Turbinas de Vapor

9. TURBINAS DE VAPOR.Turbinas de vapor 9-2 Ingenieros de nuevo ingreso PEMEX REFINACIÓN Proyecto: Ingenieros de nuevo ingreso Líder de proyecto: Ing. René Soltero Sáenz Especialista: Ing. Manuel Méndez Zúñiga Ing. Marco Antonio Rendón Sosa Ing. Hugo Martínez de Santiago Ing. Gloria Isela Lugo Trejo Ing. Alberto Carrasco Rueda Ing. Carlos A. Medina Maldonado Ing. David Jacobo Balbuena Ing. Tirso M. Policarpo Morales Copyright © 2009 INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-3 Contenido 9  TURBINAS DE VAPOR.......................................................................................... 9-5  OBJETIVO INSTRUCCIONAL. .............................................................................................. 9-5  INTRODUCCIÓN. .................................................................................................................. 9-7  9.1  TURBINAS DE VAPOR................................................................................................. 9-9  9.1.1  Definición. ..................................................................................................................... 9-9  9.2  CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE TERMODINÁMICA PARA TURBINAS.......... 9-9  9.2.1  Sistema termodinámico. ............................................................................................... 9-9  9.2.2  Ciclo termodinámico del vapor.................................................................................... 9-10  9.3  PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO. ...................................................................... 9-12  9.4  CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS DE VAPOR. .................................................. 9-14  9.4.1  Clasificación de acuerdo a su diseño. ........................................................................ 9-14  9.4.2  Clasificación de acuerdo al número de pasos. ........................................................... 9-15  9.4.3  Clasificación de acuerdo a las condiciones de escape del vapor. ............................. 9-19  9.5  COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA TURBINA. .............................................. 9-21  9.5.1  Carcasa. ...................................................................................................................... 9-21  9.5.2  Cámara de vapor. ....................................................................................................... 9-22  9.5.3  Válvulas de regulación (control).................................................................................. 9-23  9.5.4  Rotor. .......................................................................................................................... 9-28  9.5.5  Sistema de control de una turbina de vapor. .............................................................. 9-36  9.6  SISTEMA DE LUBRICACIÓN. .................................................................................... 9-40  9.7  SISTEMA DE VACÍO DE UNA TURBINA CON CONDENSACIÓN. ......................... 9-42  9.8  FACTORES QUE AFECTAN LA OPERACIÓN DE UNA TURBINA.......................... 9-47  9.8.1  Presión excesiva en la carcasa. ................................................................................. 9-47  9.8.2  Condensación del vapor. ............................................................................................ 9-48  9.8.3  Efectos del calentamiento o enfriamiento desiguales................................................. 9-48  9.8.4  Fugas por las cajas de empaques (sellos). ................................................................ 9-49  9.8.5  Vibración y velocidad crítica. ...................................................................................... 9-50  9.8.6  Depósitos en los álabes. ............................................................................................. 9-55  9.8.7  Agua en el sistema de lubricación. ............................................................................. 9-55  9.8.8  Aislamiento térmico..................................................................................................... 9-55  9.8.9  Disparo por sobre velocidad. ...................................................................................... 9-55  9.8.10  Instrumentación........................................................................................................... 9-56  9.9  PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS GENERALES. .................................................. 9-56  9.9.1  Procedimientos de arranque, paro y emergencia....................................................... 9-56  GLOSARIO. .......................................................................................................................... 9-67  BIBLIOGRAFÍA. ........................................................................................................ 9-68  Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-5 9 TURBINAS DE VAPOR. OBJETIVO INSTRUCCIONAL. Incrementar su desempeño y desarrollar las habilidades que le permitan arrancar, parar, y solucionar los problemas que se presenten, manteniendo la continuidad de la operación de las turbinas de vapor a su cargo, cumpliendo con los procedimientos operativos y de seguridad establecidos en su área de trabajo. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-7 INTRODUCCIÓN. Dentro de Petróleos Mexicanos, los operadores tienen una labor importante para el funcionamiento y desarrollo de la industria petrolera, por lo que se requiere que éste personal adquiera conocimientos firmes sobre las técnicas de operación de los equipos que integra las plantas de proceso, para que en el cumplimiento de sus labores se desempeñen con mayor seguridad y eficiencia demostrando su nivel de competencia laboral. En este manual se pretende proporcionar los aspectos más importantes sobre la operación las turbinas de vapor. Con respecto a este tema, de turbinas de vapor, por ser considerado como uno de los elementos motrices más importantes y también más utilizados en PEMEX, se da una definición de lo que es una turbina de vapor, su clasificación, los elementos constitutivos de las mismas; también se tratan puntos, como son: sistemas de control, dispositivos de seguridad, secuencias generales de arranque y paro tanto para turbinas a contrapresión y turbinas de condensación. Consideramos que la capacitación, contribuirá a la formación y actualización de los operadores de plantas de proceso y servicios auxiliares, lo que les proporcionará los conocimientos básicos y específicos que les permitirán incrementar su nivel de competencia laboral, demostrándolo al desempeñar sus actividades dentro de la empresa, con mayor seguridad y cumpliendo con las actividades propias de su puesto, lo que se traducirá en un incremento de la productividad de PEMEX REFINACIÓN. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-9 9.1 TURBINAS DE VAPOR. 9.1.1 Definición. Una turbina de vapor se puede definir como una máquina térmica en la que la energía del vapor se trasforma en energía cinética por medio de la expansión a través de las boquillas, y la energía cinética del chorro resultante se convierte a su vez en una fuerza que realiza un trabajo sobre los impulsores montados en el rotor. También se puede definir como: Elemento motriz que convierte la energía térmica del vapor directamente en energía mecánica de rotación. 9.2 CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE TERMODINÁMICA PARA TURBINAS. 9.2.1 Sistema termodinámico. La termodinámica es la rama de la física que estudia la energía, la transformación entre sus distintas manifestaciones, como el calor, y su capacidad para producir un trabajo. Sistema: es una porción de materia. Entorno o ambiente es la materia exterior a un sistema. En termodinámica lo usual es trabajar con fluidos compresibles: gases y vapores. El calor se transmite del sistema mayor al de menor temperatura. Sistemas cerrados, su masa no varía, ejemplo un cilindro. Sistemas abiertos, son aquellos donde una masa fluye en un volumen, ejemplo una turbina de vapor. Propiedades de un Sistema: Las de carácter universal son:  Presión  Temperatura Si se conocen algunas de las propiedades de una sustancia, las otras quedan determinadas. Propiedades Intensivas, no dependen de la cantidad de masa, se nombran con letras minúsculas (p, t, etc.) Propiedades Extensivas, dependen de la cantidad de masa: Volumen, energía interna, entalpía, etc. con letras mayúsculas, si se dividen por la masa se obtiene el valor específico (propiedad intensiva) Otras:  El volumen específico.  La viscosidad. La termodinámica añade:  La energía interna (suma de todas las energías de las partículas de un sistema). Turbinas de vapor 9-10 Ingenieros de nuevo ingreso  La entalpía (es la suma de la energía interna de la materia y producto de la presión por el volumen y es una función de estado).  La entropía (magnitud termodinámica que expresa el grado de desorden de un sistema). Procesos de cambio de Estado. Cuando un sistema pasa de un estado a otro, la variación de sus propiedades, sólo depende del estado inicial y final, y no de las situaciones intermedias. Un Sistema cerrado está en Equilibrio cuando el valor de sus propiedades es idéntico en todos sus puntos. Cuando un sistema cambia de un estado en equilibrio a otro también en equilibrio, los estados intermedios pueden ser, o no, de equilibrio. La Expansión de un sistema sucede cuando la fuerza interior es mayor que la fuerza exterior, Lo contrarío a una expansión es una Compresión. El Calentamiento o Enfriamiento de un sistema se puede considerar como una sucesión de estados en equilibrio. La Mezcla de sistemas no se puede considerar como una sucesión de estados en equilibrio. Transformaciones termodinámicas: sucesión de estados por los que pasa un sistema cuando se le somete a un cambio. La transformación se puede realizar de diferentes modos, cada uno de ellos es un Proceso Termodinámico. Diagrama de Estado es cualquier representación de dos propiedades termodinámicas de un sistema, un ejemplo típico es el diagrama P-V. En las máquinas térmicas un sistema evoluciona a través de una serie de transformaciones que se acaban cerrando formando un Ciclo Termodinámico. Las transformaciones básicas son:  Isocóricas, a volumen constante (V = cte.)  Isobáricas, a presión constante (P = cte.)  Isotérmicas, a temperatura constante (T = cte.) Adiabáticas o isentrópicas, sin transferencia de calor, además no debe existir aporte de calor por rozamiento (P*V)  = cte.  Politrópicas, son las transformaciones reales (P*V) n = constante; n: exponente politrópico. 9.2.2 Ciclo termodinámico del vapor. Se denomina ciclo termodinámico al proceso que tiene lugar en los equipos destinados a la obtención de trabajo a partir de dos fuentes de calor a distinta temperatura o, de manera inversa, a producir el paso o transferencia de calor de la fuente de menor temperatura a la fuente de mayor temperatura mediante la aportación de trabajo. La aplicación más importante de una turbina de vapor, es como motor térmico en una planta de vapor donde el fluido de trabajo es el agua, que efectúa un ciclo, Fig. 9-1, el cual se denomina como ciclo de potencia y que se describe a continuación: Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-11 1. El agua a temperatura ambiente y en estado líquido es bombeada hasta la caldera. 2. En la caldera el calor obtenido mediante la combustión de un combustible, es trasferida al agua, pasando esta del estado liquido al estado de vapor a una presión determinada, la cual es relativamente alta. 3. El vapor que sale de la caldera entra a la turbina donde se expande, trasformando su energía térmica en trabajo mecánico el cual se trasfiere a un eje. 4. El vapor que sale de la turbina es enfriado y condensado hasta la temperatura ambiente en el condensador. FIG. 9-1. CICLO DE TRABAJO DE UNA TURBINA DE VAPOR. En este ciclo se cumplen todas las etapas de un ciclo termodinámico con maquinas térmicas donde, existe absorción de calor desde un foco caliente Qc, producción de trabajo mecánico W, y transferencia de calor a un foco frió Qf. Ya que estamos hablando de un ciclo cerrado, aplicando la ecuación de balance de energía de acuerdo al primer principio de la termodinámica, tenemos lo siguiente: Qf Qc w   Así tenemos que el trabajo desarrollado por la turbina es igual al calor absorbido por la misma. El rendimiento o eficiencia ( ) térmica de la misma es igual a: absorbido Calor producido neto Trabajo   Qc Qf Qc Qf Qc Qc w      1 ) (  De aquí podemos deducir que ninguna maquina térmica tiene una eficiencia del 100 %. El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinámico conocido como ciclo Rankine, al final del cual el fluido de trabajo retorna a su estado y composición inicial. Cuatro procesos ideales distinguen a un ciclo Rankine, Fig. 9-2: 1  2 (Bombeo). Proceso de bombeo del condensado desde el sistema de almacenamiento del condensado a la caldera, es un proceso adiabático y reversible, y por lo tanto isoentrópico. 2  3 (Calentamiento, evaporación y sobrecalentamiento). La transferencia de calor al agua en la caldera, es un proceso a presión constante y se efectúa en tres etapas: calentamiento del agua hasta la temperatura de saturación, vaporización a temperatura y presión constante, y sobrecalentamiento del vapor hasta una temperatura superior a la de saturación. Turbinas de vapor 9-12 Ingenieros de nuevo ingreso 3  4 (Expansión isentrópica). En una turbina, se efectúa el proceso de expansión adiabática reversible y por lo tanto isentrópica del vapor hasta la presión del condensador, obteniéndose un vapor saturado (húmedo) a la descarga de la turbina. 4  1 (Condensación). Se lleva a cabo la transferencia de calor o sea la condensación del vapor, esta condensación se efectúa a presión y temperatura constante, llevando el vapor a condiciones de líquido saturado Entropía (S) b a 1 2 3 4 Evaporación Condensación Líneas de presión constante (isobaras) FIG. 9-2. CICLO RANKINE DE UNA TURBINA DE VAPOR. El área comprendida por los puntos a-1-2-3-b-a representa el calor transferido (cedido) al fluido de trabajo (agua), mientras que el área comprendida por los puntos a-1-4-b-a representa el calor transferido(extraído) desde el sistema. El trabajo neto realizado está representado por el área comprendida por los puntos 1-2-3-4-1 y es la diferencia entre el calor transferido al fluido de trabajo y el calor transferido desde el fluido de trabajo. 