Central Termoeléctrica 
Sistema de bajo NOx (Dry Low NOx) 
Ejemplo 
Horas equivalentes de operación 
Arranques equivalentes 
Tecnología estándar 
Figura 
Factor de Planta 
Constante de aceleración gravitacional 
General Electric 
Índice de Gas o Índice Wobbe 
Gas Natural 
Generación neta en el año 
Turbina de combustión o gas de ciclo combinado 
Alta presión 
Sulfuro de Hidrógeno 
Tasa de descuento 
Inteligencia Artificial 
Inspección cámara de combustión 
Presión intermedia 
Inspección de partes calientes 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
IX 
1M Inspección Mayor 
If Condición 
It [MXN] Inversión en el año 
ISO International Standard Organizations 
J Conjunto de índices 
k Exponente isentrópico 
LAPEM Laboratorio de Pruebas de Equipos y Materiales 
LFC Luz y Fuerza del Centro 
LHV [kJlkg] Low heat value (PCn 
h [kJlkg] Entalpía específica 
H [kgH20lkg aire seco] Humedad específica del aires 
HHV [kJlkg] High heat value (PCS) 
Hu [kJlkg] Valor del poder calorífico inferior del combustible 
LP Baja presión 
m [kg/s] Flujo de masa 
mA [kg/s] Flujo de aire 
mc [kgc/s] Flujo de combustible 
MHI Mitsubishi 
MXN Pesos mexicanos 
n [años]Vida económica 
N [años] Periodo de construcción 
OHmáx Número de horas máximo de operación 
O&M Operación y Mantenimiento 
p [Pa] Presión atmosférica 
P [MW] Potencia 
PT [kW] Salida de potencia de la turbina 
PV [kW] Salida de potencia de compresor 
PCI [kJlkg] Poder Calorífico Inferior 
PCS [kJlkg] Poder Calorífico Superior 
PEE Productores de Energía Externos 
PFBC Combustión en lecho fluido a presión 
PG [kW] Pérdidas de fricción 
PIB [%] Producto Interno Bruto 
PM [kg/kgmol] Peso Molecular 
PK [kW] Salida de potencia de la flecha 
PKL [kW] Salida de potencia en terminales del generador 
PM [kW] Pérdidas mecánicas 
P-V Diagrama presión-volumen 
PWR Gran reactor nuclear de agua presurizada 
poc [kg/m2] Presión de entrada a la turbina (3) 
q [kJlkg] Calor por unidad de masa 
Qe [kJ] Calor suministrado al ciclo Joule 
R [kJlkg.K] Constante del gas 
s [kJlkg.K] Entropía 
SE Sistema Experto 
SG Gravedad específica 
Sj Número de eventos contabilizados: arranques, 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN X A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
SW 
t [s] 
T [K] 
TBS [oC] 
TG 
TGCC 
Ti [Hr] 
Tin [oC] 
Tex [oC] 
Then 
TIT [oC] 
T-S 
TV 
USD 
v [m3/s] 
w [kJlkg] 
Wc [kJ] 
Wt [kJ] 
Wm [kJ] 
Wm,max [kJ] 
x 
y 
Letras griegas 
Símbolo Unidad 
y 
lre 
lrT 
lrOPT,w [kJ] 
r¡term 
r¡BK 
r¡Oen 
lropt ,'7 
Q [kg/m
3
] 
<p 
interrupciones, disparos, etc. 
Siemens Westinghouse 
Tiempo 
Temperatura absoluta 
Temperatura de Bulbo Seco 
Turbina de combustión o gas 
Turbina de combustión en ciclo combinado 
Tiempo de operación con cambio de combustible, 
diferentes temperatura de flama, inyección de agua o 
vapor 
Temperatura aire entrada compresor 
Temperatura gases de escape 
Entonces 
Temperatura entrada de turbina 
Diagrama temperatura-entropía 
Turbina de Vapor 
Dólares americanos 
Volumen específico 
Trabajo por unidad de masa 
Trabajo compresor 
Trabajo al exterior 
Trabajo motor 
Trabajo motor máximo 
Relación (k-Ilk) 
Relación (T3/T¡) 
Significado 
Relación de calores específicos 
Relación de presiones P21P¡ 
Relación de presiones P31P 4 
Trabajo motor máximo óptimo 
Eficiencia térmica 
Eficiencia de la cámara de combustión (99.8% a 
plena carga) 
Eficiencia del generador eléctrico 
Eficiencia térmica óptima 
Densidad del aire 
Eficiencia de conversión 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO Xl 
Subíndices 
Símbolo 
abs 
amb 
c 
ced 
e 
des 
e 
m 
o 
opt 
max 
s 
SIC 
SIT 
t 
term 
VI 
VII 
BKI 
TI 
TII 
Br 
Kl 
K2 
Significado 
Absorbido 
Ambiente 
Compresor 
Cedida 
Suministrado 
condiciones de punto de diseño 
entrada 
Motor 
atmosférica 
Óptima 
Máxima 
Suministrado 
Isentrópico del compresor 
Isentrópico de la turbina 
Tiempo 
Térmica 
Aire entrando al compresor 
Aire saliendo del compresor 
Aire entrando a la cámara de combustión 
Gases de combustión entrando a la turbina 
Gases de combustión saliendo de la turbina 
Gas combustible entrando a la cámara de combustión 
Aire enfriamiento entrando a la turbina antes del plano 2 
Aire enfriamiento entrando a la turbina detrás del plano 2 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
Xll 
Lista de figuras 
Lista de figuras Página 
Figura 1.1 
Figura 1.2 
Figura 1.3 
Figura 1.4 
Figura 1.5 
Figura 1.6 
Figura 1.7 
Figura 1.8 
Figura 1.9 
Figura 2.1 
Figura 2.2 
Figura 2.3 
Figura 2.4 
Figura 2.5 
Figura 2.6 
Figura 2.7 
Figura 2.8 
Figura 2.9 
Figura 2.10 
Figura 2.11 
Figura 2.12 
Figura 2.13 
Figura 3.1 
Figura 3.2 
Figura 3.3 
Figura 3.4 
Figura 5.1 
Evolución del rendimiento en la generación de energía eléctrica. 4 
Comparación de emisiones contaminantes de diferentes centrales 
eléctricas que utilizan combustibles fósiles. 5 
Configuración de una central de ciclo combinado. 6 
Demanda mundial de energía primaria y el gas natural en el mundo. 7 
Incremento de eficiencia térmica en el tiempo para ciclo simple y 
combinado, en turbinas de combustión [Bannister et. Al, 1996]. 11 
Temperatura de entrada a turbina (TIT) de la familia de TG 
Westinghouse 501 [Bannister et. Al, 1996]. 11 
Los avances en temperatura de entrada a turbina [Mitsubishi Power 
System, 2000]. 12 
Los avances en eficiencia y potencia [Mitsubishi Power System, 
2003]. 12 
El parque de generación de energía eléctrica en la República 
Mexicana clasificado por tipo de tecnología [CFE, 2004]. 13 
Esquemas de la turbina de combustión. 21 
Diagrama presión - volumen del ciclo Joule. 22 
Diagrama temperatura - entropía de la turbina de combustión. 22 
La turbina de combustión tipo "F" (Ciclo Brayton). 25 
Trabajo de la turbina contra el trabajo del compresor. 28 
Calor suministrado contra el trabajo motor. 29 
Eficiencia térmica contra el trabajo motor. 29 
Diagramas de la temperaturas ambiente, a la salida del compresor 
ya la entrada de la turbina, trabajo motor adimensional y eficiencia 
térmica en función de la relación de presiones. 30 
Flujo de aire contra flujo de combustible. 31 
Diagrama de trabajo motor potencial, eficiencia térmica, flujo de 
aire y flujo de combustible en función de la relación de presiones. 32 
Eficiencia térmica contra la relación presiones a diferentes coeficientes 
adiabáticos. 33 
Eficiencia térmica contra la relación de presiones a diferentes 
temperaturas ambiente. 
Eficiencia térmica en función de la eficiencia isentrópica del 
compresor a diferentes eficiencias isentrópicas de la turbina. 
