O que é turbina a vapor – Descrição e características – Definição

Em geral, uma turbina a vapor é um motor de calor rotativo que converte a energia térmica contida no vapor em energia mecânica ou em energia elétrica. Turbina a vapor

Turbina a vapor

Em geral, uma turbina a vapor é um motor de calor rotativo que converte a energia térmica contida no vapor em energia mecânica ou em energia elétrica . Na sua forma mais simples, uma turbina a vapor consiste em uma caldeira ( gerador de vapor ), turbina , condensador , bomba de alimentaçãoe uma variedade de dispositivos auxiliares. Ao contrário dos motores alternativos, por exemplo, a compressão, o aquecimento e a expansão são contínuos e ocorrem simultaneamente. A operação básica da turbina a vapor é semelhante à turbina a gás, exceto que o fluido de trabalho é água e vapor em vez de ar ou gás.

Como a turbina a vapor é um motor rotativo de calor, é particularmente adequada para ser usada para acionar um gerador elétrico. Observe que cerca de 90% de toda a geração de eletricidade no mundo é feita por turbinas a vapor. A turbina a vapor foi inventada em 1884 por Sir Charles Parsons , cujo primeiro modelo foi conectado a um dínamo que gerava 7,5 kW (10 hp) de eletricidade. A turbina a vapor é uma característica comum de todas as usinas térmicas modernas e também futuras. De fato, também a produção de energia das usinas de fusão é baseada no uso de turbinas a vapor convencionais.

Veja também: Propriedades do Steam

Turbina a vapor
Turbina a vapor. Fonte wikipedia.org Licença: CC BY-SA 3.0

Como funciona uma turbina a vapor?

Turbina Rateau - composição sob pressão
Turbina Rateau – composição sob pressão

energia térmica contida no vapor é convertida em energia mecânica pela expansão através da turbina . A expansão ocorre através de uma série de lâminas fixas (bicos), que orientam o fluxo de vapor em jatos de alta velocidade . Esses jatos contêm energia cinética significativa, que é convertida em rotação do eixo pelas pás do rotor em forma de balde, conforme o jato de vapor muda de direção  (consulte: Lei da conversação do momento ). O jato de vapor, movendo-se sobre a superfície curva da lâmina, exerce uma pressão sobre a lâmina devido à sua força centrífuga. Cada linha de bicos fixos e pás móveis é chamada de estágio. As pás giram no rotor da turbina e as pás fixas são dispostas concentricamente dentro da carcaça circular da turbina.

Em todas as turbinas, a velocidade da lâmina rotativa é proporcional à velocidade do vapor que passa sobre a lâmina. Se o vapor for expandido apenas em um único estágio, da pressão da caldeira à pressão de exaustão, sua velocidade deverá ser extremamente alta. Mas a turbina principal típica em usinas nucleares, na qual o vapor se expande de pressões de cerca de 6 MPa para pressões de 0,008 MPa , opera a velocidades de cerca de 3.000 RPM para sistemas de 50 Hz para gerador de 2 pólos (ou 1500 RPM para gerador de 4 pólos). e 1800 RPM para sistemas de 60 Hz para gerador de 4 polos (ou 3600 RPM para gerador de 2 polos). Um anel de lâmina única exigiria lâminas muito grandes e aproximadamente 30.000 RPM, o que é muito alto para fins práticos.

Portanto, a maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios e três turbinas LP de vários estágios paralelos , um gerador principal e um excitador.  A turbina HP geralmente é uma turbina de reação de fluxo duplo com cerca de 10 estágios com pás encobertas e produz cerca de 30-40% da potência bruta da unidade da usina. As turbinas LP são geralmente turbinas de reação de fluxo duplocom cerca de 5-8 estágios (com lâminas encobertas e com lâminas independentes dos últimos 3 estágios). As turbinas LP produzem aproximadamente 60-70% da produção bruta de energia da unidade da usina. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.

Veja também: Turbina HP

Veja também: Turbina LP

Ciclo de Rankine - diagrama de Ts
Ciclo de Rankine – diagrama de Ts

Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota para o separador-reaquecedor de umidade (ponto D ) O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade . O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa ), e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%.

Turbina a vapor de 3000MWth PWR típico
Esquema de uma turbina a vapor de um típico 3000MWth PWR.

