Manual De Turbinas De Gas

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TURBINAS DE GAS

INCLUYE MECÁNICA DE TURBO-GENERADORES Y TURBO-COMPRESORES

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CONTENIDO

1. Introducción a la Turbina a Gas a) Historia de la turbina a gas. b) La Energía. c) Formas de energía.

2. La Turbina a Gas

a) Definición. b) Ciclo operativo de la turbina a gas. c) Disposiciones mecánicas de la turbina. d) Componentes principales de la turbina a gas: compresor de aire, cámaras de combustión, turbina de alta presión y/o turbina de baja presión, sellos y cojinetes. e) Rendimiento de la Turbina: alternativas existentes para incrementar el rendimiento de la turbina a gas.

3. Aplicaciones Industriales de la Turbina a Gas a) Plantas compresoras de gas y de bombeo de crudo. b) Plantas de generación eléctrica. c) Plantas de ciclo combinado.

4. Equipos auxiliares

a) Sistema de Filtración de aire. b) Sistema de aceite lubricante e hidráulico. c) Sistema de enfriamiento. d) Sistema de combustible. e) Sistema de protección fuego/gas. f) Sistema de escape. g) Sistema de arranque. h) Sistema de ignición. i) Modulo o cabina de la turbina.

5. Supervision y Control a) Sistema de control de aire del compresor. b) Sistema de supervisión y control (DCS y PLCs).

6. Mantenimiento de la Turbina a Gas a) Generalidades del mantenimiento.

b) Tipos de mantenimiento: preventivo, correctivo y predictivo. c) Técnicas del mantenimiento por condición. d) De!nición de falla, modos de fallas, patrón de fallas. e) De!nición de inspección, técnicas de inspección, beneficios. f) Monitoreo de la condición para turbinas a gas: monitoreo de vibraciones, monitoreo a través del análisis de aceite, monitoreo a través de la inspección endoscópica y/o boroscópica. g) Mantenimiento al compresor axial. h) Averías presentadas habitualmente en turbinas a gas operacion, mAntenimiento y supervision

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1. Introduccion a la Turbina a Gas a) Historia de la turbina a gas. b) La Energía. c) Formas de energía. Introduccion Las Turbinas a Gas son unidades integradas, no necesitan calderas, condensadores, sistemas de agua de alimentación y enfriamiento como lo utiliza la turbina de vapor, producen alta potencia a alta velocidad así como también la eficiencia térmica es mucho más elevada que la turbina de vapor, con gran confiabilidad y fácil mantenimiento ocupando además de ello poco espacio. Objetivo Fortalecer las competencias necesarias en la Operación y Mantenimiento de las Turbinas a Gas, aplicando las normas de Seguridad, Higiene y Ambiente. A continuación se presentan los temas que serán tratados en la unidad de conocimiento. Historia de la Turbina a Gas El ejemplo más antiguo de la propulsión por Vapor puede ser encontrado en un egipcio llamado Hero en 150 a.c.

Hero inventó un juguete que rotaba en la parte superior de una olla hirviendo debido al efecto del aire o vapor caliente saliendo de un recipiente con salidas organizadas de manera radial en un sólo sentido.

En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900. La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar. Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables. En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.

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En 1678 un jesuita llamado ferdinand verbiest construyó un modelo de un vehículo automotor que usaban vapor de agua para movilizarse

En 1872, un hombre llamado Stolze diseñó la primera turbina de gas. Incorporaba una turbina de varias etapas y compresión en varias etapas con flujo axial probó sus modelos funcionales en los años 1900. La Compañía General Electric comenzó su división de turbinas de gas en 1903. Un Ingeniero llamado Stanford Moss dirigió la mayoría de los proyectos. Su desarrollo más notable fue el turbo supercargador. Este utilizaba los gases de escape de un motor alternativo para mover una rueda de turbina que, a su vez, movía un compresor centrífugo utilizado para supercargar. Este elemento hizo posible construir las primeras turbinas de gas confiables. En los años 30, tantos británicos como alemanes diseñaron turbinas de gas para la propulsión de aviones. Los alemanes alcanzaron a diseñar aviones de propulsión a chorro y lograron utilizarlos en la 2° guerra mundial.

En diciembre de 1936 fue puesta en servicio la primera turbina a gas con fines comerciales, contruida por la BBC y ubicada en la Refineria Marcus Hook cerca de Phildelphia, PA. Esta turbina a gas tenia una salida total de potencia de 5400Kw, el compresor consumía cerca de 4400 Kw y entregaba una potencia de 9oo Kw a 5200 RPM. Desde ese momento el desarrollo de la turbina a gas fue impactando el mundo industrial tanto para la generación de electricidad como para mover locomotoras como la turbina W21 de Westinghouse, la cual posteriormente fue utilizada para mover compresores de gas en la Missisipi River Fuel Company en 1948. En julio de 1949 GE fabrica su primera maquina industrial la 3001 A TG, suministrada para Belle Isle Station de la Oklahoma Gas & Electric Company en la ciudad de Oklahoma en los Estados Unidos, esta maquina fue declarada Patrimonio Histórico de la Ingenieria Mecanica el 8 de Noviembre de 1984. Es de notar que en Venezuela estuvo operando hasta el 2004 la Planta Tia Juana 1, primera planta compresora de gas la cual fue puesta en servicio en el 1955 constaba con 10 turbocompresores manejados por turbinas GE 3001 y 6000 HP.

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En 1952 la empresa Ruston y Hornsby mas tarde llamada Rustan Gas Turbine y posteriormente European Gas Turbines actualmente Siemens, instalos su primera turbina a gas, la TA 1250, con la Kuwait Oil Company para manejar una bomba de crudo. En 1958 GE instala su primera turbina a gas 5001 A TG, para 10 MW, fue instalada en la Lousiana Power and Light en Monroe, Lousiana. USA. Esta es una de las maquinas mas utilizadas a nivel mundial para generación eléctrica como para manejar otros equipos como compresores, bombas entre otros. Las ultimas versiones de esta maquina logran una potencia de 30 MW en dos flechas (ejes) FR 5 E. A finales de los años cincuenta, Solar consiguió otro contrato con la Marina de los EE.UU. para diseñar una turbina de 750 kW (1.000 hp) para la propulsión de embarcaciones a alta velocidad. El resultado fue la turbina de gas Saturn®, que comenzó a fabricarse en 1960. Ese mismo año, Solar Aircraft Company pasó a ser subsidiaria de International Harvester Company y, tres años más tarde, se convirtió en una división de International Harvester. La gerencia de Solar se dio cuenta de que la turbina Saturn también tenía un gran potencial comercial ya que era mucho más pequeña, más ligera de peso, más fiable y más fácil para darle mantenimiento que los equipos alternativos más grandes y de menos velocidad que hasta entonces se habían usado en aplicaciones industriales. La turbina Saturn pasó a ser la turbina de gas industrial más utilizada en el mundo, con unas 4.800 unidades en 80 países. Hoy en día sigue fabricándose y está disponible en dos configuraciones mejoradas y de mayor potencia.

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En Octubre de 1960, un acontecimiento mundial realza la aplicación de la turbina a gas, pues la turbomaquina de aplicaciones aéreas es configurada mecánicamente para trabajos industriales. El arreglo fue realizado con una turbina a gas aeroderivativa Pratt&whitney J-57, una turbina de potencia Ingerson Rand RT-248 y compresores Cooper Bessermer’s C-B, el conjunto fue llamado P&W GG3C-1. En la década de los 70”s Rolls Royce introduce la aplicación de turbinas a gas de uso aéreo en aplicaciones industriales como lo son el Avon 1534 y el RB211-22B en compresores centrífugos.

Avon 200

Como hemos podido observar desde el inicio de la humanidad, el hombre ha buscado manipular las fuerzas de la naturaleza, investigándola, conociéndola y usándola para su beneficio. De la interacción de la naturaleza y la investigación, se han desarrollado invenciones que han transformado la historia del hombre, una de ellas, la turbina. Las turbinas son equipos utilizados en la transformación de energía calorífica en cinética y de ahí en potencia. Estos mecanismos otorgan a la sociedad moderna uno de sus tesoros más preciados: La electricidad. Para poder generar la electricidad y la potencia en todo el mundo, las turbinas ejercen una labor muy fuerte, lo que conlleva un desgaste natural o daños incidentales, por lo que requieren constantemente un proceso de renovación. En la actualidad fabricantes como GE, Alstom, Siemens, Solar entre otros, están en constante estudio para incrementar la potencia utilizando recubrimientos especiales en las etapas que soportan las mas altas temperaturas, pero evitando la contaminación ambiental, optimizando a la vez sus sistemas de escape para minimizar en lo posible la emisión de tóxicos a la atmosfera que merman el aire que respiramos. Principios Básicos de la Física Fuerza Una fuerza es definida como un empuje o repulsión el cual producirá o evitara movimiento de un cuerpo. Trabajo Mecanico el trabajo mecánico es realizado cuando una fuerza actua sobre un cuerpo provocando el desplazamiento del mismo cualquier distancia. Trabajo = Fuerza x Distancia

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Potencia Se denomina potencia a la rata de tiempo transcurrido cuando se realiza un trabajo. Potencia = Fuerza x Distancia Tiempo Energía La energía es definida como la capacidad para realizar un trabajo. la energia que poseen los cuerpos puede ser clasificada dentro de dos categorías: Potencial y Cinetica. La energia potencial representa una forma de energia almacenada la cual puede ser convertida en energia cinética en un momento dado. Los tipos de energía son: ENERGÍA EÓLICA Es la capacidad de trabajo que tiene el viento según su velocidad, la cual puede ser utilizada como energía para producir un movimiento rotativo y generar un trabajo. El molino de viento fue el primer tipo de turbina creado por el hombre. En algunos países se están utilizando actualmente estas aplicaciones para generar electricidad. Las turbinas eólicas pueden ser utilizadas en zonas donde la velocidad del viento alcancen una velocidad media de 21 km/h. La energía eólica tiene muchas ventajas que la hacen una fuente de energía atractiva tanto en gran escala como para pequeñas aplicaciones. Las características beneficiosas de la energía eólica incluyen : • • • •

Energía limpia e inagotable., Desarrollo económico local tecnología modular y escalable . Estabilidad del costo de la energía. Reduccion del uso de Combustibles

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ENERGÍA MECÁNICA O TRABAJO La Energía mecánica es la producida por fuerzas de tipo mecánico, como la elasticidad, la gravitación, etc., y la poseen los cuerpos por el hecho de moverse o de encontrarse desplazados de su posición de equilibrio. Puede ser de dos tipos: Energía cinética y energía potencial. ENERGÍA POTENCIAL Puede definirse como la energía almacenada en un sistema, o como una medida del trabajo que un sistema puede entregar. Así, por ejemplo, la energía de un cuerpo debida a la gravedad es potencial mientras el cuerpo está parado; cuando el cuerpo está cayendo, se transforma parcialmente en otra forma de energía llamada energía cinética. Esta última constituye la energía de una masa en movimiento, esto es, energía de transición, y está comprendida en el vasto sector de la energía mecánica. dentro de las aplicaciones de energía potencial utilizada como fuente generadora de electricidad tenemos por caída de agua, usada en las centrales hidroeléctricas.

ENERGIA CINETICA El trabajo realizado por fuerzas que ejercen su acción sobre un cuerpo o sistema en movimiento se expresa como la variación de una cantidad llamada energía cinética, cuya fórmula viene dada por: El producto de la masa m de una partícula por el cuadrado de la velocidad v se denomina también fuerza viva, por lo que la expresión anterior se conoce como teorema de la energía cinética ENERGÍA TÉRMICA O CALOR Se le denomina energía térmica a la energía liberada en forma de calor, obtenida de la naturaleza (energía geotérmica), mediante la combustión de algún combustible fósil (petróleo, gas natural o carbón), mediante energía eléctrica por efecto Joule, por rozamiento, por un proceso de fisión nuclear o como residuo de otros procesos mecánicos o químicos.

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El petróleo es un aceite mineral que se caracteriza por ser inflamable; por ser este un compuesto combustible puede suministrar energía obtenida a partir de su combustión, es oleaginoso y su viscosidad depende de la clase de crudo, la que varia de acuerdo a su composición la que lo caracteriza dependiendo de la situación geográfica y geológica del yacimiento. La energía térmica también se puede aprovechar en un motor térmico; en el caso de la energía nuclear para la generación de energía eléctrica, y en el caso de la combustión, además, para obtener trabajo, como en los motores de los aviones o en los generadores eléctricos impulsados por turbinas a gas. La Energía térmica se debe al movimiento de las partículas que constituyen la materia. Un cuerpo a baja temperatura tendrá menos energía térmica que otro que esté a mayor temperatura. La transferencia de energía térmica de un cuerpo a otro debido a una diferencia de temperatura se denomina calor.

