5.3 Lubricación. Sistemas de aceite de la turbina Este sistema tiene dos misiones fundamentales en las turbinas de vapor: una como elemento hidráulico del sistema de regulación de la turbina, para accionamiento de servomotores y otros mecanismos y otra como elemento lubricante de las partes móviles, como cojinetes, reductores, etc. Dependiendo que la turbina sea a contrapresión o a condensación los sistemas de aceite pueden ser más o menos complejos. 1) Ejemplo de sistemas de aceite en una turbina de contrapresión. Sistema de aceite de lubricación. Sistema de aceite de mando y regulación. Bomba auxiliar de aceite o bomba de puesta en marcha. Puede ser manual o movida por un motor o Bomba incorporada o bomba principal de aceite. Accionada por el eje de la turbina. 2) Ejemplo de sistema de aceite en una turbina de condensación. Sistema de aceite de lubricación. Sistema de aceite de mando o regulación. Sistema de aceite primario. Sistema de aceite de cierre rápido o seguridad. Equipos principales de los sistemas de aceite 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
Tanques de aceite. Bombas de aceite, principal y reserva. Refrigerantes de aceite. Filtros de aceite. Calentador de aceite. Termostato de alta y baja temperatura. Extractor de gases de aceite. Equipos de purificación de aceite. Regulación de la velocidad. Objetivo de la regulación. El objetivo objetivo principal de la regulación de la velocidad velocidad en las turbinas es mantener el número de rpm. constante con stante independientemente de la carga de la turbina. 10. Turbinas de d e pequeña y mediana potencia. Normalmente la válvula de parada p arada de emergencia y de regulación de entrada de vapor es la misma.
Funciones que debe cumplir un aceite de turbinas 1. Lubricar los cojinetes del grupo turbina-generador, y reductor si es que hay 2. Enfriar los componentes 3. Lubricar regulador, transmitir impulsos y los mecanismos de control. 4. No formar herrumbre, corrosión, lodos, barnices,... Propiedades adecuadas para cumplir estas funciones
- Viscosidad adecuada - Resistencia a la oxidación y degradación térmica - Prevenir la herrumbre - Prevenir la corrosión
- Resistencia la formación de espuma - Rápida separación del aire - Rápida separación del agua - Estable al almacenamiento
Mantenimiento predictivo-proactivo a través del análisis del aceite
Estas máquinas se caracterizan por su alto coste de inversión y explotación. Por lo que es crítico detectar, identificar y diagnosticar cualquier problema lo antes posible. Según el EPRI (Electric Power Research Institute) se estima que para una planta de 800 MW el 1% de disponibilidad tiene un valor de 1.000.000 dólares por año. Entre el 20 y 25% de los costes totales de producción, son costes de mantenimiento. Las razones para establecer un programa de mantenimiento, son la necesidad de asegurar un adecuado funcionamiento de la planta, minimizando el riesgo e impacto económico de un paro prematuro o fallo. El análisis de aceite es una de las tecnologías más utilizadas para hacer mantenimiento predictivo de máquinas rotativas. Características principales de los aceites de turbinas
Viscosidad (ASTM-D 445) La viscosidad es la característica física más importante de cualquier lubricante y todavía es más importante en la lubricación de los componentes de la turbina donde el régimen de lubricación es hidrodinámico y el espesor de la película de aceite depende principalmente de la viscosidad del aceite. La carga en los cojinetes se encuentra muy bien distribuida, debido a la conformidad del cojinete con el eje y la alta velocidad, lo que favorece la formación de la llamada cuña hidrodinámica. La selección de la viscosidad adecuada es un factor tremendamente crítico para un funcionamiento correcto de la turbina. Un cambio en la viscosidad puede dar lugar a un posicionamiento del rotor, tanto axial como radial, indeseado. El conocido latigazo de aceite es un problema directamente relacionado con una viscosidad mayor de la necesaria. Los aceites de turbinas son aceites de grados de viscosidad ISO VG 32, 46 y 68 aunque en algún caso pueden llegar a recomendar aceites ISO VG 100. Se debe tener en cuenta que la viscosidad no es un parámetro de calidad del aceite pero sí es un requisito imprescindible para asegurar un comportamiento correcto del sistema.
