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¿Cuál es el principio de funcionamiento del generador de turbina? Definición

La mayoría de las plantas de energía nuclear opera un generador de turbina de eje único que consta de una turbina HP de etapas múltiples y tres turbinas LP de etapas múltiples paralelas, un generador principal y un excitador. Ingenieria termal

Principio de funcionamiento del generador de turbina: generación de electricidad

La mayoría de las plantas de energía nuclear opera un generador de turbina de eje único que consta de una turbina HP de etapas múltiples y tres turbinas LP de etapas múltiples paralelas , un generador principal y un excitador.  La turbina HP generalmente es una turbina de acción de doble flujo (o tipo de reacción) con aproximadamente 10 etapas con cuchillas cubiertas y produce aproximadamente 30-40% de la potencia bruta de salida de la unidad de planta de energía. Turbinas de LP Por lo general, son turbinas de reacción de doble flujo con aproximadamente 5-8 etapas (con álabes envueltos y con álabes independientes de las últimas 3 etapas). Las turbinas de LP producen aproximadamente el 60-70% de la producción de potencia bruta de la unidad de la central eléctrica. Cada rotor de turbina está montado sobre dos cojinetes, es decir, hay cojinetes dobles entre cada módulo de turbina.

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

Del generador de vapor a las principales líneas de vapor: evaporación

Generador de vapor - vertical
Generador de vapor – vertical

El sistema de conversión de potencia de PWR típico  comienza en los generadores de vapor en sus lados de la carcasa. Los generadores de vapor son intercambiadores de calor utilizados para convertir el agua de alimentación en vapor del calor producido en el núcleo de un reactor nuclear . El agua de alimentación (circuito secundario) se calienta desde ~ 230 ° C 500 ° F (fluido precalentado por regeneradores) hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El calor se transfiere a través de las paredes de estos tubos al refrigerante secundario de baja presión ubicado en el lado secundario del intercambiador donde el refrigerante se evapora a vapor presurizado vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa). El vapor saturado sale del generador de vapor a través de una salida de vapor y continúa hacia las líneas principales de vapor y más allá hacia la turbina de vapor .

Generador de vapor a las principales líneas de vaporEstas líneas principales de vapor están unidas entre sí (por ejemplo, a través de una tubería colectora de vapor) cerca de la turbina para garantizar que la diferencia de presión entre cualquiera de los generadores de vapor no exceda el valor específico, manteniendo así el equilibrio del sistema y asegurando la eliminación uniforme del calor del sistema de refrigeración del reactor ( RCS). El vapor fluye a través de las válvulas principales de aislamiento de la línea de vapor (MSIV), que son muy importantes desde el punto de vista de la seguridad, hacia la turbina de alta presión. Directamente en la entrada de la turbina de vapor, hay válvulas de mariposa de ventanilla y válvulas de control . El control de la turbina se logra variando estas aberturas de las válvulas de la turbina. En caso de un viaje de turbina, el suministro de vapor debe aislarse muy rápidamente, generalmente en una fracción de segundo, por lo que las válvulas de cierre deben funcionar de manera rápida y confiable.

De las válvulas de turbina al condensador: expansión

Ciclo Rankine - Diagrama Ts
Ciclo de Rankine – diagrama Ts

Típicamente, la mayoría de las centrales nucleares opera turbinas de vapor de condensación de etapas múltiples . En estas turbinas, la etapa de alta presión recibe vapor (este vapor es vapor casi saturado – x = 0.995 – punto C en la figura; 6 MPa ; 275.6 ° C) de un generador de vapor y lo expulsa al separador-recalentador de humedad (MSR – punto D). El vapor debe recalentarse para evitar daños que puedan producirse en las aspas de la 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, lo 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 vapor libre de humedad se sobrecalienta mediante el vapor de extracción de la etapa de alta presión de la turbina y el vapor directamente de las líneas principales de vapor.

