Información de Turbinas de Vapor

La turbina de vapor es un motor térmico cíclico rotativo, de combustión externa, que movido por vapor produce energía mecánica. El vapor entra a alta presión y temperatura, y se expansiona en la turbina, transformando una parte de su entalpía en energía mecánica. A la salida de la turbina, el vapor ha perdido presión y temperatura.

Al igual que en el caso de las turbinas de gas, el eje suele estar acoplado a un generador directamente o a través de un reductor, donde se transforma la energía mecánica en eléctrica.

Tipos de turbinas de vapor

 Fig 2.15 Funcionamiento esquemático de una turbina de acción

De acción y de reacción

Las turbinas de acción transforman la energía de presión del vapor en velocidad en las toberas y el impulso del vapor a velocidad es el que mueve el rotor.

En las turbinas de acción, el vapor pasa a través de las boquillas y alcanza las palas. Éstas absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar la rueda y con ella el eje al que está unida. La turbina está diseñada de forma que el vapor que entra por un extremo de la misma se expande a través de una serie de boquillas hasta que ha perdido la mayor parte de su energía interna.

Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas. El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es  disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los álabes próxima al valor óptimo con relación a la velocidad del chorro de vapor, con lo que se consigue aumentar la eficiencia.

Fig 2.16 Funcionamiento esquemático de una turbina de reacción

En las turbinas de reacción, hay diferente presión a ambos lados de las ruedas de los álabes y esto es lo que impulsa el rotor. Mientras discurre el vapor entre los álabes móviles, disminuye su presión puesto que el espacio entre álabes es variable.

En ellas se produce un efecto parecido al que sustenta a los aviones. En las dos caras del ala de un avión hay una diferencia de presión, debido a la forma de la misma, que induce una diferencia de velocidades y que dan como consecuencia la diferencia de presiones antedicha.

La mayor parte de las veces los modelos son mixtos constando, primero de una rueda de acción, seguido de otras de reacción. Por lo general, las turbinas pequeñas son de acción y las grandes de reacción o mixtas.

Generalmente, las turbinas de reacción tienen mejor rendimiento.

 

Averías en Turbinas de Vapor

La turbina de vapor es un equipo sencillo, bien conocido y en general con un sistema de control que tiene como objetivo evitar las averías graves.

Igual que sucede en otras máquinas térmicas, detrás de cada avería grave suele haber una negligencia de operación, ya que las turbinas suelen ser equipos diseñados a prueba de operadores.

Dentro de esas negligencias graves están: repetir el arranque de una turbina una y otra vez a pesar de que el sistema esté indicando un problema; desconectar seguridades o elevar los límites de disparo de éstas; entrada de agua por la entrada de vapor, debido a fallo en el control de temperatura de vapor vivo y del enclavamiento oportuno; y por último, no llevar un control adecuado de la calidad del vapor.

Entre las negligencias de mantenimiento que conducen a averías más o menos importantes están: no analizar el aceite o no hacer caso a las recomendaciones del analista, no analizar las vibraciones o no hacer caso de las recomendaciones del informe realizado tras el análisis, no reparar averías menores y esperar a que se conviertan en graves y no realizar adecuadamente determinadas tareas, como el alineamiento o el mantenimiento de válvulas.

1.1.1 Alto nivel de vibraciones

La vibración en una turbina de vapor no es una avería en sí misma, sino un síntoma de un problema que existe en la turbina y que pude derivar en graves consecuencias. Por esta razón, las turbinas de vapor están especialmente protegidas para detectar un alto nivel de vibraciones y provocar la parada de ésta antes de que lleguen a producirse graves daños.

La vibración tiene muy diversas causas, por lo que cuando se presenta  hace necesario estudiar cuál es la que está provocando el fenómeno, para, por supuesto, corregirlo.

La vibración se hace especialmente evidente durante el proceso de arranque, ya que durante este periodo se atraviesan una o varias velocidades críticas de la turbina, velocidades en las que la vibración, por resonancia molecular, se ve notablemente amplificada. Es un error muy habitual no estudiar y corregir el problema que está provocando ese anormalmente alto nivel de vibraciones y limitarse a tomar alguna medida puntual que facilite el arranque; los daños que pueden producirse pueden llegar a ser muy altos. Igual que en el caso del gripado de motores, detrás de una avería grave de turbina suele estar una negligencia grave de operación y/o mantenimiento.

