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FASES DE UNA TUBINA Presin. Temperatura de los gases (C).
Velocidad de los gases (absoluta).
1.- Compresor limpio2.- Compresor sucio odesgastado3.- Expansin
con turbina demenor rendimiento (mayorpresin y temperatura en
elescape)
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COMPRESORLos labes demviles impulsan elaire, aumentando
lavelocidad absoluta ylos labes fijos loconvierten enpresin
C: velocidad absoluta (respecto a l labe fijo)u: Velocidad de
los labesW: velocidad relativa (respecto a l labe mvil)
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PROBLEMA DE PULSACION: La pulsacin se manifiesta en grandes
fluctuaciones del caudal a travs delcompresor y del par motor
requerido por el mismo.
Las consecuencias de este proceso van desde laprdida del
rendimiento hasta la destruccin de lamaquina. El fenmeno de
separacin del fluido deldorso de los labes se presenta con caudal
variablede aire, por ello durante la secuencia de aceleracinen el
arranque y parada, se limita la entrada del aireal compresor y a la
vez se purga aire en elintermedio de la compresin.
COMBUSTION
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El aire comprimido es calentado en las cmaras de combustin con
el objeto de contar gases de grancontenido trmico para la
transformacin de energa calrica en movimiento de rotacin
(energamecnica).En la zona de combustin se tiene temperaturas entre
1600C y 1900C, la cual se tiene que configurar conel flujo de aire
de refrigeracin formado una barrera entre la llama y el material de
la cmara decombustin. El aire que entra por los orificios
posteriores, tiene la funcin de mesclar con gases calientesproducto
de la combustin reduciendo la temperatura a nivel admisible (956C
1000C) por el material dela toberas de primera etapa.
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EXPANSIN EL LA TURBINATURBINAS DE ACCION:
Potencia - eje
PELTON:
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La fuerza desarrollada en una turbina deaccin, se debe al cambio
de direccin delflujo en los labes.
-Velocidad de los gases-Presin esttica-Temperatura de los
gases
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En las toberas, los gases calientes aumentan lavelocidad a
cambio de la disminucin de presin ytemperatura.
Entre los labes mviles cuya geometra corresponde a la turbina de
accin se forma un flujo de gases cuyavelocidad relativa (W=W1=W2)
es constante. La velocidad absoluta c, es diferente de entrada y de
salida(entre la entrada y salida de los labes mviles) debido al
cambio de la direccin del flujo y la velocidad u delos labes.
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SISTEMA DE CONTROL DE TURBINAS A GASEl sistema de control
SPEEDTRONIC, tiene el alcance siguiente:
Secuencia de arranque Regulacin de velocidad Control de
temperatura Secuencia de parada Proteccin
PROCESO DE ARRANQUE: El proceso de arranque funciona en base a
una secuencia de pasos programados,cuyos accionamientos estn
sujetos a estados de tiempos y nivel de velocidad de la turbina.Las
fases en la secuencia del arranque son:1.- PERIODO DE VENTEO: Con
el mando de arranque , la turbina inicia el giro de su rotor
accionado por elmotor de arranque, cuya velocidad alcanza hasta el
20% (de la nominal) y se mantiene constante durante unlapso de 2
min. El periodo de venteo es para expulsar gases que pudieran
encontrarse en la turbinaevitando as violentas igniciones.2.-
IGNICION CALENTAMIENTO: Concluida la fase del venteo el programa de
secuencia acciona la ignicinde la turbina, luego mediante la
deteccin de llama, se da inicio el periodo de calentamiento de la
turbinacuya duracin es de 1 min. Este intervalo de calentamiento es
para reducir el choque trmico.3.- ACELERACION: Concluido el
calentamiento, se inicia la fase de aceleracin, momento en el cual
seacciona desarrollar la mxima potencia del motor de arranque
mediante el convertidor de par, y lagradual apertura de la vlvula
de combustible, de esta manera se impulsa al rotor de la turbina
hasta llegara la proximidad de la velocidad nominal.4.-
AUTOSUSTENTACION DE LA TURBINA PARADA DEL MOTOR DE ARRANQUE:
Durante la fase deaceleracin al pasar la velocidad el 50%, la
turbina esta en condicin de auto sustentarse y continuar elproceso
sin el motor de arranque. La parada automtica del motor de arranque
se la efecta mediante laexpulsin del acoplamiento de garras cuando
la velocidad de la turbina es mayor al del motor de arranque(nt>
Max. arranque)5.- FIN DE LA ACELECACION MARCHA EN VACIO: Al pasar
el 95% de velocidad el programa de controlacciona la apertura de
los labes gua de entrada al compresor (I.G.V.), cierra las vlvulas
de purga delcompresor estableciendo la presin de descarga (C.P.D),
momento en el cual entra en control la velocidadde la turbina y
alcanza el 100% de velocidad. Luego se acciona automticamente el
sistema de excitacindel generador para el inicio de la
sincronizacin.NOTA: para evitar las pulsaciones del compresor DEBEN
estar abiertas las vlvulas de purga ycerradas las I.G.V. durante
toda la secuencia de arranque.
