Análisis de fallos en las resistencias térmicas para la medición de la temperatura de los cojinetes de los motores de las grandes centrales hidroeléctricas y medidas de mejora

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Las unidades 1 a 4 de la central hidroeléctrica de Liujiaxia son turbinogeneradores de tipo suspendido. Tres rodamientos, dedicados a soportar las fuerzas axiales y radiales durante el funcionamiento de la unidad, son los responsables de su funcionamiento adecuado. La temperatura de los rodamientos es un indicador importante para monitorear el estado de funcionamiento de la unidad. La temperatura de las bujías del eje se transmite al sistema de protección de la unidad; si esta temperatura supera un límite determinado, se activan alarmas o la unidad se detiene. Su importancia es evidente. Sin embargo, durante el funcionamiento de la unidad, especialmente cuando los grandes generadores operan durante las épocas de lluvias, se presentan problemas como lecturas erróneas, saltos en las mediciones y ausencia de datos en las resistencias térmicas Pt100 utilizadas para medir la temperatura de los cojinetes de los ejes. Es difícil determinar si el problema proviene de la propia unidad o de las resistencias térmicas de platino, lo cual representa un riesgo para el funcionamiento seguro de la unidad. Resistencias térmicas: yunrun.com.cn/product/list_80.html 1. Introducción al sistema de medición de temperatura en las turbinas hidráulicas. En las aplicaciones industriales, existen dos principios para la medición de la temperatura: los termopares y las resistencias térmicas. La resistencia térmica se basa en el efecto térmico de la resistencia para medir la temperatura; es decir, en la propiedad de que el valor de resistencia de un material varía con los cambios de temperatura. Por lo tanto, basta con medir la variación en la resistencia del resistor de platino sensible a la temperatura para poder determinar la temperatura. Los materiales de resistencia térmica metálica más utilizados actualmente son el platino y el cobre. Los valores de calibración más comunes son Pt100 y Cu50. En la central hidroeléctrica de Liujiaxia, para la medición de la temperatura de los rodamientos de las turbinas, se utilizan resistencias térmicas Pt100. La resistencia térmica Pt100 se instala en el lugar de producción, a cierta distancia del panel de control. La señal de la resistencia se transmite al módulo de adquisición del ordenador a través de cables. Los resistores térmicos suelen tener conexiones de dos, tres o cuatro hilos. Dado que, cuando la temperatura de las bujías de los motores de la central hidroeléctrica de Liujiaxia supera un valor establecido, se activan automáticamente las señales de alarma y se produce el apagado del sistema, es necesario contar con una alta precisión en la medición de la temperatura. Para minimizar la influencia del desequilibrio en la resistencia de los cables en los resultados de medición, se utiliza un sensor de resistencia térmica Pt100 de tres hilos para medir la temperatura de las bujías. 2. Problemas existentes: Tras analizar los datos estadísticos (ver tabla 1), se observó que los principales problemas en el funcionamiento de la resistencia térmica Pt100 son: cambios frecuentes en los valores de medición ； El elemento de medición de temperatura está en cortocircuito; su resistencia es de 0Ω ； El elemento de medición de temperatura está abierto en circuito; su valor de resistencia es…∞ ； Problemas como una gran desviación entre los valores mostrados y los valores medidos en realidad. Tabla 1: Estadísticas de defectos en el sistema de medición de temperatura de abril a noviembre.
