Tecnología de Turbinas de Vapor: Impulsando la Generación Eficiente 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. Tiene mayor eficiencia termodinámica y menor relación potencia-peso. Deriva su eficiencia del uso de múltiples etapas en la expansión del vapor, acercándose al proceso reversible ideal. Las turbinas de vapor son una de las tecnologías de motor principal más versátiles y antiguas usadas para accionar generadores. Generación con turbinas de vapor usada por más de 100 años. Un turbogenerador combina turbina acoplada directamente a generador para generación eléctrica. Grandes generadores de vapor proporcionan la mayoría de la energía eléctrica.

Proceso de Conversión de Energía

El vapor tiene tres componentes de energía:

• Energía cinética – por su velocidad
• Energía de presión – por su presión
• Energía interna – por su temperatura

Las dos últimas juntas se conocen como entalpía. Energía total = energía cinética + entalpía.

Generación con turbina implica tres conversiones: extraer energía térmica del combustible para generar vapor, convertir energía térmica del vapor en cinética en la turbina, y usar generador rotativo para convertir energía mecánica en eléctrica.

Vapor alta presión alimentado a turbina y pasa a lo largo del eje a través de múltiples hileras alternas de álabes fijos y móviles. Desde entrada hacia escape, álabes y cavidad son progresivamente mayores para permitir expansión del vapor.

Álabes fijos actúan como toberas: vapor se expande y emerge a mayor velocidad pero menor presión (principio de Bernoulli: energía cinética aumenta al caer energía de presión). Al impactar en álabes móviles, imparte parte de su energía cinética.

Turbinas pueden ser: condensación, no condensación, recalentamiento, extracción o inducción. Turbinas de condensación: comunes en centrales. Escapan vapor parcialmente condensado (calidad ~90 %) a presión bien por debajo de atmosférica a condensador. No condensación (turbinas de contrapresión): usadas para vapor de proceso. Presión escape controlada por válvula reguladora para necesidades de presión de vapor de proceso. Comunes en industrias que necesitan grandes cantidades de vapor baja presión. Recalentamiento: usadas casi exclusivamente en centrales. Flujo sale de sección alta presión, regresa a caldera para sobrecalentamiento adicional, vuelve a sección presión intermedia y continúa expansión. Extracción: vapor retirado de una o más etapas, a una o más presiones, para calefacción, proceso, calentadores de agua de alimentación. También llamadas turbinas de sangría. Flujos de extracción controlados con válvula o sin control. Inducción: introducen vapor baja presión en etapa intermedia para producir potencia adicional.

Dos tipos básicos: turbinas de impulso y de reacción. Álabes diseñados para controlar velocidad, dirección y presión del vapor al pasar.

• Diseño impulso: Rotor gira por fuerza del vapor en álabes.
• Diseño reacción: Rotor deriva fuerza rotacional del vapor al salir de álabes.

Para maximizar eficiencia, vapor se expande generando trabajo en varias etapas. Caracterizadas por cómo se extrae energía: impulso o reacción. La mayoría usan mezcla de ambos. Cada etapa se comporta como uno u otro, pero la turbina usa ambos. Típicamente, secciones alta presión son impulso; etapas baja presión son reacción.

Turbina de Impulso

Toberas fijas orientan flujo de vapor en chorros alta velocidad. Chorros contienen energía cinética significativa, convertida en rotación de eje por álabes rotor tipo cubeta, al cambiar dirección el chorro. Caída de presión solo en álabes fijos, con aumento neto de velocidad del vapor en la etapa. Al fluir por tobera, presión cae de entrada a salida (presión atmosférica o vacío de condensador). Por alta relación de expansión, vapor sale tobera con velocidad muy alta. Vapor saliendo álabes móviles tiene gran parte de velocidad máxima al salir tobera. Pérdida por esta mayor velocidad de salida: "velocidad de arrastre" o "pérdida de salida".

Turbina de Reacción

Álabes rotor dispuestos para formar toberas convergentes. Usa fuerza de reacción producida al acelerar vapor a través de toberas formadas por rotor. Vapor dirigido al rotor por álabes fijos del estator. Sale del estator como chorro llenando circunferencia del rotor. Cambia dirección y aumenta velocidad relativa a la de álabes. Caída de presión en estator y rotor; vapor acelera en estator y desacelera en rotor, sin cambio neto de velocidad en etapa pero con disminución de presión y temperatura, reflejando trabajo en impulsar rotor.

Figura 2 muestra los dos tipos.

Figura 2: Tipos de turbina

Figura 3 resume ciclo caldera-turbina.

Figura 3: Ciclo simple caldera-turbina de vapor

La turbina opera en principios de termodinámica usando ciclo Rankine (figura 4). Tras salir caldera, vapor sobrecalentado entra a turbina a alta T y P. Alto calor/presión convertido en cinética por tobera (fija en impulso, fijos en reacción). Tras salir tobera, vapor a alta velocidad va a álabes. Fuerza en álabes por presión de vapor causa movimiento. Generador en eje almacena y usa energía. Gas sale como vapor saturado a menor T y P, va a condensador para enfriar.

Figura 4: Diagrama T-s de un ciclo Rankine

Vapor de escape condensado a agua en condensador extrayendo calor latente de vaporización. Volumen va a cero, presión cae dramáticamente a casi vacío, aumentando caída de presión a través de turbina y permitiendo extraer máxima energía. Condensado bombeado de vuelta a caldera como agua de alimentación.

El regulador (governor) controla velocidad de turbina. Control necesario: turbina debe acelerar lentamente para evitar daño; generación CA necesita control preciso de velocidad. Aceleración incontrolada lleva a disparo por exceso de velocidad, cerrando válvulas de tobera que controlan flujo de vapor. Si falla, turbina puede seguir acelerando hasta romperse catastróficamente. Turbinas modernas tienen regulador electrónico con sensor que monitorea velocidad "mirando" dientes del rotor.

La turbina acciona generador para convertir energía mecánica en eléctrica. Generador: máquina síncrona de campo rotativo. Turbinas acopladas directamente a generadores. Generadores deben rotar a velocidades síncronas constantes según frecuencia del sistema. Velocidad común: 3000 RPM para 50 Hz. Eficiencia de conversión de estos generadores gran capacidad: 98-99 % para máquinas muy grandes.