Turbomaquinaria

Presentación

Entre los equipos más complejos y costosos que se utilizan en la generación de energía eléctrica 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 tareas de mantenimiento de este tipo de equipos se efectúen con rapidez para reanudar lo antes posible la generación de energía.

En esta área, la Comisión Federal de Electricidad (CFE) ha contado durante más de veinte años con el apoyo del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE). A través de la hoy denominada Unidad de Turbomaquinaria, el Instituto ha promovido el desarrollo tecnológico de métodos y herramientas tanto para el diagnóstico de fallas como para la rehabilitación y la extensión de vida útil de componentes de turbomáquinas. Estos trabajos -que comprenden básicamente turbinas de vapor y gas, así como equipo auxiliar en el que se incluyen compresores y bombas- han redundado en ahorros considerables para la CFE y han contribuido de manera importante a mejorar la calidad del servicio de energía eléctrica.

Por otra parte, la Unidad ha realizado proyectos para Petróleos Mexicanos (Pemex) y para empresas eléctricas de El Salvador, Guatemala, Estados Unidos, Colombia y Costa Rica.

La Unidad de Turbomaquinaria

Esta Unidad del IIE se empezó a conformar en 1987, a partir del estudio de vibraciones en maquinaria rotatoria. Los dos primeros proyectos que se llevaron a cabo en el entonces denominado Departamento de Equipos Mecánicos fueron la elaboración del Manual de instrumentación para análisis de vibraciones y el establecimiento de métodos de balanceo. El trabajo de la Unidad se ha ampliado considerablemente y hoy comprende cuatro campos principales:

· Sistemas de diagnóstico y análisis dinámico.

· Análisis del comportamiento fluido-termodinámico.

· Análisis del comportamiento estructural.

· Rehabilitación y extensión de vida útil de turbomáquinas.

Sumario

En los tres primeros se han desarrollado métodos y herramientas de diagnóstico cada vez más precisos que permiten conocer el estado de diversos tipos de turbomaquinarias, determinar el origen de las fallas o bien anticipar las que podrían presentarse. En cada caso, el diagnóstico va acompañado de las recomendaciones para las acciones preventivas o correctivas que se requieran. Uno de los aspectos más importantes de la relación entre la CFE y la Unidad ha sido la transferencia, hecha por esta última, de metodologías y técnicas de rehabilitación y reparación al personal de las plantas de generación. Gracias a ello, la CFE ya no depende de los fabricantes del equipo original para solucionar gran parte de los problemas asociados con la utilización del mismo. El desarrollo de métodos para rehabilitación y extensión de vida útil de componentes realizado en el IIE ha permitido reducir la compra de refacciones; los especialistas de la Unidad pueden reparar y rediseñar distintos tipos de componentes, de manera que su desempeño sea más eficaz y prolongado que el de la refacción original.

La Unidad cuenta con un Laboratorio de Vibraciones y Esfuerzos que tiene instrumentación especializada para el balanceo de rotores, así como para el registro y análisis del comportamiento vibratorio de componentes fijos y móviles de maquinaria rotatoria. Asimismo, se realizan pruebas de telemetría y fotoelasticidad para la medición y el análisis de esfuerzos de diversos componentes, entre ellos, álabes móviles de turbinas y compresores.

Sistemas de diagnóstico y análisis dinámico

A menudo, las fallas en los equipos rotatorios se manifiestan como una vibración anormal o como un cambio en el patrón de vibraciones característico de cada máquina. De ahí la importancia de contar con herramientas que permitan adquirir y analizar las señales de vibración de los equipos mientras están operando.

El IIE ha trabajado en este campo desde finales de la década de los setenta, desarrollando sistemas de diagnóstico basados en computadoras personales que permiten monitorear el comportamiento dinámico de los equipos rotatorios. Los principales sistemas de este tipo que ofrece actualmente el IIE son el Portátil, el SICAD (Sistema Computarizado para Análisis Dinámico), el SMC (Sistema de Monitoreo Continuo) y el SIMPER (Sistema Informático para el Mantenimiento Predictivo de Equipo Rotatorio). Los tres son herramientas de enorme utilidad en el mantenimiento predictivo.

