Allineamento delle turbine: strumenti e strategie per prestazioni ottimali

Le turbine sono un componente essenziale in molti settori, come la produzione di energia elettrica e il settore petrolifero e del gas. Pertanto, mantenerle operative è una priorità assoluta per i team di questi settori. L'allineamento regolare è una pratica standard di manutenzione preventiva, ma macchine grandi e complesse come le turbine a vapore e a gas possono essere particolarmente difficili da allineare.

Questa guida illustrerà l'importanza dell'allineamento delle turbine e le sfide che i team devono affrontare durante il processo. Parleremo anche degli strumenti e delle best practice che i team possono utilizzare per garantire un allineamento di precisione, anche in ambienti difficili.

Cos'è una turbina?

Una turbina è una macchina che converte l'energia di un fluido in movimento (liquido, gas o aria) in energia meccanica rotazionale, spesso utilizzata per generare energia elettrica o azionare altre macchine. Ad esempio, le turbine eoliche vengono utilizzate per convertire l'energia eolica in elettricità. Le turbine a vapore fanno lo stesso, convertendo il vapore prodotto in una caldaia (da fonti come combustibili fossili, reazioni nucleari o calore geotermico) in energia meccanica rotazionale, che può quindi essere convertita in elettricità. Le turbine a gas industriali vengono utilizzate anche per produrre energia meccanica per azionare generatori, compressori o pompe.

Affinché l'energia venga trasferita senza intoppi, che si tratti di una turbina eolica che la converte in energia elettrica o di una turbina a vapore che crea energia meccanica, tutte le macchine coinvolte nel processo devono essere correttamente allineate lungo lo stesso asse di rotazione.

Perché l'allineamento della turbina è importante

Il disallineamento delle turbine si traduce in una scarsa efficienza durante il processo di trasferimento di potenza. Il disallineamento nelle turbine causa un aumento dell'attrito, quindi parte dell'energia prodotta viene persa sotto forma di calore (energia termica) anziché essere trasferita al mezzo desiderato. Anche le vibrazioni possono aumentare, il che rappresenta una forma di spreco di energia meccanica.

Oltre allo spreco di energia, il calore eccessivo e le vibrazioni possono danneggiare macchine e componenti. Il disallineamento determina una distribuzione non uniforme delle forze su componenti come guarnizioni, cuscinetti e altri componenti, riducendone la durata e aumentando i costi di manutenzione.

Il disallineamento è la causa principale di oltre la metà dei guasti nelle apparecchiature rotanti e, per apparecchiature di grandi dimensioni come le turbine, il costo di riparazione di tali guasti può aumentare rapidamente. L'aumento della manutenzione per sostituire i componenti guasti comporta anche tempi di fermo macchina eccessivi e un aumento dei costi di manodopera, con un impatto negativo su fatturato e produzione mentre i team lavorano per sostituire i componenti o eseguire riparazioni.

Più grande è la turbina, maggiore è la potenza che può convertire. Tuttavia, le loro dimensioni maggiori pongono anche notevoli difficoltà di allineamento.

Sfide dell'allineamento delle turbine

In un ambiente più piccolo, potrebbero essere necessari solo due alberi da allineare. Tuttavia, allineamenti di turbine più grandi e complessi richiedono l'allineamento di un intero treno di macchine, inclusi turbine, generatori, compressori e riduttori, per soddisfare le tolleranze geometriche richieste.

Ma questo è più facile a dirsi che a farsi, soprattutto nella produzione di energia e in altre industrie pesanti che utilizzano turbine di grandi dimensioni. Le principali sfide di questo tipo di allineamento multi-accoppiamento includono:

• Vincoli di dimensione: I rotori e le carcasse delle turbine possono essere estremamente grandi e pesanti. Ad esempio, le pale di una turbina a vapore possono raggiungere i 1.83 metri di lunghezza, mentre le pale di una turbina eolica possono superare i 150 metri, più lunghe di un campo da calcio. Le carcasse possono pesare migliaia di tonnellate. Queste dimensioni enormi possono rendere difficile sia la misurazione che il raggiungimento dell'allineamento.
• Peso: Le turbine a vapore sono racchiuse in una cassa, che deve essere rimossa per un corretto allineamento. Tuttavia, il peso della cassa può compromettere l'allineamento. Anche quando un allineamento a coperchio chiuso viene eseguito perfettamente, riposizionare la cassa può spostare i componenti al punto da causare un disallineamento.
• Dilatazione termica: L'allineamento delle turbine a vapore può essere particolarmente impegnativo, poiché possono operare a temperature superiori a 1,093 °C (2,000 °F). Poiché i materiali si espandono a velocità diverse e a causa delle temperature estremamente elevate che questi componenti possono raggiungere, l'espansione termica rappresenta una sfida importante per l'allineamento delle turbine a vapore e a gas. I componenti possono espandersi di molti millimetri a 2,000 °C, richiedendo regolazioni predittive durante l'allineamento della turbina.
• Aumento dei potenziali errori: I complessi treni di macchine con più giunti spesso includono un rotore, un riduttore e un generatore, che devono essere tutti allineati tra loro. Ogni giunto aggiunge un potenziale punto di disallineamento. Le grandi distanze tra i componenti, oltre ai molteplici giunti, aggiungono complessità al processo di allineamento della turbina.
• Accesso limitato: Gli ambienti di lavoro difficili spesso comportano un accesso limitato e difficoltà nell'effettuare misurazioni di allineamento. Ad esempio, le macchine potrebbero non essere in grado di ruotare completamente durante il processo di allineamento a causa di movimenti limitati. Le turbine delle centrali nucleari si trovano in zone a radiazioni controllate, il che limita l'accesso dei tecnici. I tecnici potrebbero inoltre avere una visuale limitata o dover lavorare in spazi angusti.

