averías habituales en plantas de generación eléctrica

Volumen 2

Averías habituales en plantas de generación eléctrica

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© Santiago García Garrido 2010

© Editorial RENOVETEC 2010

Todos los derechos reservados. Prohibida la reproducción total o parcial de este documento por cualquier medio sin la autorización expresa y por escrito del titular del copyright

Obra inscrita en el Registro de la Propiedad Intelectual, Oficina Territorial de Madrid

Edita: Editorial RENOVETEC

Maquetación: Diego Martín

Diseño de Portada: Maite Trijueque

Colección COGENERACIÓN

Volumen 1: Averías habituales motores alternativos de gas

Volumen 2: Averías habituales en turbinas de gas Volumen 3: Averías habituales en turbinas de vapor

Volumen 4: Averías habituales en calderas, ciclo agua-vapor y sistemas auxiliares

La colección COGENERACIÓN está editada por RENOVETEC, y está basada en los libros “COGENERACIÓN, DISEÑO OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO DE PLANTAS”

“MOTORES DE GAS”; “TURBINAS DE GAS” y “TURBINAS DE VAPOR”

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La mayor parte de las averías en una planta de cogeneración son averías repetitivas. Sorprende incluso que diferentes plantas con diferentes configu-raciones y diferentes tecnologías puedan tener semejanzas en este punto. Aunque los fallos típicos más habituales de cada planta dependen lógica-mente de los modelos específicos de cada uno de los equipos que compo-nen la planta, es posible generalizar una serie de fallos que pueden consi-derarse habituales en las plantas de cogeneración. Sin pretender realizar un estudio profundo y detallado de estos fallos, trataremos de exponer los síntomas, causas y consecuencias de cada uno de ellos, tratando en algu-nos casos de exponer como corregirlos o evitarlos.

En este libro se estudian en mayor detalle las averías de las tres máquinas térmicas habituales, esto es, motor alternativo, turbina de gas y turbina de vapor; de manera más esquemática, se relacionan las averías del resto de la instalación de cogeneración. Esto no debe hacer pensar que las averías en las instalaciones de recuperación de calor o en los sistemas auxiliares deben preocupar menos al técnico de la planta, ya que a pesar de que su gravedad es inferior, son mucho más frecuentes que las que afectan al mo-tor térmico

INTRODUCCIÓN 0

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La mayor parte de los fallos en turbinas de gas están relacionadas con las altas temperaturas que se emplean en la cámara de combustión y en las primeras filas de álabes de la turbina de expansión. Otro gran grupo se re-fiere al ajuste del proceso de combustión, y así el rendimiento y la estabili-dad de llama se ven relacionados con estos ajustes. Otra parte de las aver-ías son las típicas de los equipos rotativos: vibraciones, desalineaciones, etc. Y por último, al igual que ocurre con los motores de gas, las negligen-cias de operación y mantenimiento están detrás de muchos de los proble-mas que se viven con turbinas de gas, y especialmente, detrás de las aver-ías más graves. Así, tratar de arrancar una y otra vez con alarmas presen-tes sin solucionar el problema, o retrasar las inspecciones programadas es la causa de muchas grandes averías en turbinas de gas.

AVERÍAS EN TURBINAS DE GAS 2

2.1 Origen de los fallos


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Origen de los fallos en turbinas de gas

⎯ Problemas de materiales relacionados con las altas

temperaturas empleadas

⎯ Problemas típicos de equipos rotativos

⎯ Negligencias de operación y mantenimiento

La entrada de aire comburente requiere de un complejo sistema para acondicionarlo a las necesidades de la turbina y obtener el mejor rendimiento. El sistema de aire de ad-misión tiene principalmente dos funciones: filtrar el aire, de manera que el polvo am-biental o cualquier otro residuo nocivo no en-tre a la turbina y cause diversos problemas, y aumentar la densidad del aire enfriándolo y/o humedeciéndolo.

Las averías que se detectan en el sistema de aire de admisión son las siguientes:

⎯ Corrosión en la estructura que soporta los filtros (casa de filtros), generalmente por una mala elección de los ma-teriales de dicha estructura, de las pinturas y recubrimientos protecto-res o por no atajar a tiempo la corrosión en sus etapas iniciales

AVERÍAS HABITUALES EN PLANTAS DE COGENERACIÓN 6

2.2 Averías en la entrada de aire

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Fig 2.1. Filtros en mal estado

Fig 2.2. Problemas de corrosión en casa de filtros

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2.3

Fig 2.3. Casa de filtros de una turbina durante el proceso de construcción



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⎯ Incendios en filtros, ya que son un material altamente inflamable. Los trabajos de soldadura o corte, o negligencias diversas suelen estar detrás de este grave problema.