Fuente: TVO - CN Olkiluoto 3 www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ydinvoimalayks_OL3_ENG.pdf
Fuente: TVO – CN Olkiluoto 3 www.tvo.fi/uploads/julkaisut/tiedostot/ydinvoimalayks_OL3_ENG.pdf

El vapor de calefacción se condensa en los tubos y se drena al sistema de agua de alimentación. 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 luego se condensa en el condensador y está a una presión muy por debajo de la atmosférica (presión absoluta de 0.008 MPa ), y está en un estado parcialmente condensado (punto F), típicamente de una calidad cercana al 90%. 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. El generador principal produce energía eléctrica, que se suministra a la red eléctrica.

Turbina de vapor húmedo - Expansión

Del condensador a las bombas de condensado – Condensación

Condensador - Calentadores LP - DesaireadorEl condensador principal condensa el vapor de escape de las etapas de baja presión de la turbina principal y también del sistema de descarga de vapor. El vapor agotado se condensa al pasar sobre tubos que contienen agua del sistema de enfriamiento.

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. Dado que ninguno de los condensadores es un intercambiador de calor 100% eficiente, siempre hay una diferencia de temperatura entre la temperatura de saturación (lado secundario) y la temperatura del refrigerante en el sistema de enfriamiento. Además, existe una ineficiencia en el diseño, que disminuye la eficiencia general de la turbina. Idealmente, el vapor extraído al condensador no tendría subenfriamiento. Pero los condensadores reales están diseñados para subenfriar el líquido unos pocos grados centígrados para evitar la cavitación por succión en las bombas de condensado. Pero, este subenfriamiento aumenta la ineficiencia del ciclo, porque se necesita más energía para recalentar el agua.

Ciclo Rankine - presión del condensador
La disminución de la presión de escape de la turbina aumenta el trabajo neto por ciclo, pero también disminuye la calidad del vapor del vapor de salida.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 del 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 húmedo 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.

El vapor condensado (ahora llamado condensado) se recoge en el pozo del condensador. La fuente de agua caliente del condensador también proporciona una capacidad de almacenamiento de agua, que se requiere para fines operativos como la distribución del agua de alimentación. El condensado (líquido saturado o ligeramente subenfriado) se entrega a la bomba de condensado y luego se bombea mediante bombas de condensado al desaireador a través del sistema de calentamiento del agua de alimentación. Las bombas de condensado aumentan la presión generalmente a aproximadamente p = 1-2 MPa. Por lo general, hay cuatro bombas centrífugas de condensado de un tercio de capacidad con cabezales de succión y descarga comunes. Normalmente hay tres bombas en funcionamiento con una en la copia de seguridad.

Desde bombas de condensado hasta bombas de agua de alimentación: regeneración de calor

Condensador - Calentadores LP - DesaireadorEl condensado de las bombas de condensado luego pasa a través de varias etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión , en los que la temperatura del condensado aumenta por la transferencia de calor del vapor extraído de las turbinas de baja presión. Por lo general, hay tres o cuatro etapas de calentadores de agua de alimentación de baja presión conectados en la cascada. El condensado sale de los calentadores de agua de alimentación a baja presión a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C y entra al desaireador.. El sistema principal de condensado también contiene un sistema mecánico de purificación de condensado para eliminar impurezas. Los calentadores de agua de alimentación son autorregulables. 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.

Hay válvulas de retención en las líneas de extracción de vapor entre los calentadores de agua de alimentación y la turbina. Estas válvulas antirretorno evitan el flujo inverso de vapor o agua en caso de disparo de la turbina, lo que provoca una disminución rápida de la presión dentro de la turbina. Cualquier agua que ingrese a la turbina de esta manera podría causar graves daños a los álabes de la turbina.

Desaireador

Desaireador
Un diagrama esquemático de un desaireador tipo bandeja típico. Fuente: wikipedia.org Licencia: CC BY-SA 3.0

En general, un desaireador es un dispositivo que se utiliza para eliminar oxígeno y otros gases disueltos del agua de alimentación a los generadores de vapor. El desaireador es parte del sistema de calentamiento del agua de alimentación. Por lo general, se encuentra entre el último calentador de baja presión y las bombas de refuerzo de agua de alimentación. En particular, el oxígeno disuelto en el generador de vapor puede causar graves daños por corrosión al adherirse a las paredes de las tuberías metálicas y otros equipos metálicos y formar óxidos (óxido). Además, el dióxido de carbono disuelto se combina con agua para formar ácido carbónico que causa más corrosión.

