TITULO: Algoritmo para a través de un diagnóstico proactivo incrementar la

eficiencia energética de una turbina.

Algorithm for a proactive diagnose in order to increase the energetic
efficiency on a turbine.
AUTORES: Dr. Francisco Martínez Pérez
Centro de Estudios de Ingeniería en Mantenimiento.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Universidad técnica de La Habana, Cuba
Email: fmartínez@ceim.cujae.edu.cu
Teléfono: 266 3643
Ing. Yoismel Pérez Paz
Centro de Estudios de Ingeniería en Mantenimiento.
Facultad de Ingeniería Mecánica
Universidad técnica de La Habana, Cuba

Resumen:

El presente trabajo realizado en una central termoeléctrica da a conocer un conjunto de

recomendaciones, basadas en el análisis tribológico, para incrementar el diagnostico y
mejorar la eficiencia a través del análisis del sistema de análisis del lubricante en una
turbina generadora de electricidad.
En el desarrollo del trabajo se llevaron a cabo herramientas importantes como el análisis
de criticidad de la turbina, las recomendaciones para la toma de muestras de lubricantes,
en estos activos, así como en el trasiego del mismo en la CTE. Se emplearon normas
internacionales, como la ISO 4403, y tabulaciones de cálculos especializados. Todo esto
permitió desarrollar recomendaciones para alcanzar los objetivos propuestos, lo que es
recomendable extender a otras termoeléctricas. Se hace una valoración económica de
inversiones y su recuperación.
Palabras claves: Tribología, análisis de lubricante, diagnóstico

Abstract:

The present work carried out in a thermoelectric power station, will give to know a
group of recommendations, based on the tribological analysis, to increase the diagnose
and to improve the efficiency through the analysis of lubrication system and the
lubricant in a generating turbine of electricity.
In the development of the work they were carried out important tools as the criticity
analysis of the turbine, the recommendations for the taking of samples of lubricant, in
these assets, as well as in the manage of the lubricant in CTE. International standards
were used, as ISO 4403, and specialized tabulations of calculations. All this allowed
developing recommendations to achieve the objectives proposed in the work, which is
advisable to extend to others thermo electrics. In the work is carried out an economical
investment and the time of it recovery.
Key words: Tribology, oil analysis, diagnose

i.exe
 1.

El presente trabajo se desarrolló en una central termoeléctrica. En el se abordaron un conjunto

de análisis, basados en un enfoque tribológico, con vistas a incrementar la eficiencia y vida útil,
a través del manejo y análisis del lubricante, en la turbina de Vapor, los cuales permitirán
optimizar la relación entre la cantidad Introducción de energía consumida y los productos y
servicios finales obtenidos. Esto es factible lograrlo a través de la implementación de diversas
medidas e inversiones a nivel tecnológico, de gestión y de hábitos culturales en la planta.
Los individuos y las organizaciones que son consumidores directos de la energía deben ahorrar
energía para reducir costos energéticos y promover sostenibilidad económica y ambiental.

Las industrias que son grandes consumidoras de electricidad, por ejemplo, cementeras,
metalúrgicas, centrales eléctricas, etc. aplican en sus procesos de producción diversas estrategias
de producción y tecnológicas para reducir al máximo el consumo de electricidad. Entre estas
estrategias está la aplicación consecuente del análisis tribológico en forma de sistema (1), una
de cuyas herramientas esenciales es la selección adecuada de la implementación del diagnóstico
a utilizar. Entre las muchas tecnologías de diagnóstico que pueden ser empleadas en una turbina,
el del análisis integral del lubricante es el que proporciona el diagnóstico proactivo más eficaz
(2). En el trabajo se desarrolla una metodología como ejemplo de esto. En el desarrollo del
trabajo se llevaron a cabo herramientas importantes como el análisis de criticidad de la turbina,
las recomendaciones para la toma de muestras de lubricantes en estos activos, así como en el
trasiego del mismo en la central termoeléctrica. Se emplearon normas internacionales, como la
ISO 4406 y tabulaciones de cálculos especializados. Todo esto permitió desarrollar
recomendaciones para alcanzar los objetivos propuestos.

2. Desarrollo.
2.1 Conceptos relacionados.

La tribología como ciencia que estudia el fenómeno de la fricción, la lubricación y el desgaste

es esencialmente un proceso energético (3). Para analizar la importancia de esta, bastaría con
hacer el análisis de diversos aspectos con los que se logra un substancial efecto económico.
Cerca del 30% de la energía que se pierde en la industria mundial, se pierde en la fricción.
Países como Inglaterra, Japón y Alemania pierden anualmente más de dos mil millones de
dólares como resultado del desgaste. Pérdidas, solo por fricción en diferentes industrias y ramas
económicas, pueden apreciarse en el Figura 1

Figura 1 Grafico de pérdidas por fricción.

Estas pérdidas son solo por fricción y están basadas en precios del petróleo en 1990, siendo las
de desgaste muy superiores. A ello habría que adicionar las pérdidas por paradas, las de
mantenimiento y las de nuevas piezas; pudiendo todo haber sido evitado o disminuido.

