El Proceso de Arranque de una Turbina de Gas

El proceso de arranque de una turbina de gas suele suponer entre 40 y 60 minutos, si la turbina opera en ciclo abierto. Si opera en ciclo combinado suele suponer entre 1,5 horas (arranque caliente) y 6 horas (arranque frío) hasta estar totalmente completado. 

EL ARRANQUE DE UNA TURBINA DE GAS EN CICLO ABIERTO

Antes de poner ningún dispositivo en marcha, es conveniente realizar una serie de comprobaciones, para asegurar que determinados sistemas se encuentran operativos y en la situación necesaria. Estas comprobaciones son:

  • Presión de gas a la entrada de la turbina, en las condiciones requeridas
  • Sistema de refrigeración en funcionamiento
  • Red eléctrica de transporte de energía eléctrica perfectamente operativa
  • Niveles adecuados en los diversos calderines y en el tanque de agua de alimentación
  • Sistemas auxiliares del generador operativos (refrigeración, aceite de sellos, etc)
  • Sistema de lubricación operativo
  • Sistemas auxiliares de la turbina de gas operativos
  • Sistemas de seguridad (contraincendios, etc) operativos y sin alarmas activas

El eje de la turbina de gas, o el eje común en caso de ser una central de eje único, deben haber estado a giro lento (menos de 1 rpm) durante varias horas. Esto se realiza para evitar que por efecto del peso del eje o de la temperatura éste se haya deformado, arqueándose, lo que puede producir desequilibrios y aumento de vibraciones, o incluso, el bloqueo del propio eje.

El operador debe seleccionar el tipo de arranque deseado, que como veremos más adelante, depende de la temperatura del eje de la turbina de vapor y de las condiciones de presión y temperatura de la caldera y del ciclo agua vapor, fundamentalmente. Lógicamente, hay una relación entre el tiempo transcurrido entre la parada y esas temperaturas y presiones.

El proceso de arranque propiamente dicho se inicia cuando el operador selecciona la opción ‘Arranque’ en el sistema de control. Lo habitual en este tipo de centrales es que se disponga de un sistema de control distribuido, y que una unidad central (también llamado secuenciador) coordine las acciones que se van realizando en los diferentes sistemas durante el arranque. Teóricamente, sin más intervención manual que la de selección de la opción ‘arranque’ las modernas centrales de ciclo combinado deberían completar todo el proceso. Pero la experiencia demuestra que la intervención manual del operador de la central acelera el proceso, resuelve problemas que van surgiendo sobre la marcha y hace que el número de ‘arranques fallidos’ descienda.

En una primera etapa, como hemos dicho, el sistema comprobará que se dan todas las condiciones necesarias para el arranque. Una vez comprobadas, se inicia la aceleración de la turbina de gas. El generador funciona en esta fase como motor, que se alimenta de la propia red eléctrica. Para conseguir un arranque suave, se utiliza un variador de frecuencia, que va controlando la velocidad del generador en cada momento de forma muy precisa.

Se hace en primer lugar un barrido de gases, para asegurar que no hay ninguna bolsa de gas en el interior de la turbina. La turbina gira durante este barrido a unas 500 r.p.m. durante 5-10 minutos. Una vez acabado el barrido, la turbina va aumentando su velocidad. Atraviesa varias velocidades críticas, en las que el nivel de vibraciones en los cojinetes aumenta considerablemente. En esas velocidades críticas el gradiente de aceleración se aumenta para reducir el tiempo de estancia.

A una velocidad determinada (generalmente por encima del 50% de la velocidad nominal, que es de 3000 r.p.m. para Europa y Asia, y 3600 para América), comienza a entrar gas a los quemadores y una bujía o ignitor hace que comience la ignición en cada uno de los quemadores. La cámara de combustión está equipada con varios detectores de llama, y si no se detecta ignición pasados algunos segundos, se abortará la maniobra de arranque, y será necesario hacer un barrido de gases y comenzar de nuevo. Para estos ignitores se suele utilizar un combustible con un poder calorífico superior al del gas natural (propano, por ejemplo). 

Si los quemadores se encienden correctamente, los gases provocados por la combustión del gas natural empezarán a empujar los álabes de la turbina. A medida que se va ganando en velocidad, el generador empuja menos y los gases de escape cada vez más, y a una velocidad determinada (unas 2500 r.p.m.) el generador, que hasta ahora actúa como motor, se desconectará y la combustión será la única responsable de la impulsión de la turbina.

Cuando se alcanzan las 3000 r.p.m. (o 3600 en América), entra en funcionamiento el sincronizador, que automáticamente regulará frecuencia, tensión y desfase de la curva de tensión del generador y de la red eléctrica. Cuando las curvas de tensión de generador y red coinciden plenamente se cierra el interruptor del generador y la energía eléctrica generada se exporta a la red a través del transformador principal. 

