9.- OPERACIÓN DE TURBINA DE VAPOR.
OBJETIVO INSTRUCCIONAL.
Incrementar su desempeño al emplear los conocimientos y desarrollar las habilidades que le permitan arrancar, parar y solucionar los problemas que se presenten, manteniendo la continuidad de la operación de las turbinas de vapor a su cargo, cumpliendo con los procedimientos operativos y de seguridad establecidos en su área de trabajo.
INTRODUCCIÓN.
Dentro de petróleos petróleos mexicanos, los operadores operadores tienen una labor importante para el funcionamiento y desarrollo de la industria petrolera, por lo que se requiere que este personal adquiera conocimientos firmes sobre las técnicas de operación de los equipos que integra las plantas de proceso para que el cumplimiento de sus labores se desempeñen con mayor seguridad y eficiencia demostrando su competencia laboral. En este manual se pretende mostrar los aspectos más importantes respecto a la operación de las turbinas de vapor. Por respecto a este tema, de turbinas de vapor, por ser considerado como uno de los elementos motrices mas importantes y también mas utilizados en PEMEX, se da una definición de lo que es una turbina de vapor, su clasificación, los elementos constitutivos de las mismas; también se tratan puntos como son sistemas de control, dispositivos de seguridad, secuencias generales de arranque y paro tanto como para turbinas a contrapresión y turbinas de condensación. Consideramos que la capacitación, contribuirá a la formación y la actualización de los operadores de plantas de proceso y servicios auxiliares, lo que les proporcionará los conocimientos básicos y específicos que les permitirán incrementar su nivel de competencia laboral, demostrándolo al desempeñar sus actividades dentro de la empresa con mayor seguridad y cumpliendo con las actividades propias de su puesto, lo que se traducirá en un incremento de producción de PEMEX REFINACIÓN.
OBJETIVO INSTRUCCIONAL.
Incrementar su desempeño al emplear los conocimientos y desarrollar las habilidades que le permitan arrancar, parar y solucionar los problemas que se presenten, manteniendo la continuidad de la operación de las turbinas de vapor a su cargo, cumpliendo con los procedimientos operativos y de seguridad establecidos en su área de trabajo.
INTRODUCCIÓN.
Dentro de petróleos petróleos mexicanos, los operadores operadores tienen una labor importante para el funcionamiento y desarrollo de la industria petrolera, por lo que se requiere que este personal adquiera conocimientos firmes sobre las técnicas de operación de los equipos que integra las plantas de proceso para que el cumplimiento de sus labores se desempeñen con mayor seguridad y eficiencia demostrando su competencia laboral. En este manual se pretende mostrar los aspectos más importantes respecto a la operación de las turbinas de vapor. Por respecto a este tema, de turbinas de vapor, por ser considerado como uno de los elementos motrices mas importantes y también mas utilizados en PEMEX, se da una definición de lo que es una turbina de vapor, su clasificación, los elementos constitutivos de las mismas; también se tratan puntos como son sistemas de control, dispositivos de seguridad, secuencias generales de arranque y paro tanto como para turbinas a contrapresión y turbinas de condensación. Consideramos que la capacitación, contribuirá a la formación y la actualización de los operadores de plantas de proceso y servicios auxiliares, lo que les proporcionará los conocimientos básicos y específicos que les permitirán incrementar su nivel de competencia laboral, demostrándolo al desempeñar sus actividades dentro de la empresa con mayor seguridad y cumpliendo con las actividades propias de su puesto, lo que se traducirá en un incremento de producción de PEMEX REFINACIÓN.
9.1 TURBINAS DE VAPOR. 9.1.1 DEFINICIÓN.
Una turbina de vapor se puede definir como una máquina térmica en la que la energía del vapor se transforma en energía cinética por medio de la expansión a través de las boquillas y la energía cinética del chorro resultante se convierte a su vez en una fuerza que realiza un trabajo sobre los impulsos montados en el rotor. También se puede definir como: Elemento motriz que convierte la energía térmica del vapor directamente en energía mecánica de rotación.
9.2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE TERMODINÁMICA PARA TURBINAS. 9.2.1 SISTEMA TERMODINÁMICO.
La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor y su capacidad para producir un trabajo. Sistema: Sistema: es una porción de materia. Entorno o ambiente es la materia exterior a un sistema. En termodinámica lo usual es trabajar con fluidos comprensibles: gases y vapores, el calor se transmite del sistema a mayor o menor temperatura. Sistemas termodinámicos. Sistemas cerrados, su masa no varía, ejemplo un cilindro. Sistemas abiertos, son aquellos donde una masa fluye en un volumen, ejemplo una turbina de vapor. Propiedades de un sistema: las de carácter universal son:
Presión Temperatura
Si se conocen algunas de las propiedades de una sustancia, las otras quedan determinadas.
Propiedades intensivas, no dependen de la cantidad de masa se nombran con las letras minúsculas (p, t, etc.) Propiedades Extensivas, dependen de la cantidad de masa. Volumen, energía interna, entalpía, etc. Con letras mayúsculas, si se dividen por la masa se obtiene el valor específico (propiedad extensiva) Otras:
El volumen específico La viscosidad
La termodinámica añade:
La energía interna (suma de todas las energías de las partículas de un sistema) La entalpía (es la suma de la energía interna de las materias y producto de la presión por el volumen y es una función de estado) La entropía (magnitud termodinámica que expresa el grado de desorden de un sistema).
Proceso de cambio de estado. Cuando un sistema pasa de un estado a otro, la variación de sus propiedades, solo depende del estado inicial y final y no de las situaciones intermedias. Un sistema está en equilibrio cuando el valor de sus propiedades es idéntico en todos sus puntos. Cuando un sistema cambia de un estado en equilibrio a otro también en equilibrio, los estados intermedios pueden ser, o no, en equilibrio. La expansión de un sistema sucede cuando la fuerza interior es mayo que la fuerza exterior, lo contrario a una expansión es una comprensión. El calentamiento o enfriamiento de un sistema se puede considerar como una sucesión de estados en equilibrio. La mezcla de sistemas no se puede considerar como una sucesión de estados en equilibrio. Transformaciones termodinámicas: sucesión de estados por los que pasa un sistema cuando se le somete a un cambio. La transformación se puede realizar en diferentes modos, cada uno de ellos es un proceso termodinámico.
Diagrama de estado es cualquier representación de dos propiedades termodinámicas de un sistema, un ejemplo típico es el diagrama p-v. En las máquinas térmicas un sistema evoluciona a través de una serie de transformaciones que se acaban cerrando formando un ciclo termodinámico. Las transformaciones básicas son:
Isocóricas, a volumen constante (v= cte.) Isobáricas, a presión constante (p= cte.) Isotérmicas, a temperatura constante (t= cte.)
Adiabáticas o isentrópicas, sin transferencia de calor, además no debe existir aporte de calor por rozamiento (P*V) ^n= constante; n: exponente politrópico.
9.2.2 CICLO TERMODINÁMICO DEL VAPOR.
De denomina ciclo termodinámico al proceso que tiene lugar en los equipos destinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura o, de manera inversa, a producir el paso o transferencia de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la aportación de trabajo. La aplicación más importante de una turbina de vapor es como motor térmico en una planta de vapor donde el fluido de trabajo es el agua, que efectúa un ciclo el cual se le denomina como ciclo de potencia y que se describe a continuación. Ver figura 9-1.
1. El agua a temperatura ambiente y en estado líquido es bombeada hasta la caldera.
2. En la caldera el calor obtenido mediante la combustión de un combustible, es transferida al agua, pasando esta del estado liquido al estado del vapor a una presión determinada, la cual es relativamente alta.
3. El vapor que sale de la caldera entra a la turbina donde se expande, transformando su energía térmica en trabajo mecánico el cual se transfiere a un eje.
4. El vapor que sale de la turbina es enfriado y condensado hasta la temperatura ambiente en el condensador.
En este ciclo se cumplen todas las etapas de un ciclo termodinámico con máquinas térmicas donde, existe absorción de calor desde un foco caliente Qc, producción de trabajo mecánico W y transferencia a un foco frio Qf. Ya que estamos hablando de un ciclo cerrado, aplicando la ecuación de balance de energía de acuerdo al primer principio de la termodinámica, tenemos lo siguiente.
Así tenemos que el trabajo desarrollado por la turbina es igual al calor absorbido por la misma. El rendimiento o eficiencia térmica de la misma es igual a: E= trabajo neto producido / calor absorbido.
De aquí podemos deducir que ninguna máquina térmica tiene una eficiencia del 100%.
El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinámico conocido como ciclo rankine, al final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición inicial. Cuatro procesos ideales distinguen a un ciclo ranking, Fig. 9-2. 1-2. Proceso de bombeo del condensado desde el sistema de almacenamiento del condensado a la caldera, es un proceso adiabático y reversible, y por lo tanto isentrópico. 2-3. La transferencia de calor al agua en la caldera, es un proceso a presión constante, y se efectúa en tres etapas, calentamiento del agua hasta la temperatura de saturación, vaporización a temperatura y presión constante, sobrecalentamiento del vapor hasta una temperatura superior a la de saturación. 3-4. Se efectúa el proceso de expansión adiabática reversible y por lo tanto isentrópica del vapor hasta la presión del condensador, obteniéndose un vapor saturado (húmedo) a la descarga de la turbina. 4-1. se lleva acabo la transferencia de calor o sea la condensación del vapor, esta condensación se efectúa a presión y temperatura constante, llevando el vapor a condiciones de líquido saturado.
El área comprendida por los puntos a-1-2-3-b-a representa el calor transferido (cedido) al fluido de trabajo (agua), mientras que el área comprendida por los puntos a-1-4-b-a representa el calor transferido (extraído) desde el sistema. El trabajo neto realizado está representado por el área por los puntos 1-2-3-4-1 y es la diferencia entre el calor transferido al fluido de trabajo y el calor transferido desde el fluido de trabajo.
9.3 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO
El calor es una forma de energía, y puede ser transformado en energía mecánica. Cuando hierve agua y se convierte en vapor, este contiene más energía que el agua, y si esto se efectúa en un recipiente cerrado, la presión ejercida por el vapor aumenta, así la presión del vapor de una caldera se puede aumentar agregándole energía calorífica (calor). Como se menciono anteriormente, en un recipiente cerrado la presión aumenta al introducírsele calor al sistema, y se incrementa a un valor superior a la presión atmosférica, obligando al vapor a expandirse a través de la tobera, saliendo el vapor a alta velocidad y chocándose contra el álabe. Al salir el vapor de la tobera este se expande disminuyendo su presión pero aumentando considerablemente su velocidad, o sea que la tobera convierte la energía de presión en velocidad y el choque de vapor contra el álabe hace girar al rotor y se produce el trabajo mecánico. Fig. 9-3.
En la Fig. 9-4 el rotor consiste de “placas” o álabes montados en una flecha, la tobera guía el flujo de vapor contra los álabes. Como la presión del vapor en el rotor es menor que en el de la caldera, pues de lo contrario no habría flujo de vapor si no existiera un diferencial de presión, y entre mayor sea este mayor será el flujo.
Conforme el vapor deja la tobera, su presión y temperatura disminuyen, pero su velocidad aumenta, y después de chocar contra los álabes esta velocidad disminuye. El rotor al girar produce trabajo mecánico y el vapor experimenta una perdida de energía. Una cantidad mayor de vapor producirá mayor trabajo. Si se aumenta el numero de toberas o se hace mas grande la existente, saldrá mayor cantidad de vapor, produciendo mas trabajo. Por lo tanto, para producir más trabajo, o se aumenta la diferencial de presión, o se agrandan las toberas existentes o se agregan más del mismo tamaño. En la Fig. 9-5 los alabes están montados en un “volante” o rotor y no directamente sobre la flecha. La tobera o toberas están montadas sobre la pared de la cámara de vapor, y el vapor es controlado por la válvula del gobernador.
