CICLO RANKINE Y TURBINA DE VAPOR
Laboratorio de Mquinas Trmicas UNAM, ENEP Aragn
5.8 AVISOS Y PRECAUCIONES
La turbina de vapor puede contener vapor a ms de 240 C de
temperatura y con una presin de 10 bars, por lo tanto deber tenerse
cuidado de no tocar las superficies expuestas de metal durante la
operacin. Las descargas de energa elctrica pueden llegar a ser
fatales por lo que se deber revisar cuidadosamente que ninguna
cubierta del sistema elctrico haya sido removida extrada,
asegurarse de que toda conexin a tierra haya sido hecha
correctamente.
El personal que tenga a su cargo el equipo se deber asegurar que
este se encuentre en condiciones seguras de mantenimiento y
reparacin.
Antes de arrancar el equipo se deber revisar el nivel de aceite
en la turbina y en el regulador de velocidad, si el nivel es bajo
se deber agregar el aceite hasta que el nivel coincida con la marca
calibrada. Los tipos de aceite que se requieren para la turbina y
el regulador de velocidad se especificaron anteriormente.
Se deber girar con la mano la flecha de la turbina y la de las
bombas a fin de asegurarse que estas giran libremente.
En general todas las vlvulas deber estar completamente abiertas
completamente cerradas a menos que se especifique lo contrario. Se
debe estar seguro de que este circulando agua fresca en el
condensador antes de que el vapor sea admitido por la turbina.
Por ltimo se deber tener presente que las vlvulas centinelas de
la turbina, las cuales sealan una condicin de sobrepresin, slo estn
diseadas para advertir esta condicin, ms no para corregirla.
5.9 PROCEDIMIENTO DE ARRANQUE DE LA TURBINA.
Las vlvulas a las que se refiere esta seccin estn detalladas en
las figuras 5.20, 5.21 y 5.22 las cuales muestran desde diferentes
ngulos las posiciones de estas.
Para poner en funcionamiento el equipo se deber seguir siguiente
secuencia:
1.- Poner en funcionamiento el generador de vapor.
2.- Cerrar las vlvulas V1 y V2, las cuales estn en la lnea de
suministro de vapor.
3.- Verificar que haya suficiente agua en la cisterna de la
torre de enfriamiento.
4.- Abrir todas las vlvulas que forman el circuito del sistema
de agua de enfriamiento.
5.- Asegurarse que se induzca la circulacin del agua de
enfriamiento mediante el cebado adecuado de la bomba del sistema de
agua de enfriamiento, encender esta bomba y accionar el interruptor
elctrico para poner en funcionamiento el ventilador de la torre de
enfriamiento.
6.- Controlar el flujo de agua que atraviesa el condensador
cerrando lentamente la vlvula de globo V4, la cual se encuentra en
la salida para agua de enfriamiento del condensador.
7.- Abrir la vlvula V5 para purgar el agua condensada en la lnea
de entrada del vapor.
8.- Abrir completamente la vlvula V6 la cul es la salida de
vapor de la turbina.
9.- Abrir la vlvula V7 para purgar el agua condensada en la lnea
de salida del vapor en la turbina.
10.- Abrir la vlvula V8 la cul libera el aire que se encuentre
en el condensador.
11.- Abrir la vlvula V9 para purgar el condensador, esta se
encuentra junto a la lnea condensador-bomba de vaco.
12.- Sacar el agua del tanque de medicin de condensado por medio
de la vlvula V10 y verificar la calibracin de la bscula
adjunta.
13.- Sacar el agua del tanque del condensador por medio de la
vlvula V11.
14.- Cerrar las vlvulas V12, V13 y V14 las cuales sellan con
vapor el prensaestopas de la turbina.
15.- Cerrar la vlvula V15 la cul esta entre el condensador y la
bomba de vaco.
16.- Asegurarse que todos los interruptores de carga elctrica
que se encuentran en el panel de controles estn apagados.
17.- Cerrar las vlvulas que permiten el paso de vapor a travs de
las toberas.
18.- Checar que el nivel de aceite en la turbina llegue hasta la
marca
18.- Checar que al nivel de aceite en la turbina llegue a la
marca calibrada.
