OPERACIÓN DE UNA CENTRAL TÉRMICA

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

CENTRALES ELÉCTRICAS OPERACIÓN NORMAL Y DE EMERGENCIA DE UNA CENTRAL TÉRMICA

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

OPERACIÓN NORMAL Y DE EMERGENCIA DE UNA CENTRAL TÉRMICA 1. INTRODUCCIÓN Para poder describir que debemos hacer y como tenemos que actuar frente a la operación normal y de emergencia de una central térmica basaremos este trabajo en par de ejemplos prácticos primero tomaremos como caso a la central térmica Malacas, que es una central de base que se encuentra en el departamento de Piura, ciudad de Talara, esta central se construyo para satisfacer las demandas de la puesta en marcha del complejo petroquímicos fertilizantes y craqueo catalítico, todo esto concierne a las operaciones de la empresa estatal Petroperú que opera en el noroeste de Talara, además de estas cargas también suministra energía a los poblados adyacentes de la ciudad y otras cargas mas. Para dar una idea de que potencia se está entregando a las cargas daremos algunos valores, la energía suministrada a la empresa Petroperú corresponde a un 72% de la energía total que cubre el 80% de la demanda y la restante corresponde a la demanda urbana de talara. Respecto a la central Malacas consta de 3 turbogeneradores de gas Mitsubishi Westinghouse de 18MW, que operan con una eficiencia del 20%, además consume 260 000m3/día de gas para generar 540 000 MWH/día, y opera al 70 y 75% de la potencia efectiva de los turbogeneradores. Además tiene una Potencia generada de 30 000 KW, 54 000 KW de potencia instalada y máxima demanda 26 800 KW. La operación es dual ya que puede usar gas o diesel, cuando falla el proceso con combustible a gas entra el diesel para reemplazarlo, el voltaje en bornes del generador es 13.2 KV. Entonces pues con esta monografía pretendemos describir en su totalidad una central térmica ya sea sistemas de protección en lo turbogeneradores, generadores, turbinas etc. Condiciones de operación normal y como debemos actuar cuando se presentan contingencias y como debemos hacer una operación preventiva de dicha instalación. Entonces pues sin más preámbulo pasaremos a desarrollar el tema. 1.2. DESCRIPCIÓN DEL EQUIPAMIENTO • • • • •

Tres turbogeneradores. Generador de emergencia. Sala de control remoto. Sala de interruptores. Tres subestaciones de distribución.

2.0 UNIDAD DE TURBINA A GAS • • • • • • • • •

Eje simple, ciclo abierto. Velocidad de 4913 RPM. Compresor tipo axial de 15 etapas. Sistema de combustión (cámara de combustión con 6 combustores). Turbina tipo axial de 5 etapas. Equipos auxiliares (motores de arranque diesel, 520 HP, 800 RPM) Bomba auxiliar de lubricación. Enfriador de aceite. Bomba principal de combustible.

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

2.1 CARACTERÍSTICAS • La turbina se acopla directamente al generador a través de un reductor. • El aire atmosférico es comprimido en el compresor axial. • Se suministra este aire a la cámara de combustión, ahí están los 6 combustores, donde se inyecta el combustible (gas o diesel), y se produce la combustión.

2.2 SISTEMA DE CONTROL • Está basado por un conjunto de circuitos neumáticos, hidráulicos y eléctricos, el gobernor (hidráulico) suministra aceite a las válvulas de combustible (gas o diesel) que a su vez regula la velocidad RAV. • Cuando una turbina se mantiene en reserva ya sea por mantenimiento, esta se tendrá que mantener en movimiento girando a 6 RPM (para mantener el eje alineado) y ponerlo en servicio inmediatamente cuando se requiera.

2.3 SISTEMA DE COMBUSTIBLE • En el caso de la generación con gas, este es proporcionado por la propia planta y llega con un 10.0 KG/m2, y en el caso de combustible se almacena en los tanques de almacenamiento.