Las causas más habituales que provocan un alto nivel de vibración son las siguientes:

Mal estado de los sensores de vibración o de las tarjetas acondicionadoras de señal:

Es posible que lo que estemos considerando como una vibración sea en realidad una falsa señal, que tenga como origen el mal funcionamiento del sensor encargado de detectarlo. Cuando se produce un disparo por altas vibraciones es conveniente estudiar detenidamente la gráfica de vibraciones del sensor que ha provocado el disparo del periodo anterior a éste (quizás 2-4 horas antes). Una indicación del mal estado de un sensor suele ser que el aumento de vibración no se produce de forma gradual, sino que en la gráfica se refleja un aumento momentáneo muy alto de la vibración. Mecánicamente es muy difícil que este fenómeno se produzca (el aumento instantáneo del nivel de vibración), por lo que si esto se observa, probablemente sea debido a una señal espúrea provocada por el mal estado del sensor o por la influencia de un elemento externo que está provocando una alteración en la medición. 

Desalineación entre turbina y caja de engranajes desmultiplicadora (reductor):

Es la causa de al menos el 20% de los casos de altos niveles de vibración en turbina. A pesar de que el acoplamiento es elástico y en teoría soporta cierta desalineación, casi todos los fabricantes de acoplamientos elásticos recomiendan alinear éste como si fuera un acoplamiento rígido. Es importante respetar las tolerancias indicadas por el fabricante, tanto horizontal como vertical, con el reductor. También hay que tener en cuenta que la alineación en caliente y en frío puede variar. Por ello, es necesario realizar una alineación inicial en frío, preferentemente con un alineador láser (por su precisión), y realizar después una alineación en caliente para ver la variación. Si en esta segunda es necesario corregir algo, es conveniente anotar la desalineación que es necesario dejar en frío (en el eje horizontal y/o en el eje vertical) por si en el futuro hay que realizar un desmontaje y es necesario repetir estas alineaciones 

Mal estado del acoplamiento elástico entre turbina y desmultiplicador:

Es conveniente realizar una inspección visual periódica del acoplamiento (al menos una vez al año) y vigilar sobre todo la evolución de las vibraciones

Mal estado del acoplamiento desmultiplicador-alternador:

Este es un caso típico de vibración inducida por un equipo externo a la turbina pero unido a ésta. La vibración no es realmente de la turbina, sino que proviene de una causa externa. Igual que en el caso anterior, es conveniente realizar inspecciones visuales periódicas del acoplamiento y vigilar la evolución del nivel de vibración.

Vibración del alternador o del desmultiplicador, que se transmite a la turbina: 

Es otro caso de vibración detectada en la turbina pero proveniente de un equipo externo a ésta. La vibración en el alternador o en desmultiplicador se verá más adelante.

Problema en la lubricación de los cojinetes, que hace que el aceite de lubricación no llegue correctamente (en caudal o en presión) a dichos cojinetes:

Hay que diferenciar los problemas relacionados con caudal y presión con los problemas relacionados con la calidad del aceite. En referencia a los primeros, la obstrucción de los conductos por los que circula el aceite, el mal estado de los filtros y una avería en las bombas de lubricación (recordemos que una turbina suele llevar varias: una bomba mecánica cuya fuerza motriz la proporciona el propio eje de la turbina; una bomba de prelubricación, eléctrica, para arranques; y una bomba de emergencia, que se pone en marcha ante un fallo eléctrico). Al ser la cantidad de aceite insuficiente, la posición del eje y el cojinete varían de forma cíclica, dando lugar a la vibración. En casos más graves, el eje y el cojinete se tocan sin película lubricante, que provoca una degradación del eje de forma bastante rápida.