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3. Análisis de las causas de las fallas:
① Tiempo prolongado de funcionamiento y dificultades para su mantenimiento. Las resistencias de medición de temperatura relacionadas con la fuerza de empuje y los cojinetes se encuentran en lugares de difícil acceso para su mantenimiento o reemplazo. Durante el funcionamiento de la unidad, los sensores y algunas conexiones eléctricas permanecen sumergidos durante mucho tiempo en aceite a alta temperatura. Además, están sometidos constantemente a las fuerzas generadas por el flujo del aceite y a las vibraciones de la unidad, lo que provoca daños mecánicos significativos. Dado que los elementos de medición de la temperatura en la posición de los rodamientos suelen poder ser inspeccionados y mantenidos solo durante las reparaciones de nivel A, cuando se desmonta la unidad. En situaciones normales, si es necesario reparar los componentes defectuosos, se debe solicitar una parada no planificada de la unidad, y se deben realizar una serie de tareas como drenar el aceite, retirar el tanque de aceite de los muelles, etc. Esto implica un tiempo de parada largo y una gran dificultad. Por lo tanto, cuando durante el funcionamiento normal se producen fenómenos como saltos en la resistencia de medición o cortocircuitos, generalmente no es posible solucionarlos de inmediato; es necesario desconectar temporalmente el punto defectuoso del sistema. La temperatura de los rodamientos es un parámetro importante en el funcionamiento de la unidad. La falta prolongada de datos sobre la temperatura en las zonas donde se encuentran los rodamientos impide que los operadores puedan evaluar de manera oportuna y precisa el estado de funcionamiento de la unidad, lo que pone en peligro la seguridad y estabilidad del equipo. ②Problemas propios de la resistencia termométrica: a) Ausencia de muelles en el punto de fijación del componente. Dado que el componente termométrico instalado en la zona de los cojinetes axiales está sometido a vibraciones constantes durante su funcionamiento, la falta de muelles en el punto de fijación impide que estas vibraciones afecten negativamente al componente. b. Los cables de medición de temperatura no cuentan con protección en su exterior. Sus propiedades de resistencia al aceite, a la corrosión y al calor son bastante deficientes ； Al estar expuesto durante mucho tiempo en un entorno impregnado de aceite, es fácil que se endurezca, se vuelva frágil y que su superficie se agriete, lo que acorta su vida útil ； Las vibraciones a largo plazo pueden causar que el cable se rompa en la base del sensor (ver Figuras 1 y 2). Tras la inspección en el lugar, se descubrió que las fallas por rotura de los cables en la parte inferior representaban casi el 50% del total de fallos en las resistencias de medición de temperatura. Figura 1: Rotura del cable en la parte inferior del sensor. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312155342368.png
Figura 2: Rotura del cable en la parte inferior del sensor. ③ Problemas en la instalación de la resistencia de medición de temperatura. a) Problemas en las conexiones de los cables. Los cables que conectan la resistencia de medición de temperatura son bastante cortos, lo que genera muchos puntos de conexión dentro del tanque de aceite. Cada uno de estos puntos debe ser soldado, pero debido al espacio reducido en el tanque, es difícil realizar las soldaduras adecuadamente. Esto puede causar soldaduras defectuosas o incluso la separación de los puntos de conexión. Como resultado, el elemento de medición de temperatura puede sufrir daños debido a las vibraciones y al flujo del aceite durante su funcionamiento. Por ejemplo, tomando como caso la unidad número 4 de la central hidroeléctrica de Liujiaxia, para la conexión de las fuerzas de empuje y de los cables de resistencia termopar ubicados en los canales de lubricación superior, se utiliza una conexión por tornillo. Los cables que conectan los elementos de medición con el cableado eléctrico se fijan a la placa de epoxi mediante tuercas, con el fin de lograr dicha conexión. Sin embargo, durante la inspección y desmontaje del equipo, se descubrió que los terminales de conexión de las placas epoxi eran propensos a aflojarse y oxidarse, lo que causaba un mal contacto y provocaba fluctuaciones en los valores de temperatura. b. La instalación de los cables en el tanque de aceite no es adecuada; se utilizan bridas de plástico para fijar y atar los cables, lo que puede dañar su cubierta exterior. El material de las abrazaderas fijas en el tanque de aceite es chapa de hierro delgada, cuyos bordes son bastante afilados. Si la cubierta exterior del cable no cuenta con una capa protectora, es fácil que se dañe debido a esos bordes afilados, lo que puede generar riesgos. En algunos casos, los cables no están fijados de manera segura dentro del tanque de aceite. Durante el funcionamiento de la máquina, el flujo del aceite y las fluctuaciones causan que los cables de medición se rompan en las conexiones, como se muestra en la Figura 3. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312159048363.png Figura 3: Los cables de medición de la temperatura están desgastados. c) La resistencia de medición de la temperatura y los cables asociados no cuentan con un blindaje adecuado. Dado que los cables utilizados para la medición de la temperatura son bastante delgados, su capa de blindaje es débil. Durante el proceso de conexión, el blindaje externo de la resistencia de medición no se conecta adecuadamente con el blindaje externo del cable de medición. El intenso campo eléctrico generado por el generador, así como el intenso campo magnético producido por las corrientes de fuga, causan interferencias significativas en el circuito de medición de la temperatura, lo que provoca cambios bruscos en esta. 4. Medidas de mejora ① Mejora de las resistencias de medición de temperatura. La empresa Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. ha adoptado y aplicado tecnologías importadas del extranjero en la producción de resistencias de platino para turbinas. En el proceso de mejora de estas resistencias, contó con las sugerencias y el soporte técnico de Changhui Instrument. Se han instalado muelles especiales en las partes donde se fijan las nuevas resistencias Pt100, como se muestra en la Figura 4; esto sirve para amortiguar los efectos de las vibraciones del equipo sobre los elementos de medición de temperatura ； Para los cables de medición de temperatura, se debe elegir un material aislante exterior con excelentes propiedades de resistencia al aceite, a la corrosión y al calor, a fin de prolongar la vida útil del cable ； Se utilizan cables de medición de temperatura con una pantalla en forma de red densa, para reducir la interferencia de los campos magnéticos intensos en los elementos de medición. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312204195095.png Figura 4: Instalación de muelles especiales en las partes fijas. En el punto donde se unen los cables y la resistencia de medición temperatura, se utilizan manguitos ondulados y alambres reforzados como protección, como se muestra en la Figura 5. Es importante destacar aquí el método de protección mediante la extensión del alambre de blindaje. El alambre de blindaje que se encuentra dentro del sensor se extiende hacia afuera, de modo que toda la parte del cable que está expuesta a los efectos del flujo de aceite está cubierta por este alambre de blindaje. En realidad, el alambre de blindaje es una capa protectora hecha de acero inoxidable que puede doblarse fácilmente. Tiene excelentes propiedades de resistencia a la corrosión, a los impactos y a las vibraciones. De esta manera, se resuelve por completo el problema de la corrosión y los daños causados por el aceite en los cables. Mayor vida útil y un rendimiento más fiable. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312208026363.png Figura 5: Protección adicional. ② Instalación y cableado adecuados de las resistencias de medición de temperatura. a) En los canales de conducción del aceite, la velocidad de rotación del aceite es muy alta; esto genera una gran fuerza de impacto en las conexiones entre las sondas de medición de temperatura y los cables. Al instalarlas en el sitio, se debe procurar que los cables estén alineados con la dirección del flujo del aceite, a fin de reducir el impacto que este ejerce sobre los cables cercanos a las sondas. b. Los cables de la resistencia térmica Pt100 utilizados para la medición de la temperatura se colocan dentro del tanque de aceite. Cada 500 mm, se atan con cintas de tela blanca; posteriormente, se aplica una capa de pintura aislante en esos puntos, de modo que los cables queden unidos entre sí y se reduzca el impacto causado por el flujo del aceite. c. Se unen los cables de la resistencia termométrica en un solo haz, a lo largo del soporte de las bujes axiales; luego, se fija este haz con abrazaderas en la pared del tanque de aceite o en el soporte correspondiente. Se utilizan abrazaderas para cables revestidas de goma resistente al aceite, a fin de evitar que la cubierta exterior del cable se dañe y prevenir daños mecánicos en el cable dentro del tanque de aceite. Cuando la abrazadera para cables es de gran tamaño, primero se debe envolver el mazo de cables con una cinta blanca y luego fijarlo con la abrazadera. ③Mejora del dispositivo