ANÁLISIS Y CONTROL DE EROSIÓN POR PARTÍCULAS SÓLIDAS ...

ANANÁÁLISIS Y CONTROL DE EROSILISIS Y CONTROL DE EROSIÓÓN POR N POR PARTPARTÍÍCULAS SCULAS SÓÓLIDAS EN LOS LIDAS EN LOS

ELEMENTOS DEL SISTEMA DE FLUJO ELEMENTOS DEL SISTEMA DE FLUJO DE TURBINAS DE VAPORDE TURBINAS DE VAPOR

Dr. Dr. ZdzislawZdzislaw

Mazur Mazur CzerwiecCzerwiec

MEXICO

Contenido de la presentación

1.

Resumen ejecutivo2.

Introducción

3.

Simulación numérica de erosión de los componentes principales de turbinas de vapor

4.

Conclusiones

MEXICO

Se presenta el análisis de erosión por partículas sólidas de diferentes elementos del canal de flujo de las turbinas de vapor (toberas, válvula de vapor, tetones de los álabes, sellos de laberinto, discos del rotor), que operan en México utilizando herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). En estos elementos principales de turbinas, se registró

un fuerte

problema de erosión que amenaza la operación confiable de las turbinas y su rendimiento óptimo.

MEXICO

Resumen Ejecutivo

Se llevó

a cabo la modelación y simulación numérica de los componentes principales/criticas de las turbinas de vapor considerando las condiciones nominales de operación. La simulación numérica, se efectuó

para la geometría/diseño original y diseño modificado (propuesto) de los componentes para identificar las oportunidades de reducción/eliminación de erosión.

MEXICO

Resumen Ejecutivo

Con base en los resultados del análisis, se desarrollaron las modificaciones de diseño de los diferentes elementos del canal de flujo de las turbinas para reducción sustancial de la erosión.

Las modificaciones de diseño de los elementos de las turbinas constan en la modificación del patrón de flujo relacionado para reducir su impacto sobre la razón de erosión mediante disminución de la velocidad de flujo, modificación de trayectorias de las partículas sólidas y modificación del ángulo de impacto sobre la superficie de los elementos analizados.

MEXICO

Resumen Ejecutivo

Se presentan los resultados de simulaciones/predicciones que indican que es posible reducir significativamente y controlar la erosión de los componentes del sistema de flujo de las turbinas de vapor modificando ciertas características geométricas de los componentes o parámetros de su operación.

MEXICO

Resumen Ejecutivo

Se presentan los beneficios económicos para las Centrales Termoeléctricas que resultan de la reducción de la razón de erosión por partículas sólidas que afecta los componentes críticos de turbinas de vapor (toberas, álabes móviles, sellos de laberinto, válvulas, otros), que se generan por la extensión de períodos entre lo

s

mantenimientos o reposición de componentes, reducción de costos de operación y mantenimiento de las turbinas, y extensión de vida útil de los componentes principales.

MEXICO

Resumen Ejecutivo

El flujo de vapor que contiene partículas sólidas es responsable por problemas de erosión de los componentes de turbinas de vapor y reducción de su vida útil. La contaminación del vapor es un problema típico de turbinas de vapor geotérmicas. Las partículas duras de sílice, azufre, fósforo y otros elementos contenidas en el flujo de vapor impactan directamente a los componentes del sistema de flujo de las turbinas causando su desgaste.

MEXICO

Introducción

En turbinas de vapor de las centrales termoeléctricas, el daño por erosión está

causado

por las partículas de óxido (magnetita) desprendidas de las tuberías de la caldera y líneas de vapor (típicamente durante arranques de las unidades de generación), que introducidas con el flujo de vapor a la turbina causan severos daños por erosión de los componentes principales de la misma.

MEXICO

Introducción

En general, los componentes de la turbina que principalmente son afectados por la erosión son: toberas, las bandas y tetones de los álabes

móviles, álabes fijos de diafragmas, sellos de laberinto del rotor, láminas de sellos, discos del rotor, válvulas de control y carcasas.La degradación de los sellos de laberinto del rotor resulta comúnmente en un deterioro

considerable de la eficiencia de la turbina, llegando a los valores de 2 % a 4 % o mayor.

