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1.
Introducción.
2.
Clasificación de las turbinas de vapor.
3. Estudio
constructivo de los elementos de las turbinas.
4. Circuito
de vapor y condensado.
5. Sistemas de
aceite de la turbina.
6. Regulación de la
velocidad.
7. Dispositivos
de seguridad en las turbinas de vapor.
Figura 1. Turbina de
vapor.
1.
Introducción.
La turbina de
vapor de 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.
La turbina es un equipo tan
conocido y tan robusto que si no se hacen barbaridades con él tiene una vida
útil larga y exenta de problemas, eso sí hay que respetar cuatro normas
sencillas:
1)
Utilizar un
vapor de las características físico-químicas apropiadas.
2) Respetar las instrucciones de
operación en arranques, durante la marcha y durante las paradas del
equipo.
3)
Respetar las
consignas de protección del equipo, y si da algún síntoma de mal funcionamiento
(vibraciones, temperaturas elevadas, falta de potencia, etc.) parar y revisar el
equipo, nunca sobrepasar los límites de determinados parámetros para poder
seguir con ella en producción o incluso poder arrancarla.
4)
Realizar los
mantenimientos programados con la periodicidad prevista.
Son normas muy sencillas, y sin
embargo, casi todos los problemas que tienen las turbinas, grandes o pequeños,
se deben a no respetar alguna o algunas de esas 4 normas.
Figura 2. Turbina de
vapor abierta.
2. Clasificación de las
turbinas de vapor.
Existen varias
clasificaciones de las turbinas dependiendo del criterio utilizado, aunque los
tipos fundamentales que nos interesan son:
-
Según el
número de etapas o escalonamientos:
1)
Turbinas monoetapa, son turbinas que se utilizan
para pequeñas y medianas potencias.
2)
Turbinas
multietapa,
aquellas en las que la demanda de potencia es muy elevada, y además interesa que
el rendimiento sea muy alto.
-
Según la
presión del vapor de salida:
1)
Contrapresión, en ellas el vapor de escape es
utilizado posteriormente en el proceso.
2)
Escape
libre, el vapor
de escape va hacia la atmósfera. Este tipo de turbinas despilfarra la energía
pues no se aprovecha el vapor de escape en otros procesos como calentamiento,
etc.
3)
Condensación, en las turbinas de condensación
el vapor de escape es condensado con agua de refrigeración. Son turbinas de gran
rendimiento y se emplean en máquinas de gran potencia.
- Según la forma en que se realiza
la transformación de energía térmica en energía mecánica:
1)
Turbinas de acción, en las cuales la transformación
se realiza en los álabes fijos.
2)
Turbinas de
reacción, en
ellas dicha transformación se realiza a la vez en los álabes fijos y en los
álabes móviles.
-
Según la
dirección del flujo en el rodete.
1)
Axiales, el paso de vapor se realiza
siguiendo un con que tiene el mismo eje que la turbina. Es el caso más
normal.
2)
Radiales, el paso de vapor se realiza
siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la
turbina.
-
Turbinas con y
sin extracción.
En las turbinas
con extracción se extrae una corriente de vapor de la turbina antes de llegar al
escape.
3. Estudio constructivo de los elementos de las
turbinas.
-
Rotor, es la parte móvil de la turbina.
-
Estator o
carcasa, parte fija que aloja el rotor y sirve de armazón y sustentación a la
turbina.
-
Álabes,
órganos de la turbina donde tiene lugar la expansión del
vapor.
-
Álabes fijos,
van ensamblados en los diagramas que forman parte del estator. Sirven para darle
la dirección adecuada al vapor y que empuje sobre los álabes
móviles.
-
Diafragmas,
son discos que van dispuestos en el interior de la carcasa perpendicularmente al
eje y que llevan en su periferia los álabes fijos.
-
Cojinetes,
son los elementos que soportan los esfuerzos y el peso del eje de la turbina.