2.4 SISTEMA DE AIRE • El sistema de aire es muy importante ya que usa para control y mando de válvulas de presión a gas, válvulas de arranque, transmisores, control de temporización y reguladores.

3) CURVAS CARACTERÍSTICAS

3.1) CURVA DE ARRANQUE Y PARADA PROGRAMADO Se muestra la curva característica de arranque, calentamiento, carga – tiempo, y proceso de parada programada.

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

CURVA DE ARRANQUE Y PARADA PROGRAMADA

3.2) CONSUMO ESPECÍFICO – TEMPERATURA AMBIENTE Para la operación con gas base/pico. Para la operación con diesel base/pico.

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

3.3) CONSUMO ESPECÍFICO – POTENCIA DE SALIDA El consumo especifico de calor – porcentaje de carga de la unidad.

3.4) TEMPERATURA DE GASES DE ESCAPE – POTENCIA DE SALIDA

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

3.5) POTENCIA DE SALIDA – PRESIÓN BAROMÉTRICA

4.0) GENERADORES 24.18 KVA /19.35 KW (a 13º C ) 13.2 KV ,1.058 Amp, fdp = 0.8, 60 Hz 3600 rpm excitatriz sin escobillas 250V , 85 KW

• Excitatriz → rectificador de diodos, la corriente de salida de los RAV son controlados por los transformadores de tensión y corriente. • Transformadores de excitación. • Excitación inicial → ya que es sin escobillas, es difícil conseguir autoexcitación, el RAV, suministra corriente de excitación. • Interruptor de circuito de campo (41), cuando hay falla en el generador, se desconecta la corriente de campo. • Corriente de compensación: para asegurar la operación de dos o más generadores es requisito que el voltaje generado varié en forma proporcional a la potencia reactiva del generador.

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

CURVAS CARACTERÍSTICAS

4.1) CURVA TEÓRICA DE POTENCIA - TEMPERATURA AMBIENTE

Se observa la variación de la potencia de la unidad respecto al temperatura ambiente con los dos combustibles, caso base pico y la curva capacidad del generador – temperatura

4.2) CURVA DE EFICIENCIA DEL GENERADOR

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

4.3) CURVA DE POTENCIA REACTIVA

5.0) PROCEDIMIENTOS OPERATIVOS 5.1) ARRANQUE Y PARADA a) PRUEBA DE PRE ARRANQUE (TURBINA A GAS) • Debemos ver los componentes mecánicos que han estado en mantenimiento (sistema de combustión), ver flujo grama 1. • Se debe ver que las partes reparadas se encuentren dentro de las tolerancia y especificaciones que recomienda el fabricante, además se efectúan pruebas para su comprobación como: o Lavado y limpieza del sistema de lubricación y combustible. o Confirmación de los valores de ajuste del sistema. o Efectuar las pruebas de giro lento, revisión de fugas del lubricante (combustible, detectar ruidos anormales). o Revisión de ajustes de pernos y tuercas de carcasa. • Arranque sin combustión para detectar ruido y vibraciones. • Arranque normal: revisar los comandos de operación de cada circuito de control, revisión de registros, pruebas de solvencia, transferencia de combustible y pruebas de carga.

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

GENERADOR • Después del mantenimiento, se mide el aislamiento, para prever rupturas de aislamiento en los bobinados del generador. • En nuestro caso: estator 11MΩ a 75ºC, de aislamiento mínimo. Rotor: 14MΩ a 20ºC. • La temperatura es importante ya que de acuerdo la IEEE, por la disminución de 10ºC se reduce el aislamiento 50%. PRE ARRANQUE - GENERADOR Antes del arranque, y después del mantenimiento se debe inspeccionar: • • • • •

Sistema de lubricación, limpieza, fuga y circuitos de protección. Registro de aislamiento (estator, rotor, excitatriz). Indicadores, registradores e instrumentos de protección. Prueba de gobernador, respuesta a las variaciones de velocidad y verificar el RAV. Verificación de vibraciones, ruidos y temperatura alcanzada durante el arranque.