Mala calidad del aceite:

 El aceite lubricante, con el tiempo, pierde algunas de sus propiedades por degradación de sus aditivos y se contamina con partículas metálicas y con agua. La presencia de agua, de espumas, la variabilidad de la viscosidad con la temperatura, el cambio de viscosidad en un aceite degradado suelen ser las causas que están detrás de una vibración provocada por la mala calidad del aceite. De ellas, es la presencia de agua la más habitual, por lo que el análisis periódico del aceite, el purgado de agua y la reparación de la causa que hace que el agua entre en el circuito de lubricación son las mejores medidas preventivas.

Mal estado de cojinetes:

Los tres cojinetes de los que suele disponer una turbina de vapor de las usadas en plantas de cogeneración (delantero, trasero o de empuje o axial) sufren un desgaste con el tiempo, aún con una lubricación perfecta. Estos cojinetes están recubiertos de una capa de material antifricción, que es la que se pierde. Por esta razón, es necesario medir periódicamente las holguras entre eje y cojinetes, y el desplazamiento del eje, para comprobar que los cojinetes aún están en condiciones de permitir un funcionamiento correcto de la turbina. Estas tolerancias están indicadas siempre en el libro de operación y mantenimiento que el fabricante entrega, y es necesario respetar los intervalos de medida de estas holguras y el cambio si esta comprobación revela la existencia de un problema. El adecuado mantenimiento del sistema de lubricación contribuye de una manera innegable a alargar la vida de estos cojinetes, y de la misma forma, un mantenimiento incorrecto del aceite, sus presiones y sus caudales provoca una degradación acelerada de éstos (Figura 6.1).

Cojinete radial o de apoyo en mal estado, con marcas de roce metal-metal entre el eje y el cojinete

Mal estado del eje en la zona del cojinete:

Si una turbina ha estado funcionando con el aceite en mal estado, o con una lubricación deficiente, es posible que sus cojinetes estén en mal estado, pero también es posible que hayan terminado por afectar al eje. Si uno y otro rozan en algún momento, es posible que este último presente arañazos o marcas que provocarán vibraciones y pueden dañar el nuevo cojinete. En caso de detectarse daños en el eje, es necesario repararlos, con un lijado, un rectificado in situ o en taller, aporte de material, etc. La mejor forma de prevenir este daño es análisis periódico de la calidad del aceite y en caso necesario su sustitución, el adecuado mantenimiento del sistema de lubricación, y la sustitución del cojinete cuando se detecta que la holgura supera los límites indicados por el fabricante o cuando una inspección visual de éste así lo aconseja.

Desequilibrio del rotor por suciedad o incrustaciones en álabes:

El desequilibro es la causa más habitual de vibraciones en máquinas rotativas, representando aproximadamente un 40% de los casos de vibración. Un tratamiento químico inadecuado del agua de caldera y del vapor que impulsa la turbina termina dañando no solo ésta, sino también el ciclo agua-vapor y la propia caldera. El tratamiento químico del agua de caldera es tan importante como el control del aceite de lubricación: sin estos dos puntos perfectamente resueltos es imposible mantener adecuadamente una instalación de cogeneración equipada con una turbina de vapor. El primer problema que se manifestará por un tratamiento químico inadecuado será la presencia de partículas extrañas depositadas en los álabes de la turbina. Como esta deposición no se hará nunca por igual en todos los elementos rotativos, el rotor presentará un desequilibrio que se traducirá en alto nivel de vibraciones. Las incrustraciones en los álabes de la turbina pueden estar provocadas por niveles inadecuados de carbonatos, sílice, hierro, sodio u otros metales. Para eliminarlas, será necesaria una limpieza de los álabes, y si el problema es grave, puede significar un chorreado de éste. Posteriormente a la limpieza, será necesario realizar un equilibrado dinámico de la turbina. 

