Filtración de fluidos en turbina hidroeléctrica

Introducción

Las turbinas hidroeléctricas representan aproximadamente el 17% del número total de unidades generadoras de energía en Estados Unidos y Canadá. Según un informe de disponibilidad de generación del Consejo de Confiabilidad Eléctrica de América del Norte (NERC), las fallas del mecanismo de la compuerta, el regulador de la turbina, los cojinetes del generador y el sistema de aceite lubricante se encuentran entre las 25 causas principales de paradas forzadas y programadas y de reducción de potencia de las turbinas hidroeléctricas. Esto representa una gran oportunidad para emplear la filtración de última generación en las centrales hidroeléctricas para mejorar la fiabilidad y la disponibilidad de las turbinas hidroeléctricas.

Turbinas hidroeléctricas: cómo funcionan

Hay varios diseños diferentes de turbinas hidroeléctricas, pero todos incorporan el principio simple de convertir la energía potencial almacenada en el agua en energía mecánica usando una parte de ella para hacer girar una rueda de paletas o un rodete tipo hélice en la turbina. Esta energía mecánica giratoria se utiliza para hacer girar un generador eléctrico para producir energía eléctrica. Hay dos categorías de turbinas hidroeléctricas: de impulso y de reacción. Las turbinas de impulso son impulsadas por uno o más chorros de agua dirigidos tangencialmente a "cubos" o "paletas" de un rodete en forma de rueda que gira en el aire. Las turbinas de reacción están completamente sumergidas en agua y son impulsadas por la diferencia de presión del agua entre el lado de presión y el lado de descarga de la pala del rodete, de forma muy similar a como la hélice de un molino de viento es impulsada por el viento.

Las turbinas hidroeléctricas pueden tener una orientación de eje vertical u horizontal. La mayoría de las turbinas de reacción tienen ejes orientados verticalmente. Estas representan la mayoría de todas las turbinas hidroeléctricas en servicio.

Centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo

Las centrales eléctricas producen electricidad de manera más económica al mantener una producción constante en lugar de variable. Sin embargo, dado que la demanda de electricidad fluctúa, estas centrales eléctricas tienen un excedente de electricidad durante los períodos "de menor actividad". Este excedente de poder de “descarga” es La instalación a menudo lo vende a plantas hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo a bajo costo. La planta de almacenamiento por bombeo utiliza esta energía económica para bombear agua desde un depósito inferior a un depósito superior, donde se almacena. Durante los períodos de máxima demanda, el agua se libera del depósito superior y fluye a través de una turbina para generar electricidad que se puede vender a un precio superior.

Algunos diseños utilizan un sistema de bomba y tubería forzada separados para la parte de bombeo de la operación, y una turbina y tubería forzada separadas para la parte de generación de la operación. Los diseños más modernos utilizan una turbina reversible y un motor/generador para bombear y generar energía. Son similares a las turbinas de reacción estándar en su función y diseño y normalmente tienen un eje vertical.

Control de contaminación

Hay una serie de aplicaciones hidroeléctricas que pueden beneficiarse de Total Fluid ManagementSM, el exclusivo programa de integración de equipos y servicios de Pall diseñado para producir la mayor eficiencia al menor costo. Entre ellos se encuentran las unidades de potencia hidráulica (HPU) de válvula de entrada, los sistemas de lubricación de cojinetes de turbina y el sistema de gobernador de turbina. De estos tres, el sistema de gobernador de turbina es, con mucho, la aplicación más crítica en términos de limpieza del aceite hidráulico debido a su importancia para mantener la velocidad de rotación adecuada de la turbina.

Gobernador de turbina

El gobernador utiliza retroalimentación mecánica o electrónica para detectar la velocidad de la turbina. Las válvulas proporcionales o direccionales controladas por el gobernador operan cilindros que abren y cierran compuertas o válvulas de aguja para ajustar el flujo de agua a la turbina a fin de mantener una velocidad constante de la turbina. Las turbinas hidroeléctricas giran a velocidades relativamente bajas en comparación con las turbinas de vapor: las turbinas hidroeléctricas más grandes giran a 35-75 rpm y las más pequeñas a 150 rpm. El gran diámetro de la turbina combinado con la enorme inercia del agua que fluye a través de ella hace que el control preciso de la velocidad de rotación sea una preocupación crítica.