Tipos de turbinas a vapor

Turbina a vapor - tipos

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo de sua construção, pressão de trabalho, tamanho e muitos outros parâmetros. Mas existem dois tipos básicos de turbinas a vapor:

  • turbinas de impulso
  • turbinas de reação .

A principal distinção é a maneira pela qual o vapor é expandido à medida que passa pela turbina.

Turbina de impulso e turbina de reação

Os tipos de turbinas a vapor baseadas na geometria da lâmina e no processo de conversão de energia são turbinas de impulso e turbina de reação.

Turbina a Vapor - Tipos de Turbina

Turbina de impulso

Turbina a vaporturbina de acción é composta por pás móveis que se alternam com bicos fixos . Na turbina de acción, o vapor é expandido em bicos fixos e permanece sob pressão constante ao passar sobre as pás. Turbina Curtis , turbina Rateau ou turbina Brown-Curtis são turbinas do tipo impulso. A turbina a vapor original, a De Laval, era uma turbina de acción com uma roda de lâmina única.

Toda a queda de pressão do vapor ocorre apenas nos bicos estacionários. Embora as lâminas de impulso teórico tenham queda de pressão zero nas lâminas móveis, praticamente, para que o fluxo ocorra através das lâminas móveis, deve haver também uma pequena queda de pressão nas lâminas móveis.

Impulso vs Turbina de reação - comparação
Impulso vs Turbina de reação – comparação

Nas turbinas de impulso, o vapor se expande através do bico, onde a maior parte da energia potencial de pressão é convertida em energia cinética. O vapor de alta velocidade dos bicos fixos afeta as pás , muda de direção e , por sua vez, aplica uma força . O impulso resultante impulsiona as pás para a frente, fazendo com que o rotor gire. A principal característica dessas turbinas é que a queda de pressão por estágio único pode ser bastante grande, permitindo pás grandes e um número menor de estágios. Exceto para aplicações de baixa potência, as pás da turbina são dispostas em vários estágios em série, chamadas de composição, o que melhora muito a eficiência em baixas velocidades.

As turbinas a vapor modernas freqüentemente empregam reação e impulso na mesma unidade, tipicamente variando o grau de reação e impulso da raiz da lâmina até sua periferia. As pás do rotor são geralmente projetadas como uma lâmina de impulso na podridão e como uma lâmina de reação na ponta.

Lâmina da turbina - impulso e reação
Lâmina de reação a impulso

Como os estágios de Curtis reduzem significativamente a pressão e a temperatura do fluido para um nível moderado, com uma alta proporção de trabalho por estágio. Um arranjo usual é fornecer no lado de alta pressão um ou mais estágios de Curtis, seguidos de Rateau ou estadiamento da reação. Em geral, quando o atrito é levado em consideração, os estágios de reação são considerados os mais eficientes, seguidos por Rateau e Curtis nessa ordem. As perdas por atrito são significativas para os estágios de Curtis, pois são proporcionais à velocidade do vapor ao quadrado. A razão pela qual as perdas por atrito são menos significativas no estágio da reação está no fato de o vapor se expandir continuamente e, portanto, as velocidades de fluxo serem mais baixas.

 

Turbina Curtis - composição pressão-velocidade

Turbina de reação – turbina Parsons

Turbina de reação - esquematurbina de reação é composta de pás móveis ( bicos ) alternando com bicos fixos . Na turbina de reação, o vapor é expandido em bicos fixos e também nos bicos móveis. Em outras palavras, o vapor está se expandindo continuamente à medida que flui sobre as pás. Há perda de pressão e velocidade nas pás móveis. As pás móveis têm um bico de vapor convergente. Portanto, quando o vapor passa pelas lâminas fixas, ele se expande com a diminuição da pressão do vapor e o aumento da energia cinética.

Nas turbinas de reação, o vapor se expande através do bico fixo, onde a energia potencial de pressão é convertida em energia cinética. O vapor de alta velocidade dos bicos fixos afeta as pás (bicos), muda de direção e passa por uma expansão maior  . A mudança de direção e a aceleração da equipe s aplicam uma força. O impulso resultante impulsiona as pás para a frente, fazendo com que o rotor gire. Não há mudança líquida na velocidade do vapor no palco, mas com uma diminuição na pressão e na temperatura, refletindo o trabalho realizado no acionamento do rotor. Nesse tipo de turbina, as quedas de pressão ocorrem em vários estágios, porque a queda de pressão em um único estágio é limitada.

