TURBINAS DE VAPOR APLICACIÓN A LA TERMODINAMICA TERMODINAMICA JORGE FONSECA, DAGOBERTO MORRON, EDUARDO SALAS Y MARIA F. VELASQUEZ VEL ASQUEZ
Julio del 2014
TRABAJO TURBINAS DE VAPOR Y SU APLICACIÓN A LA TERMODINAMICA
AUTORES: JORGE ARMANDO FONSECA PINEDA DAGOBERTO JOSE MORRON SUAREZ EDUARDO SALAS SOLANO MARIA FERNANDA VELASQUEZ GARRIDO
Informe sobre las Turbinas de Vapor
UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO FACULTAD DE INGENIERIA BARRANQUILLA- ATLANTICO 2014
TRABAJO TURBINAS DE VAPOR Y SU APLICACIÓN A LA TERMODINAMICA
AUTORES: JORGE ARMANDO FONSECA PINEDA DAGOBERTO JOSE MORRON SUAREZ EDUARDO SALAS SOLANO MARIA FERNANDA VELASQUEZ GARRIDO
Informe sobre las Turbinas de Vapor
UNIVERSIDAD DEL ATLANTICO FACULTAD DE INGENIERIA BARRANQUILLA- ATLANTICO 2014
CONTENIDO
INTRODUCCION
6
1. DEFINICION DEL INFORME
7
2. JUSTIFICACION
8
3. OBJETIVOS
9
3.1. OBJETIVO GENERAL
9
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
9
4. TURBINAS DE VAPOR
10
4.1. ¿QUÉ SON LAS TURBINAS DE VAPOR?
10
4.2. HISTORIA Y EVOLUCION DE LAS TURBINAS DE VAPOR
10
4.3. CLASIFICACION
12
4.3.1. Turbina de vapor de reacción
12
4.3.2. Turbina de vapor de acción
14
4.3.3. Turbina monoetapa
14
4.3.4. Turbina multietapa
14
4.3.5. Turbina de flujo radial
16
4.3.6. Turbina de extracción de vapor
16 3
4.3.7. Turbina de contrapresión
16
4.3.8. Turbina de condensación
16
4.4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS
16
4.5. ELEMENTOS QUE COMPONEN A LAS TURBINAS DE VAPOR
18
4.5.1. El rotor
18
4.5.2. La carcasa
19
4.5.3. Alabes
19
4.5.4. Válvula de regulación
19
4.5.5. Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales
19
4.5.6. Cojinete de empuje o axial
20
4.5.7. Sistema de lubricación
20
4.5.8. Sistema de extracción de vahos
21
4.5.9. Sistema de refrigeración de aceite
21
4.5.10. Sistema de aceite de control
21
4.5.11. Sistema de sellado de vapor
21
4.5.12. Virador
21
4.5.13. Compensador
22
5. TURBINAS DE VAPOR Y CICLOS TERMODINAMICOS
22
5.1. CICLO RANKINE
22
5.1.1. Diagrama T-s del ciclo Rankine
23
5.2. CICLO DE RECALENTAMIENTO IDEAL
23
6. TURBINAS EN LA INDUSTRIA
24
6.1. PRINCIPALES AVERIAS
25 4
6.2. MANTENIMIENTO DE TURBINAS DE VAPOR PARA
26
CENTRALES ELÉCTRICAS 7. CONCLUSION
27
BIBLIOGRAFIA
28
ANEXOS
29
5
INTRODUCCION
A lo largo de la historia, desde la revolución industrial, son diversas las herramientas y maquinas que el hombre ha utilizado para llevar a cabo procedimientos en sus procesos industriales, y de allí, con la evolución de la tecnología y el uso de nuevos métodos también ha variado de acuerdo a las nuevas necesidades que se presentan. Las turbinas de vapor son máquinas esencialmente importantes cuando se habla de generación de energía debido a que gran parte de la energía eléctrica generada en el planeta se obtiene diariamente con turbinas de vapor. Como es sabido, una turbina de vapor es una turbo máquina que cambia la energía de un flujo de vapor en energía mecánica es por eso que son muy utilizadas alrededor de todo el mundo, por la manera como operan estas grandes piezas de ingeniería. Las turbinas de vapor en la actualidad se diseñan con un alto grado de confiabilidad y adaptabilidad en comparación con sus primeros modelos, hasta tal punto de ir mejorando su productividad puesto que cada vez son más y más eficientes y productivas.