⎯ Pérdida de estanqueidad, de forma que parte del aire que ingresa a la turbina lo hace sin atravesar los filtros

⎯ Rotura de filtros, que hará que el aire no atraviese el material fil-trante a acceda a la turbina sin eliminar las partículas sólidas en sus-pensión

⎯ Bloqueo de los filtros por obstrucción total de sus poros. Una falta de caudal de aire de entrada puede provocar a su vez otros proble-mas, como la entrada en bombeo del compresor o el colapso de la ca-sa de filtros por excesivo vacío.

Averías en el compresor

Los problemas más habituales en el compresor están relacionados con la pérdida de características aerodinámicas, con las presiones de trabajo y con la velocidad de giro. Por tanto, los problemas más habituales son los indica-dos en los apartados siguientes.

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2.3.1. Suciedad (fouling).

Las partículas que atraviesan el sistema de filtrado se pueden depositar en los álabes y provocar dos efectos: cambian la aerpdinámica del álabe, y por tanto, afectan negativamente al rendimiento del compresor, y desequilibran la turbina. Por ello, las turbinas deben ir dotadas de sistemas de limpieza automáticos, que periódicamente introduzcan una mezcla de agua y deter-gente en el compresor y retiren esta suciedad.

2.3.2. Congelación de agua en las primeras filas de álabes fijos.

Cuando la temperatura baja por debajo de un determinado valor y la hume-dad ambiental es alta, puede producirse la congelación de la humedad con-tenida en el aire de entrada a la turbina. El hielo formado se deposita en los primeros álabes de la turbina, que en muchos casos son de ángulo variable, provocando una dificultad para su movimiento y un cambio en su forma ae-rodinámica.

El fallo se evita fácilmente utilizando adecuadamente el sistema anti-hielo, que consiste en la elevación de la temperatura del aire introduciendo calor (vapor o gases de escape de la turbina).

Fig 2.4 Álabes fijos de posición variable, que componen las primeras filas de alabes



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2.3.3. Entrada en bombeo (compressor surge).

El fenómeno de bombeo aparece cuando por algún problema en la admi-sión de aire (bloqueo del filtros, por ejemplo) la admisión de la turbina que-da con un nivel de vacío alto, de manera que el aire comprimido en el com-presor retorna hacia la entrada hasta hacer aumentar la presión; en pocos segundos, vuelven a originarse un fuerte vacio, y el aire vuelve a retornar, repitiéndose el proceso de forma intermitente. Cuando ocurre, la avería que puede llegar a originarse es grave, y por ello la turbina debe ir equipada con los sistemas rompevacío correspondientes.

2.3.4. Entrada de un objeto extraño (FOD) o rotura de ele-mento interno (DOD).

Uno de los fallos más dañinos y fáciles de prevenir es el provocado por la entrada de un objeto externo, FOD según al terminología habitual (Foreign Objetc Damage). Los efectos que puede tener la entrada de un objeto ex-traño y los riesgos asociados varían en función del tamaño y localización del objeto. Así, objetos pequeños y blandos provocarán pequeños daños o in-cluso nulos. Por el contrario, si un objeto de cierto tamaño ingresa en el in-terior de la turbina los daños pueden conducir incluso a la destrucción com-pleta de los álabes, por la reacción en cadena que puede provocar.

Fig 2.5. FOD en un álabe del compresor


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Prevenir este fallo es sencillo. En primer lugar, la entrada de aire debe con-servarse siempre en perfecto estado, y debe realizarse una inspección pe-riódica para asegurar que ningún objeto extraño puede pasar al interior de la turbina. Pero sobre todo, al realizar mantenimientos programados que supongan la apertura de la turbina o la entrada en la casa de filtros es ne-cesario observar una serie de precauciones:

⎯ Es conveniente retirar de los bolsillos cualquier objeto que pueda caerse

⎯ Es necesario tener una lista de las herramientas usadas, y controlar que todas ellas están en su sitio una vez finalizada la inspección, reali-zando si es preciso un inventario.

