Inicio y parada frecuentes de la bomba de aceite en sistemas de válvulas de bola en la central eléctrica de almacenamiento bombeado de Jurong

El sistema de válvula de bola en la estación de energía de almacenamiento por bombeo de Jurong está equipado con con dos bombas de aceite tipo tornillo. Durante la puesta en marcha de la Unidad 2, las bombas de aceite exhibieron ciclos frecuentes de arranque y parada mientras que el válvula de bola Estaba abierto, con el intervalo mínimo entre arranques se redujo a solo 16 minutos. Las bombas se detuvieron automáticamente al alcanzar la presión de parada preestablecida, y este comportamiento anormal no ocurrió cuando se cerró la válvula de bola. A través de una investigación sistemática de nueve aspectos, incluido el circuito de control hidráulico del sistema de válvula de bola y la cámara del pistón del servoactuador, se determinó que la causa principal era una fuga interna en la válvula direccional hidráulica del circuito de apertura del servoactuador. Esta fuga permitió que el aceite hidráulico regresara al tanque de retorno, provocando una caída de presión continua en el tanque de aceite a presión y, en consecuencia, desencadenando ciclos frecuentes de arranque y parada de las bombas de aceite. El análisis y las medidas correctivas presentadas en este documento pueden servir como referencia para abordar problemas similares en sistemas comparables.

La Central Eléctrica de Almacenamiento por Bombeo de Jurong, ubicada en la provincia de Jiangsu (en adelante, Central Eléctrica de Jurong), consta de seis unidades generadoras de turbina de bomba, cada una con con una capacidad nominal de 225 MW. La unidad completa, que incluye la válvula de entrada, la turbina y el generador, fue fabricada por Harbin Electric Machinery Co., Ltd. Cada unidad tiene una velocidad nominal de 250 r / min y una cabeza nominal de 175 m. La válvula de entrada es una válvula de bola, modelo QF257-WY-340. La unidad 2 comenzó la puesta en marcha de la unidad completa el 16 de octubre de 2024 y completó con éxito una operación de prueba de 15 días el 14 de diciembre de 2024. El sistema de válvula de bola consta principalmente del cuerpo de la válvula de bola, la tubería de conexión aguas arriba, la junta de expansión, el dispositivo operativo hidráulico de la válvula de bola y el sistema de control de la válvula de bola. El cuerpo de la válvula de bola comprende el cuerpo de la válvula, el vástago de la válvula, el conector servo, el bloqueo hidráulico del conector servo, el tubo de derivación, el sello de trabajo y el sello de mantenimiento. El dispositivo de funcionamiento hidráulico de la válvula de bola comprende principalmente un tanque de aceite a presión, bombas de aceite, conjuntos de válvulas y un tanque de aceite de retorno. Las bombas de aceite transfieren aceite hidráulico desde el tanque de retorno al tanque de aceite a presión. Cuando la presión en el tanque de aceite a presión cae por debajo de 6,1 MPa, se pone en marcha automáticamente una bomba de aceite. Cuando la presión supera los 6,3 MPa, la bomba de aceite se detiene. Los consumidores de aceite hidráulico incluyen el relé de la válvula de bola, el sello de trabajo, el sello de mantenimiento, el bloqueo hidráulico y la válvula de aguja de trabajo en la tubería de derivación. Cualquier anormalidad en el consumo de aceite hidráulico o el mal funcionamiento de la bomba de aceite puede provocar ciclos frecuentes de

El 16 de noviembre de 2024, la Unidad 1 se sometió a pruebas de estabilidad térmica sin carga y pruebas de estabilidad térmica de carga. Durante estas pruebas, se observó un funcionamiento frecuente de arranque y parada de las bombas de aceite cuando la válvula de bola estaba en posición abierta. El 16 de noviembre de 2024, la Unidad 1 se sometió a pruebas de estabilidad térmica sin carga y sin carga. Durante estas pruebas, las bombas de aceite exhibieron ciclos frecuentes de arranque y parada mientras la válvula de bola estaba abierta. Los datos del intervalo de arranque y parada de las bombas de aceite se resumen en la Tabla 1. Durante el arranque de la unidad, el sistema de gobernador requiere presión de aceite hidráulico para regular las aberturas de la paleta guía para el ajuste de la carga. En cambio, el sistema de válvulas de bola normalmente no requiere presión de aceite continua una vez que la válvula de bola está completamente abierta. Sin embargo, comparando los intervalos de funcionamiento de la bomba de aceite con la válvula de bola abierta y cerrada reveló una diferencia significativa: el intervalo de inicio y parada disminuyó de 11 horas y 45 minutos (válvula de bola cerrada) a solo 16 minutos (válvula de bola abierta). Este acortamiento anormal del intervalo de inicio y parada indica una falla en el sistema de presión de aceite hidráulico de la válvula de bola, lo que conduce a una pérdida de presión continua.

