TURBINAS DE VAPOR

3.1 Clasificación

1.- Por la dirección del flujo de vapor en el interior de la turbina.

Una primera clasificación de las turbinas de vapor puede desarrollarse haciendo referencia a movimientos de las corriente de vapor dentro del cuerpo de la turbina. Según este criterio existen dos tipos de turbinas:

RADIALES: La circulación de vapor se establece en un plano perpendicular al eje de la turbina. AXIALES: La circulación de Vapor transcurre paralelamente al eje de la turbina.

2.- Por su mecanismo de funcionamiento.

TURBINA AXIAL: Desde el punto de vista de su funcionamiento las turbinas axiales se pueden dividir en tres clases según el grado de reacción que presentan.

3.- Según el salto térmico se le separa en:

TURBINAS DE CONDENSACION: Son la de mayor tamaño, utilizadas en centrales térmicas.La presión de descarga puede ser inferior a la atmosférica debido a la condensación del vapor de salida. Las turbinas de condensación se encuentran comúnmente en plantas de potencia eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado, generalmente con calidad mayor al 90% a una presión bastante inferior a la atmosférica hacia un condensador.

TURBINA DE ESCAPE LIBRE:

El dimensionamiento del escape de una turbina de vapor es siempre muy importante, pero esencialmente critico en las aplicaciones de ciclo combinados. El vapor que abandona el escape de la turbina de baja presión hacia el condensador contiene una considerable cantidad de energía cinética, cuyo aprovechamiento es vital para la optimización del ciclo. El caudal y la velocidad de vapor en el anillo de escape dependen de la cantidad de vapor producido en la caldera de recuperación y de la presión de escape.

TURBINAS MIXTAS:

Este tipo de turbina también se le conoce como turbina de acción y reacción porque en el eje lleva montado un tambor y en el van colocadas varias serie de paletas, de altura, forma e inclinación variable, lleva también otra serie de paletas análogas a los tambor, llamadas paletas fijas, guías o directrices, porque fijada a la envuelta, su misión es guiar o dirigir el vapor sobre las giratorias.

3.2 elementos de una turbina de vapor

Los elementos principales de una turbina de vapor son:

ROTOR: es un elemento móvil del sistema. La energía desprendida por el vapor en la turbina se convierte en energía mecánica en este elemento. Dado que la turbina esta dividida en un cierto numero de escalonamientos, el rotor esta compuesto por una serie de coronas de alabes, uno por cada escalonamiento de la turbina. Los alabes se encuentran unidos solidariamente al eje de la turbina moviéndose con el.

ESTATOR: el estator esta constituido por la propia carcasa de la turbina. Al igual que el rotor, el estator esta formado por una serie de coronas de alabes, correspondiendo cada una a una etapa o escalonamiento de la turbina.

TOBERAS: el vapor es alimentado a la turbina a través de estos elementos. Su labor es conseguir una correcta distribución del vapor.

3.3 Principios de funcionamiento

Es una turbomaquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que sale en una condición 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 trabajo disponible en la turbina es igual a la diferencia de entalpia entre el vapor de entrada y salida a la turbina. El hecho de la utilización del vapor como fluido de trabajo se debe a la elevada energía disponible por unidad de kg de fluido de trabajo. Al pasar por las toberas de la turbina, se reduce la presión del vapor, (se expande) aumentando así su velocidad.

Este vapor a alta velocidad es el que hace que los alabes móviles de la turbina giren alrededor de su eje al incidir sobre el mismo. Por lo general, una turbina de vapor posee mas de un conjunto tobera-alabe (o etapa), para aumentar la velocidad del vapor de manera gradual. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y temperatura posee demasiada energía térmica y si esta, se convierte en energía cinética en un numero muy reducido de etapas, la velocidad periférica o tangencial de los discos puede llegar a producir fuerza centrifuga muy grande causando fallas en la unidad.

3.4 Sistema de regulación

En la operación de las turbinas de vapor hay una cantidad de variables que necesitan ser controladas de alguna forma, las cuales dependen de las cargas de trabajo a las que sean sometidas dichas turbinas. Entre estas variables pueden estar la presión inicial del fluido, la presión de salida, la cantidad de flujo por unidad de tiempo y la velocidad de rotación. La función de los sistemas de regulación consiste en mantener una o más de estas variables constantes mientras que otras pueden ser o no variadas sin que afecte el sistema completo.

Existen diferentes sistemas de regulación que son utilizadas en las turbinas de vapor, que influyen directamente con el desempeño de estas y están relacionadas con la capacidad de mantener casi invariable la velocidad de rotación, independientemente de la carga de trabajo a la cual estén sometidas. Estos sistemas de regulación son clasificados en:

REGULACION POR ESTRANGULAMIENTO:

En este sistema de regulación de fluido es entregado a todas las toberas localizadas a lo largo de la periferia al mismo tiempo. Esta entrega del fluido se hace a través de la apertura de una o dos válvulas de estrangulamiento instaladas al inicio de la turbina. Si la turbina esta sometida a una carga de trabajo alta y solo consta de una válvula, esta estará abierta en su totalidad para dar un paso máximo de fluido y la potencia requerida para las condiciones de trabajo del momento.

REGULACION EN EL CONTROL DE LA TOBERA:

En este sistema de control, el fluido entra en la primera etapa de toberas por medio de válvulas que varían en su cantidad y también conocida como válvulas reguladoras o válvulas de toberas. Cada válvula regula el paso del fluido a grupos de dos o más toberas, teniendo en total hasta doce de estos. Para cargas de trabajo pesadas, estas válvulas reguladoras están abiertas el 100% de su capacidad, pero cuando presentan cargas de trabajo variables, las válvulas reguladoras se abren o cierran dependiendo de la potencia requerida por estas cargas.

La eficiencia de la turbina con este tipo de regulación es mucho más constante para cargas de trabajo variables.

REGULACION POR BYPASS:

Este tipo de regulación se utiliza en conjunto con la regulación por estrangulamiento sobre todo por las turbinas de reacción. Estas turbinas son diseñadas para una carga de trabajo definida, llamada comúnmente carga económica, en donde la eficiencia termodinámica es máxima. Usualmente, es recomendable tener una admisión total del fluido en las etapas de alta presión en la carga económica para eliminar las perdidas por admisión parcial.

3.5 Aplicaciones, selección y evaluación

Las turbinas de vapor industriales de Siemens posibilitan una generación eficiente de electricidad y mejoran la rentabilidad de procesos industriales.

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3.6 Principios de mantenimiento

La mayor parte de la energía generada en el mundo se produce con turbinas de vapor. Se trata de un equipo robusto, bien conocido y muy experimentado. Casi la mayor parte de los problemas que puede tener se conocen bien, y se conoce además como solucionarlos. Por ello, respetar las instrucciones de operación y realizar un mantenimiento adecuado conduce a una alta disponibilidad y a bajos costes de mantenimiento

Una turbina de vapor es un equipo especialmente agradecido con el mantenimiento preventivo. Al ser un equipo en general bien conocido (es la máquina térmica más antigua), los fabricantes suelen haber resuelto ya la mayor parte de sus problemas de diseño. Por tanto, una operación cuidadosa y un adecuado plan de mantenimiento programado se traducen necesariamente en una alta disponibilidad.

Fig 4 Rotor de turbina durante una revisión

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) 

Fig 6 Rotor de turbina durante una revisión

Mantenimiento 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