Prueba de Hermeticidad de Aire del Estator del Generador

El Papel de la Prueba de Fugas en Generadores Refrigerados por Hidrógeno

En grandes turbogeneradores, la prueba de estanqueidad al aire no es un simple control de "¿ha bajado la presión?". Especialmente en máquinas refrigeradas por hidrógeno, esta prueba es la forma práctica de verificar si el generador retiene el gas de forma segura. En generadores de alta potencia utilizados en turbinas de gas, turbinas de vapor y centrales de ciclo combinado, se genera un calor considerable en el estator y el rotor. Este calor debe eliminarse de manera estable; de lo contrario, el aislamiento envejece, las temperaturas de los bobinados aumentan y la capacidad de carga disminuye.

La elección del hidrógeno no es casual. Su conductividad térmica es significativamente mayor que la del aire. Hablando en valores aproximados, la conductividad térmica del hidrógeno es de alrededor de 0,168 W/(m·K); en el aire, este valor es de aproximadamente 0,026 W/(m·K). Es decir, el hidrógeno transporta el calor mucho más fácilmente que el mismo volumen de aire. Además, su densidad es muy baja. A 0 °C y 1 atm, la densidad del hidrógeno es de aproximadamente 0,09 kg/m³, mientras que la del aire es de aproximadamente 1,29 kg/m³. Cuando el rotor gira, se producen pérdidas por fricción y viento en el gas; la baja densidad ofrece aquí una ventaja.

La contrapartida en campo es la siguiente: el hidrógeno enfría bien y reduce la resistencia del gas a la pieza giratoria. En máquinas grandes, esta diferencia se nota en el rendimiento, la temperatura y la capacidad de carga.

Pero el hidrógeno también tiene un lado duro. Cuando se mezcla con aire en ciertas proporciones, puede formar una mezcla inflamable y explosiva. Se considera peligrosa una concentración de hidrógeno en el aire entre aproximadamente el 4% y el 75%. Por eso, antes de realizar la carga de hidrógeno, se prueban de la manera más fiable posible la carcasa, las conexiones, las juntas, la zona del cooler, el sistema de aceite de sellado y el circuito de gas. No se trata solo de la factura del gas. Es seguridad.

¿Por qué la prueba se realiza a menudo con aire?

La primera comprobación tras la puesta en marcha o el mantenimiento no suele hacerse con hidrógeno. El sistema se presuriza primero con aire o, según el procedimiento, con un gas inerte adecuado. El objetivo es ver si la carcasa y el circuito de gas mantienen la presión. Si la prueba resulta aceptable, se aplican los pasos de purga; se elimina el aire, se utiliza el gas intermedio necesario y el sistema se prepara para la operación con hidrógeno.

Este orden puede variar según el fabricante. En los documentos de fabricantes como GE, Siemens, Alstom o Mitsubishi, el volumen, la presión de prueba, el tiempo de espera, el límite de aceptación y los pasos de purga pueden definirse de forma diferente. Sin embargo, la lógica práctica no cambia: antes de introducir hidrógeno, se observa el comportamiento de retención de gas del sistema.

Si la fuga es alta con hidrógeno, varias cosas empeoran a la vez. El consumo de gas aumenta. La pureza del hidrógeno puede disminuir. El sistema de aceite de sellado se esfuerza más. En algunas zonas existe riesgo de acumulación de hidrógeno. Si hay entrada de humedad y aire, el rendimiento de refrigeración también se deteriora. Entonces comienza la pregunta de "¿por qué el generador funciona caliente?". A veces la respuesta no está en el lado eléctrico, sino en el lado del gas.

La Lógica del Gas Detrás de la Medición

En las pruebas de estanqueidad, la diferencia de presión parece a primera vista el dato más claro. Si al inicio hay 300 kPa y al final 290 kPa, se dice "ha bajado 10 kPa". Pero esta afirmación por sí sola es incompleta. Porque la presión del gas cambia con la temperatura.

Si el gas se enfría, la presión baja. Si el gas se calienta, la presión sube. Incluso si no hay fuga en el sistema, un cambio de temperatura provoca movimiento en el manómetro. Por eso, en el cálculo de fugas del estator, es necesario leer la presión no en su forma bruta, sino junto con la temperatura.