2. La Turbina a Gas

a) Definición. b) Ciclo operativo de la turbina a gas. c) Disposiciones mecánicas de la turbina. d) Componentes principales de la turbina a gas: compresor de aire, cámaras de combustión, turbina de alta presión y/o turbina de baja presión, sellos y cojinetes. Introduccion Se puede decir que antes del año 1940 todas las máquinas térmicas de combustión interna eran del tipo alternativo: émbolo, biela y cigüeñal. Recién, hacia el año 1940, al lograrse la fabricación de compresores rotativos de alto rendimiento, conjuntamente con los progresos realizados en el campo de la metalurgia, que permitieron la fabricación de aceros refractarios capaces de resistir altas temperaturas, se posibilitó el desarrollo de las turbinas a gas. Fue durante la guerra de 1939 a 1945 que la turbina a gas alcanzó su máxima difusión y desarrollo tecnológico TURBINA A GAS CICLO ABIERTO SIMPLE DE UN SOLO EJE En el año 1873 GEORGE BRAYTON (1830 – 1892) expuso el principio de funcionamiento del ciclo que lleva su nombre que originariamente se desarrolló empleando una máquina de pistones con inyección de combustible, para luego realizarlo como ciclo abierto simple llamado turbina a gas. Si bien se le llama ciclo termodinámico, en realidad el fluido de trabajo no realiza un ciclo completo dado que el fluido que ingresa es aire y el que egresa son gases de combustión, o sea en un estado diferente al que se tenia cuando se inició el proceso, por eso se dice que es un “ciclo abierto”. ¿Qué es una Turbina a Gas? Es aquella maquina que proporciona energía mecánica a partir de un “chorro” de gases calientes provenientes de la combustión de un fluido. El combustible puede ser gaseoso o liquido, generalmente de origen fósil. Se caracteriza por presentar una baja relación peso potencia y una velocidad de giro muy elevada, que en función del tamaño puede alcanzar velocidades de hasta 40.000 rpm, orienta su utilización a la generación de gases con elevada entalpía que puede utilizarse para propulsión a reacción o puede ser la encargada de accionar una turbina de potencia acoplada a un eje y este a su vez a cualquier tipo de carga (Generador Eléctrico, Compresor, Bombas, etc).

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La entalpía es la cantidad de energía de un sistema termodinámica que este puede intercambiar con su entorno. En un simple cambio de temperatura, el cambio de entalpía por cada grado de variación corresponde a la capacidad calorífica del sistema a presión constante, la Entalpia de Combustión es el calor liberado, a presión constante, cuando se quema una mol de sustancia. De este modo la turbina a gas esta formada por dos elementos principales: - El Productor y/o Generador de gases - La unidad Generadora de Potencia El Productor de gases esta formado a su vez por uno o varios compresores de aire, la cámara de combustión y la turbina de expansión o sustentación la cual solo suministra la potencia necesaria para manejar al compresor de aire. La unidad generadora de potencia es donde se obtendrá la potencia útil de la maquina, dependiendo de la aplicación, será otra turbina de expansión o bien una tobera de propulsión.

Resumiendo, la Turbina a gas es una maquina de aceleración de fluidos que genera fuerzas motrices en forma de energía mecánica rotativa o cinética a partir de la energía contenida en una corriente de gas. Ciclos de la Turbina a Gas El principio operativo en el cual se basa consiste en hacer reaccionar una mezcla de un combustible con el aire comprimido para aprovechar la energía química contenida en el gas (Ciclo Brayton) siguiendo el siguiente ciclo: • • • • •

Admisión Compresión Combustión Expansión Escape

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Las cinco fases toman lugar de forma continua y simultáneamente, en diferentes secciones de la máquina.. El ciclo básico de Brayton en condiciones ideales está compuesto por cuatro procesos: 1-2. Compresión isentrópica en un compresor. 2-3. Adición de calor al fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o una cámara de combustión. 3-4. Expansión isentrópica en una turbina. 4-5. Remoción de calor del fluido de trabajo a presión constante en un intercambiador de calor o en la atmósfera.

Disposiciones Mecánicas de la Turbina a Gas Existen muchas variantes del esquema clásico de la turbina a gas y son consecuencia de la adición de ciertos componentes instalado en la entrada y salida al productor o generador de gas. En las aplicaciones industriales, en donde se debe tener la potencia en un eje, es decir, potencia mecánica, existen múltiples disposiciones, así encontramos en función del acoplamiento entre la turbina de potencia y el generador de gas: • Turbina de un solo eje. • Turbina de dos ejes con compresor simple • Turbina con compresores compuesto. Las turbinas de una Flecha (un solo eje), poseen solamente un compresor y una turbina, a la cual esta acoplada la carga y mantiene girando el conjunto a la misma velocidad, son muy útiles en aplicaciones de generación ya que mantienen fácilmente la frecuencia de giro. Las turbinas de Flecha partida o doble Flecha (eje partido o doble eje), además del compresor, cámara de combustión y la turbina de expansión, otra turbina de expansión esta instalada a la cual esta acoplada a la carga.

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Las turbinas pueden poseer mas de un compresor, se pueden encontrar de dos y de tres compresores. Es doble cuando se tienen dos compresores uno de baja presión manejado por la turbina de baja del generador de gas y otro de alta presión el cual es manejado por la turbina de alta del generador de gas montados en ejes independientes, es de hacer notar que debe existir una relación de velocidad entre ambos compresores establecida por el fabricante.

En las aplicaciones aéreas se utilizan disposiciones mecánicas diferentes a las industriales, sin embargo en estas podemos encontrar equipos propiamente diseñados para uso industrial y turbinas cuyo diseño original es aéreo utilizado en aplicaciones de este tipo, por lo que las turbinas se clasifican en dos familias : 1- TURBINAS INDUSTRIALES

2- TURBINAS AERODERIVATIVAS

Las turbinas industriales o para trabajos pesados se han perfeccionado para satisfacer las necesidades normales de las plantas industriales, sin limitaciones de espacio y peso. Esta turbina normalmente es del tipo de uno o de dos ejes, las paletas y alabes del compresor de la turbina son de construcción fuerte, lo mismo que las toberas; esto junto con las razones de presiones y temperaturas moderadas en el gas utilizado, permite largos intervalos para las inspecciones y mantenimiento. Los cojinetes utilizados para las turbinas industriales dependiendo del fabricante pueden ser del tipo chumacera así como también del tipo anti-fricción (de bola o rodillo), de igual forma se provee una gran variedad de sellos en la turbina alrededor de los rodamientos los cuales previenen que el aceite entre en las secciones de la turbina pudiendo causar taponamiento y como consecuencia daños a los componentes. La turbina tipo avión, es un motor de chorro (“jet”) para aviones pero, en vez de impulsar un avión, mueve una turbina de potencia. En ésta forma, el motor es un generador de gas que envía gases a una turbina convencional de potencia para trabajo pesado.

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La utilización de éstos equipos en la industria ofrece varias ventajas ya que la avanzada tecnología utilizada en la aviación y los laboratorios de investigación y desarrollo asociados se pueden aplicar para optimizar el funcionamiento de los equipos utilizados en los procesos industriales. En la industria de petróleo, gas y generación, los generadores de gas son de gran importancia pues son equipos críticos cuyo funcionamiento impacta en alto grado los índices de disponibilidad y confiabilidad en las instalaciones. TURBINA INDUSTRIAL

TURBINA AERODERIVARTIVA

Componentes Principales de la turbina Gas En el diseño de las turbinas a gas se pueden aplicar dos tipos de compresores de aire: • Centrifugos Radiales • Centrifugos Axiales El compresor RADIAL, fue el primer diseño empleado con éxito en las turbinas de gas. Está conformado por tres partes principales conocidas como rodete, difusor y múltiple de distribución, cada uno con una función específica en el proceso de compresión. El aire entra al compresor cerca de su eje en dirección axial y es impulsado en forma radial por la fuerza centrífuga producida por el movimiento del rodete. El aire que sale radialmente y a gran velocidad del rodete, es tomado por el difusor donde la energía cinética del aire se transforma en energía potencial en forma de presión. El múltiple de distribución recoge el aire a presión y lo entrega a las cámaras de combustión.

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Los compresores Axiales, están formados por dos secciones: una estática o estator que puede ser de ángulo fijo o variable, y otra rotativa llamado rotor, en ambas, están montadas varias filas de aspas o alabes con forma aerodinámica que permiten el paso de flujo de aire a través de cada etapa del compresor aumentando la presión. La función es la de elevar la presión del fluido manejado (aire), una parte para ser mezclado con el gas para la combustion y la otra para enfriamiento de sus componentes asi como para establecer el sello de aire en el sistema de lubricación. Posee sistemas de control para proteger al compresor de fenómenos presentados tales como Surge y Stall. SON LOS MAS UTILIZADOS HOY EN DIA EN LAS TURBINAS A GAS.

La cámara de combustión, es el elemento dentro del cual una mezcla de combustible y aire a alta presión se quema. Los gases que resultan del proceso de combustión pasan a la turbina con una temperatura uniforme. Para que el proceso de combustión se desarrolle correcta y eficientemente en una turbina de gas, la cámara de combustión debe cumplir con las siguientes funciones: • Proporcionar los medios necesarios para una adecuada mezcla del aire a alta presión y el combustible. • Quemar eficientemente la mezcla de aire y combustible. • Entregar a la turbina los gases con una temperatura uniforme que no sobre pase los límites de resistencia de los materiales con los cuales están construidos los álabes del rotor y estator. Uno de los parámetros más importantes para el diseño de cámaras de combustión es la eficiencia de la combustión por cuanto tiene un efecto directo en los costos de operación de las turbinas de gas y emisión de gases contaminantes además de restricciones de alcance y capacidad de carga en las aeronaves que utilizar este tipo de motores como sistema propulsado.

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Proceso de combustión

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Dependiendo del diseño del motor, un sistema de combustión puede tener una o varias cámaras tipo can, cada una conformada por un inyector de combustible, una pared perforada en forma cilíndrica o tubular (liner) y una cubierta individual que la contiene. Las cámaras están interconectadas por pequeños tubos de propagación de llama que permiten que la combustión iniciada por las bujías en dos de las cámaras se propague a las demás. Este tipo de cámaras de combustión facilita su mantenimiento ya que pueden repararse o reemplazarse cámaras individuales y no todo el conjunto. Sin embargo, no aprovecha eficientemente el espacio y requiere una mayor superficie de metal para contener el flujo de gas.

Cámara de combustión tipo Annular Este tipo de cámara de combustión está reemplazando a los tipo can-annular en los motores más modernos. Consiste en una pared perforada o liner y una cubierta dispuestas en forma anular. Varios inyectores se instalan a lo largo de la circunferencia de la cámara de combustión para suministrar el combustible necesario y dos bujías proporcionan la energía para la ignición de la mezcla. La ventaja que ofrece este arreglo es que reduce el peso y tamaño de la maquina. Las encontramos de flujo directo y de flujo inverso. Flujo directo.

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Camara de Combustion Anular de Flujo Inverso

Trampa estratigráficas (domo salino)

Cámara de combustión tipo Can-annular Este tipo de cámaras de combustión, es una combinación del Can y el Anular respectivamente, es ampliamente usado en los motores de turbina de gas modernos. Consta de una cubierta exterior anular que contiene varias paredes cilíndricas perforadas, cada una con un inyector de combustible e interconectadas entre sí por pequeños tubos de propagación de llama. Debido a que una sola cubierta contiene las paredes cilíndricas perforadas o liners, se ahorra peso por la menor cantidad de metal empleado y se obtiene un mejor aprovechamiento del espacio. Cámara de Combustion tipo Can anular de Flujo Directo

Camara Can anular de Flujo Reverso

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Los Inyectores de Combustible El petróleo presente diferente coloración dependiendo de su calidad. Son los encargados de entregar un combustible atomizado (liquido) o gaseoso de una forma estable para mantener un patrón de llama en la cámara de combustión.

Conexiones: . Agua de Inyección. . Aire de Atomización. . Combustible líquido. . Combustible Gaseoso. La Turbina del Compresor (Turbina de Alta) La función de la turbina es la de suministrar la potencia de empuje al compresor axial. Se encuentra montada en el mismo eje del compresor axial y extrae el trabajo desde la expansión de los gases que salen de la cámara de combustión. Absorbe el 65% de la energía calorífica que suministran los gases expandidos ya que el resto es utilizado por la Turbina libre o de potencia mecánica para impulsar la carga acoplada.

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Existen tres tipos de turbinas utilizada tanto para el productor de gas como para la turbina de potencia.: Impulso, reacción, e impulso/reacción. En la turbina de reacción, el arreglo de toberas guías son diseñadas para alterar la dirección del flujo sin tomar en cuenta los cambios de presión, éste experimenta una fuerza de reacción resultante desde la expansión y aceleración del gas.

En la turbina de impulso, la caída de presión a través de cada etapa ocurre en el arreglo de las venas de la tobera guía incrementándola velocidad del gas mientras los alabes del rotor de la turbina experimentan una fuerza de impulso provocada por el impacto de las moléculas del gas sobre los alabes.

