Turbina a Vapor e Geração de Energia

Turbina a vapor e geração de energia

Uma turbina a vapor é um dispositivo mecânico que converte a energia térmica do vapor pressurizado em trabalho mecânico útil. É o coração de uma usina. Possui maior eficiência termodinâmica e menor relação potência/peso. Ele deriva a maior parte de sua eficiência termodinâmica devido ao uso de múltiplos estágios na expansão do vapor que resulta em uma aproximação mais próxima do processo reversível ideal. As turbinas a vapor são uma das mais versáteis e antigas tecnologias de acionamento primário usadas para acionar um gerador. A geração de energia usando turbinas a vapor está em uso há mais de 100 anos. Um turbogerador é a combinação de uma turbina conectada diretamente a um gerador para a geração de energia elétrica. Grandes geradores de energia a vapor fornecem a maior parte da energia elétrica.





As turbinas a vapor são ideais para configurações de energia muito grandes usadas em usinas de energia devido à sua maior eficiência e custos mais baixos. Em uma usina de energia, a turbina a vapor é conectada a um gerador para produzir energia elétrica. A turbina atua como o lado mais mecânico do sistema, fornecendo o movimento rotativo para o gerador, enquanto o gerador atua como o lado elétrico, empregando as leis da eletricidade e do magnetismo para produzir energia elétrica.

Em um rotor de turbina a vapor é o componente giratório que possui rodas e lâminas presas a ele. A lâmina é o componente que extrai energia do vapor. Um diagrama esquemático típico de uma usina de energia baseada em turbina a vapor movida a combustível fóssil para geração de eletricidade é dado na Fig 1

 Fig 1 Diagrama esquemático para geração de energia baseada em turbina a vapor

O processo de conversão de energia

O vapor tem os seguintes três componentes de componentes de energia

• Energia cinética –  em virtude de sua velocidade
• Energia de pressão – em virtude de sua pressão
• Energia interna – em virtude de sua temperatura

Os dois últimos componentes da energia juntos são conhecidos como entalpia. A energia total do vapor pode ser representada como a soma da energia cinética e da entalpia.

A geração de energia usando turbina a vapor envolve três conversões de energia, extraindo energia térmica do combustível e usando-a para gerar vapor, convertendo a energia térmica do vapor em energia cinética na turbina e usando um gerador rotativo para converter a energia mecânica da turbina em energia elétrica .

O vapor de alta pressão é alimentado à turbina e passa ao longo do eixo da máquina através de várias fileiras de lâminas fixas e móveis alternadamente. Da porta de entrada de vapor da turbina em direção ao ponto de exaustão, as pás e a cavidade da turbina são progressivamente maiores para permitir a expansão do vapor.

As lâminas estacionárias atuam como bocais nos quais o vapor se expande e emerge a uma velocidade aumentada, mas com pressão mais baixa (princípio de conservação de energia de Bernoulli, que é que a energia cinética aumenta à medida que a energia de pressão diminui). À medida que o vapor impacta nas lâminas em movimento, ele transmite parte de sua energia cinética às lâminas em movimento.

As turbinas podem ser de condensação, não condensação, reaquecimento, extração ou indução. Turbinas de condensação são comumente usadas em usinas de energia. Essas turbinas liberam vapor em um estado parcialmente condensado, tipicamente com uma qualidade próxima a 90%, a uma pressão bem abaixo da atmosférica para um condensador. As turbinas sem condensação também são conhecidas como turbinas de contrapressão e são mais amplamente utilizadas para aplicações de vapor de processo. A pressão de exaustão é controlada por uma válvula reguladora para atender às necessidades da pressão do vapor do processo. Estes são comumente usados ​​em indústrias onde são necessárias grandes quantidades de vapor de processo de baixa pressão. As turbinas de reaquecimento também são usadas quase exclusivamente em usinas de energia elétrica. Em uma turbina de reaquecimento, o fluxo de vapor sai de uma seção de alta pressão da turbina e retorna à caldeira onde é adicionado superaquecimento adicional. O vapor então volta para uma seção de pressão intermediária da turbina e continua sua expansão. Em uma turbina de extração, o vapor é retirado de um ou mais estágios, em uma ou mais pressões, para aquecimento, processo da planta ou necessidade de aquecedor de água de alimentação. Essas turbinas também são conhecidas como turbinas de sangria. Os fluxos de extração podem ser controlados com uma válvula ou deixados sem controle. As turbinas de indução introduzem vapor de baixa pressão em um estágio intermediário para produzir energia adicional.
Existem dois tipos básicos de turbinas a vapor:turbinas de impulso e turbinas de reação. As pás são projetadas para controlar a velocidade, direção e pressão do vapor que passa pela turbina.

No projeto de impulso, o rotor gira devido à força do vapor nas pás, enquanto o projeto de reação funciona com base no princípio de que o rotor deriva sua força rotacional do vapor à medida que sai das pás.

