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Mantenimiento Turbina Francis

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Jesús Castaño

on 7 May 2013

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Transcript of Mantenimiento Turbina Francis

Mantenimiento de una Turbina Hidráulica Tipo Francis Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que extrae energía del fluido, en nuestro caso agua, y la transforman en energía mecánica de rotación. Estas turbinas utilizan el agua que está a una altura superior y esta altura la llamamos caída o salto. ... small Definición
Turbina Hidráulica Clasificación Turbinas de Acción: El fluido de trabajo no sufre cambio de presión a través del rodete. Energía intercambiado únicamente cinética (Turbina Pelton) Turbinas de Reacción: El fluido de trabajo si sufre cambio de presión importante en el rodete. Parte de la energía intercambiada es cinética y parte por variación de presión.
(Turbina Kaplan y Turbina Francis) (Según Grado de Reacción) Turbina Hidráulica Turbina Hidráulica Francis Definición Las turbinas Francis son turbinas de reacción. Dentro de este tipo de turbinas se puede establecer una división entre máquinas de flujo radial (lentas: baja velocidad específica) o de flujo diagonal (rápidas: alta velocidad específica). Despiece de Turbina Francis 1 Eje
2 Dispositivo Sobrevelocidad
3 Monorriel de Pozo
4 Soporte Coj. Empuje
5 Servomotor
6 Anillo de Regulación
7 Cojinete Guía
8 Tapa Superior
9 Distribuidor
10 Predistribuidor
11 Cámara Espiral
12 Anillo Espiral
13 Rodete Francis
14 Cono Rodete Francis
15 Cono Tubo de aspiración Rodete Difusor Distribuidor Cámara espiral Reparte el líquido a la entrada del distribuidor y le imprime una apreciable componente tangencial.
Normalmente tiene forma de espiral de caracol con sección circular decreciente de esta manera se consiguen una velocidad media y presión uniformes en la entrada del distribuidor. Dos coronas de álabes concéntricas, una exterior de álabes fijos (predistribuidor) y otra interior de álabes móviles. CORONA EXTERIOR
anclada a la carcasa de la turbina, tiene una finalidad doble: conducir el liquido desde la carcasa hasta la corona de álabes móviles, y servir de arriostramiento y elemento de rigidización de dicha carcasa. CORONA DE ÁLABES MÓVILES
Su misión es guiar el liquido hacia el rodete con la dirección más adecuada así como regular el caudal de acuerdo con la potencia demandada. formado por álabes fijos, el flujo de entrada es prácticamente radial por lo que se aprovecha el máximo la acción centrifuga, pero la descarga por el centro del rodete limita el caudal. Tubo divergente (para recuperar la energía cinética del rodete) que conduce el liquido hacia un canal o tubería de descarga. Características Alto rendimiento con óptimo diseño hidráulico
Vida útil de muchas décadas
Permite pequeñas dimensiones debido a su alta velocidad
Los nuevos materiales reducen el mantenimiento
Instalada para caudales con flujo constante y donde se exija alto rendimiento. No opera con variaciones de caudal. Mantenimiento Turbina Francis Las Turbinas Francis instaladas en centrales hidráulicas para la producción de energía eléctrica deben vigilarse de manera continua, tanto para detectar fallas potenciales o incipientes como para programar su mantenimiento, con fin de aumentar su confiabilidad, disponibilidad y vida útil.

Resulta crucial que las tareas de mantenimiento se efectúen con rapidez para reanudar lo antes posible la generación de energía.

Estos equipos incluye una gran cantidad de elementos rotatorios que enfrentan diversos problemas y que hacen necesario mejorar las prácticas de operación y mantenimiento. Mantenimiento Plan de Mantenimiento General y Seguimiento de una Turbina Hidráulica Rendimiento Rendimiento Rendimiento Rendimiento Se define como el cociente entre la energía producida y la energía disponible. El conocimiento del rendimiento de una central hidroeléctrica, dotada con grupos turbina-alternador, se traduce en una mejor explotación de la misma mediante la optimización del aprovechamiento del agua disponible. Determinación mediante dos métodos: a) Mediante la realización de ensayos sobre el modelo, aplicando las correspondientes leyes de semejanza.

b) Mediante la realización de los correspondientes ensayos sobre el prototipo (método más generalizado). Se realizan siguiendo dos normas:

• IEC 41 “Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump turbines”.