La combinación impulso/reacción (Rateau), es la mas comúnmente usada en las turbinas a gas, en donde es un 50% de Impulso y 50% de reacción. Partes de la Turbina del Compresor (Turbina de Alta) El Rotor Es el elemento dinámico de la turbina , esta formado por el eje, el disco y los alabes los cuales estan instalados al disco. Es el encargado de transmitir la potencia generada hacia el compresor axial.

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El Estator Es el elemento estacionario de la turbina, eta formado por una serie de alabes estacionarios llamados toberas. La función del estator es la de dirigir el flujo de gases calientes hacia los alabes del rotor de la turbina. Al pasar los gases calientes por las toberas del estator, sufren una despresurizacion y un aumento de volumen (Expansión)y velocidad (Energía Cinética) la cual se transformara a u vez en energía mecánica cuando los alabes del rotor se muevan y giren el eje.

Turbina de Potencia o Turbina Libre Sección de la Turbina a Gas de gas donde se expanden los gases calientes que salen del productor de gases, generando un torque mecánico que se utiliza para mover la carga acoplada. Se encuentra conectada aerodinámicamente a la sección de la Turbina Generadora de Gas. Utiliza el 35% de la energía proveniente de los gases calientes que salen de la cámara de combustión. La turbina de Potencia o Turbina Libre maneja la carga, bien a través de una caja de engranaje o directamente conectado con un eje de transmisión.

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Sellos y Cojinetes Los cojinetes se clasifican por lo general, según el tipo de rozamiento que experimentan y por el tipo de carga que soportan.. Según el tipo de rozamiento se distinguen los cojinetes de fricción o de deslizamiento, y los cojinetes antifricción o de rodadura. Entre los primeros se cuentan los cojinetes de casquillo completo o buje y los de casquillo partido. Entre los segundos los de bolas o rodillos. Las chumaceras de película de fluido y de zapata basculante influencian la dinámica de los sistemas rotores de turbo maquinarias, son utilizados por las turbinas industriales. Pueden ser radiales o axiales, según sujeten el desplazamiento axial o el provocado por el giro del eje. En ambos casos la zona de contacto esta revestida por un material especial antifricción llamado material Babbit, el cual se encuentra su vez lubricado. En los cojinetes axiales el contacto se realiza en un disco anillado al eje y se montan con un sensor de desplazamiento longitudinal, y en los radiales el contacto es directamente sobre el eje y se utilizan 2 sensores de desplazamiento montados en angulo para detectar vibraciones.

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Los cojinetes antifriccion son utilizados mayormente por las turbinas aeroderivativas, dada las altas velocidades a que giran.

SELLOS Características de fabricación y principios de funcionamiento. Las altas velocidades rotacionales y las altas temperaturas dentro de un motor de turbina de gas requieren tipos de sellos diferentes a los usados en los motores alternativos. Dado que el engrase se realiza para piezas que tienen movimiento relativo entre sí, será necesario el cerrar el paso del aceite por los espacios que quedan entre las piezas ya que de no hacerlo el aceite se perdería. Tipos de sellos Los tipos de sellos normalmente usados son: sellos de carbón, sellos de laberinto, y una combinación de los anteriores. Sellos de Carbón Los sellos de carbón se usan en las aplicaciones donde se permite una mínima pérdida absoluta. Estos son sellos tipo fricción en los que el contacto se mantiene entre el elemento de carbón estacionario y una superficie de acero lapeada, o pista. El sello de la figura es un típico sello tipo anillo, o sello circunferencial. Una pista de sellado de acero endurecido, altamente pulido gira con el eje, y los segmentos de carbón sujetos en un alojamiento friccionan contra la pista. Un muelle circunferencial o tipo liga rodea al sello y mantiene a los segmentos en contacto con la pista.

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Los sellos de carbón tipo encarado, mostrados en la figura sellan presionando el carbón contra una pista de acero pulida montada sobre y girando con el eje. Su superficie pulida es perpendicular al eje, y el elemento del sello de carbón montado en el portasello, está presionando firmemente contra la pista por medio de una serie de muelles helicoidales. Este tipo de sellos se emplea con frecuencia para los acoplamientos que se encuentran en el cárter de accesorios, aunque también se usan en algunos cojinetes principales. Sellos de Laberinto Los sellos de laberinto no son sellos de fricción, porque la parte rotativa del sello no realiza su acción de sellado presionando contra la pista estacionaria. El sello de laberinto consiste en una serie de filos de cuchillas que están muy próximos, pero que no tocan a la región fija. En la figura se muestra una vista de la sección transversal de un sello de laberinto así como la parte estacionaria y móvil del sello. El sello de laberinto puede instalarse a ambos lados del alojamiento de un cojinete, como se muestra en la figura para evitar la pérdida de aceite de lubricación en la corriente de aire del motor. Aire presurizado sangrado de una de las etapas del compresor fluye dentro de la cámara exterior del sello. Parte de este aire se pierde a través de ambos sellos de laberinto; el resto fluye fuera de la cámara de sellado a través del drenaje exterior. Los sellos combinados están formados por un sello de carbón y un sello de laberinto, de características análogas a las descritas en los dos tipos de sellos precedentes.

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Rendimiento de la Turbina a Gas Introduccion Para modificar la potencia de una turbina de gas se deben alterar, principalmente, dos parámetros: el flujo másico que pasa a través de los álabes de la turbina y la temperatura del fluido de trabajo a la entrada del rotor. Así mismo, es posible incrementar la eficiencia y la potencia de un ciclo simple recuperando la energía remanente en los gases de escape mediante un recuperador de calor. Este equipo produce vapor que puede ser expandido en el mismo eje de la turbina de gas o en otro eje mediante una turbina de vapor. Temas a tratar: • Factores que afectan el desempeño de las turbinas de gas. • Alternativas existentes para incrementar el Rendimiento de la Turbina a Gas. Factores que afectan el desempeño de las turbinas de gas. Las condiciones ambientales de temperatura y humedad relativa son factores importantes para la transformación de energía térmica en potencia. Dado que la turbina de gas es un motor que respira aire del ambiente, su desempeño cambia con cualquier cosa que afecte el flujo de masa de aire de admisión al compresor, y con mayor razón los cambios en las condiciones de referencia de la Internacional Standards Organization (ISO) de 15ºC (59ºF), 60% de humedad relativa y 101.4 kPa (14.7 psia) de presion atmosferica. Debido a esto, el desempeño de las turbinas de gas varía significativamente con las condiciones locales, y la temperatura ambiente es un factor determinante. Si se disminuye la temperatura ambiente, la capacidad y eficiencia de las turbinas de gas se incrementan, debido a que esta disminución induce un aumento en la densidad del aire en la succión del compresor y, para una velocidad constante del mismo, esto se traduce en un incremento en el flujo másico. La presión atmosférica tiene, igualmente, un efecto importante sobre la capacidad de las turbinas de gas, aunque no sobre su eficiencia. Cuando la presión atmosférica disminuye, la densidad del aire baja, lo que, a su vez, reduce el flujo de masa hacia la turbina y, por tanto, su capacidad. De igual modo, el aire húmedo, al ser más denso que el aire seco, también afecta la producción de potencia.

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Forma de corregir la potencia de la turbina a diferente altitud .

El tipo de combustible también influye en el rendimiento. Es así como el gas produce alrededor del 2 % más de salida de potencia que los destilados del petróleo. Mientras las condiciones de diseño (condiciones ISO) tanto de temperatura como de humedad relativa prevalezcan, las unidades de generación alcanzarán sus máximas potencias y su mejor heat rate. Para las turbinas de gas donde el compresor consume hasta el 50 % de la potencia que genera la turbina, las pérdidas de potencia se agravan cuando sucede la combinación de incremento de temperatura ambiente y disminución de la humedad relativa, el compresor disminuye su eficiencia, con decrementos significativos de su relación de compresión y por ende la potencia final de la unidad disminuye.

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Una manera de contrarrestar este efecto es utilizando los principios termodinámicos para modificar la densidad del aire, adicionando humedad a través de la inyección controlada de agua cuando la turbina de gas esté en operación a plena carga para aumentar la potencia final bajando la temperatura de entrada con aire húmedo a través de un sistema de niebla. Este aumento de potencia es un beneficio termodinámico que es realizado en la sección del compresor de la turbina de gas a través del calor latente ínter enfriado por la evaporación del agua añadida al aire que ha sido comprimido y que describe una potencia adicional porque reduce el calor de compresión también referido como compresión húmeda y agrega flujo adicional al sistema. La compresión húmeda permite un aumento de potencia en las turbinas de gas por reducción de la fuerza requerida para comprimir la entrada del aire. La turbina de gas suministra potencia para manejar no solamente al generador sino también al compresor de aire. La compresión húmeda ahorra un gasto en la potencia, misma que puede ser usada por el generador de energía eléctrica en el porcentaje adicional que requiere el compresor por la disminución de la densidad del aire, transformándose en mayor potencia total a la salida de la turbina. Cualquier ahorro en la potencia del compresor se traducirá en un mayor porcentaje de incremento en la salida del generador y/o compresor. Enfriador evaporativo Este sistema reduce la temperatura de una corriente de aire a traves de la evaporación de agua y es aplicable en lugares donde el aire es calido y es mas efectivo en ambientes secos. El enfriamiento se logra haciendo pasar el aire a traves de un filtro por el cual se escurre agua , debido a la baja humedad relativa del ambiente parte del agua liquida se evapora , la energia de la corriente de evaporación viene del aire por lo que este se enfria. Un enfriador evaporativo incrementa la humedad relativa hasta en un valor alrededor de 85%. Sus ventajas son sus bajos costos iniciales y su operación. Esquema de un Enfriador evaporativo

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Sistema de Niebla (Fogging System) Trabaja con el mismo principio del Enfriador evaporativo, pero en lugar de un filtro, trabaja con billones de micro gotas de agua atomizada para el intercambio de energia y es posible alcanzar disminuir la temperatura hasta en 20 F. este sistema eleva la humedad hasta el 100%. Sus costos no son altos y su operación no es compleja.

Sistema de Compresión Húmeda La Compresión Húmeda, proporciona un método económico para aumentar de forma significativa la potencia de una turbina a gas. Incluye un sistema de atomización y roció , modificaciones en la lógica de control de la turbina a gas asi como también cambios adicionales de tal forma de hacerlos mas seguros y confiables. El incremento de la potencia viene de la combinación de los efectos de un enfriamiento de evaporativo , un incremento en el flujo masico y una reducción en el trabajo del compresor debido a in interenfriamiento en las primeras etapas del mismo . Los incrementos de potencia oscilan entre un 10 y un 25% y son mas confiables que los alcanzados con los sistemas de enfriadores evaporativos y sistemas de niebla ya no dependen de la humedad relativa.

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Refrigeración Mecánica (absorción) Trampa estratigráficas (domo salino) Este sistema es capaz de mantener la temperatura del aire a un valor tan bajo como se desee, sin importar las condiciones ambientales. Sus desventajas son el alto consumo de los equipos auxiliares, alto costo inicial y requiere grandes espacios por lo que en algunos casos económicamente no es viable.

3. Aplicaciones Industriales de la Turbina a Gas • Plantas compresoras de gas y de bombeo de crudo. • Plantas de generación eléctrica. • Plantas de ciclo combinado. Introduccion Un suministro de energía fiable, ecológico y al menor coste posible es esencial para un negocio rentable y sostenible. Tanto si su actividad se desarrolla en la industria en general, o si usted es contratista, consultor u operador de plantas de generación de electricidad, las turbinas de gas que satisfacen las necesidades a la perfección y mejoran su rentabilidad. Sea cual sea la aplicación, la turbina de gas cumple los requisitos más exigentes de eficiencia, fiabilidad y compatibilidad medioambiental, reduciendo los costes del ciclo de vida y mejorando la rentabilidad de su inversión. Tanto para la producción de electricidad como para el accionamiento mecánico de equipos en la industria del petróleo y el gas, las turbinas a gas son un referente en el mercado. Actualmente las turbinas están equipadas con quemadores de bajas emisiones (sistema en seco, DLE) con el fin de minimizar las emisiones de NOX y garantizar el cumplimento de las normativas regionales e internacionales en materia de emisiones. La avanzada tecnología que ofrecen los fabricantes de turbinas ofrece flexibilidad en cuanto a combustibles y una elevada eficiencia, consiguiendo ahorro de combustible y bajas emisiones de CO2. Industria Petrolera y del Gas Las turbinas se emplean masivamente en la industria petrolera y eléctrica para manejar compresores de gas, generadores eléctricos y bombas como parte de los ciclos termodinámicos de transformación de calor en movimiento, así como en la ingeniería aeronautica, en donde se utilizan como motores de aeronaves. operacion, mAntenimiento y supervision

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Aplicaciones relacionadas con la extracción, producción, transporte y/o procesamiento del gas natural y el El petróleo presente diferente coloración dependiendo de su calidad. petróleo. Entre las aplicaciones típicas se incluyen las siguientes: • Production de gas • Transmisión de gas • Procesamiento del gas, incluyendo el gas licuado del petróleo y el gas natural licuado • Bombeo del petróleo crudo • Tratamiento con vapor/agua Tuberías para transmisión de gas Es de las industrias que más utilizan turbinas de gas. Las turbinas de gas han sido instaladas para impulsar compresores en medidas superiores a 22500 KW (300 HP). Esta es una aplicación excelente ya que el gas natural es un combustible ideal y se requiere una gran cantidad de fuerza motriz

Generación eléctrica Las compañías de servicios eléctricos las utilizan para cargas pico de trabajo en primer lugar. Los costos de instalación y operación, siempre que se usen combustibles refinados, son favorables para trabajos intermitentes. Los motores de aviación adaptados para este servicio disponen de un rápido arranque, aproximadamente dos minutos para arrancar a plena carga. Se han instalado plantas de potencia a carga pico arriba de 150 MW con un solo generador.

