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Informe Técnico
Turbina de Vapor de la marca Kawasaki de 37500 BHP
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Informe Técnico
Turbina de Vapor de la marca Kawasaki de 37500 BHP
RESUMEN
El presente informe técnico tiene como objet...
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ÍNDICE
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INTRODUCCIÓN 1
OBJETIVOS 2
METODOS 2
HISTORIA DE LA TURBINA DE VAPOR 3
DESCRIPCIÓN DEL EQUIPAMIENTO 4
NORMA...
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INTRODUCCIÓN
La mayor parte de la energía generada en el mundo se produce con turbinas de vapor.
Se trata de un equipo r...
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OBJETIVOS
Elaborar un plan de mantenimiento para la turbina de vapor de la marca Kawasaki y
de unos 37500 BHP.
METODO
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HISTORIA DE LA TURBINA DE VAPOR
Primeras turbinas de vapor:
Históricamente, las primera turbina de vapor de la que
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DESCRIPCIÓN DEL EQUIPAMIENTO
A continuación se describen las partes de una turbina de vapor, la cual, a partir del
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necesarias. Las últimas etapas son críticas por la posibilidad de existencia de
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- Válvula de regulación: Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los
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- Bomba auxiliar: Se utiliza exclusivamente en los arranques, y sirve para
asegurar la correcta presión de aceite hasta ...
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- Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico que hace
girar lentamente la turbina cuando no...
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NORMATIVA APLICABLE
La normativa utilizada es: “Rules and Regulations for the Classification of
Ships, July 2005” (norma...
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o incrustaciones en temperaturas de trabajo para asegurar un
funcionamiento satisfactorio durante un largo periodo de t...
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- Componentes Soldados
o Los rotores de las turbinas, cilindros y componentes asociados
fabricados mediante soldadura s...
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o Para los rotores, las pruebas mecánicas incluirán tensión (todo el metal
soldado), tensión (en juntas), doblado (tran...
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para que la expansión de la carcasa no esté restringida. Cuando los
soportes de la turbina principal estén incorporados...
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o Las turbinas auxiliares para mover generadores eléctricos se montarán
con reguladores de velocidad los cuáles, estará...
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o Los planes para la turbina auxiliar serán para que se corte
automáticamente la alimentación de vapor en caso de fallo...
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requerimientos precedentes son aplicables en ambas pruebas. No se
requiere que los rotores de las turbinas auxiliares s...
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AVERIAS HABITUALES EN TURBINAS DE VAPOR
La turbina de vapor es un equipo sencillo, bien conocido y equipado con un sist...
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Veamos ahora cada uno de los fallos habituales en turbinas de vapor
Alto nivel de vibraciones
La vibración en una turbi...
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Alineación de una turbina de vapor. Fuente: Curso Renovetec de turbinas de vapor
- Mal estado del acoplamiento elástico...
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- Mala calidad del aceite. El aceite lubricante, con el tiempo, pierde algunas de
sus propiedades por degradación de su...
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Rotura de un álabe provocado por una fuerte corrosión.
Fuente: Curso Renovetec Ciclo Agua-Vapor
- Desequilibrio en roto...
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ocurre, se detecta a través del análisis de vibraciones, y en la mayoría de los
casos son visibles a simple vista o con...
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Cojinetes combinados Axial-Radial. Fuente: Curso Renovetec turbina de vapor
Fallos diversos de la instrumentación
Un fa...
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provocan vibración en una máquina rotativa pueden provocar la vibración del
reductor, que puede transmitirse a la turbi...
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- Problemas de lubricación, como exceso de grasa en rodamiento, no renovación
de la grasa del rodamiento, mal estado de...
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Turbina de vapor de alta presión Siemens SST-700, muy habitual en centrales
termosolares. Fuente: Archivo Renovetec
Dif...
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Rotor de una turbina de vapor de alta presión, durante una revisión. Foto: Carolina
Beguelin
Las holguras entre los ála...
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MANTENIMIENTO DE TURBINAS DE VAPOR
Mantenimiento Programado
Una turbina de vapor es un equipo especialmente agradecido ...
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Revisión anual
Si se realizan todas las actividades que se
detallan en esta lista, en realidad se están
eliminando toda...
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de los elementos internos de la válvula, su correcto funcionamiento, y la
comprobación del filtro de vapor de la válvul...
31
- Inspección del virador. El virador es un elemento importantísimo durante las
paradas. Un mal funcionamiento supondrá ...
32
PRINCIPALES REPUESTOS
Del análisis de las averías que puede sufrir una turbina se deduce el material que es
necesario t...
33
- Consumo. Tras el análisis del histórico de averías, o de la lista de elementos
adquiridos en periodos anteriores (uno...
34
Instrumentación:
 Sensores de velocidad y posición (pick-up)
 Sensores de temperatura y termopares
 Sensores de pres...
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REFERENTES
García, S. (Sin Año). Averías habituales en turbinas de vapor. [Documento en
línea] Disponible en http://www...
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Anexos
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COSTOS DE OPERACIÓN Y DE PRODUCCION DE ENERGIA DE UNA
TURBINA A VAPOR
1. Introducción
Los sistemas de vapor en Refinerí...
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b) Determinación de los costos de mantenimiento
En el Cuadro N° 16, se muestran los costos asociado s a las categorías ...
47
c) Determinación de los escenarios de operación
La información histórica utilizada para la formación de escenarios de
o...
48
49
e) Determinación del Valor Actual y la Anualidad de los Costos Variables
de
Mantenimiento
De la información de los fluj...
50
Los valores de anualidad obtenidos se pueden ajustar según los valores de
horas de operación. Los resultados se muestra...
51
f) Determinación del Costo Variable de Mantenimiento
En el Cuadro N° 23 se aprecia los Costos Totales de Mantenimiento ...
52
En la Figura N° 4 se ha graficado la función del Costo. Total de
Mantenimiento vs.
Producción de Energía por año. Como ...
53
Inventario de centrales hidroeléctricas del Perú - fuente: Ministerio de
Energía y Minas - mapa 2004
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Tubinas a vapor mantenimiento

  1. 1. i Informe Técnico Turbina de Vapor de la marca Kawasaki de 37500 BHP
  2. 2. ii Informe Técnico Turbina de Vapor de la marca Kawasaki de 37500 BHP RESUMEN El presente informe técnico tiene como objetivo Elaborar un plan de mantenimiento para la turbina de vapor de la marca Kawasaki y de unos 37500 BHP. Enmarcándose en un método descriptivo, donde se describirán las pautas de la turbina antes mencionada, en cuanto a la normativa aplicativa, averías habituales, mantenimiento y principales repuestos, con la finalidad de proveer información significativa para una determinada parada de planta para su mantenimiento correctivo y preventivo. El motivo para su desarrollo es adquirir conocimientos sobre el mantenimiento de las turbinas de vapor, yaque una de las grandes salidas al mercado laboral son las centraleseléctricas, en ellas encontramos turbinas de vapor conectadas a ungenerador para producir la electricidad y otra motivación es que al haberestudiado la diplomatura en máquinas navales, es un valor añadido paraque en caso de embarcar en gaseros tener unos conocimientos previossobre el mantenimiento de ellas.
  3. 3. iii ÍNDICE pp. INTRODUCCIÓN 1 OBJETIVOS 2 METODOS 2 HISTORIA DE LA TURBINA DE VAPOR 3 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPAMIENTO 4 NORMATIVA APLICABLE 9 AVERIAS HABITUALES EN TURBINAS DE VAPOR 17 MANTENIMIENTO DE TURBINAS DE VAPOR 28 PRINCIPALES REPUESTOS 32 REFERENTES 35 ANEXOS 36
  4. 4. 1 INTRODUCCIÓN La mayor parte de la energía generada en el mundo se produce con turbinas de vapor. Se trata de un equipo robusto, bien conocido y muy experimentado. Casi la mayor parte de los problemas que puede tener se conocen bien, y se conoce además como solucionarlos. Por ello, respetar las instrucciones de operación y realizar un mantenimiento adecuado conduce a una alta disponibilidad y a bajos costes. Es por ello, que se considera a la turbina de vapor como una planta de cogeneración es un equipo sencillo, y como máquina industrial, es una máquina madura, bien conocida y muy experimentada. Se conoce casi todo de ella. Más del 70 % de la energía eléctrica generada en el mundo se produce diariamente con turbinas de vapor. El funcionamiento es muy sencillo: se introduce vapor a una temperatura y presión determinadas y este vapor hace girar unos álabes unidos a un eje rotor; a la salida de la turbina, el vapor que se introdujo tiene una presión y una temperatura inferior. Parte de la energía perdida por el vapor se emplea en mover el rotor. Necesita también de unos equipos auxiliares muy sencillos, como un sistema de lubricación, de refrigeración, unos cojinetes de fricción, un sistema de regulación y control, y poco más. En el siguiente informe técnico, se describirá algunos aspectos importantes de la turbina de vapor, específicamente la marca Kawasaki y de unos 37500 BHP.