A principal característica desse tipo de turbina é que, ao contrário da turbina de acción, a queda de pressão por estágio é menor , de modo que as pás se tornam menores e o número de estágios aumenta . Por outro lado, as turbinas de reação são geralmente mais eficientes, ou seja, têm maior “eficiência da turbina isentrópica” . A turbina de reação foi inventada por Sir Charles Parsons e é conhecida como turbina de Parsons.

No caso de turbinas a vapor, como as que seriam usadas para geração de eletricidade, uma turbina de reação exigiria aproximadamente o dobro do número de linhas de pás como uma turbina de acción, para o mesmo grau de conversão de energia térmica. Embora isso torne a turbina de reação muito mais longa e pesada, a eficiência geral de uma turbina de reação é ligeiramente maior que a turbina de acción equivalente para a mesma conversão de energia térmica.

As turbinas a vapor modernas freqüentemente empregam reação e impulso na mesma unidade, tipicamente variando o grau de reação e impulso da raiz da lâmina até sua periferia. As pás do rotor são geralmente projetadas como uma lâmina de impulso na podridão e como uma lâmina de reação na ponta.

Lâmina da turbina - impulso e reação

Classificação de turbinas – condições de suprimento e exaustão de vapor

As turbinas a vapor podem ser classificadas em diferentes categorias, dependendo da finalidade e das pressões de trabalho . O uso industrial de uma turbina influencia as condições iniciais e finais do vapor. Para qualquer turbina a vapor operar, deve existir uma diferença de pressão entre o suprimento de vapor e o escapamento.

Esta classificação inclui:

Lâminas de turbina

Os elementos mais importantes da turbina são as pás da turbina . Eles são os principais elementos que convertem a energia de pressão do fluido de trabalho em energia cinética. As pás da turbina são de dois tipos básicos:

  • lâminas em movimento
  • lâminas fixas

Nas turbinas a vapor, o vapor se expande através da lâmina fixa (bico), onde a energia potencial de pressão é convertida em energia cinética. O vapor de alta velocidade dos bicos fixos afeta as lâminas móveis, muda de direção e também se expande (no caso de lâminas do tipo reação ). A mudança de direção e a aceleração do vapor (no caso de lâminas do tipo reação) aplicam uma força. O impulso resultante impulsiona as pás para a frente, fazendo com que o rotor gire. Os tipos de turbinas a vapor baseadas na geometria da lâmina e no processo de conversão de energia são:

  • turbina de acción
  • turbina de reação

As turbinas a vapor modernas freqüentemente empregam reação e impulso na mesma unidade, tipicamente variando o grau de reação e impulso da raiz da lâmina até sua periferia. As pás do rotor são geralmente projetadas como uma lâmina de impulso na podridão e como uma lâmina de reação na ponta.

Lâmina da turbina - impulso e reação

steam_turbine_blade_3A eficiência e a confiabilidade de uma turbina dependem do design adequado das pás. Portanto, é necessário que todos os engenheiros envolvidos na engenharia de turbinas tenham uma visão geral da importância e dos aspectos básicos do projeto das pás das turbinas a vapor. A engenharia de pás de turbinas é uma tarefa multidisciplinar . Envolve a termodinâmica , aerodinâmica, engenharia mecânica e de materiais .

Para turbinas a gás , as pás da turbina costumam ser o componente limitador. A temperatura mais alta do ciclo ocorre no final do processo de combustão e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Como de costume, considerações metalúrgicas (cerca de 1700 K) impõem limites superiores à eficiência térmica. Portanto, as pás das turbinas costumam usar materiais exóticos, como superligas e muitos métodos diferentes de resfriamento, como canais de ar internos, resfriamento da camada limite e revestimentos de barreira térmica. O desenvolvimento de superligas na década de 1940 e novos métodos de processamento, como a fusão por indução a vácuo na década de 1950, aumentaram bastante a capacidade de temperatura das pás das turbinas. As pás das turbinas modernas costumam usarsuperligas à base de níquel que incorporam cromo, cobalto e rênio.