• ASME PTC 18 “Hydraulic turbines. Performance test codes”. Pa= potencia en barras del alternador (kW)
δa= pérdidas del alternador (kW)
δv= pérdidas en volantes de inercia (kW)
δc= pérdidas en cojinetes (kW)
δg= pérdidas en engranajes (kW)
g= aceleración local de la gravedad (m·s-2) ρ= densidad del agua (kg.m-3)
Hn= salto neto (m)
Qt= caudal turbinado (m3.s-1)
δc= pérdidas en engranajes (kW) La determinación del caudal puede realizarse mediante diferentes métodos de medida:

Métodos absolutos: diagrama tiempo-presión (Gibson), ultrasonidos, molinetes, termodinámico, etc.
Métodos relativos ó index diferenciales: Winter-Kennedy, Venturi, Peck, etc.

La elección del método de medida dependerá básicamente de las
características de los pasajes hidráulicos de la instalación, del salto,
de la accesibilidad y de la incertidumbre de medida asumible
por el propietario. Rendimiento Además del rendimiento de la turbina, el ensayo de rendimiento permite determinar: Rendimiento del grupo.
Rendimiento de la instalación.
Rendimiento del circuito hidráulico.
Pérdidas de carga en elementos del circuito.
Efecto del sistema de aereación sobre las prestaciones
de la turbina.
Funcionamiento con perturbaciones hidráulicas
(antorchas y cavitación) mínimas.
Límites de inversión de potencia. Ensayo de Recepción Ensayo de Recepción Ensayo de Recepción Ensayo de Recepción El objetivo es verificar el cumplimiento de las condiciones contractuales de los equipos ensayados, turbina-alternador en este caso, y determinar la presencia de daños, defectos o vicios ocultos que puedan afectar a la unidad desde el momento de su puesta en servicio. Este ensayo es conforme a la Norma UNE 20-168-85 "Guía para la recepción, explotación y mantenimiento de las turbinas hidráulicas". Consiste en verificar el comportamiento dinámico de una serie de parámetros, ligados al funcionamiento de la unidad, y que definen las condiciones del conjunto turbina-alternador. Las pruebas de vibraciones a realizar dentro del ensayo de comportamiento dinámico son conformes a la Norma IEC 994 "Guide for field measurement of vibrations and pulsations in hydraulic machines (turbines, storage pumps and pump-turbines)". El ensayo comprende una serie de pruebas en régimen estabilizado y régimen transitorio: • Régimen estabilizado: A porcentajes de carga del 25%, 50%, 75% y 100% de la nominal, adicionalmente se realizaran pruebas de la máquina girando en vacío y excitada sin acoplar. • Régimen transitorio: Se incluyen los disparos desde los porcentajes de carga citados anteriormente del 25%, 50%, 75% y 100% de la carga
nominal, adicionalmente se registran los transitorios de arranque,
parada y cambios de carga (subidas y bajadas). (Todos los parámetros son registrados en tiempo real y analizados "in situ" antes de proceder a realizar la prueba siguiente). Medida de Espesores en Tuberías Medida de
Espesores en Tuberías La conducción forzada o tubería a presión está sujeta a lo largo de su vida a corrosiones, incrustaciones, sedimentaciones, formación de depósitos, etc. El control de la pérdida del espesor de la pared de la tubería proporciona un indicador de su vida útil. Medida de
Espesores en Tuberías Se realiza en campo la inspección visual de los diferentes tramos que forman la tubería incluyendo las bocas de hombre, picajes, codos, apoyos, soportes, etc. Posteriormente se procede a la medida por tramos de los espesores con un equipo de ultrasonidos valorando el alcance de la corrosión. Es necesario llevar a cabo unas medidas a periodos regulares establecidos en función del estado actual y del año de puesta en servicio. De este modo se puede determinar la velocidad de corrosión y adelantarnos así a un posible fallo intempestivo en la tubería. Equilibrado de Generadores Equilibrado
de Generadores Equilibrado
de Generadores El desequilibrio de un rotor es el resultado de una distribución másica desigual, que produce vibraciones. Vibraciones se deben a la interacción entre la componente másica desequilibrada y la aceleración radial debida al giro. Vibraciones que generan una fuerza centrípeta que se transmite a los cojinetes del rotor, de tal forma que cualquier punto de los mismos experimenta una fuerza radial por revolución. En un grupo hidroeléctrico los componentes susceptibles de presentar desequilibrio másico son: el rodete de la turbina hidráulica, el rotor del alternador y el cuerpo de la excitatriz. El desequilibrio puede deberse a posibles defectos en la construcción, fabricación, montaje y operación del grupo hidroeléctrico. Equilibrado dinámico “in situ” del rotor de un grupo turbina-generador por el método de los coeficientes de influencia (MCI). Plan de Mantenimiento Previsto para conocer el estado actual y la evolución futura de los equipos principales de la central.