Ciclo Combinado Ciclo combinado es un término generalmente aplicado a una planta de generación de potencia consistente en dos diferentes tecnologías que manejan dos conjuntos diferentes de turbinas, cada uno conectado a un generador. En una planta de ciclo combinado convencional el escape de una turbina de combustión de gas se en ruta a través de un generador de vapor por recuperación de calor (GVRC). El vapor emanado por el generador de vapor puede usarse para activar una turbina de vapor. operacion, mAntenimiento y supervision

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Estos tres componentes, turbina de gas, turbina de vapor y GVRC son la base para casi cualquier diseño de ciclo combinado.

La razón por la que este diseño se denomina ciclo combinado es porque la turbina de gas funciona de acuerdo con el ciclo de Brayton mientras que la turbina de vapor funciona de acuerdo con el ciclo de Rankine. Por lo tanto, hay dos ciclos de termodinámica en una planta.

Ciclo Rankine La planta de energía térmica "tradicional" es la planta de ciclo Rankine (véase figura ), en honor al hombre que inventó el ciclo. Un ciclo de planta de energía es una serie de procesos en la cual un líquido, generalmente agua y/o vapor, se utiliza para convertir la energía calorífica en energía mecánica.

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Ciclo Brayton La turbina de gas utiliza otro tipo de ciclo en planta de energía llamado el ciclo Brayton (ver figura), también el nombre proviene de su inventor. La primera práctica en turbina de gas fue desarrollada en Europa en 1939. Al final de la Segunda Guerra Mundial, se desarrollaron las primeras turbinas de gas para aeronaves. Poco después de la guerra, se introdujeron las primeras turbinas de gas industriales para la producción de energía y otras aplicaciones industriales, tales como la conducción de locomotoras.

4. Equipos auxiliares a) Sistema de Filtración de aire. b) Modulo o cabina de la turbina. c) Sistema de enfriamiento. d) Sistema de combustible. e) Sistema de protección fuego/gas. f) Sistema de escape. g) Sistema de arranque. h) Sistema de ignición. i) Sistema de aceite lubricante e hidráulico. j) Sistema de Giro lento Introduccion Los Sistemas Auxiliares de la Turbina a Gas cumplen un papel muy importante dentro de la operación de la turbina, partiendo desde el arranque hasta quedar la unidad operando dentro de los parametros establecidos por el fabricante. Sistema de Admision de Aire Filtros de Succión Tiene como propósito garantizar que el aire que entra a la máquina bien para la combustión como para el sistema de enfriamiento sea limpio y seco.

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Válvulas Contra Implosión o Rompe vacio Abren cuando el flujo de aire en la entrada es reducido por efecto de ensuciamiento de los filtros. Algunos fabricantes no utilizan estos dispositivos en sus casetas de filtros debido a que utilizan sistema de protección a través de interruptores de presión diferencial en los filtros. Ducto de entrada de Aire Llamada también cámara Plenum es el sitio en donde la turbina succiona el aire necesario para la combustión y enfriamiento. Las dimensiones de esta cámara garantizan el volumen de aire que necesita el compresor axial para el normal funcionamiento de la turbina a gas a fin de alcanzar la potencia de diseño. Silenciadores El aire que entra al compresor axial alcanza altas velocidades y niveles de ruido muy altos, los cuales deben ser reducidos utilizando un panal de silenciadores para reducir el ruido acústico, por lo que se utilizan paneles silenciadores para disminuir la contaminación sonica.

Sistema de Calentamiento de aire de entrada Su función es calentar el aire de entrada a los valores de temperatura establecidos en el diseño de la maquina, con el objeto de mantener su potencia .

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Sistema de Enfriamiento de aire de entrada Su función es enfriar el aire de entrada a los valores de temperatura establecidos en el diseño de la maquina, con el objeto de mantener su potencia.

Modulo o Casa de la Turbina Posee toda la soporteria necesaria para ubicar al Generador de Gas de forma segura facilitando además su transporte cuando sea requerido. Posee las facilidades de conexionado para drenajes, suministro de aceite, sistemas eléctricos, sistema de agua para el lavado, etc, y es diseñado para aislar acústicamente el sistema asi como tambien soportar temperaturas de 2000 °F.

Sistema de Deteccion de Fuego, Calor, Gases Inflamables y Extinción de Incendios Provee un ambiente seguro, limpio y controlado que garantizan la operación de la maquina (Sistemas de detección de gases explosivos, fuego y sistemas de extinción).

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Sistema de Combustible Típicamente para el caso de combustible gaseoso se encuentran filtros, separadores centrífugos, calentadores, mezclas de corrientes de gases en línea y lazos de control de presión. La línea final de suministro de gas, debe poseer doble válvula de bloqueo con venteo intermedio. Debe poseer dos transmisores de presión (uno antes de la válvula de Control de gas combustible y otra después) así como también un sensor de temperatura Rtd para medir la temperatura del gas que esta entrando a la maquina. Para el caso de combustible líquido se encuentran tanques, bombas de inyección, filtros, medidores de flujo, sistemas auxiliares de aire de atomización entre otros. Ambos son suministrados por la instalación. El Arrancador Sistema que permite romper la inercia inicial de la turbina de gas. Se utiliza para hacerlo girar desde velocidad cero hasta un poco mas allá de la ignición del combustible. Los sistemas de arranque de las turbinas de gas pueden ser de dos tipos: los que arrancan el compresor de manera directa o los que arrancan el compresor de manera indirecta utilizando una caja de cambios. El motor de arranque tiene las siguientes funciones: • Llevar a la turbina a una velocidad de giro que pueda mantener por sí sola. • Poder enfriar la turbina después de apagarla haciendo rotar el compresor, introduciendo gas a menores temperaturas. • Hacer que el compresor de gas purgue todo el sistema de gases volátiles e inquemados antes del encendido del combustible. Los motores de arranque suelen tener como mínimo dos velocidades; baja velocidad para purga y enfriamiento y alta velocidad para encendido y arranque del equipo. Arranque mediante motores eléctricos Los motores trifásicos de inducción son los dispositivos más utilizados para el arranque de estos equipos. Cuando el compresor ha alcanzado la velocidad de giro requerida el motor se desconecta y se desengrana en caso de llevar embrague. Los motores de corriente continua son pocas veces utilizados, cuando no se dispone de corriente alterna. Las baterías que los alimentan deben ser capaces de arrastrar al compresor, lo que hace que se empleen en pequeñas instalaciones en las que el par de arranque debe ser bajo. Una aplicación frecuente es la de convertir el motor de corriente continua en un generador para cargar la batería, sobretodo, cuando las baterías deben ser empleadas para alimentar a otros equipos auxiliares.

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Arranque mediante motores neumáticos Son motores que utilizan aire o gas que engranan con la turbina mediante un embrague. El embrague desengrana inmediatamente después que la velocidad de giro de la turbina sea mayor que la del motor de arranque, cuando el par revoca. Cuando se da esta situación la alimentación de aire o gas del motor neumático se cierra.

Motores hidráulicos Motores y bombas hidráulicas tienen sus aplicaciones de arranque sobretodo en turbinas hidráulicas tipo Pelton Wheel. También son utilizadas en turbinas aéreas con fines industriales, las turbinas aeroderivativas que son más pequeñas y tienen mayor capacidad para arrancar y parar que las grandes turbinas de gas industriales.

Motores diesel Si el par que se requiere para arrancar el equipo es alto y la instalación es grande, el motor diesel es la mejor opción. Una multiplicadora en estos casos es fundamental debido a que los ejes de motores diesel difícilmente pueden rotar a las velocidades de las turbinas de gas. Los motores diesel, en la mayoría de los casos comparten eje con el compresor. Estos sistemas por tanto deben disponer de un embrague que pueda desengranarse cuando la velocidad de la turbina es la requerida. Otra ventaja de los motores diesel en grandes instalaciones es además de su alta fiabilidad, que pueden consumir el mismo combustible que la turbina de gas.

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Sistema de aceite lubricante /hidráulico El sistema de lubricación de la turbina debe suministrar a la correcta presión y temperatura, aceite a los cojinetes para lubricarlos y enfriarlos a las condiciones de operación establecidas por el fabricante. El aceite hidráulico suministra la energía al sistema de control de los alabes direccionales para su control, y aceite para válvulas electro-hidráulicas de control gas combustible (cuando aplica). El debe constar con un reservorio o tanque, bombas, filtros, así como los sistemas de protección por presión y temperatura correspondiente. En el tanque de aceite debe existir un sistema de venteo de vapores producto de la turbulencia de aire mezclado con el aceite, un sistema de demister captura el posible aceite retornándolo nuevamente al tanque y saliendo solo aire a la atmosfera. Instrumentación asociada al Sistema de Aceite

Sistema de enfriamiento de Aceite Debido a que el aceite tiene una función refrigerante y que a ciertas temperaturas pierde propiedades, son necesarios los enfriadores de aceite. Dependiendo del calentamiento que vaya a sufrir el aceite en los cojinetes el sistema de enfriado se dimensiona de una manera u otra. Un aceite muy frío aumentará su viscosidad pudiendo acarrear problemas de circulación por lo que debe encontrarse un equilibrio. Los enfriadores suelen del tipo tubular, aumenta su capacidad de transferencia de calor si se les disponen aletas. El agente refrigerante puede ser aire, agua o agua glicolada; dependiendo de situación de la planta, será más conveniente una u otra. Los enfriadores de aceite refrigerados por aire son de convección forzada mediante ventiladores que pueden regular su caudal de aire ajustándose a las necesidades térmicas del aceite. Otra manera de regular la temperatura del aceite es empleando una válvula con control de temperatura de bypass de aceite.

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Los enfriadores de aceite refrigerados por una agente líquido como puede ser el agua o agua glicolada, utilizan el sistema de contraflujo para favorecer la transferencia térmica de ambos fluidos. El control de temperatura se hace mediante bypass de aceite. El aceite por tanto se envía desde las bombas hacia los filtros donde es depurado, luego pasa a los enfriadores y lubrica los cojinetes para acabar en el depósito de almacenamiento donde es aspirado de nuevo por la bomba.

Sistema de Ignición de la Turbina a Gas Son los encargados de encender la mezcla de aire combustible a la velocidad de encendido, el sistema de ignición es desconectado con la secuencia de arranque de la turbina. Generalmente este sistema esta formado por una o por dos bujías con su respectivo transformador de ignición el cual suministra la energía a la bujia. Dependiendo del fabricante de la turbina , un sensor bien termoeléctrico (Termocupla) o fotoeléctrico (Detector UV), detecta y confirma el encendido de la mezcla dando inicio al proceso de aceleración de la maquina.

5. Supervision y Control a) Sistema de control de aire del compresor. b) Sistema de supervisión y control (DCS y PLCs).

Introduccion Los Sistemas de Control y de Supervisión de las turbinas tienen una gran importancia, pues son los encargados de mantener los equipos trabajando bajo condiciones normales de operación y ejecutar acciones de control y/o paro del proceso cuando se presentan desviaciones de dichos procesos que pueden generar condiciones peligrosas que comprometen la integridad de los equipos y del personal que labora en dichas instalaciones.

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El conocimiento de la estructura del sistema de control de aire de los diferentes tipos de turbinas, es indispensable para poder determinar el ¿por qué? estos sistemas son importantes y asi, conociendo su operación podemos lograr la mejor eficiencia de estos equipos. Sistema de Control de Aire del Compresor Axial Es un sistema de la turbina que se encarga de dirigir y controlar el flujo y la corriente de aire hacia el compresor axial durante el arranque y a bajas velocidades, combinando un sistema de alabes móviles y/o válvulas de sangrado a fin de evitar perdidas aerodinámicas en las etapas subsiguientes del compresor axial protegiendo al mismo de los fenómenos de Surge y Stall. A continuacion se expondran algunos sistemas de control axial utilizados por algunos fabricantes de turbinas. Turbina a Gas GE LM2500 El compresor axial esta compuesto por un compresor axial de geometría variable de 16 etapas con una relación de 18:1. El sistema de control de aire , esta compuesto por alabes direccionales ubicados desde la 1ra etapa a la 7ma etapa del compresor axial. El sistema de control que opera este sistema toma como referencia la temperatura T1(Entrada del compresor axial) la cual es medida por el sistema de control utilizando un sistema de bulbo y capilar y un sensor de velocidad instalado al mismo, el controlador establece la relación temperatura/velocidad para activar el sistema hidráulico y posicionar los alabes en el valor adecuado.