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CONTROL DE VELOCIDAD: El control del proceso de arranque al
estar gobernado por un programa desecuencia, implica un control del
lazo abierto. En cambio la regulacin de velocidad requiere
informacin dela variable controlada en tiempo real (velocidad), o
sea que se detecta cualquier variacin de la velocidad dela turbina
por el efecto de cambio de carga para ser corregida automticamente
a un valor prximo alnominal (100% o 50 Hz).Para logra una
redistribucin equitativa de la carga entre las unidades de
generacin, se ajusta en losgobernadores un nivel de sensibilidad o
estatismo permanente (4% en el sistema interconectado), el cualest
representado por la pendiente de una recta, la cual refleja una
desviacin del ciclaje (Hz) en funcin dela variacin de la carga:
(ver fig. 1 CONTROL DE TURBINAS A GAS EN SERVICIO)En casos de
apreciables variaciones de carga, es necesario corregir la
frecuencia mediante la referencia(variador de velocidad), en forma
manual, lo cual se denomina regulacin secundaria.CONTROL DE
TEMPERATURA: El lmite de potencia de la turbina esta dado con la
temperatura mximaadmisible de los gases de combustin. Puesto que no
se mide de manera directa la temperatura de losgases calientes de
combustin (temperatura de los gases a la entrada de la turbina), si
no mediante ladeteccin de temperatura de gases en el escape, con lo
que se requiere la compensacin frente a loscambios de la
temperatura ambiental, la cual se la hace mediante la presin de
descarga del compresor(C.P.D.). Entonces el control por temperatura
est en funcin de C.P.D. la cual mediante una calibracinadecuada
fija la seal de consigna de temperatura mxima en el escape.
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Cuando la temperatura de escape Tx (medido) se iguala a la Tx
max, significa que el control se encuentra portemperatura fijando
la seal de mando FSR, alcanzando as la mxima potencia de generacin.
Si bien eneste estado la turbina no responde para mayor solicitacin
de carga, si funciona la regulacin automtica develocidad solo en el
caso cuando sube la frecuencia de la red disminuyendo la potencia
de generacin, bajala temperatura Tx y sale la maquina fuera de
control por temperatura.Ante bruscas variaciones de la frecuencia
en el sistema interconectado solicitando potencia de generacinde
gran magnitud, la regulacin de velocidad puede hacer desarrollar
una potencia de aceleracin hastaalcanzar el nivel de disparo por
SOBRETEMPERATURA.
SECUENCIA DE PARADA: De manera similar al proceso de arranque la
parada de la turbina responde auna secuencia programada, cuyas
fases son:
1.-DISMINUCION DE CARGA: Al activar la parada de la turbina, el
control reduce gradualmente lacarga hasta la apertura del
interruptor del generador por el rel de potencia inversa (32). En
esteperiodo se puede cortar la secuencia de parada activando el
pulsador de arranque.2.-REDUCCION DE VELOCIDAD CON LLAMA - APERTUTA
DE VALVULAS DE PURGA (Comp.) YCIERRE DE IGV: Con la apertura del
interruptor (52G), se activa la des excitacin del generador y
ladesaceleracin mediante la reduccin gradual del nivel de FSR, al
pasar la velocidad por debajo del95%, se abren las vlvulas de purga
del compresor y se cierran los labes gua de admisin, estopara
evitar las pulsaciones del compresor.3.-CIERRE DE VALVULAS
GOBERNADORAS: Con objeto de disminuir el choque trmico,
medianteFSR, gradualmente se reduce la entrada del gas
(combustible) y consecuentemente la temperaturade los gases
calientes. En el momento cuando la velocidad baja al 50% se cierran
las vlvulasgobernadoras y se apaga la llama en las cmaras de
combustin.4.-PERIDO DE ENFRIAMIENTO, VIRADO DEL EJE DE LA TURBINA:
El tiempo de giro del eje en elproceso de parada es aproximado a 18
min. Una vez parado el rotor se inicia el proceso de viradodel
mismo para evitar la flexin del eje debido a la temperatura de la
maquina.