La base del cálculo es la siguiente relación:

Aquí, la presión del estator no se utiliza sola; se evalúa junto con la presión atmosférica. Porque la presión del estator que se lee en campo suele ser presión manométrica. Es decir, es el valor por encima de la presión atmosférica. Para aproximarse a la presión absoluta, se suma la presión atmosférica:

En una central cercana al nivel del mar, el enfoque de "poner 100 kPa y listo" para la presión atmosférica a veces no causa muchos problemas. Pero en un sitio de gran altitud o en una prueba de aceptación sensible, este hábito distorsiona el cálculo. Si la presión barométrica es realmente de alrededor de 88-90 kPa, introducir 100 kPa no es un redondeo inocente.

En el lado de la temperatura también se requiere la misma atención. Si la carcasa del estator todavía se está enfriando después del mantenimiento, una prueba realizada sin que se estabilice la temperatura mide más la transición térmica que la fuga. En el papel, la fórmula funciona correctamente; si los datos son malos, el resultado también lo es.

¿Puede haber fuga incluso cuando la presión aumenta?

Sí, en algunos ejemplos la presión final parece más alta que la inicial, pero como el efecto de la temperatura es mayor, el cálculo puede mostrar una pérdida de gas. También es posible lo contrario. La presión baja un poco, pero la temperatura también ha bajado; en ese caso, la fuga real puede ser menor que la diferencia de presión bruta.

Por eso, tomar una decisión escribiendo solo la presión en el formulario de prueba es precipitado. La presión, la presión atmosférica, la temperatura y el tiempo deben leerse juntos. Ahí está la lógica de la prueba.

Datos Utilizados en el Cálculo

El volumen de gas del estator representa el volumen cerrado que se prueba. En la calculadora, como información de ayuda, se indica que con rotor se puede usar generalmente 110 m³, y sin rotor 120 m³. Este es un buen recordatorio práctico, pero no es el valor exacto. Incluso en dos generadores de la misma clase de potencia, el volumen de la carcasa, la disposición del cooler y la geometría interna pueden ser diferentes. Es necesario utilizar el volumen que aparece en la hoja de prueba del fabricante.

El intervalo de tiempo también afecta directamente al resultado. Las pruebas cortas amplifican el error de medición. Por ejemplo, en una prueba de 10 minutos, una diferencia de lectura de 1 kPa puede convertirse en un gran valor de fuga diaria. Una prueba más estable de varias horas suele parecer más fiable. Por supuesto, aquí también es necesario que la temperatura del sistema se haya estabilizado.

Para el inicio y el final se toman tres valores: presión manométrica del estator, presión atmosférica y temperatura del estator. Estos deben leerse al mismo tiempo o en momentos muy cercanos. En campo, a veces primero se anotan las presiones y luego se recorren las temperaturas. Si la temperatura de la máquina está cambiando, incluso este pequeño retraso se refleja en la nota de prueba.

Hay que tener cuidado con la unidad de presión. Si se introduce presión absoluta en el campo de presión del estator, la presión atmosférica se habrá añadido dos veces. Este error infla el resultado. La presión del estator que espera la calculadora es la presión manométrica; la presión atmosférica se introduce por separado.

Para la temperatura, también es importante la representatividad. En carcasas grandes, la temperatura de un solo punto puede no ser suficiente a veces. Si el procedimiento de prueba requiere varios puntos de temperatura, se debe utilizar la temperatura media o la temperatura representativa definida. La facilidad de "poner 20 °C" no siempre es correcta.

Fórmula y Escenario de 110 m³

La fórmula principal de la calculadora tiene la siguiente estructura:

En esta fórmula, \(Q\) da la tasa de fuga de gas. \(V_1\) es el volumen de gas del estator. \(P_1\) y \(P_2\) son las presiones manométricas del estator al inicio y al final de la prueba. \(B_1\) y \(B_2\) son las presiones atmosféricas en esos mismos instantes. \(T_1\) y \(T_2\) son las temperaturas de inicio y final. \(h\) es la duración de la prueba.

Consideremos un generador con un volumen de 110 m³, asumiendo rotor instalado, y realizamos una prueba de 1 hora. Supongamos que al inicio la presión del estator es de 300 kPa, la presión atmosférica de 100 kPa, y la temperatura del estator de 20 °C. Al final, la presión del estator es de 290 kPa, la presión atmosférica sigue siendo 100 kPa y la temperatura también es de 20 °C. El primer control es:

Como la temperatura se mantiene igual, este ejemplo es relativamente sencillo. La caída de presión se interpreta directamente como pérdida de gas. Pero en el campo real, la mayoría de las pruebas no son tan limpias. La inicial puede ser 23 °C y la final 27 °C. O la carcasa se enfría lentamente durante la prueba. Por eso la calculadora incluye la temperatura en la fórmula.

