ÍNDICE INTRODUCCIÓN ……………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………… 2 MÉTODOS DE REGULACIÓN DE LAS TURBINAS DE VAPOR……………......... 3 Regulac!" #$% &a%ac!" 'e la #%e(!" )e'a"*e la)"a'$ e" la &+l&ula 'e a')(!" ………………………………………………………………… ………………………………………………………………… 3 Regulac!" #$% a')(!" #a%cal, $ %egulac!" cua"**a*&a……………………. P%$ce')e"*$( 'e %egulac!" 'e la #$*e"ca 'e la( *u%"a( 'e &a#$%……………………… &a#$%…………………………………………………… ……………………………………………………… ……………………………... …... Regulac!" #$% la)"ac!" $ &+l&ula /"ca ……………………………………….. 0 Regulac!" (ecue"cal ………………………… …………………………………………………… ……………………………………… …………… 1 Regulac!" #$% #%e(!" 'e(la"*e ………………………………………………….. Regulac!" )e'a"*e c$)"ac!" 'e (ecue"cal )+( #%e(!" De(la"*e …………………………………………………… ………………………………………………………………………………. …………………………... REGULACIÓN DE UNA TURBINA MEDIANTE MECANISMO 4IDR5ULICO…… 6 RENDIMIENTO …………………………………………………… ………………………………………………………………………….. …………………….. 7 SOBRECARGA ……………………………………………………… ………………………………………………………………………... ………………... 83 ÓRGANOS DE SEGURIDAD SEGURID AD 9 PRESIÓN …………………………………………. 8CONCLUSIÓN …………………………………………………… …………………………………………………………………………. ……………………. 86 BIBLIOGRA:ÍA ………………………………………………………………………... ………………………………………………………………………... 87
INTRODUCCIÓN Es usualmente necesario controlar la potencia desarrollada por las turbinas de vapor para adaptarla a los requerimientos de la carga. El control puede hacerse al menos de dos maneras: controlando la presión del vapor o controlando cuántas secciones o etapas de la turbina reciben el vapor. El primer tipo implica cambiar la calidad del vapor por lo que se denomina control cualitativo, y el segundo, control cuantitativo.
El primer problema que se plantea es el control de la velocidad, que se tiene que mantener en ciertos casos en un valor determinado, y que hay que limitar a un máximo aceptable en todos, ya que ningún grupo puede soportar una velocidad de, en general, al doble de la velocidad de régimen, por lo que es de vital importancia controlar la velocidad de rotación. En la regulación de turbinas industriales que, aparte de generar energía, suministran vapor a baa presión para el calentamiento, y en las turbinas de las centrales destinadas exclusivamente a la generación de energía mecánica, aparecen otras exigencias por lo que las soluciones que se dan al problema de la regulación varían según el caso, como indicamos en este documento.
MÉTODOS DE REGULACIÓN DE LAS TURBINAS DE VAPOR !ara poder adaptar la potencia de una turbina de velocidad constante a la demanda de una máquina receptora "alternador#, se pueden utili$ar algunos de los siguientes tipos de regulación: •
%egulación por variación de la presión en la admisión, que se consigue mediante laminación en la válvula de admisión o variando la presión en la caldera, "regulación cualitativa#.
•
%egulación por variación del número de toberas activas en la admisión sobre la primera corona, "regulación por admisión parcial o regulación cuantitativa#.
Regulac!" #$% &a%ac!" 'e la #%e(!" )e'a"*e la)"a'$ e" la &+l&ula 'e a')(!" En este tipo de regulación, también llamado regulación cualitativa, el laminado se e&ectúa a entalpía constante. En la regulación cualitativa se reduce la presión del vapor que ingresa a la turbina estrangulando la vena &luida por medio de una válvula, proceso que se conoce como laminación. En este proceso no se intercambia ni calor ni trabao con el exterior, por lo que se trata de una trans&ormación a entalpía constante y con aumento de entropía, lo que implica una caída de presión. En este sistema de regulación de &luido es entregado a todas las toberas locali$adas a lo largo de la peri&eria al mismo tiempo. Esta entrega del &luido se hace a través de la apertura de una o dos válvulas de estrangulamiento instaladas
al inicio de la turbina. 'i la turbina está sometida a una carga de trabao alto y solo consta de una válvula, esta estará abierta en su totalidad para dar un paso máximo de &luido y la potencia requerida para las condiciones de trabao del momento.