As pás das turbinas a vapor não são expostas a temperaturas tão altas, mas devem suportar uma operação com fluido bifásico . O alto teor de gotículas de água pode causar o rápido impacto e a erosão das pás, que ocorre quando a água condensada é jateada sobre as pás. Para evitar isso, por exemplo, drenos de condensação são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina. Outro desafio para os engenheiros é o design das pás da última etapa da turbina LP. Essas pás devem ser (devido ao alto volume específico de vapor) muito longas, o que induz enormes forças centrífugasdurante a operação. Portanto, as pás da turbina estão sujeitas ao estresse da força centrífuga (os estágios da turbina podem girar a dezenas de milhares de revoluções por minuto (RPM), mas geralmente a 1800 RPM) e forças de fluido que podem causar falhas de fratura, queda ou fluência.

Lâminas de turbina – raiz, perfil, cobertura

As pás das turbinas são geralmente divididas em três partes:

  • Raiz. A raiz é uma característica estrutural das pás da turbina, que fixa a lâmina no rotor da turbina.
  • Perfil. O perfil converte energia cinética do vapor em energia mecânica da lâmina.
  • Mortalha.  A cobertura reduz a vibração da lâmina que pode ser induzida pelo fluxo de vapor de alta pressão através das lâminas.

Perdas em turbinas a vapor

A turbina a vapor não é um motor térmico perfeito. Perdas de energia tendem a diminuir a eficiência e a produção de uma turbina. Essa ineficiência pode ser atribuída às seguintes causas.

  • Perda de velocidade residual. A velocidade do vapor que sai da turbina deve ter determinado valor absoluto (v ex ). A perda de energia devido à velocidade de saída absoluta de vapor é proporcional a (v ex 2 /2). Esse tipo de perda pode ser reduzido usando a turbina de vários estágios.
  • Presença de fricção Em sistemas termodinâmicos reais ou em motores térmicos reais, uma parte da ineficiência geral do ciclo é devida às perdas por atrito dos componentes individuais (por exemplo, bicos ou pás da turbina)
  • Vazamento de vapor. O rotor da turbina e a carcaça não podem ser perfeitamente isolados. Alguma quantidade de vapor vaza da câmara sem fazer um trabalho útil.
  • Perda por atrito mecânico em rolamentos. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.
  • Perdas de pressão em válvulas reguladoras e linhas de vapor. Existem as principais válvulas de isolamento da linha de vapor (MSIVs), as válvulas de parada do acelerador e as válvulas de controle entre os geradores de vapor e a turbina principal. Como o atrito do tubo, as menores perdas são aproximadamente proporcionais ao quadrado da vazão . A vazão nas principais linhas de vapor é geralmente muito alta. Embora o estrangulamento seja um processo isentálico, a queda de entalpia disponível para o trabalho na turbina é reduzida, pois isso causa um aumento na qualidade do vapor do vapor de saída.
  • Perdas devido à baixa qualidade do vapor . O vapor esgotado está a uma pressão bem abaixo da atmosférica e o vapor está em um estado parcialmente condensado, tipicamente com uma qualidade próxima a 90%. Um conteúdo mais alto de gotículas de água pode causar o rápido impacto e erosão das pás, o que ocorre quando a água condensada é jateada nas pás.
  • Perda de radiação. A turbina a vapor pode operar em estado estacionário com condições de entrada de 6 MPa, t = 275,6 °. Por ser uma máquina grande e pesada, deve ser isolada termicamente para evitar perda de calor no ambiente.

Regulação da turbina a vapor

O controle da turbina a vapor é o procedimento de controle da taxa de fluxo de vapor para uma turbina a vapor, de modo a manter a velocidade da turbina razoavelmente constante, independentemente da carga na turbina. A turbina principal típica em usinas nucleares, na qual o vapor se expande de pressões de cerca de 6 MPa para pressões de cerca de 0,008 MPa, opera a velocidades aproximadamente:

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

A variação na carga (potência) durante a operação de uma turbina a vapor pode ter um impacto significativo em seu desempenho e eficiência. Tradicionalmente, as usinas nucleares (NPPs) têm sido consideradas fontes de carga de basede eletricidade, pois contam com uma tecnologia com altos custos fixos e baixos custos variáveis. No entanto, esse simples estado de coisas não se aplica mais a todos os países. A participação da energia nuclear no mix nacional de eletricidade de alguns países se tornou tão grande que as concessionárias tiveram que implementar ou melhorar as capacidades de manobrabilidade de suas usinas para poder adaptar o fornecimento de eletricidade a variações diárias, sazonais ou outras na demanda de energia. Por exemplo, este é o caso na França, onde mais de 75% da eletricidade é gerada pelas centrais nucleares e onde alguns reatores nucleares operam no modo de acompanhamento de carga .