Controlando la entrad de vapor podemos controlar la salida de energía mecánica. El motor está montado dentro de la carcasa de metal, donde la presión es menor que dentro de la cámara de vapor, para poder permitir el flujo a través de las toberas, si no existiera esta diferencia de presión no podría haber producción de trabajo mecánico. Al entrar el vapor a alta velocidad y chocar contra los álabes se produce un impulso que hace girar el rotor, y puesto que la turbina utiliza el impulso del vapor sobre los álabes para hacer girar el rotor, se le llama turbina de impulso 9.4 CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS DE VAPOR.
Las turbinas de vapor se clasifican atendiendo a diferentes factores. a) Dependiendo de su diseño por la forma como el vapor circula por las paletas. b) De acuerdo al número de etapas o pasos. c) Con respecto a las condiciones de escape del vapor de la turbina. 9.4.1 CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A SU DISEÑO.
Dependiendo de su diseño las turbinas pueden ser de dos tipos:
Turbinas de impulso. Turbinas de reacción.
En una turbina de impulso ideal, el vapor se expande solo en las boquillas fijas y la energía cinética se transfiere a las paletas rotatorias a medida que el vapor golpea sobre las mismas, mientras fluye de los pasajes entre las paletas. La presión del vapor es constante y la velocidad relativa del vapor con respecto a las paletas decrece en los pasajes de los mismos. En una turbina de reacción, el vapor se expande tanto en las toberas fijas, como en las paletas rotatorias mediante la expansión del vapor en los pasajes entre las paletas. La presión del vapor disminuye a medida que la velocidad relativa del vapor aumenta en los pasajes de las paletas. Una turbina de reacción tiene más pasos que una turbina de impulso para la misma aplicación debido a la pequeña cantidad de energía cinética absorbida por paso.
En el paso por impulso, el vapor puede ejercer una fuerza axial sobre las paletas, a medida que fluye a través de los pasajes. Mientras que q está fuerza se le llama comúnmente una reacción, el uso de este termino no aplica un paso de reacción. Una turbina de reacción requiere de un mayor cojinete de empuje, debido a la caída de presión a través de las paletas en movimiento. En una turbina de impulso el pequeño diferencial de presión entre las paletas rotatorias de un paso por impulso, trae como resultado menores cojinetes de empuje y ningún claro cerrado en la punta de sus paletas. Así una turbina de impulso puede arrancarse mas rápidamente sin peligro de daño por la expansión térmica, y la eficiencia de sus pasos permanece relativamente constante a lo largo de la vida de la turbina. 9.4.2 CLASIFICACIÓN DE ACUERDO AL NUMERO DE PASOS.
Como el vapor se expande y baja su presión al bajar por las paletas, de acuerdo al número de pasos las turbinas se clasifican por:
Turbinas de un solo paso (unietápicas) Turbinas de pasos múltiples ( multietápicas)
Turbinas de solo un paso. Una turbina de vapor de solo un paso es aquella en la que la conversión de energía cinética en trabajo mecánico ocurre con una única expansión del vapor en la turbina de la presión de entrada del vapor a la presión de salida del mismo. La zona donde se expande y baja de presión se llama etapa o “paso”, cuando el
vapor pierde presión en una sola etapa se dice que la turbina es unietápica, como se muestra en la Fig. 9-6.
Una turbina de un solo paso puede tener una o más hileras de paletas rotatorias que absorben la energía de velocidad del vapor resultante de la expansión simple del vapor. La turbina de un solo paso de vapor es de velocidad compuesta (curtís). La expansión completa de la presión de entrada a la presión de salida se realiza en un solo paso. El paso curtís, con dos hileras de paletas rotatorias y dos pasos de velocidad compuesta tipo cerrada se muestra en la Fig. 9-7.
La hilera de toberas dirige y descarga el vapor contra la primera hilera de álabes, pero el vapor que sale de estos álabes lo hace en la dirección opuesta al movimiento, por lo tanto para mover la segunda hilera de álabes en la misma dirección que la primera el vapor debe ser redirigido, para esto se utiliza una hilera de álabes estacionarios cuya única función es cambiar la dirección del vapor, pero no variar su presión o velocidad, y están montados rígidamente en la carcasa, Fig. 9-8.
Las turbinas de un solo paso o unietápicas como la de la Fig. 9-9, pueden tener ruedas de entre 9 a 28 pulgadas, la eficiencia de la turbina para una velocidad de operación para condiciones particulares del vapor, depende normalmente del diámetro de la rueda. La eficiencia normalmente aumentará con un incremento en el tamaño de rueda, y por lo tanto la cantidad de vapor consumido será menor para las velocidades y condiciones de vapor. Las turbinas de rueda con mayor diámetro se pueden equipar con más boquillas, para proporcionar un aumento en la capacidad de flujo de vapor, y en consecuencia para mayores capacidades en caballos de potencia (HP). Por eso el tamaño de una turbina aumenta al aumentar su potencia (HP).
Turbina de pasos múltiples (multietápicas). Una turbina de pasos múltiples o multietápica es aquella en la que la conversión de energía ocurre con dos o más expansiones de vapor, dentro de la turbina. En la Fig. 9-10, la turbina tiene tres ruedas o paletas donde el vapor pierde presión, todas las etapas del mismo tipo están dentro de la misma carcasa, denominándose turbina multietápica.
Como se ve en la Fig. 9-10, todas las ruedan o volantes están montadas en la misma flecha, pero cada etapa está aislada por un diafragma que contienen las toberas. El número de pasos (expansión de vapor) es una función de tres parámetros básicos: termodinámica, diseño mecánico y costos. Las consideraciones termodinámicas incluyen la energía y velocidad disponibles. Las consideraciones mecánicas abarcan velocidad, presión del vapor, temperatura de vapor, etc., en la mayoría de ellas sus límites son los materiales. En las consideraciones económicas se incluye el número, tamaño y tipo de los pasos, el número de válvulas de regulación, costos del vapor. Así el costo inicial de una turbina aumenta con el número de pasos, pero por lo contrario el gasto del vapor mejora. Las turbinas de pasos múltiples normalmente se usan para mover equipo dinámico cuando el costo de vapor o el suministro de vapor disponible requiere eficiencia de turbina mayores que las disponibles en una turbina de un solo paso, o cuando el flujo de vapor requerido para desarrollar la capacidad deseada excede la capacidad de las turbinas de un solo paso. En una turbina de reacción gran parte de la expansión del vapor se realiza en los álabes del rotor, y no necesitan toberas estacionarias, siendo la reducción de la presión del vapor en los propios álabes del rotor y no en las toberas como en las turbinas de impulso, normalmente las turbinas de reacción al igual que las de impulso tienen toberas estacionarias, pero en el caso de las de reacción gran parte de la expansión se realiza en los álabes, Fig. 9-11.
Las turbinas de reacción no obstante que son más eficientes que las de impulso, algunas veces requieren más etapas (denominados pasos o etapas Rateau).
Una turbina para trabajar a altas presiones de entrada de vapor y bajas presiones de salida, generalmente es de varios pasos. Como el vapor aumenta de volumen al disminuir su presión, los alabes deben ir siendo mas grandes en cada etapa para poder dar salida mas fácilmente al vapor, como se ve en la Fig. 9-12. De acuerdo a las condiciones de escape del vapor.
9.4.3 CLASIFICACIÓN DE ACUERDO A LAS CONDICIONES DE ESCAPE DEL VAPOR.
De acuerdo a las condiciones de escape del vapor de la turbina estas se clasifican en:
Turbinas de contrapresión. Turbinas de condensación. Turbinas de extracción.
Turbinas de contrapresión. Generalmente este tipo de turbinas se utilizan en instalaciones donde se aprovecha el calor del vapor de escape para procesos de calentamiento en cambiadores de calor, tales como agua de alimentación a calderas, pre calentadores de aire, etc., la descarga del vapor de la turbina a una presión predeterminada va a un cabezal y de este se envía a los cambiadores de calor. En este tipo de turbinas no se utiliza toda la energía calorífica del vapor, de aquí que en una turbina de contra presión efectúe una menor cantidad de trabajo mecánico, que una turbina de condensación e iguales circunstancias de trabajo, Fig. 9-13.
Turbinas de condensación. En una turbina de condensación, el vapor de baja presión que sale de la turbina es capaz de expandirse aun más y perder más presión, para esto la turbina tiene instalado un condensador de superficie a la descarga de vapor de la misma, el condensador absorbe calor de vapor y esto provoca una disminución de la presión (vacío) al condensarse el vapor, con esto se aprovecha mejor la entalpía del vapor pudiendo efectuar la turbina una mayor cantidad de trabajo útil, por lo cual en igualdad de circunstancias con una turbina de contrapresión, la turbina de condensación es más eficiente. Al disminuir la presión del vapor, este se expande y aumenta su volumen por lo cual las turbinas de condensación son generalmente multietápicas, Fig. 9-14.
Turbinas de extracción. Una turbina de extracción, cuando algo de vapor de una etapa intermedia se saca de ella, para utilizarse en otras secciones del proceso donde se requiere vapor con las condiciones de presión y temperatura del paso donde se efectúa la extracción, Fig. 9-15.
9.5 COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA TURBINA
Los principales componentes de una turbina son:
Carcasa. Cámara de vapor. Rotor. Alojamiento de las chumaceras y los cojinetes. Sistema de sellos. Sistema de control y regulación de la velocidad.
9.5.1 carcasa. La carcasa se considera en el envolvente externo de la turbina, contiene el vapor suministrado a la misma y está conectada a la línea de suministro de vapor de alta presión, y a la línea de salida de vapor de baja presión respectivamente, y en ella está montada la cámara de vapor. La carcasa también contiene el rotor y boquillas a través de las cuales el vapor se expande y se dirige contra las paletas rotatorias. En la construcción de las carcasas de las turbinas hay que prever que la accesibilidad a las partes interiores permita su examen fácilmente. Si las dimensiones de las piezas conducen a instalar juntas verticales de separación, estas se sujeta con bulones antes del montaje de la turbina y no necesitan separarse posteriormente, Fig. 9-16 y Fig. 9-17. Las presiones elevadas implican para los cuerpos de alta presión (AP) tensiones mayores, al mismo
tiempo que la elevación de las temperaturas disminuye la resistencia del metal, problema que se resuelve empleando aceros especiales resistentes al calor y espesores adecuados, no pudiendo sobrepasar un cierto valor por la aparición de tensiones térmicas transitorias, más sensibles en las piezas gruesas, utilización de cámaras de vapor (porta toberas) que permiten no someter al armazón de alta presión (AP) más que a la presión y temperatura de vapor que existen a la salida del primer rodete. Las presiones elevadas plantean igualmente el problema de la estanqueidad (fugas) en las juntas, lo que exige un buen contacto metal – metal, con una capa intermedia de barniz y numerosas clavijas de montaje. Las temperaturas elevadas plantean el problema de las dilataciones que, por su desigualdad, producen el alabeo de las carcasas o de los contactos entre piezas fijas y móviles. El primer problema se resuelve buscando formas simétricas para la disposición de las toberas, y el segundo por una adecuada elección de los emplazamientos de las juntas fijas y del tope. Los grandes cuerpos a baja presión (BP) de las turbinas de condensación deben ser lo suficiente rígidos para resistir las deformaciones producidas por la presión atmosférica y las cargas del rotor aplicadas a los cojinetes. Los conductos de descarga exigen un diseño cuidadoso para evacuar los considerables volúmenes de vapor que los atraviesan, con el mínimo de pérdidas. La llegada del vapor vivo se dispone de forma que no ejerza ningún empuje de la carcasa, por lo que se utiliza tuberías de gran espesor que describen largos bucles (omegas de dilatación) para así reducir al mínimo las reacciones sobre la carcasa impuntuales a las dilataciones.