ATENCION!! AL OPERADOR: Al momento de parada del rotor, por
estar la turbina caliente, el operadordebe verificar o confirmar el
virado mediante la observacin DIRECTA en el eje. Si no
gira,inmediatamente deber pedir ayuda a MANTENIMIENTO, y proceder
con el virado MANUAL.
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El periodo de enfriamiento de la maquina tiene una duracin de 48
hrs. Durante el cual estn funcionandola bomba auxiliar de
lubricacin los ventiladores del compartimiento de turbina y el
sistema de refrigeracin(bombas de agua y ventiladores) son
desactivados automticamente por control de termostatos. El
sistemade virado se puede cancelar manualmente para temperatura
mxima de intersticios en la turbina no mayora 80C, o automticamente
en el periodo sealado.
PROTECCION DE LA UNIDAD TURBOGENERADORA
El sistema de proteccin la clasificaremos de la siguiente
forma:
1.- Proteccin de la turbina Sobre velocidad Sobre vibraciones
Perdida de llama Monitoreo de combustin Sobre temperatura de los
gases calientes
2.- Proteccin por falla de equipo auxiliar
Falla en el sistema de lubricacin1. Alta presin diferencial de
filtros aire de admisin
Falla en sistema de combustible (vlvulas gobernadores,
Gasscrubber, etc.)1. Problemas de sobre carga en MCC2. Falla de
posicionamiento de labes gua de entrada (IGV) y vlvulas purga
compresor.3. Baja presin hidrulica de control.4. Perdida de
servicio auxiliar en a.c. Corriente alterna5. Problemas en banco de
bateras y cargador
Falla en sistema de virado
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3.-Proteccion del generador y transformador Proteccin
diferencial (87 T/87 G) Alta temperatura de los arrollamientos (26
TN- trafo 49G- Gen) Proteccin Buchhoz Proteccin sobre presin en el
trafo (63pT) Secuencia negativa (46) Perdida de excitacin (40)
Proteccin sobre corriente : 51T
51TN51V (G)
Falla generador (Direccin: tierra);(64G);(64R). Proteccin
potencia inversa (32) Proteccin voltaje bajo (27G) Proteccin sobre
voltaje. Bajo nivel de aceite del transformador Alta temperatura
del aceite del trafo.
4.- Proteccin automtica contra incendio y deteccin de fuga de
gas
1.- Proteccin de la turbina.- Este grupo de proteccin es de
mayor importancia por el hecho quesi alguna de esta no funcionaria
debidamente, se genera rpidamente siniestros de
magnitudimprevisible. A continuacin describiremos de manera
resumida las caractersticas de cada una deeste grupo de
protecciones.Sobrevelocidad.- La sobre velocidad se debe
principalmente a la prdida de control de la maquinapor fallas que
se puede presentar en el sistema de control (por ejemplo: perdida
de informacin develocidad o posicin de apertura de la vlvula
gobernadora, etc.)La proteccin de disparo es elctrica mediante el
controlador Speedtronic y una segunda instanciamecnica con la
actuacin de un perno centrifugo,Las calibraciones son: Elctrica:
110%
Mecnica 112%
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ATENCIN!! AL SEOR OPERADOR: En caso de haber operado esta
proteccin sin prdida de tiempoimprima history y declare la no
disponibilidad de la unidad, puesto que se requiere de
inspeccinprevia a un arranque.
Sobre temperatura de los gases.- La sobre temperatura de los
gases se presenta principalmente, cuandoexiste problemas en la
combustin y bruscas variaciones de frecuencia en el sistema.La
proteccin por sobre temperatura acta en base a niveles de
calibracin, similar al control portemperatura y un nivel mximo
isotrmico.
TTKOT1: 572C DISP. IsotrmicoTTKOT2: 22,2C DISP. Sobre el ajuste
de control de temperaturaTTKOT1: 13,9C Alarma sobre el ajuste de
control por temperatura
Sobre vibraciones: Las vibraciones existen en toda mquina
rotante, cuyo origen fundamental es el desbalanceo y el des
alineamiento de ejes.
Debido a una asimetra de la masa en elrotor, se corre el centro
de gravedad al eje_ dando lugar a una excentricidad
Al girar la maquina a una velocidad angularWo, debido a la
excentricidad se genera unafuerza radial centrifuga
y es la flexin del eje a causa de dicha fuerzaradial, puesto que
dicha flexin es elsticaentonces
Resultando la amplitud de vibraciones en el sentido radial:
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Para minimizar las vibraciones se debe balancear el labe del
rotor procurar Wn>Wo (alejar la frecuencianatural de resonancia
de la velocidad nominal)
En turbogeneradores, con caja reductora de velocidad a travs de
la misma se transmiten las vibracionespropias de cada rotor
formando oscilaciones compuestas con frecuencias fundamentales y
armnicas deambos. Un espectro de frecuencias tomado en la unidad
#2. Valle hermoso en la casa reductora develocidad.