9.3 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO. El calor es una forma de energía, y puede ser trasformado en energía mecánica. Cuando hierve agua y se convierte en vapor, este contiene más energía que el agua, y si esto se efectúa en un recipiente cerrado, la presión ejercida por el vapor aumenta, así, la presión de vapor de una caldera se puede aumentar agregándole energía calorífica (calor). Si el vapor se hace pasar a través de una tobera, se expande y sale a alta velocidad, y si choca contra un álabe, ocasiona que este se mueva, produciendo energía mecánica conforme el vapor choca contra el álabe. Al salir el vapor de la tobera, se expande disminuyendo su presión, pero aumentando considerablemente su velocidad, o sea que la tobera convierte la energía de presión en velocidad y el choque del vapor contra el álabe hace girar al rotor y se produce el trabajo mecánico. Fig. 9-3. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-13 FIG. 9-3. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UNA TURBINA. En la Fig. 9-4 el rotor consiste de “placas” o álabes montados en una flecha, la tobera guía el flujo de vapor contra los álabes. Como la presión del vapor en el rotor es menor que en la caldera, pues de lo contrario no habría flujo de vapor si no existiera un diferencial de presión, y entre mayor sea ésta mayor será el flujo. FIG. 9-4. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL ROTOR. Conforme el vapor deja la tobera, su presión y temperatura disminuyen pero su velocidad aumenta, y después de chocar contra los álabes esta velocidad disminuya. El rotor al girar produce trabajo mecánico y el vapor experimenta una pérdida de energía. Una cantidad mayor de vapor producirá mayor trabajo. Si se aumenta el número de toberas o se hace mas grande la existente, saldrá mayor cantidad de vapor, produciendo mas trabajo. Por lo tanto, para producir más trabajo, o se aumenta la diferencial de presión, o se agrandan las toberas existentes o se agregan más del mismo tamaño. Turbinas de vapor 9-14 Ingenieros de nuevo ingreso En la Fig. 9-5 los alabes están montados en un “volante” o rotor y no directamente sobre la flecha. La tobera o toberas están montadas sobre la pared de la cámara de vapor, y el vapor es controlado por la válvula del gobernador. Salidadevapor Carcaza Álabes Flecha Rueda Cámaradevapor Entradadevapor Válvuladel gobernador Tobera FIG. 9-5. MONTAJE DE LOS ALABES. Controlando la entrada de vapor, podemos controlar la salida de energía mecánica. El rotor está montado dentro de la carcasa de metal, donde la presión es menor que dentro de la cámara de vapor, para poder permitir el flujo a través de las toberas, si no existiera esta diferencial de presión no podría haber producción de trabajo mecánico. Al entrar el vapor a alta velocidad y chocar contra los álabes se produce un impulso que hace girar el rotor, y puesto que la turbina utiliza el impulso del vapor sobre los álabes para hacer girar el rotor, se le nombra turbina de impulso. 9.4 CLASIFICACIÓN DE LAS TURBINAS DE VAPOR. Las turbinas de vapor se clasifican atendiendo a diferentes factores: a. Dependiendo de su diseño, por la forma como el vapor circula entre las paletas. b. De acuerdo al número de etapas o pasos. c. Con respecto a las condiciones de escape del vapor de la turbina. 9.4.1 Clasificación de acuerdo a su diseño. Dependiendo de su diseño las turbinas pueden ser de dos tipos:  Turbinas de impulso.  Turbinas de reacción. En una turbina de impulso ideal, el vapor se expande solo en las boquillas fijas y la energía cinética se trasfiere a las paletas rotatorias a medida que el vapor golpea sobre las mismas, mientras fluye de los pasajes entre las paletas. La presión del vapor es constante y la velocidad relativa del vapor con respecto a las paletas decrece en los pasajes de los mismos. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-15 En una turbina de reacción, el vapor se expande tanto en las toberas fijas, como en las paletas rotatorias. La energía cinética se trasfiere a las paletas rotatorias mediante la expansión del vapor en los pasajes entre las paletas. La presión del vapor disminuye a medida que la velocidad relativa del vapor aumenta en los pasajes de las paletas. Una turbina de reacción tiene más pasos que una turbina de impulso para la misma aplicación debido a la pequeña cantidad de energía cinética absorbida por paso. En el paso por impulso, el vapor puede ejercer una fuerza axial sobre las paletas, a medida que fluye a través de los pasajes. Mientras que a esta fuerza se le llama comúnmente una reacción, el uso de este término no implica un paso de reacción. Una turbina de reacción requiere de un mayor cojinete de empuje, debido a la caída de presión a través de las paletas en movimiento. En una turbina de impulso el pequeño diferencial de presión entre las paletas rotatorias de un paso por impulso, trae como resultado menores cojinetes de empuje y ningún claro cerrado en la punta de sus paletas. Así una turbina de impulso puede arrancarse mas rápidamente sin peligro de daño por la expansión térmica, y la eficiencia de sus pasos permanece relativamente constante a lo largo de la vida de la turbina. 9.4.2 Clasificación de acuerdo al número de pasos. Como el vapor se expande y baja su presión al pasar por las paletas, de acuerdo al número de pasos las turbinas se clasifican como:  Turbinas de un solo paso (unietápicas).  Turbinas de pasos múltiples (multietápicas). Turbinas de un solo paso. Una turbina de vapor de un solo paso es aquella en la que la conversión de energía cinética en trabajo mecánico ocurre con una única expansión del vapor en la turbina, de la presión de entrada del vapor a la presión de salida del mismo. La zona donde se expande y baja de presión se llama etapa o “paso”, cuando el vapor pierde presión en una sola etapa se dice que la turbina es unietápica, como se muestra en la Fig. 9-6. Salidadevapor vapor FIG. 9-6. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UNA TURBINA UNIETÁPICA. Turbinas de vapor 9-16 Ingenieros de nuevo ingreso Una turbina de un solo paso puede tener una o más hileras de paletas rotatorias que absorben la energía de velocidad del vapor resultante de la expansión simple del vapor. La turbina de un solo paso mas común es del tipo de velocidad compuesta (curtís). La expansión completa de la presión de entrada a la presión de salida se realiza en un solo paso. El paso curtís, con dos hileras de paletas rotatorias y dos pasos de velocidad compuesta tipo centrada se muestra en la Fig. 9-7. FIG. 9-7. PASO CURTIS. La hilera de toberas dirige y descarga el vapor contra la primera hilera de álabes, pero el vapor que sale de estos álabes lo hace en la dirección opuesta al movimiento, por lo tanto para mover la segunda hilera de álabes en la misma dirección que la primera el vapor debe ser redirigido, para esto se utiliza una hilera de álabes estacionarios cuya única función es cambiar la dirección del vapor, pero no variar su presión o velocidad, y están montados rígidamente en la carcasa, Fig. 9-8. FIG. 9-8. PASO “CURTIS” CON ÁLABES ESTACIONARIOS. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-17 Las turbinas de un solo paso o unietápicas como la de la Fig. 9-9, pueden tener ruedas de entre 9 a 28 pulgadas, la eficiencia de la turbina para una velocidad de operación para condiciones particulares del vapor, depende normalmente del diámetro de la rueda. La eficiencia normalmente aumentará con un incremento en el tamaño de rueda, y por lo tanto la cantidad de vapor consumido será menor para las velocidades y condiciones del vapor. Las turbinas con ruedas de mayor diámetro se pueden equipar con más boquillas, para proporcionar un aumento en la capacidad de flujo de vapor, y en consecuencia para mayores capacidades en caballos de potencia (HP). Por eso el tamaño de una turbina aumenta al aumentar su potencia (HP). FIG. 9-9. VISTA INTERIOR DE UNA TURBINA UNIETÁPICA. Turbinas de pasos múltiples (multietápicas). Una turbina de pasos múltiples o multietápica es aquella en la que la conversión de energía ocurre con dos o más expansiones del vapor, dentro de la turbina. En la Fig. 9-10, la turbina tiene 3 ruedas o paletas donde el vapor pierde presión, todas las etapas de este tipo están dentro de la misma carcasa, denominándose turbina multietápica. FIG. 9-10. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UNA TURBINA MULTIETÁPICA. Como se ve en la Fig. 9-10, todas las ruedas o volantes están montadas en la misma flecha, pero cada etapa esta aislada por un diafragma que contiene las toberas. El número de pasos (expansiones del vapor) es una función de tres parámetros básicos: termodinámica, diseño mecánico y costo. Las consideraciones termodinámicas incluyen la energía y velocidad disponibles. Turbinas de vapor 9-18 Ingenieros de nuevo ingreso Las consideraciones mecánicas abarcan velocidad, presión del vapor, temperatura del vapor, etc., en la mayoría de ellas sus límites son los materiales. En las consideraciones económicas se incluyen el número, tamaño y tipo de los pasos, el número de válvulas de regulación, costo del vapor. Así, el costo inicial de una turbina aumenta con el número de pasos, pero la calidad del vapor tiene que ser de mayor calidad. Las turbinas de pasos múltiples normalmente se usan para mover equipo dinámico cuando el costo del vapor o el suministro de vapor disponible requiere eficiencias de turbina mayores que las disponibles en una turbina de un solo paso, o cuando el flujo de vapor requerido para desarrollar la capacidad deseada excede la capacidad de las turbinas de un solo paso. En una turbina de reacción gran parte de la expansión del vapor se realiza en los álabes del rotor, y no necesitan toberas estacionarias, siendo la reducción de la presión del vapor en los propios álabes del rotor y no en las toberas como en las turbinas de impulso, normalmente las turbinas de reacción al igual que las de impulso tienen toberas estacionarias, pero en el caso de las de reacción, gran parte de la expansión se realiza en los álabes, Fig. 9-11. FIG. 9-11. ROTOR CON ÁLABES DE REACCIÓN (RATEAU). Las turbinas de reacción no obstante que son más eficientes que las de impulso, algunas veces requieren más etapas (denominados pasos o etapas Rateau). FIG. 9-12. RODETES DE UNA TURBINA MULTIETÁPICA. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-19 Una turbina diseñada para trabajar a altas presiones de entrada de vapor y bajas presiones de salida, generalmente es de varios pasos. Como el vapor aumenta de volumen al disminuir su presión, los alabes son más grandes en cada etapa para poder dar salida más fácilmente al vapor, como se ve en la Fig. 9-12. 9.4.3 Clasificación de acuerdo a las condiciones de escape del vapor. De acuerdo a las condiciones de escape del vapor de la turbina estas se clasifican en:  Turbinas a contrapresión.  Turbinas de condensación.  Turbinas con extracción. Turbinas a contrapresión. Generalmente este tipo de turbinas se utilizan en instalaciones donde se aprovecha el calor del vapor de escape para procesos de calentamiento en cambiadores de calor, tales como agua de alimentación a calderas, precalentadores de aire, etc., la descarga del vapor de la turbina a una presión predeterminada va a un cabezal y de este se envía a los cambiadores de calor. En este tipo de turbinas no se utiliza toda la energía calorífica del vapor, de aquí que una turbina de contrapresión efectué una menor cantidad de trabajo mecánico, que una turbina de condensación en iguales circunstancias de trabajo, Fig. 9-13. FIG. 9-13. ESQUEMÁTICO DE UNA TURBINA DE CONTRAPRESIÓN. Turbinas de condensación. En una turbina de condensación el vapor de baja presión que sale de la turbina es capaz de expandirse aun más y perder más presión, para esto la turbina tiene instalado un condensador de superficie a la descarga de vapor de la misma, el condensador absorbe calor del vapor y esto provoca una disminución de la presión (vacío) al condensarse el vapor, con esto se aprovecha mejor la entalpía del vapor pudiendo efectuar la turbina una mayor cantidad de trabajo útil, por lo cual en igualdad de circunstancias con una turbina de contrapresión, la turbina de condensación es más eficiente. Turbinas de vapor 9-20 Ingenieros de nuevo ingreso Al disminuir la presión del vapor, este se expande y aumenta su volumen por lo cual las turbinas de condensación son generalmente multietápicas, Fig. 9-14. FIG. 9-14. TURBINA DE CONDENSACIÓN. Turbinas con extracción. Una turbina se considera con extracción, cuando algo de vapor de una etapa intermedia se saca de ella, para utilizarse en otras secciones del proceso donde se requiere vapor con las condiciones de presión y temperatura del paso de donde se efectúa la extracción, Fig. 9-15. FIG. 9-15. TURBINA DE CONDENSACIÓN CON EXTRACCIÓN. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-21 9.5 COMPONENTES PRINCIPALES DE UNA TURBINA. Los principales componentes de una turbina son:  Carcasa.  Cámara de vapor.  Rotor.  Alojamiento de las chumaceras y cojinetes.  Sistema de sellos.  Sistema de control y regulación de la velocidad. 