Desequilibrio en el rotor por rotura de un álabe:

No es frecuente, pero si una partícula extraña entra la turbina y golpea un álabe puede provocar una pérdida de material o un daño que afectará al equilibrado del rotor. Para evitarlo, se colocan unos filtros que retienen objetos de cierto tamaño que puedan estar en circulación por las tuberías de vapor. Si este filtro está dañado o se ha retirado, partículas grandes podrían dañar los álabes. La reparación significa sustituir los álabes dañados, realizar una limpieza interior de la turbina y equilibrar. Se trata de una avería cara. Para evitarla, hay que asegurarse de que no puede desprenderse ningún elemento que pueda estar en circulación por las tuberías de vapor y que el filtro de vapor se encuentra en condiciones de realizar perfectamente su función. Es conveniente realizar inspecciones visuales con la un boroscopio o endoscopio, para poder observar el estado de la superficie de los álabes sin necesidad de desmontar la carcasa de la turbina. (Ver apartado dedicado al mantenimiento predictivo)

En otras ocasiones el daño en álabes puede estar provocado por roce entre éstos y partes fijas de la turbina (Figura 6.2). En estos casos el origen del fallo pudo ser el mal estado de cojinetes de apoyo o de empuje que hicieron que la posición del eje rotor estuviera fuera de su especificación. El síntoma que revela que está habiendo un problema es un alto nivel de vibración. Si se detecta un nivel de vibración elevado y aún así se mantiene la turbina en marcha, se está dejando la puerta abierta a que se produzca este grave fallo.

Fig 6.2 Turbina de vapor cuyos álabes presentan  marcas de rozaduras con partes fijas de la turbina

Desequilibrio en rotor por mal equilibrado dinámico, o por pérdida o daño en algún elemento que gira (tornillos, arandelas, tuercas):

El desequilibrio puede ser un fallo de origen (el equilibrado inicial de la turbina fue deficiente) o puede ser un fallo sobrevenido. En ese segundo caso, es importante que al efectuar reparaciones en el rotor de la turbina no quede ningún elemento sin montar o montado de forma inadecuada. Es incluso conveniente numerar los tornillos y arandelas que se desmontan para montarlos exactamente igual. Si es el eje el que está dañado, hay que reparar el daño aportando material, rectificando, limpiando, lijando, etc. Es conveniente tener un espectro de vibraciones desde la puesta en servicio del equipo. Este primer espectro será de gran utilidad, y siempre será una referencia para saber si hay problema inicial o sobrevenido.

Curvatura del rotor debido a una parada en caliente con el sistema virador parado:  

Las turbinas de vapor están equipadas con un sistema virador que facilita que el eje no se curve cuando está caliente. La misión de este sistema es redistribuir los pesos uniformemente sobre el eje de rotación, y evitar curvaturas que desequilibrarían el rotor. Si la turbina se para en caliente y el sistema virador no entra en marcha es posible que el eje se curve hacia arriba. El problema se detecta siempre al intentar arrancar, y comprobar que el nivel de vibración es más alto del permitido. Si es así, la solución más adecuada es mantener la turbina girando sin carga y a una velocidad inferior a la nominal durante varias horas. Transcurrido ese tiempo, si ésta es la causa del problema, la vibración habrá desaparecido y volverá a valores normales.

Eje curvado de forma permanente:

El eje puede estar curvado de forma permanente, es decir, con una deformación no recuperable siguiendo el procedimiento indicado en el apartado anterior. No es fácil que esto suceda después de la puesta en marcha inicial de la turbina, y habitualmente se debe a un fallo preexistente, y que proviene del proceso de fabricación. Es habitual que el equilibrado dinámico haya enmascarado el problema, aunque en el espectro inicial de vibración, el que es recomendable realizar el inicio de la operación del equipo, es seguro que estará presente.

Fisura en el eje:

En ocasiones, un defecto superficial del eje avanza y termina convirtiéndose en una fisura o grieta, que provoca un desequilibrio en el eje. Puede ocurrir por un defecto de fabricación del eje (lo más habitual) o puede estar relacionado con corrosiones que el rotor puede estar sufriendo. Cuando esto ocurre, se detecta a través del análisis de vibraciones, y en la mayoría de los casos son visibles a simple vista o con ayuda de algún elemento de aumento. La solución suele ser cambiar el eje del rotor, aunque en algunos casos es posible la reparación en empresas especializadas en este tipo de trabajos en metales especiales, mediante saneamiento, aportación de material, rectificado y tratamiento de alivio de tensiones. Será necesario volver a realizar un equilibrado del eje. Como medida preventiva para evitar corrosiones que convierten un defecto superficial en una grieta o fisura, está el control químico del vapor a turbina.