Si la turbina opera en ciclo abierto, esto es, sin estar enlazado a un ciclo de vapor, la subida de carga hasta la potencia deseada se realiza con rápidez, puediendo alcanzar la plena carga en menos de 20 minutos. Esta gran velocidad hace que las turbinas de gas sean ideales como máquinas térmicas para la producción de electricidad en nudos de la red que requieren gran potencia y una respuesta rápida

EL ARRANQUE DE UN CICLO COMBINADO

Con la turbina de gas en marcha, la caldera empieza a recibir gases de escape calientes, generalmente a más de 600 ºC, y comienza a calentarse el agua contenida en los haces tubulares de la caldera. Se comienzan a cerrar venteos de caldera, y a los pocos minutos ya se empieza a formar vapor, con lo que la presión comienza a subir rápidamente.

Cuando se alcanza la presión adecuada, se comienza la operación en by-pass, esto es, el vapor generado se deriva hacia el condensador directamente, sin pasar por la turbina de vapor. La razón es que el valor de conductividad del vapor no es el adecuado, y los diversos contaminantes que contiene, sobre todo sílice, hierro, sodio y cobre, pueden dañar los álabes de la turbina de vapor. Se purga gran cantidad de agua de la caldera, y se sustituye por agua de refresco, de menor conductividad, proveniente de la planta de producción de agua desmineralizada.

Cuando se alcanza el valor de conductividad conveniente se comienza a hacer girar la turbina de vapor. Poco a poco va aumentando de velocidad, y cuando se llega a 3000 r.p.m., su generador sincroniza con la red, aportando más energía eléctrica (aproximadamente un 50% de lo que aporte la turbina de gas). En las centrales de eje único, en las que la turbina de gas y la de vapor están unidas a un único generador, cuando se alcance la velocidad nominal se conectarán mecánicamente el eje del generador y el de la turbina de vapor, generalmente por medio de un embrague.

Se comienza entonces a subir carga, y se hace de forma lenta, para minimizar los efectos del estrés térmico. Cuando la planta alcance la carga deseada, que puede ser el mínimo técnico, la plena carga o cualquier otra entre estas dos, el proceso de arranque habrá finalizado.

Por tanto, podemos desglosar el tiempo empleado en el arranque de la siguiente forma

T1: Desde el inicio del arranque hasta la sincronización
T2: Tiempo de espera hasta que los by-pass están presurizados y perfectamente operativos
T3: Tiempo necesario para conseguir la calidad de vapor adecuada
T4: Tiempo necesario para acelerar y acoplar la turbina de vapor
T5: Tiempo necesario para subir carga desde la carga mínima con turbina de vapor hasta la carga deseada
 
TIPOS DE ARRANQUE
 
Es muy importante para el cálculo preciso de los tiempos de arranque definir los diferentes tipos de arranque que pueden darse en una central. Hay que tener en cuenta que los programas de carga pactados con el mercado eléctrico deben cumplirse, pues las repercusiones económicas derivadas de un incumplimiento son notorias. Por otro lado, el rendimiento de la planta (consumo de combustible frente a producción de energía eléctrica) son bajos a cargas bajas, y notablemente bajos en los procesos iniciales. Por tanto, tampoco es económicamente factible asegurar el cumplimiento del programa pactado con el mercado eléctrico introduciendo grandes márgenes de seguridad en cada uno de las fases del arranque, pues esto hace que el proceso sea mucho más gravoso. La decisión acertada es, pues, determinar con exactitud la duración del proceso de arranque. Como ese tiempo no es siempre el mismo, sino que depende de las condiciones presentes en la planta en el momento del arranque,  para poder determinar la duración con precisión es necesario diferenciar los diversos tipos de arranque que pueden darse dependiendo de las condiciones al inicio.
 
Los factores que diferencian los diferentes tipos de arranques son los siguientes:
 
  • Temperatura de los elementos internos de la turbina de vapor. Se suele tomar como referencia el eje del rotor de la turbina. Es con diferencia el factor que más marca la duración del arranque. Lógicamente, cuanto más fría esté esta turbina, el arranque será más lento. Afecta fundamentalmente a T4 (Tiempo necesario para acelerar y acoplar la turbina de vapor)
  • Conductividad y pH del agua contenida en los calderines. Cuanto más se aparten estos valores de los limites máximos más tiempo se necesitará para completar el proceso. Afecta fundamentalmente a T3 (Tiempo necesario para conseguir la calidad de vapor adecuada)
  • Condiciones de presión y temperatura de caldera. Cuanto menores temperaturas y presiones, más largos serán T2 y T3 (tiempos necesarios para conseguir las condiciones de presión en el circuito y de calidad en el vapor)
  • Temperatura de los elementos internos de la turbina de gas, sobre todo cámaras de combustión y álabes. Afectará sobre todo a T1 (tiempo hasta la sincronización)
 
Aunque en la práctica se demuestra que hay muchos más tipos de arranque, generalmente se reconocen cinco tipos: rearranque, arranque caliente, arranques templados y arranque frío y arranque superfrío.
 