La temperatura máxima del aceite a la salida de los cojinetes está entre 55 y 70ºC y a la salida del enfriador entre 44 y 45ºC, nunca d ebe estar por debajo de 38ºC ya que la viscosidad aumentaría demasiado. Los aumentos de temperatura del aceite reducen la vida del aceite considerablemente. De acuerdo con la ecuación de Arrhenius un aumento de 10ºC en la temperatura del aceite reduce su vida a la mitad. Un aceite mineral convencional comienza a oxidarse rápidamente a temperaturas por encima de los 82ºC. La mayoría de los cojinetes antifricción de base estaño-babbit empiezan a fallar a partir de 121ºC, muy por encima de la temperatura límite de los aceites convencionales de turbinas. En servicio, la viscosidad debe permanecer constante durante mucho tiempo (años y años), cualquier variación de la viscosidad debe tener una explicación y una causa como la contaminación, oxidación etc. De acuerdo con la guía de mantenimiento de turbinas ASTM-D 4378-97 la viscosidad no admite variaciones superiores al 5% con respecto al valor del aceite nuevo. Es importante resaltar que debe tomar como valor de referencia el aceite nuevo y no el valor típico s uministrado por el fabricante del aceite. Se recomienda realizar el ensayo de viscosidad entre 1 y 3 meses en turbinas de vapor y cada 500 horas en turbinas de gas. El índice de viscosidad mide la variación de la viscosidad con la tempera tura. Los valores típicos de aceite de turbinas suelen ser superiores a 95. No es un parámetro importante de control de estos aceites en servicio. Programa de análisis de aceite en servicio y frecuencia recomendada
Un programa de análisis de aceite de turbinas debe contener rutinas mensuales ó trimestrales y rutinas anuales. Los programas recomendados son los siguientes: Programa de rutina mensual ó trimestral
- Viscosidad cinemática - RULER - Contenido en agua (ppm) - FTIR
- Índice de acidez - Limpieza - Análisis espectrométrico de metales
Programa de rutina anual
Viscosidad cinemática - RULER - Contenido en agua (ppm) - Índice de acidez - Limpieza - Análisis espectrométrico de metales - FTIR
- RPVOT - Herrumbre - Desemulsionabilidad - Espuma - Aire retenido - Tensión interfacial
Análisis espectrométrico de los elementos
ENSAYOS DE CAMPO E INSPECCIONES
Si algunas tareas son importantes en mantenimiento estas son las inspecciones rutinarias y los ensayos a píe de máquina. Para esto se debe usar recipientes de un material transparente para realizar las valoraciones visuales. Se pueden identificar cantidad de características de aceites como: Color: cualquier cambio de color tiene un significado, oxidación, contaminación,... Olor: Olor amargo puede indicar la formación de ácidos por oxidación Entrada de aire: Burbujas de aire significan que el aceite no elimina bien el aire, el aire no debe permanecer después de 15 minutos. Espuma: Después de agitar una muestra, la espuma formada debe desaparecer en menos de 10 minutos. Agua: El aceite de turbinas debe ser transparente, si no es transparente se recomienda hacer el ensayo del crujido. Sólidos: dejar en reposo el bote de aceite e inspeccionar el fondo a 2 horas. Otros ensayos de campo puede ser el análisis de la vida remanente del aceite con el instrumento RULER, viscosímetros, filtración, etc. CONCLUSIONES
Los aceites de turbinas son líquidos de alta calidad, los depósitos son de gran capacidad y deben de tener una vida muy larga en la máquina.
Requieren un cuidado y unas rutinas de mantenimiento adecuado para conseguir un adecuado funcionamiento. Hay una guía de mantenimiento ASTM-D 4378- 97 “In service monitoring of mineral turbine oil for steam and gas turbine ” que da información muy valiosa sobre los análisis de rutina, valores críticos y frecuencia de muestreo.
