El continúo desarrollo en tamaño y complejidad de las centrales termoeléctricas, han fomentado que estas manejen mayores presiones y temperaturas, por lo que la capacidad térmica de los materiales utilizados en las mismas, se ha tenido que incrementar con el propósito de minimizar los tiempos de calentamiento y enfriamiento, lo cual reduce el consumo de combustible y mejora su eficiencia.
Durante la operación de las modernas turbinas que estas centrales utilizan, se requiere de una mayor supervisión por parte de los operadores, puesto que los cambios de las condiciones del vapor como: presión, flujo y temperatura dentro de la turbina, ocasionan que se vean afectados los huelgos, la fuerza de empuje, las vibraciones y la expansión térmica de la misma.
Las severas condiciones térmicas que se ven sometidas estas turbinas, complican enormemente los problemas de operación de las mismas, debido a los huelgos que deben mantenerse entre partes fijas y móviles, cuando estas giran a velocidades periféricas que exceden los 1600 km/hr.
Por lo anterior se requiere de un conjunto de instrumentos supervisorios que suministren la información necesaria para indicar y verificar cualquier evolución anormal, por muy insignificante que parezca, ya que cualquier variación en la operación de la turbina, si no se detecta a tiempo puede ocasionar serios daños.
En muchos de los casos los cambios que se tienen pueden ser de modo gradual, y que el operador no se advierta que dichos cambios están efectuándose, por lo que se requiere tener un registro continuo para su análisis posterior.
El sistema de instrumentos supervisorios de turbina (TSI) es un sistema de instrumentos controlados por un microprocesador para medición, indicación y registro de varios parámetros físicos y de operación de la turbina.
Las partes principales que integran este sistema son las siguientes, ver figura 1.14.1.
1.14.1. DETECTORES
Son elementos primarios de medición y se encuentran localizados en los diferentes puntos de la turbina y puede ser de: vibración, posición, expansión, detección de agua, etc.
1.14.2. GABINETE (TSI)
Gabinete de equipo electrónico al cual llegan las señales de medición primaria y donde a través de un microprocesador se envían las señales a los diversos equipos de presentación de variables (indicadores, registradores, etc.).
Se realiza mediante los instrumentos que se tienen en el cuarto de control los cuales son:
• Registrador multipunto para detección de agua.
• Registrador multipunto para vibraciones.
• Registrador multipunto para indicación de temperaturas en diferentes puntos de turbina que además, registra la medición de expansión diferencial y expansión carcaza.
• Monitor del SAD (Sistema de Adquisición de Datos) para despliegue de los distintos parámetros en forma gráfica de barras, tendencias etc.
• Tablero de indicación de esfuerzos del rotor (IER).
Es importante comprender la correcta operación del supervisorio de la turbina, así como la ubicación del equipo, ya que en caso de emergencia eso nos permitirá actuar con rapidez y eficiencia para controlar o solucionar el problema de una manera eficaz.
Considerando la importancia que guarda la turbina en la central, esta tesis tiene como finalidad explicar la instrumentación del equipo supervisorio de turbina que se tiene en una unidad normalizada de 350 Mw.
Para el estudio de la turbina se iniciará con la descripción de todo su equipo supervisorio, continuando con el análisis de algunas diferenciales de temperatura y criterios de calentamiento de rotores.
1.14.3. EXCENTRICIDAD.
La excentricidad se define como el “estado de lo que se encuentra lejos de su centro”. En el rotor de una turbina la excentricidad es el grado de flexión que se tenga, como muestra en la figura 1.14.2.
Fig. 1.14.2 Excentricidad De La Flecha
Esta flexión o excentricidad en la flecha de una turbina es indeseable, puesto que puede originar el rozamiento de partes fijas con móviles al reducirse los huelgos radiales que se tienen en el interior de la misma.