b) SECUENCIA DE ARRANQUE Si la unidad (motor de arranque) estuvo parada un largo tiempo, debe mantenerse en giro lento por un periodo mínimo de 72h, esto es para corregir el pandeo del eje por efecto del propio peso y vencer la inercia de la masa rotativa, ver flujo grama 2. Pasos secuenciales: • Condiciones – pre arranque, debe cumplirse la condición para el arranque, se inicia el relé maestro y empezamos. • Arranque del motor de arranque, arranca por aire y después de 1 minuto de precalentamiento se acciona el embrague y comienza a girar el rotor de la turbina. • Ignición, se inicia a 1200 RPM de la turbina, previamente se abren las válvulas (asilamiento, combustible), las bujías encienden los 6 combustores, en caso contrario se dispara la unidad por fallo de ignición. • Auto control, se inicia a 2900 RPM (59%), el gobernador de la unidad asume el control accionando el servomecanismo de mando de la válvula de control de combustible. • Válvula de sangría, se mantiene abierta durante el inicio de arranque para eliminar el exceso de aire y prevenir el efecto de bombeo en el compresor, se cierra a 4100RPM. • Bomba auxiliar de lubricación, proporciona lubricación durante el arranque y queda fuera de servicio a las 4450 RPM. • Calentamiento, cuando la unidad llega a su velocidad nominal y se energiza el circuito de campo, la unidad deberá permanecer en calentamiento durante 10 minutos, después de los cuales se tendrá lista para la carga. • Carga, la unidad toma un % de carga (5%) y se impone a un régimen de 1.5 MW/min. Normalmente cuando la unidad esta en reserva deberá permanecer en giro lento siempre con lubricación de la bomba auxiliar y lista para entrar en operación en forma inmediata, el rele maestro 4 da la señal “listo para el arranque”. Todos los elementos están en posición automática para que sean energizadas mediante el circuito de control eléctrico – hidroneumático, son los que dan señales a las válvulas.

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

C) PARADA La reducción de carga deberá ser graduado 1.5 MW/min y un periodo de enfriamiento de 10 minutos, si es de emergencia se elimina este tiempo.

PROCEDIMIENTO OPERATIVOS FLUJO GRAMA 1 PRE-ARRANQUE, TURBINA A GAS ver COMPONENTES MECANICOS, sist de lubricacion las PARTES REPARADAS DENTRO DE LOS LIMITES como lavado y limpieza

ver

SISTEMA DE LUBRICACION

efectuar pruebas GIRO LENTO, FUGAS DE COMBUSTIBLE

AJUSTES DEL SISTEMA

ARRANQUE SIN COMBUSTION

para

RUIDOS, VIBRACIONES

REVISAR LOS COMANDOS DE OPERACION DE CADA CIRCUITO

ARRANQUE NORMAL

FLUJO GRAMA 2

revision PERNOS TURCAS DE CARCAZA

MANTENIMIENTO DE AISLAMIENTO despues PRE-ARRANQUE GENERADOR inspeccion sistema de lubricacion, limpieza, fugas

registro de aislamiento

prueba de gobernor

verificaciones de vibracion ver

estator, rotor, excitatriz

ver ruidos

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

temperatura alcanzada durante el arranque

instrumentos de proteccion

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

SECUENCIA DE ARRANQUE motor de arranque, gira minimo 72 horas

motor de arranque

despue s de 1'

turbina

abren valvulas de aislamiento ignicion, 1200RPM

bujias encienden a los combustores

disparo

caso contrari o

inicia autocontrol, 1200RPM

valvula de sangria

cerrada

abierta durante el arranque

a 4100RPM

bomba auxiliar de lubricacion da

fuera a

durante el arranque

4450 RPM

unidad llega a Vnominal

se

energiza circuito de campo

perman ece en calentamiento listo para la carga

toma 5% de carga a un regimen de 1.5 MW/min

ojo

la secuencia para la parada normal es igual, salvo a una de emergencia donde se elimina el periodo de 10' de enfriamiento