Modelo simplificado de la turbina de combustión tipo "F". 
Mapa modelo del compresor para turbinas de combustión. 
Generación de la curva de control para turbinas de combustión. 
Volumen de control de acuerdo al estándar internacional ISO 2314. 
Algoritmo del SE. 
33 
34 
49 
50 
53 
54 
78 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
X111 
Figura 5.2 
Figura 5.3 
Figura 5.4 
Figura 5.5 
Figura 5.6 
Figura 5.7 
Figura 5.8 
Figura 5.9 
Figura 5.10 
Figura 5.11 
Figura 5.12 
Figura 5.13 
Figura 5.14 
Figura 5.15 
Figura 5.16 
Figura 5.17 
Figura 5.18 
Figura 5.19 
Figura 5.20 
Puntos principales de medición para medir el desempeño térmico 
en TG tipo "F". 79 
Carga y régimen térmico, G-R3. 80 
Temperatura aire entrada compresor (Tin) y potencia, G-R3. 81 
Temperatura aire entrada compresor (Tin) y régimen térmico, G-R3. 81 
Temperatura aire entrada compresor y temperatura escape, G-R3. 82 
Temperatura aire entrada compresor y consumo térmico, G-R3. 82 
Carga de TG y eficiencia térmica, G-R3. 83 
Carga y consumo de combustible, G-R3. 83 
Temperatura aire entrada compresor y factor de corrección al 
desempeño ISO, W-R4. 84 
Pérdidas de presión de aire entrada compresor y factor de corrección 
desempeño ISO, W-R4. 84 
Pérdidas de presión de los gases de escape y factor de corrección, 
al desempeño, W-R4. 85 
Ventana principal del sistema experto (datos entrada TG-Tuxpan). 87 
Ventana del módulo de emplazamiento de la turbina de combustión. 88 
Ventana del módulo de cálculo del poder calorífico del GN. 89 
Reporte del módulo de cálculo del poder calorífico del GN. 90 
Ventana del módulo de reportes del desempeño térmico. 91 
Gráfico comparativo del proceso de validación del SE con datos 
operativos históricos de potencia neta con respecto al tiempo. 97 
Gráfico comparativo del proceso de validación del SE con datos 
operativos históricos del régimen térmico con respecto al tiempo. 98 
Gráfico comparativo del proceso de validación del SE con datos 
operativos históricos de la temperatura de gases de escape con 
respecto al tiempo. 98 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO XIV 
Lista de tablas 
Lista de tablas 
Tabla 3.1 
Tabla 3.2 
Tabla 3.3 
Tabla 4.1 
Tabla 4.2 
Tabla 4.3 
Tabla 4.4 
Tabla 4.5 
Tabla 4.6Tabla 4.7 
Tabla 4.8 
Tabla 4.9 
Tabla 4.10 
Tabla 5.3.1 
Tabla 5.3.2 
Tabla 5.3.3 
Tabla 5.3.4 
Tabla 5.3.5 
Tabla 5.3.6 
Tabla 5.3.7 
Requerimientos del combustible y límites contaminantes 
PPM (peso). 
Grados de combustible líquido para turbinas de combustión. 
Especificación de combustible. 
Costo unitario de generación, precios medios [MXN $/MWh]. 
Costo unitario de inversión, precios medios [MXN $IMWh]. 
Parámetros básicos para el costo de generación. 
Escenario medio de evolución del precio externo (USD, 2004) de 
referencia de los combustibles, tasa de descuento de112%. 
Características y precios de los combustibles, precios medios. 
Equivalencias entre unidades caloríficas. 
Eficiencia de conversión" [COPAR, 1er. Semestre 2004]. 
Costo de generación por concepto de combustible, precios medios 
[MXN $IMWh]. 
Costo nivelado de inversión, precios medios [MXN $/MWh]. 
Costos de operación y mantenimiento, precios medios. 
Tabla comparativa de validación del modelo G-R3 con 
condiciones de diseño, a plena carga. 
Tabla comparativa de validación del modelo W-R4 con 
condiciones de diseño, a plena carga. 
Tabla comparativa de validación del modelo G-R3 con 
datos de pruebas en sitio, a plena carga. 
Tabla comparativa de validación del modelo W -R4 con 
datos de pruebas en sitio, a plena carga. 
Tabla comparativa de validación del modelo W-R4 con 
datos operativos en sitio, al 40% de carga base. 
Tabla comparativa de validación del modelo W-R4 con datos 
operativos en sitio, a cargas mínimas. 
Tabla comparativa de validación del SE con datos operativos 
históricos de campo con respecto al tiempo. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓM1CO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
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93 
93 
93 
94 
95 
95 
96 
xv 
CAPÍTULO 1 
Introducción 
La energía eléctrica es la forma de energía básica del mundo moderno, 
constituyéndose como responsable fundamental del alto estándar de vida y creciente 
industrialización de gran parte de nuestro planeta. Su consumo masivo se ha 
expandido constantemente a lo largo del siglo XX, duplicándose aproximadamente 
cada 10 años, por lo que su disponibilidad representa uno de los grandes desafio s 
para el siglo XXI. 
Cuatro distintas funciones son necesarias para que la población pueda contar con 
este recurso: GENERACIÓN, TRANSMISIÓN, DISTRIBUCIÓN y 
COMERCIALIZACIÓN, lo que hace que, en ese sentido, la oferta de energía 
eléctrica resulte similar a la de cualquier otro producto de consumo masivo. Sin 
embargo, también debe destacarse que la electricidad tiene una característica 
particular: bajo la forma de corriente alternada no puede almacenarse. Por 
consiguiente, debe ser generada y consumida simultáneamente. En consecuencia, la 
capacidad de generación debe ser tal que pueda estar en condiciones de satisfacer, 
inmediatamente, toda la demanda cuando ésta se produzca. 
Los centros de producción de energía eléctrica en México, llamados genéricamente 
CENTRALES, en la actualidad explotan tres fuentes BÁSICAS de energía primaria: 
las de origen TERMO-QUÍMICO, que representan alrededor del 68.84% del total; 
las de origen HIDRÁULICO, el 24.96% ; TERMONUCLEAR, el 3.64% y para la 
producción del restante 2.56%, que actualmente se emplean fuentes llamadas no 
tradicionales, tales como la EÓLICA y GEOTÉRMICA. 
Con la necesidad de encontrar en las actuales tecnologías de generación de energía 
eléctrica un aumento sustancial de eficiencia de manera continua, bajas emisiones 
contaminantes, demostrada viabilidad técnica y ventaja económica así como, de un 
funcionamiento fiable y elevada disponibilidad en comparación con los sistemas 
actuales convencionales, la turbina de combustión sobre este contexto ha llegado a 
colocarse como una de la tecnologías más factibles de utilización actualmente. 
En los avances en el desarrollo de las turbinas de combustión, lo primero que se 
tiene en mente es el mejoramiento de las propiedades termodinámicas de potencia y 
eficiencia, especialmente con respecto a los procesos de generación de energía 
eléctrica en ciclo abierto y combinado. Una mayor potencia generalmente significa 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 1 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
ahorros en los costos específicos de construcción, operación y mantenimiento de la 
central de potencia. Una mayor eficiencia resulta directamente en una reducción en 
el consumo de combustible y en consecuencia bajos costos de operación. Ambos de 
estos parámetros reducen los costos de generación por k Wh y son así un beneficio 
económico directo para la central de potencia y para los consumidores finales. El 
mejorar la eficiencia también tiene efectos positivos sobre el ambiente, en la 
reducción de emisiones de C02 y en la conversión de los recursos energéticos 
primarios, y por supuesto en la reducción de los constituyentes de los gases de 
escape, en particular NOx, ca, hollín e hidrocarburos no quemados. 
1.1 Uso racional de la energía 
El uso racional de la energía tiene sentido por muchas razones. Hace descender los 
costes energéticos de los usuarios, tiene un efecto ambiental positivo, reduce la 
dependencia de países de la energía importada y amplia la seguridad de suministro 
de las fuentes finitas de energía natural. 