Nonostante le difficoltà, l'allineamento delle turbine è realizzabile con gli strumenti giusti e le giuste pratiche di manutenzione.

Migliori pratiche per l'allineamento delle turbine

Un corretto allineamento delle turbine è fondamentale per garantire un trasferimento di energia efficiente, ridurre al minimo l'usura e prolungare la durata dei componenti nei sistemi di generazione di energia e industriali. Di seguito sono riportate le migliori pratiche per ottenere e mantenere l'allineamento, anche di fronte a sfide come grandi dimensioni, dilatazione termica e complessi treni di macchine.

1. Allineamento durante la messa in servizio

L'allineamento inizia nella fase di messa in servizio, quando un sistema di turbine viene installato o revisionato per la prima volta. Questo allineamento iniziale stabilisce i parametri di base per prestazioni e longevità. Ad esempio, il rotore di una turbina a vapore, che può pesare fino a 40 tonnellate, deve essere allineato con una tolleranza di 0.02 mm per garantire un funzionamento regolare con generatori o compressori. Utilizzare strumenti ad alta precisione come i sistemi di allineamento laser per misurare gli assi degli alberi su lunghe distanze, come i 20-30 metri di un tipico treno di macchine. Un corretto allineamento durante la messa in servizio riduce le vibrazioni iniziali e previene l'usura cumulativa, riducendo i costi di manutenzione durante il ciclo di vita di una turbina.

2. Compensare la crescita termica

Indirizzare dilatazione termica, utilizzare i dati di crescita termica forniti dal produttore o modelli software per prevedere i tassi di espansione di materiali come acciaio o leghe di titanio.

3. Utilizzare funzionalità avanzate per l'allineamento del treno di macchine

I moderni sistemi di allineamento laser, come quelli di Pruftechnik, consentono funzionalità di "movimento in tempo reale", consentendo ai tecnici di regolare i componenti in tempo reale monitorando l'allineamento su tutti i giunti. Gli strumenti di movimento in tempo reale forniscono un feedback visivo, garantendo che le regolazioni mantengano l'intero treno entro le tolleranze. Ciò è particolarmente importante negli ambienti di lavoro in cui l'accesso limitato complica le regolazioni.

4. Controlli di routine e dati di allineamento delle tendenze

L'allineamento non è un'operazione da eseguire una sola volta. Controlli regolari sono essenziali per mantenere le prestazioni delle turbine invecchiate o in condizioni operative variabili. Pianificare le ispezioni di allineamento durante la manutenzione programmata o dopo eventi significativi come la reinstallazione della carcassa. Utilizzare sensori di monitoraggio delle vibrazioni e di allineamento per monitorare l'andamento dei dati nel tempo, identificando disallineamenti graduali prima che causino danni. Memorizzare i dati di allineamento nel software di manutenzione per monitorare le tendenze, come l'aumento delle vibrazioni o l'usura dei cuscinetti, e prevedere quando è necessario un riallineamento.

Come i sistemi di allineamento laser semplificano l'allineamento delle turbine

L'allineamento delle turbine con metodi tradizionali come gli indicatori a quadrante è estremamente impegnativo a causa delle dimensioni e della complessità delle macchine. Tuttavia, i sistemi di allineamento a laser singolo come AllineaRot, OptAligne Allineamento albero sono costruiti per adattarsi al difficile ambiente dell'allineamento dell'albero della turbina e presentano diverse caratteristiche che rendono possibile un allineamento perfetto.

Le dimensioni delle turbine impediscono loro di ruotare liberamente durante il processo di allineamento senza l'ausilio di gru, tiranti a catena o martinetti idraulici. Funzionalità come la modalità di misurazione IntelliPoint registrano l'allineamento in più punti di arresto, eliminando gli errori causati da una rotazione irregolare o da cedimenti dell'albero.

LiveTrend è un'altra funzionalità di Pruftechnik che misura e registra in tempo reale le variazioni di posizione causate dall'aumento di temperatura durante il funzionamento, misurando lo spostamento parallelo e angolare. I team possono quindi utilizzare queste informazioni durante gli allineamenti a freddo per posizionare gli alberi della turbina in modo che siano allineati al raggiungimento della temperatura di esercizio.

Anche l'allineamento di complessi treni di macchine multi-accoppiamento è più facile con gli strumenti laser. RotAlign Touch Può allineare un treno di macchine fino a 14. In modalità multi-accoppiamento, un singolo giro dell'albero può rilevare le letture di ogni accoppiamento del treno, senza dover spostare i sensori da un accoppiamento all'altro. Il sistema fornisce quindi risultati che mostrano quanto deve muoversi ciascuna macchina del treno per raggiungere l'allineamento, fornendo flussi di lavoro pronti all'uso per semplificare anche gli allineamenti più complessi.

Tutti i sistemi di allineamento laser Pruftechnik possono caricare la documentazione digitale direttamente sul cloud per un facile accesso, reporting e tracciabilità a lungo termine. Ciò garantisce che ogni allineamento venga registrato, revisionato e archiviato, aiutando i team a dimostrare la conformità e a semplificare la manutenzione futura.

I sistemi di allineamento laser possono tagliare allineamento della turbina a vapore tempo a metà. Con Sistemi di allineamento laser di Pruftechnik, l'allineamento della turbina diventa non solo realizzabile, ma anche efficiente, preciso e ripetibile.