6
1. DEFINICION DEL INFORME
El siguiente informe va dirigido a la profundización acerca de las turbinas de vapor, desde su definición, clasificación, principios de funcionamientos, entre otros; además que se hará un principal enfoque hacia su aplicación a la termodinámica y la importancia que conlleva su utilización en la industria. Se desea realizar a continuación una recopilación generalizada de información sobre la “turbo maquina motora”, el desarrollo estructural y tecnológico que ha
tenido desde su creación y los focos de importancia en los sectores industriales, no solo en el mundo sino en Colombia.
7
2. JUSTIFICACION
Respondiendo a la necesidad de encontrarnos como Ingenieros en formación y dicho así, nuestro obligatorio conocimiento a cerca de las herramientas que nos llevara a cumplir con nuestras funciones, el presente trabajo busca la recopilación y posterior organización de todos los aspectos a saber a cerca de las Turbinas de vapor, siendo una de las principales maquinas de utilización en la industria. De igual forma, se debe llevar la vanguardia en información y tecnología con el fin de fomentar día a día el mejoramiento de procesos para asegurar una optima prestación de productos y servicios para la sociedad.
8
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL
Conocer la importancia de las turbinas de vapor en el desarrollo de los diferentes procesos industriales mediante el conocimiento claro de su definición y funcionamiento para que posteriormente el Ingeniero lleve a la práctica su conocimiento.
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
Comprender el concepto de turbina de vapor, su funcionamiento y su evolución desde su creación. Reconocer los tipos de turbinas de vapor e identificar las diferencias entre ellas. Identificar la importancia de la utilización de las turbinas de vapor en los procesos industriales. Analizar y comprender la utilización de las turbinas en los ciclos de transformación de energía. Reconocer las diferentes aplicaciones que tienen las turbinas de vapor en la termodinámica.
9
4. TURBINAS DE VAPOR.
4.1. ¿QUÉ SON LAS TURBINAS DE VAPOR? La turbina es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. Este vapor se genera en una caldera, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una maquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas de vapor son máquinas simples que tienen prácticamente una sola parte móvil, el rotor. Sin embargo, requieren algunos componentes auxiliares para funcionar: cojinetes de contacto plano para sostener el eje, cojinetes de empuje para mantener la posición axial del eje, un sistema de lubricación de los cojinetes y un sistema de estanqueidad que impide que el vapor salga de la turbina y que el aire entre en ella. La velocidad de rotación se controla con válvulas en la admisión de vapor de la máquina. La caída de presión en las palas produce además una fuerza axial considerable en las palas móviles, lo que se suele compensar con un pistón de equilibrado, que crea a su vez un empuje en sentido opuesto al del vapor.
4.2. HISTORIA Y EVOLUCION DE LAS TURBINAS DE VAPOR Históricamente, las primera turbina de vapor de la que se tiene constancia fue construida por Herón de Alejandría alrededor del año 175 A. C., la cual consistía en un esfera metálica con dos toberas en sus polos y orientadas en el mismo sentido por donde escapaba el vapor. La esfera giraba diametralmente, apoyada sobre la caldera por los conductos de entrada del vapor.
10
Imagen 1
Hasta 1629 no se tiene constancia de un nuevo diseño independiente de una turbina de vapor, Giovanni Brance utilizo un chorro de vapor para impulsar el giro de una rueda de molino de agua, aunque no logro aplicarlo a ningún uso industrial útil. La primera aplicación industrial para una turbina de vapor fue patentada en Suecia por De Laval en 1878 y consistía en una maquina centrifuga desnatadora que revolucionó la producción de leche, impulsada por vapor.
Im a g e n 2
11
El último impulso para la utilización de las turbinas de vapor con fines industriales y comerciales lo dio Charles Algernon Parsons en 1884, con el diseño y construcción de una turbina de vapor de alta velocidad que podía a alcanzar hasta 18.000 rpm. A principios del siglo veinte la mayoría de barcos modernos eran ya equipados con este tipo de motor.
