Analisis y Control de Erosion Por Particulas Solidas

MEXICO

ANÁLISIS Y CONTROL DE EROSIÓN POR PARTÍCULAS SÓLIDAS EN LOS ELEMENTOS DEL SISTEMA DE FLUJO DE TURBINAS DE VAPOR

Dr. Zdzislaw Mazur Czerwiec

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Contenido de la presentación 1. Resumen ejecutivo 2. Introducción 3. Simulación numérica de erosión de los componentes principales de turbinas de vapor 4. Conclusiones

Resumen Ejecutivo MEXICO

Se presenta el análisis de erosión por partículas sólidas de diferentes elementos del canal de flujo de las turbinas de vapor (toberas, válvula de vapor, tetones de los álabes, sellos de laberinto, discos del rotor), que operan en México utilizando herramientas de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD). En estos elementos principales de turbinas, se registró un fuerte problema de erosión que amenaza la operación confiable de las turbinas y su rendimiento óptimo.

Resumen Ejecutivo MEXICO

Se llevó a cabo la modelación y simulación numérica de los componentes principales/criticas de las turbinas de vapor considerando las condiciones nominales de operación. La simulación numérica, se efectuó para la geometría/diseño original y diseño modificado (propuesto) de los componentes para identificar las oportunidades de reducción/eliminación de erosión.

Resumen Ejecutivo MEXICO

Con base en los resultados del análisis, se desarrollaron las modificaciones de diseño de los diferentes elementos del canal de flujo de las turbinas para reducción sustancial de la erosión. Las modificaciones de diseño de los elementos de las turbinas constan en la modificación del patrón de flujo relacionado para reducir su impacto sobre la razón de erosión mediante disminución de la velocidad de flujo, modificación de trayectorias de las partículas sólidas y modificación del ángulo de impacto sobre la superficie de los elementos analizados.

Resumen Ejecutivo MEXICO

Se presentan los resultados de simulaciones/predicciones que indican que es posible reducir significativamente y controlar la erosión de los componentes del sistema de flujo de las turbinas de vapor modificando ciertas características geométricas de los componentes o parámetros de su operación.

Resumen Ejecutivo MEXICO

Se presentan los beneficios económicos para las Centrales Termoeléctricas que resultan de la reducción de la razón de erosión por partículas sólidas que afecta los componentes críticos de turbinas de vapor (toberas, álabes móviles, sellos de laberinto, válvulas, otros), que se generan por la extensión de períodos entre los mantenimientos o reposición de componentes, reducción de costos de operación y mantenimiento de las turbinas, y extensión de vida útil de los componentes principales.

Introducción MEXICO

El flujo de vapor que contiene partículas sólidas es responsable por problemas de erosión de los componentes de turbinas de vapor y reducción de su vida útil. La contaminación del vapor es un problema típico de turbinas de vapor geotérmicas. Las partículas duras de sílice, azufre, fósforo y otros elementos contenidas en el flujo de vapor impactan directamente a los componentes del sistema de flujo de las turbinas causando su desgaste.

Introducción MEXICO

En turbinas de vapor de las centrales termoeléctricas, el daño por erosión está causado por las partículas de óxido (magnetita) desprendidas de las tuberías de la caldera y líneas de vapor (típicamente durante arranques de las unidades de generación), que introducidas con el flujo de vapor a la turbina causan severos daños por erosión de los componentes principales de la misma.

Introducción MEXICO

En general, los componentes de la turbina que principalmente son afectados por la erosión son: toberas, las bandas y tetones de los álabes móviles, álabes fijos de diafragmas, sellos de laberinto del rotor, láminas de sellos, discos del rotor, válvulas de control y carcasas. La degradación de los sellos de laberinto del rotor resulta comúnmente en un deterioro considerable de la eficiencia de la turbina, llegando a los valores de 2 % a 4 % o mayor.

Introducción MEXICO

El desgaste por erosión reduce también tiempo entre los mantenimientos e incrementa el costo de operación y mantenimiento de la turbina. Como consecuencia, los mantenimientos más frecuentes reducen la producción de la energía eléctrica en total causando fuertes pérdidas económicas. En el caso de las toberas de la turbina el desgaste por erosión resulta en un incremento en el área de la garganta de la tobera y pérdida de eficiencia de la turbina relacionada.