En el escenario de prueba dado, se han introducido el volumen del estator 110 m³, la duración 7,5 horas, los valores iniciales P₁ = 502,61 kPa, B₁ = 100,38 kPa, T₁ = 23,75 °C; y los valores finales P₂ = 507,6 kPa, B₂ = 100,3 kPa, T₂ = 26,72 °C. Como se puede observar, la presión final del estator es más alta. Sin embargo, como la temperatura también ha aumentado, la interpretación de la cantidad de gas no puede hacerse solo observando el aumento de presión. Este es un buen ejemplo de prueba; mantiene alejado de la rutina.

Interpretación del Resultado en Campo

Cuando la tasa de fuga de gas se convierte a un valor como m³/día, resulta más fácil comparar pruebas realizadas en diferentes duraciones. No es correcto poner lado a lado una prueba de 2 horas y una de 8 horas con la diferencia de presión bruta. Por eso es útil el equivalente de fuga diaria.

Sin embargo, no se debe esperar que el resultado tome decisiones por sí solo. El límite de aceptación se define en el procedimiento del fabricante, en las instrucciones de operación de la central o en el plan de prueba de mantenimiento. Un valor de fuga considerado aceptable en un generador puede considerarse excesivo en otra máquina. El volumen de la carcasa, la presión de operación del hidrógeno, la disposición del aceite de sellado, la configuración del refrigerador y la edad de la máquina afectan el resultado.

Si hay una fuga alta en operación con hidrógeno, primero aumenta el consumo de gas. El operador lo nota por la necesidad de hidrógeno de reposición. Pero el verdadero problema es la seguridad y la pureza. Cuando la pureza del hidrógeno disminuye, el rendimiento de refrigeración se deteriora. Si hay humedad, se crea un ambiente indeseable para el aislamiento. Si hay un problema en el lado del aceite de sellado, el hidrógeno puede mezclarse con el sistema de aceite o pueden producirse pasajes de aire/gas en dirección inversa.

Los puntos de fuga no suelen buscarse en un solo lugar. Se revisan las cajas de terminales, las conexiones del cooler, las superficies de las bridas, las tapas de los manholes, las zonas de aceite de sellado, las conexiones del secador de gas y las líneas de los instrumentos de medición. La experiencia lo confirma: a veces lo que se cree una gran fuga sale de un pequeño fitting de instrumento. Otras veces, todas las pequeñas fugas se combinan y alteran el comportamiento del sistema.

Detalles que más se pasan por alto en la prueba

• La presión barométrica se subestima. Especialmente en centrales de gran altitud, este hábito desvía el resultado.
• Se inicia la prueba sin que la temperatura se haya estabilizado. Si la carcasa todavía se está calentando o enfriando, el cálculo se desvía directamente.
• El volumen del estator se introduce como suposición. La diferencia entre 110 m³ y 120 m³ es de aproximadamente el 9%; el resultado cambia en la misma medida.
• Se introduce presión absoluta en lugar de presión manométrica. Este error es silencioso, pero distorsiona el resultado.
• Los valores iniciales y finales se leen con diferente disciplina. La fiabilidad de una prueba proviene de la disciplina de medición antes que de la fórmula.

Breve Conclusión

La prueba de estanqueidad del estator del generador, especialmente en grandes generadores refrigerados por hidrógeno, es un paso de control de seguridad antes de la carga de hidrógeno. El objetivo de la prueba no es solo ver la caída de presión, sino calcular la tasa de fuga de gas leyendo conjuntamente el volumen, la duración, la presión atmosférica y el efecto de la temperatura.

El hidrógeno es un buen refrigerante, reduce las pérdidas alrededor del rotor y proporciona una ventaja significativa en máquinas grandes. Pero si el control de fugas es deficiente, esta ventaja se convierte rápidamente en un problema de seguridad y operación. Por lo tanto, el resultado de la prueba debe evaluarse junto con la calidad de la medición y los límites de aceptación del fabricante. La fórmula es una ayuda; la decisión la dan los datos sólidos.