4.3. CLASIFICACION La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), según el número de etapas (multietapa o monoetapa), según la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape y por último por la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre o condensación).
4.3.1. Turbina de vapor de reacción En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas móviles y las otras fijas. Las palas fijas están colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de reacción, que se montan en un tambor que actúa como eje de la turbina. En la turbina de reacción se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de la primera etapa para que entre en un segundo rodete.
12
Imagen 3
Se denomina grado de reacción a la fracción de la expansión producida en la corona móvil respecto a la total, un grado de reacción 1 índica que la turbina es de reacción pura, mientras que para el valor cero será una turbina de vapor de acción.
Imagen 4
13
4.3.2. Turbina de vapor de acción Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de: 1. Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en energía cinética. 2. Una corona móvil, fija sobre un eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar en energía mecánica de rotación, la energía cinética puesta a su disposición. Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a través de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que está unida. Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.
4.3.3. Turbina monoetapa Se utilizan para turbinas de hasta 2 MW de potencia, al ser de más simple construcción son las más robustas y seguras, además de acarrear menores costes de instalación y mantenimiento que las multietapa.
4.3.4. Turbina multietapa El objetivo de los escalonamientos en la turbina de vapor es disminuir la velocidad del rodete conservando una velocidad de los alabes próxima al valor optimo con relación a la velocidad del chorro de vapor. Si tenemos una presión de vapor muy elevada sin las etapas necesarias, sería necesario que la turbina girase a una velocidad muy alta, que no sería viable mecánicamente por las dimensiones que debería tener el reductor (caja de engranajes que ajustaría la velocidad final del eje a la deseada).
14
Imagen 5
Consiguen mejores rendimientos que las monoetapa, además pueden absorber flujos de vapor de mucha mayor presión, por lo que se utilizan para turbinas de alta potencia. Suelen utilizarse turbinas mixtas, con las primeras etapas de acción y las finales de reacción.
Imagen 6
15
4.3.5. Turbina de flujo radial El paso de vapor se realiza siguiendo todas las direcciones perpendiculares al eje de la turbina.
4.3.6. Turbina de extracción de vapor Se realiza en etapas de alta presión, enviando parte del vapor de vuelta a la caldera para sobrecalentarlo y reenviarlo a etapas intermedias. En algunas ocasiones el vapor también puede ser extraído de alguna etapa para derivarlo a otros procesos industriales.
4.3.7. Turbina de contrapresión La presión del vapor a la salida de la turbina es superior a la atmosférica, suele estar conectado a un condensador inicial que condensa al vapor, obteniéndose agua caliente o sobrecalentada, que permite su aprovechamiento térmico posterior.
4.3.8. Turbina de condensación El vapor sale a una presión inferior a la atmosférica, en este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento.
4.4. PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO DE LAS TURBINAS Las primeras turbinas de vapor del tipo industrial, fue la desarrollada por Laval hace mediados del siglo XIX, la que aprovechaba la energía cinética del vapor para impulsar un rotor que tenía una serie de paletas sobrepuestas sobre su superficie mientras que el vapor era acelerado y guiado a través de un Boquerel.
16
Im a g e n 7
Posteriormente con el fin de mejorar su primer diseño, se colocaron varios Boquereles, tratando de cubrir en mejor forma el rotor.
Imagen 8
En ambos diseños el vapor empleado se dispersaba en la atmósfera; para recuperarlo se ideo una carcasa para así poderlo guiar hacia un condensador, a su vez fue necesario variar la posición de las paletas en el rotor, ubicándolas en la periferia del mismo para darle sentido axial, al vapor y además el Boquerel vario su forma circular a arco de corona circular, llamándose ahora, alabes de tobera o simplemente estator. Las paletas de rotor se conocen actualmente como alabes móviles. Al analizar el primer diseño de la turbina Laval, se observa que el principio de funcionamiento es el empleo de la energía cinética del vapor que actúa directamente sobre los alabes del rotor. 17
4.5. ELEMENTOS QUE COMPONEN A LAS TURBINAS DE VAPOR La turbina se compone de tres partes principales:
El cuerpo del rotor, que contiene las coronas giratorias de alabes. La carcasa, conteniendo las coronas fijas de toberas. Alabes. Además, tiene una serie de elementos estructurales, mecánicos y auxiliares, como son cojinetes, válvulas de regulación, sistema de lubricación, sistema de refrigeración, virador, sistema de control, sistema de extracción de vahos, de aceite de control y sistema de sellado del vapor.