Cómo el funcionamiento afecta a la vida de la turbina, del generador y del transformador.

Objetivo de detectar cualquier anomalía antes de que origine un grave daño y una parada no programada. Plan de Mantenimiento Vibraciones
y Pulsaciones Identificar y evaluar las vibraciones y pulsaciones presentes, separando aquellas que son propias del funcionamiento de la misma, de aquellas otras que tienen su origen en el funcionamiento anómalo de alguno de sus elementos se realiza mediante el estudio y el análisis de dichas vibraciones y pulsaciones. Proceso de Seguimiento y Diagnostico Se incluye el espectro base como punto de partida para determinar la aparición de problemas en el grupo, así como los planos y una hoja con los datos más significativos de la unidad. Documentación Las características constructivas y de funcionamiento determinan el tipo de posibles defectos y la vibración resultante de los mismos, lo cual hace necesario el conocimiento profundo de la máquina, de sus condiciones de funcionamiento y de los fenómenos asociados al mismo. Conocimiento de la Máquina Una vez que un defecto ha sido localizado e identificado, se determina su grado de importancia; para la valoración se considera tanto el nivel como las características del mismo. El criterio para la evaluación se basa en la existencia de un banco de datos representativo así como en las medidas históricas de la unidad. Criterios de Valoración Lubricación y Control de Aceite Las partes móviles de una turbina son muchas y por eso algunas necesitan lubricación para disminuir su desgaste. El análisis del aceite lubricante o del aceite de regulación complementa el diagnóstico mecánico del estado de la unidad Las toberas y la válvula de tobera de freno que son lubricados por la operación y no requieren lubricación adicional.

Los cojinetes articulados del varillaje de regulación y el pistón de guía del servomotor del deflector deben engrasarse una ves por mes.

Los órganos de cierre si es necesario deben engrasare trimestralmente.

Los deflectores están guiados en cojinetes de teflón reforzados con fibra de vidrio exentos de mantenimiento y no requieren lubricación. Los análisis de la muestra del aceite incluyen las determinaciones de viscosidad cinemática, oxidación, acidez, contenido en agua, aditivos y contenido en metales de desgaste y de contaminación.

El análisis de los resultados obtenidos de los ensayos realizados sobre una muestra del aceite conduce al diagnóstico del estado del mismo, detectando la existencia o no de un defecto, identificando el mismo y evaluando su importancia. Controles Funcionales Mensualmente deben controlarse el funcionamiento de los sistemas de seguridad, como interruptores límites, presostatos, medición de velocidad, etc.
Trimestralmente se debe controlar el funcionamiento de los empaques por medio del caudal de aceite y de agua de fuga.
Anualmente debe controlarse el funcionamiento y el hermetismo de todas las válvulas y grifos. Si el caudal del agua de fuga es grande puede suponer una importante disminución de rendimiento, para esto debemos de revisar los anillos de caucho que impiden que el caudal de fuga sea nulo o el mínimo posible. Trabajo de Mantenimiento Resultante del Servicio Con el fin de eliminar sedimentos de arena en la tubería anular se debe lavar la tubería abriendo la válvula de vaciado.

La limpieza de cilindro de agua del servomotor del deflector de cuerpos extraños se realiza cerrando la alimentación de agua, retirarando el tornillo de vaciado del cilindro de agua y lavando la tubería y el cilindro abriendo la válvula.