La utilización racional de la energía no es solo una cuestión de uso final prudente de 
la energía por los consumidores, supone varias etapas: 
• selección de la fuente energética correcta, 
• planificación de los medios correctos de producción, transformación y transporte de 
energía final, 
• promoción del uso final de mejor rendimiento de la más apropiada fuente 
energética. 
El gas natural ofrece soluciones racionales para todos estos aspectos de servicio de 
suministro de energía. Los tres puntos clave que aseguran un uso racional del gas 
natural son: 
• utilizarlo directamente para evitar pérdidas en la conversión, 
• desarrollar aplicaciones y equipos avanzados, 
• información y servicios orientados al cliente para asegurar el uso eficiente del gas, 
natural. 
1.2 Generación de energía eléctrica y el ambiente 
La electricidad que nosotros consumimos, y que se transporta a través de una red de 
transmisión, se produce básicamente al transformar la energía cinética en energía 
eléctrica. Grandes centrales de generación eléctrica, 9 tecnologías típicas son: 
• Combustión en lecho fluidizado a presión (PFBC) 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
2 
• Ciclo combinado (TGCC) 
• Central térmica que utiliza biomasa o residuos como combustible 
• Grandes turbinas eólicas terrestres 
• Células solares fotovoltaicas 
• Central eléctrica de lignito con desulfuración 
• Central eléctrica de fuelóleo pesado, de bajo contenido en azufre 
• Turbina de combustión o gas de ciclo 
• Gran reactor nuclear de agua presurizada (PWR) o en ebullición (BWR) 
Las plantas de energía eléctrica alimentadas con gas serán un elemento clave del 
Centro Regional de Energía. Gracias al uso de la tecnología más avanzada y 
probada de turbinas de gas, estas plantas se encontrarán entre las más eficientes del 
mundo y cumplirán con los más estrictos estándares de emisiones. 
La generación de energía eléctrica por sistemas convencionales tiene rendimientos 
del 35-40% y con hasta un 50% de la energía primaria consumida desperdiciada 
como calor residual. 
La generación de energía eléctrica en general se realiza por medio de las 
tecnologías disponibles en la actualidad, centrales hidroeléctricas, termoeléctricas, 
eólicas y nuclear. 
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 impactoambiental. 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 yen nuevas centrales de 
ciclo combinado permite alcanzar ahorros de energía de entre el 15 Y el 40%. La 
investigación y desarrollo de nuevas tecnologías está abriendo continuamente 
nuevas fronteras con rendimientos todavía mayores y por consiguiente menos 
contaminación. 
Son razones para el renovado interés en el uso del gas natural para generación de 
electricidad: 
• el desarrollo de turbinas de combustión o gas (TG) y ciclos combinados a gas con 
turbina de gas (TGCC), 
• el considerable menor impacto ambiental 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 TG y TGCC pueden ser construidas con relativa rapidez y con costos 
de inversión relativamente bajos. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
3 
Estas ventajas han coincidido con la creciente preocupación sobre el daño 
ocasionado por la lluvia ácida causada por las emisiones de S02 y NOx y por el 
papel de las emisiones de CO2 provocadas por el hombre sobre el creciente efecto 
invernadero. 
La tecnología de la TGCC es la de más alto rendimiento de entre las tecnologías 
basadas en combustibles fósiles disponibles para generación de electricidad. 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. 
A lo largo del desarrollo de la tecnología de turbinas a gas convencionales el 
rendimiento eléctrico se ha aumentado desde alrededor de un 25% hasta un 36%. 
Este rendimiento se ha incrementado todavía más con la aplicación de los ciclos 
combinados de turbina de gas que aportan en la actualidad rendimientos del 50-51 % 
con un ahorro de combustible de hasta el 30% en comparación con los sistemas 
tradicionales con turbina de vapor. 
La figura 1.1 ilustra la evolución del rendimiento en la generaclOn de energía 
eléctrica y también los altos rendimientos todavía por alcanzar con tecnología 
TGCC. En la actualidad el ritmo de mejora del rendimiento con esta tecnología es 
del orden del 1 % anual esperándose que el rendimiento de las grandes centrales 
aumente hasta el 55% en un futuro próximo, siendo previsibles rendimientos 
máximos de alrededor de un 60% dependiendo del desarrollo de las turbinas de gas. 
Fig. 1.1 Evolución del rendimiento en la generación de energía eléctrica. 
- Ciclo Combinado (Gas Natural) 
_ Central Ténnica (Convencional) % RENDIMIENTO NETO 
25 
20 
15 
10 
5 
o I ! I 
1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2025 
Fuente: http://www.sedigas.es/ambiente/natural.html 
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A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
4 
La figura 1.2 compara las emisiones de S02, NOx y CO2 de diferentes tecnologías 
que utilizan combustibles fósiles. 
Los gráficos anteriores demuestran con claridad que las emisiones por unidad de 
electricidad producida con ciclos combinados (TGCC) a gas natural son 
considerablemente menores que las que se dan en nuevas plantas que utilizan 
carbón. Los datos se refieren a valores medios. Estas cifras pueden variar en función 
de la tecnología empleada de la Central 
Fig. 1.2 Comparación de emisiones contaminantes de diferentes centrales eléctricas 
que utilizan combustibles fósiles. 
Eficiencia de conversión y emisiones para diferentes tecnologías [g/kWh] 
Eficiencia CO2 S02 NOx COV's CO N20 P. Sólidas Cenizas 
Carbón 36 909 12,6 4,1 0,1 0,17 0,45 0,54 6,0 
Fuelóleo 37 727 8,0 2,6 0,1 0,16 0,42 0,24 0,03 
Gas Natural 38 482 0,01 1,0 0,01 0,01 0,19 ° ° Carbón lecho 37 884 0,84 0,42 n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 
fluidizado 
Carbón 42 779 0,30 0,30 n.d. n.d. n.d. n.d. n.d. 
gasificación 
iotegl:ada C.C. 
I Gas Natural 58 316 ° 0,27 ° ° 0,13 ° °1 C.C. 
Fuente: rFundación Boschi Gimoera. 20021. 
1.2.1 Gas natural para cogeneración termoeléctrica 
Las mayores ventajas de la tecnología de uso del gas natural se alcanzan cuando la 
producción de calor y electricidad se efectúa en forma combinada. Para que esto sea 
técnica y económicamente viable se requiere la existencia de una demanda 
simultánea de calor y electricidad cerca de la central. 
Ventajas principales de la cogeneración: 
• Eficiencia energética 
• Eficiencia económica 
• Eficiencia ecológica 
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A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
5 
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 desarrollo de las turbinas de gas ha aumentado el atractivo de la cogeneración 
para usos industriales y comerciales. Siempre que sea factible, se ahorran cantidades 
considerables de energía por el cambio de los sistemas individuales de producción 
de calor o vapor para proceso industrial o calefacción a sistemas de producción 
combinada de calor (o frío, por ejemplo para aire acondicionado) y energía eléctrica. 
Normalmente en sistemas de cogeneración industrial se utiliza hasta el 85-90% de la 
energía primaria consumida. Los sistemas de producción combinada de calor y 
electricidad constituyen también una atractiva opción en soluciones integradas de 
suministro descentralizado de energía, la figura 1.3 muestra una de la grandes 
centrales de generación eléctrica. 
Fig. 1.3 Configuración de una central de ciclo combinado. 
GAS NATURAL/ 
ln~ 
Tr.ns'ormMJo~---------" Post CDmbustJ6n (Opclonill) 
...J 
TurbiM de Gas 
~
Ab¡erto 
Sistema de Torre Natural 
Refrigeraci6n Tiro Forzado 
Aerocondensador 
1.2.2 Perspectivas para las reservas de gas natural 
En todos los sectores del mercado energético y en casi todos los usos finales, el gas 
natural compite con otros combustibles y formas de energía. En la actualidad, el gas 
natural representa el 20% de la demanda de energía primaria mundial [OLADE/CE-
SIEE, 2001] siendo estos porcentajes del 32% en el caso del carbón y del 36% del 
petróleo. 
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A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
6 
Las reservas probadas de gas natural son abundantes y han crecido 
acompasadamente en las últimas décadas. 
Fig. 1.4 Demanda mundial de energía primaria y el gas natural en el mundo. 