O objetivo principal na operação da turbina a vapor é manter uma velocidade de rotação constante, independentemente da carga variável. Isso pode ser alcançado por meio de controle em uma turbina a vapor. Os principais métodos de governo usados ​​em turbinas a vapor são:

  1. Regulação do bico
    Regulação do bico. Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY-SA 3.0

    Regulador do acelerador . As principais partes de um sistema simples de controle do acelerador são as válvulas de parada do acelerador e especialmente as válvulas de controle entre os geradores de vapor e a turbina principal. O objetivo principal das válvulas de controle é reduzir a vazão do vapor. Incidentalmente na redução da taxa de massa do fluxo, o vapor experimenta uma queda de pressão crescente na válvula de controle, que é de fato um processo isentálico. Embora o estrangulamento seja um processo isentálico, a queda de entalpia disponível para o trabalho na turbina é reduzida, pois isso causa um aumento na qualidade do vapor do vapor de saída.

  2. Regulação do bico . No controle do bico, o suprimento de vapor da válvula principal é dividido em duas, três ou mais linhas. A vazão do vapor é regulada pela abertura e fechamento de conjuntos de bicos, em vez de regular sua pressão.
  3. Ignorar o governo . Isso geralmente é usado para a válvula de sobrecarga que passa o vapor diretamente para os últimos estágios da turbina a vapor. Durante essa operação, as válvulas de desvio são abertas e o vapor é introduzido nos estágios posteriores da turbina. Isso gera mais energia para satisfazer o aumento da carga.
  4. Combinação de 2 e 3 .

Viagem de turbina

Toda turbina a vapor também é fornecida com reguladores de emergência que entram em ação sob condições específicas. Em geral, um desligamento não planejado ou de emergência de uma turbina é conhecido como ” viagem da turbina “. O sinal de disparo da turbina inicia o fechamento rápido de todas as válvulas de entrada de vapor  (por exemplo, válvulas de parada da turbina – TSVs) para bloquear o fluxo de vapor através da turbina.

O evento de disparo da turbina é um transiente postulado padrão, que deve ser analisado no Relatório de Análise de Segurança (SAR) para usinas nucleares.

Em um evento de disparo de turbina, um mau funcionamento de um sistema de turbina ou reator faz com que a turbina saia da linha interrompendo abruptamente o fluxo de vapor para a turbina. As causas comuns para uma viagem de turbina são, por exemplo:

  • a velocidade do eixo da turbina aumenta além do valor específico (por exemplo, 110%) – velocidade excessiva da turbina
  • o equilíbrio da turbina é perturbado ou devido a altas vibrações
  • falha do sistema de lubrificação
  • baixo vácuo no condensador
  • viagem manual de turbina de emergência

Após uma viagem de turbina, o reator geralmente é acionado diretamente de um sinal derivado do sistema. Por outro lado, o sistema de proteção do reator inicia um sinal de disparo da turbina sempre que ocorre o disparo do reator. Como ainda resta energia no sistema de suprimento de vapor nuclear (NSSS), o sistema automático de desvio de turbina acomodará o excesso de geração de vapor.

Princípio de Operação do Gerador de Turbina – Geração de Eletricidade

A maioria das usinas nucleares opera um gerador de turbina de eixo único que consiste em uma turbina HP de vários estágios três turbinas LP de vários estágios paralelos , um gerador principal e um excitador.  A turbina HP geralmente é uma turbina de acción de fluxo duplo (ou tipo de reação) com cerca de 10 estágios com pás encobertas e produz cerca de 30-40% da potência bruta da unidade da usina. Turbinas LP geralmente são turbinas de reação de fluxo duplo com cerca de 5-8 estágios (com pás encobertas e com pás independentes dos últimos 3 estágios). As turbinas LP produzem aproximadamente 60-70% da produção bruta de energia da unidade da usina. Cada rotor de turbina é montado em dois mancais, ou seja, há mancais duplos entre cada módulo de turbina.

Turbina a vapor de 3000MWth PWR típico
Esquema de uma turbina a vapor de um típico 3000MWth PWR.