  5. 5. 2 OBJETIVOS Elaborar un plan de mantenimiento para la turbina de vapor de la marca Kawasaki y de unos 37500 BHP. METODO El método a utilizar es de tipo descriptivo, de esta manera, se consideran las pautas a seguir para el reconocimiento de las descripciones de las turbinas de vapor, así como también la normativa aplicativa con el respectivo mantenimiento
  6. 6. 3 HISTORIA DE LA TURBINA DE VAPOR Primeras turbinas de vapor: Históricamente, las primera turbina de vapor de la que se tiene constancia fue construida por Herón de Alejandría alrededor del año 175 A. C., la cual consistía en un esfera metálica con dos toberas en sus polos y orientadas en el mismo sentido por donde escapaba el vapor. La esfera giraba diametralmente, apoyada sobre la caldera por los conductos de entrada del vapor. Hasta 1629 no se tiene constancia de un nuevo diseño independiente de una turbina de vapor, Giovanni Brance utilizo un chorro de vapor para impulsar el giro de una rueda de molino de agua, aunque no logro aplicarlo a ningún uso industrial útil. En la turbina de reacción se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de la primera etapa para que entre en un segundo rodete.
  7. 7. 4 DESCRIPCIÓN DEL EQUIPAMIENTO A continuación se describen las partes de una turbina de vapor, la cual, a partir del vapor suministrado por la caldera, transforma la energía térmica en mecánica, y de forma que vaya pasando por las diferentes etapas, el vapor va perdiendo energía y aumentando su volumen específico, de tal forma que en las últimas etapas, la turbina tendrá un mayor tamaño para poder aprovechar mejor la expansión del vapor hasta que llegará un momento que ese vapor final será mandado al condensador y de nuevo empezará el ciclo por la caldera hasta llegar otra vez a la turbina. Según la potencia de la turbina y según el emplazamiento de la instalación, la turbina podrá tener extracciones de vapor para que ese vapor regrese a la caldera y ser recalentado para poder aumentar el rendimiento de la instalación. La turbina que tomamos de referencia para llevar a cabo este informe técnico, es una turbina de la marca Kawasaki y de unos 37500 BHP. - El rotor: El rotor o eje de una turbina es de acero fundido con ciertas cantidades de Níquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de diámetro aproximadamente uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los alabes se acoplan en caliente al rotor. También se pueden fabricar haciéndolos de una sola pieza forjada, maquinando las ranuras necesarias para colocar los alabes. Los álabes móviles serán los que darán el movimiento giratorio al rotor o eje a través del paso del vapor por sus diferentes etapas. Al final, el eje será conectado mediante bridas o un acoplamiento flexible al equipo o elemento a dirigir con su movimiento giratorio. - La carcasa: La carcasa o estator se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan de hierro, acero o de aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de trabajo, obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presión son de materiales más resistentes que en la parte del escape. La humedad máxima debe ser de un 10% para las últimas etapas. Normalmente se encuentra recubierta por una manta aislante que disminuye la radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se enfríe y pierda energía disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta manta aislante suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradación y permite desmontarla con mayor facilidad. - Los Álabes:se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de cromohierro, con las curvaturas de diseño según los ángulos de salida de vapor y las velocidades
  8. 8. 5 necesarias. Las últimas etapas son críticas por la posibilidad de existencia de partículas de agua que erosionarían los alabes. Por ello se fija una cinta de metal satélite soldando con soldadura de plata en el borde de ataque de cada alabe para retardar la erosión. Los alabes fijos y móviles se colocan en ranuras alrededor del rotor y carcasa. Los alabes se pueden asegurar solos o en grupos, fijándolos en su posición por medio de ranuras en el rotor. La raíz del álabe puede tener forma de abeto, ranura en forma de T, abeto en forma semicircular. También se pueden asegurar mediante pasadores, en forma perno, o mediante remaches. Los extremos de los alabes se fijan en un anillo donde se remachan, y los más largos a menudo se amarran entre sí con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles mayor rigidez. Las diferentes etapas de una turbina están comprendidas por hileras de álabes fijos y móviles. La función de los álabes fijos es: dirigir el flujo de vapor con el ángulo y velocidad adecuados hasta los álabes móviles para aprovechar de una forma más eficiente la energía del vapor. En cambio, los álabes móviles se encargan de convertir la masa de vapor dirigida por los álabes fijos en velocidad rotacional y momento torsor. Los álabes tienen diferentes formas, todo ello depende si hablamos de álabes de impulso o acción (el nombre de estos álabes viene a partir de las turbinas de acción que operan sólo con este tipo de álabes, normalmente usadas para el accionamiento de turbobombas u otras máquinas). Este tipo de álabes se caracterizan por la gran velocidad de entrada del vapor y que giran en la misma dirección que el vapor. Al pasar de una corona a otra tienen una pequeña pérdida de presión y el vapor va perdiendo velocidad. Tienen forma de U y no siempre son simétricos. Por otra parte tenemos los álabes de reacción (cogen el nombre de las turbinas de reacción, pero para aprovechar mejor el rendimiento del vapor, se combinan las turbinas de acción y las turbinas de reacción en una misma turbina pero en diferentes etapas, es por eso que pasan a llamarse álabes de acción y álabes de reacción). Los álabes de reacción se caracterizan por la gran velocidad que entra el vapor, no obstante, no es tan alta como los de acción. En este caso el perfil del álabe permite que el fluido se expanda a través del álabe, con lo que, al salir habrá disminuido la presión y la velocidad. Acto seguido pasará por la siguiente corona de álabes fijos para aumentar de nuevo su velocidad y entrar en otra corona de álabes móviles y así sucesivamente hasta la última etapa de la turbina. Tienen forma de gota en el borde de ataque con grosor gradual hasta el borde de salida.
  9. 9. 6 - Válvula de regulación: Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los elementos más importantes de la turbina de vapor. Es accionada hidráulicamente con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente. Forma parte de dos lazos de control: el lazo que controla la velocidad de la turbina y el lazo que controla la carga o potencia de la turbina. Estas válvulas nos proporcionarán la habilidad de poder arrancar y parar en condiciones normales y de emergencia. Tienen que ser capaces de parar el suministro de vapor de una forma rápida y fiable. Y tienen que funcionar de forma correcta para evitar fugas o para evitar sobrecargas que podrían dañar la turbina. - Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales: Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de una capa lubricante que disminuya la fricción. Son elementos de desgaste, que deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia establecida si su coste es bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado deficiente. - Cojinete de empuje o axial: El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la dirección del eje, Evitando el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor repercuta en el reductor, dañándolo seriamente. No se encuentra en contacto con el eje si no que hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje. El cojinete está construido en un material blando y recubierto por una capa de material que disminuya la fricción entre el disco y el cojinete. Además, debe encontrarse convenientemente lubricado. Para comprobar el estado de ese cojinete, además de la medida de la temperatura y de las vibraciones del eje, se mide de forma constante el desplazamiento axial. Si se excede el límite permitido, el sistema de control provoca la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta en marcha. - Sistema de lubricación: Proporciona el fluido lubricante, generalmente aceite. Para asegurar la circulación del aceite en todo momento el sistema suele estar equipado con tres bombas: - Bomba mecánica principal: Esta acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre que este girando la turbina está girando la bomba, asegurándose así la presión de bombeo mejor que con una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques esta bomba no da presión suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al menos una bomba adicional.