Si las válvulas proporcionales o direccionales del gobernador no responden instantáneamente y con precisión a las cargas fluctuantes del generador, hay un retraso en la posición de la válvula wicket o de aguja. Esto da como resultado una condición oscilante en la que la turbina acelera y desacelera constantemente. Esta producción de energía ineficiente, aunque difícil de cuantificar, genera una pérdida de ingresos para la empresa de servicios públicos. Además, si esta oscilación excede la frecuencia máxima permitida, entonces la turbina debe apagarse, lo que resulta en una pérdida temporal de producción generadora.

Además, en caso de una pérdida repentina de carga, es importante que el gobernador actúe instantáneamente para apagar la turbina y evitar una condición de velocidad "descontrolada". La velocidad descontrolada es la velocidad a la que la turbina excede su velocidad de rotación máxima diseñada. Cuando esto ocurre, es posible que la turbina se desintegre debido a las enormes fuerzas centrífugas.

Neyrpic y Woodward Governor Company son dos importantes fabricantes de sistemas de gobierno de turbinas hidroeléctricas. El gobernador Neyrpic utiliza válvulas proporcionales para controlar las compuertas o válvulas de aguja, mientras que el gobernador Woodward utiliza válvulas direccionales. Ambos sistemas funcionan a presiones relativamente bajas (aproximadamente 200 psi).

Las partículas del tamaño del sedimento pueden provocar una respuesta lenta, atascos o desgaste de las válvulas. Esto puede provocar una oscilación de la turbina o una condición de velocidad "descontrolada" potencialmente peligrosa. Debido a las pequeñas holguras en las válvulas proporcionales y direccionales (1-8 µm), son inherentemente sensibles a la contaminación. Por esta razón, el fluido hidráulico del sistema de regulación de la turbina debe cumplir con la norma ISO 16/14/12 o superarla. Para lograrlo, sugerimos las siguientes opciones para la filtración en centrales hidroeléctricas:

• Instale un conjunto de filtro sin derivación de Pall con elementos Dirt Fuse de 5 µm (β5(c)≥1000) en línea justo aguas arriba de cada válvula proporcional o direccional para brindar una protección “de última instancia”.
• Instale un conjunto de filtro de Pall con un elemento de 5 µm (β5(c)≥1000) en la línea de presión de la unidad de potencia hidráulica para proteger válvulas, bombas y cilindros.
  
• Reemplace la tapa de llenado del depósito con un filtro de ventilación para depósitos de Pall, para eliminar la introducción de partículas en suspensión dentro del depósito de la unidad de potencia hidráulica.

Sistema de aceite lubricante para rodamientos

Actualmente, la mayoría de los cojinetes de las turbinas hidroeléctricas se inspeccionan y, si es necesario, se reelaboran o reemplazan durante las paradas programadas periódicamente. El tiempo de inactividad, el retrabajo o el reemplazo de rodamientos y la mano de obra pueden representar un costo significativo para un productor de energía hidroeléctrica. La frecuencia con la que se reemplazan/reelaboran estos cojinetes se puede reducir considerablemente si se presta la atención adecuada a los niveles de contaminación del aceite lubricante de la turbina.

La contaminación por partículas es una de las principales causas de desgaste y fallo prematuro de los rodamientos. Manteniendo niveles de limpieza en ISO 16/14/12 o mejor, se puede prolongar la vida útil del cojinete liso. Para turbinas que utilizan rodamientos de rodillos, los niveles de limpieza deben ser ISO 15/13/12 o mejor. A veces existen sistemas de lubricación separados para cada cojinete de la turbina hidroeléctrica.

Estos depósitos varían en tamaño de 45 a 100 galones, mientras que los grandes sistemas de lubricación central pueden tener depósitos de 1000 galones. Para lograr el nivel de limpieza requerido, cada sistema de lubricación debe tener un conjunto de filtro Pall, ya sea en línea (preferido) o en un circuito de riñón. Las turbinas con cojinetes de deslizamiento o rodamientos de rodillos necesitan una filtración de 7 µm (β7(c) ≥ 1000) en centrales hidroeléctricas. También se recomienda que los tapones de llenado se reemplacen por filtros de ventilación del reservorio de Pall para evitar que ingresen partículas en suspensión en los reservorios.

Compuerta

La tubería forzada es un conducto que se utiliza para llevar agua desde la presa o embalse hasta la turbina.

Corredor

Hay varios tipos diferentes de corredores. Traducen el movimiento lineal del agua en movimiento de rotación mediante el uso de palas o cubos. Muchos diseños se parecen mucho a hélices grandes, mientras que otros son versiones modernas de la rueda de paletas. Algunos rodetes de tipo hélice tienen la capacidad de variar el paso de sus palas para lograr un rendimiento óptimo en diferentes flujos y presiones de cabeza.