9.5.2 Cámara de vapor. La cámara de vapor está conectada a la carcasa, y aloja las válvulas de regulación y la válvula de disparo por sobre velocidad. Una turbina de vapor opera debido a la diferencia de presión existente entre la cámara de vapor y la carcasa, donde la presión en la cámara de vapor es superior. Sin esta diferencia de presión el vapor no podría fluir a través de las toberas, Fig. 9-18.
Si la descarga de una turbina de compresión es bloqueada, la presión dentro de la carcasa aumenta, perdiéndose la diferencia de presión, puesto que la turbina está diseñada para una mayor presión en la cámara de vapor que en la carcasa, si la presión en la carcasa aumenta hasta el valor de la presión del vapor de entrada, esta puede romperse, por esta razón las turbinas nunca pueden ser arrancadas con la válvula de descarga de vapor cerrada, en alguna turbinas existe una válvula de seguridad instalada en la carcasa o en la línea de descarga para aliviar el exceso de presión. En otras turbinas, estas válvulas silban (válvulas centinelas) cuando la presión en la carcasa rebasa la presión de operación, Fig. 9-19.
9.5.3 válvulas de regulación (control). El vapor que entra a la cámara de vapor a través de las válvulas de regulación (control) es dirigido hacia los álabes por medio de las toberas. Cuando se reduce la carga en la turbina se requiere de menos vapor para mantener constante la velocidad de la misma, por lo tanto la válvula del gobernador cierra, bajando por consiguiente la presión en la cámara de vapor. Para mantener la eficiencia se debe mantener la máxima presión en la cámara de vapor, cualquier presión inferior producirá una menor eficiencia en la turbina. Cuando la turbina utilice menos energía térmica o descargue más energía térmica su eficiencia disminuirá. Al cerrarse algunas toberas se crea una menor área por la cual el vapor fluye, provocando un represionamiento en la cámara de vapor, manteniéndose dentro de esta la presión de óptima eficiencia, o sea que si se disminuye la carga se cierran alguna toberas y se mantiene la eficiencia de la turbina. Para abrir y cerrar las válvulas de las toberas se usa un gobernador, el gobernador opera una barra alzadora, lo cual determina en las turbinas grandes cuantas válvulas deben de ser abiertas o cerradas. Fig. 9-20. A carga total todas las
válvulas deben ser abiertas, y cuando se reduce la carga el gobernador debe cerrar algunas de ellas. De esta forma el gobernador regula automáticamente la turbina admitiendo o cerrando vapor a la sección de las toberas.
9.5.3.1 Gobernador. Como se menciono anteriormente el gobernador de una turbina regula la cantidad de vapor que entra a ella y por lo tanto también regula la cantidad de trabajo producido. En la Fig. 9-21, vemos el principio de operación de un gobernador mecánico de contrapesos, aquí los contrapesos están mantenidos juntos mediante la fuerza de un resorte, pero conforme empiece a girar el conjunto, la fuerza centrifuga obligara a los contrapesos a girar cada vez más separados, al girar mas despacio, los contrapesos tienden a juntarse nuevamente.
Gobernador de contrapesos de acción directa. Cuando la turbina no está operando, el resorte mantiene a los contrapesos pegados a la flecha y la válvula de vapor está toda abierta, Fig. 9.22.
Conforme la flecha empiece a girar y la fuerza centrifuga vence la tensión del resorte, la válvula de vapor se irá cerrando hasta llegar a la velocidad de trabajo, donde la fuerza de los contrapesos y la válvula de vapor queda en una posición fija , no acelerándose mas la turbina, Fig. 9-23.
Cuando la carga aplicada a la turbina es aumentada, la velocidad bajaría y los contrapesos tenderían a juntarse, abriendo la entrada de la válvula de vapor para llevar nuevamente la turbina a velocidad normal. Si la carga es disminuida súbitamente, la velocidad de la turbina tiende a aumentar, separándose los contrapesos y cerrándose la válvula de vapor, Fig. 9-24.
Por otra parte, si la presión del vapor de entrada baja, el gobernador abre la válvula de vapor. Si la presión de vapor a la descarga de la turbina aumenta (se contra presiona) la velocidad también bajará. Un gobernador compensa los cambios de velocidad, pero tiene un pequeño rango en el cual permite la aceleración o la desaceleración de una turbina, un gobernador preciso tiende a mantener los cambios de velocidad lo mas pequeños posibles. La mayoría de los gobernadores no mantienen en cero la variación de velocidad, sino aproximadamente siendo bastantes precisos. Así una turbina cuya velocidad de turbina sea de 3000 rpm a carga completa, al perder la carga la velocidad aumentara 3% de 3000 o sea 90 rpm, a velocidades mayores si habrá correcciones de velocidad por medio de la válvula de control (regulación) de vapor.
Un gobernador de contrapesos de acción directa que se considere preciso debe de mantener la variación de velocidad dentro de un estrecho rango. La fricción en el mecanismo del propio gobernador provoca una tendencia a resistir el movimiento (histéresis) además, existen fuerzas desbalanceadas debido a la acción de la presión del vapor sobre el tapón de la válvula del gobernador, por lo tanto, para conservar la precisión del gobierno se deben de vencer estas fricciones y fuerzas desbalanceadas. Para hacer esto se necesitarían unos contrapesos demasiados pesados, así como un resorte menos fuerte, pues de otra manera el gobernador solo respondería a cambios generalmente mayores al 10%. A demás al no poder los contrapesos con las variaciones de velocidad, el gobernador al hacer las correcciones provoca “sobre aberturas” de la válvula, lo cual tiene a l a turbina con constantes fluctuaciones de velocidad. Por estas razones los gobernadores mecánicos de contrapesos de acción directa solo se emplean en turbinas pequeñas. Gobernador hidráulico. Un gobernador hidráulico es aquel que en lugar de contrapesos utiliza una bomba de aceite, esta bomba está conectada directamente a la flecha de turbina, de manera que cuando la turbina esta parada, la bomba no mantendrá presionado el circuito y la válvula de vapor permanecerá totalmente abierta, Fig. 9-25.
Conforme la flecha de la turbina gira, se bombeara aceite al circuito, la mayor parte del aceite regresa a la consola donde se succiona la bomba, puesto que al circuito de aceite está integrado un diafragma flexible acoplado a la válvula de vapor. Al ir aumentando la presión de aceite la válvula se irá cerrando hasta llegar la turbina a su velocidad de trabajo, Fig. 9-26.
Cuando la turbina incremente su velocidad, se bombeara mas aceite al sistema de aceite por lo cual se re presionara y causará que se cierre la válvula de control de vapor. Si se pierde la presión de aceite en el circuito causara que la válvula de vapor abra totalmente sobre revolucionándose la turbina. También las temperatura afecta la viscosidad del aceite, aumentando o disminuyendo su flujo a través de la válvula aguja, lo cual causa un cambio en la calibración de la velocidad a alta temperatura fluye mas aceite perdiéndose la presión del circuito acelerándose la turbina y viceversa al bajar la temperatura del aceite se re presionará el circuito desacelerándose la turbina. Por esta razón este tipo de gobernadores para maquinas de alta velocidad no son muy precisos.
Gobernador de relevador de aceite Este tipo de gobernador combina los principios de los gobernadores de contra pesos e hidráulicos, donde la presión de aceite mueve un pistón conectado a la válvula de vapor, el cual está cargado por efecto de un resorte, Fig. 9-27.
Los contrapesos posicionan la válvula piloto que controla el flujo de aceite a través del relevador. En operación normal ambos puertos del relevador están parcialmente abiertos, pero cuando la válvula del gobernador debe de abrir para compensar una sobrecarga, los contrapesos se juntan obligando a la válvula piloto a moverse hacia la izquierda aumentando el puerto de entrada de aceite al pistón y reduciendo la salida a la consola de aceite. Por el contrario si la carga disminuyo, incrementándose la velocidad, los contrapesos se separan moviéndose la válvula piloto hacia la derecha, por lo que se cierra el puerto de entrada de aceite y se incrementa a la salida de la consola, con lo cual el resorte obliga a la válvula de vapor a cerrarse, Fig. 9-28.
El gobernador de relevador de aceite usa la fuerza hidráulica para mover la válvula de vapor, esta fuerza es superior a la obtenida por contrapesos solos, además mantiene un control de velocidad bastante preciso, sobreponiéndose a la fricción del mecanismo y a las fuerzas desbalanceadas, y no tienen tendencia a producir fluctuaciones. Puesto que los contrapesos mueven la válvula piloto para ajustar la velocidad, los cambios de temperatura de aceite no modifican las velocidades de control.
9.5.4 Rotor. El rotor consiste de rodetes (discos), álabes y las flechas. Los álabes son generalmente construidos aparte y montados después en los rodetes, en algunos motores los rodetes son montados a la flecha en caliente, los cuales al enfriarse quedan fijos a la flecha. En otros casos la flecha y los rodetes son forjados en una pieza. En las turbinas medianas o pequeñas el rotor está formado por uno o mas rodetes (discos) sólidos montados en una flecha. En la parte exterior de los discos se fijan los álabes o paletas, sostenidos estos, en su extremo libre por un cincho metálico. El rotor gira sobre los cojinetes sostenidos rígidamente en el bastidor, Fig. 9-29.
Materiales usados en la construcción de discos y rotores. Para los ejes y discos sometidos a tensiones y temperaturas moderadas del orden de 300 basta con aceros al 0,3%. Los discos de los últimos escalonamientos de las turbinas de condensación, necesitan aceros de alta resistencia con adición de: Cr-Ni-Mo-V 1,6/1,8/0,2/0,15%. Para temperaturas elevadas, mayores a 450 . Los ejes de los rotores y los discos de AP se fabrican con aceros que contienen generalmente Cr-Ni-Mo-V 1,5/0,4/1/0,6%, con resistencias bajo cargas prolongadas a 500 .
Álabes Las formas y disposiciones elegidas resultan de compaginar las exigencias de la resistencia de los materiales y las del movimiento del vapor; el trazado de los álabes de baja presión (BP), fuertemente afectados por la acción del vapor y las fuerzas centrífugas, es muy delicado. En los escalonamientos de cabeza de alta presión (AP), los álabes operan a temperaturas próximas a la máxima temperatura del vapor, por lo que hay que tener en cuenta, que no deben superar nunca una deformación del 0.2% (limite elástico) al cabo de 100,000 horas de funcionamiento. A fin de resistir la erosión ocasionada por las gotas de agua arrastradas por el vapor en las últimas etapas, las paletas de baja presión (BP) presentan a menudo
una arista de entrada templada o recubierta de stellite en la proximidad del extremo. Los perfiles de las aletas permanecen sensiblemente iguales de un constructor a otro; no sucede lo mismo con las formas de fijación, que presentan una gran diversidad, como se indica a continuación.
Montajes en cola de milano simple con cuñas intermedias, muescas de montaje y pieza terminal remachada, Fig. 9-30. En la Fig. 9-31 se muestra la fijación por soldadura de las aletas de acción en un escalonamiento de regulación. En la Fig. 9-32 se presenta la fijación de las aletas largas del último escalonamiento BP, en forma de piña por inserción en ranuras axiales individuales.