  10. 10. 7 - Bomba auxiliar: Se utiliza exclusivamente en los arranques, y sirve para asegurar la correcta presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este servicio. Se conecta antes del arranque de la turbina y se desconecta a unas revoluciones determinadas durante el arranque, cambiándose automáticamente de la bomba auxiliar a la bomba principal. También se conecta durante las paradas de la turbina. - Bomba de emergencia: Si se produce un problema de suministro eléctrico en la planta, esta queda sin tensión, durante la parada habría un momento en que la turbina se quedaría sin lubricación, ya que la bomba auxiliar no tendría tensión. Para evitar este problema, las turbinas suelen ir equipadas con una bomba de emergencia que funciona con corriente continua proveniente de un sistema de baterías. - Sistema de extracción de vahos: El depósito de aceite suele estar a presión inferior a la atmosférica para facilitar la extracción de vapores de aceite y dificultar una posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de lubricación suele ir equipado con un extractor. - Sistema de refrigeración de aceite: El aceite en su recorrido de lubricación se calienta modificando su viscosidad, y por tanto, sus características lubricantes, llegando a degradarse si el calor es excesivo. Para evitarlo, el sistema de lubricación dispone de unos intercambiadores que enfrían el aceite, estos intercambiadores pueden ser aire-aceite, de forma que el calor del aceite se evacua a la atmósfera, o agua-aceite, de forma que el calor se transfiere al circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta. - Sistema de aceite de control: Cuando la válvula de regulación se acciona óleo hidráulicamente el conjunto de turbina va equipado con un grupo de presión para el circuito de aceite de control. Este, debe mantener la presión normalmente entre los 50 y los 200 bars de presión hidráulica. El sistema de control gobierna la válvula de salida del grupo, que hace llegar al aceite hasta la válvula de regulación de entrada de vapor con la presión adecuada. - Sistema de sellado de vapor: Las turbinas de vapor están equipadas con sellos de carbón, que se ajustan al eje, y/o con laberintos de vapor. Con esto se consigue evitar que el vapor salga a la atmósfera y disminuyan la eficiencia térmica de la turbina. -
  11. 11. 8 - Virador: El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico que hace girar lentamente la turbina cuando no está en funcionamiento. Esto evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en parada. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razón este sistema se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador. - Compensador: Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación (generalmente las tuberías que conducen al condensador o el propio condensador). Ya que la carcasa de la turbina sufre grandes cambios de temperatura, este elemento de unión es imprescindible para controlar y amortiguar el efecto de dilataciones y contracciones. - Sistema de drenaje del vapor condensado: Se utiliza para el drenaje del vapor condensado cuando se está arrancando la turbina antes de funcionar a plena carga, en este caso, el vapor condensado que haya podido quedarse después de la parada en válvulas, puntos bajos o venteos, podría dañar la turbina. Por esta razón nos interesa que este sistema trabaje en buenas condiciones ya que nos podría llegar a dar problemas tan graves como la curvatura del rotor.
  12. 12. 9 NORMATIVA APLICABLE La normativa utilizada es: “Rules and Regulations for the Classification of Ships, July 2005” (normas y regulaciones para la clasificación de barcos de Julio del 2005). Concretamente en la parte 5, “Main and Auxiliary machinery” (maquinária principal y auxiliar), “Steam turbines” (turbinas de vapor). Los requisitos se aplican para turbinas de vapor para propulsión principal y también para servicios auxiliares donde la potencia sea superior a 110 kW o 150 shp (potencia en el eje). A continuación se resumen las partes de la normativa que a mi entender inciden de un modo más decisivo en el tipo de turbina sobre el que versa el informe técnico. Planos y particularidades Planos. - Los siguientes planos están sometidos a consideraciones, junto con las particularidades de los materiales, máximas potencias en el eje y revoluciones por minuto. Las presiones y temperaturas se aplican a la potencia máxima en el eje y bajo condiciones de emergencia que están indicadas en los siguientes planos. o Plano General o Montaje de Secciones o Rotores y Acoplamientos o Carcasas - Para las condiciones de emergencia, todas las particularidades para la propulsión en caso de emergencia están en el punto. - Donde los rotores y las carcasas son de construcción soldada, los detalles de las juntas soldadas tienen que tenerse en consideración. - En general, los planos para turbinas auxiliares no es necesario tenerlos presentes. Materiales - General o En la selección de los materiales, se tienen que tomar en consideración la resistencia al deslizamiento, resistencia a la corrosión y a las
  13. 13. 10 o incrustaciones en temperaturas de trabajo para asegurar un funcionamiento satisfactorio durante un largo periodo de tiempo de vida en condiciones de servicio. o La fundición gris no tiene que ser usada para temperaturas superiores a 260ºC. - Materiales para forja o Los rotores y los discos tienen que ser forjados en acero. Para forjas al carbón-manganeso, el mínimo específico para la resistencia a la tensión tiene que estar seleccionado entre 400 y 600 N/mm2 (41 y 61 kgf/mm2 ). Para aleaciones en aceros forjados, el mínimo específico para la resistencia a la tensión tiene que estar seleccionado entre 500 y 800 N/mm2 (51 y 82 N/mm2 ). Para discos y otras aleaciones en aceros forjados, el mínimo específico para la resistencia a la tensión tiene que estar seleccionado entre 500 y 1000 N/mm2 (51 y 102 N/mm2 ). o Para aleaciones de acero, los detalles de la composición química, el tratamiento térmico y las propiedades mecánicas tienen que estar presentados para aprobarlos. o Cuando se proponga utilizar un material con mayor resistencia a la tensión, todos los detalles tienen que estar presentados para aprobarlos. Diseño y Construcción - General o En el diseño y en los planos de la maquinaria de la turbina, tiene que hacerse una adecuada disposición para la expansión relativa de las diferentes partes de la turbina, y se hay que tener una atención especial para minimizar las deformaciones en condiciones de operación. o Los cojinetes de la turbina están dispuestos y apoyados para que la lubricación no se vea afectada por el flujo de calor de las partes calientes adyacentes de la turbina. Se tiene que proveer de una forma efectiva para interceptar fugas de aceite y prevenir que éstas no hagan alcanzar altas temperaturas en casquillos, carcasas y tuberías de vapor. Las aberturas de los drenajes y tuberías provenientes de las cavidades de los deflectores serán suficientemente grandes para prevenir una acumulación en caso de fuga de aceite.
  14. 14. 11 - Componentes Soldados o Los rotores de las turbinas, cilindros y componentes asociados fabricados mediante soldadura se considerarán aceptados si son construidos por empresas que trabajen con los equipos adecuados y bajo la equivalente normativa, para rotores y cilindros respectivamente, lo requerido en “Rules for Class 1 and Class 2/1 welded pressure vessels” . o Antes de que el trabajo sea empezado, los fabricantes tendrán que someterse a las consideraciones de los procedimientos de soldadura y a los rutinarios exámenes de juntas con ensayos no destructivos. o Los materiales usados para la construcción de rotores de turbinas, cilindros, diafragmas, condensadores, etc., serán de calidad soldada. o Donde se proponga construir rotores a partir de dos o más componentes unidos por soldadura, todos los detalles de la composición química, propiedades mecánicas y tratamiento térmico de los materiales, todo junto con las particularidades de los consumibles de soldadura, un resumen del procedimiento de soldadura, método de fabricación y tratamiento térmico, se tendrán en consideración. o Las juntas en rotores y juntas mayores en cilindros serán diseñadas con plena dureza y para la fusión completa de la junta. o El adecuado precalentamiento será empleado para cilindros de aceros dulces y componentes y cuando el grosor del metal exceda de 44 mm, y para todos los cilindros de bajas aleaciones de acero y componentes y para cualquier parte donde se necesite una junta de fijación. o El tratamiento térmico para aliviar esfuerzos será aplicado a todos los cilindros y componentes asociados al final de la soldadura de todas las juntas y estructuras adjuntas. Para ver los detalles del tratamiento térmico para aliviar esfuerzos, temperatura y duración, o El tratamiento térmico de los rotores soldados será llevado a cabo como está aprobado. o Los inspectores estarán satisfechos con la calidad deseada de la soldadura lograda con el procedimiento y equipos necesarios y, por esta razón, las muestras representativas de las juntas soldadas serán proporcionadas para el examen radiográfico y pruebas mecánicas. o Para lo cilindros, las pruebas mecánicas de las juntas a tope están incluidas tensión, doblado y macro pruebas. o Para los diafragmas, toberas planas, etc., las muestras representativas serán seccionadas y macrograbadas.