Do gerador de vapor às principais linhas de vapor – Evaporação

Gerador de vapor - vertical
Gerador de vapor – vertical

O sistema de conversão de energia do PWR típico  começa nos geradores de vapor em seus lados da carcaça. Geradores de vapor são trocadores de calor usados ​​para converter água de alimentação em vapor a partir do calor produzido no núcleo de um reator nuclear . A água de alimentação (circuito secundário) é aquecida de ~ 230 ° C a 500 ° F (fluido pré-aquecido por regeneradores) até o ponto de ebulição desse fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . O calor é transferido através das paredes desses tubos para o refrigerante secundário de baixa pressão localizado no lado secundário do trocador, onde o refrigerante evapora para vapor pressurizado vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa). O vapor saturado sai do gerador de vapor através de uma saída de vapor e continua até as principais linhas de vapor e depois para a turbina a vapor .

Gerador de vapor para as principais linhas de vaporEssas principais linhas de vapor são reticuladas (por exemplo, através de um tubo coletor de vapor) perto da turbina para garantir que a diferença de pressão entre qualquer um dos geradores de vapor não exceda um valor específico, mantendo assim o equilíbrio do sistema e garantindo a remoção uniforme de calor do sistema de refrigeração do reator ( RCS). O vapor flui através das principais válvulas de isolamento da linha de vapor (MSIVs), que são muito importantes do ponto de vista da segurança, para a turbina de alta pressão. Directamente na entrada da turbina a vapor, existem válvulas de estrangulamento-stop e válvulas de controlo . O controle da turbina é obtido variando as aberturas dessas válvulas. No caso de uma viagem de turbina, o suprimento de vapor deve ser isolado muito rapidamente, geralmente na fração de segundo, para que as válvulas de parada operem com rapidez e confiabilidade.

Das válvulas de turbina ao condensador – expansão

Ciclo de Rankine - diagrama de Ts
Ciclo de Rankine – diagrama de Ts

Normalmente, a maioria das usinas nucleares opera turbinas a vapor de condensação de vários estágios . Nessas turbinas, o estágio de alta pressão recebe vapor (esse vapor é quase o vapor saturado – x = 0,995 – ponto C na figura; 6 MPa ; 275,6 ° C) de um gerador de vapor e o esgota para o separador-reaquecedor de umidade (MSR – ponto D). O vapor deve ser reaquecido para evitar danos que possam ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade . O alto conteúdo de gotículas de água pode causar o rápido impacto e a erosão das pás, que ocorre quando a água condensada é jateada sobre as pás. Para evitar isso, drenos de condensação são instalados na tubulação de vapor que leva à turbina.

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

O vapor sem umidade é superaquecido pelo vapor de extração do estágio de alta pressão da turbina e pelo vapor diretamente das principais linhas de vapor. O vapor de aquecimento é condensado nos tubos e drenado para o sistema de água de alimentação.

O reaquecedor aquece o vapor (ponto D) e, em seguida, o vapor é direcionado para o estágio de baixa pressão da turbina a vapor, onde se expande (pontos E a F). O vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa ) e está em um estado parcialmente condensado (ponto F), tipicamente com uma qualidade próxima a 90%. Os estágios de alta pressão e baixa pressão da turbina geralmente estão no mesmo eixo para acionar um gerador comum, mas eles têm casos separados. O gerador principal produz energia elétrica, que é fornecida à rede elétrica.

Turbina a Vapor Úmida - Expansão

Do Condensador às Bombas de Condensado – Condensação

Condensador - Aquecedores de LP - DesaeradorO condensador principal condensa o vapor de exaustão dos estágios de baixa pressão da turbina principal e também do sistema de despejo de vapor. O vapor exaurido é condensado passando sobre os tubos que contêm água do sistema de resfriamento.

A pressão no interior do condensador é determinada pela temperatura do ar ambiente (ou seja, a temperatura da água no sistema de refrigeração) e por ejetores de vapor ou bombas de vácuo , que puxam os gases (não condensáveis) do condensador de superfície e os lançam para a atmosfera.

