Turbina de vapor y generación de energía

Turbina de vapor y generación de energía

Una turbina de vapor es un dispositivo mecánico que convierte la energía térmica del vapor presurizado en trabajo mecánico útil. Es el corazón de una central eléctrica. Tiene una mayor eficiencia termodinámica y una menor relación potencia-peso. Obtiene la mayor parte de su eficiencia termodinámica debido al uso de múltiples etapas en la expansión del vapor, lo que da como resultado un acercamiento más cercano al proceso reversible ideal. Las turbinas de vapor son una de las tecnologías de motores primarios más versátiles y antiguas que se utilizan para impulsar un generador. La generación de energía mediante turbinas de vapor se ha utilizado durante más de 100 años. Un turbogenerador es la combinación de una turbina conectada directamente a un generador para la generación de energía eléctrica. Los grandes generadores de energía a vapor proporcionan la mayor parte de la energía eléctrica.

Las turbinas de vapor son ideales para configuraciones de potencia muy grandes utilizadas en centrales eléctricas debido a su mayor eficiencia y menores costos. En una central eléctrica, la turbina de vapor está conectada a un generador para producir energía eléctrica. La turbina actúa como el lado más mecánico del sistema al proporcionar el movimiento giratorio del generador, mientras que el generador actúa como el lado eléctrico al emplear las leyes de la electricidad y el magnetismo para producir energía eléctrica.

En una turbina de vapor, el rotor es el componente giratorio que tiene ruedas y palas unidas a él. La pala es el componente que extrae la energía del vapor. En la Fig. 1 se muestra un diagrama esquemático típico de una planta de energía basada en una turbina de vapor alimentada por combustibles fósiles para la generación de electricidad

 Fig. 1 Diagrama esquemático para la generación de energía basada en turbinas de vapor

El proceso de conversión de energía

Steam tiene los siguientes tres componentes de componentes de energía

• Energía cinética: en virtud de su velocidad
• Energía de presión:en virtud de su presión
• Energía interna:en virtud de su temperatura

Los dos últimos componentes de energía juntos se conocen como entalpía. La energía total del vapor se puede representar como la suma de la energía cinética y la entalpía.

La generación de energía mediante una turbina de vapor implica tres conversiones de energía, extrayendo energía térmica del combustible y usándola para generar vapor, convirtiendo la energía térmica del vapor en energía cinética en la turbina y usando un generador rotativo para convertir la energía mecánica de la turbina en energía eléctrica. .

El vapor a alta presión se alimenta a la turbina y pasa a lo largo del eje de la máquina a través de múltiples filas de álabes fijos y móviles alternativamente. Desde el puerto de entrada de vapor de la turbina hacia el punto de escape, las palas y la cavidad de la turbina son progresivamente más grandes para permitir la expansión del vapor.

Los álabes estacionarios actúan como boquillas en las que el vapor se expande y emerge a mayor velocidad pero a menor presión (principio de conservación de la energía de Bernoulli, según el cual la energía cinética aumenta a medida que disminuye la energía de presión). A medida que el vapor impacta en las aspas móviles, imparte parte de su energía cinética a las aspas móviles.

Las turbinas pueden ser del tipo de condensación, no condensación, recalentamiento, extracción o inducción. Las turbinas de condensación se utilizan comúnmente en las centrales eléctricas. Estas turbinas expulsan vapor en un estado parcialmente condensado, típicamente de una calidad cercana al 90 %, a una presión muy por debajo de la atmosférica a un condensador. Las turbinas sin condensación también se conocen como turbinas de contrapresión y se usan más ampliamente para aplicaciones de proceso de vapor. La presión de escape es controlada por una válvula reguladora para adaptarse a las necesidades de la presión de vapor del proceso. Estos se usan comúnmente en industrias donde se necesitan grandes cantidades de vapor de proceso a baja presión. Las turbinas de recalentamiento también se utilizan casi exclusivamente en centrales eléctricas. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor sale de una sección de alta presión de la turbina y regresa a la caldera donde se agrega sobrecalentamiento adicional. Luego, el vapor regresa a una sección de presión intermedia de la turbina y continúa su expansión. En una turbina de extracción, el vapor se extrae de una o más etapas, a una o más presiones, para las necesidades de calentamiento, proceso de planta o calentador de agua de alimentación. Estas turbinas también se conocen como turbinas de purga. Los flujos de extracción pueden controlarse con una válvula o dejarse sin control. Las turbinas de inducción introducen vapor a baja presión en una etapa intermedia para producir energía adicional.
Hay dos tipos básicos de turbinas de vapor:turbinas de impulso y turbinas de reacción. Los álabes están diseñados para controlar la velocidad, la dirección y la presión del vapor a medida que pasa por la turbina.

En el diseño de impulso, el rotor gira debido a la fuerza del vapor sobre las palas, mientras que el diseño de reacción funciona según el principio de que el rotor obtiene su fuerza de rotación del vapor cuando sale de las palas.

