Gas turbines are generally designed to operate with a specific fuel type. Power plants usually use gas turbine models which operate with natural gas, but there is the possibility of using other kinds of gaseous fuels. In some instances, a fuel of a different calorific value may be available near the power plant site, making the use of the fuel of interest to the plant owner. These fuels can be gases obtained from steel (from blast furnaces and coking plants), from gasification processes of coal or biomass, among others. In this work, a performance analysis on a gas turbine, which was originally designed to run on natural gas, was carried out after changing to lower calorific value fuels. For the purpose of this study, a well known gas turbine performance calculation program was used named GasTurb11. A gas turbine model was created and calculated at design point. This model was defined as the reference gas turbine. Off-design performance studies were done to adjust the reference gas turbine with data from the chosen gas turbine. A good agreement was obtained between the results of the model operating with natural gas at off-design point and the data available from literature for the reference gas turbine. After the validation process, further performance tests were conducted while changing the fuel calculation value. A reduction in the compressor';s surge margin was identified when using the fuels studied. Two strategies are adopted in order to study the effects of the surge margin: the first by extracting a portion of the air at the compressor exit in order to recover the surge margin, and the second strategy was to establish a fixed value for the surge margin. These control strategies proved to be technically feasible and ensured that the gas turbine operated safely at off-design point.

Este trabalho investiga os principais mecanismos de degradação de desempenho e propõe uma metodologia de prognóstico de falhas nos compressores e turbinas de turbinas a gás estacionárias. Esta metodologia analisa a história de desempenho do equipamento, com foco na previsão dos parâmetros de desempenho no futuro. Assim, é possível otimizar as intervenções de manutenção com base na condição real desses componentes. A metodologia utiliza grupos quase adimensionais para corrigir os parâmetros da turbina a gás medidos em campo para uma condição ambiente de referência. Após esta correção, um conjunto de equações é utilizado para calcular a eficiência térmica global da turbina a gás, vazão de ar de admissão e eficiências politrópicas de compressores e turbinas. Em seguida, são calculados os desvios entre o desempenho da turbina a gás em campo e o estimado para a turbina a gás nova e limpa operando na mesma potência e condição ambiente. A repetição desse cálculo ao longo da história operacional da turbina a gás permite a obtenção de curvas que descrevem o comportamento médio dos parâmetros de desempenho no passado e a extrapolação dessas curvas permite estimar os valores que serão observados no futuro. Um estudo de caso foi desenvolvido para validar a metodologia através de sua aplicação em uma turbina a gás real. O equipamento analisado é do tipo aeroderivado e está instalado em uma plataforma de petróleo localizada na Bacia de Campos no litoral brasileiro. Os resultados mostram que, baseado nas informações dos instrumentos de medição da turbina a gás, é possível identificar e quantificar a ação de mecanismos de degradação de desempenho nos compressores e turbinas. Na turbina a gás analisada é possível observar que os sais dissolvidos na umidade do ar em atmosfera marítima aceleram a formação de depósitos na turbina a gás, o que resulta na degradação de desempenho. Outro mecanismo de degradação observado é a corrosão a quente nas turbinas do gerador de gases, fenômeno que ocorre pela reação química desses sais com o enxofre dos combustíveis. Este estudo revelou que o ataque corrosivo na turbina foi mais severo no período em que o equipamento operou com óleo diesel. Por último, a metodologia estimou os valores futuros de degradação média dos parâmetros de desempenho da turbina a gás. A análise dessa informação pela equipe de operação e manutenção para a definição do momento mais apropriado para a realização das intervenções de manutenção também depende de outras informações que não fazem parte do escopo deste trabalho.

O desempenho de turbinas a gás pode ser melhorado através do aumento da temperatura do escoamento na entrada da turbina. Porém, há uma temperatura máxima na qual o material pode operar sem que ocorram danos e comprometimento da vida útil do mesmo. Acima desta temperatura limite, torna-se necessário fazer o resfriamento do material. O resfriamento das pás e discos da turbina é feito através do ar extraído do compressor. O fluido refrigerante é ejetado no escoamento principal (circuito aberto) após passar pelo interior da pá e trocar calor com a superfície da mesma. A ejeção é feita através de fendas no bordo de fuga, furos no topo da pá e/ou através de diversos furos ao longo da superfície da pá. Após o fluido refrigerante ser misturado com o escoamento principal, ocorre uma diminuição da temperatura do gás e, consequentemente, uma redução da potência/empuxo do motor. A quantidade de fluido refrigerante necessária para o resfriamento está diretamente relacionada ao limite de temperatura do material, à técnica de resfriamento utilizada e aos requisitos de operação do motor e tem efeito direto nos parâmetros de desempenho do motor. Um programa computacional, denominado CTurb, foi desenvolvido para auxiliar na escolha da técnica de resfriamento, na estimativa da quantidade de fluido refrigerante a ser extraída e na análise de desempenho de motores com turbinas resfriadas. Os métodos de Young e Wilcock e Horlock, Watson e Jones foram implementados para a estimativa da vazão do ar de resfriamento e para o cálculo das perdas associadas ao resfriamento. A análise do efeito do resfriamento no desempenho do motor foi feita através da implementação do CTurb no programa de cálculo de ciclo GTAnalysis. Os resultados obtidos apresentaram boa concordância com resultados disponíveis na literatura aberta e demonstraram a importância de considerar o resfriamento nas estimativas de desempenho de ciclos com resfriamento da turbina.