Tecnologia de Turbinas a Vapor: Impulsionando Geração Eficiente de Energia

Uma turbina a vapor é dispositivo mecânico que converte energia térmica do vapor pressurizado em trabalho mecânico útil. É o coração de uma usina. Tem maior eficiência termodinâmica e menor razão potência-peso. Deriva maior eficiência do uso de múltiplos estágios na expansão do vapor, resultando em aproximação mais próxima do processo reversível ideal. Turbinas a vapor são uma das tecnologias de motor primário mais versáteis e antigas usadas para acionar gerador. Geração com turbinas a vapor em uso há mais de 100 anos. Turbo-gerador = turbina acoplada diretamente a gerador para geração de energia elétrica. Grandes geradores a vapor fornecem a maioria da energia elétrica.

Geração de Energia com Turbinas a Vapor

Turbinas a vapor ideais para configurações de potência muito grande em usinas devido às maiores eficiências e menores custos. Em usina, turbina acoplada a gerador para produzir energia elétrica. Turbina atua como lado mecânico fornecendo movimento rotativo para gerador; gerador atua como lado elétrico empregando leis da eletricidade e magnetismo para produzir energia elétrica.

No rotor da turbina (componente giratório) há rodas e pás anexadas. A pá extrai energia do vapor. Diagrama esquemático típico de usina a vapor com combustível fóssil para geração de eletricidade na Figura 1.

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

Processo de Conversão de Energia

Vapor tem três componentes de energia:

• Energia cinética – pela velocidade
• Energia de pressão – pela pressão
• Energia interna – pela temperatura

Últimos dois componentes = entalpia. Energia total = soma de energia cinética + entalpia.

Geração usando turbina envolve três conversões: extrair energia térmica do combustível para gerar vapor, converter energia térmica do vapor em energia cinética na turbina, usar gerador rotativo para converter energia mecânica da turbina em energia elétrica.

Vapor de alta pressão alimentado à turbina e passa ao longo do eixo através de múltiplas fileiras alternadas de pás fixas e móveis. Da entrada ao escape, pás e cavidade progressivamente maiores para permitir expansão do vapor.

Pás fixas atuam como bicos onde vapor expande e emerge com velocidade aumentada mas pressão menor (princípio de Bernoulli: energia cinética aumenta à medida que energia de pressão cai). Ao impactar pás móveis, vapor transfere parte de sua energia cinética.

Turbinas podem ser: condensação, não-condensação, reaquecimento, extração ou indução. Turbinas de condensação comuns em usinas. Exaurem vapor em estado parcialmente condensado, qualidade ~90%, pressão bem abaixo da atmosférica a condensador. Não-condensação = turbinas de contrapressão, usadas para vapor de processo. Pressão de escape controlada por válvula reguladora para atender necessidade de pressão do vapor de processo. Comuns em indústrias que necessitam grandes quantidades de vapor de processo de baixa pressão. Turbinas de reaquecimento usadas quase exclusivamente em usinas elétricas. Vapor sai de seção alta pressão, retorna à caldeira para superaquecimento adicional, entra em seção pressão intermediária e continua expansão. Em turbina de extração, vapor retirado de um ou mais estágios, em uma ou mais pressões, para aquecimento, processo da planta, ou necessidades de aquecedores de água de alimentação. Também chamadas turbinas de sangria. Fluxos de extração podem ser controlados por válvula ou não controlados. Turbinas de indução introduzem vapor de baixa pressão em estágio intermediário para produzir potência adicional.

Dois tipos básicos: turbinas a impulso e reação. Pás projetadas para controlar velocidade, direção e pressão do vapor ao passar.

• Impulso: rotor gira pela força do vapor nas pás.
• Reação: rotor deriva força rotacional do vapor ao sair das pás.

Para maximizar eficiência, vapor expandido gerando trabalho em vários estágios. Caracterizados por como energia extraída: impulso ou reação. Maioria usa mistura de ambos. Cada estágio comporta-se como um ou outro, mas turbina geral usa ambos. Tipicamente, seções alta pressão = impulso; estágios baixa pressão = reação.

Turbina a Impulso

Bicos fixos orientam fluxo de vapor em jatos de alta velocidade. Jatos contêm energia cinética significativa, convertida em rotação do eixo por pás do rotor em forma de balde, à medida que jato muda direção. Queda de pressão ocorre apenas nas pás fixas, com aumento líquido de velocidade do vapor no estágido. À medida que vapor flui pelo bico, pressão cai da entrada para saída (pressão atmosférica ou vácuo do condensador). Devido à alta razão de expansão, vapor sai do bico com velocidade muito alta. Vapor saindo das pás móveis tem grande parcela da velocidade máxima. Perda de energia por esta velocidade de saída alta = "velocidade de arraste" ou "leaving loss".

Turbina a Reação

Pás do rotor dispostas para formar bicos convergentes. Usa força de reação produzida quando vapor acelera através dos bicos formados pelo rotor. Vapor direcionado ao rotor por aletas fixas do estator. Sai do estator como jato preenchendo toda circunferência do rotor. Vapor muda direção e aumenta velocidade relativa à das pás. Queda de pressão ocorre tanto no estator quanto no rotor, com vapor acelerando no estator e desacelerando no rotor, sem mudança líquida de velocidade no estágio, mas com diminuição de pressão e temperatura, refletindo trabalho realizado no acionamento do rotor.

Dois tipos de turbinas na Figura 2.

Figura 2: Tipos de turbina

Diagrama na Figura 3 resume ciclo caldeira-turbina a vapor.

Figura 3: Um ciclo simples caldeira-turbina a vapor

Turbina opera nos princípios da termodinâmica usando ciclo Rankine (Figura 4). Após sair da caldeira, vapor superaquecido entra na turbina a alta temperatura/pressão. Vapor alta calor/pressão convertido em energia cinética usando bico (bico fixo em turbina impulso ou pás fixas em reação). Após sair do bico, movendo-se em alta velocidade, enviado às pás. Força criada nas pás pela pressão do vapor fazendo-as mover. Gerador no eixo armazena e usa energia que estava no vapor. Gás sai como vapor saturado a temperatura/pressão menores e enviado ao condensador para resfriamento.

Figura 4: Diagrama T-s de um ciclo Rankine

Vapor de escape da turbina condensado a água no condensador, que extrai calor latente de vaporização. Volume do vapor vai a zero, reduzindo pressão dramaticamente a vácuo próximo, aumentando queda de pressão através da turbina, permitindo extração máxima de energia. Condensado bombeado de volta à caldeira como água de alimentação para reuso.

O governador (governor) controla velocidade da turbina. Controle de velocidade necessário: turbina deve acelerar lentamente para evitar danos; geração CA precisa controle preciso de velocidade. Aceleração não controlada do rotor pode levar a "overspeed trip", fechando válvulas de bico que controlam fluxo de vapor. Se falhar, turbina pode continuar acelerando até se romper, frequentemente catastroficamente. Turbinas modernas têm governador eletrônico com sensor monitorando velocidade "olhando" dentes do rotor.

Turbina aciona gerador, convertendo energia mecânica em elétrica. Gerador = máquina síncrona de campo rotativo. Turbinas acopladas diretamente a geradores. Geradores devem girar a velocidades síncronas constantes conforme frequência do sistema. Velocidade comum: 3.000 RPM para 50 Hz. Eficiência de conversão de geradores alta capacidade: 98–99% para máquinas muito grandes.