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Compuesto de turbinas de vapor

La combinación de turbinas de vapor es el método mediante el cual la energía del vapor se extrae en varias etapas en lugar de una sola etapa en una turbina. En todas las turbinas, la velocidad de rotación de la pala es proporcional a la velocidad del vapor que pasa sobre la pala. Si el vapor se expande solo en una sola etapa desde la presión de la caldera hasta la presión de escape, su velocidad debe ser extremadamente alta.

Una turbina de vapor compuesta tiene múltiples etapas, es decir, tiene más de un conjunto de boquillas y rotores, en serie, ajustados al eje o fijados a la carcasa, de modo que la turbina absorbe la presión del vapor o la velocidad del chorro. etapas Por ejemplo, la gran turbina HP utilizada en plantas de energía nuclear puede ser una turbina de reacción de doble flujo con aproximadamente 10 etapas con palas envueltas. Las grandes turbinas de gas LP utilizadas en las centrales nucleares suelen ser turbinas de reacción de doble flujo con aproximadamente 5-8 etapas (con palas cubiertas y con palas independientes de las últimas 3 etapas).

En un impulso, la composición de la turbina de vapor se puede lograr de las siguientes tres maneras:

• composición de presión
• composición de velocidad
• composición de presión-velocidad

Tipos de turbinas de vapor

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su construcción, presiones de trabajo, tamaño y muchos otros parámetros. Pero hay dos tipos básicos de turbinas de vapor:

• turbinas de impulso
• turbinas de reacción .

La principal distinción es la manera en que el vapor se expande a medida que pasa a través de la turbina.

Turbina de impulso y turbina de reacción

Los tipos de turbina de vapor basados ​​en la geometría de la pala y el proceso de conversión de energía son la turbina de acción y la turbina de reacción.

Turbina de impulso

La turbina de acción está compuesta de palas móviles que se alternan con boquillas fijas . En la turbina de acción, el vapor se expande en boquillas fijas y permanece a presión constante cuando pasa sobre las palas. Las turbinas Curtis , Rateau o Brown-Curtis son turbinas de tipo impulso. La turbina de vapor original, la De Laval, era una turbina de acción que tenía una rueda de una sola pala.

Toda la caída de presión de vapor tiene lugar solo en boquillas estacionarias. Aunque las cuchillas de impulso teóricas tienen una caída de presión cero en las cuchillas móviles, prácticamente, para que el flujo tenga lugar a través de las cuchillas móviles, también debe haber una pequeña caída de presión a través de las cuchillas móviles.

En las turbinas de impulso, el vapor se expande a través de la boquilla, donde la mayor parte de la energía potencial de presión se convierte en energía cinética. El vapor de alta velocidad de las boquillas fijas impacta las cuchillas , cambia su dirección , lo que a su vez aplica una fuerza . El impulso resultante conduce las palas hacia adelante, haciendo que el rotor gire. La característica principal de estas turbinas es que la caída de presión por etapa individual puede ser bastante grande, permitiendo grandes álabes y un menor número de etapas. Excepto para aplicaciones de baja potencia, los álabes de la turbina están dispuestos en múltiples etapas en serie, llamadas compuestos, lo que mejora enormemente la eficiencia a bajas velocidades.

Las turbinas de vapor modernas con frecuencia emplean tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia. Las palas del rotor generalmente están diseñadas como una pala de impulso en la podredumbre y como una pala de reacción en la punta.

Dado que las etapas de Curtis reducen significativamente la presión y la temperatura del fluido a un nivel moderado con una alta proporción de trabajo por etapa. Una disposición habitual es proporcionar en el lado de alta presión una o más etapas de Curtis, seguido de Rateau o puesta en escena de reacción. En general, cuando se tiene en cuenta la fricción en las etapas de reacción, se encuentra que la etapa de reacción es la más eficiente, seguida de Rateau y Curtis en ese orden. Las pérdidas por fricción son significativas para las etapas de Curtis, ya que son proporcionales a la velocidad del vapor al cuadrado. La razón por la cual las pérdidas por fricción son menos significativas en la etapa de reacción radica en el hecho de que el vapor se expande continuamente y, por lo tanto, las velocidades de flujo son más bajas.