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

5.2) CONDICIONES DE OPERACIÓN a) TURBINA A GAS TEMPERATURAS • La turbina a gas opera Tmax=788 ºC para carga base y 816 ºC para carga pico, se les controla con transductores a la salida del combustor y entrada de la turbina, mejor es medir, los gases de escape. • Durante el arranque no se debe exceder 700 ºC en la salida del combustor y 460 ºC en los gases de escape. • En operación, se tiene: combustores 900 ºC. Gases de escape 460 ºC. • Temperatura de los combustores: la variación de temperatura entre combustores no debe excederán 15 ºC del promedio de las lecturas.

FACTORES QUE AFECTAN LA VIDA ÚTIL DE LAS PARTES PRINCIPALES DE LA UNIDAD TURBINA A GAS a) tipo de combustible, asociado con: • Energía radiante en el proceso de combustión. • Capacidad de atomización del combustible (el gas no lo tiene). • Gas natural (bajo valor de energía radiante y no necesita atomización). b) frecuencia de arranque • Los bruscos ciclos térmicos producidos durante el arranque y parada, origina acortamientos en la vida útil. c) ciclos de carga • Debido a los cambios rápidos de carga. d) falta de mantenimiento • Mayormente en inyectores, deterioro de combustores, alabes y diafragma de la turbina. B) GENERADOR Y SISTEMAS ELÉCTRICOS • Voltaje en terminales: opera a 95 – 105% de la velocidad nominal a potencia nominal y frecuencia nominal, un aumento en la tensión conduce a un aumento en el flujo y perdidas en el núcleo, entonces todo esto conduce a un incremento de temperatura, también la corriente de campo incrementa hasta la saturación, si opera a una tensión menor a la tensión nominal a potencia constante entonces la corriente del estator aumentando la temperatura del bobinado.

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

• Frecuencia: opera a (95 - 105)% de la frecuencia nominal a velocidad nominal y potencia nominal, cuando disminuye la frecuencia a tensión nominal la corriente de campo incrementa lo cual causa disminución en las capacidades de enfriamiento. • Sobrecarga: produce un aumento de temperatura, acortando un la vida del aislamiento del generador, la limitación de sobrecarga está limitada por la corriente del estator más que la corriente de campo. Si hay cortocircuito trifásico, la unidad está diseñada para soportar por 30 s la corriente de cortocircuito. • Desbalance continua: fluirán corrientes de secuencia negativa en la bobinas estatoricas, causando campo rotativo inverso a la misma velocidad y se induce corrientes parasitas de doble frecuencia en la superficie del rotor y cuña. • Cortocircuito des balanceado: debido a la fallas línea a línea que son las más severas, y las fallas línea a tierra lo que genera corrientes de secuencia negativa deteriorando en el rotor.

6.0 SISTEMA DE PROTECCIÓN 6.1) UNIDAD DE TURBINA A GAS 6.12) durante el arranque: las respuestas anormales son las siguientes: • a) válvula de sangría: permanece abierto desde el inicio del arranque hasta 4000 RPM, para eliminar el exceso de aire que podría causar el efecto de bombeo en el compresor. • b) sistema de embriague: Controla que exista la presión de aire y aceite suficiente en el sistema de embrague. • c) Válvula de sobre velocidad: Actúa cuando existe sobrepresión de aceite, señal proporcionada por la bomba principal de lubricación, como consecuencia de la sobre velocidad de eje 110% Vn. • d) Temperatura de aceite: son los que controlan la temperatura de lubricación o para detectar un problema en los cojinetes. • e) Alta vibración: se mide sobre el eje (pico a pico). • f) Aire de control: el aire de control es suministrado a 3.8 Kg/cm2. y el interruptor de presión esta ejecutado a 2.8 Kg/cm2. • g) Alta presión de aceite: cuando la bomba principal da 9.5 Kg/cm2 para gobernador, válvula de aislamiento, válvulas de control, después de la ignición se dispara la unidad. • h) Presión de combustible: si hay presión de → gas 80ºF. La unidad funciona a una velocidad inferior a la velocidad de ignición. El commutador de marcha segura esta en posición RUN (marcha). El dispositivo de arranque esta en AUTO. La turbina esta en rotación lenta. La presión de aire de instrumento es normal. Ambas unidades de procesamiento distribuido (DPU) están funcionando. El rele maestro esta activado. No existe ninguna condición de disparo.

