¡Precaución! Al modernizar turbinas más antiguas, actualice las válvulas de control de gas

Jun 23, 2023

Como resultado de acciones legislativas en todo Estados Unidos, la adquisición de permisos para plantas totalmente nuevas alimentadas por gas natural se ha convertido en un desafío cada vez mayor. En Nueva York, por ejemplo, los funcionarios estatales negaron los permisos para dos plantas propuestas impulsadas por gas natural porque las consideraban obstáculos para lograr los objetivos de emisiones de gases de efecto invernadero.

En 2020, la Comisión de Regulación Pública de Nuevo México descartó un plan de El Paso Electric Company para construir una nueva planta de gas natural porque se consideró que alteraba los objetivos de energía limpia de los funcionarios del gobierno. Y en California, la comisión de servicios públicos ha emitido un mensaje desigual en cuanto a aceptar incluso propuestas para nuevas plantas de gas.

En parte como respuesta a estos desarrollos, los fabricantes de equipos originales (OEM) de turbinas de gas han introducido una variedad de actualizaciones y paquetes de modernización para mejorar la confiabilidad, flexibilidad, eficiencia y emisiones de la flota de turbinas existente en el país. Por supuesto, la energía solar y eólica fluctúa con el clima. Los profesionales de la industria energética creen que mejorar las turbinas de gas es fundamental para mantener tarifas eléctricas razonables y garantizar un suministro constante de electricidad a los hogares y empresas estadounidenses. Y a pesar del crecimiento de los parques eólicos y solares, así como de la energía hidroeléctrica, el Instituto de Recursos Mundiales señala que “el gas natural desempeñará un papel importante en la futura combinación eléctrica del país en los próximos años”.

Para desempeñar ese papel, los operadores de turbinas de gas natural y los propietarios de plantas cuyos equipos alimentan franjas importantes de la red deben:

Para hacer frente a estas preocupaciones, los fabricantes de turbinas están vendiendo tecnología de control mejorada a las plantas como paquetes de modernización. Estas mejoras permiten extender la vida útil mucho más allá de las expectativas originales de 20 años. La mayoría de las turbinas destinadas a estas actualizaciones han estado en servicio entre 10 y 25 años. Los fabricantes originalmente equiparon estas turbinas con dispositivos de control accionados hidráulicamente, diseñados para funcionar con los sistemas de control ofrecidos en el momento de la puesta en servicio.

Una turbina recurre a sus válvulas de control de gas (y actuadores de paletas guía) para traducir los comandos del sistema de control a una posición mecánica y, en última instancia, regular el flujo de gas natural y aire a la turbina bajo diferentes cargas y condiciones ambientales. Además, la naturaleza de estos sistemas no deja ninguna posibilidad de redundancia en un montaje de nivel superior. La redundancia sólo se puede lograr a nivel de componentes, principalmente con piezas eléctricas. Este equipo crítico es una falla de un solo punto para la instalación.

Para obtener los beneficios de la tecnología de control mejorada, las condiciones operativas exigen más los sistemas de accionamiento de gas y paletas guía. Por ejemplo, la tecnología de control mejorada puede ajustarse en milisegundos en lugar de segundos. Esto imparte una mayor dinámica a las válvulas de control de gas, aumentando la oscilación y cambiando el perfil de movimiento con respecto a los criterios de diseño originales del fabricante de la turbina. Esto puede provocar un desgaste acelerado de las servoválvulas, de los actuadores o de las propias válvulas de gas. Como se trata de dispositivos de fallo de un solo punto, los operadores de turbinas deberían preocuparse mucho por perder esta previsibilidad.

Si bien los fabricantes diseñan sistemas de actuación con varias pulgadas de recorrido, la mayoría de las turbinas se instalan en una posición de 60 a 80 por ciento de recorrido y luego se ajustan alrededor de ese punto de ajuste para lograr un rendimiento óptimo. Estos pequeños ajustes crean un perfil de micromovimiento, que oscila dentro de una banda de carrera muy estrecha y desgasta los anillos del pistón, el diámetro interior del cilindro y otros componentes. Durante años, estos componentes normalmente ofrecían más de cinco años de vida útil. Con la tecnología de control mejorada, las nuevas condiciones operativas han reducido la vida útil a tan solo un año, a veces meses. Tenga en cuenta que varias actualizaciones del OEM también aumentarán el ciclo de inspección principal del motor de turbina. Reducir los intervalos de revisión de las válvulas de control es contraproducente para el objetivo final.

Una vez que el desgaste alcanza un cierto punto, las partículas resultantes actuarán como un contaminante abrasivo, acelerando el desgaste hasta que se alcance un punto de falla. En lugar de una relación lineal, el desgaste versus el tiempo se parece más al perfil del “palo de hockey”, lo que deja al propietario de una planta menos tiempo para movilizar equipos de mantenimiento para reparación y/o reemplazo.