Clasificación de turbinas – suministro de vapor y condiciones de escape

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su propósito y presiones de trabajo . El uso industrial de una turbina influye en las condiciones iniciales y finales del vapor. Para que funcione cualquier turbina de vapor, debe existir una diferencia de presión entre el suministro de vapor y el escape. Esta clasificación incluye:

• Turbina de vapor de condensación ,
• Turbina de vapor de contrapresión ,
• Recalentar la turbina de vapor ,
• Turbina con extracción de vapor

Turbina de vapor de condensación

Las turbinas de vapor de condensación se encuentran más comúnmente en las centrales térmicas. En una turbina de vapor de condensación , la cantidad máxima de energía se extrae del vapor, porque hay una diferencia de entalpía muy alta entre la inicial (por ejemplo,  6MPa; 275 ° C; x = 1 ) y la final (por ejemplo,  0.008MPa; 41.5 ° C; x = 0.9 ) condiciones de vapor. Esto se logra al pasar el vapor de escape a un condensador (llamado condensador de superficie), que condensa el vapor de escape de las etapas de baja presión de la turbina principal (disminuye la temperatura y la presión del vapor agotado). El vapor agotado se condensa al pasar sobre tubos que contienen agua del sistema de enfriamiento.

El objetivo de mantener la presión de escape de turbina práctica más baja es una razón principal para incluir el condensador en una central térmica. El condensador proporciona un vacío que maximiza la energía extraída del vapor, lo que resulta en un aumento significativo en el trabajo neto y la eficiencia térmica. Pero también este parámetro (presión del condensador) tiene sus límites de ingeniería:

• Disminuir la presión de escape de la turbina disminuye la calidad del vapor (o fracción de sequedad). En algún momento, se debe finalizar la expansión para evitar daños que puedan ser causados ​​a las aspas de la turbina de vapor por vapor de baja calidad .
• La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta significativamente el volumen específico de vapor extraído, lo que requiere palas enormes en las últimas filas de la etapa de baja presión de la turbina de vapor.

En una turbina de vapor de condensación típica , el vapor agotado se condensa en el condensador y está a una presión muy inferior a la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C). Este vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. Tenga en cuenta que la presión dentro del condensador también depende de las condiciones atmosféricas ambientales:

• temperatura del aire, presión y humedad en caso de enfriamiento a la atmósfera
• temperatura del agua y caudal en caso de enfriamiento en un río o mar

Un aumento en la temperatura ambiente provoca un aumento proporcional en la presión del vapor agotado ( ΔT = 14 ° C suele ser una constante), por lo tanto, la eficiencia térmica del sistema de conversión de energía disminuye. En otras palabras, la salida eléctrica de una planta de energía puede variar con las condiciones ambientales , mientras que la energía térmica permanece constante.

La presión dentro del condensador viene dada por la temperatura del aire ambiente (es decir, la temperatura del agua en el sistema de enfriamiento) y por eyectores de vapor o bombas de vacío , que extraen los gases (no condensables) del condensador de superficie y los expulsan a la atmósfera.

La presión de condensador más baja posible es la presión de saturación correspondiente a la temperatura ambiente (por ejemplo, presión absoluta de 0.008 MPa, que corresponde a 41.5 ° C ). Tenga en cuenta que siempre hay una diferencia de temperatura entre (alrededor de ΔT = 14 ° C ) la temperatura del condensador y la temperatura ambiente, que se origina en el tamaño finito y la eficiencia de los condensadores.

Clasificación de turbinas – suministro de vapor y condiciones de escape

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su propósito y presiones de trabajo . El uso industrial de una turbina influye en las condiciones iniciales y finales del vapor. Para que funcione cualquier turbina de vapor, debe existir una diferencia de presión entre el suministro de vapor y el escape.

