Una turbina de vapor es una turbina en la que se utiliza como fluido de trabajo vapor de agua , obtenido calentando agua en calderas de vapor . [una]
Una turbina de vapor es uno de los elementos de una planta de turbina de vapor (STP).
Una turbina de vapor y un generador eléctrico forman una unidad de turbina .
La turbina de vapor consta de dos partes principales. El rotor con palas es la parte móvil de la turbina. El estator con toberas es una pieza fija.
De acuerdo con la dirección del flujo de vapor, se distinguen turbinas de vapor axiales , en las que el flujo de vapor se mueve a lo largo del eje de la turbina, y radiales , en las que la dirección del flujo de vapor es perpendicular , y las palas del rotor son paralelas a la eje de rotación.
Según el número de cilindros, las turbinas se dividen en monocilíndricas y dos-tres-, cuatro-cinco cilindros. La turbina multicilíndrica permite el uso de grandes diferencias de entalpía térmica disponibles al acomodar un gran número de etapas de presión, el uso de materiales de alta calidad en las partes de alta presión y la división del flujo de vapor en las partes de media y baja presión. Tal turbina resulta ser más costosa, pesada y compleja. Por lo tanto, las turbinas de varios casetes se utilizan en potentes plantas de turbinas de vapor.
Según el número de ejes, se distinguen un solo eje, dos ejes, con menos frecuencia tres ejes, conectados por un proceso térmico común o un engranaje común (reductor). La disposición de los ejes puede ser tanto coaxial como paralela, con una disposición independiente de los ejes de los ejes.
En el extremo delantero del eje, se instala un regulador de límite ( regulador de seguridad), que detiene automáticamente la turbina cuando la velocidad aumenta en un 10-12% por encima de la nominal.
P1 h1 s1 - presión, entalpía y entropía del vapor a la entrada de la turbina ;
P2 h2 s2 - presión, entalpía y entropía del vapor de escape a la salida de la turbina ;
1 - expansión de vapor en la turbina ;
2 - vapor saturado ;
3 - agua en estado de saturación ( ebullición );
4 es la isoterma de temperatura inicial ;
5 es la isoterma de temperatura final ;
6 es la isobara de presión inicial ;
7 es la isobara de presión final ;
8 - punto crítico
(en el punto crítico, todo el volumen de agua se convierte en vapor (desaparece la diferencia entre las fases líquida y gaseosa del agua)) ;
9 - curva de humedad constante del vapor .
Dependiendo de la naturaleza del proceso térmico, las turbinas de vapor se dividen en 3 grupos principales:
Las turbinas de vapor de condensación se utilizan para convertir la mayor parte posible del calor del vapor en trabajo mecánico . Funcionan con la liberación (escape) del vapor de escape en el condensador (de ahí el nombre), en el que se mantiene un vacío . Las turbinas de condensación son estacionarias y de transporte.
Las turbinas estacionarias se fabrican en el mismo eje que los alternadores . Estas unidades se denominan turbogeneradores . Las centrales térmicas que tienen turbinas de condensación se denominan centrales de condensación ( CPP ). El principal producto final de estas centrales eléctricas es la electricidad . Solo una pequeña parte de la energía térmica se utiliza para las propias necesidades de la central eléctrica y, en ocasiones, para suministrar calor a un asentamiento cercano . Por lo general, este es un pueblo de ingenieros eléctricos. Se comprueba que cuanto mayor es la potencia del turbogenerador, más económico es y menor el costo de 1 kW de potencia instalada. Por lo tanto, los generadores de turbina de mayor potencia se instalan en las centrales eléctricas de condensación.
La velocidad del rotor de un turbogenerador estacionario es proporcional a la frecuencia de la corriente eléctrica 50 Hertz ( máquina síncrona ). Es decir, en generadores bipolares 3000 rpm, en generadores tetrapolares, respectivamente, 1500 rpm. La frecuencia de la corriente eléctrica es uno de los principales indicadores de la calidad de la energía eléctrica suministrada . Las tecnologías modernas permiten mantener la frecuencia de la red con una precisión del 0,2% (GOST 13109-97). Una caída brusca de la frecuencia eléctrica conlleva una desconexión de la red y una parada de emergencia de la unidad de potencia , en la que se observa un fallo similar.