Introducción MEXICO

Cuando se incrementa el área de la garganta de la tobera, la turbina demanda más flujo de vapor para mantener la potencia requerida provocando un incremento de las emisiones contaminantes. Este incremento de flujo de vapor causa también una sobrecarga de los elementos del sistema de flujo de la turbina, principalmente álabes móviles resultando en las fallas de estos componentes críticos de la turbina.

Introducción MEXICO

La erosión de los discos del rotor, de la carcasa y erosión de las válvulas de control de la turbina afecta la confiabilidad y disponibilidad de operación de la turbina. Para evitar las fallas catastróficas por causa de estos, se requiere una frecuente reparación o reemplazo de los elementos dañados. El problema de erosión de las superficies de los sólidos fue estudiado ampliamente y el mecanismo de su desarrollo fue atribuido a las pequeñas partículas sólidas o gotas de agua, que impactan continuamente a la superficie de los elementos del sistema de flujo de la turbina.

Introducción MEXICO

El desgaste debido a erosión (abrasión) por partículas sólidas depende primeramente del material del elemento expuesto al fluido y de las propiedades de las partículas transportadas por el mismo. El proceso de abrasión de la superficie de un sólido está determinado por la velocidad relativa y el ángulo de impacto de las partículas, así como la proporción (contenido) del flujo de partículas y flujo de vapor.

Introducción MEXICO

El ángulo de impacto y la velocidad de las partículas juegan un rol principal en la razón de erosión como se muestra en las figuras 1 y 2. Sobre esta base, cada reducción de la velocidad de las partículas y modificación del ángulo de impacto de las mismas a la superficie de un sólido conduce a la reducción efectiva de la erosión.

Introducción

Razón de erosión normalizada

MEXICO

1

30º

V1

V2

β1

β2

60º

90º

Á n g u lo d e im p a c to d e la s p a r tíc u la s

Figura 1. Datos experimentales de la erosión en función de ángulo de impacto de las partículas sólidas.

Introducción

Erosión lbmaterial/lbpartículas x 10

6

MEXICO

V e lo c id a d d e p a r tíc u la s p ie s /s

Figura 2. Datos experimentales de la erosión en función de velocidad de partículas en turbinas geotérmicas.

Introducción MEXICO

El movimiento de las partículas esta gobernado por patrones (trayectorias) locales de flujo. Debido a que patrón de flujo dentro de la turbina cambia significativamente, no es posible predecir el desgaste abrasivo de un componente de la turbina sin conocer el patrón local de flujo en la zona de interés. La simulación de flujo por medio de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por sus siglas en inglés) basado en el método de volumen finito representa un camino viable y económico para analizar y entender el patrón local de flujo en las regiones de fuerte desgaste por erosión.

Introducción MEXICO

Muchas configuraciones de diseño bajo diferentes condiciones de operación pueden ser analizadas con bajo costo, sin costosos experimentos y se pueden proponer las modificaciones del diseño de los elementos del canal de flujo de la turbina para controlar/reducir el problema de erosión. En este trabajo, se presenta el análisis del problema de erosión de diferentes elementos del canal de flujo de las turbinas de vapor (toberas, válvula de vapor, tetones de los álabes, sellos de laberinto, discos del rotor) que operan en México utilizando herramientas CFD.

Introducción MEXICO

Con base en los resultados del análisis se identificaron y desarrollaron las modificaciones de diseño de los diferentes elementos del canal de flujo de las turbinas para reducción sustancial de la erosión. Las modificaciones de diseño de los elementos de las turbinas constan en la modificación del patrón de flujo relacionado para reducir su impacto sobre la razón de erosión mediante disminución de la velocidad de flujo, modificación de trayectorias de las partículas sólidas y modificación del ángulo de impacto sobre la superficie de los elementos analizados.