Corrosión o incrustaciones en el eje, álabes, etc:

Si el acondicionamiento del vapor no ha sido el adecuado, pueden producirse corrosiones en los álabes o deposiciones de materiales extraños a la turbina en éstos. Estas incrustaciones y corrosiones desequilibran la turbina al modificar el reparto de pesos a lo largo del eje de rotación. Cuando esto se produce la solución es la limpieza del conjunto rotor por chorreado o por limpieza mecánica. Habitualmente hay que extraer el rotor y realizar esta limpieza fuera de la turbina. En caso de incrustación, es conveniente tomar muestras de los materiales depositados y analizarlos, para conocer el origen de las partículas extrañas y tomar las medidas correctoras oportunas. Una vez limpiado el eje, será necesario equilibrarlo de nuevo. La mejor medida preventiva es realizar un cuidadoso control químico en el agua de aportación, en el desgasificador, en los condensados, en el agua del calderín y en el vapor. 

Presencia de agua o partículas en el vapor:

Si el vapor a la entrada a turbina tiene partículas de agua líquida, el choque de las gotas contra la turbina puede provocar vibraciones y desequilibrios. El vapor puede contener agua líquida por fallo en el sobrecalentamiento, por una atemperación excesiva, porque la válvula de atemperación esté en mal estado, o porque en el camino entre la válvula de atemperación y la entrada a turbina sufra un enfriamiento anormal. Si esto se produce es necesario detectarlo y corregirlo cuando antes, pues provocará una erosión en los álabes de la turbina, y se dañarán. El análisis de vibración y las inspecciones boroscópicas ayudarán en la tarea de detección temprana del problema. La solución consiste inevitablemente en corregir el problema que esté causando la presencia de agua en el vapor.

Defecto en la bancada:

Una bancada mal diseñada o mal ejecutada pueden provocar vibración. Cuando se detecta una vibración, es conveniente en primer lugar verificar el estado de la bancada, intentando descubrir grietas, falta de material, etc. Si la vibración está presente desde la puesta en marcha y se han descartado otras causas, es muy probable que el problema esté relacionado con el diseño o con la ejecución de la bancada. La solución, en este caso, será revisar el diseño de la bancada, y si éste es correcto, volver a ejecutarla.

Defecto en la sujeción a la bancada:

A pesar de que la bancada pueda estar bien ejecutada, la turbina puede no estar convenientemente sujeta a esta. Esto puede ocurrir porque los tornillos de sujeción no tengan el par de apriete apropiado o porque los tornillos no anclen correctamente a la bancada. Este fallo es mucho más habitual de lo que pueda parecer. Algunos autores denominan a este fallo ‘pedestal cojo’, y el análisis de vibración revela este fallo con relativa facilidad. Cuando este problema ocurre, se observa que aflojando uno de los tornillos de sujeción (el que causa el problema) el nivel de vibraciones extrañamente disminuye.   

Tensión de tuberías de vapor:

Si el alineamiento de tuberías no es perfecto o no se han considerado correctamente los efectos térmicos de la dilatación, pueden provocarse tensiones en tuberías que hagan que se ejerza una fuerza extraña sobre la carcasa de la turbina. Estas fuerzas pueden provocar vibraciones, entre otras cosas. La tubería de entrada de vapor en turbinas pequeñas suele ser flexible, y la salida suele ir equipada con un compensador que une la carcasa de la turbina a la tubería de salida. Para comprobar si existe algún problema en este sentido, es conveniente soltar las tuberías de entrada y salida y comprobar cuál es su posición natural sin estar unidas a la turbina.

 

Principales Elementos de Turbinas de Vapor

La turbina se compone de:

  1. Sistema de admisión
  2. Cuerpo de turbina. Formado por el rotor (contiene las coronas giratorias de álabes), el estator, el eje y la carcasa (conteniendo las coronas fijas de toberas).
  3. Escape de la turbina. Es el cuerpo posterior de la turbina por donde se conduce el vapor al condensador o a la tubería de contrapresión.
  4. Secciones de extracción o reinyección. Es la zona por donde se extrae el vapor a presión intermedia o se inyecta.
  5. Cierres laberínticos de vapor. Disminuye las fugas de vapor por los huecos, siendo conducido el vapor de fuga a un condensador de vahos o se extrae con eyectores.
  6. Reductor. Al igual que ocurría en el caso de turbinas de gas, en potencias menores de 50 MW, la velocidad de rotación del eje suele ser superior a la necesaria para el accionamiento de un alternador (salida 1.500-1.800 r.p.m /3000-3600 rpm) y suele necesitarse la participación de este elemento reductor del número de revoluciones
  7. Generador. Es el elemento consumidor de la fuerza motriz aportada por la turbina y es el que genera la corriente eléctrica que se desea.

