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.

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:
  • Turbinas monoetapa, son turbinas que se utilizan para pequeñas y medianas potencias.
  • 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:
  • Contrapresión, en ellas el vapor de escape es utilizado posteriormente en el proceso.
  • 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.
  • 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:
  • Turbinas de acción, en las cuales la transformación se realiza en los álabes fijos.
  • 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.
  • Axiales, el paso de vapor se realiza siguiendo un con que tiene el mismo eje que la turbina. Es el caso más normal.
  • 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.

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.
• 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
• 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.

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.

1. 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.
2. 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.

Sistemas de aceite de la turbina

Este sistema tiene dos misiones fundamentales en las turbinas de vapor: una como elemento hidráulico del sistema de regulación de la turbina, para accionamiento de servomotores y otros mecanismos y otra como elemento lubricante de las partes móviles, como cojinetes, reductores, etc.

Dependiendo que la turbina sea a contrapresión o a condensación los sistemas de aceite pueden ser más o menos complejos.

1) Ejemplo de sistemas de aceite en una turbina de contrapresión.

• Sistema de aceite de lubricación.
• Sistema de aceite de mando y regulación.
• Bomba auxiliar de aceite o bomba de puesta en marcha. Puede ser manual o movida por un motor o
• Bomba incorporada o bomba principal de aceite. Accionada por el eje de la turbina.

2)    Ejemplo de sistema de aceite en una turbina de condensación.

• Sistema de aceite de lubricación.
• Sistema de aceite de mando o regulación.
• Sistema de aceite primario.
• Sistema de aceite de cierre rápido o seguridad.

Equipos principales de los sistemas de aceite.

1. 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.
8. 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.

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.

1. Sobrevelocidad.
2. Disparo manual de la turbina.
3. 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:

1. Paros manuales a distancia desde el panel principal y local.
2. Baja presión de aceite de lubricación.
3. Baja temperatura del vapor de entrada a al turbina.
4. Baja presión del vapor de 100 a la turbina.
5. Disparo por alto valor de vibraciones y de desplazamiento axial.
6. Disparos de la máquina arrastrada que también paran la turbina.
7. Disparo por bajo nivel de aceite de sello a los cierres del compresor.
8. Disparo por altos niveles de líquido en los depósitos de aspiración del compresor.

Otros dispositivos de seguridad en las turbinas.

1. Válvula de seguridad del condensador.
2. Válvulas de seguridad de la línea de extracción.