El Sistema Portátil combina un equipo de adquisición de señales de vibración con una computadora en la que se analiza y presenta la información en forma muy accesible para el usuario, a fin de que éste pueda programar oportunamente el mantenimiento del equipo. El sistema incluye 17 tipos de reportes y 13 tipos de gráficas.

El SICAD se utiliza en el balanceo de maquinaria rotatoria. Durante la adquisición de las señales de vibración puede desplegar diversos tipos de gráficas, entre ellas espectros en línea y gráficas polares; con estas últimas se determina dónde colocar los pesos necesarios para balancear el equipo.

El SMC, más completo que los anteriores, es lo que se conoce como sistema esclavo; se instala en forma permanente en la máquina y supervisa el comportamiento de variables lentas como la temperatura, la presión y el flujo, además de los patrones de vibración. Este sistema analiza las tendencias de las variables, registrando así el estado de la máquina a lo largo del tiempo.

Con el SIMPER se analiza la eficiencia de turbinas de vapor de 300 MW, con el fin de saber si necesitan mantenimiento o si pueden seguir operando sin problema. Se habla, entonces, de mantenimiento predictivo.

Sumario

Además de los sistemas mencionados, el IIE ha desarrollado programas de cómputo que simulan las características dinámicas de rotores, tales como frecuencias naturales, formas modales y respuesta al desbalanceo; se simulan también las características de chumaceras hidrodinámicas de distintos tipos.

En lo que respecta al balanceo de rotores, la colaboración entre los especialistas en turbomaquinaria del IIE y el personal de la CFE ha sido especialmente estrecha tanto en proyectos contratados como en actividades conjuntas. Los proyectos incluyen el desarrollo de software para el llamado balanceo en múltiples planos y estudios técnicos de apoyo a casos específicos. Junto con la CFE, se han elaborado e implementado metodologías para el balanceo en bancos, lo que ha permitido que la mayor parte de las actividades de balanceo se efectúe fuera de la ruta crítica del mantenimiento programado.

Análisis del comportamiento fluido-termodinámico

Este tipo de análisis tiene como objetivo detectar, corregir y prevenir las pérdidas de potencia y eficiencia de las turbinas. Estas pérdidas pueden deberse a fugas del fluido de trabajo, ya sea vapor o gas, o a un mal funcionamiento de la máquina derivado del desgaste de sus componentes. En esta área, la Unidad de Turbomaquinaria cuenta con diversas herramientas de diagnóstico basadas en modelos matemáticos del comportamiento del fluido y con programas de cómputo que permiten conocer el desempeño de una turbina a partir de la geometría de sus componentes. Los datos necesarios para el análisis se obtienen de los balances térmicos de la turbina, de la medición de su sistema de álabes y de la información que proporciona el personal de la planta en cuanto a la presión, el flujo y la temperatura, la cual se adquiere con los medidores instalados en la turbina. La medición del sistema de álabes se realiza cuando la máquina sale de operación para mantenimiento. El diagnóstico consiste en establecer a cuáles componentes de la máquina obedecen las pérdidas de potencia y eficiencia. Ya suman más de veinte las centrales de generación para las cuales la Unidad de Turbomaquinaria ha realizado análisis de comportamiento fluido-termodinámico. Para ello cuenta con equipo experimental con el que se evalúa el comportamiento del flujo de vapor de las últimas etapas de turbinas de baja presión. Además dispone de programas avanzados de dinámica de fluidos computacionales que se usan para modificaciones y análisis del canal del flujo de turbinas.

Análisis del comportamiento estructural

El estudio de los componentes dañados de una turbina -tales como álabes, diafragmas, rotores y chumaceras- corresponde al área de análisis estructural, con lo cual se determina si las fallas son consecuencia de problemas en el diseño, en la manufactura, en el montaje o en la operación. En esta área también se evalúa la vida residual de los componentes.

Las técnicas de análisis se basan en la aplicación del método de elemento finito, una herramienta matemática con la que pueden simularse la magnitud y distribución de los esfuerzos a que está sometido un componente en distintas condiciones y determinarse cuáles son las consecuencias de esos esfuerzos en el desempeño de la máquina. Una vez que se conoce el origen de la falla, se establece cómo reparar el componente. Si el problema se debe a defectos de diseño, se propone un rediseño que no sólo va a permitir un funcionamiento correcto de la pieza, generalmente también va a prolongar su vida útil.

