MAQUINAS Y EQUIPOSTERMICOS I TURBINAS DE VAPOR CATEDRATICO: ING. ALEJANDRINO HERNANDEZ DOMINGUEZ CARRERA: INGENERIA ELECTROMECANICA INTEGRANTES: VICTOR HUGO ALONSO JEREZ 1 Contenido Introducción ....................................................................................................................................... 2 Objetivo .............................................................................................................................................. 2 Clasificación ...................................................................................................................................... 3 Elementos de una turbina de vapor ............................................................................................... 4 Tipos de turbinas de vapor ............................................................................................................. 6 Por la dirección del flujo de vapor en el interior de la turbina .................................................... 6 Por su mecanismo de funcionamiento .......................................................................................... 7 Aplicación sección y evaluación ..................................................................................................... 8 Principios de mantenimiento .............................................................................................................. 9 Conclusión ....................................................................................................................................... 13 Referencias ..................................................................................................................................... 13 2 Introducción La turbina de vapor es una máquina de fluido en la que la energía de éste pasa al eje de la máquina saliendo el fluido de ésta con menor cantidad de energía. La energía mecánica del eje procede en la parte de la energía mecánica que tenía la corriente y por otra de la energía térmica disponible transformada en parte en mecánica por expansión. Esta expansión es posible por la variación del volumen específico del fluido que evoluciona en la máquina. Objetivo Saber identificar cada tipo de turbinas de vapor así como el funcionamiento de cada una de ellas para así poder manejar y diagnosticar fallos en dichos equipos. 3 Clasificación El trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor de entrada a la turbina y el de salida. El hecho de la utilización del vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de kg de fluido de trabajo. Este ratio en el caso del agua es tres veces mayor que en el caso del aire de forma para dos turbinas, una de vapor y otra de gas con la misma potencia de salida se tiene que el gasto másico de la turbina de vapor es tres veces menor que el de la turbina de gas. Dada la gran diferencia que se debe obtener entre la presión de entrada y de salida de la turbina es necesario producir esta expansión en distintas etapas, escalonamientos, con el fin de obtener un mejor rendimiento de la operación. Si sólo se realizase la expansión en una etapa las grandes deflexiones a que tendría que estar sometido el fluido provocarían pérdidas inaceptables. Las pérdidas en una turbina de n escalones no son iguales a la suma de las pérdidas de n turbinas sino que son menores, ya que los escalones de la turbina son capaces de recuperar parte de la energía degradada en el anterior escalón para generar energía mecánica. Sin embargo a medida que aumenta el número de escalonamientos la máquina se encarece, por lo que hay que buscar un buen compromiso entre rendimiento y costes. Vapor P 1 , T 1 , h 1 Vapor P 2 , T 2 , h 2 W= h 1 - h 2 4 Elementos de una turbina de vapor Los elementos principales de una turbina de vapor son: • Rotor. Es el elemento móvil del sistema. La energía desprendida por el vapor en la turbina se convierte en energía mecánica en este elemento. Dado que la turbina está dividida en un cierto número de escalonamientos, el rotor está compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina moviéndose con él. Rotor Mecanismo de unión de los alabes de rotor al eje del mismo 5 • Estator. El estator está constituido por la propia carcasa de la turbina. Al igual que el rotor, el estator está formado por una serie de coronas de alabes, correspondiendo cada una a una etapa o escalonamiento de la turbina. Presentamos una turbina de vapor seccionada donde se pueden apreciar tanto el estator como el rotor de la misma. • Toberas. El vapor es alimentado a la turbina a través de estos elementos. Su labor es conseguir una correcta distribución del vapor entrante/saliente al/desde el interior de la turbina. 6 Tipos de turbinas de vapor Por la dirección del flujo de vapor en el interior de la turbina Una primera clasificación de las turbinas de vapor puede desarrollarse haciendo referencia a movimiento de la corriente de vapor dentro de cuerpo de la turbina. Según este criterio existen dos tipos de turbinas: • Radiales. La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina. • Axiales. La circulación de vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina. Turbina centrípeta 7 Turbina axial Por su mecanismo de funcionamiento Turbina axial: Desde el punto de vista de su funcionamiento las turbinas axiales se pueden dividir en tres clases según el grado de reacción que presentan. Se define grado de reacción de una turbo máquina a la relación Δhrotor R= Δh t escalon es decir a la disminución de entalpía en el rotor dividida por la disminución de entalpía total (entalpía más energía cinética específica) en el escalonamiento. Atendiendo a esto se tienen los tres casos característicos siguientes: • Turbina axial de acción con presión constante en el rotor. La presión disminuye completamente en el estator mientras que se mantiene constante en el rotor donde la velocidad del fluido no varía apenas salvo una leva disminución por la fricción. R≤0 (Negativo ligeramente debido a la disminución de entalpía en el rotor por la fricción). • Turbina axial de acción con entalpía constante en rotor. La entalpía es constante en el rotor y se produce una expansión en el estator con aumento de la velocidad del gas. En el rotor, sin embargo, la velocidad relativa es constante. Se produce una pequeña caída de presión que no provoca un aumento de la velocidad debido a que es debida a la fricción. R=0 8 • Turbina axial de reacción. La expansión se produce en el estator y en el rotor con una disminución de entalpía en el estator debido a la expansión y un aumento de la velocidad. En el rotor también se produce expansión aumentando la velocidad relativa del fluido. R>0 (frecuentemente en torno a 0,5) Turbina Centrípetas: Las turbinas radiales o mixtas presentan la siguiente evolución: • En el estator se produce una expansión aumentando la velocidad, desmullendo la entalpía. • En el rotor se produce un aumento de la velocidad relativa debida a la expansión donde además se produce una caída de presión. R>0 (frecuentemente próximo a 0,5) Aplicación sección y evaluación Estas categorías incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, de recalentamiento, extracción e inducción. Las turbinas de No condensación o de contrapresión son más ampliamente usadas para aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías, plantas de papel y pulpa y en instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión. Las turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con un título de vapor mayor al 90% (para evitar problemas de corrosión de los álabes), a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador. 9 Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente en plantas de potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera donde se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión. Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua para mejorar la eficiencia del ciclo. Principios de mantenimiento 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 10 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. 11 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 Tanques de aceite. Bombas de aceite, principal y reserva. Refrigerantes de aceite. Filtros de aceite. Calentador de aceite. Termostato de alta y baja temperatura. Extractor de gases de aceite. Equipos de purificación de aceite. 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. 12 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. 13 Conclusión Las turbinas de vapor son una de las tecnologías más versátiles y antiguas acopladas a un generador o maquinaria mecánica. A diferencia de los motores de combustión interna y las turbinas de gas, utilizados en los sistemas de cogeneración, en donde el calor es un subproducto de la generación de electricidad, las turbinas de vapor normalmente generan electricidad como un subproducto del calor (vapor). Referencias ecured. (3 de julio de 2014). ecured. Obtenido de http://www.ecured.cu/index.php/Turbina_de_vapor mavaisa. (30 de octubre de 2005). turbinas de vapor. semens. (10 de marzo de 2003). turbinas de vapor .