MEXICO

Introducción

El desgaste por erosión reduce también tiempo entre los mantenimientos e incrementa el costo de operación y mantenimiento de la turbina. Como consecuencia, los mantenimientos más

frecuentes reducen la producción de la energía eléctrica en total causando fuertes pérdidas económicas. En el caso de las toberas de la turbina el

desgaste por erosión resulta en un incremento en el área de la garganta de la tobera y pérdida de eficiencia de la turbina relacionada.

MEXICO

Introducción

Cuando se incrementa el área de la garganta de la tobera, la turbina demanda más flujo de vapor para mantener la potencia requerida provocando un incremento de las emisiones contaminantes. Este incremento de flujo de vapor causa también una sobrecarga de los elementos del sistema de flujo de la turbina, principalmente álabes móviles resultando en las fallas de estos componentes críticos de la turbina.

MEXICO

Introducción

La erosión de los discos del rotor, de la carcasa y erosión de las válvulas de control de la turbina afecta la confiabilidad y disponibilidad de operación de la turbina. Para evitar las fallas catastróficas por causa de estos, se requiere una frecuente reparación o

reemplazo de los elementos dañados.El problema de erosión de las superficies de los sólidos fue estudiado ampliamente y el mecanismo de su desarrollo fue atribuido a las pequeñas partículas sólidas o gotas de agua, que impactan continuamente a la superficie de los elementos del sistema de flujo de la turbina.

MEXICO

Introducción

El desgaste debido a erosión (abrasión) por partículas sólidas depende primeramente del material del elemento expuesto al fluido y de las propiedades de las partículas transportadas por el mismo. El proceso de abrasión de la superficie de un sólido está

determinado por la velocidad relativa

y el ángulo de impacto de las partículas, así como la proporción (contenido) del flujo de

partículas y flujo de vapor.

MEXICO

Introducción

El ángulo de impacto y la velocidad de las partículas juegan un rol principal en la razón de erosión como se muestra en las figuras 1 y 2.Sobre esta base, cada reducción de la velocidad de las partículas y modificación del ángulo de impacto de las mismas a la superficie de un sólido conduce a la reducción efectiva de la erosión.

MEXICO

Introducción

MEXICO

Introducción

9 0 º 6 0 º 3 0 º

1 R

azón

de

eros

ión

norm

aliz

ada

Á n g u lo d e im p a c to d e la s p a r tícu la s

Figura 1. Datos experimentales de la erosión en función de ángulo de impacto de las partículas

sólidas.

β1 β2

V1 V2

MEXICO

Introducción

V elo c id a d d e p a rtícu la s p ie s /s

Ero

sión

lbm

ater

ial/l

b par

tícul

as x

106

Figura 2. Datos experimentales de la erosión en función de velocidad de partículas en turbinas geotérmicas.

MEXICO

Introducción

El movimiento de las partículas esta gobernado por patrones (trayectorias) locales de flujo. Debido a que patrón de flujo dentro de la turbina cambia significativamente, no es posible predecir el desgaste abrasivo de un componente de la turbina sin conocer el patrón local de flujo en la zona de interés.La simulación de flujo por medio de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés) basado en el método de volumen finito representa un camino viable y económico para analizar y entender el patrón local de flujo en las regiones de fuerte desgaste por erosión.

MEXICO

Introducción

Muchas configuraciones de diseño bajo diferentes condiciones de operación pueden ser analizadas con bajo costo, sin costosos experimentos y se pueden proponer las modificaciones del diseño de los elementos del canal de flujo de la turbina para controlar/reducir el problema de erosión. En este trabajo, se presenta el análisis del problema de erosión de diferentes elementos del canal de flujo de las turbinas de vapor (toberas, válvula de vapor, tetones de los álabes, sellos de laberinto, discos del rotor) que operan en México utilizando herramientas CFD.

