TURBOEXPANSORES

REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL

“RAFAEL MARÍA BARALT”PROGRAMA INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

PROYECTO INGENIERÍA DE GAS

Altagracia, Septiembre de 2012

Bachilerres:

1.-TURBOEXPANSORES

Los turboexpansores son turbomáquinas destinadas a disminuir la presión

y la temperatura de los gases, aumentando su volumen para así poder licuarlos o

condensarlos, este dispositivo convierte la energía de la presión de gas en trabajo

útil el cual es aprovechado en forma de trabajo producido para generar potencia.

El trabajo es extraído por un compresor centrífugo que es ayudado por un

“Re-Compresor” que aumenta la corriente del gas después de que se hayan

extraído los líquidos condensados de LGN (Las ruedas del Expansor y del

compresor están unidas por los extremos de un eje común.) Esta combinación del

expansor y del compresor en una sola máquina conocida por una variedad de

nombres, con Expander/Compressor, ExpanderBrake-Cornpressor y

Expander/Booster-Compressor siendo la más común. El Expander/compressor

(compresor Expansor) el cual es el corazón de las plantas criogénicas.

En general la palabra turboexpansor o simplemente expansor es utilizada

para hacer referencia al sistema completo, formado por la turbina en si donde se

produce la expansión propiamente dicha del fluido y el compresor asociado sobre

el mismo eje que es la carga, empleado para comprimir algún fluido del proceso.

Cuando la potencia a extraer no es significativa suele usarse directamente

un freno hidráulico como carga, en ese caso la energía se disipa en

aeroenfriadores perdiéndose al medio. Hay distintos tipos de expansores pero los

que más se usan son los radiales de reacción, turbina centrípeta que ha permitido

cubrir una extensa gama de aplicaciones vedadas hasta ese entonces en otro tipo

de turbinas, en particular en el caso de la criogenia.

Los turboexpansores se usan normalmente en procesos de gas natural que

tienen altas presiones de alimentación (más de 400 psig), productos con

alimentación variable y donde se desea una gran cantidad (mayor de 30%) de

recuperación de etano. Consisten en juegos alternados de toberas y álabes

rotativos a través de los cuales el vapor o gas fluyen en un proceso de Expansión

estable. El turboexpansor se utiliza también para convertir la energía de una

corriente de gas que se expande en un trabajo mecánico.

El uso del turboexpansor, sin embargo, no elimina la necesidad de la

válvula de expansión Joule Thompson que se usa en los sistemas convencionales

de refrigeración.

2.-CARACTERÍSTICAS DE LOS TURBOEXPANSORES O TURBINAS

RADIALES DE REACCIÓN.

En este tipo de turbina parte es expandido en las toberas ingresando el

gas tangencialmente al rotor, combinando la velocidad del fluido radial con la

velocidad periférica del rotor de modo de que no halla un choque con las paredes,

permitiendo trabajar como se mencionó anteriormente con parte del fluido en

estado líquido. En general este tipo de máquina no es utilizada por los

inconvenientes de la adaptación en multietapas.

Otra particularidad importante es el diseño de las toberas móviles las

cuales permiten trabajar con eficiencia en una amplia gama de presiones y

caudales adaptando su forma según sea las condiciones de carga.

La capacidad de trabajar con fase líquida las hace aptas en el uso de la

energía geotérmica por ejemplo.

3.- PROCESO DE REGRIFERACION POR EXPANSION REFRIGERACIÓN

EXTERNA O MECÁNICA:

La refrigeración es el proceso más directo para la recuperación de

líquidos, en la cual la refrigeración externa o mecánica es proporcionada por un

ciclo de expansión–compresión de vapor, que generalmente utiliza al propano

como agente refrigerante.

Refrigeración mecánica o externa (ciclo del propano)

EXPANSIÓN JOULE – THOMPSON: En la expansión Joule – Thompson el

gas pasa primero por un intercambiador de calor para recibir un pre-enfriamiento,

y posteriormente a través de una válvula de expansión o estrangulador. Esta

expansión es un proceso isoentálpico donde la caída de presión genera una

disminución de temperatura, cual provoca una separación de los líquidos

condensables.

Generalmente en este tipo de proceso, el gas debe comprimirse para alcanzar la

presión requerida para su transporte.