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Monitoreo de las vibraciones: El sistema de control recibe
informacin del nivel de vibraciones demanera continua, y la procesa
para su monitoreo, y al proteccin de la maquina. Los detectores de
vibracinestn ubicados en los cojinete: 1-2 (turbina) y A-B
(generador),y los disparos por falla de deteccin. Losniveles de
alarma y disparo son:
- Alarma : 12 mm/seg- Disparo: 25 mm/seg
El nivel de alarma es activado con un detector, y el disparo
solo se hace efectivo cuando en un cojinete, undetector haya pasado
el nivel de disparo y el otro el nivel de alarma (siendo condicin
mnima de disparo)Con el tiempo de marcha existen posibilidades de
desalineamientos de ejes, erosin de los cojinetes y fallasde
combustin que producen variaciones o aumentos de las vibraciones,
las que se deben controlar y poneren alerta cualquier deviacin.
ATENCION! SEOR OPERADOR: el operador deber prestar siempre
atencin a las vibraciones y actuardisparando la mquina en los casos
siguientes:
- Oscilaciones del nivel de vibraciones: ante oscilaciones de
vibraciones mayor a 10mm/seg,que repentinamente aparecieron, sin
esperar el nivel de proteccin automtica se debedisparar la unidad,
despus de lagunas de la hoja N 00.
- Elevado nivel de vibraciones en secuencia de arranque y parada
por falla de I.G.V
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1- Periodo de venteo2- Ignicin Calentamiento3- Aceleracin4- Auto
sustentacin de la turbina parada del motor de arranque5- Fin de
aceleracin marcha en vacio
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PROTECCION DEL GENERADOR ELECTRICA Diferecial_87 Sobre
corriente_51 Estator a tierra_64
1. estator a tierra: Es una falla deaislacin en el arrollamiento
deuna fase y surge una corriente(i0) por la rama del
aterramiento.Dicha corriente es limitada porla impedancia del
transformadorde distribucin (Td) y laresistencia (r), originando
unavoltaje ( en el neutro (Vn) delgenerador, el cual representa
elparmetro de alta sensibilidadde este tipo de falla. En la
figuramuestra la conexin de un relde voltaje en el secundario
deltransformador (Td), es aplicablepara la proteccin de este tipode
falla.Para finalizar sealamos que laproteccin diferencial (87)
delgenerador es mucho menossensible de esta falla, encomparacin con
la instalacinen la rama del neutro (64). Encaso de presentarse esta
falla, laproteccin (64_direcional atierra), dispara la turbina y
abrelos interruptores del generador(52) y el campo (41).
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2. Falla en la aislacin entre fases en el estator (generador):
esta falla es detectada conmayor sensibilidad por la proteccin
diferencial del generador (87), evitando daos mayores enel
generador puesto que la proteccin de sobrecalentamiento est
calibrada para corto circuitosde mayor magnitud.En caso de
presentarse esta falla, la proteccin diferencial del generador
dispara la turbina yabre los interruptores del generador (52) y
como campo (41)
3. Barra de 10.5 KV a tierra:
La configuracin de la proteccin defallas a tierra (fig. 1) no
distingue sila falla (a tierra) estara ubicadadentro fuera del
generador.La configuracin de la figura 2 hacela distincin si la
falla esta dentro ofuera del generador. Lostransformadores de
corriente (CT.)representan la frontera referencialpara la ubicacin
de este tipo defalla.
Toda falla a tierra (barras, arrollamiento dele estator, cables
subterrneo de poder, etc), esdespejada por el sistema de proteccin,
mediante la apertura de los interruptores. La matriz deproteccin
para este tipo de falla est programada de manera que, acciona la
temperatura delinterruptor del generador y del campo (41), asimismo
dispare la turbina. El disparo de la turbinapara este caso hace a
la vez la funcin de proteccin y seguridad con el objeto de evitar
elrecierre del interruptor de campo (41), puesto que se trata de
una falla la cual es GRAVE y muyDESTRUCTIVA. En consecuencia a lo
sealado, de presentarse este tipo de falla, el operadorbajo ninguna
circunstancia NO DEBER REPONER EL SISTEMA DE PROTECCIN NI INTENTAR
ELARRANQUE DE LA TURBINA.