  15. 15. 12 o Para los rotores, las pruebas mecánicas incluirán tensión (todo el metal soldado), tensión (en juntas), doblado (transversal), doblado (longitudinal) y macropruebas o En producción posterior, la comprobación de las pruebas de la soldadura serán llevadas a cabo con la discreción de los inspectores. - Incrementadores de esfuerzos o Las soldaduras en filetes lisos serán sometidas a cambios bruscos de sección en rotores, husillos, discos, raíces de los álabes y espigas. Los agujeros para remaches para las envolventes de los álabes serán rodeadas y comprobados sus radios en la parte superior e inferior de las caras, y en las espigas serán comprobados sus radios en sus juntas con las puntas de los álabes. Los agujeros de balance en discos serán soldados alrededor y pulidos. o Los inspectores verificarán el trabajo y la soldadura de los álabes a las bandas envolventes, y que las espigas de los álabes están libres de grietas, particularmente con los álabes de materiales de alta tensión. Las muestras serán seccionadas y examinadas, y se llevarán a cabo pruebas que deberán ser consideradas por los inspectores. - Discos montados en el rotor o Los discos del rotor montados en la turbina principal serán asegurados con chavetas, clavijas u otros métodos aprobados. - Vibraciones o Se tiene que tener cuidado en el diseño y fabricación de los rotores de las turbinas, discos del rotor y álabes para asegurarse que quedan libres de vibraciones excesivas dentro del rango de velocidades de operación. Ha de tenerse en cuenta las vibraciones en los álabes como efecto de la fuerza centrífuga, la fijación de las raíces de los álabes, temperaturas de los metales y flexibilidad de los discos donde sea apropiado. o Para las vibraciones y alineamiento de los sistemas de propulsión principal formados por turbinas engranadas a la línea de ejes. - Influencias Externas o Las tuberías y conductos conectados a la carcasa de la turbina serán diseñados para que las cargas de empuje y los momentos aplicados no sean excesivos para la turbina. Las rejas y cualquier accesorio para los soportes deslizantes o soportes de placas flexibles serán colocados
  16. 16. 13 para que la expansión de la carcasa no esté restringida. Cuando los soportes de la turbina principal estén incorporados a un tanque estructural, se tendrá en cuenta que las variaciones de temperaturas en el tanque en servicio no afectan de manera de una manera severa la alineación de la turbina. - Alimentación de vapor y sistema de agua o En los planos del sistema de sellado de las cajas estancas, las tuberías tendrán que ser auto-drenables y tienen que tomarse todas las precauciones necesarias para que el vapor condensado no entre en las cajas estancas y en la turbina. La alimentación de vapor a través del sistema de caja estanca tendrá que estar montado con un purgador. En el eyector de aire para la recirculación del sistema de agua, la conexión al condensador estará localizada para que no pueda afectar al rotor o carcasa de la turbina de baja. - Virador o El virador de las turbinas de propulsión estarán operativos permanentemente. Planos de Seguridad - Elementos de protección en caso de sobrecarga o La turbina principal y auxiliares deberán disponer de elementos de protección en caso de sobrecarga para el paro automático del suministro de vapor y prevenir que la velocidad máxima de diseño sea sobrepasada más de un 15 %. o Cuando dos o más turbinas formen parte de la instalación principal y estén acopladas de forma separada a la misma rueda de engranaje y esté provista de un elemento de protección por sobrecarga, éste estará instalado en la parte delantera de la turbina de baja, además, en la plataforma de maniobra existirá un engranaje manual para el paro del vapor en caso de emergencia. - Reguladores de velocidad o Cuando la instalación de la turbina incorpora un inversor, transmisión eléctrica o hélice reversible, además de un regulador de velocidad independientes o en combinación, se montará un elemento de protección en caso de sobrecarga, y debe ser capaz de controlar la velocidad de la turbina sin carga, sin tener que utilizar el elemento de protección en caso de sobrecarga.
  17. 17. 14 o Las turbinas auxiliares para mover generadores eléctricos se montarán con reguladores de velocidad los cuáles, estarán ajustados para controlar la velocidad dentro de un 10 % para una variación momentánea y un 5 % para una variación permanente cuando en plena carga aumente ésta repentinamente. Las variaciones de velocidad permanentes en máquinas de corriente alterna para operaciones de conexión en paralelo serán sincronizadas con una tolerancia de ± 0,5%. - Elementos de protección por poco vacío y sobrepresión o Las válvulas de desahogo de seguridad estarán al final del escape o en otras posiciones aprobadas en todas las turbinas principales, y la válvula que descargue fuera será visible y cautelosamente situada si es necesario. Cuando se esté provisto un elemento de corte por bajo vacío, la válvula de desahogo de seguridad en turbinas de baja presión serán omitidas. o Las válvulas de desahogo de seguridad estarán al final del escape de las turbinas auxiliares y la válvula que descargue fuera será visible y cautelosamente situada si es necesario. Los elementos de corte por bajo vacío y sobrepresión, estarán provistos en las turbinas auxiliares y no instalados en sus propios condensadores. - Purgadores en las conexiones de vapor o Antirretornos u otros medios, los cuáles prevengan el retorno de vapor y agua a las turbinas, estarán instalados en los purgadores en las conexiones de vapor. - Coladores de vapor o Los coladores de vapor estarán provistos cerca de las entradas de vapor para marcha avante y marcha atrás para las turbinas de alta presión, o de forma alternativa en las entradas de las válvulas de maniobra. Planes de Emergencia - Fallo de Lubricación o Los planes estarán preparados para que el vapor para la propulsión en turbinas marcha avante sea cortado automáticamente en caso de fallo de presión en la lubricación; sin embargo, se tiene que poder llevar el vapor a la turbina para marcha atrás para usarlo como freno en caso de emergencia,
  18. 18. 15 o Los planes para la turbina auxiliar serán para que se corte automáticamente la alimentación de vapor en caso de fallo en la presión de lubricación. - Barcos con un solo eje o En los barcos con un solo eje compuestos con instalaciones en la turbina principal con una o más turbinas acopladas por separado a la misma rueda de engranajes, los planes serán para que el vapor pueda ser mandado directamente desde la turbina de baja y desde la turbina de alta y baja para que al mismo tiempo puedan evacuar el vapor hacia el condensador. Los planes y los controles serán los adecuados para que ni la presión ni la temperatura puedan afectar a la turbina ni al condensador en este caso de emergencias. - Única Caldera Principal o Los barcos con intención de no tener un servicio restringido, equipados con turbinas de vapor y con una sola caldera principal, estarán provistos con los medios necesarios para asegurar la propulsión de emergencia en caso de fallo de la caldera principal. Pruebas y Equipamiento - Pruebas de Estabilidad en Rotores de Turbinas o Todos los rotores sólidos forjados para turbinas de alta para propulsión principal donde la temperatura del vapor supere los 400 ºC estarán sujetos a una prueba de estabilidad térmica. Este requisito será también aplicable a los rotores construidos con dos o más componentes forjados y unidos con soldadura. La prueba se llevará a cabo en la forja o en los trabajos de construcción en alguna de estas situaciones: a) Después del tratamiento térmico y el maquinado basto de la forja. b) Después del maquinado final. c) Después del maquinado y colocación de álabes en el rotor. La prueba de estabilización de temperatura no debe ser menor que 28ºC por encima de la temperatura máxima del vapor al que va a estar expuesto el rotor, ni superior a la temperatura de templado del rotor. Para más detalles sobre los procedimientos para las recomendaciones en pruebas y límites de aceptación, ver “Rules for Materials (Part 2)”. Podrán ser adoptados otros procedimientos en pruebas si son aceptados. o Cuando los rotores de las turbinas principales están sujetos a pruebas de estabilidad térmica en forja y trabajos de construcción, los
  19. 19. 16 requerimientos precedentes son aplicables en ambas pruebas. No se requiere que los rotores de las turbinas auxiliares sean probados para estabilidad térmica, pero, si esta prueba se lleva a cabo, generalmente se aplicarán los requerimientos para los rotores de las turbinas principales. - Equilibrado o Todos los rotores cuando estén con todos los álabes montados y con medio acoplamiento será dinámicamente equilibrado con la acreditación de un inspector, con una máquina con la precisión adecuada para el tamaño del rotor. - Pruebas Hidráulicas o Las válvulas de maniobra tienen que ser probadas a una presión del doble de su presión de trabajo. Las cajas estranguladoras de las turbinas de acción serán probadas a una presión de 1,5 veces superior a su presión de trabajo. o Los cilindros de todas las turbinas serán probados a una presión de 1,5 veces superior a su presión de trabajo en la carcasa. o Por cuestión de pruebas, los cilindros serán subdivididos en diaframas temporales para la distribución de las pruebas de presión. o Los condensadores serán probados en un rango de vapor de 1,0 bar. El rango de agua será probado a la máxima presión que la bomba pueda desarrollar con el calado máximo del barco y con la válvula de descarga cerrada más 0,7 bar, con una prueba de 2,0 bar mínimo. Cuando no se conozcan las condiciones de operación, la prueba de presión no será menor que 3,4 bar. - Indicadores de Movimiento o Los indicadores que determinan el movimiento axial del rotor relativo a las carcasas, y que muestran la expansión longitudinal en los soportes deslizantes, si están instalados y operativos en las turbinas principales. Los últimos indicadores deberían estar instalados en ambos lados y ser realmente visibles. - Valores de desgaste o Las turbinas principales y auxiliares estarán provistas del sistema para verificar la alineación de los rotores.