6.000,--------,-----------, 
5,000 
4,000 
Cll 
~ 3,000 
2,000 
Hydro power 
N I Non·hydro renewables 
l==~~~u;ce;a;rp~ow~e~r--;;~-;;~~~~~~~~ O 
1,000 
1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 
Fuente: [Marzo, 2003] 
11 EUR OPA OCCIDENTALE 
11 ASIA E ACI l e o I" OUsr 
NORD ERICA 
EUROPA O IEHU LE 
ASIA GE NTRALE 
11 ASIA E PAC IFICO PVS 
~1EDIO Ofll EN E 
AFRICA 
O AMERICA L¡\ I A 
A pesar de haberse 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 ver figura 1.4. 
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, 10 que 
prolonga el tiempo de vida previsto para sus reservas y asegura que el gas natural 
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A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
7 
puede actuar comouna energía puente hacia otro sistema energético en un futuro 
lejano. 
El cambio a gas natural, una medida positiva para el ambiente. En la mayor parte de 
los casos, el objetivo de reducir la emisión de contaminantes de 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 los 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. 
1.3 Las máquinas térmicas en el contexto de la energética 
El desarrollo socioeconomlCO y demográfico de la humanidad conlleva a unas 
necesidades energéticas cada vez mayores, motivadas, entre otras por: 
• El consumo energético del hombre postindustrial es del orden de las 60-100 veces 
mayor que el necesario para satisfacer sus necesidades energéticas mínimas 
(valoradas en 8500 kJ/día aproximadamente). 
Las causas de este consumo están relacionadas con el progresivo modo de vida 
adoptado: manufactura y síntesis de materiales no naturales, transportes, 
calefacción, refrigeración, iluminación, mecanización, energía pérdida asociada a 
ínterconversiones, transporte y almacenamiento de energía. 
A nivel mundial ocurren una serie de fenómenos que inciden en el aumento de 
consumo de energía: 
• La población mundial crece de forma casi exponencial, (explosión demográfica), 
aunque se haya atenuado el ritmo de crecimiento, la población se duplica cada 37 
años aproximadamente. 
• Existe una relación casi lineal entre el PIB y el consumo energético per cápita. 
Además en los países en vías de desarrollo al consumo energético aumenta más 
rápidamente que su PIB. 
• Aumento constante de países en vías de desarrollo que se incorporan al conjunto de 
países desarrollados, por ejemplo el caso de España en los años 80, o el caso de 
China en la actualidad. 
Este efecto combinado del aumento de población y desarrollo causa que la demanda 
energética mundial se duplica cada 22 años. 
Los recursos energéticos terrestres explotables con la tecnología actualmente 
disponibles son limitados y es por ello que conviene consumirlos en la forma más 
rentable posible y con el mínimo impacto ambiente posible [J.J. de Felipe, 1999]. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
8 
La electricidad que se consume, y que se transporta a través de una red, se produce 
básicamente al transformar la energía cinética en energía eléctrica. Para ello, se 
utilizan turbinas y generadores. Las turbinas son equipos sofisticados que, 
impulsados por una energía externa provocan el movimiento de unas turbinas 
interiores. Los generadores son aparatos que transforman la energía cinética de una 
turbina, en energía eléctrica. 
Las turbinas son máquinas rotativas. Se clasifican en tres grandes grupos: 
• Las turbinas hidráulicas, que son las más antiguas, usan el agua como fluido de 
trabajo. 
• Las turbinas a vapor, que su fluido de trabajo es el vapor de agua. 
• Las turbinas de gas, que son las más actuales. Se diferencia de las anteriores en el 
sentido de que la combustión se realiza dentro de la máquina. Su fluido de trabajo 
son los gases de combustión. 
Las turbinas a gas pueden operar como sistemas abiertos o cerrados. Para el ciclo 
abierto los elementos principales son: turbina a gas, compresor, cámara de 
combustión y turbina. Para el ciclo cerrado estos elementos son: turbina y dos 
intercambiadores de calor siendo el ciclo abierto el más común. 
Las turbinas de gas tienen temperaturas de salida de los gases de combustión de 450 
a 600 oC y un caudal de gases de combustión de 12 kglh por kW. Estas dos 
características hacen que sea más fácil el aprovechamiento del calor de los gases de 
escape. 
La energía del combustible que entra en una máquina se utiliza de la siguiente 
manera: 
• Energía eléctrica 30 a 35%. 
• Energía térmica 60 a 65%. 
• Pérdidas 5 a 10%. 
1.3.1 Evolución de la turbina de combustión 
La desregulación en el plano mundial de la industria de generación de energía y la 
aparición de un mercado mercantil de planta ha acelerado la demanda de mayor 
eficiencia y plantas de energía de bajo costo. El impulso por mejorar la eficiencia ha 
sido reforzado también por el crecimiento del calentamiento global, el cual ha sido 
atribuido por la combustión de los combustibles fósiles. En vista de esas demandas 
de mercado las compañías que manufacturan estas máquinas han constituido un tipo 
de tecnología "F" designada estándar. 
La importancia de estudio y análisis así como, los éxitos de la generación de energía 
por turbinas de gas pueden ser explicados por la interacción de: 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMlCO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 9 
• mejoras técnicas tales como avances en materiales e innovaciones de enfriamiento 
que ayudaron a incrementar la eficiencia de la turbina a gas y ciclo combinado 
haciéndola más competitiva en el mercado de generación de potencia, 
• disponibilidad de gas que interactúa con las mejoras técnica, 
• disminución de emisiones contaminantes a la atmósfera y, 
• cambios en las condiciones de mercado. 
A través de la experiencia operativa y evaluación de costos del equipo, instalación, 
operación y mantenimiento, eficiencia térmica y vida útil de los componentes. La 
introducción en la operación comercial de la máquina clase "F" en los comienzos de 
los 90' s fue impulsada por las concurrentes necesidades de la anteriores 
interacciones ya mencionadas. Después de casi una década de estar operando este 
tipo de máquinas han acumulado sobre 2.6 millones de horas en todos los modos de 
operación (carga base, cíclica y pico) y han acumulado una taza de 100,000 horas 
por mes [GE Power System, 2001]. 
1.3.2 Avances tecnológicos 
Los diseñadores de las turbinas de combustión están obligados a buscar 
oportunidades para mejorar la eficiencia, fiabilidad y costo de mantenimiento para 
evitar invalidar la base de la experiencia en máquina. Esta experiencia proveniente 
de cualquier producto de turbina de combustión, que beneficia a múltiples líneas de 
producto. La Figura 1.5, 1.6 Y 1.7 muestran la evolución incremental de la eficiencia 
y de la temperatura de entrada a turbina conforme las clases A, B, D Y E fueron 
desarrollándose hasta la introducción de la máquina clase "F" y "G". Muchos 
factores conducen ha tomar la decisión de introducir al mercado el tipo más 
avanzado de tecnología y que este mismo de los resultados esperados, una vez que 
las máquinas "F" fueron introducidas al mercado internacional, el avance 
tecnológico o experiencia operativa sobre la línea de este producto ha ayudado a 
conducir más allá la evolución de la viejas máquinas de clase A, B, D Y E. 
Asimismo, el producto de la próxima generación, las máquinas G y H tendrán un 
avance tecnológico superior sobre los productos anteriores siendo estos últimos su 
plataforma de innovación. 
Las mejoras de diseño en la línea de productos "F" son realizadas y basadas 
incrementando mejoras en los materiales, enfriamiento, extendiendo las pruebas de 
laboratorio o de motor y de experiencia operativa ganada. 
De acuerdo al desarrollo tecnológico se tiene estimado que un aumento de 55 oC 
(131 F) en la temperatura de entrada a turbina origina un incremento en la potencia 
de salida de un aumento entre 2 y 4% en la eficiencia. 
Los procesos de desarrollo toman tiempo, porque cada cambio de material puede 
requerir de años de pruebas de laboratorio y campo para asegurar su confiabilidad 
operativa en términos de resistencia a la fluencia, deformación, resistencia a la 
fatiga, resistencia a la oxidación y corrosión, efectos térmicos, etc,. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓNA CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
10 
Fig. 1.5 
Fig. 1.6 
Incremento de eficiencia térmica en el tiempo para ciclo simple y 
combinado, en turbinas de combustión [Bannister et. al, 1996]. 
