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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