A menor pressão viável do condensador é a pressão de saturação correspondente à temperatura ambiente (por exemplo, pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C ). Observe que sempre há uma diferença de temperatura entre (em torno de ΔT = 14 ° C ) a temperatura do condensador e a temperatura ambiente, que se origina do tamanho finito e da eficiência dos condensadores. Como nem o condensador é um trocador de calor 100% eficiente, sempre há uma diferença de temperatura entre a temperatura de saturação (lado secundário) e a temperatura do líquido de arrefecimento no sistema de refrigeração. Além disso, há uma ineficiência de projeto, que diminui a eficiência geral da turbina. Idealmente, o vapor descarregado no condensador não teria sub-resfriamento. Mas os condensadores reais são projetados para sub-resfriar o líquido em alguns graus Celsius, a fim de evitar a cavitação de sucção nas bombas de condensado. Porém, esse sub-resfriamento aumenta a ineficiência do ciclo, porque é necessária mais energia para reaquecer a água.

Ciclo Rankine - pressão do condensador
Diminuir a pressão de escape da turbina aumenta o trabalho líquido por ciclo, mas também diminui a qualidade do vapor de saída.

O objetivo de manter a menor pressão prática de exaustão da turbina é a principal razão para incluir o condensador em uma usina termelétrica. O condensador fornece um vácuo que maximiza a energia extraída do vapor, resultando em um aumento significativo no trabalho líquido e na eficiência térmica. Mas também este parâmetro (pressão do condensador) tem seus limites de engenharia:

  • Diminuir a pressão de exaustão da turbina diminui a qualidade do vapor (ou fração de secura). Em algum momento, a expansão deve ser encerrada para evitar danos que podem ser causados ​​às pás da turbina a vapor por vapor de baixa qualidade .
  • Diminuir a pressão de exaustão da turbina aumenta significativamente o volume específico de vapor exaurido, o que requer grandes lâminas nas últimas fileiras do estágio de baixa pressão da turbina a vapor.

Em uma turbina a vapor úmida típica , o vapor exaurido condensa no condensador e está a uma pressão bem abaixo da atmosférica (pressão absoluta de 0,008 MPa, que corresponde a 41,5 ° C). Este vapor está em um estado parcialmente condensado (ponto F), normalmente com uma qualidade próxima a 90%. Observe que a pressão dentro do condensador também depende das condições atmosféricas do ambiente:

  • temperatura do ar, pressão e umidade em caso de resfriamento na atmosfera
  • temperatura da água e vazão em caso de resfriamento em um rio ou mar

Um aumento na temperatura ambiente causa um aumento proporcional na pressão do vapor exaurido ( ΔT = 14 ° C é geralmente uma constante), portanto, a eficiência térmica do sistema de conversão de energia diminui. Em outras palavras, a produção elétrica de uma usina pode variar de acordo com as condições ambientais , enquanto a energia térmica permanece constante.

O vapor condensado (agora chamado de condensado) é coletado na câmara quente do condensador. A câmara quente do condensador também fornece uma capacidade de armazenamento de água, necessária para fins operacionais, como a composição da água de alimentação. O condensado (líquido saturado ou ligeiramente sub-resfriado) é entregue à bomba de condensado e depois bombeado por bombas de condensado para o desaerador através do sistema de aquecimento de água de alimentação. As bombas de condensado aumentam a pressão normalmente para cerca de p = 1-2 MPa. Geralmente, existem quatro bombas de condensado centrífugas com um terço da capacidade com cabeçalhos comuns de sucção e descarga. Normalmente, três bombas estão em operação e uma no backup.

Das bombas de condensado às bombas de água de alimentação – Regeneração de calor

Condensador - Aquecedores de LP - Desaeradorcondensado das bombas de condensado passa então por vários estágios dos aquecedores de água de alimentação de baixa pressão , nos quais a temperatura do condensado é aumentada pela transferência de calor do vapor extraído das turbinas de baixa pressão. Normalmente, existem três ou quatro estágios de aquecedores de água de alimentação de baixa pressão conectados na cascata. O condensado sai dos aquecedores de água de alimentação de baixa pressão a aproximadamente p = 1 MPa, t = 150 ° C e entra no desaerador. O sistema principal de condensado também contém um sistema mecânico de purificação de condensado para remover impurezas. Os aquecedores de água de alimentação são auto-reguláveis. Isso significa que quanto maior o fluxo de água de alimentação, maior a taxa de absorção de calor do vapor e maior o fluxo de vapor de extração.

Existem válvulas de retenção nas linhas de vapor de extração entre os aquecedores de água de alimentação e a turbina. Essas válvulas de retenção impedem o fluxo reverso de vapor ou água em caso de disparo da turbina, o que causa uma rápida diminuição da pressão no interior da turbina. Qualquer água que entre na turbina dessa maneira pode causar sérios danos às pás da turbina.