Dependiendo del propósito, las turbinas de vapor de las centrales eléctricas pueden ser básicas y llevar una carga principal constante; pico, funcionamiento a corto plazo para cubrir los picos de carga; turbinas auxiliares que satisfacen las necesidades de la central en electricidad. De los básicos, se requiere una alta eficiencia en cargas cercanas al máximo (alrededor del 80%), de los picos, la capacidad de arrancar y poner en funcionamiento rápidamente, de las turbinas auxiliares, especial confiabilidad en la operación. Las turbinas de vapor para centrales eléctricas tienen un recurso de flota de 270 mil horas con un tiempo de respuesta de 4 a 5 años.
Las turbinas de vapor de transporte se utilizan como motores principales y auxiliares en barcos y barcos. Se hicieron intentos repetidos para usar turbinas de vapor en locomotoras , sin embargo, las locomotoras de turbina de vapor no se usaron ampliamente. Para conectar turbinas de alta velocidad con hélices que requieren una velocidad pequeña (de 100 a 500 rpm), se utilizan reductores de engranajes . A diferencia de las turbinas estacionarias (excepto los turbosoplantes), las turbinas marinas funcionan a una velocidad variable, determinada por la velocidad requerida de la embarcación.
Esquema de operación de la turbina de condensación: El vapor fresco (caliente) de la unidad de caldera (1) a través de la línea de vapor (2) ingresa a las paletas de trabajo de la turbina de vapor (3) . Al expandirse, la energía cinética del vapor se convierte en energía mecánica de rotación del rotor de la turbina, que se encuentra en el mismo eje (4) con un generador eléctrico (5) . El vapor de escape (arrugado) de la turbina se envía al condensador (6) , en el cual, habiéndose enfriado al estado de agua por intercambio de calor con el agua circulante (7) del estanque de enfriamiento, torre de enfriamiento o depósito a través de la tubería (8) , se devuelve al grupo caldera mediante una bomba (9) . La mayor parte de la energía recibida se utiliza para generar electricidad.
Las turbinas de vapor de cogeneración se utilizan para la producción simultánea de energía eléctrica y térmica. Las centrales térmicas en las que se instalan turbinas de vapor combinadas de calor y electricidad se denominan centrales combinadas de calor y electricidad ( CHP ). Las turbinas de vapor de cogeneración incluyen turbinas con:
Para las turbinas de contrapresión, todo el vapor de escape se utiliza con fines tecnológicos (cocción, secado, calentamiento). La energía eléctrica desarrollada por una unidad de turbina con una turbina de vapor de este tipo depende de la necesidad de producción o del sistema de calefacción para calentar vapor y cambia junto con ella. Por lo tanto, la turbina de contrapresión suele funcionar en paralelo con una turbina de condensación o red eléctrica, lo que cubre la escasez de energía resultante .
En las turbinas con extracción controlada, parte del vapor se extrae de una o dos etapas intermedias, y el resto del vapor va al condensador. La presión del vapor de purga se mantiene dentro de los límites especificados por el sistema de control (en las turbinas soviéticas, para mantener la presión establecida, se usa con mayor frecuencia un diafragma de control detrás de la cámara de purga: varias paletas guía cortadas a lo largo de un plano perpendicular a el eje de la turbina; una mitad de las paletas gira con respecto a la otra, cambiando el área de las boquillas). El lugar de selección ( etapa de turbina ) se elige en función de los parámetros de vapor requeridos.
Para turbinas con extracción y contrapresión, parte del vapor se extrae de una o dos etapas intermedias, y todo el vapor de escape se dirige desde el tubo de escape al sistema de calefacción oa los calentadores de la red.