La manutención de los filtros de aceite y de agua debe hacerse de acuerdo con las instrucciones del fabricante, la frecuencia de estos trabajos de mantenimiento se rige de acuerdo al grado de ensuciamiento de cada componente. Controles Periódicos en el rodete Desde el momento de la puesta en servicio de un rodete debe controlarse a fisuras y desgastes en los periodos indicados. Revisiones Cada 8000 horas de servicio hay que someter la turbina a una revisión completa. Para ello es necesario realizar todos y cada unos de los siguientes trabajos: Control del rodete a fisuras y superficies desgastadas. Si se encuentran fisuras no se debe continuar usando el rodete. Montar un rodete de reserva y reparar el rodete defectuoso.
Controlar el llenado y el estado del aceite, de ser necesario cambiarlo o filtrarlo. Antes de poner aceite nuevo es necesario filtrarlo (fineza 5 лm).
Controlar a asiento firme uniones de tornillos, pernos y seguros en toda la turbina.
Controlar si el pintado tiene fallos y/o corrosión en la superficie en contacto con agua en especial la superficie de la tubería anular y del foso de la turbina. Partes falladas hay que desoxidar y proteger con pintura de acuerdo a las instrucciones de conservación. Repuestos Es prudente contar con un mínimo de repuestos básicos para atender los fallos que se puedan presentar y parar el menor tiempo posible la generación de energía.

Así como tener a la mano un listado con todos los repuestos posibles, con sus especificaciones exactas y observaciones para poder hacer los pedidos correctos sin cometer errores.

Si se decide mantener repuestos almacenados se debe hacer de tal manera que no se deterioren y evitar accidentes. Minicentral Hidráulica "La Herradura" (Colombia) Al noroeste del Departamento de Antioquia, en el corredor delimitado por las cabeceras municipales de Frontino y Cañasgordas.

Un salto neto de 230 m, permite la generación de hasta aproximadamente 20 MW con dos unidades turbogeneradoras. Cada unidad procesa un caudal de 5,0 m3/s y tiene una capacidad nominal de 12.000 kva., entregando la energía generada a una subestación de 44 kV.

Es una central de captación por derivación (o también llamada captación por filo de agua) mediante un azud de hormigón 1)Azud
2)Toma de agua
3)Canal de derivación
4)Cámara de carga
5)Tubería forzada
6)Casa máquinas 1)Pozo de captación
2)Canal de excesos
3)Tanque de carga
4) y 5) Desarenadores La conducción consta del pozo de captación, el túnel de presión, la tubería de presión superficial y el distribuidor, y está dimensionada para conducir un caudal de hasta 12,7 m3/s. En su extremo de aguas arriba la tubería estará conectada a una válvula mariposa de 1,60 m de diámetro nominal. Sistema de Generación 1) Turbina Francis unidad 1
2) Volante unidad 1
3) Generador unidad 1
4) Turbina Francis unidad 2
5) Volante unidad 2 Vista general del Sistema de Generación Esquema General de Generación Flujo del Proceso de Generación Descripción Técnica de la Minicentral Componentes Principales: Turbina Francis
Generador
Eje
Cojinetes
Estructura de soporte Turbina Francis Descripción Técnica de la Turbina Francis: Generador El encargado de recibir el movimiento rotacional de la turbina, por medio de un eje, convirtiéndolo en energía eléctrica es un Generador Sincrónico Trifásico. Eje Dispositivo mecánico que sirve de intermediario entre el movimiento rotacional que entrega la turbina y recibe el generador para generar energía.

Con una longitud de 6.5 m es un elemento de diámetro variable en cada sección ya que presenta ciertos dispositivos adicionales para su correcto funcionamiento.

Apoyado en tres cojinetes con lubricación por gravedad; dos de estos cojinetes son radiales y se encuentran ubicados de la siguiente forma:
Uno de ellos esta entre el volante de inercia y el generador y el otro entre el generador y la excitatriz.
El tercer cojinete es radial axial y es el más cercano a la turbina. Cojienetes Hidrodinámicos Subsistemas fabricados en fundición gris que alcanzan los 40 y 60 ºC son protegidos con un recubrimiento en babit que permite resistir el desgaste y evitar al máximo la fricción con la ayuda de lubricantes "Turbine 30" y con lubricación circular. Cojinete Radial Cojinete Axial-Radial Gestión de Mantenimiento de la Minicentral de la Herradura Organigrama de Operación y Mantenimiento Dos grupos estratégicos:

Equipos de Generación: equipos que afectan a la generación de energía, incluidos los transformadores.