Regulac!" #$% a')(!" #a%cal, $ %egulac!" cua"**a*&a En un caso ideal podemos suponer que, por algún mecanismo, en lugar de que el vapor ingrese por toda la corona de toberas en todas las etapas, ingrese sólo por un número de toberas, digamos una &racción de la peri&eria, en todas las etapas. 'i despreciamos las pérdidas por ventilación causadas por las toberas y álabes que no reciben &luo de vapor pero sí están inmersos en el vapor, la e&iciencia de un sector de toberas no debería ser in&erior a la e&iciencia del total. En este sistema de control, el &luido entra en la primera etapa de toberas por medio de válvulas que varían en su cantidad y también conocida como válvulas reguladoras o válvulas de toberas. (ada válvula regula el paso del &luido a grupos de dos o más toberas, teniendo en total hasta doce de estos. !ara cargas de trabao pesadas, estas válvulas reguladoras están abiertas el )**+ de su capacidad, pero cuando presentan cargas de trabao variables, las válvulas reguladoras se abren o cierran dependiendo de la potencia requerida por estas cargas.
P%$ce')e"*$( 'e %egulac!" 'e la #$*e"ca 'e la( *u%"a( 'e &a#$% 'e puede considerar que la potencia de una turbina de vapor es proporcional al producto del caudal de vapor ". -gs# por el salto entálpico "/. 0-g# puesto a su disposición. !or tanto, los procedimientos de regulación de la potencia necesariamente tienen que basarse en la variación del caudal o del salto entálpico del vapor o en ambo simultáneamente. 1a regulación por variación del alto entálpico no se suele utili$ar porque implica variación de temperatura y la vida de cualquier máquina térmica se acorta con las variaciones de temperatura.
1os procedimientos utili$ados en la práctica en lo siguiente: ). 2ctuación simultánea de todas las válvulas con presión y temperatura del vapor constantes, llamado 123452(465 o 7217812 854(2. 9. 2ctuación secuencial de las válvulas, con presión y temperatura vapor constante, llamado también 'E(8E5(421 o 234'4;5 !2%(421. <. 7álvula &ia y variación de presión a temperatura del vapor constante, llamado !%E'4;5 E'14=25>E.
Fig. 1 Línea de expansión isentrópica según el tipo de regulación
?. (ombinación de actuación secuencial de las válvulas con presión y temperatura del vapor constantes "'E(8E5(421# y válvulas &ias con variación de presión a temperatura del vapor constante "!%E'4;5 E'14=25>E#.
Regulac!" #$% la)"ac!" $ &+l&ula /"ca 2 este tipo de regulación el llamado normalmente 123452(465 o 7217812 854(2 porque siempre existe laminación del vapor y todas las válvulas se mueven manteniendo la misma posición relativa y además seria en método aplicable en turbinas peque@a que normalmente tienen una válvula. 1as válvulas abren y
cierran todas al mismo tiempo como si se tratara de una sola válvula. En este caso el vapor su&re un proceso de laminado. En la &igura 9.A.9B se representa en un diagrama de 3ollier, la evolución del vapor dese la llegada a las válvulas de control hasta el escape: )C< laminado en la válvula y
Fig. 2 Variación del consumo especifico en función del tipo de regulación
Regulac!" (ecue"cal 2 este tipo de regulación se le llama 'E(8E5(421 6 234'4;5 !2%(421 porque las válvulas actúan de una en una, a tal que no termine la actuación de una no comien$a la actuación de la siguiente, aunque en la práctica
se admite un
peque@o solape entre ellas. 'i por eemplo e quiere aumentar la potencia desde cero hasta un valor determinado se comien$a abriendo una válvula progresivamente hasta que esté totalmente abierta en este momento se comien$a a abrir la segunda hasta que también qué totalmente abierta e sigue abriendo válvula con esa misma secuencia ha tal que todas estén también totalmente abiertas momento en el que se habrá alcan$ando la potencia nominal. !ara
reducir la potencia e procede a la inversa. !or la &orma de regulación, nunca habrá más de una válvula de regulación en una posición intermedia "laminando el vapor# y las demás estarán o totalmente abiertas o totalmente cerradas. En la práctica siempre hay algún solape entre ellas. El nombre de 234'46 !2%(421 que se da a este tipo de regulación es debido a que cada válvula de regulación envía el vapor únicamente a un sector de la corona de tobera del primer escalón. 'i se consideran únicamente los puntos de la regulación que, de acuerdo con la posición de las válvulas no hay laminación "puntos cundo terminó la apertura de una válvula y aun no comen$ó la de la siguiente#, e puede considerar que no hubo variación en el estado del vapor al atravesar las válvulas y como consecuencia el comien$o de la expansión será el punto 4 y sí esta es isentrópica, el &inal de la expansión crea el punto 9.