Imagen 9
4.5.1. 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 alabes 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 alabes. Los alabes se realizan de aceros inoxidables, aleaciones de cromo-hierro, con las curvaturas de diseño según los ángulos de salida de vapor y las velocidades 18
necesarias. Son criticas las últimas etapas por la posibilidad de existencia de partículas de agua que erosionarían a los alabes. Por ello se fija una cinta de metal satélite soldado con soldadura de plata en el borde de ataque de cada alabe para retardar la erosión.
4.5.2. La carcasa: La carcasa se divide en dos partes: la parte inferior, unida a la bancada y la parte superior, desmontable para el acceso al rotor. Ambas contienen las coronas fijas de toberas o alabes fijos. Las carcasas se realizan de hierro, acero o de aleaciones de este, dependiendo de la temperatura de trabajo, obviamente las partes de la carcasa de la parte de alta presión son de materiales más resistentes que en la parte del escape. La humedad máxima debe ser de un 10% para las últimas etapas. Normalmente se encuentra recubierta por una manta aislante que disminuye la radiación de calor al exterior, evitando que el vapor se enfríe y pierda energía disminuyendo el rendimiento de la turbina. Esta manta aislante suele estar recubierta de una tela impermeable que evita su degradación y permite desmontarla con mayor facilidad.
4.5.3. Alabes: Los alabes fijos y móviles se colocan en ranuras alrededor del rotor y carcasa. Los alabes se pueden asegurar solos o en grupos, fijándolos a su posición por medio de un pequeño seguro, en forma perno, o mediante remaches. Los extremos de los alabes se fijan en un anillo donde se remachan, y los más largos a menudo se amarran entre sí con alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.
4.5.4. Válvula de regulación: Regula el caudal de entrada a la turbina, siendo de los elementos más importantes de la turbina de vapor. Es accionada hidráulicamente con la ayuda de un grupo de presión de aceite (aceite de control) o neumáticamente. Forma parte de dos lazos de control: el lazo que controla la velocidad de la turbina y el lazo que controla la carga o potencia de la turbina.
4.5.5. Cojinetes de apoyo, de bancada o radiales: Sobre ellos gira el rotor. Suelen ser de un material blando, y recubiertos de una capa lubricante que disminuya la fricción. Son elementos de desgaste, que deben ser sustituidos periódicamente, bien con una frecuencia establecida si su coste es 19
bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y cambio cuando se encuentren en un estado deficiente.
4.5.6. Cojinete de empuje o axial: El cojinete axial, o de empuje impide el desplazamiento del rotor en la dirección del eje, Evitando el empuje axial que sufre el eje por el efecto del vapor repercuta en el reductor, dañándolo seriamente. No se encuentra en contacto con el eje si no que hace tope con un disco que forma parte solidaria con el eje. El cojinete está construido en un material blando y recubierto por una capa de material que disminuya la fricción entre el disco y el cojinete. Además, debe encontrarse convenientemente lubricado. 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, el sistema de control provoca la parada de la turbina o impide que esta complete su puesta en marcha.
4.5.7. Sistema de lubricación: Proporciona el fluido lubricante, generalmente aceite. Para asegurar la circulación del aceite en todo momento el sistema suele estar equipado con tres bombas:
Bomba mecánica principal: Esta acoplada al eje de la turbina, de forma que siempre que este girando la turbina está girando la bomba, asegurándose así la presión de bombeo mejor que con una bomba eléctrica. No obstante, en los arranques 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 sirve para asegurar la correcta presión de aceite hasta que la bomba mecánica puede realizar este servicio. Se conecta antes del arranque de la turbina y se desconecta a unas revoluciones determinadas durante el arranque, cambiándose automáticamente de la bomba auxiliar a la bomba principal. También se conecta durante las paradas de la turbina. Bomba de emergencia: Si se produce un problema de suministro eléctrico en la planta, esta queda sin tensión, durante la parada habría un momento en que la turbina 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. 20
4.5.8. Sistema de extracción de vahos: El depósito de aceite suele estar a presión inferior a la atmosférica para facilitar la extracción de vapores de aceite y dificultar una posible fuga de aceite al exterior. Para conseguir este vacío, el sistema de lubricación suele ir equipado con un extractor.