Para maximizar la eficiencia de la turbina, el vapor se expande, generando trabajo, en varias etapas. Estas etapas se caracterizan por cómo se extrae la energía de ellas y se conocen como turbinas de impulso o de reacción. La mayoría de las turbinas de vapor utilizan una combinación de diseños de reacción e impulso. Cada etapa se comporta como una u otra, pero la turbina en general usa ambas. Por lo general, las secciones de mayor presión son del tipo de impulso y las etapas de menor presión son del tipo de reacción.
Una turbina de impulso tiene boquillas fijas que orientan el flujo de vapor en chorros de alta velocidad. Estos chorros contienen una energía cinética significativa, que se convierte en rotación del eje mediante las palas del rotor en forma de cubo, a medida que el chorro de vapor cambia de dirección. Se produce una caída de presión solo en los álabes estacionarios, con un aumento neto en la velocidad del vapor en toda la etapa. A medida que el vapor fluye a través de la boquilla, su presión cae desde la presión de entrada hasta la presión de salida (presión atmosférica o, más generalmente, el vacío del condensador). Debido a esta alta relación de expansión del vapor, el vapor sale de la boquilla con una velocidad muy alta. El vapor que sale de las palas móviles tiene una gran parte de la velocidad máxima del vapor cuando sale de la boquilla. La pérdida de energía debido a esta mayor velocidad de salida se denomina comúnmente velocidad de transferencia o pérdida de salida.

En la turbina de reacción, las propias palas del rotor están dispuestas para formar toberas convergentes. Este tipo de turbina aprovecha la fuerza de reacción que se produce al acelerar el vapor a través de las toberas formadas por el rotor. El vapor es dirigido al rotor por las paletas fijas del estator. Sale del estator como un chorro que llena toda la circunferencia del rotor. Entonces, el vapor cambia de dirección y aumenta su velocidad en relación con la velocidad de las palas. Se produce una caída de presión tanto en el estator como en el rotor, con el vapor acelerando a través del estator y desacelerando a través del rotor, sin un cambio neto en la velocidad del vapor a través de la etapa pero con una disminución tanto en la presión como en la temperatura, lo que refleja el trabajo realizado en el accionamiento del rotor.

Los dos tipos de turbinas se muestran en la Fig. 2.

 Fig. 2 Tipos de turbina

El diagrama de la figura 3 resume un ciclo de turbina de vapor de caldera.

Fig. 3 Un ciclo de turbina de vapor de caldera simple

La turbina de vapor opera según los principios básicos de la termodinámica utilizando el ciclo de Rankine como se muestra en la Fig. 4. Después de salir de la caldera, el vapor sobrecalentado ingresa a la turbina a alta temperatura y alta presión. El vapor de alta temperatura/presión se convierte en energía cinética usando una boquilla (una boquilla fija en una turbina de tipo impulso o las palas fijas en una turbina de tipo reacción). Una vez que el vapor ha salido de la tobera se desplaza a gran velocidad y se envía a los álabes de la turbina. Se crea una fuerza sobre las palas debido a la presión del vapor sobre las palas que hace que se muevan. Se puede colocar un generador u otro dispositivo similar en el eje, y la energía que estaba en el vapor ahora se puede almacenar y usar. El gas sale de la turbina como vapor saturado a una temperatura y presión más bajas que las que tenía al entrar y se envía al condensador para que se enfríe.

Fig. 4 Diagrama T-s de un ciclo de Rankine

El vapor de escape de la turbina se condensa en agua en el condensador que extrae el calor latente de vaporización del vapor. Esto hace que el volumen del vapor llegue a cero, lo que reduce drásticamente la presión a condiciones cercanas al vacío, lo que aumenta la caída de presión en la turbina, lo que permite extraer la máxima cantidad de energía del vapor. A continuación, el condensado se bombea de nuevo a la caldera como agua de alimentación para volver a utilizarse.

El gobernador es un dispositivo que controla la velocidad de la turbina. El control de velocidad de una turbina con un gobernador es necesario, ya que se requiere que la turbina funcione lentamente para evitar daños y la generación de energía eléctrica de CA necesita un control de velocidad preciso. La aceleración incontrolada del rotor de la turbina puede provocar un disparo por exceso de velocidad, lo que hace que se cierren las válvulas de las boquillas que controlan el flujo de vapor a la turbina. Si esto falla, la turbina puede seguir acelerando hasta romperse, a menudo de manera catastrófica. Las turbinas modernas tienen un regulador electrónico que usa un sensor para monitorear la velocidad de la turbina "mirando" los dientes del rotor.

La turbina de vapor impulsa un generador, para convertir la energía mecánica en energía eléctrica. El generador es una máquina síncrona de campo giratorio. Las turbinas de vapor están directamente acopladas a sus generadores. Los generadores deben rotar a velocidades sincrónicas constantes de acuerdo con la frecuencia del sistema eléctrico de potencia. La velocidad más común es de 3000 RPM para un sistema de alimentación con una frecuencia de 50 Hz. La eficiencia de conversión de energía de estos generadores de alta capacidad puede llegar al 98 % o al 99 % para una máquina muy grande.