MEXICO

Introducción

Con base en los resultados del análisis se identificaron y desarrollaron las modificaciones de diseño de los diferentes elementos del canal de flujo de las turbinas para reducción sustancial de la erosión. Las modificaciones de diseño de los elementos de las turbinas constan en la modificación del patrón de flujo relacionado para reducir su impacto sobre la razón de erosión mediante disminución de la velocidad de flujo, modificación de trayectorias de las partículas sólidas y modificación del ángulo de impacto sobre la superficie de los elementos analizados.

MEXICO

Simulación numérica de erosión

Metodología

• Las simulaciones y predicciones numéricas fueron realizadas utilizando códigos del volumen finito Fluent

y STAR CD considerando

diferentes modelos de turbulencia (Standard k – ε, RNG

k –

ε).

• El estudio numérico del proceso de erosión aplicando CFD, considera un modelo matemático con la ecuación de conservación de Euler

en fase continua (flujo de vapor) y un

modelo Lagrangiano

para resolver la fase discreta (partículas sólidas).

MEXICO


Metodología

• La dispersión de las partículas en el fluido, se predice usando un modelo estocástico que incluye los efectos de las fluctuaciones de velocidad en régimen turbulento sobre la trayectoria de las partículas.

• El dominio computacional considera las ecuaciones de conservación de la masa y de momento para flujo incompresible en una geometría tridimensional en estado estable.

• Se esta basando sobre el cálculo de la trayectoria de varias partículas individuales que representan grupos de partículas en el dominio de flujo.

MEXICO


Metodología

• Interacciones entre partículas se omiten• Cualquier cambio en la turbulencia del flujo

causado por las partículas no esta considerado• Se consideran nada más las partículas sólidas

esféricas, no reactivas y no fragmentadas• La modificación de la geometría del elemento

analizado causado por la remoción de la pared por partículas sólidas no esta considerada.

MEXICO


Metodología

• Durante simulación se están recordando los siguientes datos:•

Número de partículas que impactan sobre la

superficie•

Velocidad de impacto de la partícula

•

Dirección de las partículas relativa a la superficie de impacto.

La remoción del material de la pared, se calcula utilizando modelo de Finnie

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Metodología

• La partícula impactando a la superficie erosionada con el ángulo (ángulo de impacto) medido con referencia a la superficie, corta el material de misma manera que una herramienta de corte (buril).

• Se considera que la partícula es más dura que la superficie erosionada y por eso no se fragmenta y el material de la superficie (sólido) se esta deformando plásticamente durante proceso de corte.

MEXICO


Metodología

• Se requiere especificar:•

La posición inicial y la velocidad de cada líneade corriente de partículas.

•

El diámetro de la partícula.•

El flujo másico de las partículas que siguen latrayectoria de una particular individual.

MEXICO


Metodología

• La razón de erosión esta definida:

particlesN

p face

pperosion A

fdCmR

1

)( [kg/m2s]

MEXICO


MetodologíaCondiciones de frontera:

• Diámetro de las partículas sólidas para cada caso analizado.

• Presión de vapor.• Temperatura de vapor. • Flujo másico de vapor.• Número de Reynolds.• Número de Mach.• Intensidad de turbulencia. • Relación de flujo de vapor y flujo de partículas

sólidas. • Material del elemento de la turbina y material

de la partícula sólida.

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Resultados de modelación numérica

Tobera de turbina de vapor de 300 MW

Álabe Erosión de álabes

Figura 3. Erosión del bloque de toberas

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a) b)

Álabe

Borde de salida Perfil modificado

Figura 4. Modelo/malla computacional de la tobera original (a) y tobera modificada (b)

MEXICO



a) b)Figura 5. Campos de velocidad para tobera original a) y tobera

modificada b) en la altura de 50 % del canal de flujo [m/s]

MEXICO



a) b)

Figura 6. Líneas de corrientes de flujo de partículas sólidas en 2D en la altura de 50 % del canal de flujo (perfil original).

MEXICO



a)

b)

Figura 7. Líneas de corrientes de flujo de partículas sólidas en 2D en la altura de 50 % del canal de flujo (perfil modificado -

escalonado).