Este valor es mostrado o en un indicador de grados o transportador instalado en la parte superior de la maquina para luego esta información llevarla a una tabla de valores suministrada por el fabricante, para así realizar los ajustes del sistema.

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Trampa estratigráficas (domo salino)

Turbina a Gas Solar Mars En las turbinas MARS los álabes variables (Figura) se encuentran localizados en la carcasa delantera del compresor (3). Los álabes variables aerodinámicos (8) tienen un largo eje fresado con dos planos paralelos fresados ubicados cerca de la parte superior, y un eje corto en la parte inferior. El eje largo pivotea dentro de la unidad de bujes exteriores (9) y el eje corto pivotea dentro de la unidad de bujes interiores (5). La unidad de bujes exteriores (9) es una unidad de dos piezas. La mitad inferior encaja dentro de una protuberancia maquinada y rebajada en la superficie interior de la carcasa delantera del compresor (3). La mitad superior encaja en una protuberancia similar en la parte superior de la caja. La unidad debujes interiores (5) se monta dentro de una unidad de aros interiores (6) que sostienen el eje corto del álabe variable (8). La palanca actuadora de álabes (1) se afianza al eje largo mediante un manguito de tuerca (10) y un tornillo de ajuste de cabeza hueca (11). Un aro del actuador hace girar los álabes (2). Los aros del actuador (2) se mueven gracias a un actuador accionado de forma hidráulica.

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El petróleo presente diferente coloración dependiendo de su calidad.

Actuador eléctrico El actuador de los álabes variables (EGV339), es un servoactuador lineal eléctrico que es instalado verticalmente detrás de la caja de entrada de aire en la posición de las 3 de la tardede las manecillas del reloj. El actuador se afianza a la armadura de soporte del actuador, a su vez afianzado a la caja de entrada de aire. El soporte permite que el actuador gire conforme se desliza a lo largo de la carrera. El extremo del eje del actuador está afianzado entre las dos palancas del actuador. El punto de apoyo de las palancas del actuador está afianzado a un soporte del brazo giratorio, a su vez afianzado a la última etapa de álabes de actuador variable.

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Conjuntos de tensores Los conjuntos de tensores constan de un extremo de varilla del lado izquierdo, un extremo de varilla del lado derecho y un tensor. El extremo de barra de tensor con rosca izquierda está afianzado entre las dos palancas del actuador. El extremo de la varilla del lado derecho está afianzado al aro del actuador de álabes variables. El tensor ajusta la altura de los extremos de la varilla y está sujeto con tuercas de seguridad.

Sistema de control de Velocidad/Combustible El control de Velocidad/Combustible puede ser ejecutado por un PLC o secuenciador lógico dedicado, el cual comparte la secuencia de arranque y operación de la máquina. Este controlador corre el algoritmo diseñado para tal fin y es configurable según las características especificas de la turbina. La lógica de arranque programada y el algoritmo de control de la turbina al ser ejecutado en el mismo controlador , facilita la transferencia de datos de dichas logicas, de ésta manera la secuencia de arranque le indica al algoritmo de control de velocidad la rampa de encendido (light off), iniciar la aceleración, calentamiento, etc.

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El Controlador de Combustible de la turbina depende del algoritmo establecido para su operación bien como turbocompresor y/o turbogenerador, por lo que todas las señales de las variables (presión de descarga de aire del compresor axial, temperatura de aire de succión del GG, velocidad del o de los compresores del compresor, temperatura de gases de escape , velocidad de la turbina de potencia, Control de carga, salida hacia y posición desde la válvula de combustible) asociadas a éste controlador son totalmente electrónica utilizando los respectivos Transmisores de presión, LVDT o transmisor de la posición de la válvula de gas combustible y/ toberas de escape, sensores o pick up de velocidad, sensores de temperatura (RTD, termocuplas). La función del Controlador es el siguiente: • Operar la turbina a gas a condiciones estables y confiables de operación. • Establecer límites de operación para el Productor de Gas, la Turbina de Potencia asi como al equipo a manejar. • Limitar la aceleración ACEL y desaceleración DECEL del Productor de Gas. • Cargar y descargar valores de calibración. • Controlar los valores de la presión de gas de ignición de la maquina. • Mantener la seguridad intrínseca de los parámetros críticos de la maquina monitoreándolos y estableciendo los criterios de protección (Paros) para los mismos, tales como: Ignición o velocidad de arranque, parada por perdida de llama, • Falla de actuador, exceso de combustible durante el arranque. • Establecer limitaciones en la potencia de la maquina tomando en cuenta las condiciones ambientales. Como ejemplo vamos a mostrar el arranque de un turbogenerador : Desempeño del control El control automático de la TG abarca todos los requerimientos de la operación, desde el arranque inicial hasta el paro final. Para arrancar la máquina, el operador simplemente oprime el botón de arranque, el sistema de control genera una señal de salida que activa la operación del motor de arranque encargado del rodado inicial de la TG. Al alcanzar una velocidad de 900 RPM el control activa un transformador de ignición y la válvula de combustible se abre súbitamente a una posición predeterminada. Al detectarse flama en combustores el control comienza a acelerar la turbina mediante la combinación de la potencia proporcionada por el motor y la producida por la combustión. El sistema digital contiene la programación de una gráfica que corresponde a la trayectoria de aceleración de la TG, llamada referencia de velocidad, (ver Figura 3); la acción combinada de la retroalimentación de velocidad y la curva de referencia logran una aceleración suave de la máquina hasta la velocidad de sincronismo.

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Control de Gas Combustible

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La Válvula de Control El actuador de la válvula de control de gas combustible es operado por un sistema hidráulico en la mayoría de los casos, capaz de posicionar la válvula a la rata de de flujo requerida por los cambios de carga, éste sistema requiere de un mantenimiento del sistema de filtrado del aceite el cual es determinado por el fabricante. Actualmente se han instalado válvulas con un sistema completamente electrónico conllevando a una presición muy alta en el manejo de las variables como por ejemplo una rangeabilidad de 500:1 y un tiempo de recorrido de 100% de abierta a cerrada

Sistema de Protección de la turbina El sistema de protecciones tienen una gran importancia, pues son los encargados de mantener los equipos trabajando bajo condiciones normales de operación y ejecutar acciones de control y/o paro del proceso cuando se presentan desviaciones de dichos procesos que pueden generar condiciones peligrosas que comprometen la integridad de los equipos y del personal que labora en dichas instalaciones. Este sistema tiene asociado un sistema de protección por alta temperatura de los gases de escape de la turbina asi como también la temperatura de cojinetes bien en los drenajes de aceite de la turbina o en las zapatas de los mismos, sensores de vibración y alto desplazamiento axial asi como también interruptores de presión y nivel de reservorios. Cada fabricante le da a su máquina la filosofía de control y protección adecuada para garantizar la operación.

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El sistema de Giro Lento (Turning gear) Llamado también virador consiste en un motor eléctrico o hidráulico (normalmente el segundo) que hace girar lentamente la turbina cuando no esta 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.

6. Mantenimiento de la Turbina a Gas

a) Generalidades del mantenimiento. b) Tipos de mantenimiento: preventivo, correctivo y predictivo. c) Técnicas del mantenimiento por condición. d) De!nición de falla, modos de fallas, patrón de fallas. e) De!nición de inspección, técnicas de inspección, beneficios. f) Monitoreo de la condición para turbinas a gas: monitoreo de vibraciones, monitoreo a través del análisis de aceite, monitoreo a través de la inspección endoscópica y/o boroscópica. g) Mantenimiento al compresor axial. h) Averías presentadas habitualmente en turbinas a gas Introducción Entre los equipos más complejos y costosos que se utilizan en la industria del Petróleo y Generación de energía se encuentran las turbomáquinas, particularmente las turbinas. Su operación debe vigilarse de manera continua tanto para detectar fallas potenciales o incipientes como para programar su mantenimiento, a fin de aumentar su confiabilidad, disponibilidad y vida útil. También resulta crucial que las tares de mantenimiento de este tipo de equipos se efectúen con rapidez para reanudar lo antes posibles la operación de las mismas . Para garantizar el buen funcionamiento de cualquier equipo, así como su permanencia en el tiempo, es imprescindible practicar periódicamente inspecciones que permitan detectar fallas que podrían incurrir en daños en el sistema impactando en la producción por lo que se debe realizar un mantenimiento oportuno. Mantenimiento • Generalidades de Mantenimiento El sector Mantenimiento generalmente se incluye en las organizaciones dentro de la función denominada Ingeniería de Planta, siendo en muchos casos, su actividad excluyente. En mantenimiento, se agrupan una serie de actividades cuya ejecución permite alcanzar un mayor grado de confiabilidad en los equipos, máquinas, construcciones civiles, instalaciones, etc. La confiabilidad de un sistema complejo, compuesto por una serie de piezas, puede llegar a ser muy mala a pesar de una no muy mala confiabilidad individual. Esto es tanto más cierto cuanto mayor sea la variabilidad del desempeño de cada uno de los componentes del sistema y su grado de dependencia o independencia.. Es particularmente cierto cuando es la mano de obra uno de los componentes. En efecto, si no llevamos a cabo una actividad de mejora y de control será muy difícil obtener confiabilidades resultantes elevadas. También es cierto que es a través de esta actividad de mejora donde se puede lograr la diferencia entre un buen y un mal servicio como producto. operacion, mAntenimiento y supervision

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Las actividades de mantenimiento pueden ser realizadas según diferentes sistemas, que luego trataremos, y que se aplican según las características de los bienes y según diversos criterios de gestión. ¿Para que Mantener? • Preservar y/o Recuperar el Desempeño • Prevenir riesgos de falla • Aumentar la vida útil y diferir inversiones • Cumplir con la Seguridad, Higiene y Ambiente • Recuperar apariencia, aspecto estético Paradigmas del Mantenimiento ANTES • El mantenimiento se ocupa de la preservación de los activos físicos. • El mantenimiento de rutina es para prevenir fallas. • El objetivo primario de la función Mantenimiento es para optimizar la disponibilidad de la planta al mínimo costo. AHORA • El mantenimiento se ocupa de la preservación de las funciones de los activos . • El Mantenimiento rutinario es para evitar, reducir o eliminar las consecuencias de las fallas. • El Mantenimiento afecta todos los aspectos del negocio; riesgo, seguridad, integridad ambiental, eficiencia energética, calidad del producto y servicio al cliente. ¿Qué es mantenimiento HOY? Es el conjunto de acciones que permite conservar o restablecer un sistema productivo a un estado específico, para que pueda cumplir un servicio determinado, con un desempeño eficiente y bajo una operación segura, también puede ser definido como toda actividad, o conjunto de ellas, que se ejecutan bajo normas y principios preestablecidos, para que los activos cumplan con sus funciones y se alcancen los objetivos y metas trazadas en cada empresa. De acuerdo a la Norma ISO – 14224, Mantenimiento es la Combinación de todas las técnicas y acciones administrativas, incluyendo acciones de supervisión, propuestas a conservar un artículo dentro de sus especificaciones, o restaurarlo, a un estado en el cual puede realizar una función requerida. Evolución del Mantenimiento 1ra, Generación Años 1940 • Reparación al ocurrir la falla. • Relación de Ingresos • Egresos en los costos 2da. Generación Años 1960 • Importancia de la Disponibilidad. • Necesidad de aumentar la vida útil. • Reducción de costos • Se clasifican los costos y se mide la rentabilidad.