9.5.1 Carcasa. La carcasa es la envolvente externo de la turbina, encierra el vapor suministrado a la misma y esta conectada a la línea de suministro de vapor de alta presión, y a la línea de salida de vapor de baja presión respectivamente, y en ella esta montada la cámara de vapor. La carcasa también contiene el rotor y boquillas a través de las cuales el vapor se expande y se dirige contra las paletas rotatorias. En la construcción de las carcasas de las turbinas hay que prever que la accesibilidad a las partes interiores permita su exploración y mantenimiento fácilmente. Si las dimensiones de las piezas conducen a instalar juntas verticales de separación, éstas se sujetan con bulones antes del montaje de la turbina y no necesitan separarse posteriormente, Fig. 9-16. Las presiones elevadas implican para los cuerpos de alta presión (AP) tensiones mayores, al mismo tiempo que la elevación de las temperaturas disminuye la resistencia del metal, problema que se resuelve empleando aceros especiales resistentes al calor y espesores adecuados, no pudiendo sobrepasar un cierto valor por la aparición de tensiones térmicas transitorias, más sensibles en las piezas gruesas, utilización de cámaras de vapor (portatoberas) que permiten no someter al armazón de alta presión (AP) más que a la presión y temperatura de vapor que existen a la salida del primer rodete. Las presiones elevadas plantean igualmente el problema de la estanqueidad (fugas) en las juntas, lo que exige un buen contacto metal-metal, con una capa intermedia de barniz y numerosas clavijas de montaje. Las temperaturas elevadas plantean el problema de las dilataciones que, por su desigualdad, producen el alabeo de las carcasas o de los contactos entre las piezas fijas y móviles. El primer problema se resuelve buscando formas simétricas para la disposición de las toberas, y el segundo por una adecuada elección de los emplazamientos de las juntas fijas y del tope. Los grandes cuerpos a baja presión (BP) de las turbinas de condensación deben ser lo suficientemente rígidos para resistir las deformaciones producidas por la presión atmosférica y las cargas del rotor aplicadas a los cojinetes. Los conductos de descarga exigen un diseño cuidadoso para evacuar los considerables volúmenes de vapor que los atraviesan, con el mínimo de pérdidas. Turbinas de vapor 9-22 Ingenieros de nuevo ingreso La llegada del vapor vivo se dispone de forma que no ejerza ningún empuje sobre la carcasa, por lo que se utilizan tuberías de gran espesor que describen largos bucles (omegas de dilatación) para así reducir al mínimo las reacciones sobre la carcasa imputables a las dilataciones. FIG. 9-16. SECCIÓN SUPERIOR E INFERIOR DE LA CARCASA. 9.5.2 Cámara de vapor. La cámara de vapor esta conectada a la carcasa, y aloja la(s) válvula(s) de regulación y la válvula de disparo por sobre velocidad. Una turbina de vapor opera debido a la diferencia de presión existente entre la cámara de vapor y la carcasa, donde la presión en la cámara de vapor es superior. Sin esta diferencia de presión el vapor no podría fluir a través de las toberas, Fig. 9-17. FIG. 9-17. VISTA DE LA CÁMARA DE VAPOR. Si la descarga de una turbina de contrapresión es bloqueada, la presión dentro de la carcasa aumenta, perdiéndose la diferencia de presión, puesto que la turbina esta diseñada para una mayor presión en la cámara de vapor que en la carcasa, si la presión en la carcasa aumenta hasta el valor de la presión de vapor de entrada, esta puede romperse, por esta razón las turbinas nunca deben ser arrancadas con la válvula de descarga de vapor cerrada, en algunas turbinas existe una válvula de seguridad instalada en la carcasa o en la línea de descarga para aliviar el exceso de presión. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-23 En otras turbinas, estas válvulas emiten un silbido (válvulas centinelas) cuando la presión en la carcasa rebasa la presión de operación, Fig. 9-18. FIG. 9-18. UBICACIÓN DE LA VÁLVULA CENTINELA Y DE CORTE RÁPIDO. 9.5.3 Válvulas de regulación (control). El vapor que entra a la cámara de vapor a través de las válvulas de regulación (control) es dirigido hacia los álabes por medio de las toberas. Cuando se reduce la carga en la turbina se requiere de menos vapor para mantener constante la velocidad de la misma, por lo tanto la válvula del gobernador cierra, bajando por consiguiente la presión en la cámara de vapor. Para mantener la eficiencia se debe mantener la máxima presión en la cámara de vapor, cualquier presión inferior producirá una menor eficiencia en la turbina. Cuando la turbina utilice menos energía térmica o descargue más energía térmica su eficiencia disminuirá. Al cerrarse algunas toberas se crea una menor área por la cual el vapor fluye, provocando un represionamiento en la cámara de vapor, manteniéndose dentro de esta la presión de óptima eficiencia, o sea que si se disminuye la carga se cierran algunas toberas y se mantiene la eficiencia de la turbina. Para abrir y cerrar las válvulas de las toberas se usa un gobernador, el gobernador opera una barra alzadora, la cual determina en las turbinas grandes, cuantas válvulas deben ser abiertas o cerradas. Fig. 9-19. A carga total todas las válvulas deben ser abiertas, y cuando se reduce la carga el gobernador debe cerrar algunas de ellas. De esta forma el gobernador regula automáticamente la velocidad de la turbina admitiendo o cerrando vapor a la sección de las toberas (cámara de vapor). Turbinas de vapor 9-24 Ingenieros de nuevo ingreso FIG. 9-19. VÁLVULAS DE CONTROL O REGULACIÓN. 9.5.3.1 Gobernador. Como se mencionó anteriormente el gobernador de una turbina regula la cantidad de vapor que entra a ella y por lo tanto también regula la cantidad de trabajo producido. En la Fig. 9-20, vemos el principio de operación de un gobernador mecánico de contrapesos, aquí los contrapesos están mantenidos juntos mediante la fuerza de un resorte, pero conforme empiece a girar el conjunto, la fuerza centrifuga obligará a los contrapesos a girar cada vez mas separados, al girar mas despacio, los contrapesos tienden a juntarse nuevamente. FIG. 9-20. ACCIÓN DE LOS CONTRAPESOS. 9.5.3.1.1 Gobernador de contrapesos de acción directa. Cuando la turbina no esta operando, el resorte mantiene a los contrapesos pegados a la flecha y la válvula de vapor esta completamente abierta, Fig. 9-21. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-25 Cambiodevelocidad Palanca Flecha Contrapesos Resortedel gobernador pivote FIG. 9-21. ACCIÓN DEL GOBERNADOR CON LA TURBINA PARADA. Al empezar a girar la flecha, la fuerza centrifuga vence la tensión del resorte y la válvula de vapor se va cerrando hasta llegar a la velocidad de trabajo, donde la fuerza de los contrapesos y la válvula de vapor queda en una posición fija, no acelerándose más la turbina, Fig. 9-22. FIG. 9-22. ACCIÓN DEL GOBERNADOR CON TURBINA OPERANDO NORMAL. Cuando la carga aplicada a la turbina se aumenta, la velocidad baja y los contrapesos tienden a juntarse, abriendo la válvula de entrada de vapor para llevar nuevamente la turbina a velocidad normal. Si la carga disminuye súbitamente, la velocidad de la turbina aumenta, separándose los contrapesos y cerrando la válvula de vapor, Fig. 9-23 FIG. 9-23. ACCIÓN DEL GOBERNADOR AL DISMINUIR LA CARGA. Turbinas de vapor 9-26 Ingenieros de nuevo ingreso Por otra parte, si la presión del vapor de entrada baja, disminuye la velocidad y el gobernador abre la válvula de vapor. Si la presión del vapor a la descarga de la turbina aumenta (se contrapresiona) la velocidad también bajará. Un gobernador compensa los cambios de velocidad, pero tiene un pequeño rango en el cual permite la aceleración o desaceleración de una turbina, un gobernador preciso mantiene los cambios de velocidad lo más pequeños posible. La mayoría de los gobernadores no mantienen en cero la variación de velocidad, sino aproximadamente ± 3 %, siendo bastantes precisos. Así, una turbina cuya velocidad de trabajo sea de 3000 rpm a carga completa, al perder la carga la velocidad aumentara 3% de 3000, o sea 90 rpm, a velocidades mayores si habrá correcciones de velocidad por medio de la válvula de control (regulación) de vapor. Un gobernador de contrapesos de acción directa que se considere preciso debe de mantener la variación de velocidad dentro de un estrecho rango. La fricción en el mecanismo del propio gobernador provoca una tendencia a resistir el movimiento (histéresis) además, existen fuerzas desbalanceadas debido a la acción de la presión del vapor sobre el tapón de la válvula del gobernador, por lo tanto, para conservar la precisión del gobierno se deben vencer estas fricciones y fuerzas desbalanceadas. Para hacer esto se necesitarían unos contrapesos demasiado pesados, así como un resorte menos fuerte, pues de otra manera el gobernador solo respondería a cambios generalmente mayores al 10 %. Además al no poder los contrapesos con las variaciones de velocidad, el gobernador al hacer las correcciones provoca “sobre aberturas” de la válvula, lo cual tiene a la turbina con constantes fluctuaciones de velocidad. Por estas razones los gobernadores mecánicos de contrapesos de acción directa solo se emplean en turbinas pequeñas. 9.5.3.1.2 Gobernador Hidráulico. Un gobernador hidráulico es aquel que en lugar de contrapesos utiliza una bomba de aceite. Esta bomba esta conectada directamente a la flecha de la turbina, de manera que cuando la turbina esta parada, la bomba no mantendrá presionado el circuito y la válvula de vapor permanecerá totalmente abierta, Fig. 9-24. FIG. 9-24. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL GOBERNADOR HIDRÁULICO. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-27 Conforme la flecha de la turbina gira, se bombeara aceite al circuito, la mayor parte del aceite regresa a la consola de donde succiona la bomba, puesto que al circuito de aceite está integrado un diafragma flexible acoplado a la válvula de vapor. Al ir aumentando la presión de aceite la válvula se irá cerrando hasta llegar la turbina a su velocidad de trabajo, Fig. 9-25. Flecha Retorno alcarter Diafragma Valvula deaguja Drene Presión deaceite FIG. 9-25. AJUSTE DEL GOBERNADOR HIDRÁULICO. Cuando la turbina incrementa su velocidad, se bombeará mas aceite al sistema de aceite por lo cual se represionará y causara que se cierre la válvula de control de entrada de vapor. Si se pierde la presión de aceite en el circuito, causará que la válvula de vapor abra totalmente sobre revolucionándose la turbina. También la temperatura afecta la viscosidad del aceite, aumentando o disminuyendo su flujo a través de la válvula de aguja, lo cual causa un cambio en la calibración de velocidad, a alta temperatura fluye más aceite perdiéndose la presión del circuito acelerándose la turbina y viceversa, al bajar la temperatura del aceite se represionará el circuito desacelerándose la turbina. Por esta razón este tipo de gobernadores para máquinas de alta velocidad no son muy precisos. 9.5.3.1.3 Gobernador de relevador de aceite. Este tipo de gobernador combina los principios de los gobernadores de contrapesos e hidráulicos, donde la presión de aceite mueve un pistón conectado a la válvula de vapor, el cual esta cargado por efecto de un resorte, Fig. 9-26. FIG. 9-26. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UN GOBERNADOR DE RELEVADOR. Turbinas de vapor 9-28 Ingenieros de nuevo ingreso Los contrapesos posicionan la válvula piloto que controla el flujo de aceite a través del relevador. En operación normal ambos puertos del relevador están parcialmente abiertos, pero cuando la válvula del gobernador debe de abrir para compensar una sobrecarga, los contrapesos se juntan obligando a la válvula piloto a moverse hacia la izquierda aumentando el puerto de entrada de aceite al pistón y reduciendo la salida a la consola de aceite. Por el contrario si la carga disminuyó, incrementándose la velocidad, los contrapesos se separan moviéndose la válvula piloto hacia la derecha, por lo que se cierra el puerto de entrada de aceite y se incrementa la salida a la consola, con lo cual el resorte obliga a la válvula de vapor a cerrarse, Fig. 9-27. Resorte Entradade aceite Salidade aceite Contrapesos Válvula piloto Pistón FIG. 9-27. AJUSTE AL DISMINUIR LA CARGA. El gobernador de relevador de aceite usa la fuerza hidráulica para mover la válvula de vapor, esta fuerza es superior a la obtenida por contrapesos solos, además mantiene un control de velocidad bastante preciso, sobreponiéndose a la fricción del mecanismo y a las fuerzas desbalanceadas, y no tienen tendencia a producir fluctuaciones. Puesto que los contrapesos mueven la válvula piloto para ajustar la velocidad, los cambios de temperatura del aceite no modifican las velocidades de control. 9.5.4 Rotor. El rotor consiste de rodetes (discos), álabes y la flecha. Los álabes son generalmente construidos aparte y montados después en los rodetes, en algunos rotores los rodetes son montados el la flecha en caliente, los cuales al enfriarse quedan fijos a la flecha. En otros casos la flecha y los rodetes son forjados de una pieza. En las turbinas medianas o pequeñas el rotor esta formado por uno o mas rodetes (discos) sólidos montados en una flecha. En la parte exterior de los discos se fijan los álabes o paletas, sostenidos estos, en su extremo libre por un cincho metálico. El rotor gira sobre los cojinetes sostenidos rígidamente en el bastidor, Fig. 9-28. Materiales usados en la construcción de discos y rotores. Para los ejes y discos sometidos a tensiones y temperaturas moderadas del orden de 300 º C basta con aceros al 0,3%. Los discos de los últimos escalonamientos de las turbinas de condensación, necesitan aceros de alta resistencia con adición de: Cr-Ni-Mo-V 1,6/1,8/0,2/0,15%. Para temperaturas elevadas, mayores de 450º C. los ejes de los rotores y los discos de AP se fabrican con aceros que contienen generalmente Cr-Mo-Mn-V, 1,5/0,4/1/0,6%, con resistencias bajo cargas prolongadas a 500º C. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-29 FIG. 9-28. PARTES DE UN ROTOR. Álabes. Las formas y disposiciones elegidas resultan de compaginar las exigencias de la resistencia de los materiales y las del movimiento del vapor; el trazado de los alabes de baja presión (BP), fuertemente afectados por la acción del vapor y las fuerzas centrífugas, es muy delicado. En los escalonamientos de cabeza de alta presión (AP), los alabes operan a temperaturas próximas a la máxima temperatura del vapor, por lo que hay que tener en cuenta, que no deben superar nunca una deformación del 0.2% (límite elástico) al cabo de 100,000 horas de funcionamiento. A fin de resistir la erosión ocasionada por las gotas de agua arrastradas por el vapor en las últimas etapas, las paletas de baja presión (BP) presentan a menudo una arista de entrada templada o recubierta de stellite en la proximidad del extremo. Los perfiles de las aletas permanecen sensiblemente iguales de un constructor a otro; no sucede lo mismo con las formas de fijación, que presentan una gran diversidad, como se indica a continuación.  