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Simulación numérica de erosión Metodología

•

•

Las simulaciones y predicciones numéricas fueron realizadas utilizando códigos del volumen finito Fluent y STAR CD considerando diferentes modelos de turbulencia (Standard k – ε, RNG k – ε). El estudio numérico del proceso de erosión aplicando CFD, considera un modelo matemático con la ecuación de conservación de Euler en fase continua (flujo de vapor) y un modelo Lagrangiano para resolver la fase discreta (partículas sólidas).

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Simulación numérica de erosión Metodología

•

•

•

La dispersión de las partículas en el fluido, se predice usando un modelo estocástico que incluye los efectos de las fluctuaciones de velocidad en régimen turbulento sobre la trayectoria de las partículas. El dominio computacional considera las ecuaciones de conservación de la masa y de momento para flujo incompresible en una geometría tridimensional en estado estable. Se esta basando sobre el cálculo de la trayectoria de varias partículas individuales que representan grupos de partículas en el dominio de flujo.

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Simulación numérica de erosión Metodología

• • • •

Interacciones entre partículas se omiten Cualquier cambio en la turbulencia del flujo causado por las partículas no esta considerado Se consideran nada más las partículas sólidas esféricas, no reactivas y no fragmentadas La modificación de la geometría del elemento analizado causado por la remoción de la pared por partículas sólidas no esta considerada.

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Simulación numérica de erosión Metodología

•

Durante simulación se están recordando los siguientes datos: • Número de partículas que impactan sobre la superficie • Velocidad de impacto de la partícula • Dirección de las partículas relativa a la superficie de impacto. La remoción del material de la pared, se calcula utilizando modelo de Finnie

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Simulación numérica de erosión Metodología

•

•

La partícula impactando a la superficie erosionada con el ángulo (ángulo de impacto) medido con referencia a la superficie, corta el material de misma manera que una herramienta de corte (buril). Se considera que la partícula es más dura que la superficie erosionada y por eso no se fragmenta y el material de la superficie (sólido) se esta deformando plásticamente durante proceso de corte.

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Simulación numérica de erosión Metodología

•

Se requiere especificar: • La posición inicial y la velocidad de cada línea de corriente de partículas. • El diámetro de la partícula. • El flujo másico de las partículas que siguen la trayectoria de una particular individual.

Simulación numérica de erosión

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Metodología •

R

La razón de erosión esta definida:

 erosion

N particles

 p 1

m pC (d p ) f   Aface

[kg/m2s]

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Simulación numérica de erosión Metodología

• • • • • • • • •

Condiciones de frontera: Diámetro de las partículas sólidas para cada caso analizado. Presión de vapor. Temperatura de vapor. Flujo másico de vapor. Número de Reynolds. Número de Mach. Intensidad de turbulencia. Relación de flujo de vapor y flujo de partículas sólidas. Material del elemento de la turbina y material de la partícula sólida.

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Resultados de modelación numérica Tobera de turbina de vapor de 300 MW

Erosión de álabes

Álabe

Figura 3. Erosión del bloque de toberas

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Resultados de modelación numérica Tobera de turbina de vapor de 300 MW Álabe

Borde de salida

a)

Perfil modificado

b)

Figura 4. Modelo/malla computacional de la tobera original (a) y tobera modificada (b)

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Resultados de modelación numérica Tobera de turbina de vapor de 300 MW

a) b) Figura 5. Campos de velocidad para tobera original a) y tobera modificada b) en la altura de 50 % del canal de flujo [m/s]

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Resultados de modelación numérica Tobera de turbina de vapor de 300 MW

a)

b)

Figura 6. Líneas de corrientes de flujo de partículas sólidas en 2D en la altura de 50 % del canal de flujo (perfil original).

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Resultados de modelación numérica Tobera de turbina de vapor de 300 MW

a)

b)

Figura 7. Líneas de corrientes de flujo de partículas sólidas en 2D en la altura de 50 % del canal de flujo (perfil modificado escalonado).

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Resultados de modelación numérica Tobera de turbina de vapor de 300 MW

a) b) Figura 8. Contornos de razón de erosión en 3D, perfil original a), perfil modificado b), [kg/m2s].

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Resultados de modelación numérica Tobera de turbina de vapor de 300 MW

Figura 9. Detalle de líneas de corrientes de flujo de partículas sólidas en 2D en la altura de 50 % del canal de flujo (perfil modificado escalonado).