5.4 Equipo de regulación e instrumentosde control 5.4.1 Equipo de regulación Una estación de regulación y medida esta compuesta pr incipalmente por los siguientes equipos: · Filtros : limpian el gas de las posibles impurezas sólidas que se pudiesen arrastrar. Pueden ser de varios tipos: de cartucho, ciclónicos, etc. Además de los filtros anteriores se colocan otros antes de la turbina para conseguir un filtrado más fino, intentando que no pase ninguna impureza. · Válvulas reductoras de pres ión : si el gas tiene más presión de la que se necesita en al turbina, tendrá que atravesar unas válvulas reductoras de presión hasta ajustarse a la necesaria. · Compresor para el aumento de presión : si por el contrario el gas de la línea de suministro tiene una presión inferior a la necesaria, será necesario comprimirlo. Es posible que subsistan los dos sistemas (compresión y expansión) en la misma ERM, ya que la presión del gas puede fluctuar, por efectos sobre el suministro de otros consumidores. · S is tema de precalentamiento para elevar el punto de rocío , debe disponerse de un sistema de calefacción para evitar congelaciones del agua que pudiera contener el gas. Hay que tener en cuenta que ante una expansión, el gas pierde temperatura. Si como efecto de una expansión la temperatura bajara por debajo del punto de rocío, el agua contenida podría congelarse , provocando la formación de hielo, cosa que no interesa ya que serían como proyectiles, sobre todo en la turbina de gas. El gas se calienta sólo ligeramente, hasta alcanzar los 15 o 20 grados. · S is tema de calentamiento para la inyecc ión del g as a turbina : antes de entrar en la turbina, y para una correcta combustión, el gas se calienta nuevamente, ya ajustado en presión, y puede alcanzar temperaturas de entre 25 y 140 ºC en la entrada. Para este calentamiento suele tomarse vapor del ciclo, utilizando intercambiadores, también pueden utilizarse calentadores eléctricos. · Cromatógrafo y Caudalímetro: la compañía suministradora necesita, para facturar, que se instalen caudalímetros para saber el caudal de gas consumido. Además, hay que tener en cuenta que el gas no se factura por volumen o peso, sino que se factura como energía (actualmente se hacer por kWh, anteriormente la unidad era la termia, 1 termia = 1 millón de calorías, por tanto, es necesario saber cuál es el poder calorífico del gas, pues el caudalímetro nos dará el volumen de gas que ha atravesado la línea. Para conocer este poder calorífico se instala un cromatógrafo, debidamente calibrado, que se encargará de aportar el dato de la composición y el poder calorífico del gas. Habitualmente, caudalímetros y cromatógrafos pueden estar duplicados, pues las cantidades de dinero que se facturan a través de ellos justifica sobradamente la instalación de equipos de reserva. Dispositivos de seguridad en las turbinas de vapor
Son mecanismos que protegen a la turbina contra anomalías propias de la máquina, del proceso o bien de la máquina arrastrada por la turbina. 1) Ejemplos de disparo en turbinas de contrapresión. Disparo por sobre velocidad. Evita el empalamiento de la turbina al faltarle la carga que arrastra.
2)
Disparo por baja presión de aceite de lubricación. Protege a la máquina para evitar el roce entre el eje y el estator. Disparo manual de emergencia. Para que el operador pueda parar a voluntad la máquina ante cualquier anomalía, como pueden ser vibraciones o ruidos anormales, fuga de aceite al exterior, etc. Ejemplos de disparo en turbinas de gran potencia (condensación). Dispositivo de disparo de aceite del cierre rápido. Dispositivo mecánico sobre el que actúan los siguientes disparos mecánicos de la turbina. Sobrevelocidad. Disparo manual de la turbina. Disparo por desplazamiento axial. Dispositivo de disparo por falta de vacío. Dispositivo mecánico que dispara la máquina al subir la presión de escape de vapor en el condensador. Dispositivo de disparo a distancia mediante válvula electromagnética. De este dispositivo de disparo cuelgan todas aquellas seguridades de la máquina, del proceso o de la máquina arrastrada. A la válvula electromagnética le llega una señal eléctrica que energiza una válvula solenoide que enviara al tanque el aceite del cierre rápido cerrando las válvulas de parada y de regulación de vapor de la turbina. o
a) b) c)
o
o