Como se muestra en la figura 1, el cilindro del relé y el vástago del pistón están hechos de acero forjado. El pistón está sellado con un solo anillo de pistón compuesto de PTFE, y el vástago del pistón está cromado para proporcionar una superficie lisa y una mayor resistencia al desgaste. Además, se instalan bandas de guía tanto en el pistón como en la culata delantera para evitar cargas laterales en el sello y garantizar un movimiento suave y estable del pistón. El aceite de funcionamiento se suministra desde el sistema hidráulico de la válvula de bola. El relé está equipado con con un dispositivo amortiguador ajustable para garantizar que la válvula de bola de entrada se mueva a una velocidad reducida cerca del final de su carrera completa, evitando así el impacto mecánico. Dos tuberías de presión, designadas como líneas de presión A y B, están dispuestas en la salida del tanque de aceite a presión. La línea de presión A está conectada directamente a la cámara de cierre del servoactuador, asegurando que esta cámara permanezca continuamente presurizada. La línea de presión B se conecta a la cámara de apertura del servoactuador a través del conjunto de la válvula de control de la válvula de bola. Durante la apertura de la válvula de bola, se suministra aceite a presión tanto a las cámaras de apertura como de cierre del servoactuador. La diferencia en las áreas efectivas del pistón entre las dos cámaras genera una fuerza resultante hacia arriba, accionando el servoactuador y abriendo la válvula de bola. Durante el cierre de la válvula de bola, el conjunto de la válvula de control corta la línea de presión B. La cámara de apertura del servoactuador se conecta al tanque de aceite de retorno, mientras que la cámara de cierre permanece conectada a la línea de presión A. Las fuerzas hidráulicas combinadas impulsan el servoactuador hacia abajo, cerrando la válvula de bola. La presurización continua de la cámara de cierre garantiza un cierre fiable y a prueba de fallos de la válvula de bola en condiciones de funcionamiento anormales. La diferencia clave entre los procesos de apertura y cierre de la válvula de bola radica en la posición de conmutación del conjunto de la válvula de control para la línea de presión B.

Figura 1. Estructura del servoactuador de válvula de bola y mecanismo de bloqueo

El circuito de control hidráulico del relé consta de siete válvulas de control:

Una válvula de cambio de posición: proporciona un enclavamiento hidráulico entre el estado abierto de la válvula de bola y el estado de desconexión del sello de trabajo.

Tres válvulas solenoides: una para abrir y cerrar válvulas de bola, y dos para apagado a prueba de fallos (pérdida de energía).

Dos válvulas hidráulicas: una para protección mecánica de sobrevelocidad y otra para controlar la posición de la válvula direccional hidráulica.

Una válvula direccional hidráulica: controla la apertura y el cierre de la cámara de apertura del relé.

El circuito de control hidráulico del sello de trabajo consta de cuatro válvulas de control:

Una válvula de enclavamiento hidráulico: permite el enganche de los sellos de trabajo y mantenimiento solo cuando la válvula de bola está completamente cerrada.

Una válvula solenoide: controla la válvula hidráulica responsable de enganchar y desenganchar el sello de trabajo.

Una válvula hidráulica: regula el control de aceite y agua del sello de trabajo.

Una válvula de control de aceite y agua: cambia el circuito de agua del sello de trabajo.

El circuito de control hidráulico del sello de mantenimiento también consta de cuatro válvulas de control:

Una válvula de enclavamiento hidráulico: asegura que el sello de mantenimiento se acopla solo cuando tanto la válvula de bola como el sello de trabajo están completamente cerrados.

Una válvula direccional manual: controla la válvula hidráulica responsable de enganchar y desenganchar el sello de mantenimiento.

Una válvula hidráulica: regula el control de aceite y agua para el sello de mantenimiento;

Una válvula de control de aceite y agua: cambia el circuito de agua del sello de mantenimiento.

El circuito de control hidráulico de bloqueo de relé consiste en una sola válvula solenoide, que controla el bloqueo y desbloqueo del mecanismo de relé.

El circuito de control hidráulico de la válvula de aguja de bypass consta de una sola válvula solenoide, que controla la apertura y el cierre de la válvula de aguja de bypass. En cada grupo de válvulas del circuito hidráulico, la línea de retorno está conectada al tanque de aceite de retorno. Cualquier fuga interna dentro de un grupo de válvulas permite que el aceite a presión fluya de regreso al tanque de retorno, provocando una caída de presión en el tanque de aceite a presión y provocando un arranque frecuente de la bomba de aceite.