70% 
• Combined Cycle 
60% • Simple Cycle 
~ 50% 
...J ->-
(,) 40% e 
4> 
'ü • 
fe 30% w 
20% 
10% 
1945 1955 1965 1975 1985 1995 2005 
Temperatura de Entrada a Turbina (TIT) de la familia de TG Westinghouse 
501 [Bannister et. al, 1996]. 
1500 
1400 
_ 1300 
~ 
Q) 
~ 1200 
~ 
~ 1100 
~ 
.... 1000 
900 
800 
1965 
5010 -
• 
5018 
• • 
501 A 501 AA 
I I 
1970 1975 
501 G 
• 
• 
50n 
50105 • 
• 50105 
~ 
1980 1985 1990 1995 2000 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 11 
Fig. 1.7 Los avances en temperatura de entrada a turbina (TIT), [Mitsubishi Power 
System, 2000]. 
I SERIES G I ~I SERIES H I 
1500 oC 
1500 sERIES F I 
1400 
1300 
1200 
1100 
I SERIES D I 
A LA BES Ef\JFR. FDR AIRE 
1000 (MULT~ORlFIClOS) 
OUEM.CON BOa. ANULAR 
900 
Ef\JFR FDR A IRE 
SERPENTIN+ mc 
OUEM.CON BOa. MJL TIA.. E 
Ef\JFR FDR AIRE Y Ef\JFR FDR VAFDR 
(SERPENTIN) 
OUEM.CON BOa. MUL TIA.. E 
mc: Recubrirriento 
Protector Térrrico 
TIT: Terrperatura entrada 
turbina de Pot. 
800 ALABES oeTURBlNA 1RA RUEDA 
Fig. 1.8 Los avances en eficiencia y potencia, [Mitsubishi Power System, 2003]. 
POTo 
MW 
300 
250 
200 
150 
100 
50 
340 
I SERIE O k I ttff& I J SERIE G I 
(1 O, 1 , 1+1 ) 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 12 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
Generalmente los álabes fijos y móviles de la sección turbina son fabricados con 
superaleaciones base níquel, recubrimientos bajo vació con metales especiales 
(platino-cromo-aluminio) para resistir los efectos de corrosión que ocurren a altas 
temperaturas, esto particularmente si existen elementos contaminantes tales como 
N a, V, K. Usando el recubrimiento apropiado estos componentes alcanzan un 
tiempo de vida útil de 30,000 a 40,000 horas de operación para las primeras etapas, 
hasta 80,000 a 100,000 horas para los últimos pasos. 
Uno de los principales motivos que condujo al desarrollado de esta tesis de maestría, 
fue la razón por la cual actualmente en México y gran parte del mundo se realizan 
inversiones muy grandes de dinero para la generación de energía eléctrica utilizando 
una maquinaría como la que se trata en este trabajo. 
Actualmente la eFE, cuenta con un parque de generaclOn con turbinas de 
combustión tipo "F" que equivalen al 5.4% de la capacidad efectiva instalada, en 
contraste con el 69.4% usado por los productores externos de energía (PEE) lo cual 
representa este último el 13.44% de la capacidad de eFE. Por esto, es evidente que 
la turbina de gas de esta tecnología están ingresando a la industria de producción de 
potencia como la más significativa alternativa de crecimiento para combustibles 
fósiles utilizadas principalmente en ciclo combinado. La siguiente figura 1.9 da un 
panorama sobre como esta tecnología se ubica entre otras. 
Fig.1.9 El parque de generación de energía eléctrica en la República Mexicana 
clasificado por tipo de tecnología, [eFE, 2004]. 
PARQLE DE <?BERACIOO DE EN:RGA El..ÉCmICA EN REPU3UCA NEXlCANA 
PCR TIPO DE TEO\O..OOÍA 
CJ.NTlDAD CE CAPPClDAD [M!v'J CAPPClDAD 
CFE CE\fTR.AlES LND6lEi A..PCA EFECTlVA ~ 
1 Vp.pa:/. CXNv8\CICNIIL 'Zl 00 37.48% 
2 HlffiCE..ÉCTRlCA 64 182 24.93% 
3 CAROCEl..ÉCTRICA 2 8 CJ.NTlDAD CAPPClDAD [M!v'J CAPPClDAD 
4~ 6 LND6lEi A..PCA EFECTlVA ~ 
8 GEO'l"m'vtE..ÉCA 7 
9 Tl.ROCG\S MJv1L- o 
10 CCMll.BTlÓ'J I~ 8 
11 CXM3. 1~MJv1L o 
12 EO....CE..ÉCTRlCA 2 
PEE 
LCF 
TOTAL 
Fl.B\ITE: eFE, 2CX)4 
TOTAL 155 
2 
37 
11 0.31 % 
54 0.37% 
19 0.01% 
8 0.01 % 
534 39, 171.~Gif%en 100.00% • 
q 7,322.@ 7,264.~ + I 34 5, 100.00 5,042.00 I 69.4O"U 11I4.ík4" ~~--~~~~~~~III"~ii~· '~· ""·;· 
901 .15 ro4.33 2.22"10 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
13 
1.4 Inteligencia artificial, lA 
Definición: (a) Ingeniería asociada con máquinas programadas para ser imitadoras 
de la inteligencia, entendida en alguno de sus más frecuentes significados. (b) 
Ejercitación de métodos para programar dichas máquinas o para ayudar a la 
inteligencia humana. 
Por ahora será inteligencia artificial toda la tecnología y la ciencia que vaya 
preparando la construcción de un autómata pensante mínimo, esto es, simple y con 
un absolutamente bajo número de atributos indispensables para ser inteligente 
(entendimiento de señales auditivas y visuales, uso del lenguaje natural, etc.). 
La inteligencia artificial es nieta de la ciencia y tecnología de la computación e hija 
de la vida artificial. Se encarga del estudio de la tecnología y la ciencia del diseño 
de máquinas o agentes que realizan tareas que normalmente se asocian con la 
inteligencia humana o de los animales con sistemas nerviosos con algo de 
"inteligencia". Se la puede definir como: 
• una ciencia de lo artificial y como un conjunto de tecnologías computacionales que 
se interesan en cómo se manifiesta 
la adaptación al ambiente, 
el procesamiento del lenguaje natural, 
la representación del conocimiento, 
el razonamiento, 
la resolución de problemas y la toma de decisiones, 
el autoaprendizaj e, 
la percepción por sentidos que en biología son fisiológicos, 
la autorreflexión, etc. 
tanto en el humano, como, en parte, en diversas especies provistas de sistemas 
nerviosos (algunos invertebrados, etc.) y lo aplican o lo imitan (hacen una mímica) 
de los atributos recién listados en máquinas artificiales "universales" de Turing. Las 
técnicas de la lA incluyen, entre muchísimas, brazos robotizados con varios grados 
de libertad, demostración de teoremas y sistemas expertos que diagnostican 
enfermedades y prescriben remedios, creatividad artificial, moralidad humana 
aplicada a la IA, así como la simulación de la inteligencia natural a través de dos 
vertientes: la computación conexionista (redes neurales) y la computación simbólica 
(aplicación de las reglas lógicas). 