  20. 20. 17 AVERIAS HABITUALES EN TURBINAS DE VAPOR La turbina de vapor es un equipo sencillo, bien conocido y equipado con un sistema de control que tiene como objetivo evitar las averías graves. Igual que sucede en otras máquinas térmicas, tras un periodo inicial de funcionamiento, detrás de cada avería grave suele haber una negligencia de operación o de mantenimiento. En un equipo con tecnología madura como es una turbina de vapor, suele tener un sistema de control que protege la turbina frente a los fallos graves más comunes, así que las averías graves siempre están relacionadas con negligencias que en la mayoría de los casos no están cubiertas por un seguro. Entre las negligencias habituales en operación están las siguientes: - Repetir el arranque de una turbina una y otra vez a pesar de que el sistema esté indicando un problema; - Desconectar seguridades o elevar los límites de disparo de éstas; - Entrada de agua por la entrada de vapor, debido a fallo en el control de temperatura de vapor vivo y del enclavamiento oportuno; - No llevar un control adecuado de la calidad del vapor. Entre las negligencias de mantenimiento que conducen a averías más o menos importantes están las siguientes: - No realizar las revisiones programadas en los plazos indicados por el fabricante - No analizar el aceite o no hacer caso a las recomendaciones del analista - No analizar las vibraciones o no hacer caso de las recomendaciones del informe realizado tras el análisis - No reparar averías menores y esperar a que se conviertan en graves - Y no realizar adecuadamente determinadas tareas, como el alineamiento o el mantenimiento de válvulas.
  21. 21. 18 Veamos ahora cada uno de los fallos habituales en turbinas de vapor Alto nivel de vibraciones La vibración en una turbina de vapor no es una avería en sí misma, sino un síntoma de un problema que existe en la turbina y que pude derivar en graves consecuencias. Por esta razón, las turbinas de vapor están especialmente protegidas para detectar un alto nivel de vibraciones y provocar la parada de ésta antes de que lleguen a producirse graves daños. Espectro de vibración de una turbina de vapor ligeramente desequilibrada. Fuente: Renovetec Las causas más habituales que provocan un alto nivel de vibración son las siguientes: - Mal estado de los sensores de vibración o de las tarjetas acondicionadoras de señal. Es posible que lo que se esté considerando como una vibración sea en realidad una falsa señal, que tenga como origen el mal funcionamiento del sensor encargado de detectarlo. - Desalineación entre turbina y caja de engranajes desmultiplicadora (reductor).Es la causa de al menos el 20% de los casos de altos niveles de vibración en turbina. A pesar de que el acoplamiento es elástico y en teoría soporta cierta desalineación, casi todos los fabricantes de acoplamientos elásticos recomiendan alinear éste como si fuera un acoplamiento rígido. Hay que tener en cuenta que la alineación en caliente y en frío puede variar.
  22. 22. 19 Alineación de una turbina de vapor. Fuente: Curso Renovetec de turbinas de vapor - Mal estado del acoplamiento elástico entre turbina y reductor. Es conveniente realizar una inspección visual periódica del acoplamiento (al menos una vez al año) y vigilar sobre todo la evolución de las vibraciones - Vibración del alternador o del reductor, que se transmite a la turbina. Es otro caso de vibración detectada en la turbina pero proveniente de un equipo externo a ésta. - Problema en la lubricación de los cojinetes, que hace que el aceite de lubricación no llegue correctamente (en caudal o en presión) a dichos cojinetes. Hay que diferenciar los problemas relacionados con caudal y presión con los problemas relacionados con la calidad del aceite. En casos más graves, el eje y el cojinete se tocan sin película lubricante, lo que provoca una degradación del eje de forma bastante rápida. Equipo de lubricación de una turbina de vapor de 50 MW en una central termosolar. Fuente: Archivo Renovetec
  23. 23. 20 - Mala calidad del aceite. El aceite lubricante, con el tiempo, pierde algunas de sus propiedades por degradación de sus aditivos y se contamina con partículas metálicas y con agua. La presencia de agua, de espumas, la variabilidad de la viscosidad con la temperatura, el cambio de viscosidad en un aceite degradado suelen ser las causas que están detrás de una vibración provocada por la mala calidad del aceite. - Mal estado de cojinetes. Los tres cojinetes de los que suele disponer una turbina de vapor de las usadas en plantas de cogeneración (delantero, trasero o de empuje o axial) sufren un desgaste con el tiempo, aún con una lubricación perfecta. Cojinete radial con marcas y arañazos. Fuente: Archivo Renovetec - Mal estado del eje en la zona del cojinete. Si una turbina ha estado funcionando con el aceite en mal estado, o con una lubricación deficiente, es posible que sus cojinetes estén en mal estado, pero también es posible que hayan terminado por afectar al eje. - Desequilibrio del rotor por suciedad o incrustaciones en álabes. El desequilibro es la causa más habitual de vibraciones en máquinas rotativas, representando aproximadamente un 40% de los casos de vibración. Un tratamiento químico inadecuado del agua de caldera y del vapor que impulsa la turbina termina dañando no solo ésta, sino también el ciclo agua-vapor y la propia caldera. - Desequilibrio en el rotor por rotura de un álabe. Si una partícula extraña entra la turbina y golpea un álabe puede provocar una pérdida de material o un daño que afectará al equilibrado del rotor. La rotura de álabe también puede estar provocada por problemas de corrosión, que tendrán su origen generalmente en un tratamiento químico inadecuado. En otras ocasiones el daño en álabes puede estar provocado por roce entre éstos y partes fijas de la turbina.
  24. 24. 21 Rotura de un álabe provocado por una fuerte corrosión. Fuente: Curso Renovetec Ciclo Agua-Vapor - Desequilibrio en rotor por mal equilibrado dinámico, o por pérdida o daño en algún elemento que gira (tornillos, arandelas, tuercas). El desequilibrio puede ser un fallo de origen (el equilibrado inicial de la turbina fue deficiente) o puede ser un fallo sobrevenido. En ese segundo caso, es importante que al efectuar reparaciones en el rotor de la turbina no quede ningún elemento sin montar o montado de forma inadecuada. - Curvatura del rotor debido a una parada en caliente con el sistema virador parado. Las turbinas de vapor están equipadas con un sistema virador que facilita que el eje no se curve cuando está caliente. La misión de este sistema es redistribuir los pesos uniformemente sobre el eje de rotación, y evitar curvaturas que desequilibrarían el rotor. Si la turbina se para en caliente y el sistema virador no entra en marcha es posible que el eje se curve hacia arriba. El problema se detecta siempre al intentar arrancar, y comprobar que el nivel de vibración es más alto del permitido. - Eje curvado de forma permanente. El eje puede estar curvado de forma permanente, es decir, con una deformación no recuperable siguiendo el procedimiento indicado en el apartado anterior. No es fácil que esto suceda después de la puesta en marcha inicial de la turbina, y habitualmente se debe a un fallo preexistente, y que proviene del proceso de fabricación. Es habitual que el equilibrado dinámico haya enmascarado el problema, aunque en el espectro inicial de vibración, el que es recomendable realizar el inicio de la operación del equipo, es seguro que estará presente. - Fisura en el eje. En ocasiones, un defecto superficial del eje avanza y termina convirtiéndose en una fisura o grieta, que provoca un desequilibrio en el eje. Puede ocurrir por un defecto de fabricación del eje (lo más habitual) o puede estar relacionado con corrosiones que el rotor puede estar sufriendo. Cuando esto
  25. 25. 22 ocurre, se detecta a través del análisis de vibraciones, y en la mayoría de los casos son visibles a simple vista o con ayuda de algún elemento de aumento. Es sin duda el fallo más importante que puede sufrir una turbina de vapor - Presencia de agua o partículas en el vapor. Si el vapor a la entrada a turbina tiene partículas de agua líquida, el choque de las gotas contra la turbina puede provocar vibraciones y desequilibrios. El vapor puede contener agua líquida por fallo en el sobrecalentamiento, por una atemperación excesiva, porque la válvula de atemperación esté en mal estado, o porque en el camino entre la válvula de atemperación y la entrada a turbina sufra un enfriamiento anormal. - Defecto en la bancada. Una bancada mal diseñada o mal ejecutada pueden provocar vibración. Cuando se detecta una vibración, es conveniente en primer lugar verificar el estado de la bancada, intentando descubrir grietas, falta de material, etc. - Defecto en la sujeción a la bancada. A pesar de que la bancada pueda estar bien ejecutada, la turbina puede no estar convenientemente sujeta a esta. Esto puede ocurrir porque los tornillos de sujeción no tengan el par de apriete apropiado o porque los tornillos no anclen correctamente a la bancada. - Tensión de tuberías de vapor. Si el alineamiento de tuberías no es perfecto o no se han considerado correctamente los efectos térmicos de la dilatación, pueden provocarse tensiones en tuberías que hagan que se ejerza una fuerza extraña sobre la carcasa de la turbina. Desplazamiento excesivo del rotor por mal estado del cojinete de empuje o axial Si el cojinete de empuje sufre un desgaste en exceso, el eje de la turbina puede desplazarse en la dirección axial más de su límite permitido, aplicando una fuerza adicional sobre el acoplamiento del reductor y sobre el propio reductor. Un tope que forma parte del eje llamado collarín apoya sobre este cojinete. Para evitar que se aplique sobre el acoplamiento esta fuerza adicional, un sensor inductivo mide la posición del eje, y especialmente de ese tope en todo momento, y cuando éste supera el valor previsto por el fabricante, se produce en primer lugar una alarma en el sistema de control de la turbina. Si el desplazamiento aumenta todavía más, la alarma se transforma en disparo, y el sistema de control para la turbina por seguridad.