MEXICO



a) b)Figura 8. Contornos de razón de erosión en 3D, perfil original a),

perfil modificado b), [kg/m2s].

MEXICO



Figura 9. Detalle de líneas de corrientes de

flujo de partículas sólidas en 2D en la altura

de 50 % del canal de flujo (perfil modificado -

escalonado).

MEXICO



Resumen de resultados obtenidos:• La velocidad de flujo fue reducida de un 6.7 %.• La razón de erosión fue reducida de un 50 %.• Se obtuvo la extensión del período entre

mantenimientos de la tobera de un 100 %.• Se obtuvo una patente para el perfil

modificado de la tobera.• Se obtuvieron dos patentes para la

rehabilitación y extensión de vida útil de las toberas de turbinas de vapor.

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Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

Figura 10. Daños por erosión de partículas sólidas en la válvula principal de paro de las turbinas de 158 MW.

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Entrada radial del flujo de vapor

Salida axial del flujo

Superficie de trabajo de la válvula

Entrada radial del flujo de vapor

Salida axial del flujo

Superficie de trabajo de la válvula

Figura 11. Esquema de la disposición de la válvula en la posición abierta.

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a) b)Figura 12. Modelo computacional/malla de la válvula, geometría original (a) y geometría modificada con la entrada tangente del

flujo a la válvula 0-10°

(b)

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Figura 13. Contornos de velocidad del flujo para válvula original [m/s].

MEXICO



Figura 14. Contornos de velocidad del flujo para válvula modificada [m/s].

MEXICO



a) b)Figura 15. Contornos de presión estática para válvula original (a)

y válvula modificada (b), [Pa].

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a) b)Figura 16. Contornos de erosión en la válvula original a) y válvula

modificada b), [kg/m2s].

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0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.10

0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07

Height (m)

Eros

ion

Rat

e (k

g/m

²s)

OriginalModified

Altura [m]

Raz

ón d

e er

osió

n kg

/m2 s

Original Modificada

Figura 17. Razón de erosión en la superficie de la válvula [kg/m2s].

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Resumen de resultados obtenidos:

• Se obtuvo una trayectoria optimizada de las partículas sólidas y ángulos de impacto en la zona crítica de la válvula.

• La razón de erosión fue reducida de un 51 %.

• Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos de la válvula de un 100 %.

MEXICO



• Se obtuvo una patente para la geometría modificada de la válvula.

• Se obtuvo una patente para rehabilitación y extensión de vida útil de la válvula

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Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

Álabes L-0

Figura 18. Vista general del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW y detalle de erosión del disco del rotor.

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Problemática generada por erosión:

• Velocidad de rotación del rotor de 3600 rpm. • Altos esfuerzos estáticos en el disco. • Concentración de esfuerzos (acción de la

muesca).• Peligro de falla catastrófica del rotor/turbina

con as pérdidas económicas muyconsiderables.

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• Reparación de este tipo de daños en losdiscos no es confiable.

• Un rotor nuevo de repuesto significa uncosto muy considerable (decenas demillones de pesos).

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Figura 19. Geometría del sello de laberinto y disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW en la configuración original.

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Figura 20. Geometría del sello de laberinto y disco del rotor en la configuración modificada.

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a) b)Figura 21. Vectores de velocidad para la geometría original a) y geometría modificada b) del disco del rotor y sello de laberinto.

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Velocidad axial m/s

Posi

ción

m

Velocidad axial m/s

Posi

ción

m

a) b)Figura 22. Perfil de la velocidad axial en la salida del sello de

laberinto para la geometría original a) y geometría modificada b) del disco del rotor y sello de laberinto.

MEXICO



Resumen de resultados obtenidos

• Se obtuvo una reducción de la velocidad de impacto de las partículas sólidas a la superficie del disco del rotor de un 38 %.


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• Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos del rotor de un 200 %. Esto significa que la vida útil del rotor llegará al período diseñado (30-40 años).

• Se obtuvo una patente para el diseño modificado del sello de laberinto del diafragma de la turbina.