Para maximizar a eficiência da turbina, o vapor é expandido, gerando trabalho, em várias etapas. Esses estágios são caracterizados pela forma como a energia é extraída deles e são conhecidos como turbinas de impulso ou de reação. A maioria das turbinas a vapor usa uma mistura dos designs de reação e impulso. Cada estágio se comporta como um ou outro, mas a turbina geral usa ambos. Normalmente, as seções de alta pressão são do tipo impulso e os estágios de baixa pressão são do tipo reação.
Uma turbina de impulso tem bicos fixos 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, à medida que o jato de vapor muda de direção. Uma queda de pressão ocorre apenas nas lâminas estacionárias, com um aumento líquido na velocidade do vapor ao longo do estágio. À medida que o vapor flui através do bocal, sua pressão cai da pressão de entrada para a pressão de saída (pressão atmosférica, ou mais comumente, o vácuo do condensador). Devido a esta alta taxa de expansão do vapor, o vapor sai do bocal com uma velocidade muito alta. O vapor que sai das lâminas em movimento tem grande parte da velocidade máxima do vapor ao sair do bocal. A perda de energia devido a essa velocidade de saída mais alta é comumente chamada de velocidade de arraste ou perda de saída.

Na turbina de reação, as próprias pás do rotor são dispostas para formar bicos convergentes. Esse tipo de turbina aproveita a força de reação produzida à medida que o vapor acelera pelos bicos formados pelo rotor. O vapor é direcionado para o rotor pelas palhetas fixas do estator. Ele sai do estator como um jato que preenche toda a circunferência do rotor. O vapor então muda de direção e aumenta sua velocidade em relação à velocidade das lâminas. Uma queda de pressão ocorre através do estator e do rotor, com o vapor acelerando através do estator e desacelerando através do rotor, sem nenhuma mudança na velocidade do vapor através do estágio, mas com uma diminuição tanto na pressão quanto na temperatura, refletindo o trabalho realizado no acionamento do rotor.

Os dois tipos de turbinas são mostrados na Figura 2.

 Fig 2 Tipos de turbina

O diagrama da Figura 3 resume um ciclo de turbina a vapor de caldeira.

Fig 3 Um ciclo simples de turbina a vapor de caldeira

A turbina a vapor opera com princípios básicos de termodinâmica usando o ciclo Rankine, conforme mostrado na Fig 4. Depois de deixar a caldeira, o vapor superaquecido entra na turbina em alta temperatura e alta pressão. O vapor de alta pressão/calor é convertido em energia cinética usando um bocal (um bocal fixo em uma turbina tipo impulso ou as lâminas fixas em uma turbina tipo reação). Uma vez que o vapor sai do bocal, ele se move em alta velocidade e é enviado para as pás da turbina. Uma força é criada nas lâminas devido à pressão do vapor nas lâminas, fazendo com que elas se movam. Um gerador ou outro dispositivo semelhante pode ser colocado no eixo, e a energia que estava no vapor agora pode ser armazenada e usada. O gás sai da turbina como um vapor saturado a uma temperatura e pressão mais baixas do que entrou e é enviado ao condensador para ser resfriado.

Fig 4 Diagrama T-s de um ciclo Rankine

O vapor de exaustão da turbina é condensado em água no condensador que extrai o calor latente de vaporização do vapor. Isso faz com que o volume do vapor chegue a zero, reduzindo drasticamente a pressão para condições próximas ao vácuo, aumentando assim a queda de pressão na turbina, permitindo que a quantidade máxima de energia seja extraída do vapor. O condensado é então bombeado de volta para a caldeira como água de alimentação para ser usado novamente.

O governador é um dispositivo que controla a velocidade da turbina. O controle de velocidade de uma turbina com um regulador é necessário, uma vez que a turbina precisa ser acionada lentamente para evitar danos e a geração de energia elétrica CA precisa de um controle preciso da velocidade. A aceleração descontrolada do rotor da turbina pode levar a um desarme de velocidade excessiva, o que faz com que as válvulas de bico que controlam o fluxo de vapor para a turbina se fechem. Se isso falhar, a turbina pode continuar acelerando até quebrar, muitas vezes catastroficamente. As turbinas modernas possuem um regulador eletrônico que usa um sensor para monitorar a velocidade da turbina “observando” os dentes do rotor.

A turbina a vapor aciona um gerador, para converter a energia mecânica em energia elétrica. O gerador é uma máquina síncrona de campo rotativo. As turbinas a vapor são acopladas diretamente aos seus geradores. Os geradores devem girar em velocidades síncronas constantes de acordo com a frequência do sistema elétrico de potência. A velocidade mais comum é de 3.000 RPM para sistema de energia com frequência de 50 Hz. A eficiência de conversão de energia desses geradores de alta capacidade pode chegar a 98% ou 99% para uma máquina muito grande.