Nota: El alcance de solución de problemas descrito anteriormente no incluye la válvula de aislamiento normalmente abierta accionada manualmente.

La válvula de bloqueo y la válvula de aguja de bypass utilizan estructuras tipo pistón similares al servoactuador de la válvula de bola, con un elemento de sellado instalado en el pistón. Si el sello del pistón no mantiene la estanqueidad, se pueden producir fugas internas, lo que permite que el aceite a presión pase por alto el pistón. Esta fuga provoca una caída en el tanque de aceite a presión, lo que provoca el arranque automático de la bomba de aceite.

El conjunto del tanque de aceite a presión incluye tuberías de suministro de aire y escape, así como tuberías de drenaje de aceite. Si la línea de escape está mal conectada o la válvula de drenaje no está completamente cerrada, el aceite o el aire comprimido pueden escapar del sistema. Esta fuga reduce la presión en el tanque de aceite a presión, lo que provoca un arranque frecuente de la bomba de aceite.

La bomba de aceite está conectada al tanque de aceite a presión a través de la tubería B. Un conjunto de válvula de combinación en la salida de la bomba integra una válvula de retención, alivio de seguridad y funciones de descarga. Cuando la presión de salida de la bomba alcanza la presión del tanque de aceite a presión, la válvula de retención se abre, lo que permite que la bomba entregue aceite desde el tanque de aceite de retorno al tanque de aceite a presión. Después de que la bomba se detiene, la válvula de retención evita el flujo inverso. Si la válvula de retención falla o no se asienta correctamente, el aceite presurizado del tanque de aceite a presión puede fluir de regreso al tanque de aceite de retorno a través de la bomba, provocando una caída de presión y provocando el arranque automático de la bomba de aceite. Las nueve causas potenciales descritas anteriormente pueden provocar una pérdida de presión en el tanque de aceite a presión, lo que desencadena un funcionamiento frecuente de arranque y parada de la bomba de

En la tarde del 16 de noviembre, se observaron ciclos frecuentes de arranque y parada de la bomba de aceite cuando la válvula de bola estaba en posición abierta. Este comportamiento anormal cesó una vez cerrada la válvula de bola. Durante las pruebas realizadas el mismo día, la válvula de aguja de bypass, el sello de mantenimiento, la válvula de drenaje del tanque de aceite a presión y la válvula de escape no se accionaron. Por lo tanto, las fallas asociadas a con estos componentes no exhibirían el comportamiento observado por el cual la caída de presión cesó después de que se cerró la válvula de bola. De igual manera, las fallas asociadas a con la cámara del pistón del relé de bloqueo y la válvula de retención de salida de la bomba de aceite son inconsistentes con el comportamiento observado, ya que no se produjeron arranques frecuentes de la bomba de aceite cuando se cerró la válvula de bola. Con base en las observaciones anteriores, se descartaron provisionalmente las causas 4, 6, 7, 8 y 9.

Después de las pruebas realizadas el 16 de noviembre, el conjunto de la válvula de sello de trabajo y el conjunto de la válvula hidráulica de bloqueo se mantuvieron en el estado desconectado durante 15 minutos en condiciones estáticas. Durante este período, no se detectó una caída de presión medible en el tanque de aceite a presión. Estos resultados confirman la ausencia de fugas internas en el sello de trabajo y en los circuitos hidráulicos de bloqueo. En consecuencia, se excluyeron las causas 3 y 5.

Cuando ocurrió la falla, algunos técnicos atribuyeron la condición anormal al colapso interno de la unidad de relé, lo que permitiría que el aceite hidráulico se filtrara de la cámara de apertura a la cámara de cierre. Sin embargo, la unidad de relé de válvula de bola en la Central Eléctrica de Almacenamiento Bombeado de Jurong está diseñada de manera diferente a las utilizadas en otras centrales eléctricas. Para garantizar un cierre confiable de la válvula en condiciones anormales o de emergencia, la cámara de cierre de la unidad de relé está conectada continuamente al tanque de aceite a presión en lugar de al tanque de aceite de retorno. Por lo tanto, incluso si se produjera una fuga interna entre las cámaras de apertura y cierre, no causaría una caída de presión en el tanque de aceite a presión. Además, durante la fase de instalación electromecánica, todas las unidades de relé de válvula de bola se sometieron a una prueba de resistencia a presión a 1,5 veces la presión de diseño en la instalación de fabricación, presenciada por la unidad de supervisión de la construcción, y no se observaron anomalías. En base al análisis anterior, se descartó el colapso de la unidad de relevo (Causa 1).