4.- TURBINAS DE EXPANSIÓN O EXPANSIÓN CRIOGÉNICA:

En este proceso, el gas se hace pasar a través de una turbina de

expansión. Es esta misma expansión del gas la que genera potencia a través de

una flecha, reduciendo de esta manera la entalpía del gas. Esta disminución de

entalpía provoca una mayor caída de presión que en las válvulas de expansión,

con lo que se alcanzan menores temperaturas, y por lo tanto, una mayor

recuperación de líquidos. Este proceso se ha vuelto muy popular debido a su

relativo bajo costo y simplicidad. La temperatura final que se alcanza en la salida

depende de la caída de presión, de la cantidad de líquidos recuperados y de la

potencia alcanzada en la flecha.

Esta potencia se puede utilizar para impulsar un compresor o cogenerar energía

eléctrica.

EXPANSOR-COMPRESOR: Los procesos de compresión provocan aumento

en la presión. Dispositivos como el compresor y la bomba son diseñados para este

propósito, son usados para el transporte de fluido o para preparar la materia prima

a condiciones requeridas de proceso. Para el caso de la expansión de un gas se

debe pasar de una presión alta a una baja.

En el lapso de este cambio se puede obtener trabajo de la corriente de gas, como

es el caso de la turbina, pero también es posible disminuir la presión por un

proceso de estrangulamiento sin lograr trabajo tal como ocurre en una válvula. En

la compresión se considera dos casos, el isotermo y el adiabático. Para una

compresión isoterma el trabajo de flecha es:

W*S=* RTLnP*2*/P*1*

Donde:

WS: Es el trabajo de flecha.

R: Constante universal de los gases.

T: Temperatura.

P1: Presión de succión.

P2: Presión de descarga.

Esta ecuación también se refiere a la expansión de un gas ideal debido a que:

PV*=*RT

Donde:

P: presión.

V: volumen.

Para un proceso de compresión adiabático se tiene la ecuación:

WS=* *Δh* =*Cp* (*T*2-*T*1*)

Donde:

Δh: Cambio en la entalpia.

Cp: Capacidad calorífica.

T2: Temperatura de descarga.

T1: Temperatura de succión.

COMPRESIÓN: Para una compresión de camino isotermo requiere menos

trabajo que el camino adiabático. Tal como se observa en la figura 3.1 donde el

área bajo la curva de la isoterma es menor comparado con el que se tendría si se

llegara a la línea adiabática.

Ambos caminos se consideran reversibles para un gas ideal de P1 a P2. El

camino de una compresión real se sitúa entre estos dos límites pero es más

cercano al adiabático.

Sin embargo al comprimir en etapas con un enfriamiento a presión

contante entre cada paso, es posible, al menos en principio alcanzar el camino

isotermo.

En las compresiones reciprocantes se sugiere utilizar varias etapas de

compresión cuando la relación entre la presión de descarga con respecto a la de

entrada es muy grande usualmente se diseñan con una razón entre 4 a 6 por

etapas (kyle 1984).

EXPANSIÓN: Hay dos razones de importancia para expandir gases:

Obtención de trabajo.

Producción de temperatura más baja en el proceso, como en el caso de

licuefacción y la refrigeración.

En ambos casos el gas es capaz de producir trabajo, pero para el caso de

la licuefacción el énfasis es en la obtención de una temperatura baja. Un ejemplo

de esto es un proceso de estrangulamiento adiabático (Δh= 0) que disminuye la

temperatura del gas, pero no produce trabajo. En el otro extremo está la turbina

que puede extraer casi el 85% de trabajo máximo disponible de una corriente de

alta presión y temer atura.

Para obtener el máximo trabajo de la expansión de gas se prefiere un

proceso isotermo sobre el adiabático.

En una expansión multietapas con calentamiento en cada etapa sería

posible alcanzar el proceso isotermo cuando cada etapa operara adiabáticamente,

sería bueno usar el camino isotermo, cuando sea maximizar el trabajo que se

puede obtener.

Las eficiencias para la turbina son definidas de maneras análogas a la de los

compresores.

* N*t*=*Trabajo real entregado

* RT1*Ln P*1*/P*2 *

Donde:

Nt= Eficiencia isoterma de expansión.

R= Contante universal de los gases.

P1= Presión de succión.

P2= Presión de descarga.