Esta clasificación incluye:

• Turbina de vapor de condensación ,
• Turbina de vapor de contrapresión ,
• Recalentar la turbina de vapor ,
• Turbina con extracción de vapor

Turbina de vapor de contrapresión

Las turbinas de vapor de contrapresión o las turbinas sin condensación son las más utilizadas para aplicaciones de vapor de proceso . El vapor es una fuente de energía principal para muchos procesos industriales. La popularidad del vapor de proceso como fuente de energía se deriva de sus muchas ventajas, que incluyen:

• alta capacidad calorífica,
• transportabilidad
• baja toxicidad

El vapor de proceso puede ser producido por turbinas de vapor de contrapresión , que también generan trabajo mecánico (o energía eléctrica). Las turbinas de contrapresión expanden el vapor vivo suministrado por la caldera a la presión a la que se requiere el vapor para el proceso. La presión de escape es controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de la presión de vapor del proceso. Las turbinas de contrapresión se encuentran comúnmente en refinerías , unidades de calefacción urbana, plantas de pulpa y papel, e instalaciones de desalinización donde se necesitan grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión. La energía eléctrica generada por la turbina de contrapresión es directamente proporcional a la cantidad de vapor de proceso requerido.

Clasificación de turbinas – suministro de vapor y condiciones de escape

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su propósito y presiones de trabajo . El uso industrial de una turbina influye en las condiciones iniciales y finales del vapor. Para que funcione cualquier turbina de vapor, debe existir una diferencia de presión entre el suministro de vapor y el escape.

Esta clasificación incluye:

• Turbina de vapor de condensación ,
• Turbina de vapor de contrapresión ,
• Recalentar la turbina de vapor ,
• Turbina con extracción de vapor

Turbina de extracción – Turbina con extracción de vapor

Las turbinas de extracción son comunes en todas las aplicaciones. En algunas aplicaciones, cuando es necesario, se puede extraer vapor de la turbina antes de que el vapor fluya a través de la última etapa, denominada turbina de extracción . Al igual que en las turbinas de contrapresión, el vapor extraído se puede usar para muchos procesos industriales o para mejorar la eficiencia del ciclo termodinámico . El segundo caso se conoce generalmente como la regeneración de calor .

Casi todas las grandes turbinas de vapor utilizan la regeneración de calor (es decir, son turbinas de extracción), ya que reduce la cantidad de combustible que debe agregarse a la caldera. La reducción del calor agregado se puede hacer transfiriendo calor (vapor parcialmente expandido) desde ciertas secciones de la turbina de vapor, que normalmente está muy por encima de la temperatura ambiente, al agua de alimentación. Tenga en cuenta que, la mayor parte de la energía contenida en el vapor está en forma de calor latente de vaporización . Los flujos de extracción pueden controlarse con una válvula o dejarse sin control.

Por ejemplo, la mayoría de las plantas de energía nuclear opera un generador de turbina de un solo eje que consiste en una turbina HP de etapas múltiples con 3 o 4 líneas de extracción autorreguladas y tres turbinas LP de etapas múltiples paralelas con 3 o 4 extracciones autorreguladoras lineas .

Los calentadores de agua de alimentación de alta presión generalmente se calientan con vapor de extracción de la turbina de alta presión, HP, mientras que los calentadores de agua de alimentación de baja presión generalmente se calientan con vapor de extracción de la turbina de baja presión, LP. Ambos son generalmente autorreguladores. Significa que cuanto mayor es el flujo de agua de alimentación, mayor es la tasa de absorción de calor del vapor y mayor es el flujo de vapor de extracción.

Esquema de una turbina de vapor de un PWR típico de 3000MWth.

Clasificación de turbinas – suministro de vapor y condiciones de escape

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su propósito y presiones de trabajo . El uso industrial de una turbina influye en las condiciones iniciales y finales del vapor. Para que funcione cualquier turbina de vapor, debe existir una diferencia de presión entre el suministro de vapor y el escape.