Después del proceso de eliminación anterior, la causa más probable restante fue la fuga interna en una o más de las siete válvulas de control dentro del circuito de control hidráulico de la unidad de relé. Dada la rápida caída de presión en el tanque de aceite a presión y el hecho de que la válvula direccional hidráulica tiene los pasajes de flujo interno y las dimensiones estructurales más grandes, esta válvula se identificó como el enfoque principal de la investigación. Después del cierre en la tarde del 17 de noviembre, la válvula de bola se operó de forma independiente y se cerró la válvula de aislamiento accionada manualmente en la línea de aceite de retorno de la válvula direccional hidráulica. Las observaciones mostraron que después de un minuto, la caída de presión en el tanque de aceite a presión fue de solo 0,01 MPa. Una vez reabierta la válvula de aislamiento, la caída de presión volvió a la condición de falla. Después de 15 minutos, la presión cayó en 0,2 MPa, lo que provocó otro arranque de la bomba de aceite. Los resultados detallados de la prueba se resumen en la Tabla 2.

Tabla 2 Arranque de la bomba de aceite - Comportamiento de parada en diferentes condiciones de línea de retorno

Con base en el análisis anterior, se determinó que la causa raíz del comportamiento frecuente de arranque-parada de la bomba de aceite es la fuga interna en la válvula direccional hidráulica del circuito de control hidráulico del relé de la válvula de bola (Causa 2). Específicamente, se detectó fuga interna de aceite desde el puerto P al puerto T de la válvula direccional hidráulica. El esquema funcional de la válvula en su posición cerrada se muestra en la Figura 2. Después de reemplazar la válvula direccional hidráulica, la válvula de bola se reabrió para observación. Después de 4 horas y 50 minutos de operación, la caída de presión en el tanque de aceite a presión fue de solo 0,1 MPa, con no se observó pérdida de presión anormal. Durante este período, la bomba de aceite permaneció inactiva, lo que indica que la falla se había resuelto con éxito. Los datos operativos correspondientes se resumen en la Tabla 3.

Una comparación de las Tablas 1 y 3 bajo condiciones cerradas de válvula de bola muestra que:

50. Antes del reemplazo, la presión en el tanque de aceite se redujo en 0,2 MPa durante 11 horas y 45 minutos.
50. Después del reemplazo, la caída de presión se redujo a 0,1 MPa en 16 horas y 45 minutos.

Esta comparación indica además que, antes del reemplazo, la válvula direccional hidráulica experimentó fugas internas menores pero persistentes desde el puerto P al puerto T, incluso con la válvula de bola cerrada.

Tabla 3 Arranque de la bomba de aceite - Comportamiento de parada después del reemplazo de la válvula direccional

Figura 2 Diagrama Funcional de la Válvula Direccional Hidráulica (Posición Cerrada)

Estos hallazgos indican que la válvula direccional hidráulica no fue sometida a pruebas de fugas internas suficientemente rigurosas durante la fabricación. En consecuencia, la válvula experimentó una degradación del rendimiento a corto plazo después de la puesta en marcha, lo que afectó negativamente el funcionamiento de la bomba de aceite. El fabricante sugirió reemplazar el sello del vástago de la válvula en el sitio; sin embargo, este enfoque se consideró poco práctico, ya que el sitio de construcción no cuenta con las instalaciones de prueba de presión necesarias para verificar el rendimiento de fugas internas. Los conjuntos de válvulas hidráulicas de alta precisión deben someterse a pruebas de fugas exhaustivas a la presión de prueba nominal para garantizar la confiabilidad operativa a largo plazo. En consecuencia, las válvulas defectuosas se devolvieron al fabricante para su retrabajo y nueva prueba.

Este estudio proporciona un análisis sistemático del comportamiento de arranque-parada frecuente de las bombas de aceite en el sistema hidráulico de válvula de bola en la Central Eléctrica de Almacenamiento Bombeado de Jurong. Al tener en cuenta tanto las características estructurales de la válvula de bola como la lógica operativa del sistema de control hidráulico, la falla se identificó y resolvió de manera eficiente. El enfoque de solución de problemas resultó claro, lógico y efectivo, mejorando en gran medida la eficiencia y precisión de la detección y resolución de fallas. Los hallazgos y la metodología presentada en este documento ofrecen una guía valiosa para diagnosticar y resolver problemas frecuentes similares de arranque-parada de las bombas de aceite en los sistemas de válvulas de bola en otras plantas hidroeléctricas de almacenamiento bombeado y convencionales.