9.5.4.1 Diafragmas y sellos de laberinto. En una turbina multietápica existe una diferencia de presión entre diferentes pasos, viendo la Fig. 9-33 vemos que el diafragma es una parte estacionaria que está montada en la carcasa, sostiene los diferentes pasos y sostiene las toberas. Además se puede observar que puede existir una fuga de vapor a través del pasaje por el que pasa la flecha a través del diafragma.
Puesto que el vapor al pasar a través de las toberas y chocar contra los álabes producen un trabajo útil, al existir una fuga de vapor a lo largo de la flecha by paseando las toberas del diafragma, no se produce el trabajo útil calculado para esa etapa. El diafragma puede ser construido de manera que rodee la flecha con poca tolerancia, sin embargo si la flecha roza el diafragma, este debe de ser remplazado, puesto que hay desgaste y aumento de tolerancia. Si el diafragma es de un material mas duro que la flecha, esta es la que sufre el daño. Sin embargo, si se instala un sello de laberinto en el espacio donde la flecha atraviesa el diafragma, el sello reduce el espacio entre el diafragma y la flecha y como está hecho de un material suave como bronce, duraluminio, si esta roza la flecha, esta no sufrirá ningún daño. Si el rozamiento es muy grande, el sello puede dañarse pero es fácil y económico remplazarlo, Fig. 9-34.
Un laberinto consiste en un anillo de metal con filos que se ajustan muy cercanos a la flecha, como se ve en la Fig. 9-35, permitiendo que algo de vapor pase a través de la pequeña tolerancia que existe entre los filos del laberinto y la flecha, pero este vapor al entrar en cada compartimiento forma remolinos y turbulencias que causan que baje la presión del vapor de compartimiento en compartimiento, siendo mínima la cantidad de vapor que atraviesa el sello. En una turbina multietápica existen sellos de laberinto entre cada una de ellas para evitar la recirculación interna de la misma.
9.5.4.2 Cajas de empaques. En una turbina de contrapresión, vemos que la presión en la descarga es mayor que la presión del aire (atmosfera) que lo rodea. Por lo tanto, el vapor tendera a fugarse a través de las cajas donde la flecha atraviesa la carcasa. Así la fuga mayor será que la caja de empaques del lado de la entrada del vapor, y puesto que los rodamientos están colocados junto a las cajas de empaque, el condensado producto de la fuga de vapor puede entrar en ellos provocando su destrucción. La descarga de vapor de una turbina sin condensación se usa generalmente para procesos que requieren calentamiento, por la tanto una fuga de vapor en el lado de la descarga, causa perdidas de vapor que podría ser usado para otros propósitos. Las cajas de empaques reducen las figas de vapor por las zonas donde la flecha atraviesa la carcasa y en algunos casos están empacadas con anillos de material suave que evita la fuga de vapor a través de la carcasa, sin embargo en el caso de las turbinas de vapor la empaquetadura suave se gasta rápidamente y no es un buen material sellante.
Las cajas de empaques también utilizan sellos de laberinto y en la misma forma que los laberintos de los diafragmas de ínter etapa, estos sellos disminuyen la fuga de vapor a lo largo de la flecha, pues los filos de los anillos mecánicos forman pequeños compartimientos que resisten al flujo del vapor, Fig. 9-36. Del lado externo de la caja de empaques existen dos o más salidas de vapor para ser usadas en sistemas de menor presión o como conexión para drene de eyector.
En el caso de las turbinas de condensación la presión de descarga es menor que la presión atmosférica (vacío). Aquí la fuga a lo largo de la flecha en el lado de la descarga tiende a permitir la entrada del aire, y puesto que este no se condensa debe ser eliminado por medio de un eyector, si se permite que entre aire y este no es eliminado, la presión en la descarga de la turbina aumentará; por lo tanto en la caja de empaques del lado del vapor de alta presión, esta reduce la fuga de vapor a la atmosfera, y del lado de baja presión (descarga) disminuye la entrada de aire a la carcasa. Para impedir la entrada de aire se inyecta vapor entre las secciones de los laberintos, a este vapor se le llama vapor de sello, y fluye en dos dirección a lo largo de la flecha, así el aire que pretende entrar es detenido por el flujo de vapor de sello, la parte de vapor de sello que fluye hacia la carcasa pasa hasta la descarga de la turbina y se condensa en el condensador. Puesto que el vapor se condensa no se produce incremento de la presión.
El caudal de fuga (perdidas de vapor volumétricas), depende de la sección de paso y de la diferencia de presiones que exista en ambos lados de la junta, y no del caudal de vapor que circule por la turbina, por lo que su importancia relativa es mas importante en las turbinas pequeñas que en las grandes. Las juntas de estanqueidad o sellos pueden ser:
De laberintos. De anillos de carbono.
Para juntas de estanqueidad interiores (SELLOS) se emplean generalmente juntas de laberinto y raramente juntas de carbono, Fig. 9-37.
Las juntas de estanqueidad exteriores (SELLOS) se componen en general en dos partes, una parte larga o interior que asegura estanqueidad, un cierto espacio anular y una parte corta o exterior que asegura únicamente la estanqueidad del espacio anular frente al aire exterior. Cuando el empaque o sello es producido por anillos de carbón, cada uno es mantenido unido a la flecha por medio de un resorte opresor, estos anillos al igual que los laberintos están separados por compartimientos, y la fuga de vapor permitida por los anillos puede ser conectada a un sistema de menor presión, drenada o extraída por medio de un eyector, Fig. 9-38.
Los empaques de los anillos de carbón pueden ser sellados por medio de vapor para evitar la entrada de aire por el lado de la descarga (vacío) de las turbinas de condensación. Como los anillos de carbón tienen buenas propiedades antifricción, pueden ser instalados mas cerca de la flecha e incluso tocarla, lográndose con esto menores fugas de vapor que con los sellos de laberinto. Sin embargo, la resistencia mecánica del metal con que están hechos los sellos de laberinto permite que estos sean usados a presiones y temperaturas mayores que los empaques de anillos de carbón. En algunas turbinas se utiliza una combinación de sellos de laberintos y anillos de carbón, Fig. 9-39.
9.5.4.3 Rodamientos y chumaceras. Para que una turbina opere adecuadamente, la flecha debe de girar con un mínimo de fricción, o sea que la resistencia a la rotación de esta debe de ser lo mas pequeña posible, por otro lado, el rotor debe mantener su posición mientras gira, o sea que la flecha debe de estar libre para moverse en cualquiera de sus direcciones. La velocidad de giro es el movimiento deseado en una flecha sin embargo siempre viene acompañada de dos movimientos no deseados uno horizontal o de desplazamiento y otro vertical o de vibración.
Este tipo de movimientos se minimizan con las chumaceras o rodamientos axiales y radiales respectivamente hasta ciertos límites. Así cuando el vapor choca contra la flecha ocasiona que la flecha se desplace en forma axial (movimiento horizontal), alejándose de las toberas. Otro tipo de movimiento resulta cuando la flecha tiende a moverse fuera del centro, este movimiento se llama radial (movimiento vertical). Ambos movimientos radial y axial, deben ser controlados para mantener el rotor en posición. Las chumaceras o rodamientos de carga soportan la flecha y permiten que esta gire con el mínimo de fricción. Existen chumaceras o rodamientos que también controlan los movimientos axial y radial de una flecha. El lubricante dentro de las chumaceras o rodamientos produce una película entre la flecha giratoria y las partes estacionarias que soportan la flecha. Esta película evita que la flecha y las partes estacionarias rocen entre si. Las chumaceras o rodamientos de empuje limitan el movimiento de la flecha hacia los extremos de la turbina o sea limitan el movimiento axial, Fig. 9-40.
Las chumaceras radiales sobre las que descansa la flecha controlan el movimiento radial Fig. 9-41, en las turbinas pequeñas la flecha de la misma es soportada por (rodamientos) y estos pueden ser del tipo radial o axial.
Las bolas de un rodamiento ofrecen una pequeña resistencia a la rotación de la flecha, pero una gran resistencia a su desplazamiento axial. Como los rodamientos están lubricados, casi no existe desgaste en los rodamientos, la flecha o el soporte estacionario. Se puede encontrar arreglos con una combinación de chumaceras y rodamientos en muchas turbinas usadas para impulsar bombas, Fig. 9-42.
9.5.5 sistema de control de una turbina de vapor. Todos los componentes que mencionamos anteriormente son elementos del sistema de control de una turbina, se considera que el sistema de control para una turbina multietápica está constituido por dos subsistemas mayores:
Sistema de gobierno Sistema de paro de emergencia
9.5.5.1 Sistema de Gobierno. Este sistema regula el funcionamiento de una turbina ajustando su velocidad en respuesta a una señal neumática o analógica respecto a la carga. El sistema consta de los siguientes componentes: válvula de corte rápido, gobernador de velocidad, válvulas reguladoras de admisión de vapor y el servomotor que opera las válvulas reguladoras. Gobernador de velocidad. Como se explico anteriormente el gobernador es usado para detectar cambios de velocidad y regular la misma a través de mandos al servo motor y alas válvulas de regulación a las toberas que controlan el flujo de vapor a la turbina. Fig. 9-43.
Servo pistón (servomotor). La función del servomotor es abrir o cerrar las válvulas de admisión de vapor a la turbina como respuesta a una señal de velocidad del gobernador. Ver Fig. 9-44 y Fig. 9-45.
Válvula de corte rápido. Esta válvula tiene dos funciones: a) Estrangular la admisión de vapor al arrancar la unidad hasta alcanzar la velocidad de gobierno. b) Operar como una válvula de paro de emergencia en caso de condiciones de operación anormales. La válvula está equipada con un cilindro de aceite de disparo. El trinquete puede ser “enganchado” cuando la presión en la
línea de aceite estático a la válvula alcanza una presión de aproximadamente 3.8 ⁄, y se dispara a una presión de 2.4 ⁄ .Para resetear la válvula hay que cerrarla completamente hasta que se tenga suficiente presión de aceite para re-enganchar el trinquete y luego abrir la válvula, Fig. 9-46.
9.5.5.2 Sistema de paro de emergencia. Este sistema funciona automáticamente y es independiente del sistema de gobierno. Su función es la de cortar el flujo de vapor a la turbina en caso de operaciones de operación anormales y criticas. El sistema consta de los siguientes componentes: válvulas de corte rápido, disparo por sobre velocidad, disparo por baja presión del aceite estático de control, disparo hidráulico, válvula de disparo manual, válvula solenoide de disparos. Disparo por sobre velocidad. El regulador regula la turbina bajo condiciones normales, pero a veces ocurren condiciones anormales. Si una turbina a carga completa es liberada es liberada de esa carga de manera inmediata, la turbina se sobre revolucionará. El gobernador, en ocasiones reacciona muy despacio o falla, en estos casos el vapor a la turbina debe ser cerrado rápidamente pues de lo contrario la turbina se aceleraría hasta despedazarse.
Para estos casos se instala un perno de disparo en la flecha de la turbina y se usa para cerrar el flujo de vapor en una emergencia, Fig. 9-47. A velocidades normales el perno permanece dentro de la flecha, y consiste en un contrapeso desbalanceado sostenido a la flecha por medio de un resorte, cuando la turbina se sobre revoluciona, el perno se sale de la flecha, por efecto de la
fuerza centrifuga y golpea el gatillo que libera la uña de montaje de la palanca de disparo y la válvula de disparo se cierra por efecto del resorte.