Los cojinetes pueden ser radiales, que son aquellos que soportan los esfuerzos
verticales y el peso del eje, o axiales, soportan el esfuerzo en
la dirección longitudinal del eje.
-
Sistemas de
estanqueidad, son aquellos sistemas de cierre situados a ambos extremos del eje
de la turbina que evitan que escape el vapor de la
turbina.
1)
Sellados del rotor, son elementos mecánicos que
evitan que escape vapor de la turbina al exterior, por los lados del eje en las
carcasas de alta y de media presión y además evitan la entrada de aire en las
carcasas de baja presión. Pueden ser de metal o de grafito. Normalmente en las
máquinas de gran potencia los cierres son metálicos de tipo
laberinto.
2)
Regulación del sistema de sellado en una turbina de
condensación.
-
Estanqueidad
interior, son los
mecanismos que evitan la fuga de vapor entre los álabes móviles y fijos en las
etapas sucesivas de la turbina.
4. Circuito de vapor y
condensado.
Descripción del
circuito de vapor a través de una turbina.
-
Turbinas de
contrapresión.
-
Turbinas de
condensación.
-
Turbinas de
extracción y condensación.
a)
Válvulas de parada, actúan por seguridad de la
turbina y en situaciones de emergencia. Tienen la misión de cortar el flujo de
vapor de entrada.
b)
Válvulas de
control y regulación, válvulas de vapor de entrada que
proporcionan el caudal de vapor deseado para dar la potencia requerida por la
turbina.
Sistemas de vacío
y condensado en turbinas de condensación.
- Condensador, su función es establecer el
mayor vacío posible eliminando el calor de condensación del vapor de
agua.
- Eyectores, se encargan de
eliminar los gases incondensables que hay en el condensador, procedente de las
fugas de aire y de los gases disueltos en el condensado,
etc.
-
Bombas de
condensado,
tienen por misión desalojar el condensado producido en el escape de la turbina.
Problemas si el nivel de condensado es demasiado alto y no quedan tubos libres
para condensar el vapor.
- Purgas de condensado del cuerpo de
la turbina y líneas de vapor de entrada y salida, sistema que permite la
eliminación del condensado de equipo y líneas cuando la turbina está en
situación de parada y puesta en marcha.
5. Sistemas de aceite de la
turbina.
Este sistema tiene dos
misiones fundamentales en las turbinas de vapor: una como elemento hidráulico
del sistema de regulación de la turbina, para accionamiento de servomotores y
otros mecanismos y otra como elemento lubricante de las partes móviles, como
cojinetes, reductores, etc.
Dependiendo que la
turbina sea a contrapresión o a condensación los sistemas de aceite pueden ser
más o menos complejos.
1)
Ejemplo de sistemas de aceite en una turbina de
contrapresión.
-
Sistema de
aceite de lubricación.
-
Sistema de
aceite de mando y regulación.
-
Bomba auxiliar
de aceite o bomba de puesta en marcha. Puede ser manual o movida por un motor o
turbina.
-
Bomba
incorporada o bomba principal de aceite. Accionada por el eje de la
turbina.
2)
Ejemplo de sistema de aceite en una turbina de
condensación.
-
Sistema de aceite de lubricación.
- Sistema de
aceite de mando o regulación.
- Sistema de
aceite primario.
- Sistema de
aceite de cierre rápido o seguridad.
Equipos
principales de los sistemas de aceite.
1)
Tanques de aceite.
2)
Bombas de
aceite, principal y reserva.
3)
Refrigerantes
de aceite.
4)
Filtros de
aceite.
5)
Calentador de
aceite. Termostato de alta y baja temperatura.
6)
Extractor de
gases de aceite.
7)
Equipos de
purificación de aceite.
6. Regulación de la
velocidad.
- Objetivo de la
regulación. El objetivo principal de la regulación de la velocidad en las
turbinas es mantener el número de rpm. constante independientemente de la carga
de la turbina.