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Resultados de modelación numérica Tobera de turbina de vapor de 300 MW

• • • • •

Resumen de resultados obtenidos: La velocidad de flujo fue reducida de un 6.7 %. La razón de erosión fue reducida de un 50 %. Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos de la tobera de un 100 %. Se obtuvo una patente para el perfil modificado de la tobera. Se obtuvieron dos patentes para la rehabilitación y extensión de vida útil de las toberas de turbinas de vapor.

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

Figura 10. Daños por erosión de partículas sólidas en la válvula principal de paro de las turbinas de 158 MW.

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

Entrada radial del flujo de vapor

Superficie de trabajo de la válvula

Salida axial del flujo

Figura 11. Esquema de la disposición de la válvula en la posición abierta.

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

a) b) Figura 12. Modelo computacional/malla de la válvula, geometría original (a) y geometría modificada con la entrada tangente del flujo a la válvula 0-10° (b)

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

Figura 13. Contornos de velocidad del flujo para válvula original [m/s].

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

Figura 14. Contornos de velocidad del flujo para válvula modificada [m/s].

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

a) b) Figura 15. Contornos de presión estática para válvula original (a) y válvula modificada (b), [Pa].

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

a) b) Figura 16. Contornos de erosión en la válvula original a) y válvula modificada b), [kg/m2s].

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

Original

Modificada

0.10

Erosion Rate (kg/m²s) Razón de erosión kg/m2s

0.09

0.08

0.07

0.06

Original

0.05

Modified

0.04

0.03

0.02

0.01

0.00 0.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

Height (m)

Altura [m]

Figura 17. Razón de erosión en la superficie de la válvula [kg/m2s].

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

Resumen de resultados obtenidos: • Se obtuvo una trayectoria optimizada de las partículas sólidas y ángulos de impacto en la zona crítica de la válvula. • La razón de erosión fue reducida de un 51 %. • Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos de la válvula de un 100 %.

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Resultados de modelación numérica Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW

• Se obtuvo una patente para la geometría modificada de la válvula. • Se obtuvo una patente para rehabilitación y extensión de vida útil de la válvula

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Resultados de modelación numérica Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW Álabes L-0

Figura 18. Vista general del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW y detalle de erosión del disco del rotor.

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Resultados de modelación numérica Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

Problemática generada por erosión: • Velocidad de rotación del rotor de 3600 rpm. • Altos esfuerzos estáticos en el disco. • Concentración de esfuerzos (acción de la muesca). • Peligro de falla catastrófica del rotor/turbina con as pérdidas económicas muy considerables.

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Resultados de modelación numérica Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

• Reparación de este tipo de daños en los discos no es confiable. • Un rotor nuevo de repuesto significa un costo muy considerable (decenas de millones de pesos).

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Resultados de modelación numérica Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

Figura 19. Geometría del sello de laberinto y disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW en la configuración original.

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Resultados de modelación numérica Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

Figura 20. Geometría del sello de laberinto y disco del rotor en la configuración modificada.

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Resultados de modelación numérica Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

a) b) Figura 21. Vectores de velocidad para la geometría original a) y geometría modificada b) del disco del rotor y sello de laberinto.

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Resultados de modelación numérica

Posición m

Posición m

Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

Velocidad axial m/s

Velocidad axial m/s

a) b) Figura 22. Perfil de la velocidad axial en la salida del sello de laberinto para la geometría original a) y geometría modificada b) del disco del rotor y sello de laberinto.

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Resultados de modelación numérica Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

Resumen de resultados obtenidos • Se obtuvo una reducción de la velocidad de impacto de las partículas sólidas a la superficie del disco del rotor de un 38 %. • La razón de erosión fue reducida de un 86 %.

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Resultados de modelación numérica Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

• Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos del rotor de un 200 %. Esto significa que la vida útil del rotor llegará al período diseñado (30-40 años). • Se obtuvo una patente para el diseño modificado del sello de laberinto del diafragma de la turbina.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

a) b) Figura 23. Detalle del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW en la condición original a) y erosión del sello de laberinto b).