Equipos Periféricos: no afectan directamente a la generación de energía, como el puente grúa, compresores, motobombas, etc. Acciones Correctivas Se presentan cuando hay eventualidades con los equipos de generación o periféricos que afecten el buen desarrollo del proceso. Proceso de Mantenimiento Correctivo Acciones Preventivas Proceso de Mantenimiento Preventivo Los planes para el mantenimiento preventivo están soportados en la información técnica y en recomendaciones de los fabricantes de los equipos, del equipo de análisis técnico e ingeniería de la subgerencia de operación y por la experiencia y el conocimiento del personal técnico. Todos los equipos que están en la cadena del generador, transformador e interruptor son prioritarios; por eso cuentan con una programación trimestral y una anual. Acciones Predictivas Desarrollado por los ingenieros de mantenimiento, en éste se realizan todas las pruebas necesarias para determinar el estado de funcionamiento de los equipos críticos, y así prever los fallos. Esta gestión se realiza en el tiempo del mantenimiento anual y da una visión mas clara para ampliar o no los periodos entre el mantenimiento preventivo.

Una de las acciones más importantes realizadas son las medidas de vibraciones.

Solo para equipos de generación. Pruebas realizadas a los generadores Ejemplo de Acción Predictiva Análisis de Vibraciones Cadena de Medición del Sistema de Análisis de Vibraciones En nuestra minicentral el sistema de monitoreo permanente de vibraciones para el generador se basa en el instrumento de serie “VDR-24” (Vibro Diagnostics Recorder – 24 channels), en el módulo de datos VDM y en el programa de diagnóstico “ATLANT”. 1) Minicentral La Herradura
2) Sensores – Medición de la variable
3) VDM – Módulo de datos
4)VDR – Adquisición y procesamiento de la señal
5) Software ATLANT
6) Análisis y transformaciones de la señal 1) Análisis en el dominio del tiempo y
la frecuencia
2) Análisis en el dominio del tiempo
y la amplitud
3) Análisis en coordenadas polares
4) Comportamiento de cada una de
las variables en el tiempo Transductores de Desplazamiento y Aceleración Siguiendo las recomendaciones de la norma, los sensores más adecuados para la instalación serían sensores de desplazamiento y acelerómetros.

Los sensores de aceleración llamados acelerómetros son instrumentos de medida que proporciona lecturas de la variación de la aceleración (lineal o transversal) con el tiempo.

Los sensores de desplazamiento son sensores inductivos que detectan materiales férricos basándose en variaciones de campo magnético. El circuito detector reconocerá el cambio en la impedancia de la bobina del sensor y enviará una señal al amplificador de salida. Nomenclatura de las Variables El primer número o letra indica el punto de medición:
• 1 – Cojinete de soporte – empuje
• 2 – Cojinete radial cerca de la turbina
• 3 – Cojinete radial cerca de la excitatriz
• T – Eje de la turbina
• G – Núcleo del estator del generador La segunda letra describe el tipo de sensor:
• V - Acelerómetro midiendo un valor relativo RMS de la señal de vibración
• D - Sensor de desplazamiento midiendo el valor absoluto del desplazamiento del centro de gravedad
La tercera letra muestra la dirección de movimiento de a medición del sensor:
• V – Vertical
• H – Horizontal (Lateral)
• A – Axial • (D) R – Desplazamiento radial del eje • (D) A – Desplazamiento axial del eje Ubicación de los Sensores Debemos elegir los puntos más críticos de la instalación desde todos los puntos de vista (mecánico, eléctrico e hidráulico), con el fin de instalar en ellos los sensores más adecuados para la inspección y control de la central.

Los puntos típicos de ubicación de los acelerómetros son puntos cercanos a los cojinetes, porque es en estos puntos donde se detecta la mayor parte de la potencia transmitida por el eje a los puntos críticos de la máquina. Conclusiones El mantenimiento en una Central Hidroeléctrica es sumamente importante debido a que una perdida de energía puede suponer una importante perdida de beneficios en la venta de electricidad.
Estudios realizados en Estados Unidos indican que el costo de mantenimiento representa entre un 15% y 40% de los costos totales de la producción de las centrales de generación típicas. Otras estadísticas revelan que de 10% a 30% de todo el tiempo perdido en las plantas de generación se debe a fallas en los equipos rotatorios.

Razones por las que es de suma importancia conocer los mecanismos de deterioro que sufre un generador para tomar medidas correctivas y preventivas que detengan el proceso o lo impidan en un futuro. ¡Muchas Gracias por su atención! Jesús Castaño Marcos
Trabajo de Tecnología del Mantenimiento Para ver presentación online: http://prezi.com/4mc3dnermqgh/mantenimiento-turbina-francis/?kw=view-4mc3dnermqgh&rc=ref-35615149
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