La licuefacción se usa para disminuir el volumen de almacenamiento como

en el caso del gas natural, en proceso de separación de O2 y N2 del aire. De igual

manera la licuefacción se usa para estudiar propiedades de materiales a bajas

temperaturas.

El régimen criogénico comprende temperaturas por debajo de los -100 °F.

Las temperaturas criogénicas se obtienen por la evaporación rápida de los líquidos

volátiles o por la expansión de gases confinados a presión de en 350 a 200

atmosferas. La expansión puede darse a través de una región de menor presión.

Muchos procesos han desarrollados y son usados para licuar gases. Los

procesos de refrigeración están constituidos de manera similar, difieren de los

procesos de licuefacción en que estos son cíclicos y el fluido de trabajo

generalmente permanece a una temperatura más baja que su temperatura critica.

Todos los sistemas criogénicos consisten en un compresor, un

intercambiador y un expansor. Hay dos métodos básicos para producir frio ambos

son procesos que manejan gases y hacen uso de el hecho de que el calor

compresor se transfiere al ambiente y el gas es entonces expandido y enfriado.

EXPANSIÓN ADIABÁTICA: El segundo método para producir frio es la

adiabática o isoentropica la figura 3.7 muestra el ciclo Claude donde un gas

comprime de 30 a 50 Bar y el calor es removido por un intercambiador luego pasa

por un calentador. Una porción de gas a presión alta se regresa o envía a una

turbina donde el cambio en entropía es cero y se expande produciendo energía

mecánica. El enfriamiento se produce por un expansor y una válvula.

5.- EVALUACIÓN TERMODINAMICA:

Todos los procesos reales de gases, sean estos ideales o no, son

irreversibles hasta cierto punto. Sin embargo, es necesario suponer la

reversibilidad para poder ilustrar un proceso de expansión en un diagrama

termodinámico. En la figura 4 se ilustra un ejemplo típico de expansión, tanto en

forma de diagrama de presión y temperatura como expresado como un diagrama

de temperatura y entropía.

En estos diagramas, se puede suponer que el gas se encuentra en un

estado definido por el punto 1, con una presión P1,un volumen especifico V1, una

temperatura T1, una entalpia H1, y una isoentropia S1, todo ello corresponde al

estado 1. El punto 2 representa el punto final o terminal en una expansión

isoentropica, y la trayectoria de 1 a 2 representa la sucesión de etapas por la cual

el gas pasara a dilatarse, sin que se registre una transmisión de calor en una

maquina reversible. Una expansión irreversible real a partir del punto 1 concluirá

en algún punto, como por ejemplo 2, que tiene la misma presión que prevalece en

2; pero con temperatura, entalpia y entropía altas. Si la expansión a partir del

punto 1 se extendiera hasta una presión inferior a P2, terminando en el punto 3,

habría entrado en la región bifásica bajo la curva de saturación, dando como

resultado una condensación parcial del gas. Si el gas es dilatante fuera una

mezcla en lugar de un componente puro, también se registraría un cambio de

composición como resultado de la condensación.

La relación de calor, trabajo y energía para un expansor se expresa,

utilizando la primera ley termodinámica como sigue:

*H2 *- H*1*= Q - W

En donde:

H2: entalpia del fluido que entra al expansor

H1: entalpia del fluido que sale del expansor

Q: calor transferido al fluido

W: trabajo realizado por el fluido (trabajo útil mas perdidas mecánicas)

Un expansor bien aislado con una velocidad de gasto normal, será casi adiabático

y se puede suponer que Q es igual a 0, lo cual da la expresión fundamental para

un trabajo ejecutado por el gas:

W= -ΔH

El trabajo realizado por cualquier gas en expansión adiabática, es igual que

el cambio real de entalpia de gas, esta ecuación se aplica tanto en los gases

reales como ideales, así como en procesos reales y reversibles. Si la expansión es

también isoentropica, el trabajo ejecutado se define como trabajo isoentropico WS.

Esta cantidad sirve como base para definir la eficiencia isentropica ES.

{ ES= TRABAJO REAL = -ΔH = H2 - H1

WS H2 - H1

En donde:

H1: entalpia inicial

H2: entalpia final después de la expansión isentropica

Se puede usar la eficiencia isentropica o la politropica para cálculos del

expansor, a condición de que se utilicen ecuaciones congruentes a lo largo de las

operaciones (Jekat, correspondencia particular).