Montajes en cola de milano simple, con cuñas intermedias, muescas de montaje y pieza terminal remachada, Fig. 9-29. FIG. 9-29. MONTAJES DE ALABES CON COLA DE MILANO. Turbinas de vapor 9-30 Ingenieros de nuevo ingreso  En la Fig. 9-30 se muestra la fijación por soldadura de las aletas de acción en un escalonamiento de regulación. FIG. 9-30. FIJACIÓN Y MONTAJE EN LA BASE  En la Fig. 9-31 se presenta la fijación de las aletas largas del último escalonamiento BP, en forma de piña por inserción en ranuras axiales individuales. FIG. 9-31. MONTAJE DE ALETA LARGA EN FORMA DE PIÑA. 9.5.4.1 Diafragmas y sellos de laberinto. En una turbina multietápica existe una diferencia de presión entre los diversos pasos, en la Fig. 9-32 vemos que el diafragma es una parte estacionaria que esta montada en la carcasa, separa los diferentes pasos y sostiene las toberas. FIG. 9-32. DIAFRAGMA DE TURBINA DE VAPOR. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-31 Además se puede observar que puede existir una fuga de vapor a través del pasaje por el que pasa la flecha a través del diafragma. Puesto que el vapor al pasar a través de las toberas y chocar contra los álabes produce un trabajo útil, al existir una fuga de vapor a lo largo de la flecha by paseando las toberas del diafragma, no se produce el trabajo útil calculado para esa etapa. El diafragma puede ser construido de manera que rodee la flecha con poca tolerancia, sin embargo si la flecha roza el diafragma, este debe ser reemplazado, puesto que hay desgaste y aumento de tolerancia. Si el diafragma es de un material mas duro que la flecha, esta es la que sufre el daño. Sin embargo, si se instala un sello de laberinto en el espacio donde la flecha atraviesa el diafragma, el sello reduce el espacio entre el diafragma y la flecha y como esta hecho de un material suave como bronce, duraluminio, si esta roza la flecha, esta no sufrirá ningún daño. Si el rozamiento es muy grande, el sello puede dañarse pero es fácil y económico reemplazarlo, Fig. 9-33. FIG. 9-33. SELLO DE LABERINTO. El sello de laberinto consta de un anillo de metal con filos que se ajustan muy cercanos a la flecha, como se ve en la Fig. 9-34, permitiendo que algo de vapor pase a través de la pequeña tolerancia que existe entre los filos del laberinto y la flecha, pero este vapor al entrar en cada compartimiento forma remolinos y turbulencias que causan que baje la presión del vapor de compartimiento en compartimiento, siendo mínima la cantidad de vapor que atraviesa el sello. En una turbina multietápica existen sellos de laberinto entre cada una de ellas para evitar la recirculación interna de la misma. FIG. 9-34. DIAFRAGMAS Y LABERINTOS DE UNA TURBINA. Turbinas de vapor 9-32 Ingenieros de nuevo ingreso 9.5.4.2 Cajas de empaques. En una turbina de contrapresión, vemos que la presión en la descarga es mayor que la presión del aire (atmósfera) que la rodea. Por lo tanto, el vapor tendera a fugarse a través de las cajas de empaque donde la flecha atraviesa la carcasa. Así la fuga mayor será en la caja de empaques del lado de la entrada del vapor, y puesto que los rodamientos están colocados junto a las cajas de empaque, el condensado producto de la fuga de vapor puede entrar en ellos provocando su destrucción. La descarga de vapor de una turbina sin condensación se usa generalmente para procesos que requieran calentamiento, por lo tanto una fuga de vapor en el lado de la descarga causa perdidas de vapor que podría ser usado para otros propósitos. Las cajas de empaques reducen las fugas de vapor por las zonas donde la flecha atraviesa la carcasa y en algunos casos están empacadas con anillos de material suave que evita la fuga de vapor a través de la carcasa, sin embargo en el caso de las turbinas de vapor la empaquetadura suave se gasta rápidamente y no es buen material sellante. Las cajas de empaques también utilizan sellos de laberinto, iguales a los de los diafragmas de ínter etapa, estos sellos disminuyen la fuga de vapor a lo largo de la flecha, pues los filos de los anillos metálicos forman pequeños compartimientos que resisten al flujo de vapor, Fig. 9-35. Del lado externo de la caja de empaques existen dos o más salidas de vapor para ser usadas en sistemas de menor presión o como conexión para drene de eyector. FIG. 9-35 . CAJA DE EMPAQUES DE UNA TURBINA DE CONTRAPRESIÓN. En el caso de las turbinas con condensación la presión de descarga es menor que la presión atmosférica (vacío). Aquí la fuga a lo largo de la flecha en el lado de la descarga tiende a permitir la entrada del aire, y puesto que este no se condensa debe ser eliminado por medio de un eyector, si se permite que entre aire y este no es eliminado, la presión en la descarga de la turbina aumentará; por lo tanto en la caja de empaques del lado del vapor de alta presión, esta reduce la fuga de vapor a la atmósfera, y del lado de baja presión (descarga) disminuye la entrada de aire a la carcasa. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-33 Para impedir la entrada de aire se inyecta vapor entre las secciones de los laberintos, a este vapor se le llama vapor de sello, y fluye en dos direcciones a lo largo de la flecha, así el aire que pretende entrar es detenido por el flujo del vapor de sello, la parte de vapor de sello que fluye hacia la carcasa pasa hasta la descarga de la turbina y se condensa en el condensador. Puesto que el vapor se condensa no se produce incremento de la presión. El caudal de fuga (pérdidas de vapor volumétricas), depende de la sección de paso y de la diferencia de presiones que exista en ambos lados de la junta, y no del caudal de vapor que circule por la turbina, por lo que su importancia relativa es mayor en las turbinas pequeñas que en las grandes. Las juntas de estanqueidad o sellos pueden ser:  De laberintos  De anillos de carbono Para juntas de estanqueidad interiores (sellos) se emplean generalmente juntas de laberinto y raramente juntas de carbono, Fig. 9-36. FIG. 9-36. SELLOS DE LABERINTO EXTERIORES. Las juntas de estanqueidad exteriores (sellos) se componen en general de dos partes, una parte larga o interior que asegura estanqueidad, un espacio anular y una parte corta o exterior que asegura únicamente la estanqueidad del espacio anular frente al aire exterior. Cuando el empaque o sello es de anillos de carbón, cada uno se mantiene unido a la flecha por medio de un resorte opresor, estos anillos al igual que los laberintos están separados por compartimientos, y la fuga de vapor permitida por los anillos puede ser conectada a un sistema de menor presión, drenada o extraída por medio de un eyector, Fig. 9-37. FIG. 9-37. ARREGLO DE ANILLOS DE CARBÓN. Turbinas de vapor 9-34 Ingenieros de nuevo ingreso Los empaques de los anillos de carbón pueden ser sellados por medio de vapor para evitar la entrada de aire por el lado de la descarga (vacío) de las turbinas de condensación. Como los anillos de carbón tienen buenas propiedades antifricción, pueden ser instalados más cerca de la flecha e incluso tocarla, lográndose con esto menores fugas de vapor que con los sellos de laberinto. Sin embargo, la resistencia mecánica del metal con que están hechos los sellos de laberinto permite que estos sean usados a presiones y temperaturas mayores que los empaques de anillos de carbón. En algunas turbinas se utiliza una combinación de sellos de laberinto y anillos de carbón, Fig. 9-38. FIG. 9-38. SELLOS EXTERNOS DE LABERINTO Y DE CARBÓN. 9.5.4.3 Rodamientos y chumaceras. Para que una turbina opere adecuadamente, la flecha debe girar con un mínimo de fricción, o sea que la resistencia a la rotación de esta debe de ser lo mas pequeña posible, por otro lado, el rotor debe mantener su posición mientras gira, o sea que la flecha debe estar libre para moverse en cualquiera de sus direcciones. La velocidad de giro (movimiento circular) es el movimiento deseado en una flecha sin embargo siempre viene acompañada de dos movimientos no deseados, uno horizontal o de desplazamiento y otro vertical o de vibración. Este tipo de movimientos se minimizan con las chumaceras o rodamientos axiales y radiales respectivamente hasta ciertos límites. Así cuando el vapor choca contra la flecha ocasiona que la flecha se desplace en forma axial (movimiento horizontal), alejándose de las toberas. Otro tipo de movimiento resulta cuando la flecha tiende a moverse fuera del centro, este movimiento se llama radial (movimiento vertical). Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-35 Ambos movimientos radial y axial, deben ser controlados para mantener el rotor en posición. Las chumaceras o rodamientos de carga soportan la flecha y permiten que esta gire con el mínimo de fricción. Existen chumaceras o rodamientos que también controlan los movimientos axial y radial de una flecha. El lubricante dentro de las chumaceras o rodamientos produce una película entre la flecha giratoria y las partes estacionarias que soportan la flecha. Esta película fluida evita que la flecha y las partes estacionarias rocen entre si. Las chumaceras o rodamientos de empuje limitan el movimiento de la flecha hacia los extremos de la turbina o sea limitan el movimiento axial, Fig. 9-39. FIG. 9-39 CHUMACERAS AXIALES. Las chumaceras radiales sobre las que descansa la flecha controlan el movimiento radial Fig. 9-40, en las turbinas pequeñas la flecha de la misma es soportada por rodamientos, y estos pueden ser del tipo radial o axial. FIG. 9-40. CHUMACERAS RADIALES. Las bolas de un rodamiento ofrecen una pequeña resistencia a la rotación de la flecha, pero una gran resistencia a su desplazamiento axial. Como los rodamientos están lubricados, casi no existe desgaste en los rodamientos, la flecha o el soporte estacionario. Se puede encontrar arreglos con una combinación de chumaceras y rodamientos en muchas turbinas usadas para impulsar bombas, Fig. 9-41. Turbinas de vapor 9-36 Ingenieros de nuevo ingreso FIG. 9-41. MONTAJE DE LAS CHUMACERAS Y OTROS COMPONENTES DE UNA TURBINA. 9.5.5 Sistema de control de una turbina de vapor. Todos los componentes que mencionados anteriormente son elementos del sistema de control de una turbina, se considera que el sistema de control para una turbina multietápica esta constituido por dos subsistemas mayores: el sistema de gobierno y el sistema de paro de emergencia. 9.5.5.1 Sistema de Gobierno. Este sistema regula el funcionamiento de una turbina ajustando su velocidad en respuesta a una señal neumática o analógica respecto a la carga. El sistema consta de los siguientes componentes: Válvula de corte rápido, gobernador de velocidad, válvulas reguladoras de admisión de vapor y el servomotor que opera las válvulas reguladoras. Gobernador de velocidad. Como se explicó anteriormente el gobernador es usado para detectar cambios de velocidad y regular la misma a través de mandos al servomotor y a las válvulas de regulación a las toberas que controlan el flujo de vapor a la turbina. Fig. 9-42. FIG. 9-42. PRINCIPIOS DE OPERACIÓN DE UN GOBERNADOR WORDWARD. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-37 Servo pistón (servomotor). La función del servomotor es abrir o cerrar las válvulas de admisión de vapor a la turbina como respuesta a la señal de control de velocidad del gobernador. Fig. 9-43. FIG. 9-43. SERVOPISTÓN Y CONJUNTO BARRA ALZADORA Y SERVOPISTÓN. Válvula de corte rápido. Esta válvula tiene dos funciones: a). Estrangular la admisión de vapor al arrancar la unidad hasta alcanzar la velocidad de gobierno. b). Operar como una válvula de paro de emergencia en caso de condiciones de operación anormales. La válvula esta equipada con un cilindro de aceite de disparo. El trinquete es “enganchado” cuando la presión en la línea de aceite estático a la válvula alcanza una presión de aproximadamente 3.8 kg/cm², y se dispara a una presión de 2.4 kg/cm². Para reestablecer la válvula hay que cerrarla completamente hasta que se tenga suficiente presión de aceite para re-enganchar el trinquete y luego abrir la válvula, Fig. 9-44. Vapordelcabezaldealimentación Vaporalacámaradeimpulso delaturbina 5 4 3 2 6 1 1.Strainerdemalla. 2.Tapóndelaválvula. 3.Sellosmetálicostipolaberinto. 4.Volantemanual,paraabrirlaválvulacuandoactúaeldisparo. 5.Cilindrohidráulico,actuadoporelaceitedecontrol. 6.Resortequecierralaválvula,alactuareldisparo. FIG. 9-44. VÁLVULA DE CORTE RÁPIDO. Turbinas de vapor 9-38 Ingenieros de nuevo ingreso 9.5.5.2 Sistema de paro de emergencia. Este sistema funciona automáticamente y es independiente del sistema de gobierno. Su función es la de cortar el flujo de vapor a la turbina en caso de condiciones de operación anormales y criticas. El sistema consta de los siguientes componentes: Válvula de corte rápido, disparo por sobre velocidad, disparo por baja presión del aceite estático de control, disparo hidráulico, válvula de disparo manual, válvula solenoide de disparos. Disparo por sobre velocidad. El gobernador regula la turbina bajo condiciones normales, pero a veces ocurren condiciones anormales. Si una turbina a carga completa es liberada de esa carga de manera inmediata, la turbina se sobre revolucionará. El gobernador, en ocasiones reacciona muy despacio o falla, en estos casos el vapor a la turbina debe ser cerrado rápidamente pues de lo contrario la turbina se aceleraría hasta despedazarse. Para estos casos se instala un perno de disparo en la flecha de la turbina y se usa para cerrar el flujo de vapor en una emergencia, Fig. 9-45. A velocidades normales el perno permanece dentro de la flecha, y consiste en un contrapeso desbalanceado sostenido a la flecha por medio de un resorte, cuando la turbina se sobre revoluciona, el perno se sale de la flecha por efecto de la fuerza centrifuga y golpea el gatillo que libera la uña de montaje de la palanca de disparo y la válvula de disparo se cierra por efecto del resorte. FIG. 9-45. DISPARO POR SOBRE VELOCIDAD. En turbinas con válvulas de disparo muy grandes se usa aceite a presión para abrirlas y mantenerlas abiertas, aquí el resorte es comprimido por efecto de la presión del aceite, cuando la turbina se sobre revoluciona y el perno de disparo golpea el gatillo este libera una uña, pero en este caso la uña abre una válvula que provoca la salida del aceite resultando el cierre de la válvula de corte rápido. El mecanismo de disparo debe ser armado, restableciendo antes de arrancar nuevamente la turbina. Los disparos por sobre velocidad están normalmente calibrados para actuar entre 10 y 15% arriba de la velocidad máxima permitida en la operación normal de la turbina. El mecanismo esta montado en la caja de chumaceras de la turbina, como se ve en la Fig. 9-46. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-39 FIG. 9-46. DISPOSITIVOS DEL SISTEMA DE PARO DE EMERGENCIA. 9.5.5.3 Sistema de gobernador electrónico. Como resultado de la modernización tecnológica, el accionamiento del gobernador de velocidad ha sido reemplazados por un sistema de gobernador electrónico, un actuador electro-hidráulico lineal, y un sistema electrónico de protección contra el exceso de velocidad, Fig. 9-47. FIG. 9-47. GOBERNADOR ELECTRÓNICO. Este sistema de gobernador utiliza técnicas de computación para proporcionar el control de velocidad y el disparo por exceso de velocidad utilizando sensores magnéticos de velocidad para determinar la velocidad de rotación, Fig. 9-48. Turbinas de vapor 9-40 Ingenieros de nuevo ingreso FIG. 9-48. SENSORES DE VELOCIDAD DE UNA TURBINA. Los sensores de velocidad son magnéticos, tipo reluctancia, generadores de pulsos que emiten señales eléctricas de potencia proporcionales a las velocidades de la turbina. Los sensores de velocidad están montados en la caja de chumaceras. El servomotor mecánico ha sido reemplazado con un sistema electro-hidráulico de control el cual es operado por el sistema de gobernador electrónico. Las actualizaciones de los sistemas mecánico-hidráulicos (MHC) de control suministran mejoras en la confiabilidad y dinámicas de operación y resultan en beneficios que fácilmente justifican los proyectos de actualización. Sea por causas de obsolescencia en los componentes de los sistemas antiguos de control, por razones de alto costo de mantenimiento y/o inoportunos disparos a los equipos. Estas “modernizaciones” normalmente incluyen cambios en los sistemas de actuación y/o modulación de válvulas de control con equipos que complementen la alta confiabilidad de los sistemas digitales de control. Con el fin de establecer mayor confiabilidad y dinámicas de actuación en los sistemas de modulación de control de velocidad y carga, y de establecer mayor confiabilidad, protección y eliminar la posibilidad de disparos inoportunos, se recomienda una actualización de estos sistemas. 9.6 SISTEMA DE LUBRICACIÓN. La lubricación de las chumaceras radiales puede ser por medio de un anillo de aceite. El anillo de aceite recoge aceite del cárter y puesto que la rotación hace girar este anillo, el aceite es llevado hasta la chumacera proporcionando una lubricación por salpicadura, Fig. 9-49. Otro sistema de lubricación de chumaceras es aquel donde el aceite lubricante es inyectado a presión dentro de las chumaceras por medio de una bomba, este sistema se llama de lubricación forzada, en este caso si la presión de aceite en el circuito disminuye, las chumaceras no reciben aceite y se dañan o destruyen. Una turbina equipada con un sistema de aceite de gobierno (control) debe tener un suministro continuo y a presión de aceite limpio tanto para el sistema hidráulico del gobernador como para la lubricación de sus chumaceras. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-41 FIG. 9-49. SISTEMA DE LUBRICACIÓN POR SALPICADURA. En un sistema típico de lubricación forzada el aceite es almacenado en un cárter (consola) y es forzado a fluir a las chumaceras por medio de una bomba. El aceite de la descarga de la bomba pasa a través de unos filtros para eliminar cualquier impureza, y puesto que el aceite al circular por las chumaceras se calienta debe pasar por un enfriador antes de suministrarse a las chumaceras, ya que si el aceite se caliente demasiado, disminuye su viscosidad y no forma la película de aceite dentro de la chumacera con el espesor adecuado para evitar el contacto entre metal de la flecha y chumacera; además la alta temperatura del aceite facilita la oxidación y degradación del mismo. Por otro lado, si el aceite esta muy frió no fluye adecuadamente y favorece la espumación, por lo cual el aceite debe mantenerse a la temperatura adecuada y a un flujo continuo mientras la turbina se encuentre en operación. Algunas turbinas se paran por medio de un disparo hidráulico cuando la presión del aceite de lubricación baja. En este caso una válvula de disparo (corte rápido) libera la presión de aceite del cilindro de disparo ocasionando el cierre de la válvula del suministro de vapor y por lo tanto, el paro de la turbina. En caso de que disminuya la presión del aceite de lubricación por obstrucción de un filtro, se cuenta con uno de relevo, por lo cual se efectúa el cambio de filtro en operación por el que esta de relevo y esto se puede efectuar sin necesidad de parar el equipo. Si se trata de las bombas de aceite, cuando la bomba principal falla, la bomba de relevo entra en operación automáticamente para mantener fijos y constantes la presión y el flujo de aceite. Algunas turbinas cuentan con acumuladores de aceite a alta presión, el cual es utilizado cuando el sistema hidráulico del gobernador requiere un alto flujo de aceite en casos de variaciones grandes de carga. Turbinas de vapor 9-42 Ingenieros de nuevo ingreso En todos los casos los sistemas de aceite tienen instaladas como protecciones, alarmas y disparos para avisar al operador cuando la presión del aceite disminuye o bien se incrementa la temperatura en alguno de los puntos del circuito que son monitoreados, vea la siguiente figura. FIG. 9-50. SISTEMA DE ACEITE DE LUBRICACIÓN Y CONTROL DE UNA TURBINA. 9.7 SISTEMA DE VACÍO DE UNA TURBINA CON CONDENSACIÓN. Condensadores de Superficie. Es conocido el gran interés que tiene el bajar la contrapresión de escape de una turbina de vapor, para así incrementar la cantidad de energía disponible para efectuar un trabajo (Entalpía). Si a título de ejemplo consideramos inicialmente un vapor a 25 atm y 350 °C, entalpía de 746,1 Kcal/Kg., que se expansiona hasta 1 atmósfera, entalpía final de 592 Kcal/Kg., implica una diferencia de entalpía de 154,1 Kcal/kg. Si la expansión se prolonga hasta 0.1 atm abs., su entalpía final será de 517 Kcal/kg. y la diferencia de entalpía es de 229 Kcal/kg., por lo que se han ganado 75 Kcal/kg., es decir, se ha conseguido una mejora del 49% frente al caso anterior que no tenía condensador; esta mejora en el rendimiento y en la potencia de la turbina. Se define el grado de vacío, en %, de la siguiente manera: 100 x a atmosféric P r condensado P a atmosféric P vacío de Grado   Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-43 Un condensador de superficie puede llegar a dar un vacío del 96%, es decir, una presión absoluta de 0.04 kg/cm 2 , para una presión atmosférica exterior de 1 kg/cm 2 . La presión en el condensador es la suma de dos tipos de presiones: a. La presión parcial del vapor, a la temperatura del condensador. b. La presión parcial del aire, que se ha introducido en el equipo sometido al vacío. En este proceso hay que eliminar la mayor cantidad posible del aire del condensador, y bajar la temperatura de condensación. En un condensador perfecto predominaría una presión igual a la presión del vapor correspondiente a la temperatura de condensación. En un condensador de superficie, el vapor se condensa sobre las paredes exteriores de los tubos por cuyo interior circula el agua de enfriamiento. En este caso, el vapor condensado se retorna a las calderas, previamente desgasificado para eliminar el aire que se haya disuelto en el agua condensada al pasar por el condensador. El condensador de superficie es el complemento indispensable de las grandes turbinas de vapor, ya que, por ejemplo, el condensador de un grupo electrógeno (turbina-generador) de 50 MW tiene que realizar la condensación de aproximadamente 200 toneladas de vapor de agua por hora. En las instalaciones modernas, una mejora en el vacío del condensador de 1 mm de Hg, es decir, de un 1.3%, para una presión atmosférica de 760 mm de Hg, equivale a una elevación de la presión en la caldera de 1 atm, una mejora en el vacío del condensador de un 1% (entre 90% y 95%), determina una disminución en el consumo de vapor de un 2% a un 3% por kW. Una mejora de 1 °C en la temperatura de salida (Ts) del agua de condensación, determina una mejora del orden de un 0.4% en el grado de vacío del condensador. FIG. 9-51. CONDENSADOR DE SUPERFICIE. El condensador de superficie de la Fig. 9-51, es un intercambiador de calor de dos pasos lado tubos porque el cabezal izquierdo, al cual llega el agua fría, está dividido en dos por medio de una mampara, lo que obliga al agua a circular de izquierda a derecha en los tubos situados en la parte inferior del condensador y de derecha a izquierda en los tubos situados en la parte superior, sin que sea necesario ninguna mampara de separación en el lado derecho. Este arreglo de dos pasos es frecuente en diversos tipos de intercambiadores de calor; la longitud máxima de los tubos puede llegar a ser de 6 metros; con la doble circulación, y a efectos de cálculo, se comportarían como tubos de 12 metros de longitud. Turbinas de vapor 9-44 Ingenieros de nuevo ingreso De entre los dispositivos de control y seguridad del condensador de superficie destacaremos, los siguientes: a. Indicador de nivel de condensado. b. Controlador de nivel de condensado. c. Indicador de vacío. d. Indicador de temperatura del condensado. e. Válvula “rompedora de vacío”. El objetivo de la válvula rompedora de vacío es el siguiente: si la bomba de extracción de condensado falla, el nivel de condensado sube en la cámara de condensación (bota) y podría llegar hasta la turbina; en este momento interviene la válvula rompedora de vacío, que abre estableciendo la presión atmosférica en el condensador, evitando con esto, que el condensado llegue a la turbina y por consiguiente la dañe, independientemente de que se disponga de un disparo de la turbina por alta presión en el condensador. Para eliminar el aire y los incondensables para producir el vacío en el condensador de superficie se requiere de un sistema de eyectores, Fig. 9-52. FIG. 9-52. CONDENSADOR DE SUPERFICIE. El eyector a chorro de vapor es el aparato más simple que hay para extraer el aire, gases o vapores de los condensadores y de los equipos que operan a vacío en los procesos industriales. Es un tipo simplificado de bomba de vacío, sin partes móviles, como impulsores, pistones, rotores, etc. Su funcionamiento se da por el principio de conservación de la cantidad de movimiento de las corrientes involucradas, Fig. 9-53. FIG. 9-53. EYECTOR. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-45 Los eyectores o bombas de chorros, son máquinas cuyo trabajo se basa en la transmisión de energía por impacto de un chorro fluido a gran velocidad, contra otro fluido en movimiento o en reposo, para proporcionar una mezcla de fluido a una velocidad moderadamente elevada, que luego disminuye hasta obtener una presión final mayor que la inicial del fluido de menor velocidad. Los eyectores se emplean muy comúnmente para extraer gases de los espacios donde se hace vacío, por ejemplo, en los condensadores, en los sistemas de evaporación, en torres de destilación al vacío y en los sistemas de refrigeración, donde los gases extraídos son generalmente incondensables, tales como el aire. FIG. 9-54. PRINCIPIO DE OPERACIÓN DE UN EYECTOR. Como se ve en la Fig. 9-54, en un eyector se incrementa la velocidad y disminuye la presión del vapor vivo o motriz al pasar por la tobera, esta disminución de presión provoca el vacío que ocasiona la succión de vapores y aire del condensador. Posteriormente la corriente pasa por el difusor, en donde la velocidad tiende a disminuir y la presión a estabilizarse al valor de la descarga. 9.7.1.1 Eyectores de un sistema de vacío. La función del sistema de eyectores es la eliminación del aire y de gases no condensables del condensador. El sistema de eyectores (Fig. 9-55 y Fig. 9-56) normalmente está formado por:  Eyector de arranque.  Eyector de la primera etapa (Primario).  Condensador intermedio.  Eyector de la segunda etapa (Secundario).  Condensador posterior. Los dos eyectores (1 ra y 2 d ª etapa) trabajan en serie. El eyector de la primera etapa aspira del condensador principal y descarga la mezcla de aire−vapor al condensador intermedio en el que el vapor contenido en la mezcla, se condensa. El condensado, cae al fondo del condensador, de donde, a través de un sello hidráulico en “U” pasa el condensador principal. El aire pasa ahora a la aspiración de la segunda etapa donde mezclado con el chorro de vapor es conducido al condensador posterior, en éste, el vapor se condensa y se manda al tanque de purgas en tanto que el aire se envía a la atmósfera. Turbinas de vapor 9-46 Ingenieros de nuevo ingreso Debe aclararse que el grupo de eyectores, elimina el aire solamente del condensador; el aire disuelto o en suspensión del condensado que pasa por el interior de los tubos no se elimina; el condensado se retorna a las calderas pasando antes por una pulidora de condensado. FIG. 9-55. SISTEMA DE EYECTORES. FIG. 9-56. SISTEMA DE EYECTORES DE UNA TURBINA DE CONDENSACIÓN. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-47 9.7.1.2 Operación del sistema de vacío. Para permitir un funcionamiento continuo, se utilizan dos juegos de eyectores, sin embargo solo uno es necesario y suficiente para el funcionamiento del sistema; el otro, está en todo momento listo para funcionar en caso de avería o defectos de funcionamiento del primero. Ambos pueden utilizarse simultáneamente en caso de una entrada excesiva de aire en el condensador y se haga necesaria una capacidad adicional de extracción de aire. Antes de poner en funcionamiento un eyector, la tubería de vapor debe purgarse para evitar que las gotas de agua erosionen las toberas y las acumulaciones de la misma, hagan que los eyectores tengan un funcionamiento inestable. Antes de cortar vapor a los eyectores debe comprobarse que el condensador tiene suficiente flujo de agua de enfriamiento en circulación. La recirculación (loop−seal) del condensador intermedio al principal, debe estar con un sello de agua, pues cualquier pérdida (por entrada de aire) obligaría al agua del tubo en “U” a salir del mismo. Si en alguna ocasión es necesario hacer funcionar ambos grupos de eyectores, probablemente existe una entrada excesiva de aire, es mejor y más conveniente localizarla y eliminarla, que hacer funcionar ambos sistemas continuamente. El funcionamiento inestable de un eyector puede ser debido a alguna de las siguientes causas:  Baja presión del vapor a eyectores.  