4.5.9. Sistema de refrigeración de aceite: El aceite en su recorrido de lubricación se calienta modificando su viscosidad, y por tanto, sus características lubricantes, llegando a degradarse si el calor es excesivo. Para evitarlo, el sistema de lubricación dispone de unos intercambiadores que enfrían el aceite, estos intercambiadores pueden ser aireaceite, 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.
4.5.10. Sistema de aceite de control: Cuando la válvula de regulación se acciona oleo hidráulicamente el conjunto de turbina va equipado con un grupo de presión para el circuito de aceite de control. Este, debe mantener la presión normalmente entre los 50 y los 200 bares de presión hidráulica. El sistema de control gobierna la válvula de salida del grupo, que hace llegar al aceite hasta la válvula de regulación de entrada de vapor con la presión adecuada.
4.5.11. Sistema de sellado de vapor: Las turbinas de vapor están equipadas con sellos de carbón, que se ajustan al eje, y/o con laberintos de vapor. Con esto se consigue evitar que el vapor salga a la atmósfera y disminuyan la eficiencia térmica de la turbina.
4.5.12. 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 evita que el rotor se curve, debido a su propio peso o por expansión térmica, en parada. 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. 21
4.5.13. 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
5. TURBINAS DE VAPOR Y CICLOS TERMODINAMICOS
El principio de funcionamiento de las turbinas de vapor tiene su fundamento en el ciclo termodinámico conocido como Rankine, a final del cual el fluido de trabajo retoma a su estado y composición inicial.
5.1. CICLO RANKINE El ciclo Rankine es un ciclo de potencia representativo del proceso termodinámico que tiene lugar en una central térmica de vapor. Utiliza un fluido de trabajo que alternativamente evapora y condensa, típicamente agua. Mediante la quema de un combustible, el vapor de agua es producido en una caldera a alta presión para luego ser llevado a una turbina donde se expande para generar trabajo mecánico en su eje (este eje, solidariamente unido al de un generador eléctrico, es el que generará la electricidad en la central térmica). El vapor de baja presión que sale de la turbina se introduce en un condensador, equipo donde el vapor condensa y cambia al estado líquido (habitualmente el calor es evacuado mediante una corriente de refrigeración procedente del mar, de un río o de un lago). Posteriormente, una bomba se encarga de aumentar la presión del fluido en fase líquida para volver a introducirlo nuevamente en la caldera, cerrando de esta manera el ciclo. Existen algunas mejoras al ciclo descrito que permiten mejorar su eficiencia, como por ejemplo sobrecalentamiento del vapor a la entrada de la turbina, recalentamiento entre etapas de turbina o regeneración del agua de alimentación a caldera.
22
5.1.1. Diagrama T-s del ciclo Rankine El diagrama T-s de un ciclo Rankine ideal está formado por cuatro procesos: dos isoentrópicos y dos isóbaricos. La bomba y la turbina son los equipos que operan según procesos isoentrópicos (adiabáticos e internamente reversibles). La caldera y el condensador operan sin pérdidas de carga y por tanto sin caídas de presión. Los estados principales del ciclo quedan definidos por los números del 1 al 4 en el diagrama T-s (1: vapor sobrecalentado; 2: mezcla bifásica de título elevado o vapor húmedo; 3: líquido saturado; 4: líquido subenfriado). Los procesos que tenemos son los siguientes para el ciclo ideal (procesos internamente reversibles):
Proceso 1-2: Expansión isoentrópica del fluido de trabajo en la turbina desde la presión de la caldera hasta la presión del condensador. Se realiza en una turbina de vapor y se genera potencia en el eje de la misma. Proceso 2-3: Transmisión de calor a presión constante desde el fluido de trabajo hacia el circuito de refrigeración, de forma que el fluido de trabajo alcanza el estado de líquido saturado. Se realiza en un condensador (intercambiador de calor), idealmente sin pérdidas de carga. Proceso 3-4: Compresión isoentrópica del fluido de trabajo en fase líquida mediante una bomba, lo cual implica un consumo de potencia. Se aumenta la presión del fluido de trabajo hasta el valor de presión en caldera. Proceso 4-1: Transmisión de calor hacia el fluido de trabajo a presión constante en la caldera. En un primer tramo del proceso el fluido de trabajo se calienta hasta la temperatura de saturación, luego tiene lugar el cambio de fase líquido-vapor y finalmente se obtiene vapor sobrecalentado. Este vapor sobrecalentado de alta presión es el utilizado por la turbina para generar la potencia del ciclo (la potencia neta del ciclo se obtiene realmente descontando la consumida por la bomba, pero ésta suele ser muy pequeña en comparación y suele despreciarse).