El uso de la eficiencia isentropica ofrece el método más sencillo para

calcular el funcionamiento de un expansor, cuando se dispone de la grafica de

mollier, ya que (H2- H1) se puede leer directamente en la misma. Para mezclas

complejas de gas para las cuales no existe graficas de mollier, se recurre

habitualmente al análisis politropico o al isentropico. Se encontrara una

descripción detallada de los cálculos de funcionamiento del turboexpansor en

adabie.

Los turboexpansores de flujo radial hacia adentro se diseñan para manejar

cantidades relativamente grandes de condensación, con una pérdida muy

pequeña de eficiencia.

6.- ANÁLISIS DE FALLAS Y POSIBLES SOLUCIONES:

Fallos en cojinetes: Los cojinetes son unos elementos esenciales, ya que es ahí

donde va apoyado el rotor y por tanto todo el sistema, también nos evitan los

desplazamientos hacia delante o detrás del sistema, ya que la turbina provoca un

empuje. Se utilizan cojinetes antifricción ya que los rodamientos no aguantarían el

peso de semejante sistema, los cojinetes tienen una capa de un metal llamado

Babit, que permite girar al rotor con un rozamiento muy pequeño, pero es un metal

muy delicado que hay que cuidar para evitar su degradación y por tanto el

comienzo de posibles problemas. Los posibles fallos que se pueden dar en esta

pieza son los siguientes:

Desplazamiento axial excesivo

Fallos en la lubricación

Desgaste del material antifricción

Golpes y daños en material antifricción

Problemas de lubricación

Fallos en álabes: El fallo en los álabes es un muy delicado, estos están

sometidos a esfuerzos y cargas térmicas muy grandes, todo ello girando a altas

velocidades, lo que puede provocar que pequeños defectos en su superficie se

hagan importantes al poco tiempo, pudiendo llegar a romperse el alabe y

provocando un gran desastre en el interior de la turbina, a continuación a exponer

algunos de los más importantes:

Impactos

Fisuras

Rotura por velocidad crítica

Pérdida de recubrimiento cerámico

Obstrucción de orificios de refrigeración

Corrosión

Erosión

Roces

Deformación por fluencia térmica

Sobre temperatura

Fallos de control y de la instrumentación : La probabilidad de fallo es estable

en toda la vida del equipo, pero hay veces que todo el sistema puede estar

funcionando bien, pero que sean los sensores que nos tendrían que indicar los

fallos los que estén funcionando mal, y nos estén dando falsos fallos que nos

podrían hacer parar la central y a la hora de ir a ver la avería ver que todo está

correcto y que ha sido un fallo del sensor que como todo se puede estropear, por

lo que para evitar estas falsas alarmas se utiliza el sistema 2 de 3, esto es,

tenemos 3 sensores para controlar la misma cosa, solo en caso de que 2 de esos

3 sensores nos adviertan de fallos debemos hacerlos caso, ya que puede ser que

si solo fuese uno podría estar averiado.

Existen determinados factores aumentan la probabilidad de fallo como son:

Temperatura

Humedad

Polvo y suciedad

Tensión de alimentación

Los fallos más habituales en el sistema control podemos destacar los

siguientes:

Sensores de temperatura.

Sensores ópticos.

El fallo más grave en control es el fallo del PLC, un autómata encargado de

control, por lo que para mitigarlo en la medida de lo posible se debe hacer:

El PLC debe ser redundante.

Toda la instrumentación (incluidos sensores, transmisores y tarjetas de bus

de datos) debe tenerse en stock en la planta

Revisión anual

Si se realizan todas las actividades que se detallan en esta lista, en

realidad se están eliminando todas las causas que provocan las averías más

frecuentes. Si se compara esta lista de tareas con la lista de averías más

frecuentes se puede comprobar que esta revisión está orientada a evitar todos los

problemas habituales de las turbinas. La razón de la alta disponibilidad de estos

equipos cuando se realiza el mantenimiento de forma rigurosa es que realmente

se está actuando sobre las causas que provocan las principales averías.