En el IIE se han desarrollado más de cuarenta programas para diseño y diagnóstico de turbomaquinaria. Entre ellos destaca el programa ALABE, con el que se han realizado estudios de diagnóstico de fallas y rediseños de álabes para turbinas de gran capacidad.

Sumario

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Rehabilitación y extensión de vida útil de turbomáquinas

El trabajo de esta área de la Unidad de Turbomaquinaria se basa en el diagnóstico aportado por el análisis estructural. A partir del conocimiento del origen de las fallas de los componentes de las turbomáquinas, ya sean de diseño, manufactura, montaje o debidas a la operación, se han desarrollado tecnologías de reparación y rehabilitación. Así, se han recuperado componentes que de otro modo habrían sido desechados y sustituidos por refacciones nuevas. En muchos casos, los componentes se han rediseñado de tal manera que su desempeño y duración resultan mejores que los de refacciones originales. Tanto la reparación como la rehabilitación representan apenas un costo de 10 a 25% del costo de un componente nuevo. A este beneficio se añade el que las tecnologías desarrolladas por los especialistas de la Unidad se transfieren al personal de las plantas y se les capacita para implementarlas. Entre los tipos de componentes que pueden ser rehabilitados se encuentran los rotores, los diafragmas, las carcasas y los álabes. Las fallas en estos últimos son la principal causa de salidas forzadas de turbinas, de ahí que se haya puesto especial empeño en su rehabilitación. En el caso de los álabes L-I de turbinas de 300 MW, por ejemplo, se ha implementado una modificación de diseño de cincho remachado a cincho integrado que mejora considerablemente su desempeño. Otro ejemplo es el de los bloques de toberas Curtis I, los cuales han sido rehabilitados recuperando el cuerpo de los álabes por soldadura y aplicando un recubrimiento de carburo de cromo al canal de flujo del bloque. Con este procedimiento la vida útil de los bloques se duplica con respecto a las piezas originales. Se han obtenido dos patentes y cinco más están en trámite.

Perspectivas

Una de las áreas de la Unidad de Turbomaquinaria en la que se espera un importante desarrollo es la que se refiere al monitoreo de esfuerzos termomecánicos de rotores de turbinas de vapor. Este tipo de vigilancia es muy importante, ya que si se sobrepasan los niveles admisibles de los esfuerzos termomecánicos el rotor puede fisurarse y poner en riesgo la seguridad de la unidad de generación. Los especialistas del IIE ya han desarrollado e instalado sistemas computarizados en cuatro turbinas de 300 MW que calculan, en tiempo real, los esfuerzos termomecánicos en los rotores midiendo la temperatura del vapor; también registran la evolución de los parámetros de operación de las turbinas y calculan la vida residual de los rotores. Cada sistema está integrado por termopares, un transductor, una tarjeta de adquisición de señales, el software de aplicación y una computadora.

Otro proyecto en el que se trabaja actualmente persigue incrementar la potencia y la eficiencia de turbinas de vapor de 158 y 300 MW mediante modificaciones menores a la geometría del difusor de escape. Las modificaciones necesarias se determinan a partir de mediciones del comportamiento del flujo de vapor en el difusor realizadas con un dispositivo denominado probeta de seis orificios. Se calcula que con las modificaciones puede incrementarse la eficiencia interna de la turbina en un 0.6%, lo que para una turbina de 300 MW representa un aumento de la potencia de 2.5 MW.

Por otra parte, la Unidad de Turbomaquinaria planea intensificar sus trabajos de investigación y desarrollo en lo que se refiere a turbinas de gas, dada la tendencia mundial de transformar las centrales termoeléctricas en plantas de ciclo combinado.

Redacción de Estrella Burgos, colaboradora del Departamento de Difusión. Revisión y asesoramiento técnico, doctor Janusz Kubiak Szyszka, gerente de la Unidad de Turbomaquinaria, e ingeniero Antonio Carnero Parra, investigador de la Unidad de Turbomaquinaria, División de Sistemas Mecánicos.