Los propietarios de plantas están implementando varias estrategias como contramedidas a los problemas relacionados con la mejora de la tecnología de control de combustible. En algunos casos, los propietarios de plantas realizan un mantenimiento de “ciclo corto” en estos dispositivos (es decir, realizado durante las inspecciones de la ruta del gas caliente). El sistema de control puede permitir filtrar las señales salientes o agregar una "banda muerta" para aliviar las oscilaciones. En algunos casos, el propietario de una turbina podría simplemente desactivar una característica particular.

Estrategia n.º 1: sustituir el metal por plástico. Los fabricantes de sistemas de actuación y conjuntos de válvulas de gas han elegido diferentes caminos para resolver los problemas derivados de la tecnología de control mejorada. Para mejorar la previsibilidad y devolver el perfil de desgaste a una relación más lineal, algunos fabricantes han reemplazado los tradicionales anillos de pistón metálicos por plásticos de ingeniería. Este enfoque preserva la superficie del orificio del cilindro mediante la introducción de un material de anillo más blando. Si el anillo se desgasta y pierde integridad, no hay daños colaterales a la pared del cilindro.

La desventaja de este enfoque es una reducción en el intervalo de revisión ideal y una menor resistencia a los contaminantes introducidos a través de la corriente de fluido hidráulico. Para preservar el diámetro interior, se sacrifican los anillos, lo que permite un desgaste ligeramente acelerado, lo que reduce la vida útil entre revisiones.

Estrategia n.º 2: centrarse en el diseño del actuador. Algunos fabricantes han introducido una segunda generación de diseño de actuador de vida extendida que presenta un recubrimiento de cromo fino y denso mejorado, aproximadamente tres veces más grueso que la primera generación. Estos diseños de segunda generación no realizaron cambios en los materiales de los anillos del pistón. Las pruebas de campo han demostrado una mejora significativa con la posibilidad de alcanzar el objetivo de 64.000 horas de servicio antes de la revisión. Moog incorporó recientemente este recubrimiento de segunda generación en su diseño de actuador estándar para turbinas GE y también implementará esta mejora en sus actuadores para turbinas Siemens y Mitsubishi.

Otro posible factor de desgaste está en el casquete de la válvula de proceso y en los conjuntos de empaquetadura. Las válvulas más antiguas sin empaquetaduras cargadas y autoajustables pueden requerir un ajuste más frecuente para evitar fugas de gas. En algunos casos extremos, el embalaje puede estar desgastado hasta el punto de que los equipos de mantenimiento deban reconstruir los componentes. Moog y Fisher, que forma parte de Emerson Process Management, desarrollaron previamente un paquete de actualización 64K para turbinas GE que ha demostrado mitigar el desgaste acelerado y el mantenimiento provisional.

Estrategia n.° 3: cambiar el sistema hidráulico por el eléctrico. Un enfoque diferente es reemplazar los sistemas hidráulicos con tecnología eléctrica, que tal vez no solucione completamente el problema del desgaste. La implementación de esta estrategia requiere un tiempo de inactividad prolongado y una importante inversión de capital, que a veces alcanza el millón de dólares. Si bien es un precio elevado, una interrupción forzosa podría costar cientos de miles de dólares por día.

Esta estrategia probablemente será más efectiva con aplicaciones de menor fuerza que en las aplicaciones de alta fuerza que se ven en la clase actual de turbinas gigantes y de bastidor grande. Los micromovimientos han sido un punto de falla conocido para los actuadores eléctricos de husillo de bolas lubricados con grasa y de alta fuerza. La mecánica de movimiento de rotación a lineal debe girar suficientes grados para una lubricación efectiva de la bola. Los micromovimientos y las oscilaciones crean un período prolongado bajo cargas pesadas sin suficiente lubricación, lo que genera calor. Sin el uso de recubrimientos cerámicos especiales o métodos de lubricación alternativos, los husillos de bolas pueden irritarse y finalmente atascarse.

Los paquetes de actualización y modernización de los fabricantes de turbinas ofrecen beneficios como eficiencia y mayor vida útil del motor. Dicho esto, una vez implementados, estos paquetes pueden provocar problemas importantes, incluso interrupciones en los equipos auxiliares. Para agravar el problema está el hecho de que muchas plantas alimentadas con gas natural se han vendido en numerosas ocasiones. Es posible que los propietarios originales ya no sean los operadores. Esto, a su vez, significa que los nuevos propietarios y operadores de las turbinas no necesariamente sabrán, ni siquiera se les informará, que los paquetes de actualización y modernización mencionados anteriormente no implican la mejora de las válvulas de gas de la turbina. Independientemente del historial de propiedad de una turbina, para mejorar la economía de combustible y evitar interrupciones, los operadores de turbinas deben actualizar las válvulas y actuadores de control de gas de su unidad.

—Steve Beddick es el gerente de mercado de generación de energía en Moog Inc., un diseñador, fabricante e integrador mundial de componentes y sistemas de control de precisión para aviones comerciales, satélites y maquinaria industrial. Tiene más de 20 años de experiencia en la gestión, comercialización y venta de equipos de ingeniería. Steve obtuvo su licenciatura en ingeniería eléctrica en Grove City College. Contáctelo en [correo electrónico protegido]

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