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ANANÁÁLISIS Y CONTROL DE EROSILISIS Y CONTROL DE EROSIÓÓN POR N POR PARTPARTÍÍCULAS SCULAS SÓÓLIDAS EN LOS LIDAS EN LOS
ELEMENTOS DEL SISTEMA DE FLUJO ELEMENTOS DEL SISTEMA DE FLUJO DE TURBINAS DE VAPORDE TURBINAS DE VAPOR
Dr. Dr. ZdzislawZdzislaw
Mazur Mazur CzerwiecCzerwiec
MEXICO
Contenido de la presentación
1.
Resumen ejecutivo2.
Introducción
3.
Simulación numérica de erosión de los componentes principales de turbinas de vapor
4.
Conclusiones
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.
MEXICO
Resumen Ejecutivo
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.
MEXICO
Resumen Ejecutivo
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.
MEXICO
Resumen Ejecutivo
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.
MEXICO
Resumen Ejecutivo
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 lo
s
mantenimientos o reposición de componentes, reducción de costos de operación y mantenimiento de las turbinas, y extensión de vida útil de los componentes principales.
MEXICO
Resumen Ejecutivo
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
MEXICO
Introducción
9 0 º 6 0 º 3 0 º
1 R
azón
de
eros
ión
norm
aliz
ada
Á n g u lo d e im p a c to d e la s p a r tícu la s
Figura 1. Datos experimentales de la erosión en función de ángulo de impacto de las partículas
sólidas.
β1 β2
V1 V2
MEXICO
Introducción
V elo c id a d d e p a rtícu la s p ie s /s
Ero
sión
lbm
ater
ial/l
b par
tícul
as x
106
Figura 2. Datos experimentales de la erosión en función de velocidad de partículas en turbinas geotérmicas.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
Introducción
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.
MEXICO
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).
MEXICO
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.
MEXICO
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.
MEXICO
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
MEXICO
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.
MEXICO
Simulación numérica de erosión
Metodología
• Se requiere especificar:•
La posición inicial y la velocidad de cada líneade corriente de partículas.
•
El diámetro de la partícula.•
El flujo másico de las partículas que siguen latrayectoria de una particular individual.
MEXICO
Simulación numérica de erosión
Metodología
• La razón de erosión esta definida:
particlesN
p face
pperosion A
fdCmR
1
)( [kg/m2s]
MEXICO
Simulación numérica de erosión
MetodologíaCondiciones 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.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Tobera de turbina de vapor de 300 MW
Álabe Erosión de álabes
Figura 3. Erosión del bloque de toberas
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Tobera de turbina de vapor de 300 MW
a) b)
Álabe
Borde de salida Perfil modificado
Figura 4. Modelo/malla computacional de la tobera original (a) y tobera modificada (b)
MEXICO
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]
MEXICO
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).
MEXICO
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).
MEXICO
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].
MEXICO
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).
MEXICO
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.
MEXICO
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.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW
Entrada radial del flujo de vapor
Salida axial del flujo
Superficie de trabajo de la válvula
Entrada radial del flujo de vapor
Salida axial del flujo
Superficie de trabajo de la válvula
Figura 11. Esquema de la disposición de la válvula en la posición abierta.
MEXICO
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)
MEXICO
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].
MEXICO
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].
MEXICO
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].
MEXICO
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].
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Válvula principal de paro de la turbina de vapor de 158 MW
0.00
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.10
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
Height (m)
Eros
ion
Rat
e (k
g/m
²s)
OriginalModified
Altura [m]
Raz
ón d
e er
osió
n kg
/m2 s
Original Modificada
Figura 17. Razón de erosión en la superficie de la válvula [kg/m2s].
MEXICO
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 %.
MEXICO
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
MEXICO
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.
MEXICO
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 muyconsiderables.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW
• Reparación de este tipo de daños en losdiscos no es confiable.
• Un rotor nuevo de repuesto significa uncosto muy considerable (decenas demillones de pesos).
MEXICO
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.
MEXICO
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.
MEXICO
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.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión del disco del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW
Velocidad axial m/s
Posi
ción
m
Velocidad axial m/s
Posi
ción
m
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.
MEXICO
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 %.
MEXICO
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.
MEXICO
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).
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW
14
12 6 12 6 12 66
95
4 7 7 4 7 7 4 7 7 4 7
0.64
9
3
0 .64
10
D IAPHRAGM
UN
FLOWDiafragm a Flujo
14 72 3
920
57.5
36.5 18
9
47
12 6 12 6 12 6
50
6
3
0.64
95 35
32
R2
R6
40°
R19
R10R55 R6R4
R20
3536°
R2
4 7 7 4 7 7 4 7 7 4 7
0.6 4
FLOWFlujo
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.
MEXICO
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.
MEXICO
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.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW
DirecciónRadial
Figura 27. Trayectorias de partículas en la zona del deflector de la geometría modificada del sello.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW
52.0162
28.533-1.00E-030.00E+001.00E-032.00E-033.00E-034.00E-035.00E-036.00E-037.00E-038.00E-039.00E-03
-10 10 30 50 70
x velocity (m/s)
Posit
ion
(m)
OPr
Velocidad axial m/s
Posic
ión
m
Original
Modificado
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.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión de los dientes del sello de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 110 MW
Flujo 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).
MEXICO
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.
MEXICO
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%.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW
Tetón
Banda
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).
MEXICO
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.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW
• Desprendimiento de la banda con los tetones de los álabes.
• Posible falla catastrófica de la turbina debido a fractura de los álabes relacionada con el cambio de sus características vibratorias.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión de los tetones de los álabes L-0 de la turbina geotérmica de 110 MW
Álabe L-0
Banda
Tetones
Carcasa
Sello
Trampa de humedad
Diafragma
Flujo principal
Álabe L-0
Banda
Tetones
Sello Carcasa Trampa de humedad
Diafragma
Flujo principal
Prolongación
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.
MEXICO
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/sFigura 32. Contornos de velocidad en el canal de flujo original a) y
modificado b), [m/s].
MEXICO
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].
MEXICO
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.
MEXICO
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 %.
MEXICO
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.
MEXICO
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.
MEXICO
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.
MEXICO
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 enla 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.
MEXICO
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.
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW
Figura 37. Campos de presión absoluta estática en las cámaras del sello, [kPa].
A
A B
B
Condiciones nominales
Condiciones propuestas
MEXICO
Resultados de modelación numérica
Erosión del sello exterior de laberinto del rotor de la turbina geotérmica de 25 MW
Nominales
Propuestas
B
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
Condiciones nominales
Condiciones propuestas
B
B
Figura 39. Perfiles de energía cinética turbulenta en las cámaras del sello, [m2s2].
MEXICO
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.
MEXICO
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 %.
MEXICO
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.
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CONCLUSIONES
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.
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CONCLUSIONES
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.
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CONCLUSIONES
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.
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CONCLUSIONES
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.
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CONCLUSIONES
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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MUCHAS GRACIAS