En turbinas con válvulas de disparo muy grandes se usa aceite a presión para abrirlas y mantenerlas abiertas, aquí el resorte es comprimido por efecto de la presión del aceite, cuando la turbina se sobre revoluciona y el perno de disparo golpea el gatillo este libera una cuña, pero en este caso la uña abre una válvula que provoca la salida del aceite resultando el cierre de la válvula de corte rápido. El mecanismo de disparo debe de ser armado, “reseteado” antes de arrancar
nuevamente la turbina. Los disparos por sobre velocidad están normalmente calibrados para actuar a un 10-15% arriba de la velocidad máxima permitida en la operación normal de la turbina. El mecanismo está montado en la caja de chumaceras de la turbina, como se puede ver en la Fig. 9-48.
9.5.5.3 Sistema de Gobernador Electrónico. Como resultado de la modernización tecnológica, el accionamiento de gobernador de velocidad y el accionamiento del gobernador han sido remplazados por un sistema de gobernador electrónico, el actuador electro-hidráulico lineal, y un sistema electrónico de protección contra el exceso de velocidad, Fig. 9-49.
Este sistema de gobernador utiliza técnicas de computación para proporcionar el control de velocidad y el disparo por exceso de velocidad utilizando sensores magnéticos de velocidad para determinar la velocidad de rotación, Fig. 9.50.
Los sensores de velocidad son magnéticos, tipo reluctancia, generadores de pulsos que emiten señales eléctricas de potencia proporcionales a las velocidades de la turbina. Los sensores de velocidad están montados en la caja de chumaceras. El servo motor mecánico ha sido remplazado con un sistema electro-hidráulico de control el cual es operado por el sistema de gobernador electrónico. Las actualizaciones de los sistemas mecánico-hidráulicos (MHC) de control suministran mejoras en la confiabilidad y dinámicas de operación y resultan en beneficios que fácilmente justifican los proyectos de actualización. Sea por causas de obsolescencia en los componentes antiguos de los sistemas de control, por razones de alto costo de mantenimiento y/o inoportunos disparos a los equipos. Estas “modernizaciones” normalmente incluyen cambios en los sistemas de
actuación y/o modulación de válvulas de control con equipos que complementen la alta confiabilidad de los sistemas digitales de control. Con el fin de establecer mayor confiabilidad y dinámicas de actuación en los sistemas de modulación de control de velocidad y carga, y establecer mayor confiabilidad, protección y eliminar la posibilidad de disparos inoportunos, se recomienda una actualización de estos sistemas.
9.6 SISTEMA DE LUBRICACIÓN.
La lubricación de las chumaceras radiales puede ser por medio de un anillo de aceite. El anillo de aceite recoge aceite del cárter y puesto que la rotación hace girar este anillo, el aceite es llevado hasta la chumacera proporcionando una lubricación por salpicadura, Fig. 9-51.
Otro sistema de lubricación de chumaceras es aquel donde el aceite lubricante es inyectado a presión dentro de las chumaceras por medio de una bomba, este sistema se llama de lubricación forzada, en este caso si la presión de aceite en el circuito disminuye las chumaceras no reciben aceite y se deñan o destruyen. Una turbina equipada con un sistema de aceite de gobierno (control) debe de tener un suministro continuo y a presión de aceite limpio tanto para el sistema hidráulico del gobernador como para la lubricación de sus chumaceras. En un sistema típico de lubricación forzada el aceite es almacenado en un cárter (consola) y es forzado a fluir a las chumaceras por medio de una bomba. El aceite de la descarga de la bomba pasa a través de unos filtros para eliminar cualquier impureza, y puesto que el aceite al circular por las chumaceras se calienta debe de pasar por un enfriador antes de suministrarse a las chumaceras, pues si el aceite va muy caliente disminuye su viscosidad y no forma la película de aceite dentro de la chumacera con el espesor adecuado para evitar el contacto entre el metal de la flecha y chumacera; además la alta temperatura del aceite facilita la oxidación y degradación del mismo. Por otro lado si el aceite está muy frio no fluye adecuadamente y favorece la esfumación, por lo cual el aceite debe de mantenerse a la temperatura adecuada y a un flujo continuo mientras la turbina se encuentre en operación. Algunas turbinas son paradas por medio de un disparo hidráulico cuando la presión del aceite de lubricación baja. En este caso una válvula de disparo (corte rápido) libera la presión de aceite del cilindro de disparo causando el cierre del suministro de vapor y por lo tanto el paro de la turbina. En caso de que disminuya la presión del aceite de lubricación por obstrucción de un filtro, se cuenta con uno de relevo, por lo cual se efectúa el cambio del filtro en operación por el que está de relevo y esto se puede efectuar sin necesidad de parar el equipo. Si se trata de las bombas de aceite, cuando la bomba principal falla, la bomba de relevo entrará en operación automáticamente para mantener fijos y constantes la presión y flujos de aceite. Algunas turbinas cuentan con acumuladores de aceite a alta presión, el cual es utilizado cuando el sistema hidráulico del gobernador requiere un alto flujo de aceite en casos de variaciones grandes de carga. En todos los casos los sistemas de aceite tienen instaladas protecciones, alarmas y disparos para avisar al operador cuando la presión del aceite disminuye o bien
se incrementa la temperatura en alguno de los puntos del circuito que son monitoreados, Fig. 9-52.
9.6 SISTEMA DE VACÍO EN UNA TURBINA DE CONDENSACIÓN.
Condensadores de superficie. Es conocido el gran interés que tiene el bajar la contra presión de escape de una turbina de vapor, para así incrementar la cantidad de energía disponible para efectuar el trabajo (Entalpía). Si a título de ejemplo consideramos inicialmente un vapor a 25 atm y 350 , entalpía de 746,1 Kcal. /Kg., que se expansiona hasta 1 atm, entalpía final de 592 Kcal. /Kg., implica una diferencia de entalpía de 154,1 Kcal. /Kg. Si la expansión de prolonga hasta 0,1 atm, su entalpía final será de 517 Kcal. /Kg. Y la diferencia de entalpía es de 229 Kcal. /Kg., por lo que se ha ganado 75 Kcal. /Kg., es decir, se ha conseguido una mejora del 49% frente al caso anterior que no tenia condensador; esta mejora en el rendimiento y en la potencia de la turbina.
Un condensador de superficie puede llegar a dar un vacío del 96%, es decir, una presión absoluta de 0,04 Kg/ , para una presión atmosférica exterior de 1 Kg/ . La presión en el condensador es la suma de dos tipos de presiones: a) La presión parcial del vapor, a la temperatura del condensador. b) La presión parcial del aire, que se ha introducido en el equipo sometido al vacío. En este proceso hay que eliminar todo lo más posible el aire del condensador, y bajar la temperatura de condensación. En un condensador perfecto reinaría una presión igual a la presión del vapor correspondiente a la temperatura de refrigeración. En un condensador de superficie, el vapor se condensa sobre las paredes exteriores de los tubos por cuyo interior circula el agua de enfriamiento. En este caso el agua condensada puede retomarse a la caldera, estando previsto, únicamente un des gasificado que permita eliminar el aire que haya podido disolver al gua condensada al pasar por el condensador. El condensador de superficie es el complemento indispensable de las grandes turbinas de vapor, ya que, por ejemplo, el condensador de un grupo electrógeno (turbina-generador) de 50 MW tiene que realizar la condensación de aproximadamente 200 toneladas de vapor de agua por hora. En las instalaciones modernas, una mejora en el vacío del condensador de 1 mm de Hg, es decir, de un 1,3%, para una presión atmosférica de 760 mm de Hg, equivale a una elevación de la presión en la caldera de 1 atm, una mejora en el vacío del condensador de 1% (entre 90% y 95%), determina una disminución en el consumo de vapor de un 2% a un 3% por kW. Una mejora de 1 en la temperatura de salida del agua de refrigeración, determina una mejora del orden de un 0,4% en el grado de vacío del condensador.
El condensador de superficie representado en la Fig. 9-53, es un intercambiador de calor de dos pasos lado tubos porque el cabezal izquierdo, al cual llega el agua fría, está separado en dos mitades por medio de una mampara, lo que obliga al agua a circular de izquierda a derecha en los tubos situados en la mitad inferior del condensador y de derecha a izquierda en los tubos situados en la mitad superior, sin que sea necesario ninguna mampara de separación en el lado derecho. Este arreglo de dos pasos es muy frecuente en diversos tipos de intercambiadores de calor; la longitud máxima de los tubos puede llegar a ser de 6 metros; con la doble circulación, y a efectos de cálculo, se comportarían como tubos de 12 metros de longitud. De entre los dispositivos de control y seguridad del condensador de superficie destacaremos, los siguientes: a) b) c) d) e)
Un indicador de nivel de condensado. Un controlador de nivel de condensado. Un indicador de vacío. Un indicador de temperatura de condensado. Una válvula “rompedora de vacío”.
El objeto de la válvula rompedora de vacío es el siguiente: si la bomba de extracción del condensado funciona mal, el nivel del condensado puede subir
exageradamente en la cámara de condensación (bota) y llegar, incluso, hasta la turbina; en este momento interviene la válvula rompedora de vacío, que abre estableciendo la misma la presión atmosférica en el condensador. Evitando con esto que el condensado llegue a la turbina y por consiguiente provoque daños a la misma, independientemente de que se disponga de un disparo de la turbina por alta presión en el condensador. Para eliminar el aire más los incondensables y producir el vacío en un condensador de superficie se requiere de un sistema de eyectores, Fig. 9-54.
El eyector a chorro de vapor es el aparato más simple que hay para extraer el aire, gases o vapores de los condensadores y de los equipos que operar a vacíos en los procesos industriales. Es un tipo simplificado de bomba de vacío, sin partes móviles, como válvulas, pistones, rotores, Etc. Su funcionamiento está dado por el principio de conservación de la cantidad de movimiento de las corrientes involucradas, Fig. 9-55. Los eyectores o bombas de chorros, son maquinas cuyo trabajo se basa en la transmisión de energía por impacto de un chorro fluido a gran velocidad, contra otro fluido en movimiento o reposo, para proporcionar una mezcla de fluido a una velocidad moderadamente elevada, que luego disminuye
hasta obtener una presión final mayor que la inicial del fluido de menor velocidad. Los eyectores se emplean muy comúnmente para extraer gases de los espacios donde se hace vacío, por ejemplo, en los condensadores, en los sistemas de evaporación, en torres de destilación al vacío y en los sistemas de refrigeración, donde los gases extraídos son generalmente incondensables, tales como el aire.
Como se deduce de la figura 9-56, en un eyector el vapor vivo o motriz al pasar por la tobera se incrementa su velocidad y disminuye su presión, esta disminución de presión produce una disminución de la presión (vacío) que ocasiona la succión de vapor y el aire del condensador. Después cuando la corriente pasa por el difusor la velocidad tiende a disminuir y la presión a estabilizarse al vapor de la descarga.
9.7.1.1 Eyectores de un Sistema de Vacío. La función del sistema de eyectores es la eliminación del aire y de gases no condensables del condensador. Un eyector no es más que una bomba de chorro en la que no existen partes móviles. El sistema de eyectores (Fig. 9-57 y Fig. 9.58) está formado normalmente por:
Eyector de arranque. Eyector de la primera etapa. (primario). Condensador intermedio. Eyector de la segunda etapa. (secundario). Condensador posterior.
Los dos eyectores (primera y segunda etapa) trabajan en serie. El eyector de la primera etapa aspira del condensador principal y descarga la mezcla de aire-vapor al condensador intermedio en el que el vapor contenido en la mezcla, se condensa. El condensado cae al fondo del condensador, en donde a través de un sello hidráulico en U pasa el condensador principal. El aire pasa ahora a la aspiración de la segunda etapa donde mezclado con el chorro de vapor es conducido al condensador posterior, en este, el vapor se condensa y se manda al tanque de purgas en tanto que el aire se envía a la atmosfera. Debe hacerse constar que el grupo de eyectores, elimina el aire solamente del condensador; el aire disuelto o en suspensión del condensado que pasa por el interior de los tubos no se elimina; el condensado sirve para retomarse a la caldera pasando antes por una pulidora de condensado.