5.2. CICLO DE RECALENTAMIENTO IDEAL En el ciclo de Rankine ideal, la eficiencia se puede incrementar mediante el empleo de un sobre calentador. El proceso de sobrecalentamiento en general hace que se eleve la temperatura promedio a la cual se suministra calor al ciclo, elevando así la eficiencia teórica. Se puede lograr un aumento equivalente en la temperatura promedio durante el proceso de entrada de calor elevando la presión máxima del ciclo, es decir, la presión en la caldera. Esto puede dar por resultado un mayor costo inicial del generador de vapor, debido a la mayor presión que debe 23
soportar, pero a través de los años la mayor eficiencia de toda la unidad compensa con creces ese desembolso. Sin embargo, con una temperatura máxima dada en el generador de vapor, un aumento de presión del evaporador da por resultado una disminución en la cantidad de vapor que sale de la turbina. Para evitar el problema de la erosión sin perder la ventaja de las mayores temperaturas logradas mediante el incremento de la presión en la caldera, se ha desarrollado el ciclo de recalentamiento. En el ciclo de recalentamiento no se permite que el vapor se expanda completamente hasta la presión del condensador en una sola etapa. Después de una expansión parcial el vapor se extrae de la turbina y se recalienta a presión constante. Luego se regresa a la turbina para expandirlo más hasta la presión del condensador. Puede considerarse que la turbina consiste en dos etapas, una de alta presión y otra de baja presión.
6. TURBINAS EN LA INDUSTRIA Las turbinas de vapor se utilizan tanto en plantas nucleares como de combustible fósil. La turbina de vapor de una planta de producción de energía es un equipo sencillo, y como máquina industrial, es una máquina madura. La turbina de vapor es una máquina muy conocida para los diseñadores, constructores, instaladores y mantenedores. Se conoce casi todo de ella, y de hecho, más del 70% de la energía eléctrica generada en el mundo se produce diariamente con turbinas de vapor. Las turbinas generadoras de electricidad de las Centrales Eléctricas trabajan durante largos períodos de tiempo, con pocos períodos de interrupción. Para asegurar una explotación segura del equipo se realizan diferentes tipos de mantenimientos. Los mantenimientos prolongan la vida útil de la turbina y la eficiencia del Sistema Electro energético. La turbina es un equipo tan conocido y tan robusto que si no se hacen barbaridades con él tiene una vida útil larguísima y exenta de problemas. Eso sí, hay que respetar cinco normas muy sencillas:
Utilizar un vapor de las características físico-químicas apropiadas 24
Respetar las instrucciones de operación en arranques, durante la marcha y durante las paradas del equipo Vigilar muy especialmente el aceite de lubricación. Realizar análisis periódicos y comprobar que la calidad del aceite, su presión, temperatura, y presencia de contaminantes está dentro de los márgenes adecuados Respetar las consignas de protección del equipo (valores de alarma y disparo para cada uno de los parámetros controlados por el sistema de control). Si la turbina da algún síntoma de mal funcionamiento (vibraciones, temperaturas elevadas, falta de potencia, etc.) parar y revisar el equipo: nunca sobrepasar los límites de determinados parámetros para poder seguir con ella en producción o incluso para poder arrancarla. Realizar los mantenimientos programados con la periodicidad prevista. Si se produce una parada por alguna causa, investigar y solucionar el problema antes de poner el equipo en marcha nuevamente. Son normas muy sencillas, y sin embargo, casi todos los problemas que tienen las turbinas, grandes o pequeñas, se deben a no respetar alguna o algunas de esas cinco sencillas normas. Las turbinas durante su tiempo de trabajo, como cualquier mecanismo, sufre desgastes de sus elementos y estos a su vez pueden provocar averías, por desajuste o por fatiga de los metales.