Temperatura y presión de vapor diferentes de los previstos para el funcionamiento correcto.  Incrustaciones o suciedad en las toberas.  Posición inadecuada de la tobera respecto al difusor.  Purgas del condensador (intermedio o posterior) cerradas u obturadas. Los problemas que ocasiona la baja presión del vapor son debidos generalmente a un funcionamiento o ajuste inadecuados en la válvula reductora de presión de vapor a eyectores. Es esencial que llegue vapor seco y a la presión adecuada a las toberas. La existencia de erosiones o incrustaciones en las toberas es una evidencia de la admisión de vapor húmedo a las mismas. Las toberas defectuosas no trabajan correctamente y por lo tanto el vacío no puede mantenerse en sus valores máximos. En algunas ocasiones, las toberas pueden estar parcialmente obstruidas por grasa, reactivos de calderas o cualquier otra sustancia que disminuya su rendimiento. 9.8 FACTORES QUE AFECTAN LA OPERACIÓN DE UNA TURBINA. 9.8.1 Presión excesiva en la carcasa. Para que el vapor fluya a través de una turbina debe existir un diferencial de presión entre la entrada y salida del vapor. Durante el arranque de una turbina a contrapresión la descarga de la misma deberá abrirse antes de la entrada del vapor motriz, pues de lo contrario la carcasa puede destruirse debido a la excesiva presión. Turbinas de vapor 9-48 Ingenieros de nuevo ingreso Las turbinas tienen colocadas válvulas de seguridad por presión (PSV) en la descarga, estas válvulas deben ser revisadas después de que relevan para asegurarse que cerraron bien, pues de lo contrario se estará venteando vapor a la atmósfera. También las turbinas están equipadas con válvulas centinela las cuales al ser escuchadas, se debe cerrar el vapor a la turbina para evitar algún daño a la misma. 9.8.2 Condensación del vapor. La temperatura del vapor de descarga de una turbina, siempre es menor que la del vapor de entrada, y mientras mas sobrecalentado este el vapor de suministro, habrá mas posibilidades que el vapor de descarga vaya mas seco. Las turbinas con condensación tienen muy bajas temperaturas de descarga, y normalmente algo de vapor se condensa en las últimas etapas, por lo cual estas turbinas están diseñadas para que no sufran erosión en los últimos pasos. Pero si el vapor de entrada baja de temperatura, se condensara algo de este en los primeros pasos, y como estos no están diseñados para trabajar con algo de condensado sufrirán una seria erosión en corto tiempo. Por otro lado en los periodos de paro de una turbina, esta se enfría y algo de condensado se acumula en los puntos bajos de las líneas de vapor, este condensado no puede ser arrastrado por el vapor de baja velocidad que se usa en el calentamiento de la turbina, pero en el momento que la turbina se acelera a su velocidad de trabajo, el vapor aumenta su velocidad y arrastra el condensado que provoca un choque térmico contra las toberas y los álabes corriéndose el peligro de romperlas. Para evitar esto se colocan purgas en los puntos bajos de la tubería de suministro de vapor, y en la misma carcasa de la turbina para poder purgar el condensado antes de arrancarla y durante el proceso de calentamiento de la misma. Algunas de estas purgas están conectadas a trampas de vapor para eliminar continuamente el condensado formado, si la descarga de una trampa esta fría quiere decir que la trampa no esta funcionando adecuadamente. 9.8.3 Efectos del calentamiento o enfriamiento desiguales. El vapor que entra a la turbina a una temperatura relativamente alta, al arrancarla después de un largo periodo de estar parada, esta se encuentra fría y los componentes metálicos se expanden rápidamente al estar en contacto con el vapor. Durante el arranque de una turbina con condensación, el condensador debe de ponerse en operación antes de admitir el vapor a la turbina, con esto se logra mantener la temperatura de la descarga relativamente baja o sea como esta diseñada para trabajar, pues si la temperatura aumenta arriba de la de diseño, los birlos de las bridas de la carcasa se aflojaran y permitirán fugas cuando la temperatura se encuentre a su valor normal de operación. Durante el arranque, el rotor de una turbina alcanza la temperatura de trabajo más rápidamente que la carcasa; por lo tanto se dilata más que esta, y puesto que los diafragmas de ínter etapa están fijos a la carcasa, al expandirse el rotor más que la carcasa puede existir rozamiento entre el rotor y los diafragmas. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-49 Así durante la fase de arranque de una turbina multietápica, el flujo de vapor a través de ella debe ser lo suficientemente bajo para permitir que el rotor y la carcasa se expandan juntos, para no poner en riesgo que el rotor roce los diafragmas 9.8.3.1 Deformación de la flecha. Conforme el vapor pase a través de la turbina durante el proceso de calentamiento para poner en operación, se debe girar lentamente el rotor, pues si no gira, el vapor calentará únicamente medio rotor, el cual se dilata más que la otra mitad, provocando deformación en la flecha. Esta deformación será mayor cuanto mayor sea la diferencia de temperatura dentro de la turbina. Al operar la turbina a bajas velocidades, durante el periodo de arranque aseguramos un calentamiento uniforme y evitamos que la flecha se deforme. Cuando se opera una turbina con la flecha deformada, el giro provoca una excentricidad de cargas en las chumaceras produciendo vibración de la maquina, deterioro en las chumaceras y un posible roce del rotor con los diafragmas. Las turbinas multietápicas deben calentarse girándolas al 20% de su velocidad de operación, cuando menos 30 minutos antes de acelerarlas. Por esta razón en las turbinas multietápicas se cuenta con un torna flechas, Fig. 9-57, el cual es un dispositivo formado por un motor, el cual se puede engranar a la flecha principal de la turbina para girar el rotor a baja velocidad durante la secuencia de calentamiento y lograr un calentamiento uniforme del rotor y la carcasa. FIG. 9-57. ENGRANE DEL TORNA FLECHAS EN UN ROTOR. 9.8.4 Fugas por las cajas de empaques (sellos). Durante el arranque la tolerancia entre la flecha y los empaques es mayor que lo normal y puede existir algo de fuga, pero conforme la flecha se caliente esta se expande y la tolerancia disminuye. Si la empaquetadura esta muy desgastada, la fuga no disminuirá al calentarse la turbina, además que en ocasiones las conexiones de salida se encuentran tapadas o las válvulas cerradas, causando que el vapor escape de la carcasa a la atmósfera, Fig. 9-58. La caja de empaques de una turbina de condensación esta sellada con vapor de sellos, si existe mucho vapor de sello el eyector de la caja de empaques no puede eliminarlo y algo de vapor se escapara a la atmósfera como fuga. Turbinas de vapor 9-50 Ingenieros de nuevo ingreso Por otro lado si el vapor de sello se alinea mucho antes de que la turbina este girando, este vapor calentará la flecha y el rotor más de un lado que de otro, causando la deformación de la flecha. FIG. 9-58. DIAGRAMA DE VAPOR DE SELLOS DE UNA TURBINA CONDENSANTE. 9.8.5 Vibración y velocidad crítica. 9.8.5.1 Vibración. Todos los cuerpos presentan una señal de vibración característica en la cual plasman cada una de sus partes. De acuerdo a esto, las máquinas presentan su propia señal de vibración y en ella se encuentra la información de cada uno de sus componentes. Por tanto, una señal de vibración capturada de una máquina significa la suma vectorial de la vibración de cada uno de sus componentes. La vibración tiene dos características: 1) La frecuencia (numero de vibraciones o movimientos en un periodo de tiempo). 2) La amplitud (La distancia que la flecha o las chumaceras se mueven). Una vibración completa es un ciclo, por lo tanto la frecuencia se expresa en ciclos por segundo o minuto. La frecuencia no esta relacionada directamente con la amplitud de la vibración, pues al aumentar la frecuencia no necesariamente aumenta el movimiento de la flecha o chumaceras, como se ve en la Fig. 9-59. La amplitud de la vibración se mide en mils, donde un mil equivale a una milésima de pulgada. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-51 La amplitud desde el punto de vista de las vibraciones es la cantidad de movimiento que puede tener una masa desde una posición neutral. La amplitud se mide generalmente en valores pico- pico para desplazamiento y valores cero-pico para velocidad y aceleración, Fig. 9-60. La amplitud se mide en tres direcciones, una axial y dos radiales, la vibración radial puede ser radial vertical o radial horizontal. En operación normal, la amplitud de vibración es baja, un aumento en la amplitud indica una condición anormal que debe ser corregida y puede deberse a que la flecha se encuentre desbalanceada. FIG. 9-59. CONCEPTOS DE VIBRACIÓN. FIG. 9-60. AMPLITUD DE VIBRACIÓN. El defasamiento realmente es una medida de tiempo entre la separación de dos señales, la cual puede ser relativa o absoluta. Generalmente es encontrada en grados. La Fig. 9-61, muestra dos señales sinusoidales de igual amplitud y período, pero separadas 90 grados, lo cual indica que ambas curvas están desfasadas 90 grados. FIG. 9-61. DESFASAMIENTO DE 90º Turbinas de vapor 9-52 Ingenieros de nuevo ingreso  Elementos de monitoreo de vibraciones. Los acelerómetros monitorean la vibración de los componentes en el rotor de la turbina. Se utilizan sensores para monitorear la vibración en los ensamblajes de la chumacera para las flechas del rotor del elemento impulsado. Cada dispositivo de monitoreo tiene ajustes de alarma y paro. El propósito principal de la medición de la vibración es evitar el daño corrigiendo los problemas antes de que se vuelvan excesivos, aunque el desplazamiento es el método más común de la medición de la vibración, el desplazamiento no es lo que causa el daño. La velocidad indica el potencial del daño. El daño real se causa cuando el objeto en movimiento se detiene por aceleración. Normalmente, en la maquinaria giratoria, el daño se realiza a las chumaceras debido a las fuerzas de la flecha que impactan sobre éstas.  Vibración de la turbina: acelerómetros. Un acelerómetro es un transductor de inercia que convierte las características de la aceleración de la vibración en señales eléctricas proporcionales. Este sensor produce una onda eléctrica compleja, que es el resultado de la frecuencia y amplitud de la vibración. Aceleración: La aceleración es la rapidez de cambio de velocidad, para el movimiento armónico, que con frecuencia se expresa como “g” o “a.” Las unidades típicas de aceleración son pies por segundo al cuadrado (ft/s 2 ), metros por segundo al cuadrado (m/s 2 ), o más comúnmente “g”, donde g = la aceleración de la gravedad de la tierra = 32.17 ft/s 2 , = 9.81 m/s 2 . Las mediciones de la aceleración generalmente se hacen con acelerómetros piezoeléctricos y generalmente se usan para evaluar la carcasa de una máquina de alta frecuencia o las características de respuesta del alojamiento de la chumacera. Vibración absoluta: La vibración de un objeto se mide en relación con un marco de referencia (fijo) de inercia. Los transductores de velocidad y acelerómetros miden la vibración absoluta; por lo tanto, se dan en llamar transductores sísmicos o transductores de inercia. La polaridad de la señal es la relación entre la dirección del desplazamiento, velocidad o aceleración del objeto observado y el cambio en la señal del transductor. El monitoreo de la posición de empuje axial en la turbo-maquinaria es uno de los sistemas de protección más importantes de la máquina. Otras modalidades de funcionamiento inadecuado de la máquina pueden ser igualmente catastróficas, pero el deterioro y falla de una chumacera de empuje puede ocurrir con muy poca advertencia, en un período extremadamente corto y puede conducir a la destrucción total de la máquina. El sistema de monitoreo de vibración produce datos de magnitud de la vibración con puntos de ajuste de alarma y paro para la turbina y la seguridad del elemento impulsado.  Sistema de monitoreo de vibraciones. EL sistema de monitoreo de vibración sirve para notificar al operador de vibración excesiva en la turbina y el elemento impulsado. Esta constituido por un rack de instrumentos con fuente de poder ínter construida, relevadores, monitores de vibración, instrumentos de aceleración, y un tacómetro de tren en el sistema del rack de monitoreo de vibración, Fig. 9-62 y Fig. 9-63. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-53 FIG. 9-62. SISTEMA DE MONITOREO DE VIBRACIONES. 1 2 3 4 5 6 7 9 8 FIG. 9-63. MONITOR DE VIBRACIÓN TÍPICO. Turbinas de vapor 9-54 Ingenieros de nuevo ingreso No. Control/Indicador Función 1 Medidor Medidor de tipo de gráfica de barras que indica las amplitudes de la vibración radial del canal A y del canal B, cada uno con dos sensores. 2 OK LED verde Se ilumina para indicar que la tensión del transductor está dentro de los límites operativos. 3 Peligro LED rojo Se ilumina cuando se presiona el interruptor de peligro, o cuando el nivel de una segunda alarma excede el punto de configuración preestablecido de la alarma. 4 Alerta LED rojo Se ilumina cuando se presiona el interruptor de alerta, o cuando el nivel de una primera alarma excede el punto de configuración preestablecido de la alarma. 5 Bypass LED rojo Se ilumina para indicar que se ha derivado un canal y que no está monitoreando los canales, como se ha asignado. La derivación del módulo es una función de mantenimiento. El personal de mantenimiento debe consultar el manual del fabricante antes de intentar derivar el módulo. 6 Peligro. Interruptor del botón pulsador Al presionar el interruptor de peligro se despliega el punto de configuración de una segunda alarma en el medidor para cada canal. 7 Alerta. Interruptor del botón pulsador Al presionar el interruptor de alerta se despliega el punto de configuración de la primera alarma en el medidor para cada canal. 