Resultados de modelación numérica

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Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW Flujo FLOW 95

95

D iafragm a

35

Flujo FL OW

D IA PH R A G M

32

72

R20

14

7 4 7

12

6

12

6

12

UN

R2

9

20

R6

0.64

3

47

6

9

40°

R1

0.64

3

0.64

4 7 7 4 7 7 4 7 7 4 7 R4

0

9

R1 9 5 R5

36.5

18 57.5

50

6

36°

R6

0.64

7 4 7

10

7 4 7

R2

4 7

3

35

14

6

12

6

12

6

12

6

a) b) Figura 24. Geometría original a) y geometría modificada b) del sello de laberinto entre el diafragma y el rotor de la turbina geotérmica de 110 MW con un deflector de flujo.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

Diente del sello del rotor

Diente del sello del rotor

a) b) Figura 25. Trayectorias de partículas para la geometría original a) y geometría modificada del sello.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

a) b) Figura 26. Trayectorias/velocidades de partículas para la geometría original a) y geometría modificada del sello.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW Dirección Radial

Figura 27. Trayectorias de partículas en la zona del deflector de la geometría modificada del sello.

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Resultados de modelación numérica

Posición m (m) Position

Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW 9.00E-03 8.00E-03 7.00E-03 6.00E-03 5.00E-03

Original

O

Modificado

4.00E-03 3.00E-03 2.00E-03 1.00E-03 0.00E+00 -1.00E-03

Pr 52.0162 28.533 -10

10

30

50

70

x velocity (m/s) Velocidad axial m/s

Figura 28. Comparación de velocidad axial del flujo de vapor con partículas sólidas en la zona de impacto con el primer diente del sello de laberinto considerando la geometría original y geometría modificada del sello.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW

Flujo

a) b) Figura 29. Patrón/razón de erosión en el primer diente del sello de laberinto para la geometría original a) y geometría modificada con el deflector b).

Flujo

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW Resumen de resultados obtenidos: • El deflector redujo la velocidad de flujo de vapor/partículas que impacta a los dientes del sello de laberinto. • Se incrementó el camino de flujo de vapor alrededor del deflector reduciendo el volumen del flujo que entra al sello de laberinto.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW • Se obtuvo una reducción de la velocidad de impacto de las partículas sólidas a la superficie del diente del sello del rotor de un 44%. • La razón de erosión fue reducida de un 80%. • Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos del rotor de un 200%.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW

Banda

Tetón

a) b) c) Figura 30. Erosión de tetones del álabe móvil L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW, rotor de la turbina a), tetones en estado original b), tetones erosionados c).

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW Problemática causada por erosión de los tetones: • Desintegración/pérdida de material de los tetones que unen los álabes con las bandas. • Aflojamiento de la unión de los álabes con la banda y cambio de su rigidez.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW • Desprendimiento de tetones de los álabes.

la

banda

con

los

• Posible falla catastrófica de la turbina debido a fractura de los álabes relacionada con el cambio de sus características vibratorias.

Resultados de modelación numérica

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Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW Trampa de humedad Sello

Sello

Tram pa de hum edad

C arcasa

C arcasa Tetones

Tetones Banda

B anda Á labe L-0

Prolongación

D iafragma

Diafragma Á labe L-0

Flujo principal

Flujo principal

Figura 31. Configuración original a) y configuración modificada b) del canal de flujo al entrada al álabe móvil L-0 de la turbina de 110 MW.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW

a) 65 m/s b) 55 m/s Figura 32. Contornos de velocidad en el canal de flujo original a) y modificado b), [m/s].

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW

a) b) Figura 33. Contornos de energía cinética turbulenta en el canal de flujo original a) y modificado b), [m2/s2].

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW Resumen de los resultados obtenidos: • Se obtuvo una reducción de la gradiente de presión a través del canal de flujo en zona de los tetones de álabes L-0. • Se obtuvo un incremento de flujo de vapor que pasa por el canal principal de álabes móviles L-0.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW • La velocidad del flujo de vapor húmedo con partículas sólidas que atraviesa los tetones fue reducida de un 16 %. • Se obtuvo una reducción de recirculación del flujo de vapor en zona de tetones. • La energía cinética en zona de tetones fue reducida de un 28 %. • La razón de erosión fue reducida de un 43 %.