Analizando con más detalle algunas de las consecuencias de la fricción y el desgaste, se puede
conocer que varias agencias dedicadas a la investigación sobre las consecuencias del desgaste
refieren que los costos por desgaste significan, para cada ciudadano, un valor de entre 25 y 250
USD por día (datos de 1996). (4)
A continuación se muestra los resultados que se obtuvieron en una Termoeléctrica de Arizona
(Fig. 2), aplicando la detección de fallas por varias vías. Puede observarse que la que alcanzó
mayores resultados fue la que utilizó la técnica de análisis de partículas y análisis de aceite. Por
cada dollar invertido en la tecnología de detección se recuperaron 6,50 USD por reducción de
costos de mantenimiento.

Ambas 27%

Vibración 33%

Análisis de aceite 40%

Figura 2. Análisis de diagnóstico para detección de fallas en la estación de

Generación de Energía de Termoeléctrica en Arizona.

2.2 Información sobre la turbina analizada.

La turbina de vapor analizada una capacidad nominal de 100 000 Kw y su capacidad de régimen
es de 3600 rpm. Esta diseñada para operar con vapor sobrecalentado con una presión de 130 atm
y una temperatura de 540 ˚C a la entrada de la válvula de cuello, con un recalentamiento hasta
540 ˚C a una presión de 26,5 atm a carga nominal. La presión de trabajo del condensador es de
0,95 atm con una temperatura de agua de mar de 33 ˚C. Está provista de 4 válvulas de admisión
y la distribución de vapor a ésta se realiza a través de 4 bloques de toberas ubicada en la carcasa
interna.

2. 3 Metodología de la investigación.

Para poder desarrollar un adecuado proceso en la investigación se confeccionó un algoritmo

(Fig. 3) en el cual se expone una metodología de trabajo para analizar todos los puntos que se
tomaron en cuenta en la investigación.A continuación se muestra el algoritmo empleado para
analizar los diferentes aspectos de la investigación y en base a los resultados, realizar
recomendaciones de mejora en el sistema tribológico de la turbina generadora de electricidad,
así como en el manejo del lubricante.
Información necesaria de la turbina:

· Indisponibilidad y frecuencia falla

· Costos de mantenimientos
· Puntos de toma de muestra

Análisis de criticidad basado

en criterio de especialistas.

Análisis del aceite y de

su manejo integral.

Se corresponden
valores de SI
laboratorio con
lo establecido

NO
 Análisis por tabla de sistema de
limpieza, control y manejo y su
efecto en el incremento de vida útil
posible a alcanzar si se emplea lo
recomendado por norma.

Analizar costo de SI
inversión y efecto
económico

Conclusiones
Y
Recomendaciones

Fig. No 3. Algoritmo para el desarrollo de la Investigación.

3. Resultados obtenidos.
3.1 Análisis de la criticidad de la turbina.
El análisis de criticidad hecho con especialistas de la central y con una valoración
conservadora en cada punto, dio como resultado un factor de penalización por
confiabilidad de 8 siendo el máximo 10, de ahí se aprecia que el grado de criticidad del
activo es elevado. Esto puede apreciarse en la tabla 1.
 FACTOR DE PENALIZACION MAQUINA I.D: Turbina
POR CONFIABILIDAD(FPC)
FECHA: 17/4/2009

RIESGOS DE SEGURIDAD POR LA FALLA

Calificación

Ninguno Bajo Medio Alto

_________________ ______________
_________________
O 1 4
_______________
8
1
COSTO POR PARO DEL EQUIPO
COSTO DE PARO POR HORA O DIA (A) AXB

Bajo Medio Alto Extremadamente Alto

_________ _____________ __________
_____________________________________________
0 1 2 3
2x2

DURACION PROMEDIO DEL PARO (B)

4
Corto Largo
___________
_____________
0 1 2 3 4
EFICIENCIA DE LOS SISTEMAS DE DETECCION TEMPRANA Calificación

Altamente efectivos No
Efectivos
_________________________________
1
_______________________
0 1 2 3
FRECUENCIA DE FALLAS Calificación

Baja Media Alta

_________
____________ _________
2
2 4 8

Suma (FPC)
TOTAL
10 Máx. 8
Tabla de la 1. Análisis criticidad de la turbina.
3.2 Manejo integral del aceite lubricante.
3.2.1 Trasiego del aceite lubricante.
El análisis realizado mostró errores en el trasiego de lubricante, desde que el mismo llega a la
planta y en su almacenamiento. De igual forma se detectaron errores en cómo se lleva el
lubricante desde el almacén hasta su aplicación en el sistema de la turbina. Esto se agrava en
esta central termoeléctrica, teniendo en cuenta que la misma se encuentra cerca de una planta
productora de cemento y cerca del mar, condiciones ambas propicias para una severa
contaminación. A continuación en la Foto 1 se puede observar las condiciones de unos de los
tanques en el almacén.

Foto 1 Condiciones de uno de los tanques en el almacén.