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4. SOBRECORRIENTE: Normalmente las sobrecorrientes, se presentan
como una falla externa algenerador. El origen de la misma son los
cortos circuitos que se pueden dar en las barras,equipo de
maniobra, cables subterrneo y otros. Los cortos circuitos pueden
ser entre fases otrifsicos.
La magnitud de sobrecorriente del generador depende de la
impedancia existente entre la falla(corto circuito) y el generador,
as tendramos que un corto circuito que se presente en unalnea de
transmisin (II) dara lugar a sobrecorriente en el generador de
magnitud menorrespecto a un corto circuito ubicado en las
proximidades del generador (I). Dichassobrecorrientes del generador
(I y II) pueden calcularse con las ecuaciones siguientes:
Entonces:Los rels de sobre corriente, actan de manera
temporizada en funcin inversa a la magnitud dela sobrecorriente
detectada, esto es para permitir establecer una selectividad de
protecciones,con la cual se interrumpe el tramo ms corto.En la
figura se muestra los distintos momentos de operacin para
sobrecorrientes :
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Cuando opera el rel de sobrecorriente, se abren los
interruptores del generador y campo. Porser una falla externa no
disparar la turbina. En esa circunstancia el operador resetear
losrels 51 (sobrecorriente) y podr poner a disposicin la unidad
generadora para lasincronizacin (puesto que la misma se encontrar
girando en vacio).
RESUMEN DE PROTECCIONES1. Diferencial (87)2. Estator a tierra
(64)3. Sobrecorriente (51)
1. Diferencial (87): Disparo de la unidad2. Estator a tierra
(64): El operador no dar disponibilidad hasta que ingeniera realice
las
inspecciones y reparaciones que corresponda3. Sobrecorriente
(51): Apertura de interruptores (51) y (41), queda la unidad en
giro, el operador
pondr a disposicin la unidad CDC.
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32_Potencia inversa:Es un rel que no permite el monitoreo del
generador (generador sncrono que funciona como motorsincrnico
absorbiendo potencia y energa de la red o lneas de transporte). El
objetivo de este rel es:
Apertura del 52, en las secuencias de parada Apertura del 52,
por disparos de la turbina (fallas mecnicas), para evitar
sobrevelocidad en el
momento del disparo.
40_Rel de estabilidad o prdida de campo:En los momentos de
operacin del sistema interconectado (SIN) con baja carga, puede
aumentar el voltajedel sistema debido al capacitivo de las lneas.
Los reguladores automticos de voltaje (AVR), tienden acorregir el
voltaje, subexcitando a los generadores. Dicha subexcitacin
debilita el campo magntico deacoplamiento entre el rotor y estator
pudiendo la maquina salir de sincronismo, si no existiera un
controlautomtico debidamente ajustado (control de subexcitacin) que
evite subexitaciones que sean de nivelinadmisibles para la
estabilidad del generador.Ante fallas en el SIN, cuyos transientes
en la reconexin, pueden en algunos casos inducir la operacin delrel
40 (transitorios de gran amplitud) en este caso se tratara de un
problema externo a la maquina. Sinembargo se tiene una posibilidad
de una falla en el sistema de excitacin del generador, ante la cual
operael rel 40, en el entendido que se trata de una perdida de
excitacin del generador.
Gua del operador:Cuando opera el rel 40, no dispara la turbina,
y el operador deber reponer la alarmas e intentar cerrar
elinterruptor de campo 41 y comprobar si levanta el voltaje en la
barras del generador. Si se tiene voltaje lamaquina queda lista
para la sincronizacin, caso contrario se tiene un problema interno
del sistema deexcitacin donde el operador deber informar a
ingeniera.
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En las figuras se muestra, la disminucin del campo de excitacin,
el efecto de la cupla o potencia mxima yel Angulo de decalaje entre
el rotor y el estator, en el dominio de marcha estable del
generador.
46_rel de secuencia negativa:Cuando las corrientes de las fases
no estn equilibradas, se origina un campo magntico en el generador
elcual gira en sentido contrario al del rotor (componente de
secuencia negativa). Este campo inducecorrientes (elctrica)
parasitas en el rotor, las que producen el calentamiento y aumento
de temperaturadel rotor. El salto trmico es proporcional con el
grado del desbalanceo de las corrientes de las fases, dondela
proteccin de secuencia negativa est ajustada de modo a al
solicitacin admisible de temperatura en elrotor.
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Proteccin de sobre voltaje (59g):Se aplica frente a los
transientes (fallas asimtricas), que generan sobre voltaje no
permisibles delgenerador. Tambin es una proteccin de respaldo
cuando se opera con regulacin de voltaje manual,(ante A.V.R.
fallado)