Filtración de fluidos en turbina hidroeléctrica

 

Introducción

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

 

Cómo trabajan ellos

Turbinas Hidroeléctricas

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 corredor 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: Impulso y Reacción. Las turbinas de impulso son impulsadas por uno o más chorros de agua dirigidos tangencialmente hacia "cubos" o "paletas" de un corredor 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 manera muy similar a la hélice de un molino de viento 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. Estos representan la mayoría de todas las turbinas hidroeléctricas en servicio.

 

Centrales hidroeléctricas de almacenamiento por bombeo

Las centrales eléctricas producen electricidad de forma más económica manteniendo 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 "fuera de las horas punta". Este poder excedente de "descarga" es a menudo vendido por la instalación 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 embalse superior y fluye a través de una turbina para generar electricidad que se puede vender a un precio superior.

 

Algunos diseños utilizan un sistema separado de bomba y tubería forzada para la parte de bombeo de la operación, y una turbina y tubería separadas para la parte generadora de la operación. Los diseños más modernos usan 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 generar la mayor eficiencia al menor costo. Entre estos se encuentran las unidades de potencia hidráulica (HPU) de la válvula de entrada, los sistemas de lubricación de los cojinetes de la turbina y el sistema regulador de la turbina. De estos tres, el sistema regulador de la 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 inercia masiva 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 direccionales o proporcionales del gobernador no responden instantáneamente y con precisión a las cargas fluctuantes del generador, hay un retraso en la posición de la válvula de aguja o de wicket. 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 la producción de generación.

 

Además, en el caso de una pérdida repentina de carga, es importante que el gobernador actúe instantáneamente para apagar la turbina para evitar una condición de velocidad "descontrolada". La velocidad fuera de control 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 control de turbinas hidroeléctricas. El gobernador Neyrpic usa válvulas proporcionales para controlar compuertas de wicket o válvulas de aguja, mientras que el gobernador Woodward usa válvulas direccionales. Ambos sistemas funcionan a presiones relativamente bajas (aprox. 200 psi).

 

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

• Instale un conjunto de filtro sin derivación de Pall con elementos Fusible de suciedad de 5 µm (β5(c)≥1000) en línea justo aguas arriba de cada válvula proporcional o direccional para brindar protección de “última oportunidad”.

• Instale un conjunto de filtro Pall con un elemento de 5 µm (β5(c)≥1000) en la línea de presión de la HPU para proteger válvulas, bombas y cilindros.

• Reemplace la tapa de llenado del depósito con un filtro de ventilación del depósito de Pall para eliminar la introducción de partículas en el aire en el depósito de la HPU.

 

Sistema de aceite lubricante para cojinetes

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

 

La contaminación por partículas es una de las principales causas de desgaste y falla prematura de los rodamientos. Manteniendo los niveles de limpieza en ISO 16/14/12 o mejor, se puede extender la vida útil del rodamiento. Para turbinas que usan rodamientos de rodillos, los niveles de limpieza deben ser ISO 15/13/12 o mejor. A veces hay sistemas de lubricación separados para cada rodamiento en 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 en línea (preferido) o en un circuito de riñón. Las turbinas con cojinetes lisos o cojinetes de rodillos requieren una filtración de 7 µm (β7(c)≥1000) en centrales hidroeléctricas. También se recomienda reemplazar las tapas de llenado con filtros de ventilación de depósito Pall para eliminar la introducción de partículas en el aire en los depósitos.

Compuerta

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

 

Corredor

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

 

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 la 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 gobernador podría resultar en una peligrosa condición de embalamiento (sobrevelocidad). Compuerta Wicket Estos son componentes aerodinámicos ajustables angularmente que dirigen y controlan (aceleran) el flujo de agua al rodete en turbinas hidroeléctricas de reacción. Son regulados por el gobernador a través de controles mecánico-hidráulicos o electro-hidráulicos.

 

Válvula de aguja

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

 

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 mantenimiento. Estas válvulas suelen ser válvulas esféricas o de mariposa y normalmente son accionadas por unidades de potencia hidráulica.

 

Cojinete 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 de guía superior e inferior.

 

Cojinete de empuje

El cojinete de empuje lleva el peso de la turbina y las piezas giratorias del generador para diseños de turbinas verticales. 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 efecto para soportar 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 alta presión y bajo flujo a los cojinetes durante el proceso de aumento de 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 usar una bomba de elevación antes del arranque o apagado para evitar el contacto de metal con metal de los cojinetes. Al forzar el aceite presurizado dentro de los cojinetes de la turbina, el muñón se levanta de la carrera hasta que, en el caso de la puesta en marcha de la turbina, la rotación del cojinete genera suficientes fuerzas hidrodinámicas para lograr las holguras operativas.

 

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) 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 a menudo tienen un contenido de agua inaceptablemente alto. Esto puede resultar en una variedad de problemas que van desde el crecimiento bacteriano/fúngico y la degradación prematura del aceite hasta el desgaste y la falla de los componentes. La rayadura 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 causar la oxidación de las tuberías y otros componentes, produciendo partículas que promueven el desgaste de los cojinetes y la degradación del rendimiento de las válvulas proporcionales y direccionales.

 

Por estas razones, se recomienda utilizar un purificador de deshidratación al vacío Pall. para la filtración en centrales hidroeléctricas para 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 βx(c)≥1000 integral y de alta eficiencia 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.

 

Agua potable

Debido a la ubicación remota de muchas plantas hidroeléctricas y la falta de suministro de agua municipal, se requiere que cada ubicación produzca su propia agua potable. Tradicionalmente se ha utilizado tecnología más antigua, pero a medida que las regulaciones locales con respecto a cómo se produce el agua potable se vuelven más estrictas, las plantas se ven obligadas a buscar actualizaciones de equipos. para la filtración en centrales hidroeléctricas para cumplir con los requisitos más estrictos.

 

Los sistemas de tratamiento de agua Pall Aria™ están diseñados específicamente para producir agua potable que cumpla con los estrictos estándares actuales. Los sistemas Pall Aria son módulos de filtración de diseño exclusivo en una configuración de fibra hueca para eliminar lo siguiente de las aguas subterráneas y superficiales y los efluentes secundarios de aguas residuales:

• Turbidez

• Bacterias

• Quistes y ooquistes

• Hierro y Manganeso