Sistema de admisión

Sistema de admisión. Consta de una válvula de cierre rápido, el grupo de válvulas de control y toberas de admisión

Las válvulas de control de admisión son unos de los elementos más importantes de la turbina de vapor y regulan el caudal de entrada a la turbina. Es una válvula pilotada hidráulicamente con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente.

Detalle de válvulas de regulación en turbina de vapor de 8 MW. Cortesía de Blohm & Voss

El rotor

El rotor de una turbina de acción es de acero fundido con ciertas cantidades de Níquel o cromo para darle tenacidad al rotor, y es de diámetro aproximadamente uniforme. Normalmente las ruedas donde se colocan los álabes se acoplan en caliente al rotor. También se pueden fabricar haciendo de una sola pieza forjada al rotor, maquinando las ranuras necesarias para colocar los álabes.

Los álabes se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de cromo, con las curvaturas de diseño según los ángulos de salida de vapor y las velocidades necesarias. Son críticas las últimas etapas por la posibilidad de existencia de partículas de agua que erosionarían a los álabes. Por ello suelen tener un recubrimiento resistente a la abrasión.

La carcasa

La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, que se desmonta cuando se quiere acceder al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o álabes fijos.

Las carcasas se realizan de hierro, acero o aleaciones de acero, dependiendo de la temperatura del vapor. Obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presión son de materiales más resistentes que en la parte del escape.

Los álabes fijos y móviles se colocan en posición adecuada en ranuras alrededor del rotor y carcasa. Los álabes se pueden asegurar solos o en grupos y bien se fijan a su posición por medio de un pequeño seguro, en forma de pequeño perno, o bien se remachan en su lugar. Los extremos de los álabes se fijan en un anillo donde se remachan los álabes, y los más largos a menudo se amarran entre sí con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.

La carcasa va normalmente recubierta por una manta aislante que disminuye la radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se enfríe, pierda energía y por tanto la turbina pierda potencia y rendimiento. Esta manta aislante suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradación y permite quitarla y ponerla con mayor facilidad.

Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales

Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de una capa antifricción. En realidad, el eje no gira sobre ellos, sino sobre una capa de aceite de lubricación. Son elementos de desgaste, que deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia establecida si su coste es bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado deficiente.

En la fotografía adjunta puede verse la parte inferior de un cojinete de apoyo y el eje.

Detalle de cojinete de apoyo, eje y sello de vapor

Cojinete de empuje o axial

El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la dirección del eje. Supone un tope para el desplazamiento. En caso de no existir este tope el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor repercutiría en el reductor, aplicando en él una fuerza que no puede absorber.

El cojinete axial hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje, según puede apreciarse en la figura.

Esquema de disposición de cojinetes

Este cojinete, realizado en un material blando, está recubierto por una capa de material antifricción, que supone un rozamiento mínimo entre el disco y el cojinete. Además, el cojinete está convenientemente lubricado.

Cuando el desgaste de este disco es excesivo, se produce un desplazamiento mayor del permisible, que transmite esa fuerza no deseable a otros elementos acoplados al eje de la turbina. Para comprobar el estado de ese cojinete, además de la medida de la temperatura y de las vibraciones del eje, se mide de forma constante el desplazamiento axial. Si se excede el límite permitido, para evitar daños, el sistema de control provoca la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta en marcha.