- Turbinas de pequeña y
mediana potencia. Normalmente la válvula de parada de emergencia y de
regulación de entrada de vapor es la misma.
Regulación por
estrangulación o laminación.
-
Turbinas de gran
potencia. En
ellas, las válvulas de parada y de regulación son independientes entre
sí.
-
Regulación por variación del grado
de admisión o del número de toberas de entrada.
Regulación de velocidad en una
turbina de extracción y condensación.
-
Aumento de potencia sin modificar
el caudal de extracción. Cualquier aumento o disminución
de potencia demandada por la turbina se traduce en un aumento o disminución del
caudal que pasa a través de ella cumpliéndose en cada caso que el caudal que
aumenta o disminuye a través de las válvulas de entrada de vapor del cuerpo de
alta es el mismo que aumenta o disminuye a través de las válvulas del cuerpo de
baja, permaneciendo constante el caudal de extracción.
-
Aumento
del caudal de extracción permaneciendo constante la potencia de la
turbina.
Cualquier aumento del caudal de extracción demandado por el proceso se traduce
por un aumento del caudal a través de las válvulas del cuerpo de alta y una
disminución del caudal a través de las válvulas del cuerpo de baja, cumpliéndose
en cada caso que el aumento de potencia que da el cuerpo de alta presión es
compensado por una disminución de potencia en el cuerpo de baja presión,
permaneciendo constante la potencia total de la turbina.
7. Dispositivos de
seguridad en las turbinas de vapor.
Son mecanismos que
protegen a la turbina contra anomalías propias de la máquina, del proceso o bien
de la máquina arrastrada por la turbina.
1)
Ejemplos de disparo en turbinas de
contrapresión.
- Disparo por
sobre velocidad. Evita el empalamiento de la turbina al faltarle la carga
que arrastra.
- Disparo por baja presión de
aceite de lubricación. Protege a la máquina para evitar el roce entre el eje
y el estator.
- Disparo manual de
emergencia. Para que el operador pueda parar a voluntad la máquina ante
cualquier anomalía, como pueden ser vibraciones o ruidos anormales, fuga de
aceite al exterior, etc.
2)
Ejemplos de disparo en turbinas de gran potencia
(condensación).
-
Dispositivo de disparo de aceite del cierre rápido.
Dispositivo mecánico sobre el que actúan los siguientes disparos mecánicos de la
turbina.
a)
Sobrevelocidad.
b)
Disparo manual
de la turbina.
c)
Disparo por
desplazamiento axial.
- Dispositivo de disparo por
falta de vacío. Dispositivo mecánico que dispara la máquina al subir la
presión de escape de vapor en el condensador.
- Dispositivo de disparo a
distancia mediante válvula electromagnética. De este dispositivo de disparo
cuelgan todas aquellas seguridades de la máquina, del proceso o de la máquina
arrastrada. A la válvula electromagnética le llega una señal eléctrica que
energiza una válvula solenoide que enviara al tanque el aceite del cierre rápido
cerrando las válvulas de parada y de regulación de vapor de la
turbina.
Entre los disparos
mencionados que afectan a este dispositivo están:
a)
Paros manuales a distancia desde el panel principal y
local.
b)
Baja presión
de aceite de lubricación.
c)
Baja
temperatura del vapor de entrada a al turbina.
d)
Baja presión
del vapor de 100
a la turbina.
e)
Disparo por
alto valor de vibraciones y de desplazamiento axial.
f)
Disparos de la
máquina arrastrada que también paran la turbina.
g)
Disparo por
bajo nivel de aceite de sello a los cierres del compresor.
h)
Disparo por
altos niveles de líquido en los depósitos de aspiración del
compresor.
Otros dispositivos de seguridad en
las turbinas.
a)
Válvula de seguridad del condensador.
b)
Válvulas de
seguridad de la línea de extracción.
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