9.7.1.2 Operación del Sistema de Vacío. Para permitir un funcionamiento continuo, se utilizan dos juegos de eyectores, sin embargo solo uno es necesario y suficiente para el funcionamiento del sistema; el otro, está en todo momento listo para funcionar en caso de averías o defectos de funcionamiento del primero. Ambos pueden utilizarse simultáneamente en caso de que una entrada excesiva de aire en el condensador y se haga necesario una capacidad adicional de extracción de aire. Antes de poner en funcionamiento un eyector, la tubería de vapor debe purgarse para evitar que las gotas de agua puedan erosionar las toberas y las acumulaciones de la misma, hagan que los eyectores tengan un funcionamiento inestable. Antes de cortar vapor a los eyectores debe comprobarse que el condensador tiene suficiente flujo de agua de enfriamiento en circulación. La circulación (loop-seal) del condensador intermedio al principal, debe ser perfectamente estanca al aire, pues cualquier pérdida (entrada de aire) obligaría al agua del tubo en U a salir del mismo.
Si en alguna ocasión es necesario hacer funcionar ambos grupos de eyectores, probablemente existe una entrada excesiva de aire, es mejor y más conveniente localizarla y eliminarla, que hacer funcionar ambos grupos continuamente. El funcionamiento inestable de un eyector de aire puede ser debido a alguna de las siguientes causas.
Baja pres del vapor a eyectores. Temperatura y presión de vapor diferentes de los previstos para el funcionamiento correcto. Incrustaciones o suciedad en las toberas. Posición inadecuada de las toberas respecto al difusor. Purgas del condensador (intermedio o posterior) cerradas u obturadas.
Los problemas que ocasionan la baja presión del vapor son debidos generalmente a un funcionamiento o ajuste inadecuados en la válvula reductora de presión de vapor a eyectores. Es esencial que a las toberas llegue vapor seco y a la presión adecuada. La existencia de erosiones o incrustaciones en las toberas es una evidencia de la admisión de vapor húmedo a las mismas. Las toberas defectuosas no trabajan correctamente y por lo tanto el vacío no puede mantenerse en sus valores máximos. En algunas ocasiones, las toberas pueden estar parcialmente obstruidas por grasa, reactivos de calderas o cualquier otra sustancia que disminuya su rendimiento. 9.8 CONDICIONES DE OPERACIÓN COMPORTAMIENTO DE UNA TURBINA.
QUE
AFECTAN
EL
9.8.1 Presión Excesiva en la Carcasa. Para que el vapor fluya a través de una turbina debe existir un diferencial de presión entre la entrada y salida del vapor. Durante el arranque de una turbina a contra presión la descarga de la misma deberá abrirse antes de la entrada del vapor motriz, pues de lo contrario la carcasa puede destruirse debido a la excesiva presión. Las turbinas tienen colocadas válvulas por seguridad por presión (PSV) en la descarga, estas válvulas deben ser revisadas una vez que relevan para asegurarse que cerraron bien, pues de lo contrario se estará venteando vapor a la atmosfera.
También las turbinas están equipadas con válvulas centinela las cuales al ser escuchadas, se deberá a proceder a cerrar vapor a la turbina para evitar algún daño a la misma. 9.8.2 Condensación del Vapor. La temperatura de descarga del vapor de una turbina, siempre es menor que la del vapor de entrada, y mientras mas sobrecalentado esté el vapor del suministro, habrá mas posibilidades que el vapor de descarga vaya más seco. Las turbinas con condensación tienen muy bajas temperaturas de descarga, y normalmente algo de vapor se condensa en las últimas etapas, por lo cual estas turbinas están diseñadas para que no sufran erosiones en los últimos pasos. Pero si el vapor de entrada baja de temperatura, se condensara algo de este en los primeros pasos, y como estos no están diseñados para trabajar con algo de condensado sufrirán una seria erosión en corto tiempo. Por otro lado en los periodos de paro de una turbina, esta se enfría y algo de condensado se acumula en los puntos bajos de las líneas de vapor, este condensado no puede ser arrastrado por el vapor de baja velocidad que se usa en el calentamiento de la turbina, pero en el momento que la turbina se acelera a su velocidad de trabajo, el vapor aumenta su velocidad y arrastra el condensado que provoca un golpe de ariete contra las toberas y los álabes corriéndose el peligro de romperlas. Para evitar esto se colocan purgas en los puntos bajos de las tuberías de suministro de vapor, y en la misma carcasa de la turbina para poder purgar el condensado antes de arrancarla y durante el proceso de calentamiento de la misma. Algunas de estas purgas están conectadas a trampas de vapor para eliminar continuamente el condensado formado, aquí si la descarga de una trampa está fría quiere decir que la trampa no está funcionando adecuadamente. 9.8.3 Efectos del Calentamiento o Enfriamiento Desiguales. El vapor que entra a una turbina a una temperatura relativamente alta, al arrancar una turbina después de un largo periodo de estar parada, esta se encuentra fría y los componentes metálicos se expanden rápidamente al estar en contacto con el vapor. Durante el arranque de una turbina con condensación el condensador debe de ponerse en operación antes de admitir el vapor a la turbina, con esto se logra
mantener la temperatura de la descarga relativamente baja o sea como está diseñada para trabajar, pues si la temperatura aumente arriba de la de diseño de los birlos de las bridas de la carcasa se aflojarán y permitirán fugas cuando la temperatura se encuentre a su valor normal de operación. Durante el arranque, el rotor de una turbina alcanza la temperatura de trabajo mas rápidamente que la carcasa; por lo tanto se dilata más que esta, y puesto que los diafragmas de ínter etapa están fijos a la carcasa, al expandirse el rotor más que la carcasa puede existir rozamiento entre el rotor y los diafragmas. Así durante la fase de arranque de una turbina multietápica, el flujo de vapor a través de ella debe ser lo suficiente bajo para permitir que el rotor y la carcasa se expandan juntos, para no poner en riesgo que el rotor roce los diafragmas. 9.8.3.1 Deformación de la Flecha. Conforme el vapor pase a través de una turbina durante el proceso de calentamiento para la puesta en operación, el rotor debe de girar muy lentamente, pues si este no gira el vapor calentara únicamente medio rotor, el cual se dilata más que la otra, provocando una deformación en la flecha. Esta deformación es mayor cuanto mayor sea la diferencia de temperatura dentro de la turbina. Al operar la turbina a bajas velocidades, durante el periodo de arranque aseguramos un calentamiento uniforme y evitamos que la flecha se deforme. Cuando se opera una turbina con la flecha deformada, el giro provoca una excentricidad de cargas en las chumaceras y se produce vibración de la maquina, deterioro en las chumaceras y un posible roce del rotor con los diafragmas. Las turbinas multietápicas deben de calentarse al 20% de su velocidad de operación cuando menos 30 minutos antes de acelerarlas. Por esta razón en las turbinas multietápicas se cuenta con una torna flechas, ver Fig. 9-59, el cual es un dispositivo formado por un motor, el cual se puede engranar a la flecha principal de la turbina para girar el rotor a baja velocidad durante la secuencia de calentamiento y lograr un calentamiento uniforme del rotor y la carcasa.
9.8.4 Fugas por las Cajas de Empaques (sellos). Durante el arranque la tolerancia entre la flecha y los empaques es mayor que lo normal y puede existir algo de fuga, pero conforme la flecha se caliente esta se expansionará y la tolerancia disminuirá. Si la empaquetadura está muy desgastada, la fuga no disminuirá al calentarse la turbina, además que en ocasiones las conexiones de salida se encuentran tapadas o las válvulas cerradas, causando que el vapor escape de la carcasa a la atmosfera, Fig. 9-60. La caja de empaques de una turbina de condensación está sellada con vapor de sellos, si existe mucho vapor de sello el eyector de la caja de empaques no puede eliminarlo y algo de vapor se escapará a la atmosfera como fuga. Por otro lado si el vapor de sello se alinea mucho antes de que la turbina este girando, este vapor calentara la flecha y el rotor más de un lado que de otro, causando la deformación de la flecha.
9.8.5 Vibración. Todos los cuerpos presentan una señal de vibración característica en la cual plasman cada una de sus partes. De acuerdo a esto, las maquinas presentan su propia señal de vibración y en ella se encuentra la información de cada uno de sus componentes. Por tanto, una señal de vibración capturada de una máquina significa la suma vectorial de la vibración de cada uno de sus componentes. La vibración tiene dos características: 1. La frecuencia (número de vibraciones o movimientos en un periodo de tiempo). 2. La amplitud (la distancia que la flecha o las chumaceras se mueven). Una vibración completa es un ciclo, por lo tanto la frecuencia se expresa en ciclos por segundo o minuto. La frecuencia no está relacionada directamente con la amplitud de la vibración, pues al aumentar la frecuencia no necesariamente aumenta el movimiento de la flecha o chumaceras, como se ve en la Fig. 9-61. La amplitud de la vibración de mide en mils, don un mil es equivalente a una milésima de pulgada. La amplitud desde el punto de vista de las vibraciones es cuanta cantidad de movimiento puede tener una masa desde una posición neutral. La amplitud se mide generalmente en valores pico-pico para desplazamiento y valores cero-pico para velocidad y aceleración (Fig. 9-62). La amplitud se mide en tres direcciones, una axial y dos radiales, la vibración radial puede ser radial vertical o radial horizontal. En operación normal, la amplitud de vibración es baja, un aumento en la amplitud indica una condición anormal que puede ser corregida y puede deberse a que la flecha se encuentre desbalanceada.
La fase realmente es una medida de tiempo entre la separación de dos señales, la cual puede ser relativa o absoluta. Generalmente es encontrada en grados. La Fig. 9-63, muestra dos señales sinusoidales de igual amplitud y periodo, pero separadas 90 grados, lo cual indica que ambas curvas están desfasadas 90 grados.
9.8.5.1 Elementos de Monitoreo de Vibraciones. Los acelerómetros monitorean la vibración de los componentes en el rotor de la turbina. Se utilizan sensores para monitorear la vibración en los ensamblajes de la chumacera para las flechas del rotor del elemento impulsado. Cada dispositivo de monitoreo necesita ajustes de paro y alarma. El propósito principal de la medición de la vibración es evitar el daño corrigiendo los problemas antes de que se vuelvan excesivos, aunque el desplazamiento es el método más común de la medición de la vibración, el desplazamiento no es lo que causa el daño. La velocidad indica el potencial del daño.
El daño real se causa cuando el objeto en movimiento se detiene por aceleración. Normalmente, en la máquina giratoria, el daño se realiza a las chumaceras debido a las fuerzas de la flecha que impactan sobre estas. 9.8.5.2 Vibración de la Turbina: Acelerómetros. Un acelerómetro es un transductor de inercia que convierte las características de la aceleración de la vibración en señales eléctricas proporcionales. Este sensor produce una forma de onda eléctrica compleja, que es el resultado de la frecuencia y amplitud de la vibración. Aceleración: la aceleración es la tasa de tiempo de cambio de velocidad, para l movimiento armónico, que con frecuencia se expresa como “g” o “a”. Las unidades
típicas de aceleración son pies por segundo (ft/ ), metros por segundo (m/ ), o más comúnmente “g”, donde g= la aceleración de la gravedad de la tierra= 386.1 in/ ,=32,17 ft/ 9.81 m/ Las mediciones de la aceleración generalmente se hacen con acelerómetros piezoeléctricos y generalmente se usan para evaluar la carcasa de una máquina de alta frecuencia o las características de respuesta del alojamiento de la chumacera. Vibración absoluta: la vibración de un objeto se mide en relación con un marco de referencia (fijo) de inercia. Los transductores de velocidad y acelerómetros miden la vibración absoluta; por lo tanto, se dan en llamar transductores sísmicos o transductores de inercia. La polaridad de la señal es la relación entre la dirección del desplazamiento, velocidad o aceleración del objeto observado y el cambio en la señal del transductor. El monitoreo de la posición de empuje axial en la turbo-maquinaria es uno de los sistemas de protección mas importantes de la máquina. Otras modalidades de funcionamiento inadecuado de la máquina pueden ser igualmente catastróficas, pero el deterioro y falla de una chumacera de empuje puede ocurrir con muy poca advertencia, en un periodo extremadamente corto y puede conducir a la destrucción total de la máquina. El sistema de monitoreo de vibración produce datos de magnitud de la vibración con puntos de ajuste de paro y alarma para la turbina y la seguridad del elemento impulsado.