Arranques superfríos
 
Las condiciones de un arranque superfrío son las siguientes:
 
  • Caldera despresurizada y fría, en todos sus puntos (a temperatura ambiente)
  • Necesario aportar una gran cantidad de agua ‘fresca’ para conseguir alcanzar el nivel de arranque
  • Eje de la turbina de vapor a temperatura ambiente
  • Internos de la turbina de gas a temperatura ambiente
 
A estas condiciones suele llegarse después de largos tiempos de parada, como los correspondientes a una gran revisión. Este tiempo es generalmente superior a 2 semanas. Los arranques superfríos son los que más tiempo requieren para completar el proceso, fundamentalmente por :
 
  • Alto  T1. La turbina de gas estará muy fría, los gradientes de subida de temperatura serán bajos para que se produzca un calentamiento uniforme y gradual en las cámaras de combustión y en los elementos internos en la caldera.
  • Sin influencia en T2. La potencia de espera a que los by-pass estén operativos será igual a la de los demás arranques.
  • Alto T3,. Después de una parada larga y dependiendo del tipo de conservación de la caldera, se introducirá una gran cantidad de agua “nueva” a la caldera la cual traerá mucho oxígeno disuelto y a la que habrá que dosificar grandes cantidades de sustancias para regular pH. Esto implica una alta conductividad que habrá que ir reduciendo lentamente.
  • Alto T4, al estar la turbina de vapor fría, esta se deberá ir calentando de una manera uniforme y gradual para evitar estrés térmico y mecánico en sus diferentes elementos..
  • Alto T5, La velocidad de este proceso está limitada por el estrés térmico de la turbina de vapor.
 
Arranques fríos
 
Las condiciones que tiene la central justo antes del arranque son parecidas a las de arranque superfrío, con la diferencia de que la turbina de vapor no se encuentra a temperatura ambiente, sino a una temperatura superior (entre 25-50% de la temperatura en funcionamiento normal.
 
Por tanto, las condiciones presentes en el momento del arranque pueden resumirse así:
 
  • Caldera despresurizada y fría, 
  • Necesario aportar una gran cantidad de agua ‘fresca’ para conseguir alcanzar el nivel de arranque
  • Eje de la turbina de vapor a temperatura superior a la ambiental 
  • Internos de la turbina de gas a temperatura superior a la ambiental
 
Estas condiciones suelen alcanzarse tras 4-5 días de parada. Los arranques fríos requieren menos tiempo que los anteriores, ya que el estrés de la turbina de vapor será menor. Por tanto, para este tipo de arranques tendremos:
 
  • Alto  T1. 
  • Sin influencia en T2. 
  • Alto T3,
  • T4 medio, al tener cierta temperatura la turbina de vapor
  • T5 medio, por la misma razón. 
 
Arranques templados
 
En los arranques templados los elementos internos de la turbina de gas y de vapor están en torno al 50% de su temperatura en funcionamiento normal. Sería la situación de la central tras una parada normal de fin de semana. Las condiciones podrían resumirse así:
 
  • Caldera con poco presión, y templada 
  • No es necesario aportar una gran cantidad de agua para conseguir alcanzar el nivel de arranque
  • Eje de la turbina de vapor a temperatura superior al 50% de su temperatura nominal 
  • Internos de la turbina de gas a temperatura superior al 50% de su temperatura nominal.
 
En estas condiciones, las diferentes fases de arranque se ven afectadas de esta manera:
 
  • T1 medio. 
  • Sin influencia en T2. La potencia de espera a que los by-pass estén operativos será igual a la de los demás arranques.
  • T3 medio,. Hasta conseguir el valor de conductividad adecuado no se tardará mucho tiempo, aunque habrá que esperar, pues se habrá tenido que adicionar algo de agua desmineralizada.
  • T4 medio. La rampa de subida no estará tan condicionada por el estrés de la turbina de vapor que en los arranques fríos.
  • T5 medio, por las mismas razones que en la fase anterior
 
Arranques calientes
 
Este tipo de arranque es el propio tras una parada de un día, incluso unas horas. Turbina de gas y de vapor están a una temperatura superior al 75% de la nominal, y la caldera está presurizada y caliente. La distribución de tiempos en el arranque será la siguiente:
 
  • T1 bajo. 
  • Sin influencia en T2. La potencia de espera a que los by-pass estén operativos será igual a la de los demás arranques.
  • T3 medio,. hasta conseguir el valor de conductividad adecuado, pues aunque no se haya adicionado agua puede haber entrado aire en el sistema (sobre todo por el condensador, al perder el vacío) .
  • T4 medio. La rampa de subida estará poco condicionada por el estrés de la turbina de vapor.
  • T5 medio, por las mismas razones que en la fase anterior
 