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Resultados de modelación numérica

Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW •

Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos del rotor de un 140 %.

•

Se obtuvo una patente para el diseño modificado del canal de flujo en zona del álabe L-0 de la turbina.

•

La modificación del diseño del canal de flujo de la turbina fue implementado en la Central Geotérmica Cerro Prieto, B.C.

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW

Figura 34. Vista general del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW.

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW Cámara B

Cámara A

Figura 35. Detalle de la erosión del sello exterior de laberinto en la cámara B del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW.

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW Problemática causada por erosión del sello: • Desgaste acelerado en el muñón del rotor en la zona del sello exterior de baja presión. • Deterioro del vacío del condensador. • Caída de la eficiencia de la turbina. • Amenaza de falla catastrófica del rotor.

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW

Figura 36. Trayectorias de las partículas sólidas en el sello exterior de laberinto cámara B del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW.

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW B

A

Condiciones nominales

B A

Condiciones propuestas

Figura 37. Campos de presión absoluta estática en las cámaras del sello, [kPa].

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW B

Nominales

Propuestas

Figura 38. Perfiles de velocidad en las cámaras del sello, [m/s].

MEXICO

Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW B

Condiciones nominales

B

Condiciones propuestas

Figura 39. Perfiles de energía cinética turbulenta en las cámaras del sello, [m2s2].

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW Resumen de los resultados obtenidos: • Se obtuvo una reducción de la gradiente de presión a través del sello. • Se obtuvo una reducción de fugas de aire hacía la turbina de un 17 % y una reducción de fugas de vapor hacía zona de vacío de la turbina de un 22 % resultando en aumento de la eficiencia de la turbina.

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW •

La velocidad del flujo de vapor con partículas sólidas que entra a la cámara B del sello fue reducida de un 29 %.

•

Se obtuvo una reducción de recirculación del flujo de vapor con partículas sólidas en las cámaras del sello.

•

La energía cinética en el sello del rotor (cámara B) y la razón de erosión en la misma fueron reducidos de un 50 %.

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Resultados de modelación numérica

Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW • Se obtuvo la extensión del período entre mantenimientos del rotor de un 160%. • La modificación de las presiones en las cámaras del sello fue implementada en la Central Geotérmica Cerro Prieto, B.C.

CONCLUSIONES MEXICO

Se presentaron simulaciones y predicciones numéricas de flujo aplicando Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) para determinar las condiciones específicas que gobiernan el fenómeno de erosión por partículas sólidas de diferentes componentes críticos de turbinas de vapor. La razón de erosión depende principalmente de las trayectorias de partículas sólidas, velocidad/energía cinética turbulenta de las partículas y el ángulo de impacto de las partículas a la superficie de los componentes.

CONCLUSIONES MEXICO

Los resultados de simulaciones/predicciones indican que es posible reducir significativamente y controlar la erosión de los componentes del sistema de flujo de las turbinas de vapor modificando ciertas características geométricas de los componentes o parámetros de su operación.

CONCLUSIONES MEXICO

Reducción de la razón de erosión por partículas sólidas que afecta los componentes críticos de turbinas de vapor (toberas, álabes móviles, sellos de laberinto, válvulas, otros) resulta en grandes beneficios económicos para las Centrales Termoeléctricas en forma de extensión de períodos entre los mantenimientos o reposición de componentes, reducción de costos de operación y mantenimiento de las turbinas, extensión de vida útil de los componentes principales.

CONCLUSIONES MEXICO

Los resultados obtenidos en este trabajo enseñan que la simulación numérica puede ser aplicada como una herramienta predictiva. Los resultados de simulación numérica pueden ser utilizados como condiciones de entrada en la etapa de diseño para determinar parámetros optimizados del sistema y para incrementar la vida útil de los componentes.

CONCLUSIONES MEXICO

Algunos resultados de este trabajo fueron implementados en las Centrales Termoeléctricas confirmando los resultados de las simulaciones numéricas. La implementación de otros requiere su programación y preparación en forma de planos de manufactura detallados, especificación de materiales y procesos de manufactura, incorporándolos a los programas de mantenimientos de las turbinas en cuestión.

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