de salida del tanque de aceite: Se utiliza un dispositivo de salida del tanque de aceite especialmente diseñado, como se muestra en la Figura 6, para solucionar problemas como las fugas de aceite al extraer los cables del tanque y las dificultades en su instalación. La placa base del dispositivo de salida del tanque de aceite, así como los cierres para aislar el aceite, están hechos de acero inoxidable 304, lo que garantiza que no se produzcan deformaciones durante las tareas de mantenimiento y desmontaje de la unidad. En la placa de acero hay varios orificios por los cuales pasan los cables. Una vez que los cables pasan por esos orificios, se ajusta el cierre antigrasas. La junta de sellado que se encuentra dentro del cierre se adapta perfectamente a la cubierta exterior de los cables, lo que evita que el aceite a alta presión presente durante el funcionamiento de la máquina se filtre a través de los orificios. Con este dispositivo, no es necesario soldar los cables uno por uno ni conectarlos mediante tornillos; en su lugar, pasan directamente desde el tanque de aceite hasta la caja de terminales en la pared exterior del recipiente de aceite. Reduce los pasos de transmisión intermedia, y presenta ventajas como un proceso sencillo y un alto nivel de protección. Actualmente, los dispositivos de salida de los tanques de aceite de las unidades 1 a 4 de la central hidroeléctrica de Liujiaxia han sido completamente reemplazados, y no se ha registrado ninguna fuga de aceite durante su funcionamiento. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312210257899.png Figura 6: Dispositivo de salida del tanque de aceite. ④ En los puntos de monitoreo importantes se utiliza una configuración redundante. Dado que, durante el funcionamiento normal de la unidad, si se daña algún elemento de medición de temperatura, resulta muy difícil reemplazarlo. Para mejorar la fiabilidad del funcionamiento, es conveniente utilizar resistencias de medición dobles en las partes importantes como los cojinetes de empuje y los cojinetes guía. Es decir, dentro de la misma cubierta de protección se colocan dos resistencias térmicas con el mismo número de división y precisión equivalentes, para medir la temperatura en el mismo punto. Los cables de conexión de los elementos de medición de temperatura deben utilizar un sistema de seis hilos, a fin de eliminar el impacto de las desigualdades en la resistencia de los cables en los resultados de la medición. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312213255292.png Figura 7: Esquema de la estructura del resistor de medición de temperatura de dos terminales. Al utilizar un resistor de medición de temperatura de dos terminales, es posible obtener dos puntos de medición en la misma ubicación. Los cables que conectan estos puntos se llevan hasta la caja de conexiones en la pared exterior del recipiente con aceite. Normalmente, uno está en funcionamiento y el otro sirve como de reserva. Cuando un componente falla, basta con conectar el cable externo en la caja de terminales al componente de repuesto, lo que reduce los riesgos para el equipo derivados de la imposibilidad de reemplazar un resistor dañado. Este artículo analiza las causas de problemas como la interrupción de los cables en los resistores de medición de temperatura utilizados en las centrales hidroeléctricas, y el hecho de que los valores de medición alcancen su máximo de forma instantánea. Además, se proponen las siguientes medidas de mejora: ① Mejorar los resistores de medición de temperatura. ②Regular la instalación y el cableado de las resistencias de medición de temperatura. ③Mejorar el dispositivo de salida del tanque de aceite. ④Los puntos de monitoreo importantes cuentan con una configuración redundante. Siguiendo el método descrito anteriormente, se procedió a modificar gradualmente las resistencias de medición de temperatura de los rodamientos de las unidades 1 a 4 de la central hidroeléctrica de Liujiaxia. Los resultados del funcionamiento demuestran que las resistencias térmicas Pt100 modificadas pueden operar de manera segura, fiable y estable durante los períodos de mantenimiento anuales de nivel A. Esto evita paradas no necesarias debido a errores en la lectura de los sensores o a su daño. La práctica ha demostrado que este método es fácil de aplicar en el terreno, y puede servir como referencia para la modificación de las resistencias de medición de temperatura en otras centrales hidroeléctricas en funcionamiento, así como para la selección e instalación de dichas resistencias en nuevas centrales hidroeléctricas. Autores: Wang Ruyu, Gou Xiaojun y Luo Hongping, de la central hidroeléctrica de Liujiaxia, perteneciente a State Grid Gansu