6.1. PRINCIPALES AVERIAS Igual que sucede en otras máquinas térmicas, detrás de cada avería grave suele haber una negligencia de operación o de mantenimiento, ya que las turbinas suelen ser equipos diseñados a prueba de operadores. Los principales problemas que pueden presentarse en una turbina de vapor se indican a continuación:
Alto nivel de vibraciones Desplazamiento excesivo del rotor por mal estado del cojinete de empuje o axial Fallos diversos de la instrumentación Vibración en reductor o alternador Fuga de vapor Funcionamiento incorrecto de la válvula de control Dificultad o imposibilidad de la sincronización Bloqueo del rotor por curvatura del eje 25
Gripaje del rotor
6.2. MANTENIMIENTO DE TURBINAS DE VAPOR PARA CENTRALES ELÉCTRICAS Los mantenimientos se dividen según el volumen de trabajo a ejecutar en Mantenimiento General. Estos se realizan cada 4 ó 5 años según las recomendaciones del fabricante o el organismo superior en Cuba que es la Unión Eléctrica, en ello se tiene en cuenta los avances tecnológicos sobre nuevos metales, que prolongan los tiempos de explotación, dispositivos automáticos para el monitoreo seguro y eficiente, nuevos tipos de control de temperatura y presiones con registradores que guardan en “memorias” lo acontecido durante el tiempo de explotación o modernizaciones dentro de la turbina que mejora su eficiencia e incluso su repotenciación. El periodo de mantenimiento depende principalmente de los parámetros iniciales del vapor y como consecuencia de la potencia.
Las centrales de turbinas de vapor producen la mayor parte de la electricidad necesaria para las industrias del mundo. Por ejemplo, representan cerca del 70 por ciento del consumo de electricidad en América. Por lo tanto, las averías de estos equipos no son sólo costosas, sino que pueden causar muchos problemas.
26
7. CONCLUSION
El estudio y conocimiento de las turbinas de vapor nos hace énfasis a la importancia de una forma de transformación para la obtención de energía térmica que sirva producir movimiento en las turbinas de vapor. La utilización de las turbinas son comunes para obtener energía eléctrica ya sea por cualquier método posible. Un ejemplo ilustrativo es que las turbinas se pueden emplear de muchas maneras como, por ejemplo, en una central térmica, una hidroeléctrica o una geotérmica. Las turbinas han cambiado mucho desde que se manifestaron como unas simples ruedas, luego empezaron a comunicarse a otros aparatos para utilizarse con diferentes máquinas pero aquí no se detuvo su evolución y siguió evolucionando hasta las centrales de hoy en día. Mediante las turbinas se ha podido obtener diversas energías que no podrían haber sido aprovechados.
27
BIBLIOGRAFIA
[1] Van Wylen, Fundamentos de Termodinámica, Limusa Willey, México 2002. [2] CENGEL Y.A. BOLES M.A. Termodinámica, 2da edición. McGraw Hill, 1996 [3] Apuntes de estudio en clases. Unidad 6 & 7 Termodinámica. [4] Biblioteca virtual. Wikipedia [en línea]. [Fecha de consulta: 20 julio de 2014]. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Turbina_de_vapor [5] Sitio virtual. Slideshare [en línea]. [Fecha de consulta: 20 julio de 2014]. Disponible en: http://es.slideshare.net/gocando/turbinas-de-vapor-3159160 [6] Sitio virtual. Google imágenes turbina de vapor [en linea]. [Fecha de consulta: 20 julio de 2014] Disponible en: www.google.com.co –imágenes-
28
ANEXOS
Fig.1. Corte longitudinal de una turbina (con extracción de vapor) de 10000 Kw, 3600 r.p.m.
29
Fig.2. Turbina de extracción automática con condensación y válvula de impulsor
Fig.3. Moderna turbina con recalentamiento, de la General Electric
30