Esta clasificación incluye:

• Turbina de vapor de condensación ,
• Turbina de vapor de contrapresión ,
• Recalentar la turbina de vapor ,
• Turbina con extracción de vapor

Recalentar la turbina de vapor

Las turbinas de recalentamiento también se usan casi exclusivamente en centrales térmicas. Todas las turbinas, que tienen turbinas de alta presión y turbinas de baja presión, utilizan un recalentamiento de vapor entre estas etapas. El recalentamiento permite suministrar más calor a una temperatura cercana al pico del ciclo (es decir, aumenta la eficiencia térmica). Esto requiere la adición de otro tipo de intercambiador de calor llamado recalentador . El uso del recalentador implica dividir la turbina, es decir, el uso de una turbina multietapa con un recalentador. Se observó que más de dos etapas de recalentamiento son innecesarias, ya que la siguiente etapa aumenta la eficiencia del ciclo solo la mitad que la etapa anterior.

Las etapas de alta y baja presión de la turbina generalmente están en el mismo eje para impulsar un generador común, pero tienen casos separados. Con un recalentador (separador-recalentador de humedad – MSR) , el flujo se extrae después de una expansión parcial (punto D), se ejecuta nuevamente a través del intercambiador de calor para calentarlo hasta la temperatura máxima (punto E), y luego se pasa al turbina de baja presión. La expansión se completa en la turbina de baja presión desde el punto E al punto F.

El vapor debe ser recalentado o sobrecalentado.con el fin de evitar daños que puedan ser causados ​​a palas de turbina de vapor por vapor de baja calidad. El alto contenido de gotas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas que ocurre cuando el agua condensada se lanza sobre las cuchillas. Para evitar esto, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina. El recalentador calienta el vapor (punto D) y luego el vapor se dirige a la etapa de baja presión de la turbina de vapor, donde se expande (punto E a F). El vapor agotado está a una presión muy por debajo de la atmosférica y, como se puede ver en la imagen, el vapor está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%, pero es una calidad de vapor mucho mayor, que eso sería sin recalentar. En consecuencia, el sobrecalentamiento también tiende a aliviar el problema de la baja calidad del vapor en el escape de la turbina.

Clasificación de turbinas – suministro de vapor y condiciones de escape

Las turbinas de vapor pueden clasificarse en diferentes categorías según su propósito y presiones de trabajo . El uso industrial de una turbina influye en las condiciones iniciales y finales del vapor. Para que funcione cualquier turbina de vapor, debe existir una diferencia de presión entre el suministro de vapor y el escape.

Esta clasificación incluye:

• Turbina de vapor de condensación ,
• Turbina de vapor de contrapresión ,
• Recalentar la turbina de vapor ,
• Turbina con extracción de vapor

Pérdidas en turbinas de vapor

La turbina de vapor no es un motor térmico perfecto. Las pérdidas de energía tienden a disminuir la eficiencia y la producción de trabajo de una turbina. Esta ineficiencia puede atribuirse a las siguientes causas.

• Pérdida de velocidad residual. La velocidad del vapor que sale de la turbina debe tener cierto valor absoluto (v _ex ). La pérdida de energía debido a la velocidad de salida absoluta de vapor de agua es proporcional a (v _ex ² /2). Este tipo de pérdida puede reducirse utilizando una turbina de etapas múltiples.
• Presencia de fricción . En sistemas termodinámicos reales o en motores de calor real, una parte de la ineficiencia general del ciclo se debe a las pérdidas por fricción de los componentes individuales (por ejemplo, boquillas o álabes de turbina)
• Fugas de vapor. El rotor de la turbina y la carcasa no pueden aislarse perfectamente. Cierta cantidad de vapor se escapa de la cámara sin hacer un trabajo útil.
• Pérdida por fricción mecánica en rodamientos. Cada rotor de turbina está montado sobre dos cojinetes, es decir, hay cojinetes dobles entre cada módulo de turbina.
• Pérdidas de presión en válvulas reguladoras y líneas de vapor. Existen las válvulas principales de aislamiento de la línea de vapor (MSIV), las válvulas de cierre del acelerador y las válvulas de control entre los generadores de vapor y la turbina principal. Al igual que la fricción de la tubería, las pérdidas menores son aproximadamente proporcionales al cuadrado del caudal . El caudal en las principales líneas de vapor suele ser muy alto. Aunque el estrangulamiento es un proceso isentálpico, la caída de entalpía disponible para trabajar en la turbina se reduce, porque esto provoca un aumento en la calidad del vapor del vapor de salida.
• Pérdidas debido a la baja calidad del vapor . El vapor agotado está a una presión muy inferior a la atmosférica y el vapor está en un estado parcialmente condensado, típicamente de una calidad cercana al 90%. Un mayor contenido de gotitas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas que ocurre cuando se chorrea agua condensada sobre las cuchillas.
• Pérdida de radiación. La turbina de vapor puede funcionar en estado estable con condiciones de entrada de 6 MPa, t = 275.6 °. Como es una máquina grande y pesada, debe estar aislada térmicamente para evitar cualquier pérdida de calor en los alrededores.

