Las turbinas
son máquinas que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la
variación de la cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas. Como
en los anteriores post quiero comenzar indicando el concepto de turbina y luego
entraremos en detalle con las especificaciones mas detalladas.
Turbina: Maquina que transforma la energia cinetica y potencial de un fluido para producir un movimiento de rotacion que se transfiere a un eje.
Turbina: ingen. mecán. Máquina que transforma la energía de una
corriente del fluido en otra clase de energía (mecánica, eléctrica, etc.).
consta de una o varias ruedas denominadas rodetes, solidarias a un eje metálico
rotatorio, formadas por un cuerpo central del cual salen unas paletas curvas a
modo de hélices denominadas álabes y cuyo fin es aprovechar al máximo la
energía del fluido.
Las turbinas entonces, son máquinas
que desarrollan par y potencia en el eje como resultado de la variación de la
cantidad de movimiento del fluido que pasa a través de ellas.
Lo que hace una turbina, por lo
tanto, es sacar provecho de la presión
de un líquido (o fluido) para conseguir que una rueda con hélices dé vueltas y produzca un
movimiento. Puede decirse, por lo tanto, que la turbina es un tipo de motor que
produce energía mecánica
Dicho fluido puede ser un gas, vapor
o líquido, si bien las notas que se dan a continuación son aplicables a
turbinas que operan con gas o vapor.
Para que el fluido alcance la alta
velocidad requerida para que se produzcan variaciones útiles en el momento,
debe haber una diferencia importante entre la presión a la entrada a la turbina
y la de escape.
Como fuentes de gas presurizado cabe
mencionar un gas previamente comprimido y calentado, como sería el caso de una
turbina de gas, o en la turbina de un turbosobrealimentador de un motor de C.I.
En la industria de generación de electricidad es muy frecuente el uso de vapor
generado en calderas a alta presión que utilizan combustibles sólidos o nucleares
para mover los alternadores accionados por turbinas de vapor.
Existen numerosos tipos de turbinas,
desde la más elemental utilizada en el buril de un dentista, hasta las grandes
turbinas multiexpansión empleadas en las centrales energéticas, que pueden
llegar a desarrollar hasta 1000 MW.
Tipos de turbinas
Las turbinas, pueden clasificarse de acuerdo a los
criterios expuestos en aquel artículo. Pero en el lenguaje común de las
turbinas suele hablarse de dos subgrupos principales: hidráulicas y térmicas.
Turbinas hidráulicas
Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de
densidad considerable a través de su paso por el rodete o por el estátor; éstas
son generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se
pueden modelar como turbinas hidráulicas a los molinos de viento o
aerogeneradores.
Dentro de este género suele hablarse de:
- Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún
cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el
fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión
atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el
rodete. Su principal característica es que carecen de tubería de
aspiración. La principal turbina de acción es la Turbina Pelton, cuyo
flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de
revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se
denomina inyector.
- Turbinas de reacción: Son aquellas en que el fluido sí sufre un cambio
de presión considerable a través de su paso por el rodete. El fluido entra
en el rodete con una presión superior a la atmosférica y a la salida de
éste presenta una depresión. Se caracterizan por presentar una tubería de
aspiración, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de
fluido. Estas turbinas se pueden dividir atendiendo a la configuración de
los álabes. Así, existen las turbinas de álabes fijos (Francis->Flujo
diagonal; Hélice->Flujo radial) y turbinas con álabes orientables
(Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo radial). El empleo de álabes
orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores.
El rango de aplicación (una aproximación) de las
turbinas, de menor a mayor salto es: kaplan-francis-pelton
El número específico de revoluciones es un número común
para todas las turbinas/bombas geométricamente semejantes (de menor a mayor es:
pelton-francis-kaplan). Cuanto mayor es el número específico de revoluciones,
tanto mayor es el riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una Turbina
Kaplan tiene más probabilidad de que se dé en ella el fenómeno de la cavitación
que en una Turbina Francis o una pelton.
Turbinas térmicas
Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de
densidad considerable a través de su paso por la máquina.
Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos
debido a sus diferencias fundamentales de diseño:
- Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de
fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a
mercurio, que fueron populares en algún momento, y el de las turbinas a
vapor de agua, que son las más comunes.
- Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de
fase del fluido durante su paso por el rodete.
También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de
los siguientes subgrupos:
- Turbinas a acción: en este tipo de turbinas el salto de entalpia
ocurre sólo en el estátor, dándose la transferencia de energía sólo por
acción del cambio de velocidad del fluido.
- Turbinas a reacción: el salto entálpico se realiza tanto en el rodete
como en el estátor, o posiblemente, sólo en rotor.
Igual de común es clasificar las turbinas por la presión
existente en ellas en relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo:
- Turbinas de alta presión: son las más pequeñas de entre todas las etapas y
son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina.
- Turbinas de media presión.
- Turbinas de baja presión: Son las últimas de entre todas las etapas, son las
más largas y ya no pueden ser más modeladas por la descripción de las
turbomáquinas.
Aunque no es de uso dentro de la industria petrolera no
quisiera dejar de nombrar en esta nota el concepto de turbinas eólicas.
Turbinas eólicas
Una turbina eólica es un mecanismo que transforma la
energía del viento en otra forma de energía útil como mecánica o eléctrica.
La energía cinética del viento es transformada en energía
mecánica por medio de la rotación de un eje. Esta energía mecánica puede ser
aprovechada para moler, como ocurría en los antiguos molinos de viento, o para
bombear agua, como en el caso del molino multipala. La energía mecánica puede
ser transformada en eléctrica mediante un generador eléctrico (un alternador o
un dinamo). La energía eléctrica generada se puede almacenar en baterías o
utilizarse directamente.
Como sabemos en la industria petrolera es más común el conseguir el uso de
turbinas de vapor que son utilizadas como elementos de movimiento para motores
y compresores por lo que he querido hacer un aparte en lo que respecta a la
clasificación y descripción de las partes principales de este útil y muy
utilizado equipo rotativo dentro de la industria petrolera.
Clasificación
Existen turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades
de 1 HP (0.75 kW) usadas
para accionar bombas, compresores y otro equipo accionado por flecha, hasta
turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000
kW) utilizadas para generar electricidad. Hay diversas
clasificaciones para las turbinas de vapor modernas, y por ser turbomáquinas
son susceptibles a los mismos criterios de clasificación de éstas.
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).
-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.
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.
-Turbina de vapor de acción: Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de
velocidad consta fundamentalmente de:
-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.
-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.
-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.
-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). 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.
-Turbina de flujo radial: El paso de vapor se realiza siguiendo todas las
direcciones perpendiculares al eje de la turbina.
-Turbina con 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.
-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.
-Turbinas
de condensación: El vapor sale aúna 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.
Principales
Elementos de 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.
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 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.
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.
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 si con
alambres o barras en uno o dos lugares intermedios, para darles rigidez.
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.
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 bajo respecto de su producción, o bien por observación de su superficie y cambio
cuando se encuentren en un estado deficiente.
Cojinete de empuje o axial:
El cojinete axial, o de empuje impide
el desplazamiento del rotor en la dirección del eje, evitando que 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.
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:
a)
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
b)
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.
c)
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 las 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.
Sistema de extracción de vapores:
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.
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 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.
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.
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.
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.
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 continuacion al orden que estoy siguiendo para presentar esta informacion, en el proximo post estare colocando la informacion correspondiente a los equipos de combustion Hornos y Calderas como esquipos mayores, en post diferente estare colocando la informacion relacionada con los quemadores y un poco mas de detalle con respecto a el uso de los combustible en estos equipos.
Para revisar la secuencia en la que estoy presentando la informacion pueden consultar el post titulado: Equipos de refineria en este mismo blog.
Gracias por seguirme y compartir esta informacion con quienes estan estudiando o trabajando en la industria petrolera o petroquimica y en general a todo aquel que esta informacion le sea util, la idea es concentrar la mayor cantidad de informacion relacionada en un solo sitio de manera de facilitar el trabajo de busqueda.
Mis respetos para todos.
Referencias:
Diccionario Manual de la Lengua Española Vox. © 2007 Larousse Editorial,
S.L.
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