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Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

a) b)Figura 23. Detalle del disco del rotor de la turbina geotérmica de

110 MW en la condición original a) y erosión del sello de laberinto b).

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14

12 6 12 6 12 66

95

4 7 7 4 7 7 4 7 7 4 7

0.64

9

3

0 .64

10

D IAPHRAGM

UN

FLOWDiafragm a Flujo

14 72 3

920

57.5

36.5 18

9

47

12 6 12 6 12 6

50

6

3

0.64

95 35

32

R2

R6

40°

R19

R10R55 R6R4

R20

3536°

R2

4 7 7 4 7 7 4 7 7 4 7

0.6 4

FLOWFlujo

a) b)Figura 24. Geometría original a) y geometría modificada b) del sello de laberinto entre el diafragma y el rotor de la turbina geotérmica de

110 MW con un deflector de flujo.

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Diente del sello del rotor Diente del sello

del rotor

a) b)Figura 25. Trayectorias de partículas para la geometría original

a) y geometría modificada del sello.

MEXICO



a) b)Figura 26. Trayectorias/velocidades de partículas para la geometría

original a) y geometría modificada del sello.

MEXICO



DirecciónRadial

Figura 27. Trayectorias de partículas en la zona del deflector de la geometría modificada del sello.

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52.0162

28.533-1.00E-030.00E+001.00E-032.00E-033.00E-034.00E-035.00E-036.00E-037.00E-038.00E-039.00E-03

-10 10 30 50 70

x velocity (m/s)

Posit

ion

(m)

OPr

Velocidad axial m/s

Posic

ión

m

Original

Modificado

Figura 28. Comparación de velocidad axial del flujo de vapor con partículas sólidas en la zona de impacto con el primer diente del sello de laberinto considerando la geometría original y geometría

modificada del sello.

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Flujo Flujo

a) b)Figura 29. Patrón/razón de erosión en el primer diente del sello

de laberinto para la geometría original a) y geometría modificada con el deflector b).

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Resumen de resultados obtenidos:

• El deflector redujo la velocidad de flujo de vapor/partículas que impacta a los dientes del sello de laberinto.

• Se incrementó el camino de flujo de vapor alrededor del deflector reduciendo el volumen del flujo que entra al sello de laberinto.

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• Se obtuvo una reducción de la velocidad de impacto de las partículas sólidas a la superficie del diente del sello del rotor de un 44%.

• La razón de erosión fue reducida de un 80%.

• Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos del rotor de un 200%.

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Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW

Tetón

Banda

a) b) c)Figura 30. Erosión de tetones del álabe móvil L-0 de la

turbina geotérmica de 110 MW, rotor de la turbina a), tetones en estado original b), tetones erosionados c).

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Problemática causada por erosión de los tetones:

• Desintegración/pérdida de material de los tetones que unen los álabes con las bandas.

• Aflojamiento de la unión de los álabes con la banda y cambio de su rigidez.

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• Desprendimiento de la banda con los tetones de los álabes.

• Posible falla catastrófica de la turbina debido a fractura de los álabes relacionada con el cambio de sus características vibratorias.

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Álabe L-0

Banda

Tetones

Carcasa

Sello

Trampa de humedad

Diafragma

Flujo principal

Álabe L-0

Banda

Tetones

Sello Carcasa Trampa de humedad

Diafragma

Flujo principal

Prolongación

Figura 31. Configuración original a) y configuración modificada b) del canal de flujo al entrada al álabe móvil L-0 de la turbina de 110

MW.

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a) 65 m/s b) 55 m/sFigura 32. Contornos de velocidad en el canal de flujo original a) y

modificado b), [m/s].

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a) b)Figura 33. Contornos de energía cinética turbulenta en el canal

de flujo original a) y modificado b), [m2/s2].

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Resumen de los resultados obtenidos:

• Se obtuvo una reducción de la gradiente de presión a través del canal de flujo en zona de los tetones de álabes L-0.

• Se obtuvo un incremento de flujo de vapor que pasa por el canal principal de álabes móviles L-0.

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• La velocidad del flujo de vapor húmedo con partículas sólidas que atraviesa los tetones fue reducida de un 16 %.

• Se obtuvo una reducción de recirculación del flujo de vapor en zona de tetones.

