Qué es la turbina de vapor – Descripción y características – Definición

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 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 las fuerzas del fluido que pueden causar fracturas, rendimientos o fallas de fluencia.

Palas de turbina: raíz, perfil, cubierta

Las palas de la turbina generalmente se dividen en tres partes:

• Raíz. La raíz es una característica constructiva de las palas de la turbina, que fija la pala en el rotor de la turbina.
• Perfil. El perfil convierte la energía cinética del vapor en energía mecánica de la cuchilla.
• Sudario.  La cubierta reduce la vibración de la cuchilla que puede ser inducida por el flujo de vapor de alta presión a través de las cuchillas.

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 principales válvulas 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, ya que 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 por debajo de la atmosférica y el vapor está en un estado parcialmente condensado, típicamente de una calidad cercana al 90%. Un mayor 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.
• 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.

Gobierno de la turbina de vapor

La regulación de la turbina de vapor es el procedimiento de controlar el caudal de vapor a una turbina de vapor para mantener la velocidad de la turbina bastante constante, independientemente de la carga en la turbina. La turbina principal típica en plantas de energía nuclear, en la cual el vapor se expande desde presiones de aproximadamente 6 MPa a presiones de aproximadamente 0.008 MPa, opera a velocidades de aproximadamente:

• 3000 RPM para sistemas de 50 Hz para generador de 2 polos (o 1500 RPM para generador de 4 polos),
• 1800 RPM para sistemas de 60 Hz para generador de 4 polos (o 3600 RPM para generador de 2 polos).

La variación en la carga (potencia de salida) durante el funcionamiento de una turbina de vapor puede tener un impacto significativo en su rendimiento y su eficiencia. Tradicionalmente, las centrales nucleares (centrales nucleares) se han considerado como fuentes de carga basede electricidad ya que dependen de una tecnología con altos costos fijos y bajos costos variables. Sin embargo, este simple estado de cosas ya no se aplica en todos los países. La participación de la energía nuclear en la combinación nacional de electricidad de algunos países se ha vuelto tan grande que las empresas de servicios públicos han tenido que implementar o mejorar las capacidades de maniobrabilidad de sus plantas de energía para poder adaptar el suministro de electricidad a variaciones diarias, estacionales o de otro tipo. en demanda de energía. Por ejemplo, este es el caso en Francia, donde más del 75% de la electricidad es generada por centrales nucleares, y donde algunos reactores nucleares funcionan en modo de seguimiento de carga .

El objetivo principal en la operación de la turbina de vapor es mantener una velocidad de rotación constante independientemente de la carga variable. Esto se puede lograr gobernando en una turbina de vapor. Los principales métodos de gobierno que se utilizan en las turbinas de vapor son:

1. 

   Acelerar el gobierno . Las partes principales de un sistema simple de control del acelerador son las válvulas de detención del acelerador y especialmente las válvulas de control entre los generadores de vapor y la turbina principal. El objetivo principal de las válvulas de control es reducir el caudal de vapor. Incidentalmente para reducir la tasa de flujo másico, el vapor experimenta una caída de presión creciente a través de la válvula de control, que de hecho es un proceso isentálpico. Aunque el estrangulamiento es un proceso isentálpico, la caída de entalpía disponible para trabajar en la turbina se reduce, ya que esto provoca un aumento en la calidad del vapor del vapor de salida.

2. Boquilla de gobierno . En el control del control de la boquilla, el suministro de vapor desde la válvula principal se divide en dos, tres o más líneas. El caudal de vapor se regula abriendo y cerrando conjuntos de boquillas en lugar de regular su presión.
3. Omitir el gobierno . Esto se usa generalmente para la válvula de sobrecarga que pasa el vapor directamente a las últimas etapas de la turbina de vapor. Durante dicha operación, las válvulas de derivación se abren y se introduce vapor vivo en las etapas posteriores de la turbina. Esto genera más energía para satisfacer el aumento de carga.
4. Combinación de 2 y 3 .

Viaje de la turbina

Cada turbina de vapor también cuenta con reguladores de emergencia que entran en acción bajo condiciones específicas. En general, un apagado no planificado o de emergencia de una turbina se conoce como un ” viaje de la turbina “. La señal de disparo de la turbina inicia el cierre rápido de todas las válvulas de entrada de vapor  (por ejemplo, válvulas de cierre de la turbina – TSV) para bloquear el flujo de vapor a través de la turbina.

El evento de disparo de la turbina es un transitorio postulado estándar, que debe analizarse en el Informe de análisis de seguridad (SAR) para centrales nucleares.

En un evento de disparo de la turbina, un mal funcionamiento de un sistema de turbina o reactor hace que la turbina se desconecte de la línea deteniendo abruptamente el flujo de vapor hacia la turbina. Las causas comunes de un viaje de turbina son, por ejemplo:

• la velocidad del eje de la turbina aumenta más allá del valor específico (p. ej., 110%) – velocidad excesiva de la turbina
• El equilibrio de la turbina se ve alterado o debido a las altas vibraciones.
• falla del sistema de lubricación
• bajo vacío en el condensador
• viaje manual de turbina de emergencia

Después de un disparo de la turbina, el reactor generalmente se dispara directamente desde una señal derivada del sistema. Por otro lado, el sistema de protección del reactor inicia una señal de disparo de la turbina cuando se produce el disparo del reactor. Dado que aún queda energía en el sistema de suministro de vapor nuclear (NSSS), el sistema de derivación automática de la turbina acomodará la generación de vapor en exceso.

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 LPPor 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.

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

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 .

Estas 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

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 ocasionar a las aspas de la turbina de vapor el 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. 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.

Del condensador a las bombas de condensado – Condensación

El 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.

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

El 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

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

El 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.

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