Hay en pleno desarrollo una tercera escuela de pensamiento para la IA, que quizás 
resulte promisoria, la de Tim van Gelder, Randall Beer y Marco Giunti presentadas, 
[Glosario de Carlos von der Becke, 2003]. Es la concepción dinámica de la 
cognición. Las técnicas de la inteligencia artificial (IA): 
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A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
14 
• Agentes inteligentes 
Lenguajes tipo Java para IA (JIVE, JavaScripts, App1ets, Lips, Prolog, 
VBScript) 
• Procedimientos para solución de problemas 
Búsqueda ciega 
Búsqueda heurística 
Búsqueda con adversario 
• Planificación 
Planificación de orden parcial 
Planificación práctica 
Planificación y acción 
• Incertidumbre y probabilidad 
Incertidumbre y teoría de probabilidad 
Sistemas de razonamiento probabilista 
Toma de decisiones 
• Aprendizaje 
Aprendizaje a partir de la observación 
El aprendizaje en las redes neuronales y de creencia 
Aprendizaje por refuerzo 
El conocimiento en el aprendizaje 
• Sistema experto 
y algunos otros como: 
• Agentes que se comunican, Procesamiento práctico de11enguaje natural, Percepción 
(robótica), Robótica, Ciencia y tecnología de la computación, Vida artificial (alife), 
Máquina universal de Turing, Adaptación al ambiente, Representación, 
Razonamiento, Inferencia, Robótica, Lógica difusa, Modelo de toma de decisiones, 
Cibernética, Computación conexionista, Computación simbólica, Creatividad, 
artificial, Moralidad humana aplicada a la IA, Dinámica de la cognición, Agentes 
racionales - lógica prepositiva, Conformación de una base de conocimientos, La 
inferencia en la lógica de primer orden, Sistemas de razonamiento lógico. 
1.5 Desarrollo de la tesis de maestría 
En la actualidad nos encontramos inmersosen una verdadera revolución científico-
técnica que ha transformado el conocimiento en un factor de la producción. En este 
contexto y basado totalmente en un análisis energético y económico al tipo de 
turbina de combustión tipo "F", esta tesis es estructurada en 6 capítulos, los cuales 
se describen a continuación: 
El capítulo uno de este trabajo contiene los antecedentes que conllevan a dar el 
panorama de importancia al estudio y análisis de la turbina de combustión tipo "F". 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
15 
El planteamiento se inicia con el uso racional de la energía, las formas de 
generación de energía eléctrica, demanda y ambiente. Con una perspectiva del uso 
del combustible gas natural y de las máquinas térmicas, caracterizando la evolución 
y los avances tecnológicos que han tenido lugar la turbina de combustión. 
Asimismo, introduce teóricamente las inteligencia artificial como marco de 
desarrollo par la elaboración del Sistema Experto. 
El capítulo dos estudia los aspectos teóricos y el análisis paramétrico de la turbina 
de combustión así como, la función y los componentes de los Sistemas Expertos 
como marco de desarrollo par la elaboración del mismo. 
El capítulo tres estudia las ecuaciones que sirven para el desarrollo del modelo 
matemático de la turbina de combustión en ciclo simple para el Sistema Experto 
(SE). El modelo permite calcular los estados termodinámicos de la turbina de 
combustión para diferentes condiciones de entrada y operación. Además, en 
principio será valido para el análisis convencional de una unidad de este tipo. 
Asimismo, describe el modelo matemático que permite desarrollar el análisis 
paramétrico para visualizar el comportamiento de la turbinas de gas con respecto a 
parámetros relevantes. 
En capítulo cuatro contiene el análisis economlCO simplificado basado sobre la 
estimación del costo total de generación compuesto por la suma de los costos de 
inversión, combustible y operación y, mantenimiento. Este modelo económico 
señala a estimar el costo de la energía eléctrica producida para los términos 
anteriores mencionados. Provechosamente valuable puede ser muy fácilmente 
llevado a cabo comparando el precio convenido y el costo global por cada kWh 
generado. 
El capítulo cinco contiene el desarrollo del Sistema Experto (SE) que incorpora los 
datos de aplicación principales de entrada que caracterizan la turbina de combustión 
y los factores de corrección que permiten el ajuste para la aproximación de las 
condiciones reales de operación. Se comparan los datos de diseño de la unidad en 
estudio con los resultados del Sistema Experto construido en base a los modelos 
estos modelos. 
Al final del trabajo se presentan la síntesis, conclusiones y perspectivas de futuras 
líneas de investigación relativas a esta tesis de maestría. 
El Sistema Experto que es la parte principal de esta tesis esta estructurado en cuatro 
partes principales: 
• Emplazamiento de la TG, estas unidades no tienen un funcionamiento estable a lo 
largo del año, ya que las variaciones de los parámetros climáticos condicionan su 
operación. Por este motivo, conocer el grado de dependencia que la TG tiene 
respecto al clima del punto geográfico es un factor muy importante. 
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A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
16 
EMPLAZAMIENTO 
I , 
I , 
I , 
I , 
I , 
I , 
I , 
I , 
I , 
I , 
I ' 
I ' 
I ' 
I ' 
/' " 
" ", 
I , 
I , 
I , 
COMBUSTIBLE 
.---------------~------------~ .------------~----------------
DEGRADACIÓN : : EMISIONES E IMPACTO : 
I I I 
I : : AMBIENTAL : 
,_ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _1 1 ______________________________ 1 
• El combustible, se tiene en cuenta que estas TG tienen sistemas de bajo NOx, 10 que 
permiten que puedan producir un impacto ambiental por kilowatt-hora muy bajo, 
este trabajo es solo apoyado en determinar el poder calorífico de los combustibles 
recomendados por los fabricantes de estos equipos siendo el Gas Natural y Diesel 
No.2. Este último se considera como de referencia y no será utilizado para el 
balance térmico y el análisis económico debido a los grandes impactos de 
deterioración que sufre la turbina de combustión por el uso de este combustible. 
• Se determina el desempeño termodinámico usando como valores de entrada 
además, de los ya anteriores mencionados la potencia bruta a condiciones ISO 
proporcionada por los fabricantes del equipo. 
• El objeto de determinar los costos totales de generaclOn es de conocer los 
principales componentes en que esta constituido este costo, con los parámetros de 
referencia actuales. Los costos del MWh neto generado para este medio de 
generación son expresados en moneda de 2003. 
Puede apreciarse que dentro del estudio de las turbinas de combustión se presentan 
dos aspectos importantes en la operación de estas unidades, uno debido a que 
durante la operación de cualquier sistema generador de potencia, el consumo de 
combustible se ve afectado considerablemente cuando los valores de algunos 
parámetros termodinámicos de operación varían, por cuestiones de operación y 
antigüedad de los equipos y por cuestiones ambientales; y el segundo es que las 
demandas de energía eléctrica no son constantes, ya que tienen un comportamiento 
variable con respecto al tiempo. Los análisis por antigüedad en la degradación por 
efecto del tiempo en los componentes principales del equipo y comportamientos con 
respecto al tiempo así como, el análisis por emisiones no serán tratados sobre este 
trabajo quedando como futuras líneas de investigación relativas a esta tesis de 
maestría. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
17 
Asimismo, el objetivo de este trabajo es elaborar un Sistema Experto que sea una 
herramienta fundamental a través del análisis de su desempeño térmico para la toma 
de decisiones técnico-económicas en campo para la turbina de combustión tipo "F". 
Se conoce de antemano que las ecuaciones y las formulas rara vez pueden sustituir 
enteramente a la experiencia y la intuición en la visión a gran escala de todo 
proceso, sin embargo la descripción aproximada del proceso mediante un modelo 
simplificado que reúne ecuaciones teóricas y prácticas, identificando los parámetros 
clave que afectan el proceso y haciéndolos variar luego de manera ordenada tiene un 
soporte sustancial de lo cual, la profesión de la ingeniería ha desarrollado los 
instrumentos del oficio. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 18 
CAPÍTULO 2 
Caracterización de la turbina de combustión 
La transformación de las fuentes de energía, es uno de los principales problemas en 
la ingeniería, ya que se busca que esta sea mejor aprovechada, desafortunadamente 
en cualquier proceso de transformación energética existen pérdidas reflejadas por la 
disipación de calor que imposibilita su total aprovechamiento. Por tal razón, se 
realizan diversas investigaciones con el fin de mejorar la eficiencia y comprensión 
de los procesos energéticos; apoyándose de diversas ramas del conocimiento, tales 
como: metalurgia, termodinámica, aerodinámica, computación, entre otras, etc. 
Por lo cual un dispositivo que trabaja con base al calor y que logra producir trabajo 
útil se conoce como máquina térmica. Un dispositivo de este tipo es la turbina de 
combustión, también conocida como turbina de gas; que es uno de los medios para 
producir potencia mecánica. 