Regulac!" #$% #%e(!" 'e(la"*e En este tipo de regulación las válvulas se mantienen en una posición &ia y se varía la potencia mediante variación de la presión del generador de vapor a temperatura constante. El e&ecto de la reducción de la presión del vapor a temperatura constante del despla$amiento sobre la isoterma desde el punto 4 al punto A "entrada a la turbina#, con lo que, aunque la válvulas pueden no producir ningún e&ecto 4 salto entálpico isentrópico que queda a disposición de la turbina es el ACD. El punto representativo del vapor, a la salida de la turbina también se despla$a hacia regiones de menor humedad. E te procedimiento e especialmente utili$able con calderas de circulación asistida, que tienen una meor respuesta a la variaciones de presión. 'e ha considerado la reducción de presión hasta el punto A para que el e&ecto de la caída de presión es el mismo que el correspondiente a la regulación por laminación y tenga sentido la comparación entre ambos.
Regulac!" )e'a"*e c$)"ac!" 'e (ecue"cal )+( #%e(!" 'e(la"*e 'i se consideran los tres tipos de regulación visto anteriormente, aplicado a una turbina de gran potencia y en lugar de representar la &racción del caudal de vapor en &unción de la potencia, se representa la variación del consumo especí&ico "F0FGh# en &unción de la &racción de caudal "+ del nominal, para cada tipo de regulación e obtiene una curva tal como se puede ver en la &igura 9.A.<*. En la curva correspondiente a regulación secuencial aparecen lo mínimo relativo correspondiente a puntos donde no hay ninguna válvula laminando y, entre ellos, las $onas donde el consumo especi&ico aumenta porque hay una válvula laminando. En este caso concreto, cuando se está reduciendo potencia, al cerrar totalmente la cuarta válvula, e alcan$a la admisión mínima, que corresponde al A* +, H a partir de aquí las reducciones de potencia hay que hacerlas cerrando simultáneamente el resto de las válvulas, por lo tanto, desde aquí la curva de regulación e convierte en una de regulación por laminación y la representación será sensiblemente paralela a la curva correspondiente. 1a regulación más ventaosa es la de admisión parcial para la cual, a potencias altas las variaciones del consumo especí&ico un poco importantes por lo tanto parecen lógico que esté sea la utili$ada a potencias altas. 2 potencia reducidas sigue siendo la más ventaosa, pero imaginemos, por eemplo, que al cerrar la cuarta válvula admisión A* +# en lugar de seguir cerrando las válvulas según la correspondiente a regulación secuencial, estas se dean &ias.
REGULACIÓN DE UNA TURBINA MEDIANTE MECANISMO 4IDR5ULICO %egulación de una turbina mediante mecanismo hidráulico. C 1a Iig. muestra un esquema simpli&icado de este mecanismo que consta de una bomba centrí&uga accionada por el ee de la turbina que proporciona el aceite de engrase y de regulación. 8na peque@a parte del aceite que inyecta esta bomba llega, por una peque@a abertura calibrada, a la peri&eria de la bomba de regulación 9 y se esparce en sentido centrípeto a través de este órgano. 1a &uer$a centrí&uga actúa
&rente a esta corriente de aceite que circula hacia el interior y origina la presión primaria de regulación que es proporcional al cuadrado de la velocidad de rotación. 1as peque@as variaciones de la presión se detectan en el trans&ormador de presión < dando lugar a variaciones de presión proporcionales y muchos mayores en el cilindroCrelé ) que acciona la válvula de corredera del motor de laminación A por medio de la varilla D.
Fig. 3 Mecanismo de regulación hidráulico estinhouse
RENDIMIENTO El %e"')e"*$ $ e;ce"ca 'e u"a *u%"a se de&ine como el cociente entre la energía producida por la misma y la energía disponible, es por ello que el
conocimiento del rendimiento de una central hidroeléctrica, dotada con uno o varios grupos turbinaCalternador, se traduce en una meor explotación de la misma mediante la optimi$ación del aprovechamiento del agua disponible, adicionalmente sirve para reali$ar un seguimiento del estado de la unidad, cuyo desgaste y deterioro se traduce en una pérdida de rendimiento de la instalación.