Desaerador

Desaerador
Um diagrama esquemático de um desaerador típico do tipo bandeja. Fonte: wikipedia.org Licença: CC BY-SA 3.0

Em geral, um desaerador é um dispositivo usado para a remoção de oxigênio e outros gases dissolvidos da água de alimentação para os geradores de vapor. O desaerador faz parte do sistema de aquecimento de água de alimentação. Geralmente está situado entre o último aquecedor de baixa pressão e as bombas de reforço de água de alimentação. Em particular, o oxigênio dissolvido no gerador de vapor pode causar sérios danos à corrosão, anexando-se às paredes da tubulação de metal e outros equipamentos metálicos e formando óxidos (ferrugem). Além disso, o dióxido de carbono dissolvido combina-se com a água para formar ácido carbônico que causa corrosão adicional.

No desaerador , o condensado é aquecido a condições saturadas, geralmente pelo vapor extraído da turbina a vapor. O vapor de extração é misturado no desaerador por um sistema de bicos de pulverização e bandejas em cascata entre as quais o vapor penetra. Quaisquer gases dissolvidos no condensado são liberados nesse processo e removidos do desaerador por ventilação para a atmosfera ou para o condensador principal. Diretamente abaixo do desaerador está o tanque de armazenamento de água de alimentação, em que uma grande quantidade de água de alimentação é armazenada em condições próximas à saturação. No evento de disparo da turbina, essa água de alimentação pode ser fornecida aos geradores de vapor para manter o inventário de água necessário durante o período transitório. O desaerador e o tanque de armazenamento geralmente estão localizados em uma elevação elevada no salão da turbina para garantir uma cabeça de sucção positiva líquida (NPSH) adequada na entrada das bombas de água de alimentação. O NPSH é usado para medir a proximidade de um fluido a condições saturadas. Baixar a pressão no lado da sucção pode induzir cavitação . Esse arranjo minimiza o risco de cavitação na bomba.

Das bombas de água de alimentação ao gerador de vapor

Bombas de água de alimentação - Aquecedores HPO sistema de bombas de água de alimentação geralmente contém três linhas paralelas ( 3 × 50% ) de bombas de água de alimentação com cabeçalhos comuns de sucção e descarga. Cada bomba de água de alimentação consiste no reforço e na bomba de água de alimentação principal . As bombas de água de alimentação (geralmente acionadas por turbinas a vapor) aumentam a pressão do condensado (~ 1MPa) para a pressão no gerador de vapor (~ 6,5MPa).

As bombas auxiliares fornecem a pressão de sucção principal necessária da bomba de água de alimentação. Essas bombas (ambas as bombas de água de alimentação) são normalmente bombas de alta pressão (geralmente do tipo bomba centrífuga ) que são aspiradas pelo tanque de armazenamento de água do desaerador, montado diretamente abaixo do desaerador, e fornecem as principais bombas de água de alimentação. A descarga de água das bombas de água de alimentação flui através dos aquecedores de água de alimentação de alta pressão , entra na contenção e depois flui para os geradores de vapor .

O fluxo de água de alimentação para cada gerador de vapor é controlado por válvulas reguladoras de água de alimentação ( FRVs ) em cada linha de água de alimentação. O regulador é controlado automaticamente pelo nível do gerador de vapor, fluxo de vapor e fluxo de água de alimentação.

Os aquecedores de água de alimentação de alta pressão são aquecidos pelo vapor de extração da turbina de alta pressão, HP Turbine. Os drenos dos aquecedores de água de alimentação de alta pressão são geralmente encaminhados para o desaerador.

Gerador de vapor - vertical
Gerador de vapor – vertical

A água de alimentação ( água 230 ° C; 446 ° F; 6,5MPa ) é bombeada para o gerador de vapor através da entrada de água de alimentação. No gerador de vapor, a água de alimentação (circuito secundário) é aquecida de ~ 230 ° C 446 ° F até o ponto de ebulição desse fluido (280 ° C; 536 ° F; 6,5MPa) . A água de alimentação é então evaporada e o vapor pressurizado ( vapor saturado 280 ° C; 536 ° F; 6,5 MPa) sai do gerador de vapor pela saída de vapor e continua até a turbina a vapor, completando assim o ciclo.

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