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3ra. Generación Años 1980 • Nivel máximo de disponibilidad y confiabilidad. • Mayor seguridad y protección ambiental. • Calidad de los productos. • Maximizar vida útil. • Diversificar el mantenimiento predictivo y detectivo. 4ta. Generación Años 2000 • Gerencia Integral de Activos. • Gerencia Estratégica de Costos. • Análisis y cuantificación del riesgo en la toma de decisiones. 5ta Generacion 2005 en adelante • La Toma de Decisiones con Pocos Datos por la relación de Costos - Riesgos & Incertidumbre • Optimizar las Paradas por Costo Riesgo Incertidumbre. • Optimización de los Intervalos Preventivos y Predictivos por Costo Riesgo Incertidumbre • Inspeccion Basada en Riesgo Plus (todas las Industrias) • Análisis Causa Raíz PROACT “ Inductiva” • Análisis Ciclo de Vida Útil • Confiabilidad Integral del Activo (sustentable) • Alineado a la norma Asset Management PAS-55

PLANIFICA R

CONTROLA

PROGRAMA

R

R

EJECUTAR

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• ¿Qué es mantenimiento preventivo y qué tópicos abarca? Mantenimiento Preventivo Cubre todo el mantenimiento programado que se realiza con el fin de: Prevenir la ocurrencia de fallas. Se conoce como Mantenimiento Preventivo Directo o Periódico por cuanto sus actividades están controladas por el tiempo. Se basa en la Confiabilidad de los Equipos (MTTF) sin considerar las peculiaridades de una instalación dada. Ejemplos: limpieza, lubricación, recambios programados. Como ejemplo, una empresa decidió que los servicios de desinfección a través de fumigación en los departamentos y pasillos y los de limpieza de tanques de agua, se realizaran el primero, cada tres meses y el segundo, cada seis meses. Ello fue motivado por un análisis de la situación sanitaria del edificio a lo largo de los últimos 5 años. Este tipo de mantenimiento trata de anticiparse a la aparición de las fallas. Evidentemente, ningún sistema puede anticiparse a las fallas que no nos avisan por algún medio. Por ejemplo, una lámpara eléctrica debía durar 4000 horas de encendido y se quema cuando sólo se la había empleado 200 horas. Ningún indicio o evidencia simple, nos informó sobre la proximidad de la falla. Las fuentes internas: están constituidas por los registros o historiales de reparaciones existentes en la empresa, los cuales nos informan sobre todas las tareas de mantenimiento que el bien ha sufrido durante su permanencia en nuestro poder. Se debe tener en cuenta que los bienes existentes tanto pudieron ser adquiridos como nuevos (sin uso) o como usados. Forman parte de las mismas fuentes, los archivos de los equipos e instalaciones con sus listados de partes, especificaciones, planos generales, de detalle, de despiece, los archivos de inventarios de piezas y partes de repuesto (spare parts) y, por último, los archivos del personal disponible en mantenimiento con el detalle de su calificación, habilidades, horarios de trabajo, sueldos, etc. • ¿Qué es mantenimiento correctivo y cómo lo realizan en general las empresas? Mantenimiento Correctivo Comprende el que se lleva a cabo con el fin de corregir (reparar) una falla en el equipo. Se clasifica en: - No planificado: El correctivo de emergencia deberá actuar lo más rápidamente posible con el objetivo de evitar costos y daños materiales y/o humanos mayores. Debe efectuarse con urgencia ya sea por una avería imprevista a reparar lo más pronto posible o por una condición imperativa que hay que satisfacer (problemas de seguridad, de contaminación, de aplicación de normas legales, etc.). En el caso de ejemplo, la detección de la fuga de gas compromete a la Gerencia a tomar la decisión de reparar la pérdida de gas, actuando ante una emergencia (generalmente la detección de un gas combustible, implica la existencia de una concentración peligrosa en el aire ambiente, la cual es explosiva). Este sistema resulta aplicable en sistemas complejos, normalmente componentes electrónicos o en los que es imposible predecir las fallas y en los procesos que admiten ser interrumpidos en cualquier momento y durante cualquier tiempo, sin afectar la seguridad.

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También para equipos que ya cuentan con cierta antigüedad. Tiene como inconvenientes, que la falla puede Trampa veces, estratigráficas (domo salino) sobrevenir en cualquier momento, muchas el menos oportuno, debido justamente a que en esos momentos se somete al bien a una mayor exigencia. Otro inconveniente de este sistema, es que debería disponerse inmovilizado un capital importante invertido en piezas de repuesto visto que la adquisición de muchos elementos que pueden fallar, suele requerir una gestión de compra y entrega no compatible en tiempo con la necesidad de contar con el bien en operación (por ejemplo: caso de equipos discontinuados de fabricación, partes importadas, desaparición del fabricante). Por último, con referencia al personal que ejecuta el servicio, no nos quedan dudas que debe ser altamente calificado y sobredimensionado en cantidad pues las fallas deben ser corregidas de inmediato. Generalmente se agrupa al personal en forma de cuadrillas. - Planificado: Se sabe con anticipación qué es lo que debe hacerse, de modo que cuando se pare el equipo para efectuar la reparación, se disponga del personal, repuestos y documentos técnicos necesarios para realizarla correctamente. Al igual que el anterior, corrige la falla y actúa ante un hecho cierto. La diferencia con el de emergencia, es que no existe el grado de apremio del anterior, sino que los trabajos pueden ser programados para ser realizados en un futuro normalmente próximo, sin interferir con las tareas de producción. En general, programamos la detención del equipo, pero antes de hacerlo, vamos acumulando tareas a realizar sobre el mismo y programamos su ejecución en dicha oportunidad, aprovechando para ejecutar toda tarea que no podríamos hacer con el equipo en funcionamiento. • ¿Qué es mantenimiento Detectivo? Consiste en realizar Inspecciones de una manera planificada y programada a los activos, para la verificación de las funciones de protección y/o respaldo, con cual se pretende detectar la perdida de la función del dispositivo (Falla Oculta) y realizar acciones de restablecimiento de la función. Se ejecuta a frecuencias fijas, y no depende del estado real del equipo. • ¿Qué es mantenimiento Predictivo y por condición?. ¿cuáles son las herramientas o métodos que se utilizan para realizar el mantenimiento Predictivo? Mantenimiento Predictivo: Es el Servicio de seguimiento del desgaste de una o más piezas o componente de equipos prioritarios a través de análisis de síntomas, o estimación hecha por evaluación estadística, tratando de extrapolar el comportamiento de esas piezas o componentes y determinar el punto exacto de cambio. El mantenimiento Predictivo basado en la confiabilidad o la forma sistemática de como preservar el rendimiento requerido basándose en las características físicas, la forma como se utiliza, especialmente de como puede fallar y evaluando sus consecuencias para así aplicar las tareas adecuadas de mantenimiento ( preventivas o correctivas). Detectar las fallas antes de que se desarrollen en una rotura u otras interferencias en producción. Está basado en inspecciones, medidas y control del nivel de condición de los equipos.

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¿PORQUE O PARA QUE REALIZAR MANTENIMIENTO POR MONITOREO DE LA CONDICION EN UNA TURBINA El petróleo presente diferente coloración dependiendo de su calidad. A GAS? Esta estrategia de mantenimiento permite el seguimiento del deterioro de uno o más elementos en estos equipos prioritarios a través de análisis de síntomas, estimación hecha mediante evaluaciones estadísticas, tratando de extrapolar el comportamiento de los elementos de un equipo y determinar el punto exacto para ejecutar una acción, que permita la restauración de la condición deseada minimizando su impacto sobre el proceso. En otras palabras, con este método, tratamos de acompañar o seguir, la evolución de las futuras fallas logrando con ello lo siguiente: • Supervisión del estado de las variables del equipo. • Protección del equipo. • Diagnóstico de fallo. • Pronostico de esperanza de vida. Técnicas de Monitoreo de Condición El monitoreo de condición es un concepto que ha sido utilizado desde hace mucho tiempo. Por lo general los operadores y el personal de mantenimiento perciben señales de la maquinaria con sus propios sentidos. Ahora lo que se pretende es amplificar estas señales y aislarlas para incrementar su percepción mediante tecnología y medición. Las técnicas de monitoreo las podemos clasificar en: • Inspecciones de la maquinaria • Mediciones de desempeño de la maquinaria • Monitoreo de las condiciones operacionales de la maquinaria • Monitoreo de los fluidos • Monitoreo de las partículas de desgaste Cada una de las técnicas descritas anteriormente tiene fortalezas y debilidades. En función de ellas debemos seleccionar la que pueda responder a las preguntas del profesional de la confiabilidad. ¿Qué es una Falla? Cualquier evento o situación que impide el cumplimiento de la función o propósito preestablecido de un activo. Es la terminación de la habilidad de un sistema/equipo/ parte para realizar una función requerida (ISO14224) ¿Qué Es Una Falla Funcional? Se define como el incumplimiento de una función, puede ser total (Imposibilidad absoluta de cumplir con la función) o parcial (La función se cumple pero de manera parcial) ¿Qué es un Modo de Falla? Es la apariencia, manera o forma como un activo o parte de el pierde su razón de ser, es decir su función. ¿Qué es un Mecanismo de Falla? El proceso físico, químico u otro, que conlleva a una falla (ISO-14224). Es un proceso de deterioro progresivo o súbito que induce la ocurrencia de una falla.

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¿Qué es el Efecto de Falla? Es lo que experimenta el dueño de un activo como resultado de la ocurrencia de un modo de falla (altos costos, pérdidas de oportunidad, utilización inadecuada de recursos, accidentes, entre otras), en fin las consecuencias del evento. Es la evidencia o los hechos de que la falla a ocurrido, e indica la secuencia de eventos desde que se inicia hasta que culmina la falla, y donde es recomendable establecer las consecuencias de la misma. ¿Qué es un Patrón de Falla? El patrón de falla describe el comportamiento del activo en el tiempo, asociándolo a su probabilidad de falla independientemente de la edad del mismo. El mas conocido en el ámbito industrial es el patrón llamado “curva de la bañera”. Sin embargo, hoy en día se ha descubierto que existen seis modelos de patrones de falla. El patrón falla adquiere vital importancia en los procesos de gestión de la falla, durante las fases de: • Análisis del mecanismo y modo de falla. • Identificación del intervalo “P-F”. • Definición de los intervalos de inspección, entre otros.

RELACIONADAS

NO RELACIONADAS

CON LA EDAD

CON LA EDAD

C

C

ALTA

CURVA CLÁSICA

MORTALIDAD

DE LA BAÑERA

Tiemp o

INFANTIL

Tiemp o

C

C ENVEJECIMIENTO

ENVEJECIMIENTO SIMPLE

TEMPRANO Tiemp o

Tiemp o

C

C

TÍPICA

COMPORTAMIENTO

DE FATIGA Tiemp o

UNIFORME

Tiemp o

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Inspeccion Consiste en la ejecución de visitas al área operacional (programados o no) con el objeto de corroborar el buen funcionamiento de los sistemas productivos y detectar oportunamente condiciones anormales. Las frecuencias de las inspecciones dependerán del contexto operativo, intervalo P-F. y se optimizan en función del comportamiento. Técnicas de Inspección • Observación Visual • Comparación con Equipos o Instalaciones similares • Verificación de condiciones Beneficios de Inspeccionar • Ayudan a obtener de una idea global de la condición de los equipo. • Permite al operador actuar oportunamente sobre los elementos de control de las variables del proceso que garanticen la continuidad operacional. • Detección de fallas potenciales • Proporcionan una herramienta útil para la solicitud oportuna de actividades de mantenimiento ¿Qué se debe Inspeccionar? Parámetros operacionales: • Vibración, Temperaturas, Flujos, Presiones, etc. • Operatividad de sistemas de control y/o protección. • Instrumentación defectuosa. Parámetros operacionales

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Condición física de equipos e instalaciones • Estado de guarda acoples, pernos de anclajes, bases de los equipos. • Presencia de corrosión en tuberías, soportería, estructura. • Fallas en las conexiones eléctricas, puesta a tierra de los equipos. • Falta de pintura, protección anticorrosivo. • Transformadores, líneas, aisladores, cajeras de empalmes. Aspectos asociados a seguridad • Condiciones inseguras. • Actos inseguros. • Presencia de fugas de productos al medio ambiente • Estado extintores de incendio. • Vías de escape / concentración Orden y limpieza • Verificar que el área se encuentre limpia y ordenada Qué debemos reportar? Después de realizar la Inspección OBSERVACIONES Operacionales Seguridad Mantenimiento

ACCIONES Ajustes del proceso Acciones correctivas Solicitud de Odas y emisión de Alertas

Formas de reportar VERBAL. Notificación al supervisor inmediato de turno de la anormalidad observada. ESCRITA. Asentarla en la bitácora o libro de operaciones para que quede constancia de la misma. ELECTRONICA A través de correos electrónicos, si se va a involucrar personal de otras organizaciones y reportes formales. ¿Qué aspectos deben ser considerados a la hora de realizar un reporte técnico? Antecedentes, Observaciones, Normas Aplicadas, Modo De Falla, Mecanismo De Falla, Acuerdos, Oportunidades De Mejora, Consecuencias, Recomendaciones, Conclusiones. Monitoreo de la Condición para las Turbinas a gas Es la medición y observación del comportamiento de variables físicas, que se consideran representativas de la condición del equipo, para compararlas con valores estándares y correlacionarlas con variables operacionales que permitan detectar y/o predecir el deterioro de los equipos o sistemas. Los objetivos primordiales del Monitoreo de la condición para la Turbina a Gas son: • Detectar Cambios en las variables • Diagnosticar Fallas • Establecer Criticidad de la Falla operacion, mAntenimiento y supervision

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Para asi : • Evitar Consecuencias Graves • Alargar la vida a los Activos • Planificar la Intervención del Equipo El Monitoreo de la Condición para Equipos Dinámicos se considera predictivo cuando desde el punto de vista técnico establece lo siguiente: • La medida sea no intrusiva, es decir, que se realice con el equipo en condición normal de operación (en marcha). • El resultado de la medida pueda expresarse en unidades físicas, o también en índices adimensionales correlacionados. • La variable medida ofrezca una buena repetibilidad. • La variable predictiva pueda ser analizada y/o parametrizada para que represente algún modo típico de fallo del equipo, es decir, ofrezca alguna capacidad de diagnóstico. Técnicas utilizadas en el Mantenimiento por Condición en Equipos Dinámicos • Tecnica del Monitoreo por Análisis De Vibraciones Vibración: es el movimiento oscilatorio o de vaivén de una masa o maquina a partir de su punto de reposo. La Vibración Normal, es aquella que se produce después del diseño de las maquinas. La Alta Vibración, es aquella que se produce después de una avería en cualquier pieza o componente mecánico. FORMAS DE MEDIR LA VIBRACIÓN Se realiza utilizando sensores, los cuales están instalados en los equipos, los mas utilizados son: • DESPLAZAMIENTO • SÍSMICO DE VELOCIDAD