Analizador de vibraciones

Análisis del espectro de vibración de turbina, reductor y alternador, a

distintas velocidades y en aceleración: Se verifica así la posible ausencia de

problemas en cojinetes, el estado de la alineación y el equilibrado de los tres

equipos. Es importante tener en cuenta que es mucho más adecuado realizar el

análisis con los detectores de posición del eje con los van equipados las turbinas,

en vez de hacerlo con sensores tipo ‘acelerómetro’ que se instalan en la carcasa.

Inspección boroscópica de álabes: Con esta tarea se comprueba el estado de

los álabes, las posibles incrustaciones que puedan haber aparecido en la

superficie de éstos y defectos en algunos de ellos, por roces o impactos

Apertura de cojinetes y comprobación del estado: Cambio de cojinetes si

procede. La mayor parte de los cojinetes pueden cambiarse o revisarse sin

necesidad de abrir el turboexpansor. Esto garantiza un funcionamiento ausente de

vibraciones causadas por el mal estado de los cojinetes de apoyo o empuje.

Cambio de aceite, si procede (según análisis): Si es necesario se sustituye el

aceite, pero no es habitual cambiar el aceite de forma sistemática sin haber

detectado síntomas de que está en mal estado. Esta acción evita trabajar con un

aceite en mal estado y garantiza la ausencia de problemas de lubricación.

Cambio de filtros de aceite: Esto garantiza el buen estado del aceite y la

filtración de partículas extrañas.

Comprobación de pares de apriete de tornillos: El apriete de los tornillos de

sujeción a la bancada y los tornillos de la carcasa, entre otros, deben ser revisado.

Esto evitará, entre otros, problemas de vibraciones debidos a un deficiente

anclaje.

Calibración de la instrumentación: Muchas de las señales incorrectas y

medidas falsas que provocarán un mal funcionamiento del turboexpansor pueden

ser evitados con una calibración sistemática de toda la instrumentación.

Comprobación de la presión del vapor de sellos: La presión de sellos debe

estar regulada a una presión determinada, ni más ni menos. Una menor presión

hará que el vapor escape al exterior, se pierda energía y se puedan provocar

algunos daños (en algunos casos la contaminación del aceite, al entrar ese vapor

en el cojinete, que suele estar muy cerca; en otros, puede afectar a algún sensor

de medida no preparado para recibir el vapor caliente).

Mala calidad del aceite: El aceite lubricante, con el tiempo, pierde algunas de

sus propiedades por degradación de sus aditivos y se contamina con partículas

metálicas y con agua. La presencia de agua, de espumas, la variabilidad de la

viscosidad con la temperatura, el cambio de viscosidad en un aceite degradado

suelen ser las causas que están detrás de una vibración provocada por la mala

calidad del aceite. De ellas, es la presencia de agua la más habitual, por lo que el

análisis periódico del aceite, el purgado de agua y la reparación de la causa que

hace que el agua entre en el circuito de lubricación son las mejores medidas

preventivas .

Mal estado de cojinetes: Los cojinetes están recubiertos de una capa de

material antifricción, que es la que se pierde. Por esta razón, es necesario medir

periódicamente las holguras entre eje y cojinetes, y el desplazamiento del eje,

para comprobar que los cojinetes aún están en condiciones de permitir un

funcionamiento correcto del turboexpansor. Estas tolerancias están indicadas

siempre en el libro de operación y mantenimiento que el fabricante entrega, y es

necesario respetar los intervalos de medida de estas holguras y el cambio si esta

comprobación revela la existencia de un problema. El adecuado mantenimiento

del sistema de lubricación contribuye de una manera innegable a alargar la vida de

estos cojinetes, y de la misma forma, un mantenimiento incorrecto del aceite, sus

presiones y sus caudales provocan una degradación acelerada de éstos.

7.- PRINCIPIO DE LUBRICACION

La lubricación implica el simple llenado manual de los recipientes de aceite

o los de grasa, o bien, la aplicación a presión de lubricante en los adiamientos, o

bien, la lubricación automática de resumideros con aceituras de anillo, cadenas o

mesas. No obstantes los cojinetes de alta velocidad requieren sistemas más

complejos, para asegurarse de tener un abastecimiento continuo de aceite limpio.

Las maquinas grandes requieren un enfriador de aceite para eliminar el

calor generado en sus cojinetes; por lo común, el aceite se mantiene en un

deposito y se bombea hasta el cojinete por medio de enfriadores y filtros de aceite.