En la flecha de un turbogenerador se tienen dos causas principales que originan dicha flexión y son las siguientes:
1. Cuando el turbogenerador se encuentra parado por espacios largos de tiempo, aunque este se considere frío, sufre una deformación hacia abajo por efecto de su propio peso. 2. Cuando la turbina es disparada, el enfriamiento de sus elementos internos se lleva a
cabo en el transcurso de varias horas. Si el rotor se para durante este período, sufrirá una deformación ocasionada por el enfriamiento no uniforme que se presenta, es decir, la parte superior de la turbina se tendrá más caliente debido al flujo de vapores calientes hacia esa sección. Por lo anterior, la flexión en este caso se tendrá hacia la parte de arriba.
Por lo expuesto anteriormente es importante conocer que la manera de minimizar la flexión que se pueda tener, es poniendo a girar el turbogrupo a baja velocidad a través del tornaflecha, para disminuir la excentricidad que se tenga antes de poner en servicio el turbo grupo o cuando se dispare la turbina por buscar un enfriamiento uniforme del rotor. En este caso, una vez que la temperatura del rotor en la sección del primer paso ha descendido hasta 170ºC, éste puede ser parado sin que haya riesgo de grandes flexionamientos por distorsión térmica.
La función de la unidad de excentricidad, es la de indicar y registrar la flexión o excentricidad de la flecha a través de un registrador continuo o de una plumilla localizado en el tablero de registradores, ver figura 1.14.3.
Fig. 1.14.3 Registrador Continúo
La medición de la excentricidad es determinada a través de un detector tipo “sensor de espacio” montado en el extremo del rotor.
El detector consiste en 2 bobinas, una con entrehierro fijo y otra que varía cuando se tiene excentricidad en el rotor de la turbina de alta presión.
En caso de deformación simple, se ha encontrado que la medición de excentricidad en el lugar donde se detecta, es aproximadamente una quinta parte de la deformación real en la mitad del rotor de alta presión, ver figura 1.14.4.
1.14.4. VIBRACIÓN.
Se denomina como vibración al movimiento que se repite en un intervalo de tiempo. Una vibración anormal, sirve como advertencia de que la turbina se encuentra operando bajo condiciones anormales y posiblemente peligrosas, por lo que es importante el monitoreo o registro de las mismas en todas y cada una de las chumaceras del turbogrupo.
El TSI cuenta con dispositivos de medición de vibración para cada una de las 7 chumaceras con que cuenta el turbogrupo, suministrando la información continua del estado operativo de los mismos. Para realizar su función el canal de vibraciones cuenta con detectores en la turbina, un amplificador localizado en el gabinete del supervisorio y un registrador multipunto en el tablero de registradores como se muestra en la figura 1.14.5.
Fig. 1.14.5 Medición De Vibraciones En Cojinetes
Los detectores de vibraciones, los cuales son del tipo de velocidad, consisten en una bobina suspendida por resortes dentro de un campo magnético. Cuando la cubierta y el ensamble de imanes permanentes vibran, la bobina debido a la fijación que lleva no sigue el movimiento vibratorio, de esta forma se induce un voltaje en la bobina que constituye el elemento sensor.
Los valores que se detectan, son procesados y registrador por separado; los correspondientes a las vibraciones horizontales en un extremo del registrador y los verticales en el otro.
Se considera vibración normal, cuando ésta no exceda de un valor de 0.125 mm (3 mils), de pico a pico. Después de este valor, cuando llegue a 0.127 mm. (3. 5 mils) activará una alarma, lo que será indicación de una situación operativa anormal que habrá que investigar y corregir. De continuar incrementándose la vibración y no tomarse ninguna acción correctiva, al llegar a un valor de 0.254 mm (5 mils), se producirá el disparo de turbina, por lo que el operador deberá tomar las previsiones necesarias para frenar la turbina rompiendo el vacío del condensador en un caso extremo.