  26. 26. 23 Cojinetes combinados Axial-Radial. Fuente: Curso Renovetec turbina de vapor Fallos diversos de la instrumentación Un fallo erróneo de la instrumentación suele estar detrás de uno de cada tres problemas detectados por el sistema de control. Entre los fallos habituales detectados erróneamente por la turbina por de vapor están los siguientes: - Alto nivel de vibraciones - Desplazamiento del eje superior al límite - Temperaturas y/o presiones del vapor fuera de límites - Temperaturas y/o presiones del aceite de lubricación fuera de límites - Indicación incorrecta de la velocidad de la turbina El fallo de la señal puede provenir del elemento sensor o del acondicionador de señal (transmisor de señal). Tanto uno como otro tienen una probabilidad de fallo similar Vibración en reductor El reductor no es más que un conjunto de engranajes de diferentes diámetros y número de dientes cuya función es reducir adaptar el número de revoluciones por minuto de la turbina de vapor y el alternador. Por tanto, cualquiera de las causas que
  27. 27. 24 provocan vibración en una máquina rotativa pueden provocar la vibración del reductor, que puede transmitirse a la turbina y provocar el paro de ésta. Reductor unido a turbina de alta presión en una central termosolar. Fuente: Archivo Renovetec Entre las causas comunes del aumento del nivel de vibración en un reductor están: - Mal estado de cojinetes o rodamientos de uno de los dos ejes (eje rápido o de entrada y/o eje lento o de salida). Esta es la causa más frecuente de este fallo. - Desequilibrios, debidos a defectos en los dientes de piñones, mal estado de eje, etc. - Problemas en la lubricación (falta de caudal o de presión, presencia de partículas extrañas o presencia de agua). - Mal alineamiento con cualquiera de los otros dos elementos del conjunto generador (alternador o turbina). - Mal estado de alguno de los dos ejes (el de entrada o el de salida). - Problemas en la bancada o problemas de sujeción del reductor a ésta Vibración en alternador El alternador es una máquina muy sencilla, y por tanto, el número de problemas que suele dar es también pequeño. Una vibración en el alternador puede estar provocada por: - El centro magnético del alternador no coincide con el centro mecánico - Mal estado de cojinetes o rodamientos del eje (ésta es con diferencia la causa más frecuente) - Curvatura del eje - Defecto en el eje
  28. 28. 25 - Problemas de lubricación, como exceso de grasa en rodamiento, no renovación de la grasa del rodamiento, mal estado de ésta, grasa inadecuada o presencia de partículas extrañas en la grasa - Problemas en la bancada o de sujeción del alternador a ésta Fuga de vapor Una fuga de vapor por los sellos de la turbina, que pueden ser de carbón o laberínticos, además de provocar una pérdida de rendimiento (se escapa energía útil) puede provocar otras averías mayores: el vapor puede entrar en el circuito de lubricación o la fuga de vapor puede calentar excesivamente algún elemento que no esté preparado para soportar ese calor adicional (la instrumentación, por ejemplo). La inspección periódica de los sellos y la reparación inmediata del problema en cuanto se detecta la fuga son las mejores tareas de mantenimiento para prevenir este fallo. Funcionamiento incorrecto de la válvula de control La válvula de control, que regula el caudal de entrada de vapor a la turbina, y su sistema hidráulico suelen ser responsables de un gran número de incidencias, que provocan intervenciones correctivas y pérdidas de disponibilidad. Se observa en el equipo un funcionamiento errático de la turbina, abriendo la entrada de vapor o cerrándolo cuando no corresponde, o vibrando de forma anormal. Es conveniente mantener en buen estado el grupo hidráulico al que suele estar conectado el aceite de control de esta válvula. Un mantenimiento programado periódico se hace imprescindible para el buen funcionamiento de la turbina, así como un análisis del aceite hidráulico de control. Un aceite inadecuado o una temperatura muy alta o muy baja de este aceite también pueden causar problemas en esta válvula. Por último, en muchas ocasiones el problema no está en la válvula, sino en el sistema de control, que da orden de abrir o cerrar de acuerdo a otras señales que está recibiendo. Se hace necesario, pues, un conocimiento muy exhaustivo del sistema de control y sus señales. Así, el mal estado del detector inductivo que mide las revoluciones de la turbina puede estar detrás a veces de un funcionamiento errático de la válvula de control.
  29. 29. 26 Turbina de vapor de alta presión Siemens SST-700, muy habitual en centrales termosolares. Fuente: Archivo Renovetec Dificultad o imposibilidad de la sincronización Para que se produzca el acoplamiento entre el alternador accionado por la turbina y la red eléctrica es necesario que ambos estén sincronizados. Para ello, es necesario que ambos giren a la misma velocidad. Cuando hay problemas en el proceso de sincronización, puede deberse a un problema cuyo origen está en la válvula de admisión de vapor. Si revisada esta se comprueba que su funcionamiento es correcto, puede ser debido a un problema de ajuste de PID de la válvula de admisión. Es posible igualmente que el problema esté localizado en el equipo de sincronización. También es posible que el problema tenga su origen en el alternador porque las tensiones de generación y red no coincidan. Por último es posible que haya un problema en el control, que la turbina gire a una velocidad distinta (ligeramente superior o inferior) a la velocidad de sincronismo. Funcionamiento incorrecto de la válvula de cierre Esta válvula, que suele estar antes de la válvula de control es una válvula todo-nada. En su posición ‘cerrado’ puede dejar pasar algo de vapor que puede afectar al equipo. Es conveniente comprobar periódicamente, aprovechando una revisión de la instalación, que esta válvula y sus elementos internos de cierre se encuentran en buen estado Bloqueo del rotor por curvatura del eje
  30. 30. 27 Rotor de una turbina de vapor de alta presión, durante una revisión. Foto: Carolina Beguelin Las holguras entre los álabes fijos (toberas) y móviles de la turbina son muy pequeñas. Si el eje se curva por cualquier razón, especialmente por paradas de la turbina sin mantener el sistema virador en marcha, la curvatura del eje puede ser suficiente para que álabes fijos y móviles topen y se impida el movimiento del rotor. Esta curvatura puede ser de dos tipos: - Recuperable, cuando la deformación no ha superado el límite elástico del material. Se soluciona simplemente dejándola enfriar, y manteniendo posteriormente el virador en marcha (sistema de giro lento cuya finalidad es que el eje de rotación y el eje de inercia coincidan) durante al menos 24 horas - No recuperable, cuando la deformación ha superado el límite elástico. Cuando ocurre es más habitual que presente un alto nivel de vibraciones, y rara vez provoca el bloqueo del rotor.
  31. 31. 28 MANTENIMIENTO DE TURBINAS DE VAPOR Mantenimiento Programado Una turbina de vapor es un equipo especialmente agradecido con el mantenimiento preventivo. Al ser un equipo en general bien conocido (es la máquina térmica más antigua), los fabricantes suelen haber resuelto ya la mayor parte de sus problemas de diseño. Por tanto, una operación cuidadosa y un adecuado plan de mantenimiento programado se traducen necesariamente en una alta disponibilidad. Mantenimiento Operativo Diario - Comprobación de alarmas y avisos. - Vigilancia de parámetros (niveles de vibración, revoluciones, temperaturas de entrada y salida del vapor, presiones de entrada y salida, presión, temperatura y caudal de aceite de lubricación, presión de vacío del depósito de aceite de lubricación, comprobación de nivel de aceite, presión diferencial de filtros, entre otros). - Inspección visual de la turbina y sus auxiliares (fugas de aceite, fugas de vapor, fugas de agua de refrigeración, ruidos y vibraciones anormales, registro de indicadores visuales). Mantenimiento Quincenal - Inspección visual de la turbina. - Inspección de fugas de aceite. - Limpieza de aceite (si procede). - Comprobación del nivel de aceite. - Inspección de fugas de vapor. - Inspección de fugas de agua de refrigeración. - Lectura de vibraciones (amplitud). - Inspección visual de la bancada. - Purga de agua del aceite de lubricación. - Inspección visual del grupo hidráulico de aceite de control. - Inspección visual del sistema de eliminación de vahos. Tareas de mantenimiento de carácter mensual - Muestra de aceite para análisis. - Purga de agua del aceite. - Comprobación de lubricación de reductor y de alternador.