Esquema de operación de la turbina de calefacción: El vapor fresco (caliente) de la unidad de caldera (1) se dirige a través de la tubería de vapor (2) a las paletas de trabajo del cilindro de alta presión (HPC) de la turbina de vapor (3) . Al expandirse, la energía cinética del vapor se convierte en energía mecánica de rotación del rotor de la turbina, el cual está conectado al eje (4) del generador eléctrico (5) . En el proceso de expansión del vapor de los cilindros de media presión, se realizan extracciones de calentamiento y desde ellas se dirige el vapor a los calentadores (6) del agua de calentamiento (7) . El vapor de escape de la última etapa ingresa al condensador, donde se condensa y luego se envía de regreso a través de la tubería (8) a la unidad de caldera utilizando la bomba (9) . La mayor parte del calor recibido en la caldera se utiliza para calentar el agua de la red.
Las turbinas de vapor para fines especiales suelen funcionar con el calor residual de las plantas metalúrgicas, de construcción de maquinaria y químicas. Estos incluyen turbinas de vapor arrugadas (estrangulado), turbinas de dos presiones y turbinas aguas arriba (forehalt).
A menudo, las turbinas de vapor estacionarias tienen extracciones de vapor controladas o no controladas de las etapas de presión para el calentamiento regenerativo del agua de alimentación .
Las turbinas de vapor para fines especiales no se construyen en serie, como las turbinas de condensación y calefacción, sino que en la mayoría de los casos se fabrican según pedidos individuales.
En la industria de energía eléctrica, se entiende por pequeñas unidades generadoras aquellas unidades con una capacidad inferior a 10 MW. En la actualidad, en Rusia, como en otros países con economía de mercado, el problema del suministro de energía a empresas y asentamientos en áreas remotas donde no hay un suministro de energía centralizado es muy grave. Para los viejos esquemas con generación diesel se vuelven extremadamente caros a medida que aumenta el precio del combustible diesel. El problema de conectar nuevas pequeñas y medianas empresas al suministro eléctrico a veces también es grave, cuando no hay reservas de capacidad eléctrica para ellas. En este caso, siempre se determina qué es más barato: construir nuevas redes a las principales líneas de transmisión de energía y conectarse a ellas a las tarifas de los ingenieros eléctricos locales y luego recibir energía a sus precios, o construir su propia pequeña central eléctrica autónoma y ser completamente independiente de la energía. En este caso, las pequeñas centrales eléctricas de vapor que funcionan con combustible sólido barato siempre pueden proporcionar electricidad más barata que la que los ingenieros energéticos proponen recibir de la red.
Pero en este camino de suministro de energía autónomo, siempre está la cuestión del costo de una pequeña planta de energía de vapor. Con una disminución en las dimensiones generales de una planta de energía de vapor con turbina, su eficiencia termodinámica disminuye y el precio por 1 kW de potencia agregada aumenta. Entonces, el precio de las centrales eléctricas de vapor con turbinas de vapor en el ciclo ORC del fabricante italiano TURBODEN es de aproximadamente 3 mil euros por 1 kW de capacidad instalada. Y la eficiencia de una instalación eléctrica tan costosa es muy pequeña: solo el 18%.
Los intentos de hacer pequeñas plantas de energía de vapor estándar con turbinas de vapor siempre se han visto limitados por la escasa eficiencia de tales plantas. Por ejemplo, en el libro de F. Boyko "Locomotoras de vapor de transporte industrial" se indica que a mediados de los años 50, el turbogenerador de una locomotora de vapor de 1 kW consumía 100 kg de vapor por 1 kWh de potencia (eficiencia - 1%% ), y en el libro P. Chernyaev "Las centrales eléctricas de barcos y su funcionamiento" (libro de texto para universidades): se indica que a mediados de los años 70, las principales centrales eléctricas de vapor con turbinas alcanzaron una eficiencia del 35%, pero el vapor de barcos pequeños las unidades de potencia con una capacidad de 15 a 50 kW (para accionar mecanismos auxiliares de barcos) consumían hasta 30 kg de vapor por hora por 1 kW de potencia, que es 5 veces peor que la máquina principal. La dificultad para que las turbinas pequeñas alcancen valores de eficiencia altos, que son típicos de las turbinas grandes, radica en el cambio en la relación de las velocidades del vapor que sale de las boquillas y las velocidades circunferenciales de los álabes de la turbina, ya que los diámetros de los los rotores de las turbinas pequeñas disminuyen. Es por eso que las turbinas de vapor pequeñas rara vez se utilizan en la generación de energía distribuida autónoma.