Se recomienda que el registro de las vibraciones sea tomado con una periodicidad de máximo cada semana, bajo condiciones normales de operación, o más a menudo si lo recomienda el fabricante. Los valores a tomar serán los siguientes:
• Amplitud de vibraciones
• Angulo de fase normal
• Angulo de fase con 180° adicionados
• Carga
Algunas causas que originan vibraciones son:
• Desbalanceo del rotor
• Bajo vacío
• Alta o baja temperatura de aceite de lubricación
• Baja frecuencia
• Desgaste de chumacera
• Mal alineamiento de rotores
• Rotura de álabes
• Velocidades criticas
• Alta temperatura de escape
• Rodar con alta excentricidad, etc.
1.14.5. POSICIÓN ROTOR.
En el tablero del EHC se tiene un indicador de posición del rotor que se muestra los desplazamientos axiales que éste tiene. Estos desplazamientos pueden ser provocados por: - Movimientos de carga normal
- Rodados - Disparos
- Operación de extracciones
- Cambios de presión y temperatura al vapor - Rechazos de carga, etc.
El indicador de posición del rotor se muestra en la figura 1.14.6.
Debido a que los desplazamientos del rotor provocan la reducción de los huelgos axiales entre álabes fijos y móviles, es oportuno que cuando esto suceda y para evitar un
rozamiento de partes, la turbina se protege cerrando la admisión de vapor a la misma disparando, cuando los valores del desplazamiento rebasen los valores límites ± 42 mm. Cabe señalar que no se tiene ajustado un valor de alarma que ayude al operador a prevenir que esto suceda.
Fig. 1.14.6 Indicador De Posición Rotor
1.14.6. EXPANSIÓN TÉRMICA
La expansión térmica de los metales de la turbina, se inicia con la admisión de vapor para la operación del rodado de la misma y continua mientras se está llevando la unidad a velocidad de régimen 3600 r.p.m. alcanzando un valor máximo cuando la unidad se encuentra a plena carga 100%.
La magnitud de la expansión, dependerá del tipo tamaño de la turbina y para cada unidad la expansión seguirá la misma tendencia en arranques y cambios de carga, si el calentamiento de la misma se efectúa en forma similar.
Existen dos efectos provocados por la expansión térmica, los cuales se encuentran estrechamente ligados, uno de ellos es la “expansión de la carcaza”. Si las partes fijas y móviles de la turbina se expandieran con el mismo régimen una indicación o registro de la expansión de carcaza en su lado libre sería suficiente. Sin embargo, esto no sucede realmente ya que cuando el vapor es admitido a la turbina, por razón de volumen y geometría, el rotor se calentará más rápido y por lo tanto se expandirá o dilatará antes que la carcaza, dando como resultado una diferencial entre la expansión de las partes fijas o móviles denominadas “expansión diferencial”, que es el segundo efecto y de gran importancia para la operación de las turbinas.
El objetivo de medir estas expansiones mencionadas, será la de supervisar las expansiones libres de los componentes móviles y estacionarios y prever que los claros internos axiales de la turbina sean mantenidos.
1.14.7. POSICIÓN VÁLVULAS DE CONTROL.
Durante el proceso de arranque del turbogenerador es deseable contar con un registro e indicación de la posición de las válvulas de gobierno, para poder determinar si corresponde a la carga que se tiene en un momento determinado o para observar el comportamiento de la turbina durante problemas transitorios. Una vez que la unidad queda sincronizada al sistema, el registrador mostrado en la figura 1.14.7 deja de medir la velocidad e inicia el registro de la posición de válvulas de gobierno.
Fig. 1.14.7 Registrador De Posición De Válvulas
El tipo de detector utilizado para la medición de posición de válvulas, es un transformador diferencial variable lineal tipo (LVDT), el cual es alimentado con 118 V.C.A. regulado y que proporciona una señal de salida proporcional a la posición que se tenga en las válvulas. En la figura 1.14.8 muestra el corte del LVDT utilizado, compuesto por 3 bobinas y un núcleo.