⎯ Limpiar y controlar la casa de filtros antes de abandonar el recinto

⎯ La limpieza y el orden en los alrededores de la turbina y de la casa de filtros son otro aspecto a cuidar

En otras ocasiones es un objeto de la propia turbina el que ingresa en la zona rotativa y causa los daños. Normalmente se trata de una parte rota o desprendida de una zona de la turbina que golpea los álabes o la cámara de combustión. El fallo se denomina habitualmente DOD (Domestic Object Damage)

Las revisiones internas pe-riódicas mediante borosco-pio, identificando posibles daños, fracturas y cualquier señal posible desprendi-miento son la mejor estrate-gia de prevención. La ma-yoría de los DOD no ocurren de forma súbita, sino que son consecuencia de la evo-lución de un fallo que puede detectarse mucho tiempo atrás. El control de la corro-sión, mediante el uso de las técnicas apropiadas, es otro de los factores importantes para evitar DOD.

Fig 2.6. Impacto en rueda de álabes del compresor



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2.3.5. Fracturas en álabes (cracking)

Por efecto de la velocidad, de impactos, de falos en construcción o de cualquier otro problema estructural puede producirse grietas longitudinales o trasversales en los álabes del compresor de una turbina. Si la grieta progresa, el fallo puede llegar a ser muy grave si una parte del álabe se des-prende e impacta con el resto de las filas de álabes, que giran a gran velocidad. El fallo en cadena, puede llegar a significar la destrucción completa de la turbina.

2.3.6. Roces entre álabes móviles y estator (rubbing)

Como consecuencia de una dilatación no prevista, una curvatura o un des-plazamiento del rotor se puede producir un roce entre partes fijas y partes móviles. El roce en sí mismo no es un gran problema, pero puede ser indi-cativo de otros problemas mayores:

⎯ Puede indicar que hay dilataciones no consideradas que pueden

originar un problema mayor

⎯ Puede indicar que hay deformaciones en el eje o en determina-das partes (álabes o cierres) que pueden suponer una pérdida de la forma inicial. La deformación puede ser indicativo de un problema en el material o de un sobrecalentamiento de alguna zona concreta, cuyo origen será necesario conocer

⎯ Un roce siempre puede degenerar en una grieta o fractura, por lo que es necesario hacer un seguimiento de cualquier roce que se observe para estudiar su evolución



Fig 2.7. Fisuras en un álabe

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Averías típicas en cámara de combustión

2.4.1. Temperatura excesiva (Overfiring)

Se produce por un deficiente control de la temperatura en cámaras o de la lon-gitud de la llama. Hay que tener en cuenta que la temperatura de la llama puede alcanzar los 3000 K, mientras que los materiales utilizados rara vez pueden soportar temperaturas superio-res a 1500 K, así que la atenuación de la temperatura jugando con el exceso de aire de admisión es vital para la cámara de combustión y para los álabes de la turbina de expansión.

2.4.2. Pulsación de llama (pulsation)

La inestabilidad, provocada generalmente por defectos en las presiones de gas y aire, por temperaturas inadecuadas o por una mezcla entre ambos gases deficiente, provoca una fuerte vibración parecida a la que se observa en la llama piloto de un calentador de gas butano cuando la bombona está a punto de acabarse. La vibración puede provocar daños estructurales, además de producir una disminucióne vidente del rendimiento y un aumen-to de las emisiones de CO.

2.4.3. Apagado de llama (flameout)

El apagado de llama puede producirse si las condiciones de combustión no se logran mantener. El fallo suele estar relacionado con defectos en los quemadores, con baja temperatura de cámara, o con una mezcla inadecua-da, normalmente muy pobre en gas.

⎯ Fallos en ignitores. Suelen aparecer por deformaciones o rotu-ras asociadas a defectos de diseño o de materiales, o a un ajuste de temperaturas inadecuado.

⎯ Fallos en los sensores de detección de llama. Como cualquier instrumento, estos sensores son susceptibles de sufrir averías súbitas o desajustes

Fig 2.8. Pérdida de material cerámico en cámara de combustión

2.4



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2.4.4. Rotura en la pieza de transición

En las turbinas con cámara de combustión tuboanular la pieza que conduce los gases de la combustión a alta temperatura hasta la primera fila de ála-bes sufre una alta tasa de fallos debido a las temperaturas y al flujo de ga-ses con gran energía. Esta pieza, llamada pieza de transición se vuelve una de las piezas más críticas de este tipo de turbinas. Así, las deformaciones, pérdida de material cerámico y las roturas con fallos habituales en esta pie-za.