3.2.2 Toma de muestras.

Se detectaron diferentes errores en la toma de muestras del aceite lubricante, tanto en los lugares
en que la toma de muestras se lleva a cabo, que no se corresponden con los recomendados
internacionalmente. En ocasiones la muestra se realiza en tuberías con movimiento del flujo
pobre, no recogiéndose las cantidades de partículas sólidas reales debido a que estas siguen de
largo o se adhieren a las paredes de la tubería. En la foto 2 se puede apreciar una comparación
en cuanto al lugar donde se toman las muestras.

Foto 2 Comparación en cuanto al lugar en que debe tomarse una muestra de

lubricante en forma correcta e incorrecta.

3.2.3 Frecuencia del muestreo.

Frecuencia del muestreo.

En los resultados analizados con los especialistas, se estuvo de acuerdo en recomendar que esta
se debe analizar cada aproximadamente 11 días. Este análisis se llevo a cabo por una tabla
(Tabla 2) en la que se observa que la toma de la muestra debe ser más frecuente, debido a la
edad la maquina. Esto, comparado con lo que se realiza actualmente, significa un incremento en
el análisis del lubricante de aproximadamente tres veces.
Por otra parte, la toma de muestras, no garantiza, en la forma que se realiza, evitar la
contaminación ambiental, tanto en cuanto a la humedad como a la posible penetración de
partículas de la fábrica de cemento. Pueden obtenerse en el mercado frascos adecuados con esta
finalidad.
 GENERADOR DE FRECUENCIA DE MUESTRA
Frecuencia por Default:
Turbina de vapor (500 Hrs)

Factores de ajuste por aplicación:

Penalización económica por la falla

Muy alto Normal Bajo

0.1 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0

Severidad del ambiente de operación de los fluidos

Muy alto Normal Bajo

0.1 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0

Edad de la maquinaria

Nueva Edad Media Muy Vieja

0.1 0.5 1 1.5 2.0 2.0 1.5 1.0 0.5 0.1

Edad del Aceite

Nueva Edad Media Vieja

0.1 0.5 1 1.5 2.0 2.0 1.5 1.0 0.5 0.1

Exigencias de Objetivo

Riguroso Normal Tolerante

0.1 0.25 0.5 0.75 1.0 1.25 1.5 1.75 2.0

Frecuencia de Muestreo = 0.5 x 500 = 250 Hrs , 250/24 ≈ 11 Días

Tabla 2. Análisis de la frecuencia en que debe realizarse el muestreo.

3.2.4 Análisis del aceite.

Por los análisis realizados, el aceite no cumple con los parámetros establecidos, realizándose, a
su vez, un análisis del sistema de limpieza recomendada por norma (ISO 4406) en el caso de
turbinas de vapor. El sistema de limpieza establecido actualmente en la turbina es superior aún
al sistema sucio de la norma ISO. Esto se realizó, por tablas recomendadas (Tabla 3).

Código (ISO) */14/11 */16/13 */18/15

Aceite de turbinas Muy Limpio Limpio Sucio

Tabla 3. Recomendación de limpieza en una turbina, según las normas

ISO.
Por tabla (Tabla 4) se cálculo en cuanto se podía extender la vida útil de la turbina si el sistema
se llevara solo al limpio establecido por la ISO. El resultado fue de un incremento en 7.5 veces.

Tabla 4. Tabla para el cálculo del incremento de la vida útil de activos físicos.

3.2.5. Análisis económico.

Por último, se valoró mediante tabla especializada, el costo beneficio que se obtendría en la
empresa, mediante la ejecución de inversiones para cambiar radicalmente el sistema de
trasiego del lubricante, la toma de muestras, la adquisición de tecnologías novedosas de
diagnóstico del lubricante, complementando algunos análisis que hoy no se realizan así como
incorporando el análisis de partículas, aspecto sumamente importante en la detección temprana
de fallos en potencia y la capacitación del personal de la planta, incluyendo la introducción de
un sistema de certificación.

El análisis efectuado para un periodo inversionista de 5 años, con un monto total de

aproximadamente 320 000 USD, permite una recuperación del mismos en menos de dos años.
4. Conclusiones.

1. que mediante el algoritmo desarrollado, se hace factible desarrollar una metodología de

diagnóstico, basada en el análisis integral tribológico de una turbina y así recomendar las
medidas a tomar con vistas a disminuir las pérdidas energéticas e incrementar la
disponibilidad del turbogrupo.

2. Se pudieron recomendar un conjunto de inversiones para incrementar la vida útil de la

turbina, establecer tecnologías de diagnóstico más proactivas y elevar la capacitación en la
planta, que puede ser recuperadas en un tiempo inferior a dos años.

5. Bibliografía.

(1) Autores varios, ModernTribology Handbook, Tomo 1, CRC Press, London, 2001.

(2) Trujillo. G. Lubricación II. Curso Posgrado. La Habana, 2009 Se confirmó

(3) Martínez Escanaverino J. y Martínez Pérez F., Teoría y Práctica del Rozamiento, Editorial
Pueblo y Educación, La Habana, 1990

(4) Ludema Kenneth C., Friction, Wear and Lubrication, CRC Press, Florida, 1996.