• La energía cinética en zona de tetones fue reducida de un 28 %.


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• Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos del rotor de un 140 %.

• Se obtuvo una patente para el diseño modificado del canal de flujo en zona del álabe L-0 de la turbina.

• La modificación del diseño del canal de flujo de la turbina fue implementado en la Central Geotérmica Cerro Prieto, B.C.

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Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW

Figura 34. Vista general del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW.

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Cámara B

Cámara A

Figura 35. Detalle de la erosión del sello exterior de laberinto en la cámara B del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW.

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Problemática causada por erosión del sello:

• Desgaste acelerado en el muñón del rotor enla zona del sello exterior de baja presión.

• Deterioro del vacío del condensador. • Caída de la eficiencia de la turbina. • Amenaza de falla catastrófica del rotor.

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Figura 36. Trayectorias de las partículas sólidas en el sello exterior de laberinto cámara B del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW.

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Figura 37. Campos de presión absoluta estática en las cámaras del sello, [kPa].

A

A B

B

Condiciones nominales

Condiciones propuestas

MEXICO



Nominales

Propuestas

B

Figura 38. Perfiles de velocidad en las cámaras del sello, [m/s].

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Condiciones nominales

Condiciones propuestas

B

B

Figura 39. Perfiles de energía cinética turbulenta en las cámaras del sello, [m2s2].

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Resumen de los resultados obtenidos:• Se obtuvo una reducción de la gradiente de presión a través del sello.

• Se obtuvo una reducción de fugas de aire hacía la turbina de un 17 % y una reducción de fugas de vapor hacía zona de vacío de la turbina de un 22 % resultando en aumento de la eficiencia de la turbina.

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• La velocidad del flujo de vapor con partículas sólidas que entra a la cámara B del sello fue reducida de un 29 %.

• Se obtuvo una reducción de recirculación del flujo de vapor con partículas sólidas en las cámaras del sello.

• La energía cinética en el sello del rotor (cámara B) y la razón de erosión en la misma fueron reducidos de un 50 %.

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• Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos del rotor de un 160%.

• La modificación de las presiones en las cámaras del sello fue implementada en la Central Geotérmica Cerro Prieto, B.C.

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CONCLUSIONES

Se presentaron simulaciones y predicciones numéricas de flujo aplicando Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para determinar las condiciones específicas que gobiernan el fenómeno de erosión por partículas sólidas de diferentes componentes críticos de turbinas de vapor.

La razón de erosión depende principalmente de las trayectorias de partículas sólidas, velocidad/energía cinética turbulenta de las partículas y el ángulo de impacto de las partículas a la superficie de los componentes.

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CONCLUSIONES

Los resultados de simulaciones/predicciones indican que es posible reducir significativamente y controlar la erosión de los componentes del sistema de flujo de las turbinas de vapor modificando ciertas características geométricas de los componentes o parámetros de su operación.

MEXICO

CONCLUSIONES

Reducción de la razón de erosión por partículas sólidas que afecta los componentes críticos de turbinas de vapor (toberas, álabes móviles, sellos de laberinto, válvulas, otros) resulta en grandes beneficios económicos para las Centrales Termoeléctricas en forma de extensión de períodos entre los mantenimientos o reposición de componentes, reducción de costos de operación y mantenimiento de las turbinas, extensión de vida útil de los componentes principales.

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CONCLUSIONES

Los resultados obtenidos en este trabajo enseñan que la simulación numérica puede ser aplicada como una herramienta predictiva. Los resultados de simulación numérica pueden ser utilizados como condiciones de entrada en la etapa de diseño para determinar parámetros optimizados del sistema y para incrementar la vida útil de los componentes.

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CONCLUSIONES

Algunos resultados de este trabajo fueron implementados en las Centrales Termoeléctricas confirmando los resultados de las simulaciones numéricas. La implementación de otros requiere su programación y preparación en forma de planos de manufactura detallados, especificación de materiales y procesos de manufactura, incorporándolos a los programas de mantenimientos de las turbinas en cuestión.

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MUCHAS GRACIAS

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