Sistema de lubricación

Proporciona el aceite lubricante. Para asegurar la circulación del aceite en todo momento (un fallo en este sistema provocaría graves daños, sobre todo en el eje y en los cojinetes), el sistema suele estar equipado con tres bombas:

•  Bomba mecánica principal. Está acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre que esté girando la turbina está girando la bomba, asegurándose así la presión de bombeo mejor que con una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques y paradas esta bomba no da presión suficiente, por lo que es necesario que el equipo tenga al menos una bomba adicional

•   Bomba auxiliar. Se utiliza exclusivamente en los arranques y paradas, y sirve para asegurar la correcta presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este servicio. A unas revoluciones determinadas durante el arranque, automáticamente se cambia de bomba auxiliar a bomba principal, y lo mismo durante las paradas de la turbina.

•  Bomba de emergencia. Si se produce un cero de planta, ésta queda sin tensión y la turbina de vapor dispara, durante la parada habría un momento en que ésta se quedaría sin lubricación, ya que la bomba auxiliar no tendría tensión. Para evitar este problema, las turbinas suelen ir equipadas con una bomba de emergencia que funciona con corriente continua proveniente de un sistema de baterías.

Sistema de extracción de vahos

El depósito de aceite suele estar a presión inferior a la atmosférica. De esta forma los vapores de aceite son extraídos y se dificulta una posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de lubricación suele ir equipado con un extractor que garantiza que los vapores del aceite serán extraídos y se mantendrá una presión baja en el depósito.

Sistema de refrigeración de aceite

El aceite en su recorrido de lubricación se calienta; al calentarse modifica su viscosidad, y por tanto, sus características lubricantes. Si el calor es excesivo, se degrada. Para evitar todo esto, el sistema de lubricación dispone de unos intercambiadores que enfrían el aceite. Estos intercambiadores pueden ser aire-aceite, de forma que el calor del aceite se evacua a la atmósfera, o agua-aceite, de forma que el calor se transfiere al circuito cerrado de refrigeración con agua de la planta.

En caso de refrigeración por agua, este circuito combina normalmente la refrigeración de aceite del reductor y alternador, así como la refrigeración de los devanados del alternador.

Sistema de aceite de control

Cuando la válvula de regulación se acciona hidráulicamente el conjunto de turbina va equipado con un grupo de presión que eleva la presión del aceite en el circuito de aceite de control hasta la necesaria, normalmente entre los 50 y los 200 bar de presión. El sistema de control gobierna la válvula de salida del grupo, que hace llegar la presión de aceite hasta la válvula de regulación de entrada de vapor.

Sistema de sellado de vapor

Las empaquetaduras o cierres en el eje evitan la fuga de vapor al exterior en la partes a presión o entrada de aire en las parte bajo vacío. Hay dos tipos de cierres: los cierres laberínticos y los aros de carbono. Se puede utilizar uno de los dos tipos de cierre o bien ambos simultáneamente. En la figura posterior se puede ver un esquema del cierre laberíntico, que lo que pretende es dificultar el flujo de vapor a través de él. En un punto intermedio se inyecta vapor que establece una barrera a la fuga desde la parte de alta presión. En un punto más exterior se extrae conjuntamente vapor que procede de la parte interna y aire del exterior, para evitar que el aire entre al interior de la carcasa en la zona de vacío, o que el vapor salga por el eje en la zona de presión positiva.

Cierres laberínticos. Detalle

Generalmente, las fugas de vapor de los cierres laberínticos, así como el  drenaje se llevan a un condensador de vapor, con el objeto de aprovechar el agua tratada. Normalmente, el condensador funciona con agua del circuito de refrigeración. Otras veces el vapor de cierres se expulsa a la atmósfera mediante eyectores de vapor. En turbinas de vapor de condensación, el vapor de cierres se lleva al condensador.

Virador 

El sistema virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no está en funcionamiento. Esto se hace para evitar que el rotor se curve al estar parado, por su propio peso o por expansión térmica. La velocidad de este sistema es muy baja (varios minutos para completar un giro completo de turbina), pero se vuelve esencial para asegurar la correcta rectitud del rotor. Si por alguna razón este sistema se detiene (avería del rotor, avería de la turbina, inspección interna con desmontaje) es necesario asegurar que, antes de arrancar, estará girando varias horas con el sistema virador.