Fig 2.9. Pieza de transición en turbinas tuboanulares



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Averías típicas en turbina de expansión

Los álabes de la turbina de expansión gas son muy parecidos a los fallos que se producen en los álabes del compresor: impactos y roturas. A esos fallos hay que añadirles los propios de la alta temperatura a la que se ven expuestos. Veamos todos ellos.

2.5.1. Rotura de álabes

Por problemas estructurales, de materiales, de refrigeración, de fabricación, por impactos o por sobretemperatura, los álabes pueden sufrir grietas que terminan evolucionando a roturas. Cuando se produce la rotura, surgen tres

p r o -Fig 2.10. Álabe roto de la turbina de vapor,

probablemente relacionado con un exceso de temperatura

2.5



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blemas de forma inmediata: una degradación acelerada de la zona que pre-senta la rotura, un aumento súbito de vibraciones por desequilibrio y el im-pacto de los trozos rotos en otros álabes. De esta forma, cuando se detecta por alguna circunstancia un comportamiento anormal en vibraciones debe investigarse la causa lo antes posible, pues puede tratarse de un problema mayor

2.5.2. Fisuras en álabes

Antes de producirse la rotura, normalmente aparece una fisura que en caso de progresar acaba en fractura. Durante las revisiones programadas es habitual realizar inspecciones en todos los álabes por líquidos penetrantes pa-ra tratar de identificar insluso peque-ñas fisuras, y poder repararlas si aún se está a tiempo de hacerlo.

2.5.3. FOD y DOD

El impacto por objetos propios o extra-ños afecta a los álabes de la misma forma ya indicada para los álabes del compresor. En la figura adjunta pue-den verse impactos provocados por objetos propios o extraños de la turbi-na, que generalmente afectan al recu-brimiento cerámico.

Fig 2.11. Fisuras identificadas por líquidos penetrantes



Fig 2.12. Fisuras identificadas por líqui-dos penetrantes

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2.5.4. Temperatura excesiva (Overfiring)

Afecta por igual a la cámara de combustión y a las primeras filas de álabes de la turbina de expansión. Pueden estar provocadas bien por una tempera-tura excesiva o bien por una refrigeración en álabes insuficiente

2.5.5. Pérdida de material cerámico (TBC Expalation).

Por efecto de temperatura o de impactos, parte del recubrimiento cerámico que protege los álabes de la turbina de la alta temperatura puede deterio-rarse, y dejar al descubierto el metal que consituye el aire, que sufrirá una rápida degradación

Vibración en turbinas de gas

La vibración es uno de los problemas más habituales en turbinas de gas, puesto que la mayoría de los problemas de la turbina se refleja en el espec-tro de vibración de la turbina. Las grandes turbinas suelen ir equipadas con un complejo sistema tanto de medición de amplitud como de medición de espectro, para poder determinar con rápidez y claridad la causa que origina la vibración.

La vibración se hace especialmente evidente durante el proceso de arran-que, ya que durante este periodo se atraviesan una o varias velocidades críticas de la turbina, velocidades en las que la vibración, por resonancia molecular, se ve notablemente amplificada (algo parecido a lo que suceder-ía si todos los chinos decidieran saltar a la vez). Es un error muy habitual no estudiar y corregir el problema que está provocando ese anormalmente alto nivel de vibraciones y limitarse a tomar alguna medida puntual que fa-cilite el arranque; los daños que pueden producirse pueden llegar a ser muy altos. Igual que en el caso del gripado de motores, detrás de una avería grave de turbina suele estar una negligencia grave de operación y/o mante-nimiento.

Las causas más habituales que provocan un alto nivel de vibración se estu-dian con mayor detalle en el capítulo dedicado a los fallos habituales en

2.6



turbinas de vapor, ya que las causas y la solución son comunes en ambos casos. Como resumen, el origen de las vibraciones en turbinas de gas suele ser el siguiente:

⎯ Desequilibrio

⎯ Desalineación

⎯ Fallos en la nivelación

⎯ Vibraciones provocadas por otro equipo, como el reductor, el embra-gue o el generador

⎯ Fallos en la lubricación

⎯ Mal estado de cojinetes

⎯ Mal estado de la bancada

⎯ Deficiente sujeción de la turbina a la bancada

⎯ Inestabilidad de la combustión



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