Gobernador

Este es el sistema que monitorea y mantiene automáticamente la velocidad de la unidad hidráulica. También se utiliza para sincronizar el generador a la frecuencia del sistema (Hz) para su conexión a la red eléctrica y para apagar la unidad en caso de una pérdida repentina de carga. Al igual que con las turbinas de vapor, el mal funcionamiento del regulador podría resultar en una condición peligrosa de exceso de velocidad. Wicket Gate Estos son componentes aerodinámicos ajustables angularmente que dirigen y controlan (estrangulan) el flujo de agua al rodete en turbinas hidroeléctricas de tipo reacción. Están regulados por el gobernador mediante controles mecánico-hidráulicos o electrohidráulicos.

Válvula de aguja

La válvula de aguja se utiliza para regular el flujo de agua al rodete en turbinas hidroeléctricas de tipo impulso, y es regulada por el gobernador mediante controles mecánico-hidráulicos o electrohidráulicos.

Válvula de entrada

La válvula de entrada está ubicada aguas arriba de la turbina y se utiliza para cortar el flujo de agua en caso de emergencia o para mantenimiento. Estas válvulas suelen ser válvulas esféricas o de mariposa y normalmente funcionan mediante unidades de potencia hidráulica.

Rodamiento de guía principal

Este cojinete está ubicado más cerca del rodete de la turbina y soporta radialmente el conjunto del eje y el rodete giratorio. Muchos diseños incorporan un cojinete guía superior e inferior.

Cojinete de empuje

El cojinete de empuje soporta el peso de la turbina y las piezas giratorias del generador en diseños de turbina vertical. Puede ubicarse directamente encima o debajo del rotor del generador. Los diseños horizontales pueden tener dos cojinetes de empuje o un cojinete de empuje de doble acción para transportar el empuje axial en ambas direcciones.

Bomba de elevación

Algunas turbinas hidroeléctricas grandes están equipadas con bombas de elevación (a veces llamadas bombas de aceite de elevación) que se utilizan para bombear aceite de bajo flujo y alta presión a los cojinetes durante el proceso de aumentar la velocidad del rotor desde la velocidad mínima hasta la velocidad máxima nominal de diseño. Los muñones de los cojinetes de la turbina se levantan hidrostáticamente de la pista del cojinete para reducir el contacto de metal con metal a velocidades de rotación más bajas.

Bomba de elevación

Las grandes turbinas hidroeléctricas pueden utilizar una bomba de elevación antes del arranque o parada para evitar el contacto de metal con metal de los cojinetes. Al introducir aceite presurizado en los cojinetes de la turbina, el muñón se levanta de la pista hasta que, en el caso del arranque de la turbina, la rotación del cojinete genera suficientes fuerzas hidrodinámicas para lograr holguras de funcionamiento.

Debido a que las holguras en el cojinete de la turbina son mínimas durante el arranque y la parada, es importante mantener la limpieza del aceite de la bomba de elevación en ISO 15/13/12 o mejor. Para lograr este nivel de limpieza, se recomienda instalar un conjunto de filtro Pall con un elemento de 7 µm (β7(c)≥1000) ya sea en la línea de presión de la bomba de elevación (preferido) o en un circuito en forma de riñón fuera del depósito de aceite lubricante de la turbina.

Eliminación de agua

Debido a su proximidad al agua, los aceites lubricantes para turbinas hidroeléctricas suelen tener un contenido de agua inaceptablemente alto. Esto puede resultar en una variedad de problemas que van desde el crecimiento de bacterias/hongos y la degradación prematura del aceite hasta el desgaste y fallas de los componentes. El rayado del muñón del rodamiento puede ocurrir como resultado de un espesor insuficiente de la película de aceite causado por la contaminación del agua. El agua también puede provocar la oxidación de tuberías y otros componentes produciendo partículas que promueven el desgaste de los cojinetes y la degradación del rendimiento en válvulas proporcionales y direccionales.

Por estas razones, se recomienda el uso de un purificador por deshidratación al vacío de Pall para la filtración en centrales hidroeléctricas a fin de reducir la concentración de agua muy por debajo del nivel de saturación del aceite. Un importante fabricante de turbinas recomienda el uso de purificadores de deshidratación al vacío en funcionamiento continuo para eliminar la contaminación del agua. La filtración integral de alta eficiencia βx(c)≥1000 del purificador Pall eliminará el óxido dañino y las partículas de desgaste que ya se encuentran en el sistema, mientras que sus capacidades de eliminación de agua ayudarán a prevenir otros problemas asociados con la contaminación del agua.