Fig. ! tur"ina hidráulica
El rendimiento de una turbina hidráulica de una central hidroeléctrica puede determinarse por dos métodos: a. 3ediante la reali$ación de ensayos sobre el modelo, aplicando las correspondientes leyes de semean$a. b. 3ediante la reali$ación de los correspondientes ensayos sobre el prototipo, siendo este último el método mas generali$ado. 1a reali$ación de este tipo de ensayos se reali$a habitualmente siguiendo los criterios marcados por alguna de las normas siguientes:
4E( ?) JIield acceptance tests to determine the hydraulic per&ormance o& hydraulic turbines, storage pumps and pump turbinesK.
2'3E !>( )L J/ydraulic turbines. !er&ormance test codesK.
1a di&erencia &undamental entre ambas normas es que mientras que el !>( )L sigue considerando las unidades clásicas re&erentes a salto bruto, neto, etcM en la
4E( ?) se de&inen como energías especí&icas "hidráulica, mecánica, etc.#, expresadas en 0uliosFilogramo "0.FgC)#.
1as ra$ones que usti&ican la reali$ación de un ensayo de rendimiento son múltiples: 7eri&icar que se cumplen las arantías contractuales o&recidas por el
&abricante de la turbina, comprobando que la potencia garanti$ada se consigue sin penali$ar el rendimiento, esto es, mediante un caudal turbinado no mayor que el especi&icado. 7alorar la posibilidad de un incremento de la energía producible
acometiendo el cambio del rodete de la turbina.
(ontrolar el deterioro de la instalación a lo largo de a@os sucesivos.
(ontrolar el caudal turbinado por la máquina o conunto de ellas.
7alorar las alteraciones producidas en el rendimiento como consecuencia de reparaciones o modi&icaciones reali$adas. 2ustar la leva hidráulica o mecanismo palaCálabe de correlación de
aperturas en turbinas de doble regulación. eterminar las pérdidas de carga que se producen en los di&erentes
elementos de la instalación "conducción &or$ada, válvulas, etc.#. 1a expresión que de&ine el rendimiento de la turbina, en +, es:
onde: • •
!aN potencia en barras del alternador, en FGM OaN pérdidas del alternador, en FGM
• • • • • • •
OvN pérdidas en volantes de inercia, en FGM OcN pérdidas en coinetes, en FGM OgN pérdidas en engranaes, en FG. PN densidad del agua, en Fg.mC
Esto es, la e&aluac!" 'el %e"')e"*$ 'e u"a *u%"a conlleva la determinación de una serie de parámetros, de los cuales el caudal es el más importante, ya que su determinación puede reali$arse mediante la aplicación de di&erentes métodos de medidaM bien absolutos: diagrama tiempoCpresión "ibson#, ultrasonidos, molinetes, termodinámico, etc.M bien relativos ó index di&erenciales: GinterC -ennedy, 7enturi, !ecF, etc. 1a elección del método de medida dependerá básicamente de las características de los pasaes hidráulicos de la instalación, del salto, de la accesibilidad y, por supuesto, de la incertidumbre de medida asumible por el propietario.
Fig. #
2demás del rendimiento de la turbina, propiamente dicho, el ensayo de rendimiento permite determinar:
%endimiento del grupo.
%endimiento de la instalación.
%endimiento del circuito hidráulico.
!érdidas de carga en elementos del circuito.
E&ecto del sistema de aireación sobre las prestaciones de la turbina. Iuncionamiento con perturbaciones hidráulicas "antorchas y cavitación# mínimas.
1ímites de inversión de potencia.
Fig. $ %endimiento de la tur"ina
SOBRECARGA !ara prever un margen de potencia, del orden del )*+ al 9*+, más allá de la potencia normal de servicio, algunas turbinas están previstas para &uncionar en sobrecarga, lo que lleva consigo un descenso del rendimiento. 1a sobrecarga se puede obtener: C 2umentando el diámetro de la primera corona y previendo un sector de admisión suplementarioM por este procedimiento el margen de sobrecarga es bastante reducido, L+ al )*+. C 2dmitiendo una parte del vapor vivo después de las primeras coronas, pero tiene el inconveniente de someter a los escalonamientos situados aguas abao a presiones y temperaturas elevadas. C (olocando un byCpass interno que pone en comunicación el vapor que sale de la primera corona con un escalonamiento situado aguas abao.