La temperatura del aceite se controla para mantener la viscosidad constante y la

suficiente presión de aceite se conserva, con l fin de asegurar un flujo uniforme por

los orificios que conducen a los cojinetes individuales. Las líneas para el aceite de

retorno describen pendientes desde los cojinetes hasta el depósito, y tiene

dimensiones generosas para permitir el paso de la espuma, que se produce junto

con el aceite de retorno. Los aceites de lubricación s escogen de tal modo que

produzcan un mínimo de espuma y, cuando esta excesiva, se emplean aditivos

antiespumantes. Los sistemas de lubricación se deben limpiar por inundación o

circulación de aceite antes de iniciar la operación, y después, se deben mantener

limpios para evitar daños posteriores.

Los filtros de aceite se sitúan tan cerca de los cojinetes como sea posible y

deben ser capaces de separar todas las partículas que sean grandes en

comparación con el espesor mínimo de la capa de aceite. El subfiltrado hará que

se rayen los cojinetes y esto puede causar daños más graves. El sobre filtrado

representa un riesgo de taponamiento en los filtros y estos se derrumban,

liberando repentinamente su contenido, o bien, detienen el paso libre del aceite.

Algunas maquinas producen partículas pequeñas(es decir, partículas de

carbono diesel), cuyo tamaño no es lo suficientemente grande para dañar al

sistema de lubricación. No obstante, se considera buena práctica evitar su

acumulación y para este fin, el microfiltro es muy eficaz y cuando se instala en una

carrera lateral, no se podrán en peligro los cojinetes principales.

Los peligros derivativos de los sistemas de lubricación se clasifican en

varias categorías, por ejemplo, fallas del sistema de lubricación propiamente

dicho, fugas de aceite, producción de vapor y acarreo y acumulación de aceite.

A menos que la maquina se detenga inmediatamente, la falla en su sistema

de lubricación causar daños en los cojinetes y en el eje. Para minimizar este

peligro, la mayor parte de los circuitos de lubricación están provistos de controles

automáticos, para detener los impulsores de manera inmediata, cuando disminuye

la presión del aceite de lubricación.

Las fugas de aceite representan comúnmente un problema de

mantenimiento (Para evitar que los empleados se resbalen) y, cuando se escapa

de piezas calientes, constituye un grave peligro de incendio.

Casi todos los turboexpansores se lubrican con aceite para turbinas a base

de hidrocarburos ligeros, baja presión, que se aplica a cada cojinete. Las

maquinas de flujo radial y altas velocidad requieren, por lo común, una presión de

aceite del cojinete de aproximadamente 100 lb/pulg2 manométricas.

En sistemas cerrados como sucede con un compresor y un expansor que

funcionan con el mismo gas, como por ejemplo, metano, helio o hidrogeno, el

sistema de lubricación puede ser totalmente cerrado y cualquier fuga al sistema se

acumulara y recuperara. Esto acrecenta la seguridad en caso de una falla de los

sellos, debido a que toda la corriente va cerrada.

Algunos sistemas de lubricación encerrados a presión operan a niveles

altos del orden de 1000 lb/ pulg2 en expansores de metano. La presión del metano

en el aceite de lubricación reduce su viscosidad; pero no lo hace a un grado

excesivo. Los cojinetes de muñón de alta velocidad absorben 5 o 10 hp cada uno.

Excepto en el caso de expansores de nitrógeno y aire a baja presión, la

disposición normal de sellado para maquinas de flujo radial es utilizar sellos de

cuerpos lubricantes protegidos con sellos espiraloides de márgenes reducidos,

para evitar el paso del aceite lubricante al proceso. Generalmente, se acostumbra

inyectar un gas sellador compatible en el punto intermedio de estos sellos de

espiral, de manera que, en todo caso, será el gas de sellado y no un gas de

proceso el que fugue. Esto evita también perdidas de refrigeración, o el

enfriamiento o la congelación del lubricante, o bien, la posible contaminación del

mismo.

La lubricación reduce la fricción estática y de deslizamiento que se limita

más aun utilizando superficies cuidadosamente pulidas o agregando lubricantes

(como grafito, talco o saponita) .