9.8.5.3 Sistema de Monitoreo de Vibraciones. El sistema de monitoreo de vibración sirve para modificar al operador de vibración excesiva en la turbina, y el elemento impulsado. Está constituido por un rack de instrumentos con fuentes de poder inter construida, relevadores, monitoreo de vibración e instrumentos de aceleración, y un tacómetro de tren en el sistema del rack de monitoreo de vibración, Fig. 9-64 y Fig. 9-65.
Posición Control/indicador 1 Medidor 2
Ok, LED verde
3
Peligro, LED rojo
4
Alerta, LED rojo
5
Derivación, rojo
6
Peligro, interruptor del botón pulsador
7
Alerta, interruptor del botón pulsador
8
Señal de entrada compensada del transductor A, conector coaxial. Señal de entrada compensada del transductor B, conector coaxial.
9
LED
Función Medidor de tipo de gráfica de barras que indica las amplitudes de la vibración radial del canal A y del canal B, cada uno con dos sensores. Se ilumina para indicar que la tensión de transductor está dentro de los límites operativos. Se ilumina cuando se presiona el interruptor de peligro, o cuando el nivel de una segunda alarma excede el punto de configuración prestablecido de la alarma. Se ilumina cuando se presiona el interruptor de alerta, o cuando el nivel de una primera alarma excede el punto de configuración prestablecido de la alarma. Se ilumina para indicar que se ha derivado un canal y que no están monitorizados los canales, como se ha asignado. La derivación del modulo es una función de mantenimiento. El personal de mantenimiento debe consultar el manual del fabricante antes de intentar derivar el modulo. Al presionar el interruptor de peligro se despliega el punto de configuración de una segunda alarma en el medidor para cada canal. Al presionar el interruptor de alerta se despliega el punto de configuración de la primera alarma en el medidor para cada canal. Proporciona una señal de entrada dinámica compensada para el canal A, como se recibe del modulo de filtro / monitor de vibración, para fines de registro o mantenimiento. Proporciona una señal de entrada dinámica compensada para el canal B, como se recibe del modulo de filtro/monitor de vibración, para fines de registro o mantenimiento.
9.8.5.4 Detección de fallas diagnosticadas por el exceso de vibración. Una flecha deformada puede tener mas peso de un lado que en el otro, y al girar, la fuerza centrifuga empuja mas del lado mas pesado aumentando la amplitud de vibración.
Otra causa en el incremento de la amplitud de vibración puede ser el des alineamiento de la bomba con respecto al equipo que mueva. Cuando un rotor tiene quebrado un álabe se produce un desequilibrio de peso lo cual puede causar una amplitud de vibración excesiva. Los sellos de los anillos de carbón nuevos pueden causar algo de vibración hasta que se asienten en la flecha. Las chumaceras restringen los movimientos axiales y radiales, si un balero o chumacera se encuentran desgastados, la tolerancia respecto a la flecha aumenta y causa vibración. 9.8.6 Velocidad Crítica. Si una lamina de acero es jalada y soltada, esta vibrará en determinada frecuencia denominada frecuencia natural, que depende en parte de la longitud de la lámina y de la flexibilidad de esta. Al igual que una lamina, una flecha tiende a vibrar a su frecuencia natural, y entre mayor sea la flecha su frecuencia natural será menor. Así una turbina grande multietápica tiene una flecha cuya frecuencia natural de vibración es menor que la flecha de una turbina pequeña de un solo paso. Por otro lado, cuando una flecha gira, esta vibra a la misma frecuencia que la velocidad a la que gira, así una flecha girando a 1,000 rpm vibrara a 1,000 ciclos por minuto. Cuando una flecha gira a la misma velocidad que el valor de su frecuencia, se dice que está girando a la velocidad critica. A velocidades mayores, la frecuencia de vibración es diferente a la frecuencia natural, siendo por consiguiente que la amplitud a diferentes velocidades a la crítica es normalmente pequeña. Pero en la velocidad crítica esta amplitud de medición es muy grande y puede destruir la turbina y dañar sus chumaceras. Una turbina que debe de pasar una velocidad crítica antes de alcanzar su velocidad de trabajo se denomina como una turbina de flecha flexible, y si no pasa una velocidad crítica, o sea, que su velocidad de trabajo está por debajo de la velocidad crítica se dice que es una turbina de flecha rígida. 9.8.7 Depósitos en los Álabes. Si el vapor que entra a una turbina contiene solidos arrastrados desde las calderas o las tuberías, este material puede depositarse en los alabes, y si el deposito o acumulación es suficientemente grande, la forma de los alabes cambia, y el espacio por el cual pasa el vapor se reduce.
Esta reducción en el flujo causa un represionamiento en el extremo del rotor y produce un incremento de la carga axial, desgastando el balero de carga o chumacera. Por otro lado los depósitos no son firmes y desbalancean el rotor causando vibración de la turbina. 9.8.8 Agua en el Sistema de Lubricación. El agua corroe las superficies ferrosas, o bien al combinarse con algún producto químico se vuelve altamente corrosiva. Además con el aceite forma emulsiones que pueden tapar un filtro de aceite o formar espuma. Esta espuma no lubrica adecuadamente y puede causar la perdida de succión de la bomba de aceite, o bien un disparo de la turbina al entrar al sistema hidráulico del gobernador o al sistema de disparo de la turbina. 9.8.9 Aislamiento Térmico. El aislamiento térmico evita las perdidas de calor de la turbina y protege al operador de posibles quemaduras, por lo tanto debe de mantenerse en perfectas condiciones para cumplir satisfactoriamente su función. 9.8.10 Disparo por Sobre Velocidad. El mecanismo de disparo por sobre velocidad debe de encontrarse listo para operar en caso de que se sobre revolucione la turbina, debe de ser probado antes de llevar a la turbina a su velocidad de trabajo. Por esto el disparo de sobre velocidad debe de ser probado durante el calentamiento de la turbina. En las turbinas grandes con sistema de gobierno tipo hidráulico o electrónico, deberá estar operando el sistema hidráulico de aceite al servo pistón y solenoides de disparo. 9.8.11 Instrumentación. En el sistema de aceite de lubricación y control de una turbina deberá mantenerse la circulación a una presión y una temperatura determinada. Se cuenta con un manómetro en la descarga de la bomba de aceite y otro en la entrada y salida de filtro, además de un indicador de presión diferencial, en caso de que el valor de la presión diferencial sea mayor de 20 es indicación que el filtro se está tapando con partículas solidas.
Además existen manómetros que indican la presión de descarga de la bomba, control de aceite de control y presión de aceite de lubricación, como la presión del aceite de control es mayor que la presión del aceite de lubricación existen válvulas auto controlables reductoras de presión para controlar la presión de ambos circuitos. Las chumaceras están generalmente equipadas con termómetros para indicar la temperatura de retorno de cada una de ellas a la consola, también se dispone con un indicador de temperatura del aceite a la salida del enfriador. Las turbinas también están equipadas con alarma y disparos por baja presión de aceite de lubricación.
9.9 PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS
9.9.1 Procedimiento General para la puesta en Operación de una Turbina a Contrapresión. 9.9.1.1 Pasos del Procedimiento General Para la Puesta en Operación. Actividad Prepare la turbina
Desarrollo 1. Caliente lentamente la línea de alimentación de vapor a la turbina, abriendo con precaución las purgas instaladas en toda la longitud de la tubería, esto con el fin de expulsar el condensado que se acumula al enfriarse la misma. 2. Abra las purgas de la carcasa de la turbina. 3. Abra un poco la válvula de bloqueo que se encuentra en la línea de salida de vapor de escape de la turbina, con la finalidad de que la carcasa y demás partes se vayan calentando gradualmente. 4. Abra un poco la válvula de bloqueo (compuerta) de entrada de vapor a la turbina, con purgas abiertas antes de la válvula de control de vapor. 5. verifique el nivel de aceite en el deposito (consola) sea el adecuado. 6. Alinee agua de enfriamiento al enfriador de aceite. 7. Purgue el agua que se hubiera acumulado en la parte
Verif.
inferior del depósito de aceite (consola). 8. Cuando el vapor que sale por las purgas de la carcasa de la turbina no lleve humedad (confirmar por medio del guante) cerrar estas purgas aproximadamente un 80%. 9. Abra totalmente la válvula de salida de vapor de la turbina. Puesta en operación de la turbina
10. Arme el disparo de la turbina. 11.Abra totalmente la válvula de bloqueo a la turbina y cierre las purgas. 12. Verifique si tiene sistemas de control de velocidad desde el cuarto de control que la salida del controlador al gobernador de la turbina se encuentre a la velocidad mínima de gobierno. 13.Abra lentamente la válvula de admisión de vapor a la turbina, permitiendo que esta comience a rodar. 14.Compruebe que la bomba de aceite de lubricación forzada a la turbina ha empezado a operar, incrementado la presión del aceite de lubricación, en caso de que no levante presión fuera de operación la unidad. 15.Abra mas la válvula de admisión de vapor a la turbina (corte rápido) hasta alcanzar la velocidad mínima de gobierno, tener la precaución de cerrar totalmente las purgas de carcasa. 16. Cuando se alcanza la velocidad mínima de gobierno, el gobernador toma el control de la velocidad de la turbina, por lo cual los incrementos de velocidad se podrán efectuar desde el sistema de control de velocidad. 17.Compruebe que la turbina no tenga ruidos o vibraciones anormales. 18.Verifique a temperatura del aceite de retorno de cada una de las chumaceras.
De carga a la turbina.
19.Cuando la turbina alcanza su velocidad de trabajo y el gobernador regula la velocidad de la misma, se puede empezar a aumentar la carga de la siguiente manera: 19.1
Si se trata de un ventilador, se abren las
compuertas de entrada de aire lentamente, hasta admitir el flujo deseado. La velocidad de la turbina se mantendrá constante debido a que el gobernador mantendrá la velocidad, admitiendo una mayor cantidad de vapor. 19.2 En caso de tratarse de una bomba centrifuga, esta se arrancara con la descarga parcialmente cerrada. Al alcanzar la turbina su velocidad de trabajo se empezara a abrir lentamente la válvula de descarga de la bomba con el fin de que las variaciones de velocidad sean pequeñas, hasta que esta quede totalmente abierta. 19.3 Si la maquina conducida es un generador eléctrico, se lleva la turbina a la velocidad de régimen, luego se excitará el generador hasta tener el voltaje deseado. Posteriormente se empezara a conectar la carga eléctrica al generador en forma gradual, con el fin de no tener variaciones bruscas en el voltaje y la frecuencia.