• ACELERÓMETRO PIEZOELÉCTRICO

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• Relativa

CONFIGURACION BASICA SISTEMA DE MEDICION CONTINUA MOVIMIENTO RELATIVO AL EJE (API –

• Absoluta

Acelerómetro Con montaje integral

Cable

Cajera

Blindado

de empalme

Purga

Housing Salida

del cojinete

al monitor

o máquina Aislamiento Drenajes del cable

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FORMAS DE MONITOREAR LA VIBRACIÓN Tipo De Monitoreo • Continuo

• Periódico

• Portátil

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PAUTAS DE UN PLAN DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO POR MONITOREO DE CONDICION (VIBRACION) • Seleccione los equipos a monitorear. • Recopile toda la información técnica de equipo (fichas técnicas). • Genere procedimientos para normalizar las condiciones de medida (velocidad y carga) para garantizar la repetibilidad de la medición. • Defina e identifique las localizaciones y las posiciones para la medición, garantizando la repetibilidad de la medición. • Establezca valores de paro, alarma y avisos tempranos. En este caso se debe evaluar y determinar un criterio propio que cumpla con los estándares que establezca la organización tomando Normas De Tablas De Severidad , datos del fabricante y/o comparando con equipos similares. • Genere base de datos (históricos) y defina línea base para observar cambios de perfiles en el tiempo. • Elabore un patrón de reporte técnico, donde indique el elemento en falla, la causa de la falla, la esperanza de vida, la estrategia de intervención y las acciones correctivas. TECNICA DEL MANTENIMIENTO POR MONITOREO DE LA CONDICÓN EN TURBINAS A GAS A TRAVÉS DEL ANALISIS DE ACEITE La Tribología, definida como la ciencia de los mecanismos de fricción, lubricación y desgaste de superficies que interactúan y que están en movimiento relativo. Los fenómenos de desgaste han ocurrido por siempre, sin embargo se está tomando conciencia acerca de los ahorros y eficientización que se pueden alcanzar al considerar éstos. .El Monitoreo de Condición apoyado en las de técnicas de Análisis de Aceite así como utilizando el análisis tribologico del lubricante, permite evaluar la condición del equipo y de su lubricante durante el funcionamiento del mismo; a través de la elaboración de un diagnóstico sobre la condición de deterioro del lubricante (evaluación de propiedades) y la identificación de elementos en desgaste (identificación/conteo de partículas) de los componentes del equipo, potenciándolo con el uso de tendencias y correlación de variables. OBJETIVOS DEL ANÁLISIS DE ACEITE LUBRICANTE • Detectar degradación del aceite. • Detectar contaminación en el aceite. • Detectar problemas en el sistema de filtrado. • Detectar si se está usando el lubricante correcto. • Detectar elementos en desgaste en la maquina. • Condicionar el reemplazo de la carga de lubricante. • Controlar la calidad de lubricantes nuevos y usados. • Construir curvas de comportamiento tribologíco de equipos. • Prolongar vida útil lubricante/maquina. • Reducir costos de Operación y y Mantenimiento. IMPORTANCIA DEL MONITOREO DE CONDICIÓN A TRAVÉS DEL ANÁLISIS DE ACEITE LUBRICANTE La importancia de una adecuada lubricación, requiere de habilidades, iniciativa y por encima de todo de responsabilidad en el proceso. El diseño del programa de lubricación es aplicable en todas las áreas de la empresa, al departamento de diseño de equipo, compras, administración y personal de mantenimiento. En la mayoría de las organizaciones es necesario que el programa de lubricación pase por un completo proceso de re-ingeniería para asegurar que este se encuentre dentro de los patrones de Clase Mundial.

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Al establecer un equipo de control Tribologico se obtiene una Disminución de la Fricción y un control del desgaste logrando con ello reducir el consumo energético incrementando la vida útil del equipo haciéndolo mas rentable. Es muy frecuente que los departamentos de mantenimiento no obtengan el máximo beneficio de sus lubricantes. Esto no siempre se debe a la compra de lubricantes de baja calidad, sino a una práctica insatisfactoria de la aplicación del lubricante y su conservación en la maquinaria. Muchos especialistas en mantenimiento establecen que el lubricante es parte de la maquinaria desde el momento en que se introduce en ésta, por lo tanto debemos establecer acciones que lo mantengan en buenas condiciones. Desde que el lubricante llega a la planta, se encuentra expuesto a riesgos de contaminación y degradación en su almacenamiento y manejo deficiente, mezcla con otros productos, aplicación a la maquinaria equivocada, exceso de lubricación, falta de lubricante, o incluso puede llegar a convertirse en un riesgo a la seguridad o ecología por fugas, derrames y disposición inadecuada. El principal problema al que nos enfrentamos cuando nos referimos a las prácticas de lubricación, es la carencia de modelos o procedimientos estandarizados que permitan efectuar la tarea de la lubricación adecuadamente. Los modelos con los que se cuentan están llenos de vicios y mitos transmitidos de generación en generación por falta de de conocimiento, educación y por no haber sido elaborados mediante el análisis de las actuales demandas de confiabilidad. Usualmente nos referimos al lubricante como “la sangre de la maquinaria”, sin embargo, cuando revisamos la forma en la que lo manejamos, almacenamos y mantenemos en la maquinaria, debemos reconocer que no lo estamos tratando como tal .conocimiento, educación y por no haber sido elaborados mediante el análisis de las actuales demandas de confiabilidad. Usualmente nos referimos al lubricante como “la sangre de la maquinaria”, sin embargo, cuando revisamos la forma en la que lo manejamos, almacenamos y mantenemos en la maquinaria, debemos reconocer que no lo estamos tratando como tal. En la figura podemos visualizar el porcentaje que corresponde a fallas en el sistema de lubricación.

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COMPORTAMIENTO TRIBOLOGICO DE UN EQUIPO CLASIFICACION TIPOS DE DESGASTE Convencional Primario • Adhesivo • Abrasivo • Por Fatiga • Corrosivo Desgaste adhesivo Desgaste Adhesivo

Desgaste Abrasivo Es ocasionado por la presencia de partículas extrañas internas o externas al sistema tribológico entre las superficies en movimiento relativo. Causas • Contaminación del lubricante con partículas sólidas de procedencia externa. • Uso de filtro inadecuado, por mala selección o dimensión incorrecta . • Sistema de filtro con problema de sellado. • Elemento filtrante colapsado. Prevención • Tarea de selección de filtro procedímentada. • Revisión periódica de la presión diferencial de los filtros. • Monitoreo de la concentración de partículas en el Lubricante • Asegurar limpieza externa del sistema.

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COMPORTAMIENTO TRIBOLOGICO DE UN EQUIPO Trampa estratigráficas Desgaste Abrasivo

(domo salino)

CORROSIVO (por corrosión o herrumbre) Es consecuencia de una reacción química en las superficies del par de fricción principalmente por contaminación del lubricante o por la formación de pares galvanicos.

!

Desgaste corrosivo

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Puntos de toma de la muestra: petróleo presente diferentedos coloración de sude calidad. Por ejemplo en una turbina seElpueden distinguir tiposdependiendo de puntos muestreo, los primarios y los secundarios. • Los primarios se usan para realizar los análisis rutinarios o estándar establecidos. • Los secundarios, se utilizan para realizar diagnósticos particulares en la profundización de análisis de fallas detectados a través del muestro cíclico.

Intervalos de Muestreo estándar

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Estas Justificaciones deben evaluarse relacionando costos del análisis, costos del lubricante, costos del equipo y su impacto en el negocio. BENEFICIOS DEL MONITOREO POR CONDICION A TRAVES DEL ANALISIS DE ACEITE • Detectar fallas en su estado incipientes. • Detectar modos y mecanismos de falla. • Identificación de intervalos P-F (patrones de falla). • Contribuir con la Gestión Lubricación. • Modular programas de servicios o mantenimientos preventivos. • Acciones de mantenimiento correctivo oportunas. • Mejoramiento de indicadores de Mantenibilidad y Confiabilidad. • Reducción de costos de Mantenimiento y Operación. Control de la Gestión Tribológica • Asignar responsabilidades (Quien ?,A Quien ?,Cuando ?,Donde ?,Con Que ? • Respetar Recomendaciones (Informes Tecnicos, Reingeniería, Tecnologías) • Continuidad de los programas, • Aplicar y cumplir Procedimientos, • Racionalizar uso de lubricantes, • Frecuencias de lubricación correctas, • Almacenamiento y manejo correctos • Sistemas lubricantes apropiados • Filtrado oportuno y correcto Normas Internacionales y Sociedades de tribología AGMA - "American Gear Manufacturer’s Association ", ASTM - “American Society for Testing Materials” API - “American Petroleum Institute" ISO – “ International Organization for Standardization” COPIMAN - Comité Panamericano de Ingeniería de Mantenimiento S.T.L.E. - Society of Tribological and Lubrication Engineers A.S.M.E. - American Society of Mechanical Engineers A.W.S. - American Welding Society R.C.I. - Reliability Center Institute TECNICA DEL MANTENIMIENTO DE LA TURBINA A GAS POR MONITOREO POR CONDICION UTILIZANDO LA TECNOLOGIA DEL ENDOSCOPIO (Inspección Endoscopia) Caracteristicas: • Equipo utilizado para Ampliar la capacidad del sentido de la vista a través del uso de Instrumentos Ópticos. • Permite observar superficies o elementos en el interior de la estructura que lo conforma sin destapar o desarmar. • Herramienta de gran potencial proactivo. • Permite detectar desviaciones o defectos físicos en el interior de lo activos físicos. • Corroborar diagnósticos. • Evaluar evidencias de problemas de desempeño. • Detectar presencia de elementos indebidos o no deseados.

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Campo de Aplicación Su aplicación va desde usos policiales, médicos hasta industriales.

(Inspección Endoscopia)

Tipos de Endoscopios BOROSCOPIO: SONDA RIGIDA

BOROSCOPIO DE SONDA FLEXIBLE

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VIDEOSCOPIO

Componentes principales de un equipo Endoscópico. • Sonda Endoscópica. (Boroscopio / Fibroscopio). • Fuente de luz o lámpara. • Cable de fibra óptica transmisor de luz. • Adaptadores para cámaras. • Cámara fotográfica o de vídeo con su grabadora. • Videocospio. Puertos de Acceso: • Puertos de inspección • Boquillas de gas combustible, bujías, termocuplas. • Sensores de presión Componentes a Inspeccionar: • Álabes del estator (toberas). • Álabes del rotor. • Cámara de combustión. • Boquillas de gas combustible. • Termocuplas, entre otros Problemas Detectados: • Problemas de ensamblado (Aseguramiento de Calidad). • Pérdida de recubrimiento térmico o material base. • Formación de carbón en Cámaras de Combustión. • Adherencia de materiales. • Formación de Grietas. • Abrasión y Erosión. • Erosión térmica. • Impactos (F.O.D / D.O.D ). Fuentes típicas de error • No revisar los antecedentes del equipo (tendencias de variables operacionales, informes de fallas, notas de operaciones y mantenimiento). • No revisar con antelación el equipo y sus accesorios. • Realizar la inspección rápidamente, no revisar con detalle todo componente y su entorno en cada punto de inspección. • No tomar registros de la inspección. • No disponer de los manuales del fabricante con los limites permisibles de operación. operacion, mAntenimiento y supervision

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BENEFICIOS • Verificar las condiciones internas de un equipo sin desarmarlo. • Inspeccionar calidad de ensamblajes. • Prever fallas catastróficas en los equipos. • Seguimiento en el tiempo al avance de daños. • Modular los ciclos de mantenimiento preventivo. FACTORES QUE AFECTAN LA VIDA ÚTIL DE LAS TURBINAS: • Lubricación, • Instalación / Montaje (Nivelación, Alineación, Balanceo, Etc.), • Calidad De Las Reparaciones Y El Mantenimiento Deficiente, • Vibración, • Operación (Protocolos, Procedimientos, Velocidad, Etc.), • Calidad De Filtrado De Aire. (Turbina A Gas) • Calidad Del Combustible .