8.- USOS Y APLICACIONES

El turboexpansor es una turbina del un solo impeler o rueda similar a una

turbina de vapor. Es una máquina de libre circulación que reduce la presión y la

temperatura de una corriente del gas y convierte la energía de la presión de gas

en trabajo útil. El trabajo es extraído por un compresor centrífugo que es ayudado

por un re-compresor que aumenta la corriente del gas después de que se hayan

extraído los líquidos condensados de LGN. (Las ruedas del Expansor y del

compresor están unidas por los extremos de un eje común.) Esta combinación del

expansor y del compresor en una sola máquina conocida por una variedad de

nombres, con Expander/Compressor, ExpanderBrake-Cornpressor y

Expander/Booster-Compressor siendo la más común. El Expander/compressor

(compresor Expansor) es el corazón de la planta criogénica.

El uso del turboexpansor, sin embargo, no elimina la necesidad de la

válvula de expansión Joule Thompson que se usa en los sistemas convencionales

de refrigeración. En un sistema turboexpansor la válvula normalmente se refiere a

la válvula de bypass del expansor permite una más eficiente arranque y parada del

turboexpansor. La válvula también permite continuar el proceso si el

turboexpansor queda offline o si el caudal aumenta más allá de la capacidad de

velocidad del turboexpansor.

Idealmente, la válvula posee las mismas características de capacidad y

caudal ya que el turboexpansor produce una transición suave entre los

dispositivos

El turboexpansor en un dispositivo mucho más eficiente que a válvula,

haciendo un importante cierre estanco que evita la pérdida de energía.

9.- TÉCNICAS DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO

El funcionamiento eficaz de los turboexpansores es importante para las

industrias del mundo, pero como toda maquinaria, es necesario examinar y

mantener constantemente este equipo para producir los mejores resultados.

Ofrecemos mantenimiento para mantener el equipo en buen estado de

funcionamiento y reducir al mínimo las posibilidades de avería.

Es normal prestar mucha importancia al mantenimiento de los equipos

principales como los turboexpansores, y no preocuparse en la misma medida de

todos los equipos adicionales o auxiliares, esto es un grave error, pues una simple

bomba de refrigeración o un simple transmisor de presión pueden parar el proceso

y ocasionar un problema tan grave como un fallo en la turbina o en el generador.

Conviene, pues, prestar atención a todos aquéllos equipos capaces de provocar

fallos críticos.

Un buen plan de mantenimiento es el que analiza todos los fallos posibles,

y ha sido diseñado para evitarlos. Eso quiere decir que para elaborar un buen plan

de mantenimiento es absolutamente necesario realizar un detallado análisis de

fallos de todos los sistemas que componen la planta.

10.- PLAN DE MANTENIMIENTO BASADO EN ANÁLISIS DE FALLOS (RCM)

Mantenimiento Centrado en Fiabilidad, es una técnica más dentro de las

posibles para elaborar un plan de mantenimiento en una central de ciclo

combinado y que presenta algunas ventajas importantes sobre otras técnicas.

Inicialmente fue desarrollada para el sector de aviación, donde los altos costes

derivados de la sustitución sistemática de piezas amenazaban la rentabilidad de

las compañías aéreas. Posteriormente fue trasladada al campo industrial, después

de comprobarse los excelentes resultados que había dado en el campo

aeronáutico.

El objetivo fundamental de la implantación de un mantenimiento centrado

en fiabilidad o RCM en una planta industrial es aumentar la disponibilidad y

disminuir costes de mantenimiento.

En el análisis que conduce a RCM debemos contestar seis preguntas claves:

1) ¿Cuáles son las funciones y los estándares de funcionamiento en cada

sistema?

2) ¿Cómo falla cada equipo?

3) ¿Cuál es la causa de cada fallo?

4) ¿Qué consecuencias tiene cada fallo?

5) ¿Cómo puede evitarse cada fallo?

6) ¿Qué debe hacerse si no es posible evitar un fallo?

El proceso atraviesa una serie de fases para el sistema (turboexpansor) en que

se puede descomponer el equipo:

Fase 0: Codificación y listado de todos los subsistemas, equipos y elementos

que componen el sistema que se está estudiando. Recopilación de esquemas,

diagramas funcionales, diagramas lógicos, etc.

Fase 1: Estudio detallado del funcionamiento del sistema. Listado de

funciones del sistema en su conjunto. Listado de funciones de cada subsistema y

de cada equipo significativo integrado en cada subsistema.