9.9.2 Procedimiento General de Paro Normal de una Turbina a Contra Presión. 9.9.2.1 Pasos del procedimiento general de paro normal. Actividad Prepare el paro de la turbina.
Para la turbina.
Desarrollo Verif. 1. Si la turbina está acoplada a una bomba, empiece a cerrar lentamente la válvula de descarga de la bomba con lo que se tendrá una menor demanda de potencia de la turbina, por lo cual el gobernador empezara a disminuir el consumo del vapor a la turbina. 2. Cierre la válvula de admisión de vapor a la turbina de manera lenta y gradual hasta su cierre total. 3. Verifique que está totalmente cerrada la válvula de descarga de la bomba, para evitar un flujo inverso (aunque tiene válvula check en la descarga). 4. Cierre la válvula de escape de la turbina, para evitar que entre vapor a la misma cuando esté parada.
5. Abra un poco las purgas de la carcasa de la turbina. 6. Abra totalmente las purgas cuando la carcasa esté fría. Aísle la bomba.
7. Cierre la válvula de bloqueo en la línea de alimentación de vapor a la turbina. 8. Bloquee la succión de la bomba y púrguela.
9.9.3 Procedimiento de paro de emergencia de una turbina a contra presión. El paro de emergencia se efectúa por diversas causas, como puede ser una falla mecánica de la turbina, una alta vibración o por condiciones anormales de operación de proceso. En este caso se procede de la siguiente manera: 9.9.3.1 Pasos de Procedimiento General de Emergencia. Actividad Desarrollo Verif. Dispare 1. Dispare la turbina por medio del disparo manual de manualmente emergencia, con lo cual se cierra la válvula de corte la turbina. rápido cerrando el flujo de vapor de suministro a la turbina, parando la misma. 2. Proceda a cerrar la válvula de bloqueo de suministro de vapor. 3. Cierre la válvula de salida de vapor de la turbina. 4. Abra las purgas de la carcasa de la misma. 5. Bloquee el elemento impulsado por la turbina.
9.9.4 Procedimiento general de puesta en operación de una turbina de condensación. 9.9.4.1 Pasos de procedimiento general para la puesta en operación de la turbina de condensación. Actividad Prepare el sistema de vacío
Desarrollo Verif. 1. Alinee agua de enfriamiento a los siguientes equipos en caso de contar con ellos: a. Condensador de superficie. b. Condensador de sellos (gland condenser). c. Condensador de eyectores. d. Enfriador de aceite. 2. Haga nivel en el pozo caliente del condensador de superficie, por medio de agua desmineralizada o condensado de calderas. 3. Ponga en operación una bomba de condensado del condensador, recirculando este al condensador. 4. Verifique que la válvula rompedora de vacío del condensador (cebolla) está cerrada, y hacer sello hidráulico en ella por medio de condensado o agua desmineralizada.
Vacié el condensador de superficie.
5. Verifiquen que estén alineadas las salidas de condensado del condensador de eyectores al condensador principal. 6. Abra la válvula de salida de incondensables de pos condensador de eyectores al condensador principal. 7. Purgue la línea de suministro de vapor motriz a los eyectores. 8. Alinee vapor motriz al eyector de arranque, cuando el vapor esté seco. 9. Abra la válvula de incondensables al eyector de arranque. Con esto se logrará un vacío de un valor determinado. 10.Alinee vapor motriz al eyector secundario. 11.Alinee incondensables al eyector secundario.
12.Alinee vapor motriz al eyector primario 13.Abrir incondensables al eyector primario. 14.Proceda a sacar de operación el eyector de arranque cerrando primero los incondensables y después el vapor motriz. Ponga en operación el sistema de aceite.
15.Ponga en operación una bomba principal de aceite de lubricación, controlando la presión del aceite y chocando la continuidad del flujo de aceite a través de las chumaceras. 16.Ponga en automático la bomba auxiliar de aceite de lubricación.
Caliente la turbina.
17.Se purga el vapor motriz a la turbina, hasta la válvula de corte rápido de la misma. 18.Alinee vapor de sellos de arranque a la turbina controlando el valor de la presión del vapor de sellos a la turbina.
Pruebe el disparo de la turbina.
19.Verifique que el sistema de control de velocidad se encuentre a la velocidad mínima del gobierno para que al momento de alinear vapor a la turbina esta no se sobre revolucione. 20.Restablezca las protecciones de la turbina. 21.Arme el disparo hidráulico, verifique la presión del aceite de control a los dispositivos de protección y al servo pistón. 22.Verifique que las purgas de la válvula de corte rápido y las de la carcasa de la turbina estén parcialmente abiertas. 23.Ruede la turbina abriendo poco a poco la válvula de corte rápido, hasta alcanzar una velocidad de 500 rpm. 24.Dispare la turbina desde el tablero local o desde el sistema de control para probar el disparo por sobre velocidad.
Ponga en operación la turbina.
25.Cierre la válvula de corte rápido, arme y abra de nuevo para rodar la turbina calentándola a la velocidad especificada por el fabricante. 26.Incremente la velocidad mediante la apertura de la válvula de corte rápido hasta alcanzar la velocidad mínima de gobierno. 27.Al pasar por una o más velocidades criticas para alcanzar la velocidad normal de operación, tener la precaución de no detenerse en ellas. 28.Mantenga el nivel del condensador alineado la salida del condensador al cabezal de condensado.
De carga a la turbina.
29.Incremente la velocidad de la turbina de acuerdo a las necesidades del proceso, por medio del sistema de control de velocidad. 30.Cierre la válvula de vapor de sellos de arranque, verificando la presión de vapor de sellos de la turbina. 31.Verifique las condiciones de operación de la turbina como son: vibraciones, presiones de aceite, temperaturas del aceite, vacío en el condensador, nivel en el mismo y velocidad de operación.
9.9.5 Procedimiento general de paro normal de una turbina de condensación, que se pondrá de nuevo en servicio. 9.9.5.1 Pasos del procedimiento general de paro normal. Actividad Desarrollo Verif. Prepare 1. Baje la velocidad de la turbina hasta la velocidad el paro mínima de gobierno por medio del sistema de control de velocidad. De acuerdo a las necesidades del proceso. 2. Cuide el nivel del condensador de superficie, y si es necesario recircular el condensador de acuerdo a la disminución del nivel. 3. Abra la válvula de vapor de sellos de arranque, para
mantener el vacío en el condensador al salir la turbina de operación. Pare la turbina
4. Dispare la turbina por medio del disparo manual local o desde el sistema de control, después de que se encuentra operando a la velocidad mínima de gobierno. 5. Verifique que la válvula de corte rápido cerro, y abra las purgas de la misma. 6. Bloquee la válvula de suministro de vapor a la turbina, y abrir purgas de línea. 7. Verifique la presión del aceite de lubricación y mantenga este circulando para enfriamiento de las chumaceras.
Enfrié la turbina
8. Ponga en operación la torna flechas para enfriar la turbina de manera uniforme girándola. 9. Saque de operación el mismo cuando se cumpla con el tiempo especificado por el fabricante para el enfriamiento. 10.Mantenga operando el sistema de eyectores y la bomba de aceite de lubricación, para poder restablecer la turbina cuando así se indique.
9.9.6 Procedimiento general de paro normal de una turbina de condensación, que se entregara a mantenimiento. 9.9.6.1 Pasos del procedimiento general de paro normal para entregar a mantenimiento. Actividad Desarrollo Verif. Prepare el 1. Baje la velocidad de la turbina hasta la velocidad paro mínima de gobierno por medio del sistema de control de velocidad. de acuerdo a las necesidades del proceso. 2. Cuide el nivel del condensador de superficie, y si es necesario recircular el condensador de acuerdo a la disminución de nivel.
3. Abra la válvula de vapor de sellos de arranque, para mantener el vacío en el condensador al salir la turbina de operación. Pare la turbina
4. Dispare la turbina por medio del disparo manual local o desde el sistema de control, después de que se encuentra operando a la velocidad mínima de gobierno. 5. Verifique que la válvula de corte rápido cerro, y abra las purgas de la misma. 6. Bloquee la válvula de suministro de vapor a la turbina, y abrir purgas de línea. 7. Verifique la presión del aceite de lubricación y mantenga este circulando para enfriamiento de las chumaceras.
Enfríe la turbina
8. Ponga en operación la torna flechas para enfriar la turbina de manera uniforme girándola. 9. Saque de operación el mismo cuando se cumpla con el tiempo especificado por el fabricante para el enfriamiento. 10.Cierre el suministro de vapor de sellos de arranque o verificar que este cerrado.
Pare el sistema de vacío
11.Ponga fuera de operación el sistema de eyectores de la siguiente manera: a. Cierre incondensables al eyector primario. b. Cierre vapor motriz al eyector primario. c. Cierre incondensables al eyector segundario. d. Cierre vapor motriz al eyector secundario. e. Cierre la válvula de entrada de vapores a los eyectores. f. Abra la purga del vapor a eyectores. g. Cierre salida de condensador del condensador de eyectores al condensador de superficie.
12.Abra purgas de la carcasa de la turbina. 13.Pare la bomba de salida de condensado del condensador de superficie y bloquear la válvula de salida. 14.Abra la válvula rompedora de vacío a la atmosfera, cerrando primero el condensado al sello hidráulico de la misma. Paro del sistema de aceite
15.Saque de operación la bomba principal y auxiliar de aceite de lubricación cuando el sistema esté frio. 16.Bloquee el suministro de agua de enfriamiento a los equipos como son; condensador de eyectores, condensador de sellos, condensador de superficie.
GLOSARIO.
Es el conjunto de partes estacionarias de la turbina sometidas a presión, incluyendo boquillas y otras partes de la unidad. Se refiere a la unión de la carcasa superior con la Carcasa bipartida horizontalmente carcasa inferior, la cual es la paralela a la línea de centros de la flecha. Condiciones máximas Es la presión y temperatura más alta del vapor en la de vapor inicial. entrada de la turbina para operar continuamente. Condiciones mínimas Es la presión, temperatura más baja del vapor en la de vapor inicial. entrada de la turbina para operar continuamente. Condiciones NEMA de Son equivalentes a las condiciones máximas de entrada y salida. entrada y salida de la turbina, especificadas en las hojas de datos. Máxima potencia. Es la potencia máxima que la turbina puede suministrar a las condiciones del vapor y velocidad especificadas y si se requiere, boquillas adecuadas (más grandes o adicionales), válvulas más grandes y gobernador de mayor capacidad. Máxima presión de la Es la presión más alta del vapor requerida en el escape carcasa en el escape. que, a las condiciones máximas del vapor a la entrada y la válvula de alivio operando a flujo completo. Es la condición en la cual se obtiene la mayor potencia Operación nominal. y velocidad correspondiente de la turbina a un nivel determinado de vapor. Operación normal. Es la operación en la que el equipo opera normalmente, en potencia, velocidad y condiciones de vapor. Esta condición debe ser la de mayor eficiencia. Presión de trabajo Es la presión continua más alta del vapor para la cual el fabricante diseño la turbina (cualquier parte que lo máxima permisible. requiera) cuando se maneja vapor a la temperatura especificada. Presión máxima de Es la presión más alta del vapor en la brida de salida escape. de la turbina en operación continua. Presión mínima de Es la presión mínima de presión en el escape de la escape. turbina en operación continua. Servicio de reserva. Es la turbina disponible que puede operar de inmediato en forma manual o automática a operación continua de acuerdo con las condiciones especificadas. Temperatura máxima Es la temperatura continua más alta, para la cual el fabricante diseño la turbina. permisible. Velocidad de disparo. Es la velocidad a la que opera el dispositivo de emergencia por sobre-velocidad, cerrando la válvula de entrada de vapor a la turbina. carcasa a presión