  32. 32. 29 Revisión anual Si se realizan todas las actividades que se detallan en esta lista, en realidad se están eliminando todas las causas que provocan las averías más frecuentes. Si se compara esta lista de tareas con la lista de averías más frecuentes se puede comprobar que esta revisión está orientada a evitar todos los problemas habituales de las turbinas. Analizador de vibraciones La razón de la alta disponibilidad de estos equipos cuando se realiza el mantenimiento de forma rigurosa es que realmente se está actuando sobre las causas que provocan las principales averías. - Análisis del espectro de vibración de turbina, reductor y alternador, a distintas velocidades y en aceleración. Se verifica así la posible ausencia de problemas en cojinetes, el estado de la alineación y el equilibrado de los tres equipos. Es importante tener en cuenta que es mucho más adecuado realizar el análisis con los detectores de posición del eje con los van equipados las turbinas, en vez de hacerlo con sensores tipo ‘acelerómetro’ que se instalan en la carcasa. - Inspección boroscópica de álabes. Con esta tarea se comprueba el estado de los álabes, las posibles incrustaciones que puedan haber aparecido en la superficie de éstos y defectos en algunos de ellos, por roces o impactos. - Apertura de cojinetes y comprobación del estado. Cambio de cojinetes si procede. La mayor parte de los cojinetes pueden cambiarse o revisarse sin necesidad de abrir la turbina. Esto garantiza un funcionamiento ausente de vibraciones causadas por el mal estado de los cojinetes de apoyo y/o empuje. - Cambio de aceite, si procede (según análisis). Si es necesario se sustituye el aceite, pero no es habitual cambiar el aceite de forma sistemática sin haber detectado síntomas de que está en mal estado. Esta acción evita trabajar con un aceite en mal estado y garantiza la ausencia de problemas de lubricación. - Cambio de filtros de aceite. Esto garantiza el buen estado del aceite y la filtración de partículas extrañas. - Inspección de la válvula de regulación de turbina. Esto garantiza el buen estado
  33. 33. 30 de los elementos internos de la válvula, su correcto funcionamiento, y la comprobación del filtro de vapor de la válvula, lo que hará que la regulación sea la correcta, no haya problemas de sincronización ni de regulación y no pasen elementos extraños a la turbina que puedan haber sido arrastrados por el vapor. - Inspección del grupo hidráulico. Cambio de filtros y de aceite, si procede. - Inspección del sistema de eliminación de vahos. El funcionamiento a vacío del depósito de aceite garantiza que los vapores que se produzcan, especialmente los relacionados con el agua que pueda llevar mezclado el aceite, se eliminan. Eso ayudará a que la calidad del aceite de lubricación sea la adecuada. - Comprobación de pares de apriete de tornillos. El apriete de los tornillos de sujeción a la bancada y los tornillos de la carcasa, entre otros, deben ser revisado. Esto evitará, entre otros, problemas de vibraciones debidos a un deficiente anclaje. - Comprobación de alineación de turbina-reductor y reductor-alternador. Se haya detectado o no en el análisis de vibraciones, es conveniente comprobar la alineación mediante láser al menos una vez al año. Esto evitará problemas de vibraciones - Comprobación del estado de acoplamiento turbina reductor y reductor- alternador. La comprobación visual de estos acoplamientos elásticos evitará entre otros efectos la aparición de problemas de vibración. - Calibración de la instrumentación. Muchas de las señales incorrectas y medidas falsas que provocarán un mal funcionamiento de la turbina pueden ser evitados con una calibración sistemática de toda la instrumentación. - Inspección visual de los sellos laberínticos, por si se hubieran dañado desde la última inspección. - Comprobación de la presión del vapor de sellos. La presión de sellos debe estar regulada a una presión determinada, ni más ni menos. Una menor presión hará que el vapor escape al exterior, se pierda energía y se puedan provocar algunos daños (en algunos casos la contaminación del aceite, al entrar ese vapor en el cojinete, que suele estar muy cerca; en otros, puede afectar a algún sensor de medida no preparado para recibir el vapor caliente) - Termografía de la turbina. Esta prueba, a realizar con la turbina en marcha, permitirá saber si se están produciendo pérdidas de rendimiento por un deficiente aislamiento o por fugas de vapor. - Limpieza y mantenimiento del cuadro de control. Curiosamente, muchas averías en sistemas eléctricos y electrónicos están causados por la suciedad. Mantener los cuadros en su correcto estado de limpieza garantiza la ausencia de estos problemas.
  34. 34. 31 - Inspección del virador. El virador es un elemento importantísimo durante las paradas. Un mal funcionamiento supondrá una dificultad o imposibilidad de arrancar la turbina. La inspección es sencilla y garantiza el correcto arranque tras una parada. - Prueba de potencia. Al finalizar la inspección será conveniente comprobar las prestaciones de la turbina, especialmente la potencia máxima que es capaz de alcanzar. - Limpieza de alternador. La limpieza interior del alternador especialmente los que se refrigeran por aire, suelen realizarlo empresas especializadas, con productos especiales. - Verificación eléctrica del alternador. Es necesario verificar tanto el alternador como sus protecciones. En el caso de que el personal habitual no tenga los conocimientos oportunos es conveniente realizarlo con empresas especializadas. - Cambio de filtros del alternador. Los filtros de aire del alternador, especialmente en los refrigerados con aire, tienen como misión garantizar que aire en contacto con los bobinados está limpio. La comprobación del estado de estos filtros y su sustitución aprovechando la parada anual suelen garantizar la ausencia de problemas en la filtración del aire. Rotor de turbina durante una revisión Cojinete de apoyo o radial Alineación por láser de turbina de vapor
  35. 35. 32 PRINCIPALES REPUESTOS Del análisis de las averías que puede sufrir una turbina se deduce el material que es necesario tener en stock para afrontar el mantenimiento. Todas las piezas que la componen pueden dividirse en cuatro categorías: - Tipo A: Piezas que es necesario tener en stock en la planta, pues un fallo supondrá una pérdida de producción inadmisible. Este, a su vez, es conveniente dividirlo en tres categorías: o Material que debe adquirirse necesariamente al fabricante del equipo. Suelen ser piezas diseñadas por el propio fabricante o Material estándar. Es la pieza incorporada por el fabricante del equipo y que puede adquirirse en proveedores locales o Consumibles. Son aquellos elementos de duración inferior a un año, con una vida fácilmente predecible, de bajo coste, que generalmente se sustituyen sin esperar a que den síntomas de mal estado. Su fallo y su desatención pueden provocar graves averías. - Tipo B: Piezas que no es necesario tener en stock, pero que es necesario tener localizadas. En caso de fallo, es necesario no perder tiempo buscando proveedor o solicitando ofertas. De esa lista de piezas que es conveniente tener localizadas deberemos conocer, pues, proveedor, precio y plazo de entrega - Tipo C: Consumibles de uso habitual. Se trata de materiales que se consumen tan a menudo que es conveniente tenerlos cerca, pues ahorra trámites burocráticos de compra y facilita la operatividad del mantenimiento - Tipo D: Piezas que no es necesario prever, pues un fallo en ellas no supone ningún riesgo para la producción de la planta (como mucho, supondrá un pequeño inconveniente) En cuanto a los criterios de selección del stok, hay que tener en cuenta cuatro aspectos: - Criticidad del fallo. Los fallos críticos son aquellos que, cuando suceden, afectan a la seguridad, al medioambiente o a la producción. Por tanto, las piezas necesarias para subsanar un fallo que afecte de manera inadmisible a cualquiera de esos tres aspectos deben ser tenidas en cuenta como piezas que deben integrar el stock de repuesto