Fase 2: Determinación de los fallos funcionales y fallos técnicos. Nos

podremos ayudar en esta fase del histórico de averías y consultando al personal

de mantenimiento y de operaciones, además de ayudarnos de diagramas lógicos

y diagramas funcionales.

Fase 3: Determinación de los modos de fallo o causas de cada uno de los

fallos encontrados en la fase anterior. Por ejemplo si el nivel de agua de

alimentación es bajo puede ser por: si se presentan vibraciones en el

turboexpansor puede ser: falta de lubricación, fugas de aceite, el sistema de

control de nivel no funciona correctamente.

Fase 4: Estudio de las consecuencias de cada modo de fallo. Clasificación de

los fallos en críticos, importantes o tolerables en función de esas consecuencias.

Para que un fallo sea considerado crítico debe cumplir alguna de las siguientes

condiciones:

1) Que pueda ocasionar un accidente que afecte a la seguridad o al

medioambiente, y que existan ciertas posibilidades de que ocurra.

2) Que suponga una parada de planta o afecte a la potencia neta de la planta o a

su rendimiento.

3) Que la reparación del fallo más los fallos que provoque éste sea superior a

cierta cantidad.

Fase 5: Determinación de medidas preventivas que eviten o atenúen los

efectos de los fallos, suelen ser de 5 clases:

1) Tareas de mantenimiento, que se divide en 7 tipos.

Tipo 1: Inspecciones visuales.

Tipo 2: lubricación

Tipo 3: Verificaciones de correcto funcionamiento realizados con

instrumentos propios del equipo.

Tipo 4: Verificaciones del correcto funcionamiento realizados con

instrumentos externos del equipo.

Tipo 5: tareas condicionales. Se realizan dependiendo del estado en que se

encuentre el equipo.

Tipo 6: tareas sistemáticas, realizadas cada ciertas horas de funcionamiento,

o cada cierto tiempo, sin importar cómo se encuentre el equipo.

Tipo 7: grandes revisiones u Overhaul, cuyo objetivo es dejar el equipo como

nuevo.

*2. *Mejoras y modificaciones de la instalación, que pueden ser:

Cambios en los materiales

Cambios en el diseño de una pieza

Instalación de sistemas de detección

Cambios en el diseño de una instalación

Cambios en las condiciones externas al ítem

Cambios en los procedimientos de operación

Cambios en los procedimientos de mantenimiento.

Formación.

Fase 6: Agrupación de las medidas preventivas en sus diferentes

categorías: elaboración del plan de mantenimiento, lista de mejoras, planes de

formación y procedimientos de operación y de mantenimiento. Entre estos

grupos pueden estar: 1) Plan de mantenimiento.

2) Listas de mejoras.

3) Formación.

4) Lista de procedimientos de operación y mantenimiento a mejorar.

Fase 7: Puesta en marcha de las medidas preventivas que se han visto en

el punto anterior y que dan como resultado los siguientes puntos: 1) Plan de

mantenimiento.

2) Lista de mejoras.

3) Plan de formación.

4) Manual de operación y mantenimiento.

BIBLIOGRAFIA

PERRY BIBLIOTECA DEL INGENIRO QUIMICO. Quinta Edición

volumen IV.

TERMOTECNIA BÁSICA PARA INGENIEROS QUÍMICOS:

PROCESOS TERMODINÁMICOS Y MÁQUINAS. Escrito por

Antonio de Lucas Martínez.

ESQUEMA

1.-TURBOEXPANSORES

2.-CARACTERÍSTICAS DE LOS TURBOEXPANSORES O TURBINAS

RADIALES DE REACCIÓN.

3.- PROCESO DE REGRIFERACION POR EXPANSION REFRIGERACIÓN

EXTERNA O MECÁNICA

4.-TURBINAS DE EXPANSIÓN O EXPANSIÓN CRIOGÉNICA

5.- EVALUACIÓN TERMODINAMICA

6.- ANÁLISIS DE FALLAS Y POSIBLES SOLUCIONES

7.- PRINCIPIO DE LUBRICACION

8.- USOS Y APLICACIONES

9.-TÉCNICAS DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO

10.- PLAN DE MANTENIMIENTO BASADO EN ANÁLISIS DE FALLOS (RCM)