Actualmente, las unidades de turbinas de combustión en ciclo abierto y combinado 
están entrando a la industria de producción de energía como la más significativa 
alternativa de crecimiento para la nueva generación de combustibles fósiles, 
teniendo un retotecnológico grande desde el punto de vista de la ciencia de los 
materiales y de los procesos termodinámicos. 
Los estudios de mercado muestran que las turbinas de combustión, y con ellas las 
centrales de ciclo combinado, ocupan actualmente el centro de interés en el sector 
de la producción de energía eléctrica, en números notables, las unidades basadas en 
TG están comúnmente siendo instaladas a través de la industria. Las principales 
razones para ello son los bajos costos de inversión y de producción de la corriente 
eléctrica, la rapidez de construcción, la elevada disponibilidad y el bajo nivel de 
emisiones. El desarrollo de la turbinas a gas durante los últimos decenios constituye 
el fundamento para satisfacer las exigencias impuestas a estas máquinas, tanto para 
las actuales como las de la próxima generación [Mark, 2001] [Lee, 2001]. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
19 
2.1 Aspectos teóricos de las turbinas de combustión 
2.1.1 Características técnicas sobre su funcionamiento 
La turbina de combustión es un mecanismo de transformación de energía, 
constituida esencialmente por un turbocompresor y una turbina montada sobre un 
mismo eje. La turbina recibe gas caliente a alta velocidad y presión y convierte la 
energía térmica, cinética y de presión del gas en energía cinética de la paletas o 
álabes, que al girar impulsan el eje a gran velocidad. 
Las turbinas de Combustión se pueden clasificar en dos grandes grupos: Las 
turbinas de Gas de uso industrial y las Turbinas de Gas de uso Aeronáutico. En las 
primeras, sus principales aplicaciones son la generación de energía eléctrica, el 
bombeo de crudo, gases, etc., siendo sus principales configuraciones: Las Turbinas 
de Gas Heavy-Duty, Aeroderivadas, Jet-Expander, Turbinas de Gas con 
Regeneración e Interenfriamiento. En el segundo caso, las Turbinas de Gas son 
empleadas para la propulsión de aeronaves, teniéndose diversos tipos de 
configuraciones dependiendo el tipo de aeronave que propulsan, como: El motor 
Turborreactor, Turbofan y Turbohélice. 
Para el ciclo abierto, tres son los elementos principales de una turbina de 
combustión ver figura 2.1: compresor, cámara de combustión y turbina, y para el 
caso cerrado: compresor, turbina de potencia. El aire entra al compresor y este se 
presuriza a un nivel de 10 a 50 veces que el aire entrante. El aire comprimido 
entonces pasa dentro de un combustor donde el combustible es introducido y 
prendido, en el rango de temperaturas de 1400 a 2000 °F. Los gases calientes son 
entonces conducidos a la turbina de potencia donde son expandidos a la presión 
atmosférica y ésta a su vez produce energía al sistema / componentes incluyendo. 
2.1.2 Ciclo Joule - Brayton ideal 
El ciclo de la turbina de combustión es el ciclo Joule o Brayton . Este se ilustra en 
la figura 2.2, en un diagrama p-V Y uno T-S. En la figura 2.3, se ilustra el ciclo en 
diagrama de bloques. Consta de las siguientes evoluciones: 
En 1 se toma aire ambiente. Este se comprime hasta 2 según una adiabática 
(idealmente sin roce, normalmente una politrópica con roce). Luego el aire 
comprimido se introduce a una cámara de combustión. Allí se le agrega una cierta 
cantidad de combustible y este se quema. Al producirse la combustión se realiza la 
evolución 2-3. Típicamente ésta es isobárica (o casi isobárica, pues se pierde un 
poco de presión por roce). Como a la cámara de combustión entra tanto fluido como 
el que sale, la presión casi no varía. La temperatura T3 es una temperatura crítica, 
pues corresponde a la mayor temperatura en el ciclo además también de la mayor 
presión. 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 
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20 
Fig.2.1 Esquemas de la turbina de combustión. 
Entrilda :aire 
,. 
Salida de gases aire 
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21 
Fig.2.2 
Fig.2.3 
Diagrama presión - volumen del ciclo Joule. 
Qabs 
p 0 + ® 
A 
Cído de Joule 
o Brayfon 
1-2: compresión 
3-3':turb. comp. 
3'-4:turb.trabajo 
AQ=O 
v 
Diagrama temperatura - entropía de la turbina de combustión. 
® - T
3 
® 
~ Ciclo de Joule 
\;v en diagrama 
T 
T-S 
@ 
'i' T \.!I amb 
s 
A continuación viene la expansión de los gases hasta la presión ambiente. Esta 
expansión la debemos dividir en dos fases. En la primera (de 3 a 3'), parte del 
trabajo de expansión se recupera en una turbina que sirve para accionar el 
compresor. En la segunda fase (de 3' a 4) una porción del trabajo de expansión se 
convierte en trabajo mecánico útil, se trata de un turbopropulsor o lo que 
comúnmente se llama turbina a gas. 
Si entre 3' y 4 se continuará con la expansión de los gases en una tobera, el trabajo 
de expansión se convierte en energía cinética en los gases. Esta energía cinética 
sirve para impulsar el motor, tratándose de un turboreactor o lo que comúnmente 
se llama un motor a reacción. 
Finalmente los gases de combustión se evacúan a la atmósfera en 4. La evolución 4-
1 es virtual y corresponde al enfriamiento de los gases hasta la temperatura 
ambiente. 
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A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
22 
Si bien este ciclo se realiza normalmente como ciclo abierto, también es posible 
realizarlo como ciclo cerrado. Es decir tener un fluido de trabajo que siga las 
evoluciones del ciclo. Entre 2 y 3 se le aporta calor externo y entre 4 y 1 se le 
extrae. También es posible realizarlo sin combustión interna, haciendo un aporte de 
calor entre 2 y 3. 
2.1.3 Componentes principales en la TG 
2.1.3.1 Compresor 
El compresor es un componente el cual presuriza el fluido de trabajo. En las 
turbinas de combustión se utilizan dos tipos de compresores, los cuales son 
compresores axiales y compresores centrífugos, algunas de la cuales emplean una 
combinación de compresor axial seguido de un compresor centrífugo. 
En la figura 2.4 el compresor toma el aire ambiente (a PI y TI) Y 10 comprime hasta 
P2 (evolución 1 - 2). Las propiedades termodinámicas a sus entradas y salidas se 
apoyan en la definición de procesos adiabáticos de trabajo sin fricción (en el 
proceso de compresión real es politrópico con fricción), donde el trabajo del 
compresor se puede expresar de la siguiente forma: 
(2.1) 
2.1.3.2 Cámara de combustión 
La sección de combustión, que contiene las cámaras de combustión, está proyectada 
para quemar en ella una mezcla de combustible y aire suministrando los gases 
resultantes a la turbina con una temperatura T3 (evolución 2 - 3) que no exceda el 
límite admisible en la entrada de la misma. La relación aire combustible puede 
variar desde 40 a 120 partes de aire por una de combustible. Un valor razonable es 
50:1. De las 50 partes solo 15 son utilizadas para la combustión, todo el resto se 
bifurca y se utiliza para refrigeración, este proceso prácticamente se efectúa a 
presión constante. 
De las 15 partes el 18% aproximadamente entra al tubo de llama (de lo cual el 10% 
se enciende yel otro 8% pasa alrededor del dardo de llama), el 82% restante pasa 
alrededor sin ser encendido para refrigeración (El 10% se mezcla en la primer mitad 
del tubo y el otro 72% al finalizar). 
El calor suministrado en la cámara de combustión se expresa por medio de la 
siguiente ecuación: 
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23 
(2.2) 
2.1.3.3 Turbina 
En la turbina el aire y los gases producto de la combustión son expandidos 
transformando la energía térmica en energía mecánica, esta proporciona toda la 
energía mecánica y acciona al compresor, con lo que en algunos casos esta acoplada 
directamente. En las turbinas de combustión hay dos tipos de turbinas utilizadasque 
son, expansor de flujo axial y expansor de flujo radial. 
En la figura 2.4 los gases calientes y a alta presión se expanden en la turbina TI. 