  36. 36. 33 - Consumo. Tras el análisis del histórico de averías, o de la lista de elementos adquiridos en periodos anteriores (uno o dos años), puede determinarse que elementos se consumen habitualmente. Todos aquellos elementos que se consuman de forma habitual y que sean de bajo coste deben considerarse como firmes candidatos a pertenecer a la lista de repuesto mínimo. Así, los elementos de bombas que no son críticas pero que frecuentemente se averían, deberían estar en stock (retenes, rodetes, cierres, etc.). Determinados elementos sensores, como termopares, sensores de posición, presostatos, etc., que trabajan en condiciones difíciles que por tanto sufren averías frecuentes, suelen formar parte de este stock por su alto consumo. Por último, aquellos consumibles de cambio frecuente (aceites, filtros) deberían considerarse. - Plazo de aprovisionamiento. Algunas piezas se encuentran en stock permanente en proveedores cercanos a la planta. Otras, en cambio, se fabrican bajo pedido, por lo que su disponibilidad no es inmediata, e incluso, su entrega puede demorarse meses. Eso puede suponer una alta indisponibilidad del motor, en caso de llegar a necesitarse. Por tanto, aquellas piezas necesarias para la reparación de un fallo no crítico cuya entrega no sea inmediata y pueda demorarse durante meses, podría ser interesante que en algunos casos formaran parte del almacén de repuesto. - Coste de la pieza. Puesto que se trata de tener un almacén con el menor capital inmovilizado posible, el precio de las piezas formará parte de la decisión sobre el stock de las mismas. Aquellas piezas de gran precio (grandes ejes, coronas de gran tamaño, equipos muy especiales) no deberían mantenerse en stock en la planta, y en cambio, deberían estar sujetas a un sistema de mantenimiento predictivo eficaz. Para estas piezas también debe preverse la posibilidad de compartirse entre varias plantas. Algunos fabricantes motores ofrecen este interesante servicio. Teniendo en cuenta todo esto, las piezas que suelen mantenerse en stock para afrontar el mantenimiento de una turbina de vapor son los siguientes: Descripción del repuesto habitual para turbinas de vapor Juego de cojinetes radiales y axiales Tarjetas de entradas/salidas del sistema de control Sellos de carbón (si los tiene) Válvula de admisión: elementos internos de la válvula, set completo + filtro de vapor
  37. 37. 34 Instrumentación:  Sensores de velocidad y posición (pick-up)  Sensores de temperatura y termopares  Sensores de presión  Transmisores Manómetros y termómetros visuales Filtros de aceite y aire Filtros de aire del alternador Válvulas manuales y trampas de vapor
  38. 38. 35 REFERENTES García, S. (Sin Año). Averías habituales en turbinas de vapor. [Documento en línea] Disponible en http://www.santiagogarciagarrido.com/index.php/80- averias-habituales-en-turbinas-de-vapor Propuesta de plan de mantenimiento para Una turbina de vapor para la propulsión deUn buque gasero. [Documento en línea] Disponible en http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/13772/1/PfC%20Mantenimient o%20turbina%20Bartolom%C3%A9.pdf Turbinas de Vapor Energiza. [Documento en línea] Disponible en http://www.energiza.org/anteriores/energizadiciembre2011.pdf
  39. 39. 36 Anexos
  40. 40. 37
  41. 41. 38
  42. 42. 39
  43. 43. 40
  44. 44. 41
  45. 45. 42
  46. 46. 43
  47. 47. 44
  48. 48. 45 COSTOS DE OPERACIÓN Y DE PRODUCCION DE ENERGIA DE UNA TURBINA A VAPOR 1. Introducción Los sistemas de vapor en Refinerías y otros grandes complejos industriales tales como plantas hidroeléctricas o Químicas son grandes consumidores de energía que tienen muchos grados de libertad operativa. Manipulando esos grados de libertad con un programa de optimización basado en los costos, se obtienen ahorros significativos en los costos globales de operación, a la vez que se mantienen las restricciones impuestas al sistema (disponibilidad de combustibles, colchón de seguridad operativa, máximas cargas admisibles, límite de emisiones, etc.). Dado que comúnmente en el caso de las turbinas a vapor y los grupos diesel el contador Utilizado son las horas de operación (HO), utilizaremos un mismo ejemplo para ambas . Para el ejemplo: Se utilizará una unidad de una potencia efectiva de 22 MW con un Costo Fijo de Mantenimiento por año de US$ 15,200. La tasa de actualización será de 12%. En forma similar al caso anterior, los valores y resultados mostrados son únicamente para fines de exponer la metodología. 2. Costo Variable de Mantenimiento a) Definición de la Política de Mantenimiento En el Cuadro N° 15 se indica la política de mantenimiento adoptada para la operación de la unidad. En él se observan las distintas categorías de mantenimiento, los períodos de mantenimiento y el contador utilizado, en este caso horas de operación (HO).
  49. 49. 46 b) Determinación de los costos de mantenimiento En el Cuadro N° 16, se muestran los costos asociado s a las categorías de mantenimiento.
  50. 50. 47 c) Determinación de los escenarios de operación La información histórica utilizada para la formación de escenarios de operación corresponde al período histórico de los últimos cuatro (04) anos. Conforme se propone, los escenarios de horas de operación considerados para el presente ejemplo de cálculo son los siguientes:  Escenario 1: 0 horas de operación anual.  Escenario 2: 400 horas de operación anual, que corresponde al mínimo de horas de operación anual de la información histórica.  Escenario 3: 1800 horas de operación anual, que corresponde a la media aritmética (promedio) de la información histórica.  Escenario 4: 3750 horas de operación anual, que corresponde a una operación extrema. d) Flujo de Categorías de Mantenimiento y Costos Asociados Con la información de la política de mantenimiento, horas de operación y escenarios de operación, se han elaborado los distintos flujos de mantenimiento y de costos asociados, mostrados desde el Cuadro N° 17 al Cuadro N° 20.
  51. 51. 48
  52. 52. 49 e) Determinación del Valor Actual y la Anualidad de los Costos Variables de Mantenimiento De la información de los flujos de mantenimiento y sus costos asociados, se calcularon los costos totales actualizados del mantenimiento, a lo largo del período evaluado, para cada uno de los escenarios de operación. Asimismo, se calcularon las anualidades representativas de dichos costos también a lo largo del mismo período. El Cuadro N° 21 muestra los resultados.
  53. 53. 50 Los valores de anualidad obtenidos se pueden ajustar según los valores de horas de operación. Los resultados se muestran en el Cuadro N° 22 y Figura N° 3.
  54. 54. 51 f) Determinación del Costo Variable de Mantenimiento En el Cuadro N° 23 se aprecia los Costos Totales de Mantenimiento como la suma de los costos fijos de mantenimiento por año más los valores ajustados de la anualidad de los costos variables de mantenimiento, así como la Producción de Energía.
  55. 55. 52 En la Figura N° 4 se ha graficado la función del Costo. Total de Mantenimiento vs. Producción de Energía por año. Como se sabe la pendiente de la regresión lineal de dicha función nos da el Costo Variable de Mantenimiento de la unidad. El Cuadro N° 24 nos muestra el valor resultante. g) Costo Fijo Anual de Mantenimiento (CFAM). De igual manera, el Costo Fijo Anual de Mantenimiento resulta del intercepto de la regresión lineal con el eje de las ordenadas (Costo Total de Mantenimiento). Así, el CFAM de la unidad evaluada se muestra en el Cuadro N° 25. HEO = Horas Equivalentes de Operación
  56. 56. 53 Inventario de centrales hidroeléctricas del Perú - fuente: Ministerio de Energía y Minas - mapa 2004 S IMBO LO n ombre Potencia Instalad a Hidráulica (MW) Producción d e Energía (GW.h) E mpresa L ongitud L atitud C añon del Pato 264.4 1 446.20 D uke Energy - 77.82739 574 - 8.87704 3057 C arhuaquer o 95 592.4 E GENOR - 79.42429 741 - 6.47024 4877 G alito Ciego 38.1 64.3 E GENOR - 78.88195 309 - 7.19437 4118 Y anango 42.8 205.6 E DEGEL - 75.21425 057 - 11.1276 1878 H uinco 258.4 861.6 E DEGEL - 77.02872 51 - 11.5715 1597 H uanchor 20 130.5 S. M. CORO NA - 76.51471 579 - 11.7423 0231 C ahua 43.1 205.6 C AHUA - 76.78095 245 - 11.7831 3445 H uampani 31.5 213.7 E DEGEL - 76.77147 955 - 11.9724 7941 C allahuanc a 75.1 547.8 E DEGEL - 76.62284 044 - 11.8326 7141 M atucana 128.6 748.4 E DEGEL - 76.45656 286 - 11.8837 9531 M oyopamp a 69 518.3 E DEGEL - 76.68819 214 - 11.9300 6146 Y aupi 108 824.1 El ectro Andes - 75.43199 067 - 10.8722 07533 M alpaso 54.4 134.1 El ectro And es - 76.03704 563 - 11.4079 8960
  57. 57. 54 C himay 153 938 E DEGEL - 74.78870 822 - 11.3706 3288 S. A. de Ma yolo 798 4 965.80 El ectroperu - 74.66765 397 - 12.3753 8699 R estitución 210 1 605.80 El ectroperu - 74.63131 752 - 12.3561 7799 M achupicch u 90 718.5 E GEMSA - 72.33791 221 - 12.5065 3118 S ab Gaban II 113.1 789.3 S AN GABAN - 69.64352 028 - 14.5136 3589 C harcani V 145.4 629.3 E GASA - 71.45133 413 - 16.2636 5030 Ar icota 1 24.3 56.8 E GESUR - 69.84958 524 - 17.5320 7059 s imbol o n ombre Potencia Instalada Hidráulica (MW) Producción de Energía (GW.h) E mpresa L ongitud L atitud

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