En el desaireador , el condensado se calienta a condiciones saturadas, generalmente por el vapor extraído de la turbina de vapor. El vapor de extracción se mezcla en el desaireador mediante un sistema de boquillas de pulverización y bandejas en cascada entre las cuales se filtra el vapor. Cualquier gas disuelto en el condensado se libera en este proceso y se elimina del desaireador mediante ventilación a la atmósfera o al condensador principal. Directamente debajo del desaireador está el tanque de almacenamiento de agua de alimentación., en el que se almacena una gran cantidad de agua de alimentación en condiciones de casi saturación. En el evento de disparo de la turbina, esta agua de alimentación puede suministrarse a generadores de vapor para mantener el inventario de agua requerido durante la transición. El desaireador y el tanque de almacenamiento generalmente se encuentran a una gran altura en la sala de turbinas para garantizar una altura de succión positiva neta (NPSH) adecuada en la entrada de las bombas de agua de alimentación. NPSH se usa para medir qué tan cerca está un fluido de las condiciones saturadas. Bajar la presión en el lado de succión puede inducir cavitación . Esta disposición minimiza el riesgo de cavitación en la bomba.

Desde bombas de agua de alimentación hasta generador de vapor

Bombas de agua de alimentación - Calentadores HPEl sistema de bombas de agua de alimentación generalmente contiene tres líneas paralelas ( 3 × 50% ) de bombas de agua de alimentación con cabezales de succión y descarga comunes. Cada bomba de agua de alimentación consiste en el refuerzo y la bomba principal de agua de alimentación . Las bombas de agua de alimentación (generalmente accionadas por turbinas de vapor) aumentan la presión del condensado (~ 1MPa) a la presión en el generador de vapor (~ 6.5MPa).

Las bombas de refuerzo proporcionan la presión de succión de la bomba de agua de alimentación principal requerida. Estas bombas (ambas bombas de agua de alimentación) son normalmente bombas de alta presión (generalmente del tipo de bomba centrífuga ) que toman succión del tanque de almacenamiento de agua del desaireador, que está montado directamente debajo del desaireador, y suministran las bombas de agua de alimentación principales. La descarga de agua de las bombas de agua de alimentación fluye a través de los calentadores de agua de alimentación de alta presión , ingresa a la contención y luego fluye hacia los generadores de vapor .

El flujo de agua de alimentación a cada generador de vapor se controla mediante válvulas reguladoras de agua de alimentación ( FRV ) en cada línea de agua de alimentación. El regulador se controla automáticamente por el nivel del generador de vapor, el flujo de vapor y el flujo de agua de alimentación.

Los calentadores de agua de alimentación de alta presión se calientan por extracción de vapor de la turbina de alta presión, HP Turbine. Los drenajes de los calentadores de agua de alimentación de alta presión generalmente se dirigen al desaireador.

Generador de vapor - vertical
Generador de vapor – vertical

El agua de alimentación ( agua 230 ° C; 446 ° F; 6,5MPa ) se bombea al generador de vapor a través de la entrada del agua de alimentación. En el generador de vapor se calienta el agua de alimentación (circuito secundario) desde ~ 230 ° C 446 ° F hasta el punto de ebullición de ese fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . El agua de alimentación se evapora y el vapor a presión ( vapor saturado a 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) sale del generador de vapor a través de la salida de vapor y continúa hacia la turbina de vapor, completando así el ciclo.

 

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Este artículo se basa en la traducción automática del artículo original en inglés. Para más información vea el artículo en inglés. Puedes ayudarnos. Si desea corregir la traducción, envíela a: [email protected] o complete el formulario de traducción en línea. Agradecemos su ayuda, actualizaremos la traducción lo antes posible. Gracias