Averias en Turbinas de Gas

Averías habituales
en plantas de generación eléctrica
Volumen 2
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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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© 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
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INTRODUCCIÓN
La mayor parte de las averías en una planta de cogeneración son averías
repetitivas. Sorprende incluso que diferentes plantas con diferentes configuraciones y diferentes tecnologías puedan tener semejanzas en este punto.
Aunque los fallos típicos más habituales de cada planta dependen lógicamente de los modelos específicos de cada uno de los equipos que componen la planta, es posible generalizar una serie de fallos que pueden considerarse 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 algunos 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 motor térmico
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2.1
AVERÍAS EN TURBINAS
DE GAS
Origen de los fallos
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 refiere al ajuste del proceso de combustión, y así el rendimiento y la estabilidad de llama se ven relacionados con estos ajustes. Otra parte de las averías son las típicas de los equipos rotativos: vibraciones, desalineaciones,
etc. Y por último, al igual que ocurre con los motores de gas, las negligencias de operación y mantenimiento están detrás de muchos de los problemas que se viven con turbinas de gas, y especialmente, detrás de las averías más graves. Así, tratar de arrancar una y otra vez con alarmas presentes sin solucionar el problema, o retrasar las inspecciones programadas es
la causa de muchas grandes averías en turbinas de gas.
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
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2.2
AVERÍAS HABITUALES EN PLANTAS DE COGENERACIÓN
Averías en la entrada de aire
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 admisión tiene principalmente dos funciones:
filtrar el aire, de manera que el polvo ambiental o cualquier otro residuo nocivo no entre 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:
⎯
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Fig 2.1. Filtros en mal estado
Corrosión en la estructura que soporta los
filtros (casa de filtros), generalmente por una mala elección de los materiales de dicha estructura, de las pinturas y recubrimientos protectores o por no atajar a tiempo la corrosión en sus etapas iniciales
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Fig 2.2. Problemas de corrosión en casa de filtros
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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.
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Fig 2.3. Casa de filtros de una turbina durante el proceso de construcción
⎯
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 filtrante a acceda a la turbina sin eliminar las partículas sólidas en suspensión
⎯
Bloqueo de los filtros por obstrucción total de sus poros. Una falta
de caudal de aire de entrada puede provocar a su vez otros problemas, como la entrada en bombeo del compresor o el colapso de la casa de filtros por excesivo vacío.
2.3
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 indicados en los apartados siguientes.
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AVERÍAS HABITUALES EN PLANTAS DE COGENERACIÓN
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 detergente 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 humedad ambiental es alta, puede producirse la congelación de la humedad contenida 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 aerodinámica.
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).
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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 admisión de aire (bloqueo del filtros, por ejemplo) la admisión de la turbina queda con un nivel de vacío alto, de manera que el aire comprimido en el compresor 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 elemento 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 extraño y los riesgos asociados varían en función del tamaño y localización del
objeto. Así, objetos pequeños y blandos provocarán pequeños daños o incluso nulos. Por el contrario, si un objeto de cierto tamaño ingresa en el interior de la turbina los daños pueden conducir incluso a la destrucción completa de los álabes, por la reacción en cadena que puede provocar.
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Fig 2.5. FOD en un álabe del compresor
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AVERÍAS HABITUALES EN PLANTAS DE COGENERACIÓN
Prevenir este fallo es sencillo. En primer lugar, la entrada de aire debe conservarse siempre en perfecto estado, y debe realizarse una inspección periódica 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 necesario 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, realizando 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 periódicas mediante boroscopio, identificando posibles
daños, fracturas y cualquier
señal posible desprendimiento son la mejor estrategia de prevención. La mayoría de los DOD no ocurren
de forma súbita, sino que
son consecuencia de la evolución de un fallo que puede
detectarse mucho tiempo
atrás. El control de la corrosión, mediante el uso de las
técnicas apropiadas, es otro
de los factores importantes
para evitar DOD.
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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 desprende 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.
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Fig 2.7. Fisuras en un álabe
2.3.6. Roces entre álabes móviles y estator (rubbing)
Como consecuencia de una dilatación no prevista, una curvatura o un desplazamiento 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 indicativo 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 determinadas 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
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2.4 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 longitud 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 superiores 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.
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Fig 2.8. Pérdida de material cerámico en
cámara de combustión
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 aumento 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 inadecuada, normalmente muy pobre en gas.
⎯
Fallos en ignitores. Suelen aparecer por deformaciones o roturas 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
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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 álabes sufre una alta tasa de fallos debido a las temperaturas y al flujo de gases 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 pieza.
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Fig 2.9. Pieza de transición en turbinas tuboanulares
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2.5 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
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Fig 2.10. Álabe roto de la turbina de vapor,
probablemente relacionado con un exceso de temperatura
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blemas de forma inmediata: una degradación acelerada de la zona que presenta la rotura, un aumento súbito de vibraciones por desequilibrio y el impacto 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
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Fig 2.11. Fisuras identificadas por líquidos penetrantes
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 para tratar de identificar insluso pequeñas fisuras, y poder repararlas si aún
se está a tiempo de hacerlo.
2.5.3. FOD y DOD
El impacto por objetos propios o extraños afecta a los álabes de la misma
forma ya indicada para los álabes del
compresor. En la figura adjunta pueden verse impactos provocados por
objetos propios o extraños de la turbina, que generalmente afectan al recubrimiento cerámico.
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Fig 2.12. Fisuras identificadas por líquidos 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 temperatura 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 deteriorarse, y dejar al descubierto el metal que consituye el aire, que sufrirá una
rápida degradación
2.6 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 espectro 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 arranque, 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 sucedería 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 facilite 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 mantenimiento.
Las causas más habituales que provocan un alto nivel de vibración se estudian con mayor detalle en el capítulo dedicado a los fallos habituales en
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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 embrague 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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