Esta turbina acciona el turbocompresor por medio de un eje. 
La expansión en la turbina es hasta las condiciones 3'. Idealmente es expansión 
adiabática sin roce, pero en general es politrópica con roce (evolución 3 - 3~. 
Luego los gases de escape se siguen expandiendo a través de una segunda turbina de 
potencia hasta alcanzar la presión ambiente (P 4, evolución 3' - 4). Esta turbina de 
potencia entrega trabajo al exterior, la ecuación que expresa este trabajo es la 
siguiente: 
(2.3) 
(2.3.1) 
2.2. Análisis paramétrico de la turbina de combustión 
Como se trato en la sección anterior se estudia el comportamiento de turbina de 
combustión mediante el análisis paramétrico del ciclo Joule simple abierto, que 
permite mediante el modelado matemático analizar el trabajo de compresión, el 
trabajo generado por la turbina, el trabajo motor, así como estimar el calor 
suministrado, la eficiencia térmica, los flujos de aire y de combustible. 
Para el análisis se consideró la variante de los siguientes parámetros: temperatura 
ambiente, temperatura de los gases a la entrada de la turbina, eficiencia isentrópica 
del compresor, y eficiencia isentrópica de la turbina y el coeficiente adiabático. 
Los estudios realizados a las turbinas de gas han sido sin duda de gran utilidad para 
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24 
Fig.2.4 La turbina de combustión tipo "F" (Ciclo Brayton). 
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A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
25 
lograr una rápida evolución de estos dispositivos y su óptimo funcionamiento. Un 
gran número de investigadores han trabajo en este campo, C Wu y R. L. Kiang, [C. 
Wu y Kiang, 1991] hicieron un análisis del ciclo Joule simple cerrado y plantearon 
modelos matemáticos del trabajo motor, la relación de presiones óptima para 
obtener el trabajo motor máximo, la temperatura del aire a la salida del compresor y 
la temperatura de los gases a la salida de la turbina. Además de establecer un 
modelo matemático de la potencia que proviene de un arreglo que relaciona a la 
potencia y a la transferencia del calor, que comúnmente se emplea para el diseño de 
intercambiadores de calor. 
En las plantas de potencia es cotidiano buscar un incremento de la eficiencia térmica 
por consiguiente, es necesario conocer las eficiencias isentrópicas de los 
compresores y turbinas, debido a que esta repercute directamente en la eficiencia del 
ciclo Joule. La tecnología actual tiene diversos equipos que pueden satisfacer a la 
misma demanda de potencia pero cada uno con diferentes características de diseño. 
2.2.1. Ciclo de la turbina de combustión simple 
Los procesos que se llevan a cabo en las turbinas a gas se presentan en los 
diagramas temperatura-entropía y presión-volumen de la figuras 2.2 y 2.3 
respectivamente. 
Para realizar el análisis paramétrico se hacen las siguientes consideraciones: 
Turbinas de gas con ciclos Joule de aire estándar (gas ideal); los calores específicos 
Cp y Cv se mantienen constantes. 
No hay caídas de presión a la entrada del compresor, durante el calentamiento en la 
cámara de combustión tampoco a la salida de la turbina de gas. 
2.2.2 Modelo matemático 
Existen diferentes modelos de turbinas de combustión en la industria, los cuales 
tienen cada uno diferentes características de diseño en particular. De este modo, 
cuando se requieren servicios de potencia en algún lugar y se usa este tipo de 
tecnología es necesario saber que las características de diseño de cada equipo esta 
referidas a condiciones estándar (condiciones ISO), lo cual no debe de extrañar que 
cuando se instala el equipo, la eficiencia térmica sea diferente de las condiciones de 
operación específicas termodinámicamente. 
En forma teórica para realizar un análisis paramétrico se hacen las siguientes 
consideraciones: 
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26 
La turbina de combustión con ciclo Joule de aire estándar (gas ideal), los calores 
específicos Cp y Cv se mantienen constantes. 
No hay caídas de presión a la entrada del compresor, durante el calentamiento en la 
cámara de combustión ni a la salida de la turbina de combustión. 
El trabajo motor de una turbina de gas se expresa de la siguiente manera: 
(2.4) 
La relación de presiones óptima con la que se obtiene el trabajo motor máximo es: 
( )1I2X ;r OPT ,W = Y 17 SIT 17 SIC ' (2.5) 
Entonces el trabajo motor máximo se escribe como sigue: 
C pI'¡ f( )112)2 
Wm,max = --~ Y17sIT17sIC -1, 
17sIc 
(2.6) 
El calor suministrado al ciclo Joule es : 
qe = CpI'¡(Y-1--1-(;rX -1)1, 
17sIc ) 
(2.7) 
y la eficiencia térmica se expresa como sigue: 
Y17SIT(l-~)-_l_(;rX -1) 
;r 17SIC 17term = -------....::.:..:'-----
y _l __ l_(;rx -1) 
17sIc 
(2.8) 
La relación de expresiones óptima para obtener la eficiencia térmica máxima es 
igual a : 
;ropt,r¡ = ;ropt,W(l_ 1 J
II2X
, (2.9) 
17term 
SISTEMA EXPERTO PARA EL ANÁLISIS ENERGÉTICO Y ECONÓMICO EN TURBINAS DE COMBUSTIÓN 27 
A CARGA BASE DE TECNOLOGÍA "F" CICLO ABIERTO 
2.2.3. Análisis paramétrico 
El análisis paramétrico permite visualizar el comportamiento de la turbinas de gas 
con respecto a parámetros relevantes. 
En la figura 2.5, al analizar las isotermas, por ejemplo la de T3= 1315 oC, se 
encuentra conforme aumenta la relación de presiones, los trabajos de compresor y 
de la turbina aumentan hasta alcanzar la curva L¡ , la cual representa los trabajos de 
la turbina y del compresor con los que se obtiene el trabajo motor máximo. A 
medida que se sigue incrementando la relación de presiones, ambos trabajos 
aumentan hasta alcanzar curva L2, la cual incluye los trabajos de compresión y de 
expansión en que se obtiene la eficiencia térmica máxima. 
Al analizar las curvas de relación de presiones constante, por ejemplo la de n= 
27.03, se encuentra que a medida que aumenta la temperatura de los gases a la 
entrada de la turbina, T3, el trabajo de la turbina aumenta mientras que el trabajo del 
Fig.2.5 Trabajo de la turbina contra el trabajo del compresor. 
1000 
900 
- 800 el 
.lI: -.., 700 
~ 
~ 
~ 600 k=1.4 
500 
T,=27°C 
11slc=O.85 
11 S1T=O.9 
400 
220 320 420 520 620 
Wc (kJ/kg) 
compresor se mantiene constante. El trabajo de compresión permanece constante a 
que no depende de la temperatura T 3, es decir, solo depende la temperatura T ¡ y de 
la relación de presiones. 
La isotermas de la Fig. 2.6, por ejemplo la de T3 =1015 oC, muestra que con el 
incremento de la relación de presiones, el calor suministrado disminuye mientras 
que el trabajo motor aumenta, y conforme se incrementa la relación de presiones 
llega a la curva L¡, la cual representa los calores suministrados con que se obtienen 
los trabajos motores máximos. 
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28 
Fig.2.6 Calor suministrado contra el trabajo motor. 
Ci 
.lI: --") 
~ .. 
tT 
1300 
1100 
900 
k=1.4 
700 
500 
300+---~--~--~---+---+--~---
80 130 180 230 280 330 380 
wm (kJ/kg) 
Al continuar incrementando la relación de presiones el calor suministrado sigue 
disminuyendo y el trabajo motor comienza a disminuir; la curva L2 contiene los 
calores suministrados y a los trabajos motores donde se obtiene las eficiencias 
térmicas máximas. Al alcanzar el comportamiento de las isobaras, por ejemplo la de 
n= 8.81 se tiene que al aumentar la temperatura de los gases a la entrada de la 
turbina T3, el calor suministrado y el trabajo motor aumenta. 
Al analizar las isotermas de la Fig. 2.7, por ej emplo la de T 3= 1315 oC, se muestra 
que con el incremento de la relación