ÓRGANOS DE SEGURIDAD 9 PRESIÓN 8na línea de seguridad consta, en general, de: & 'no o (arios órganos de detección de las anomalías de funcionamiento & )rganos de transmisión de las órdenes & )rganos de cierre 1os grupos importantes llevan una doble línea de seguridad, siendo indispensable que las dos cadenas de órganos que las constituyen sean rigurosamente independientes. >ambién es necesario que cada línea de seguridad se pueda comprobar periódicamente, incluso con el grupo en marchaM también es necesario que toda avería de un sistema de transmisión de órdenes o de potencia, como la &alta de presión de aceite, dé lugar al cierre de los órganos de parada. 1a vigilancia de la explotación se reali$a con aparatos detectores y registradores automáticos que dan las indicaciones indispensables para la marcha de las máquinas, como: C %egistradores de la dilatación a"soluta de los distintos cuerpos & %egistradores de la dilatación diferencial entre los rotores * el estator & %egistradores de la deformación * la flecha del estator & %egistradores de la posi"le o(ali+ación de los rotores & ,ndicadores * registradores de las (i"raciones de los distintos co-inetes * del desgaste del soporte & %egistradores de la temperatura del (apor * de los distintos puntos del estator etc. El control de la marcha de los grupos se reali$a mediante programa in&ormático, teniendo en cuenta el historial del grupo, como la duración de parada, su estado de re&rigeración, etc.
Fig. / 0suema de regulación de de una tur"ina de (apor lshtom
Fig. 4 0suema de regulación 5ro6&5o(eri para una tur"ina de condensación
Válvulas de regulación y cierre.- 1as válvulas de regulación pueden ser de placa
simple, per&iladas y de doble asiento.
Fig. 7 Vál(ula de distri"ución de pistón de rel8
Fig. 19 Vál(ula de parada so"re la admisión de alta presión
Las (ál(ulas de regulación de placa simple se utili$an para gastos másicos y presiones moderadasM los es&uer$os de maniobra son elevados, por lo que los motores y las varillas son relativamente pesados. 1a estanqueidad es satis&actoria y la velocidad del vapor en la sección más estrangulada se puede admitir del orden de A* a D* mseg. Las (ál(ulas esf8ricas con di&usor, se utili$an con &recuencia, y permiten obtener una reducción de los es&uer$os de regulación, pudiéndose admitir velocidades del vapor de R* BS * mseg. !ara reducir los es&uer$os de maniobra se aumenta su
número. Las (ál(ulas de do"le asiento equilibradas, permiten un gasto másico grande y presiones elevadasM las dilataciones hacen que la estanqueidad sea aleatoria. 1a velocidad de &luo del vapor es del orden de ?*CA* mseg. Las (ál(ulas de parada de cierre rápido, que al mismo tiempo son las válvulas de cierre principal de la turbina, se &abrican de un solo asiento. En el caso de diámetros grandes y presiones altas, se &acilita la maniobra de apertura mediante una válvula piloto, cuya apertura se puede hacer a mano mediante un servomotorM el cierre rápido se produce por puesta en vacío del aceite contenido en el servomotor.
CONCLUSIÓN 1os sistemas de regulación son muy importantes en cualquier proceso de trabao. 3ediante estos sistemas podemos regular la velocidad y la presión a la cual entra el vapor a nuestra turbina, esto con el &in de controlar la e&iciencia de esta. 2sí mismo estos sistemas nos permiten mantener nuestra turbina &uera de peligro, ya que trabaar nuestras turbinas a exceso de carga podría traer graves consecuencias. Estos sistemas de regulación se pueden reali$ar de dos &ormas principalesM mediante válvulas y toberas. 1as válvulas son de muy gran importancia en nuestro sistema ya que con ella se puede regular el &luo volumétrico o másico esto quiere decir que podemos decidir la cantidad de vapor que deseamos pasar por nuestro conducto. 1as válvulas gracias a los avances tecnológicos se ha logrado que se controle por medio de sensores que puede ser de temperatura o de presión. !or otra parte, las toberas y los di&usores regulan la velocidad y de la presión en los conductos. 1as toberas tienen mucha aplicación en el sistema ya que el vapor que sale de la caldera sale con presiones distintas que se requiere utili$ar para mover la turbina, entonces con las toberas o di&usores pueden llegar aumentar o disminuir la presión respectivamente. 6tra &inalidad de estos sistemas de regulación es que sirven como protección. 1as turbinas de vapor son muy importantes, con ellas podemos generar corriente eléctrica, por ello de la importancia de que se trabae a sin cambios bruscos de velocidad, así se obtiene meor rendimiento.
RE:ERENCIAS BIBLIOGR5:ICAS
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