Rearranques
 
Se trata de arranques que se realizan tras una parada imprevista de la central. En general, el arranque se produce antes de 2 horas desde la parada. Las condiciones de la planta en esos momentos pueden resumirse así:
 
  • Caldera con presión y temperatura en todos sus puntos 
  • No es necesario aportar agua
  • Eje de la turbina de vapor prácticamente a temperatura de trabajo
  • Internos de la turbina de gas a alta temperatura
 
Con ello, los tiempos de las diversas etapas del proceso de arranque pueden resumirse así:
 
  • Pequeño T1. Al estar calientes las cámaras de combustión y los álabes se podrá subir la temperatura de manera más rápida.
  • Pequeño T2. Al tener los calderines presurizados los by-pass tendrán un tiempo de preparación escaso, incluso nulo.
  • Pequeño T3, La calidad del agua y del vapor pueden ser óptimas en el momento del arranque.
  • Pequeño T4 y T5. Al estar la turbina de vapor caliente no habrá que esperar a que baje su estrés tanto para la aceleración como para la subida de carga.
Lógicamente, el rearranque es el que proceso que menos tiempo requiere.
 
PROBLEMAS HABITUALES EN LOS ARRANQUES
 
Durante el proceso de arranque pueden presentarse algunos problemas que hagan abortar el proceso. Si esto se produce, normalmente se estudia la causa que ha provocado el arranque fallido, se corrige el problema y se realiza un nuevo intento.
 
Los problemas habituales son los siguientes:
 
  • Fallos en el variador que controla el generador
 
Durante el arranque el generador, como hemos, visto funciona como motor y está controlado por un variador de frecuencia, que controla la velocidad de giro de forma muy precisa. Por este equipo atraviesan grandes cantidades de corriente, y puede producirse un fallo en él durante el proceso de arranque. Son habituales los fallos en los tiristores que forman parte de este equipo y en sus protecciones.
 
  • Vibraciones
 
Hemos visto que durante el arranque la turbina atraviesa varias velocidades críticas. La velocidad critica de un eje es la velocidad de giro a la cual se producen las mayores deformaciones del eje, o lo que es lo mismo las mayores vibraciones en los apoyos. La velocidad critica tiene mucho que ver con la frecuencia natural, pero no son lo mismo, aunque en muchos casos la diferencia es pequeña. La frecuencia natural tiene que ver con las vibraciones que se producen en el eje sin girar. En la velocidad critica intervienen otros factores (como el efecto giroscópico), que no se presentan en las vibraciones de eje que no gira, y que hacen que su valor pueda ser muy diferente del de la frecuencia natural.
 
En cada una de estas velocidades críticas, como hemos visto, el nivel de vibraciones en los cojinetes de apoyo de la turbina de gas aumenta considerablemente. Si la turbina tiene algún problema, al atravesar las velocidades críticas el nivel de vibraciones estará por encima del punto de disparo de la turbina, y el arranque se abortará por seguridad.
 
Un alto nivel de vibraciones suele estar provocado principalmente por:
 
  • Desequilibrio en el rotor. Los pesos no están perfectamente compensados. Se soluciona redistribuyendo los elementos situados a lo largo del eje (álabes) y añadiendo unas pesas adicionales para compensar las diferencias. La masa de estas pesas adicionales y su posición deben estar definidas con gran precisión  
  • Defectos en el eje. Son mucho más difíciles de solucionar. Se trata de fallos provocados durante la fabricación del eje, no tanto del mecanizado del eje como del propio material.
  • Defectos en los cojinetes de apoyo. Si la superficie de alguno de los cojinetes en los que apoya el eje de la turbina tiene irregularidades, o su anclaje en la bancada no es firme, estos se fallos se revelarán como un aumento de vibraciones. La solución en este caso es sustituir los cojinetes 
  • Mal alineamiento del eje con el generador. El generador y la turbina suelen estar unidos por medio de un acoplamiento. Este acoplamiento admite cierta desalineación, pero si se supera esta tolerancia, el nivel de vibraciones aumentará 
  • Fallo en la instrumentación que controla las vibraciones. Un alto nivel de vibraciones puede no corresponderse con una situación real, sino con un fallo de medida. Además de calibrar periódicamente todas las sondas de vibraciones, es conveniente disponer de un equipo externo capaz hacer una medida con independencia del equipo instalado en la turbina.
 
Al ser las vibraciones durante un arranque mayores que las que se dan en operación normal, muchas turbinas disponen de una función que eleva el máximo nivel permitido de vibraciones durante los procesos de arranque. Esta función suele desactivarse automáticamente al alcanzarse las 3000 r.p.m.
 

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