5.4.2 El sistema de control El sistema de controlelectrónico de la turbina a gas, está compuesto por un accionador electromecànico del ángulo acelerador y por una unidad de mando y control. El accionador está conectado eléctricamente con la unidad de mando y mecánicamente a la palanca del regulador de combustible. A la vez que se sitúa sobre la bomba del combustible, un servomecanismo convierte las señales electrónicas en desplazamientos mecán icos, de manera que posicionan la palanca del ángulo acelerador. La respuesta sobre la posición del ángulo acelerador y la rapidez de su variación se envía a la unidad de mando y control. Un preciso dispositivo de tarado mecánico permite el bloqueo de la palanca del ángulo acelerador en la posición de 113,5°±1. Esto se usa para sincronizar mecánicamente el accionador del ángulo acelerador y el regulador del combustible. La unidad de mando y control de la turbina es un PLC situado en el exterior de recinto acústico, que está conectada eléctricamente con la turbina y con los cuadros de mando. El sistema de control lleva a cabo las siguientes funciones: Arranque automático y manual de la turbina. Regulación de la potencia suministrada. Cálculo del par suministrado, limitación de la velocidad y aceleración. Parada automática de la máquina en caso de funcionamiento fuera del campo operativo previsto. La unidad de mando y control está formada por un contenedor antichoque y un panel de test para realizar el control y los tarados necesarios para el funcionamiento del aparato y de la turbina. Los sistemas sensores y de supervisión proporcionan unas señales eléctricas, que son recibidas por el sistema de control. Se dividen en cuatro áreas funcionales:
1. Supervisión de la turbina, que incluye los siguientes parámetros:
Presión de admisión del compresor Presión de descarga del compresor Presión de entrada a la turbina de potencia Temperatura de entrada a la turbina de potencia Revoluciones del generador de gas Revoluciones de la turbina de potencia Vibraciones del generador de gas Vibraciones de la turbinan de potencia
2. Supervisión del sistema de combustible, cuyos parámetros supervisados son: o
o
o
Temperatura de admisión del suministro de combustible Presión diferencial del filtro de combustible Presión del colector de combustible
3. Supervisión del sistema de lubricación, donde se supervisan los siguientes parámetros: o
o
o
o
o
o
o
Temperatura de admisión del suministro de aceite Nivel del tanque de aceite Presión diferencial del filtro de aceite Presión del suministro de aceite Temperatura de recuperación de los cárteres Temperatura de recuperación de la caja de engranajes Presión diferencial del filtro de recuperación
4. Supervisión de las condiciones ambientales, módulo de la turbina, donde se realizan las siguientes supervisiones:
Temperatura de admisión de aire para la combustión Temperatura de aire de refrigeración del módulo Condiciones antihielo Condiciones de alarma de fuego Entre los principales controles e indicadores se encuentran los siguientes: Panel de control Turbina-Generador Control del generador y regulación de voltaje Micro regulador de voltaje automático Protección contra incendios, monitoreo de vibración y protección del generador Medidores de aceite lubricante (turbina y generador) Medidores de aceite hidráulico y de agua Medidores de combustible o
o
o
o
Existe también un sistema de control manual de emergencia, que es un equipo de control opcional instalado en la turbina, que permite su funcionamiento continuo en caso de avería o de que el actuador automático no pueda ser utilizado para posicionar la palanca de potencia del control principal de combustible.
Otros Instrumentos para medir los desgastes en las chumaceras
Uno de los instrumentos que se emplea para medir el desgaste en las chumaceras es el calibrador micrométrico de profundidad. El cual se usa sin necesidad de mover la tapa de la chumacera. La operación se lleva a cabo mientras la turbina esta en reposo y no hay aceite de lubricación a presión en la chumacera; se debe mover el tapón de la tapa de la chumacera.
Medidores de flujo de vapor y de agua condesada
Permiten verificar el consumo de vapor por kilowatt producidos. Se requieren de un tacómetro para medir las R.P.M del rotor especialmente durante su arranque.
Tacometro: Dispositivo que mide la velocidad de giro de un eje. Se mide en revoluciones por minutos (RPM). Actualmente se utilizan con mayor frecuencia los tacómetros digitales, por su mayor precisión.
Inspección boroscópicas.
Es una inspección visual que utiliza un instrumento óptico, el baroscopio. Se busca observar los álabes: roces, incrustaciones, daños por objetos extraños (FOD), daños por objetos propios de la turbina (DOD), grietas en álabes, etc los problemas. Útil como complemento de otras técnicas: sirve para descartar o reafirmar problemas detectados • Una de las dificultades principales es buscar por
donde introducir el baroscopio. Sistema de regulación o gobierno
La función de los reguladores en las turbinas es la de mantener constante la velocidad de rotación de la misma al variar la carga. Es decir mantener la condición de operación. Para el caso de los generadores de corriente alterna se exige una frecuencia constante para lo cual debe mantenerse con mucha exactitud la velocidad de giro de la turbina. En general existen dos tipos de reguladores:
Ø Regulador centrífugo o de bolas Ø Regulador hidráulico