19.- Asegurarse de que la palanca horizontal del gatillo de
seguridad est embragado. El gatillo de seguridad se dispara cuando
la velocidad de la turbina excede un 25 % la velocidad normal, este
acta cerrando el suministro de vapor para proteccin de los
elementos mviles de la turbina de vapor.
20.- Abrir la vlvula V2 la cual se encuentra en la lnea de
suministro de vapor, antes del recalentador, y lentamente abrir la
vlvula V1 para permitir que una pequea cantidad de vapor entre a la
turbina, esto se hace para asegurarse que la turbina se
caliente.
21.- Cerrar la entrada de vapor a la turbina por medio de la
vlvula V1.
22.- Calibrar en cero el dinammetro que mide la fuerza del par
que recibe el generador D.C.
23.- Abrir lentamente la vlvula V1 y permitir que la turbina
gire, girar de regreso la vlvula V1 para que la turbina se pare,
pero dejando que el vapor pase silenciosamente a travs de la
turbina y el condensador y se descargue en el desage del
condensador abriendo la vlvula V9.
24.- Conectar la corriente elctrica exterior girando el
interruptor elctrico hasta la posicin de encendido.
25.- Poner a funcionar el ventilador de enfriamiento el cual se
encarga de circular aire sobre las cargas resistivas, este
ventilador debe funcionar antes de que algn otro elemento elctrico
lo haga por ejemplo las bombas.
26.- Abrir el suministro de agua para la bomba de vaco por medio
de la vlvula V16, el caudal suministrado debe ser de 9 lts/min.
27.- Presionar el botn de encendido de la bomba de vaco el cual
se encuentra en el panel de controles del equipo. Se deber tener
cuidado de que la bomba no llegue a ser tapada con agua, el tiempo
entre abrir el suministro de agua y la presin sobre el botn de
encendido debe ser mnima. No presionar el botn antes de que el agua
sea admitida.
28.- Abrir la lnea que va del condensador a la bomba de vaco por
medio de la vlvula V15.
29.- Cerrar la vlvula V8 de liberacin de aire del
condensador.
30.- Cerrar la vlvula V7, as como la vlvula V5.
31.- Abrir completamente la entrada de vapor a la turbina por
medio de la vlvula V1. La turbina comenzar a elevar velocidad, el
regulador deber controlar la velocidad de la turbina entre 3000 y
3300 r.p.m.. Gire el tornillo del regulador para ajustar la
velocidad, este se localiza al final del regulador, en sentido
inverso a las manecillas del reloj para aminorar la velocidad p en
el sentido de las manecillas para incrementar la velocidad. La
correcta velocidad de la turbina es de 3000 r.p.m.. Si el regulador
no esta asumiendo el control de velocidad apagar el sistema y
consultar la seccin sobre las posible causas de falla del regulador
de velocidad.
32.- Lentamente abrir la vlvula V12 hasta que aproximadamente el
manmetro G2 indique una presin de 2 bars.
33.- Abrir las vlvulas V13 y V14 para que el aire que esta en el
prensaestopas escape junto con vapor.
34.- Permitir que la turbina gire sin carga para lograr
condiciones estables en todo el sistema.
35.- Para agregar carga a la turbina se acciona interruptor de
carga elctrica hasta la posicin de encendido, estos interruptores
se encuentran en el panel de instrumentos. Ajustar el voltaje
girando la perilla del Restato y reajustar la velocidad de la
turbina a r.p.m., en cada incremento de carga emplear el mismo
procedimiento hasta que todos los interruptores de carga elctrica
estn en la posicin de encendido. Al ir incrementando la carga se
deber ir abriendo las vlvulas que permiten el paso de vapor a travs
de las toberas para que pueda entrar ms vapor. La turbina tiene 3
Toberas para condiciones de vaco en la descarga, es decir, cuando
se hace uso del condensador y 1 tobera para condiciones de
contra-presin, es decir cuando la turbina descarga a la presin
atmosfrica.
36.- Variaciones de contra-presin pueden ser conseguidas
abriendo la vlvula V8 para romper el vaco del condensador y tambin
cerrando parcialmente el escape de vapor de la turbina con la
vlvula V6, esta vlvula nunca deber estar completamente cerrada
cuando est funcionando la turbina.