Compensador

Es el elemento de unión entre la salida de la turbina y el resto de la instalación (generalmente las tuberías que conducen al condensador o el propio condensador). Ya que la carcasa de la turbina sufre grandes cambios de temperatura, este elemento de unión es imprescindible para controlar y amortiguar el efecto de dilataciones y contracciones .

En turbinas de vapor de contrapresión generalmente no es necesario el compensador de dilatación en el escape.

 

Mantenimiento Programado de Turbinas de Vapor

Las tareas de mantenimiento programado que corresponden a la turbina de vapor son las siguientes:

Mantenimiento operativo diario

  • Comprobación de alarmas y avisos
  • Vigilancia de parámetros (niveles de vibración, revoluciones, temperaturas de entrada y salida del vapor, presiones de entrada y salida, presión, temperatura y caudal de aceite de lubricación, presión de vacío del depósito de aceite de lubricación, comprobación de nivel de aceite, presión diferencial de filtros, entre otros)
  • Inspección visual de la turbina y sus auxiliares (fugas de aceite, fugas de vapor, fugas de agua de refrigeración, ruidos y vibraciones anormales, registro de indicadores visuales)

Quincenal

  • Inspección visual de la turbina
  • Inspección de fugas de aceite
  • Limpieza de aceite (si procede)
  • Comprobación del nivel de aceite
  • Inspección de fugas de vapor
  • Inspección de fugas de agua de refrigeración
  • Lectura de vibraciones (amplitud)
  • Inspección visual de la bancada
  • Purga de agua del aceite de lubricación
  • Inspección visual del grupo hidráulico de aceite de control
  • Inspección visual del sistema de eliminación de vahos

Mensual

Además de las tareas detalladas con periodicidad quincenal, es conveniente realizar las siguientes:

  • Muestra de aceite para análisis
  • Comprobación de lubricación de reductor y de alternador
  • Análisis del espectro de vibración en turbina, reductor y alternador, a velocidad nominal. Puede no realizarse, si los niveles de vibración son normales.

Anual

  • Análisis del espectro de vibración de turbina, reductor y alternador, a distintas velocidades y en aceleración
  • Inspección boroscópica de álabes
  • Apertura de cojinetes y comprobación del estado. Cambio de cojinetes si procede
  • Cambio de filtros de aceite
  • Inspección de la válvula de regulación de turbina
  • Inspección del grupo hidráulico. Cambio de filtros y de aceite, si procede
  • Inspección del sistema de eliminación de vahos
  • Cambio de aceite, si procede (según análisis)
  • Comprobación de pares de apriete de tornillos
  • Comprobación de alineación de turbina-reductor y reductor-alternador
  • Comprobación del estado de acoplamiento turbina reductor y reductor-alternador
  • Limpieza y/o sustitución del filtro de vapor
  • Calibración de la instrumentación
  • Comprobación del vapor de sellos
  • Termografía de la turbina
  • Limpieza y mantenimiento del cuadro de control
  • Inspección del virador
  • Prueba de potencia
  • Limpieza de alternador
  • Verificación eléctrica del alternador
  • Cambio de filtros de alternador 

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Ya está disponible la Guía 4: Guía para la implementación de RCM3 en instalaciones. La Guía trata de aportar una vía clara y práctica para la implementación de RCM3 en diversos tipos de instalaciones, identificando las funciones de los equipos analizados, los fallos, sus causas y las medidas preventivas a adoptar para que no se materialicen. 

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El Instituto RENOVETEC de Ingeniería del Mantenimiento, IRIM, ha editado el número6 de la revista IRIM. 

Puedes descargarte la revista de forma totalmente gratuita en formato pdf desde aquí.

Novedades Editoriales

TURBINAS DE GAS

MONTAJE, PUESTA EN MARCHA, OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE TURBINAS

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Novedades Editoriales

libro Construcción de Centrales de Ciclo Combinado

CONSTRUCCIÓN DE CENTRALES DE CICLO COMBINADO

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GUIA IRIM 2: ELABORACIÓN DE PLANES DE MANTENIMIENTO

Una Guía de carácter práctico, con la que el Ingeniero de Mantenimiento, siguiendo los pasos que se indican, debe ser capaz de desarrollar un plan de mantenimiento incluso aunque posea poca experiencia realizando este tipo de trabajo.

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