8 Señal de entrada compensada del transductor A, conector coaxial Proporciona una señal de entrada dinámica compensada para el canal A, como se recibe del módulo de filtro/monitor de vibración, para fines de registro o mantenimiento. 9 Señal de entrada compensada del transductor B, conector coaxial Proporciona una señal de entrada dinámica compensada para el canal B, como se recibe del módulo de filtro/monitor de vibración, para fines de registro o mantenimiento.  Detección de fallas diagnosticadas por el exceso de vibración. Una flecha deformada puede tener mas peso de un lado que en el otro, y al girar, la fuerza centrifuga empuja mas del lado mas pesado aumentando la amplitud de la vibración. Otra causa del incremento en la amplitud de la vibración puede ser el desalineamiento de la turbina con respecto al equipo que mueva. Cuando un rotor tiene quebrado un alabe se produce un desequilibrio de peso lo cual puede causar una amplitud de vibración excesiva. Los sellos de los anillos de carbón nuevos pueden causar algo de vibración hasta que se asienten en la flecha. Las chumaceras restringen los movimientos axiales y radiales, si un balero o chumacera se encuentran desgastados, la tolerancia respecto a la flecha aumenta y causa vibración. 9.8.5.2 Velocidad crítica. Si una lámina de acero es jalada y soltada, esta vibrará en determinada frecuencia denominada frecuencia natural, que depende en parte de la longitud de la lámina y de la flexibilidad de esta. Al igual que una lámina, una flecha tiende a vibrar a su frecuencia natural, y entre mayor sea la flecha su frecuencia natural será menor. Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-55 Así una turbina grande multietápica tiene una flecha cuya frecuencia natural de vibración es menor que la flecha de una turbina pequeña de un solo paso. Por otro lado, cuando una flecha gira, esta vibra a la misma frecuencia que la velocidad a la que gira, así una flecha girando a 1,000 rpm vibrará a 1,000 ciclos por minuto. Cuando una flecha gira a la misma velocidad que el valor de su frecuencia natural, se dice que está girando a la velocidad crítica. A velocidades mayores, la frecuencia de vibración es diferente a la frecuencia natural, siendo por consiguiente que la amplitud a velocidades diferentes a la crítica es normalmente pequeña. Pero en la velocidad crítica esta amplitud de vibración es muy grande y puede destruir la turbina y dañar sus chumaceras. Una turbina que debe pasar una velocidad crítica antes de alcanzar su velocidad de trabajo se denomina como una turbina de flecha flexible, y si no pasa una velocidad crítica, o sea, que su velocidad de trabajo está por debajo de la velocidad crítica se dice que es una turbina de flecha rígida. 9.8.6 Depósitos en los álabes. Si el vapor que entra a una turbina contiene sólidos arrastrados desde la caldera o las tuberías, este material puede depositarse en los álabes, y si el depósito o acumulación es suficientemente grande, la forma de los álabes cambia, y el espacio por el cual pasa el vapor se reduce. Esta reducción en el flujo causa un represionamiento en el extremo del rotor y produce un incremento de la carga axial, desgastando el balero de carga o chumacera. Por otro lado los depósitos no son uniformes y desbalancean el rotor causando vibración en la turbina. 9.8.7 Agua en el sistema de lubricación. El agua corroe las superficies ferrosas, o bien al combinarse con algún producto químico se vuelve altamente corrosiva. Además con el aceite forma emulsiones que pueden tapar un filtro de aceite o formar espuma. Esta espuma no lubrica adecuadamente y puede causar la pérdida de succión de la bomba de aceite, o bien un disparo de la turbina al entrar al sistema hidráulico del gobernador o al sistema de disparo de la turbina. 9.8.8 Aislamiento térmico. El aislamiento térmico evita las pérdidas de calor de la turbina y protege al operador de posibles quemaduras, por lo tanto debe mantenerse en perfectas condiciones para cumplir satisfactoriamente su función. 9.8.9 Disparo por sobre velocidad. El mecanismo de disparo por sobre velocidad debe encontrarse listo para operar en caso de que se sobre revolucione la turbina, debe ser probado antes de llevar a la turbina a su velocidad de trabajo. Turbinas de vapor 9-56 Ingenieros de nuevo ingreso Por esto el disparo de sobre velocidad debe ser probado durante el calentamiento de la turbina. En las turbinas grandes con sistema de gobierno tipo hidráulico o electrónico, deberá estar operando el sistema hidráulico de aceite al servo pistón y solenoides de disparo. 9.8.10 Instrumentación. En el sistema de aceite de lubricación y control de una turbina debe mantenerse la circulación a una presión y una temperatura determinada. Se cuenta con un manómetro en la descarga de la bomba de aceite y otro en la entrada y salida del filtro, además de un indicador de presión diferencial, cuando la presión diferencial es mayor de 20 lb/pulg² nos indica que el filtro se está tapando con partículas sólidas. Además existen manómetros que indican la presión de descarga de la bomba, presión de aceite de control y presión de aceite de lubricación, como la presión del aceite de control es mayor que la presión del aceite de lubricación, existen válvulas auto controlables reductoras de presión para controlar la presión en ambos circuitos. Las chumaceras generalmente están equipadas con termómetros para indicar la temperatura del aceite que retorna de cada una de ellas, también se dispone de un indicador de temperatura de aceite a la salida del enfriador. Las turbinas también están equipadas con alarmas y disparos por baja presión de aceite de lubricación. 9.9 PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS GENERALES. Esta sección del manual proporciona las instrucciones generales de operación de una turbina de vapor. Para la operación de las turbinas de vapor, debe consultar el manual de instrucciones de cada una de ellas. Se debe leer y entender esta sección del manual antes de la operación del equipo. Las turbinas de vapor son diseñadas para una operación segura y confiable cuando se usan y mantienen apropiadamente de acuerdo con las instrucciones del fabricante. Una turbina es un equipo a presión y temperatura con piezas móviles que pueden ser peligrosas. Los operadores y el personal de mantenimiento deben darse cuenta de esto y seguir las medidas de seguridad. 9.9.1 Procedimientos de arranque, paro y emergencia. Los procedimientos serán ejecutados por el operador de los compresores (compresorista), bombas (bombero), turbogeneradores y todo aquel equipo que utilice como elemento motriz una turbina de vapor. En la descripción de los procedimientos se usan textos de Advertencia, Precaución y Nota, para indicar las situaciones que requieran atención especial por el operador. ADVERTENCIA: Se usa la ADVERTENCIA (con texto en mayúscula, negritas y doble borde) para indicar la presencia de un peligro que puede causar lesiones personales severas, la muerte o daños substanciales al equipo si se ignora la advertencia. PRECAUCIÓN: Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-57 Se usa la Precaución (con texto en minúsculas, negritas y borde sencillo) para indicar la presencia de un peligro que causará o pueda causar lesiones personales menores o daños al equipo si se ignora la precaución. NOTA: Se usan las Notas (con texto en negritas y cursivas, sin bordes) cuando se hace referencia a otro procedimiento de operación, condición, etc. que es esencial observar o aclarar. 9.9.1.1 Precauciones generales. ADVERTENCIA RESULTARÁN LESIONES PERSONALES SI NO SE SIGUEN LOS PROCEDIMIENTOS INDICADOS EN EL MANUAL DE INSTRUCCIONES DEL FABRICANTE.  NUNCA opere un turbocompresor, turbobomba o turbogenerador por encima de las condiciones de régimen para las que fue diseñado.  NUNCA arranque la turbina sin calentarla.  SIEMPRE enfríe la turbina antes de realizar trabajos de mantenimiento.  NUNCA opere la turbina sin los dispositivos de seguridad instalados.  NUNCA opere la turbina con la válvula de descarga cerrada. 9.9.1.2 Procedimiento para el arranque de una turbina a contrapresión. Acti vidad Desarrollo Verif. Revise la turbina y equipos auxiliares. PRECAUCIÓN: La falta de piezas en la turbina o alguna parte de sus sistemas de control y protecciones puede provocar fallas en el equipo y daños materiales y/o personales. 1. Revise y siga las recomendaciones de seguridad establecidas para la operación de la turbina. ____ 2. Verifique se halla instalado completamente la turbina, sus sistemas auxiliares y de seguridad. ____ 3. Verifique se encuentren completos y operables los instrumentos, válvulas, accesorios y equipos auxiliares de la turbina. ____ Caliente la turbina. PRECAUCIÓN: Calentar rápidamente la turbina o tuberías de vapor y no eliminar el condensado puede provocar choques térmicos que dañen el equipo y las tuberías. 4. Verifique se encuentre bloqueada la válvula de alimentación de vapor a la turbina. ____ 5. Abra con precaución las purgas instaladas en la tubería de vapor a la turbina hasta la válvula de control, con el fin de expulsar el condensado acumulado en la misma. ____ 6. Abra las purgas de la carcasa de la turbina. ____ Turbinas de vapor 9-58 Ingenieros de nuevo ingreso Acti vidad Desarrollo Verif. 7. Abra un poco y lentamente la válvula de bloqueo de la línea de salida de vapor de escape de la turbina, para que la carcasa y demás partes se vayan calentando gradualmente. ____ 8. Abra un poco y lentamente la válvula de bloqueo de la línea de vapor a la turbina, manteniendo bloqueada la válvula de corte, para calentar la línea. ____ 9. Cuando salga completamente seco el vapor de las purgas de la línea de vapor, cierre las purgas aproximadamente un 80%. ____ 10. Abra un poco y lentamente la válvula de bloqueo (compuerta) de entrada de vapor a la turbina. ____ 11. Cuando el vapor que sale por las purgas de la carcasa de la turbina no lleve humedad (confirmar por medio del guante), cierre las purgas aproximadamente un 80%. ____ 12. Abra totalmente la válvula de salida de vapor de la turbina. ____ Ponga en operación el sistema de lubricación. 13. Verifique que el nivel de aceite en el deposito (consola) sea el adecuado y si es necesario repóngalo. ____ 14. Purgue el agua acumulada en la parte inferior del depósito de aceite (consola). ____ 15. Alinee agua de enfriamiento al enfriador de aceite. ____ 16. Alinee el circuito de lubricación. ____ 17. Ponga en operación la bomba principal de aceite lubricante. ____ 18. Coloque el selector de arranque de la bomba auxiliar en la posición de automático. ____ 19. Verifique que el sistema de lubricación opere correctamente y los indicadores se mantengan en el valor normal de operación. ____ Ponga en operación la turbina. 20. Arme el disparo de la turbina. ____ 21. Abra totalmente la válvula de bloqueo de vapor a la turbina. ____ 22. Cierre completamente las purgas de la línea de vapor. ____ 23. Ajuste el gobernador de la turbina a la velocidad mínima de gobierno. ____ Nota: Si la turbina cuenta con sistema de control de velocidad remoto, este también debe ajustarlo a la velocidad mínima de gobierno. 24. Abra lentamente la válvula de admisión de vapor a la turbina, permitiendo que esta comience a rodar. ____ 25. Si no se presentan anomalías en el equipo, Abra más la válvula de admisión de vapor a la turbina (corte rápido), hasta alcanzar la velocidad mínima de gobierno. ____ Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-59 Acti vidad Desarrollo Verif. 26. En cuanto salga el vapor seco por las purgas de la carcasa, ciérrelas completamente. ____ 27. Cuando se alcance la velocidad mínima de gobierno, incremente la velocidad con el sistema de control de velocidad o ajuste del gobernador, hasta la velocidad de operación. ____ 28. Verifique que la turbina no tenga ruidos o vibraciones anormales y en caso de presentarse, pare la turbina. ____ 29. Verifique que la temperatura del aceite de retorno de cada una de las chumaceras se encuentre en su valor normal. ____ Dé carga a la turbina. 30. Cuando la turbina alcance su velocidad de trabajo y el gobernador regula la velocidad de la misma, empiece a aumentar la carga de la siguiente manera: 30.1. Si se trata de un ventilador, se abren lentamente las compuertas de entrada de aire, hasta admitir el flujo deseado. ____ 30.2. En una bomba centrifuga, esta se arrancara con la descarga parcialmente cerrada. Al alcanzar la turbina su velocidad de trabajo abra lentamente la válvula de descarga, hasta que quede totalmente abierta. ____ 30.3. En un generador eléctrico, con la turbina a la velocidad de régimen, excite el generador hasta tener el voltaje deseado. Posteriormente conecte la carga eléctrica al generador en forma gradual, cuidando no tener variaciones bruscas en el voltaje y la frecuencia. ____ 31. En todos los casos, verifique que el control de velocidad reaccione correctamente ante los cambios de carga y mantenga la velocidad de la turbina en el valor deseado. ____ Verifique la operación de la turbina. 32. Una vez que la turbina opera con carga, revise que todo funciona correctamente. ____ 33. Verifique que las temperaturas y presiones se mantengan dentro del rango establecido. ____ 34. Verifique que las vibraciones y desplazamiento del rotor se mantengan en los rangos normales, y en caso de excederse, pare la turbina. ____ 35. Registre las lecturas de las variables de operación en la bitácora correspondiente. ____ - Fin del procedimiento - Turbinas de vapor 9-60 Ingenieros de nuevo ingreso 9.9.1.3 Procedimiento de paro normal de una turbina a contrapresión. Acti vidad Desarrollo Verif. Reduzca la carga a la turbina. 1. Reduzca la carga a la turbina procediendo de la siguiente manera: 1.1. En un ventilador, cierre las compuertas de entrada de aire. ____ 1.2. En una bomba centrifuga, cierre la válvula de descarga. ____ 1.3. En un generador eléctrico, en cuanto la protección por potencia reversa abra el interruptor del generador, apague la excitación. ____ 2. En todos los casos, verifique que el control de velocidad reaccione correctamente ante los cambios de carga. ____ 3. Baje la velocidad de la turbina a la mínima de gobierno. ____ Pare la turbina. 