37.- Para medir el vapor usado por la turbina en una prueba se
deber cerrar la entrada de agua que alimenta a la bomba de vaci (el
condensado extrado es suficiente para formar el anillo lquido) y
medir el agua colectada en el tanque de medicin por unidad de
tiempo, alternativamente se puede tomar una nota del flujo de agua
que requiere la bomba de vaco con el medidor G3 en el comienzo y
final de la prueba y restar este flujo del condensado total. Abrir
la vlvula V10 para descargar el tanque de medicin.
38.- Para descargar el condensado al tanque alimentador de la
caldera se deber cerrar la vlvula V11 y presionar el botn de
encendido de la bomba del condensado de retorno el cual se
encuentra en el panel de controles. Asegurarse que la bomba no est
girando en seco sin agua presente en el tanque.
5.10 PROCEDIMIENTO PARA DETENER EL EQUIPO.
1.- Colocar todos los interruptores de carga en posicin de
apagado e ir ajustando el regulador de velocidad para que la
turbina no incremente su velocidad.
2.- Cerrar el suministro de vapor por medio de la vlvula V1.
Alternativamente liberar la palanca horizontal del gatillo de
seguridad, entonces cerrar V1.
3.- Cerrar el suministro de agua a la bomba de vaco con la
vlvula V16.
4.- Abrir el desage del condensador por medio de la vlvula
V9.
5.- Presionar el botn de apagado de la bomba de vaco.
6.- Cerrar la lnea que va del condensador a la bomba de vaco con
la vlvula V15.
7.- Abrir la liberacin de aire del condensador con la vlvula
V8.
8.- Abrir las vlvulas de purga V7 y V5.
9.- Abrir todas las vlvulas de las toberas.
10.- Presionar el botn de apagado de la bomba del condensado de
retorno. Tener cuidado de no introducir aire dentro de la
bomba.
11.- Cuando el banco de elementos resistivos este fro se deber
presionar el botn de apagado del ventilador que enfra el banco de
resistencias elctricas.
12.- Abrir la vlvula V11 para sacar los residuos de agua del
tanque de condensado.
13.- Cuando todo residuo de calor haya sido absorbido por el
agua de enfriamiento que atraviesa el condensador se deber apagar
la bomba que impulsa este fluido.
14.- Cerrar las vlvulas V3 y V4 las cuales estn en la entrada y
en la salida del agua de enfriamiento del condensador.
15.- Apagar el ventilador de la torre de enfriamiento.
16.- Apagar el generador de vapor.
17.- Desconectar la energa elctrica exterior.
5.11 DESARROLLO DE LA PRACTICA.
En la Tabla 5.1 se muestran las lecturas iniciales que se deber
tomar con las siguientes presiones absolutas de entrada en las
toberas: 3, 4.5, 5, 6 y 7.5 bars, es importante remarcar que antes
de tomar cualquier lectura se debe verificar que el sistema se
encuentre en condiciones de flujo estable y estado estable.
5.11.1 MEMORIA DE CALCULO.
Se harn en tres etapas principales que son:
Entalpas, calores y potencias.
Eficiencias de la turbina.
Grficas curvas de funcionamiento.
1.- Entalpas, calores y potencias.- Para visualizar la relacin
que existe entre estos parmetros nos auxiliares del diagrama de la
figura 5.23.
a) La entalpa h que corresponde a la entalpa del vapor la lnea
principal se calcula con la P y la T y con las tablas de vapor de
agua sobrecalentado, este estado se representa mediante el punto 1
en el diagrama temperatura-entropa de la figura 5.24.
b) La entalpa h, que es la entalpa del vapor a la salida de la
turbina suponiendo que hubo una expansin isoentrpica se calcula
primero la entropa del vapor en el punto 1 (ver figura 5.24),
considerando que s =s se aplica la siguiente frmula :
En donde y se evalan de tablas de saturacin del vapor con la
presin absoluta del condensador y se despeja X que es la calidad en
el punto 2, conociendo este valor se aplica la siguiente ecuacin
para encontrar la entalpa en el punto 2.