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Mantenimiento del compresor Axial El aire que las turbinas de gas requieren para operar debe cumplir con las especificaciones propias del modelo y configuración de cada máquina. Las condiciones del aire son de gran relevancia en una operación correcta y eficiente, aunque las características del medio ambiente repercuten directamente en el funcionamiento de la turbina. En general, al diseñar una turbina industrial de gas comercial se consideran condiciones atmosféricas estándar ( isa, por sus siglas en inglés); no obstante, la operación real en el campo de trabajo está lejos de dichas circunstancias ambientales, por lo que es necesario modificar las condiciones del aire de entrada para permitir un buen funcionamiento de la máquina con la implementación de los sistemas de succión. El cuarto de succión (cuarto de filtros) es el lugar donde se captura el aire del exterior que alimenta el compresor. En esta sección se instalan los sistemas que controlan la calidad del aire y deben satisfacer los requerimientos del compresor de la turbo-máquina. El tamaño del cuarto depende de la cantidad de aire que usa el compresor. Generalmente se construye en forma de cubo, con placas de acero recubiertas y se localiza en un área libre dentro de las instalaciones. Para el caso de turbinas medianas y grandes, es común observar que el cuarto se ubique al aire libre, por lo que en la entrada principal del aire se colocan protecciones para evitar el paso de lluvia, granizo o nieve al interior. El aire del exterior está mezclado con partículas que producen erosión y corrosión en el interior de la máquina; además, al acumularse reducen las secciones transversales de los canales internos, causando que la máquina pierda potencia al reducirse el flujo de aire y debido a los cambios aerodinámicos. La típica solución para lidiar con este problema es usar sistemas de filtración con paneles diseñados para evitar el paso de dichas partículas. El aire se succiona desde la entrada principal de la casa de filtros donde se encuentra el primer panel llamado pre filtración , el cual evita el paso de fracciones de gran tamaño provenientes del exterior, como semillas, insectos o pájaros . El segundo panel es conocido como panel principal, se localiza en el interior de la casa de filtros y su función es retener la mayoría de las partículas . La etapa de pre filtración incluye mallas y paneles para extender la vida útil del panel principal, sus filtros protegen la máquina contra partículas contaminantes arrastradas por el aire. Los dos filtros pueden ser de auto limpieza o estáticos, ambos consisten en una técnica de empaquetado de filtros con diferentes materiales para incrementar la eficiencia y reducir las pérdidas de presión en el flujo de aire. Si el aire está mezclado con partículas corrosivas de tamaño muy fino como sal, vapores o gases químicos , es necesario un tercer panel con filtros especiales de alta eficiencia. Esta etapa se conforma con filtros y paneles estáticos. Los avances tecnológicos han permitido disminuir las pérdidas de presión en el paso del aire y a su vez conservar la misma eficiencia de fitración. Las innovaciones en materiales de fibras han mejorado el rendimiento de los filtros en más de 90%, logrando una filtración poderosa de partículas tan pequeñas como de un micron.

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Filtros de Aire utilizados en las Casetas de las turbinas H.E.P.A / U.L.P.A.: Los filtros H.E.P.A (High efficiency Particulate Air) son filtros descartables de medio filtrante seco y extendido que tienen una eficiencia mínima de 99,97 % (es decir una penetración máxima del 0,03 %) en aerosoles de DOP 0,3 micrones generados térmicamente (Norma MILSTD-282). Asimismo, los filtros U.L.P.A. (Ultra Low Penetration Air) son filtros con características similares a los filtros H.E.P.A. pero tienen una eficiencia mínima de 99,999 % (penetración máxima inferior al 0,001 %) para partículas de un tamaño entre 0,1 y 0,2 micrones. Se utilizan como filtros HEPA finales en sectores como el hospitalario, industria farmacéutica, industria alimenticia, industria química fina, industria veterinaria, cabinas de pintura, etc.

Evaluación de los filtros de aire Los filtros se evalúan por la eficiencia que tienen para remover el mayor número de partículas contaminantes del aire atmosférico. Un filtro con alta eficiencia puede remover partículas de hasta un micrón y con ello minimizar la contaminación del interior; sin embargo, puede aumentar la caída de presión en la entrada de aire. Un informe de General Electric indica que la caída de presión a la entrada del compresor cuesta alrededor de 1.4% de pérdida de potencia en la turbina, por lo que es importante considerar este parámetro en el momento de seleccionar el tipo de filtro . La vida útil (periodo de operación del filtro en óptimas condiciones) debe corresponder con los periodos de mantenimiento programados. Cuando las partículas acumuladas sobrepasan los límites de capacidad del filtro, se afecta el funcionamiento del compresor, debido a la reducción de la masa de aire, por lo que se hace necesario realizar labores de mantenimiento. Mantenimiento de los Compresores Axiales Cuando una turbina opera continuamente, esta expuesta a que los filtros de aire pierdan eficiencia y pasen particulas al compresor axial los cuales se van acumulando en los alabes disminuyendo la eficiencia de la turbina, dando origen a fallas tales como Altas Temperatura de Gases de Escape como consecuencia de la baja presion de aire de descarga del compresor axial, por los que es necesario una limpieza y/o lavado del compresor

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Tipos de suciedad Hidrocarburos Los peores problemas de ensuciamiento son causados por mezclas de líquidos y aceites ó hidrocarburos generalmente, que se depositan en los álabes y forman una capa aceitosa que captura material compuesto por partículas. Esto puede ser causa de los gases de combustión emitidos por las turbinas y puede ser particularmente severo si se utiliza combustibles menos limpios como el crudo. Los escapes de aceites son otro problema mayor, incluso el humo de otras industrias, ciudades y vehículos contribuyen a la contaminación. Agua salada Al ingresar en el compresor, el aire se calienta y la humedad del aire se evapora, dejando sal y elementos disueltos que se depositan en los álabes. Cuando se exponen a las altas temperaturas de operación dentro del compresor, estos depósitos se pueden adherir firmemente a la superficie del compresor. La sal también causa corrosión y oxidación, por lo que se debe remover sin demora. Este es un problema significativo en zonas costeras y marinas. Otras causas El polvo y la arena generalmente causan erosión y pueden conducir al ensuciamiento cuando se combina con otros elementos como vapores de aceites. La atmósfera contiene otros numerosos contaminantes incluyendo químicos usados en cultivos, esporas de las plantas, insectos y smog. Incluso algunos de los aditivos de los productos de limpieza, si no se enjuagan adecuadamente, pueden contribuir al ensuciamiento. Los depósitos acumulados en los alabes de los compresores axiales de las turbinas a gas, se remueven frecuentemente utilizando agentes limpiadores. Los mismos pueden ser rociados cuando la turbina esta operando normalmente (Lavado- on line)o fuera de operación (Lavados Off’line o Crank-soak). Actualmente existen dos métodos de lavado de compresores axiales aprobados y recomendados por los fabricantes mas importantes de turbinas a gas: Lavado En Línea Consiste en la atomización regularmente, de una solución de limpieza en el compresor, mientras corre a velocidad de operación. Las altas temperaturas de operación de los compresores, las altas fuerzas centrífugas en el líquido inyectado y el corto tiempo de contacto de la solución de lavado con la suciedad, limitan la efectividad de este método. El fluido de limpieza, sin embargo, alcanzará los álabes guía en la entrada del compresor y los de la primera etapa, lo que resultará en recuperación de potencia. Esto mejora la disponibilidad al reducir la tasa de pérdida de producción y prolongar el tiempo entre lavados fuera de línea. Usar un detergente adecuado mejorará la capacidad de mojado de la solución de limpieza, el contacto con la suciedad y a la vez el efecto de limpieza, y además reduciendo la cantidad de líquido requerido por lavado. Lavado Fuera de Línea El lavado fuera de línea se lleva a cabo con la turbina de gas en estado frío, inyectando la solución de limpieza al compresor mientras se hace girar a la velocidad de arranque. Una vez los químicos son inyectados en el compresor, se apaga la turbina de gas y se le permite detenerse, se deja en remojo de 20 a 30 minutos, antes de enjuagar completamente con agua desmineralizada o desionizada. El mayor inconveniente es el tiempo que la turbina debe permanecer fuera de operación para permitir el enfriamiento y la preparación para el lavado. La eficacia de este tipo de lavado es muy alta y la recuperación de potencia es cercana al nivel original o el nivel alcanzado después de un mantenimiento mayor.

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Entre las recomendaciones generales encontradas en la literatura de lavados de compresores axiales de turbinas, se tiene que todo lavado en línea debe estar precedido de un buen lavado por remojo en periodo de arranque, ya que loslavados en línea permiten mantener ** limpia una maquina limpia** Los productos de limpieza aprobados por los fabricantes de turbinas son: Ardrox Aqueous 635 Castrol ICD 177 ZOK 27 Ardox 6367 (Turboclean L9020) RMC – 21, concentrado Averías o problemas presentados en las Turbinas a Gas La mayor parte de las averías en una planta de compresión de gas o generación 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 . 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 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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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. CORROSIÓN EN LA CASETA DE FILTROS 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 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.

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Averías en el compressor Trampa estratigráficas (domo salino) con la Los problemas más habituales en el compresor están relacionados 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. Suciedad (fouling). Las partículas que atraviesan el sistema de filtrado se pueden depositar en los álabes y provocar dos efectos: cambian la aerodinámica 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. 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).

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 rompe vacío correspondientes.(válvulas contra Implosion)

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Entrada de un objeto extraño (FOD) o rotura de elemento interno (DOD). diferente coloración dependiendo depor su calidad. Uno de los fallos más dañinosElypetróleo fácilespresente de prevenir es el provocado 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. 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. 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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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. 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. 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 disminución evidente del rendimiento y un aumento de las emisiones de CO. 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. 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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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. 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 problemas 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.

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. 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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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 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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Puesta en marcha de la turbina de gas La puesta en marcha de una turbina de gas comprende una serie de secuencias programadas, entre las cuales podemos mencionar las más importantes en orden a cómo se van realizando: TURBOGENERADOR 1. Se pone en funcionamiento el sistema de lubricación a través de la bomba auxiliar de aceite, la cual es energizada mediante corriente alterna disponible de la red. 2. Una vez alcanzada la presión adecuada de aceite, se pone en marcha el motor de arranque o también llamado motor de lanzamiento, el cual puede ser indistintamente y según los casos un motor DIESEL, un motor eléctrico de rotor bobinado, o una pequeña turbina de vapor. El eje de salida del motor se encuentra acoplado al embrague hidráulico. 3. Estabilizadas las temperaturas del motor de lanzamiento, se activa el acoplamiento mecánico, vinculado de esta manera al eje del motor con el eje del paquete compresor (turbina) generador eléctrico, a través del embrague hidráulico. 4. Se pone en marcha el virador, el cual saca del reposo a la masa rotante haciéndola girar a aproximadamente 3 a 5 rpm. 5. Confirmado que el rotor está en lenta rotación y que el acoplamiento ha sido establecido, se inicia la etapa de aceleración del motor de lanzamiento, que en el caso de que esté fuera un motor eléctrico de rotor bobinado se van desconectando las resistencias retóricas con lo cual se incrementa el número de vueltas del mismo. 6. A medida que aumenta el número de vueltas del motor de lanzamiento, aumenta también el de la máquina y generador gracias al ya mencionado embrague hidráulico. Esta situación se mantiene hasta que todo el conjunto alcanza aproximadamente la mitad del número de vueltas de régimen de la turbina. 7. Cuando se alcanza éste estado de giro se habilita el ingreso de combustible a los inyectores ubicados en las cámaras de combustión y paralelamente se energiza la bujía de encendido, produciéndose la combustión del combustible. 8. La turbina se acelera, arrastrada por el motor de lanzamiento y por los gases de combustión producidos. 9. Cuando el número de vueltas de la turbina supera el del motor de arranque y éste se desacopla automáticamente. 10. La turbina continua el proceso de aceleración por sí sola gracias ahora a los gases de combustión hasta alcanzar el número de vueltas de régimen. 11. Cuando se alcanza el estado de régimen se transfiere el proceso de lubricación a la bomba principal de aceite, saliendo de servicio la bomba auxiliar. 12. En estas condiciones el generador entra en paralelo con la red y empieza a tomar carga hasta llegar a entregar la potencia efectiva del mismo. operacion, mAntenimiento y supervision

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Almacenamiento de Turbinas a Gas La vida de almacenamiento de una turbina a gas es un máximo de cuatro años (Turbina aeroderivativa o GG) cuando se almacena en una bolsa y condición completamente tratada. Bajo estas condiciones, una inspección, a comprobar la presencia de humedad o de un deterioro de las instalaciones de almacenamiento, deben llevarse a cabo en los intervalos de tiempo especificados. Los generadores de gas que deben ser almacenados o transportados requieren protección contra la entrada de material extraño y contra la corrosión asi como también la humedad.

Referencias Bibliográficas Instruction Book Simple Cycle Electric Generating Plant Combustion Turbine Model W501F Gas Turbine and Auxiliaries Combustion Turbine Unit No. 1 – 37A8215 FIELD REPORT Turbina a Gas-Generador GE Curso Para Operadores Contenido del Curso TermoBarrancas C.A. Barinas, Venezuela Maintenance Manual ROLLS ROYCE Avon gas generator and variants Gas Fuelled 1535-161G, 162G, 170G & 171G

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