4. Presione el botón de paro de la turbina o actúe el disparo manualmente. ____ 5. Cierre la válvula de admisión de vapor a la turbina. ____ 6. Cierre la válvula de escape de la turbina, para evitar que entre vapor a la misma cuando este parada. ____ 7. Abra un poco las purgas de la carcasa de la turbina. ____ 8. Cuando la carcasa este fría, abra totalmente las purgas. ____ 9. Cierre la válvula de bloqueo de la línea de alimentación de vapor a la turbina. ____ 10. Abra las purgas de la línea de alimentación de vapor a la turbina para eliminarle el condensado. ____ 11. En turbinas con sistema de lubricación forzada, mantenga operando el sistema. ____ 12. Cuando las chumaceras se hallan enfriado completamente, pare el sistema de lubricación. ____ - Fin del procedimiento - 9.9.1.4 Procedimiento para el arranque de una turbina de condensación. Acti vidad Desarrollo Verif. Revise la turbina y equipos auxiliares. PRECAUCIÓN: La falta de piezas en la turbina o alguna parte de sus sistemas de control y protecciones puede provocar fallas en el equipo y daños materiales y/o personales. 1. Revise y siga las recomendaciones de seguridad establecidas para la operación de la turbina. ____ Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-61 Acti vidad Desarrollo Verif. 2. Verifique se halla instalado completamente la turbina, sus sistemas auxiliares y de seguridad. ____ 3. Verifique se encuentren completos y operables los instrumentos, válvulas, accesorios y equipos auxiliares de la turbina. ____ Ponga en operación el sistema de lubricación. 4. Verifique que el nivel de aceite en el deposito (consola) sea el adecuado y si es necesario repóngalo. ____ 5. Purgue el agua acumulada en la parte inferior del depósito de aceite (consola). ____ 6. Alinee agua de enfriamiento al enfriador de aceite. ____ 7. Alinee el circuito de lubricación. ____ 8. Ponga en operación la bomba principal de aceite lubricante. ____ 9. Coloque el selector de arranque de la bomba auxiliar en la posición de automático. ____ 10. Verifique que el sistema de lubricación opere correctamente y los indicadores se mantengan en el valor normal de operación. ____ Prepare el sistema de vacío. 11. Alinee agua de enfriamiento a los siguientes equipos: 11.1. Condensador de superficie. ____ 11.2. Condensador de sellos (Gland condenser). ____ 11.3. Condensadores de eyectores. ____ 12. Alinee agua desmineralizada o condensado de calderas al pozo caliente del condensador de superficie. ____ 13. Cuando se tenga nivel del 60% en el pozo caliente, cierre la válvula de agua desmineralizada o condensado de calderas. ____ 14. Alinee el circuito de condensado por la línea de recirculación al pozo caliente. ____ 15. Ponga en operación una bomba de condensado y mantenga recirculado. ____ 16. Verifique que la válvula rompedora del vacío del condensador (Cebolla) este cerrada. ____ 17. Alinee condensado o agua desmineralizada a la válvula rompedora del vacío para establecer el sello hidráulico. ____ Turbinas de vapor 9-62 Ingenieros de nuevo ingreso Acti vidad Desarrollo Verif. Caliente la turbina. PRECAUCIÓN: Calentar rápidamente la turbina o tuberías de vapor y no eliminar el condensado puede provocar choques térmicos que dañen el equipo y las tuberías. 18. Verifique se encuentre bloqueada la válvula de alimentación de vapor a la turbina. ____ 19. Abra con precaución las purgas instaladas en la tubería de vapor a la turbina hasta la válvula de corte rápido, con el fin de expulsar el condensado acumulado en la misma. ____ 20. Abra las purgas de la carcasa de la turbina para eliminar el condensado. ____ 21. Alinee vapor de sellos de arranque a la turbina controlando su presión. ____ 22. Abra un poco y lentamente la válvula de bloqueo de la línea de vapor a la turbina, manteniendo bloqueada la válvula de corte rápido, para calentar la línea. ____ 23. Cuando salga completamente seco el vapor de las purgas de la línea de vapor, cierre las purgas aproximadamente un 80%. ____ Haga vacío al condensador de superficie. 24. Cuando se halla eliminado el condensado de la carcasa de la turbina, cierre las purgas para evitar la entrada de aire al hacer vacío. ____ 25. Verifique que estén alineadas las salidas de condensado del condensador de eyectores al condensador principal. ____ 26. Purgue el condensado de la línea de suministro de vapor motriz a los eyectores. ____ 27. Cuando el vapor este seco, alinee vapor motriz al eyector de arranque y cierre las purgas. ____ 28. Abra la válvula de incondensables al eyector de arranque para iniciar el vacío. ____ 29. Alinee vapor motriz al eyector secundario. ____ 30. Abra la válvula de incondensables al eyector secundario. ____ 31. Alinee vapor motriz al eyector primario. ____ 32. Abra la válvula de incondensables al eyector primario. ____ 33. En cuanto se alcance la presión de vacío necesaria, saque de operación el eyector de arranque de la siguiente manera: ____ 33.1. Cierre la válvula de incondensables al eyector. ____ Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-63 Acti vidad Desarrollo Verif. 33.2. Cierre la válvula de vapor motriz al eyector. ____ Pruebe el disparo de la turbina. 34. Ajuste el control de velocidad a la velocidad mínima de gobierno, para que al momento de alinear vapor a la turbina esta no se sobre revolucione. ____ 35. Reestablezca las protecciones de la turbina. ____ 36. Verifique que la presión del aceite de control a los dispositivos de protección y al servo pistón sea la adecuada. ____ 37. Arme el disparo hidráulico. ____ 38. Verifique que las purgas de la válvula de corte rápido de la turbina estén parcialmente abiertas. ____ 39. Ruede la turbina abriendo poco a poco la válvula de corte rápido, hasta alcanzar una velocidad de ± 500 rpm o la recomendada por el fabricante. ____ 40. Dispare la turbina desde el tablero local o desde el sistema de control para probar el disparo por sobre velocidad. ____ Ponga en operación la turbina. 41. Cierre la válvula de corte rápido. ____ 42. Arme el disparo hidráulico nuevamente. ____ 43. Abra lentamente la válvula de corte rápido para rodar la turbina. ____ 44. Mantenga rodando la turbina para calentarla a la velocidad y el tiempo especificado por el fabricante. ____ PRECAUCIÓN: Mantener operando la turbina en alguna de sus velocidades críticas provoca excesi vas vibraciones que pueden dañar las partes mecánicas de la misma. 45. Una vez que este caliente la turbina, incremente la velocidad abriendo la válvula de corte rápido hasta alcanzar la velocidad mínima de gobierno, procurando pasar lo más rápido posible la velocidad crítica. ____ 46. Alinee la salida de condensado al cabezal de condensado, manteniendo el nivel del pozo caliente del condensador. ____ De carga a la turbina. 47. Incremente la velocidad de la turbina de acuerdo a las necesidades del proceso, por medio del sistema de control de velocidad. ____ 48. Cuando la turbina alcance su velocidad de trabajo y el gobernador regule la velocidad de la misma, empiece a aumentar la carga del sistema que mueve la turbina. ____ Turbinas de vapor 9-64 Ingenieros de nuevo ingreso Acti vidad Desarrollo Verif. 49. Cierre la válvula de vapor de sellos de arranque, verificando la presión del vapor de sellos de la turbina. ____ Verifique la operación de la turbina. 50. Una vez que la turbina opera con carga, revise que todo funciona correctamente. ____ 51. Verifique que las temperaturas y presiones se mantengan dentro del rango establecido. ____ 52. Verifique que las vibraciones y desplazamiento del rotor se mantengan en los rangos normales, y en caso de excederse, pare la turbina. ____ 53. Registre las lecturas de las variables de operación en la bitácora correspondiente. ____ - Fin del procedimiento - 9.9.1.5 Procedimiento de paro normal de una turbina de condensación. Acti vidad Desarrollo Verif. Reduzca la velocidad de la turbina. 1. Baje la velocidad de la turbina hasta la velocidad mínima de gobierno por medio del sistema de control de velocidad. ____ 2. Vigile el nivel de condensado, y si es necesario, recircule al pozo caliente para mantener el nivel. ____ Pare la turbina 3. Dispare la turbina actuando el botón de paro del tablero local o del sistema de control, según sea. ____ 4. Verifique que la haya cerrado. ____ 5. Bloquee el equipo que este moviendo la turbina. ____ 6. Abra las purgas de la válvula de corte rápido. ____ 7. Bloquee la válvula de suministro de vapor a la turbina. 8. Abra las purgas de la línea de vapor. ____ 9. Mantenga operando el sistema de lubricación hasta que se enfríen las chumaceras. ____ Enfríe la turbina 10. Si la turbina cuenta con torna flecha, póngalo en operación durante el enfriamiento de la turbina, girándolo uniformemente. ____ 11. Cuando este frío el rotor, saque de operación el torna flecha, de acuerdo a las recomendaciones del fabricante. ____ 12. Cierre el suministro de vapor de sellos. ____ Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-65 Acti vidad Desarrollo Verif. Pare el sistema de vacío 13. Ponga fuera de operación el sistema de vacío de la siguiente manera: 13.1. Cierre incondensables al eyector primario. ____ 13.2. Cierre vapor motriz al eyector primario ____ 13.3. Cierre incondensables al eyector secundario. ____ 13.4. Cierre vapor motriz al eyector secundario. ____ 13.5. Cierre la válvula de entrada de vapor a los eyectores. ____ 13.6. Abra las purgas de la línea de vapor a eyectores. ____ 13.7. Cierre salida de condensados del condensador de eyectores al condensador de superficie. ____ 14. Cuando la turbina se encuentre fría, abra las purgas de la carcasa. ____ 15. Pare la bomba de condensado. ____ 16. Bloquee la válvula de salida de condensado. ____ 17. Cierre el condensado al sello hidráulico de la válvula rompedora de vacío y ábrala a la atmósfera. ____ Pare el sistema de lubricación 18. Coloque el selector de arranque de la bomba auxiliar de aceite en la posición de apagado. ____ 19. En cuanto las chumaceras estén frías, pare la bomba principal aceite de lubricación. ____ Bloquee agua de enfriamiento. 20. Bloquee el suministro de agua de enfriamiento a los siguientes equipos: 21. Condensadores de eyectores. ____ 22. Condensador de sellos. ____ 23. condensador de superficie. ____ - Fin del procedimiento - 9.9.1.6 Procedimiento de paro de emergencia de una turbina a contrapresión. El paro de emergencia se efectúa por diversas causas, como una falla mecánica de la turbina, alta vibración o por condiciones anormales de operación del proceso. En este caso se procede de la siguiente manera: Turbinas de vapor 9-66 Ingenieros de nuevo ingreso Acti vidad Desarrollo Verif. Dispare manualmente la turbina. 1. Dispare la turbina por medio del disparo manual de emergencia. ____ 2. Verifique que se cierra la válvula de corte rápido. ____ 3. Cierre la válvula de bloqueo de suministro de vapor. ____ 4. Cierre la válvula de salida de vapor de la turbina. ____ 5. Abra las purgas de la carcasa de la turbina. ____ 6. Bloquee el equipo impulsado por la turbina. ____ - Fin del procedimiento - Turbinas de vapor Ingenieros de nuevo ingreso 9-67 GLOSARIO. Concepto Definición Carcasa a presión. Es el conjunto de partes estacionarias de la turbina sometidas a presión, incluyendo boquillas y otras partes de la unidad. Carcasa bipartida horizontalmente. Se refiere a la unión de la carcasa superior con la carcasa inferior, la cual es paralela a la línea de centros de la flecha. Condiciones máximas de vapor inicial. Es la presión y temperatura más alta del vapor en la entrada de la turbina para operar continuamente. Condiciones mínimas de vapor inicial. Es la presión, temperatura más baja del vapor en la entrada de la turbina para operar continuamente. Condiciones NEMA de entrada y salida. Son equivalentes a las condiciones máximas de entrada y salida de la turbina, especificadas en las hojas de datos. Máxima potencia. Es la potencia máxima que la turbina puede suministrar a las condiciones normales del vapor y velocidad especificadas y si se requiere, boquillas adecuadas (más grandes o adicionales), válvulas más grandes y gobernador de mayor capacidad. Máxima presión de la carcasa en el escape. Es la presión más alta del vapor requerida en el escape que, a las condiciones máximas del vapor a la entrada y la válvula de alivio operando a flujo completo. Operación nominal Es la condición en la cual se obtiene la mayor potencia y velocidad correspondiente de la turbina a un nivel determinado de vapor. Operación normal Es la condición en la que el equipo opera normalmente, en potencia, velocidad y condiciones de vapor. Esta condición debe ser la de mayor eficiencia Presión de trabajo máxima permisible. Es la presión continua más alta del vapor para la cual el fabricante diseñó la turbina (cualquier parte que lo requiera) cuando se maneja vapor a la temperatura especificada. Presión máxima de escape. Es la presión más alta del vapor en la brida de salida de la turbina en operación continua. Presión mínima de escape. Es la presión mínima del vapor en el escape de la turbina en operación continua. Servicio de reserva. Es la turbina disponible que puede operar de inmediato en forma manual o automática a operación continua de acuerdo con las condiciones especificadas. Temperatura máxima permisible. Es la temperatura continua más alta, para la cual el fabricante diseñó la turbina. Velocidad de disparo. Es la velocidad a la que opera el dispositivo de emergencia por sobre- velocidad, cerrando la válvula de entrada de vapor a la turbina. Velocidad máxima continúa. (En revoluciones por minuto). Es igual o mayor a la velocidad obtenida del producto del 105 por ciento y cualquier velocidad de operación continúa especificada. Velocidad máxima permitida. (En revoluciones por minuto). Es la velocidad más alta que el fabricante recomienda al operar continuamente la turbina. Velocidad mínima permitida (rpm). Es la velocidad mínima que el diseño de la turbina permite para una operación continua. Turbinas de vapor 9-68 Ingenieros de nuevo ingreso BIBLIOGRAFÍA. 1. Foust, Alan S. “Principios de Operaciones Unitarias”, Compañía Editorial Continental S.A. de C. V., México, 1987. 2. Petróleos Mexicanos, comité de normalización de petróleos mexicanos y organismos subsidiarios; “Norma de referencia NRF-P2.0335.02”, turbinas de vapor. 3. Faires; Termodinámica. 4. Universidad de Cantabria, España. Diseño de Turbinas de vapor. 5. J.M. Smith, H. C. Van Ness, M. M. Abbott; “Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química”; Quinta edición; McGRAW-HILL.