En donde y y h se toman de las tablas de saturacin con la presin
absoluta del condensador.
c) La entalpa h es la entalpa que tiene el condensado al salir
del condensador, por tratarse de agua en estado sta entalpa se
puede calcular de la siguiente manera:
[KJ/Kgm]
donde: Cp = 4.186 Kj/Kgm C.
d) La entalpa h corresponde a la entalpa del agua de
enfriamiento en el momento de entrar al condensador y se conoce
aplicando la siguiente frmula:
[KJ/Kgm]
e) En forma similar la entalpa h que es la entalpa del agua de
enfriamiento a la salida del condensador:
[KJ/Kgm]
f) La potencia al freno es la potencia en el eje de la turbina y
se define mediante la siguiente expresin:
[KW]
donde:
[rad/seg]
= Par reaccionante = 0.185 F [N-m]
g) Potencia elctrica es la potencia producida por el generador
elctrico D.C.
[KW]
h) Flujo msico de vapor v, se mide indirectamente aplicando la
siguiente ecuacin:
[Kgm/seg]
i) Calor perdido en el condensador Q1.- Mediante un balance de
energa en el condensador y considerando que la expansin del vapor
en la turbina es isoentrpica se tiene que:
"La suma del Incremento de la entalpa del agua de enfriamiento
ms el calor perdido en el condensador, es igual a la cada de
entalpa del vapor al atravesar el condensador".
sea que:
despejando:
[KW]
j) Calor retirado por el agua de enfriamiento:
[KW]
k) La entalpa h la cual es h debido a que en la realidad no es
isoentrpico el proceso de expansin en la turbina (de 1 a 2), sino
que se tiene una ligera desviacin como aparece en el diagrama T-s
de la figura 5.25.
Por lo tanto para conocer la entalpa nos auxiliaremos del
balance de energa de la figura 5.26.
Considerando adiabatico el condensador = 0
Despejando queda:
[KJ/Kgm]
l) Consumo especfico de vapor.
s.s.c. = 3600 [Kgm/KW-Hr]
2.- Eficiencias de la turbina:
a) La eficiencia isoentrpica se calcula mediante la siguiente
frmula:
b) Eficiencia trmica del ciclo:
1 3
c) Eficiencia Rankine:
d) Eficiencia mecnica:
3.- Curvas de operacin.
a) Lnea Willans.- La lnea Willans se construye teniendo como
ejes coordenados al en Kgs/hrs y la en KW para esta prueba se
mantienen constantes la presin y la temperatura del vapor a la
entrada de la turbina, la presin en el condensador y la velocidad
angular de la turbina tomando lecturas para 4 diferentes cargas. La
grfica debe mostrar una proporcionalidad lineal entre la potencia y
el flujo de vapor. Tres puntos son importantes de notar: El punto
de mxima eficiencia despus del cual la lnea cambia de pendiente
tambin el punto en el que la lnea corta al eje de las ordenadas y
que corresponde al valor de flujo de vapor necesario para que la
turbina gire a la velocidad de trabajo sin tener carga y por ltimo
el punto en que la lnea corta al eje de las abscisas y que nos da
el valor absoluto de la potencia perdida en los rozamientos (ver
figura 5.27).
b) Curva de consumo especfico de vapor.- Se utilizan como ejes
coordenados al consumo especfico de vapor s.s.c. en kgs/KW-Hr (que
es el flujo de vapor correspondiente para producir una unidad de
potencia) y la potencia desarrollada en el eje de la turbina en KW.
El perfil de la curva es tal que a un mnimo consumo especfico de
vapor corresponde la mxima eficiencia (figura 5.28).
c) Variacin de las potencias con la presin del vapor a la
entrada de las toberas.- En un mismo diagrama se grafican: la
potencia al freno y la potencia elctrica producida por el generador
D.C. contra la presin del vapor a la entrada de las toberas (figura
5.29).
d) Grfica de eficiencia trmica contra presin de entrada. Esta
grfica mostrara como se incrementa la eficiencia trmica al ir
aumentando la presin del vapor al entrar a las toberas. La
eficiencia de la unidad ser incuestionable baja, sin embargo, esto
es exactamente lo que se debe esperar de una pequea unidad en donde
las fuerzas de friccin son grandes con la potencia obtenida, no
obstante el procedimiento de calcul de la prctica es idntico al que
se seguira con una unidad mucho ms grande (figura 5.30).
e) Llenar la Tabla 5.2 de Resultados.
f) Dar sus Conclusiones.
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PAGE 19Practica # 5 : CICLO RANKINE Y TURBINA DE VAPOR
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