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

9.0) ORDEN DE LA PUESTA EN MARCHA a) PRECAUCIONES • Consiste en una aceleración de la unidad hasta la velocidad de ignición por medio de un motor de arranque de aproximadamente 90 s, segundo por un intento de ignición de combustible (fuel oil) de 30 s, si resulta exitoso la ignición, se continua la aceleración de la turbina y del grupo electrógeno, con la ayuda del motor de arranque a 2304 RPM, esta velocidad se corta la corriente al motor de arranque y se des energiza del mismo.ç b) PUESTA EN MARCHA Y CARGAS AUTOMÁTICAS • La pantalla overview (vista general) informa al operador de que la serie principal, ha sido puesta en el conjunto de programas, la serie principal inicia la secuencia de puesta en marcha. • El motor de arranque es excitado y la turbina principia a acelerar a una velocidad superior a la velocidad del motor de giro. • Los alabes guias (convierten la energía del calor y presión de gases calientes en enrgia cinetica ) de la turbina de entrada se abren a los 22º sexagesimales. • Se pone en marcha la bomba de aceite lubricante auxiliar de C.C.(durante 10s). • La turbina se acelera a la velocidad de ignición. • El flujo de combustible de ignición circula por una válvula asociada a la válvula de ignición. • Comienza la curva ascendente de combustible tan pronto como se establece la llama. CURVA DE ARRANQUE

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

listo para el arranque puesta en marcha teclado (panel de control) motor de arranque energizado aceleceracion de turbina V>Vgiro

se hace una grafica

pantalla overview

IGV 22º abierto

se pone en marcha la bomba de aceite C.Continua ON, t=10s

establecimie nto de la presion

no

alarma

si valvula solenoide OST energizado aceleracion de turbina hasta V=Vignicion

Tamb=-10a 110ºF Velc Ign=617 a 770 rpm

posicionar ignitores en combustores

valvula aisladora de combustible abierta

debe haber propagado la llama en cada combustor deteccion de llama?

disparo

no

ok monitor aceleracion de turbina t=20s

velocidad 1400rpm nivel de aceleracion baja, extrabaja?

V=2304rpm motor de arranque OFF

si

baja: alarma extrabaja: disparo

aceleracion turbina has ta Vsincrona

1

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

1

V=3205rpm, secuencia de arranque

toma

control de velocidad

V=3275rpm IGV cierra 37º V=3312rpm commutacion listo para el arranque/operacion interruptor de excitacion cerrado

V=3330rpm valvula purga cierra el comrpresor sincronizador automatico aca se sincroniza la unidad

sincronizador igual velocidad, igual tension

no

alarma

si cierre interruptor del sistema

carga minima

control de carga

aumenta carga por pulsadores o teclado grafico P

velocidad minima

temperatura

raise/lower

carga base

carga parcial

limite de temperatura

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

sincronizacion manual seleccionamos el manual SYNCH

regula voltaje raise/lower

regular velocidad

13.8 KV Vgen=Vsist

60 Hz Fgen=Fsist

posicion 12 manecilla sincronoscopio cierra el disyuntor encendido luces de sincronizacion

sincroaceptor igual voltaje, igual frecuencia

cerrar interruptor del sistema tomamos carga minima

aumento de carga speed/raise

HEBERTH ALFREDO MAMANI HERRERA

FIEE - UNI

CENTRALES ELÉCTRICAS I

EE315

limitaciones de cambio de carga

control protector se aplica un limitador brusca / regimen de carga

condiciones carga

carga reducida

maximo dp