Cuchillas de turbina

Los elementos más importantes de la turbina son las palas de la turbina . Son los elementos principales que convierten la energía de presión del fluido de trabajo en energía cinética. Las palas de la turbina son de dos tipos básicos:

• cuchillas móviles
• cuchillas fijas

En las turbinas de vapor , el vapor se expande a través de la pala fija (boquilla), donde la energía potencial de presión se convierte en energía cinética. El vapor de alta velocidad de las boquillas fijas impacta las cuchillas en movimiento, cambia su dirección y también se expande (en el caso de las cuchillas del tipo de reacción ). El cambio en su dirección y la aceleración del vapor (en el caso de las cuchillas del tipo de reacción) aplica una fuerza. El impulso resultante conduce las palas hacia adelante, haciendo que el rotor gire. Los tipos de turbinas de vapor basados ​​en la geometría de la pala y el proceso de conversión de energía son:

• turbina de acción
• turbina de reacción

Las turbinas de vapor modernas con frecuencia emplean tanto la reacción como el impulso en la misma unidad, variando típicamente el grado de reacción e impulso desde la raíz de la pala hasta su periferia. Las palas del rotor generalmente están diseñadas como una pala de impulso en la podredumbre y como una pala de reacción en la punta.

La eficiencia y la fiabilidad de una turbina dependen del diseño adecuado de las palas. Por lo tanto, es necesario que todos los ingenieros involucrados en la ingeniería de turbinas tengan una visión general de la importancia y los aspectos básicos de diseño de las palas de las turbinas de vapor. La ingeniería de álabes de turbina es una tarea multidisciplinaria . Implica la termodinámica , la aerodinámica, la ingeniería mecánica y de materiales .

Para las turbinas de gas , las palas de la turbina son a menudo el componente limitante. La temperatura más alta en el ciclo ocurre al final del proceso de combustión, y está limitada por la temperatura máxima que las palas de la turbina pueden soportar. Como de costumbre, las consideraciones metalúrgicas (alrededor de 1700 K) ponen límites superiores a la eficiencia térmica. Por lo tanto, las palas de la turbina a menudo usan materiales exóticos como superaleaciones y muchos métodos diferentes de enfriamiento, como canales de aire internos, enfriamiento de la capa límite y recubrimientos de barrera térmica. El desarrollo de superaleaciones en la década de 1940 y los nuevos métodos de procesamiento, como la fusión por inducción al vacío en la década de 1950, aumentaron en gran medida la capacidad de temperatura de los álabes de la turbina. Las palas de turbina modernas a menudo usansuperaleaciones a base de níquel que incorporan cromo, cobalto y renio.

Las palas de la turbina de vapor no están expuestas a temperaturas tan altas, pero deben resistir una operación con fluido bifásico . El alto contenido de gotas de agua puede causar el impacto rápido y la erosión de las cuchillas que ocurre cuando el agua condensada se lanza sobre las cuchillas. Para evitar esto, por ejemplo, se instalan drenajes de condensado en la tubería de vapor que conduce a la turbina. Otro desafío para los ingenieros es el diseño de palas de la última etapa de la turbina LP. Estas cuchillas deben ser (debido al alto volumen específico de vapor) muy largas, lo que induce enormes fuerzas centrífugasdurante la operación. Por lo tanto, las palas de la turbina están sujetas a la tensión de la fuerza centrífuga (las etapas de la turbina pueden rotar a decenas de miles de revoluciones por minuto (RPM), pero generalmente a 1800 RPM) y fuerzas de fluido que pueden causar fracturas, deformaciones o fallas de fluencia.