¡Introducción a las turbinas de vapor!
Turbina de vapor
Máquina de potencia rotativa que convierte la energía del vapor en trabajo mecánico. También llamada turbina de vapor. Se utiliza principalmente como motor primario para la generación de energía y también puede impulsar directamente varias bombas, ventiladores, compresores y hélices de barcos. El vapor de escape o el vapor de extracción intermedio de la turbina de vapor también se puede utilizar para satisfacer las necesidades de calefacción en producción y vida útil.
La turbina de vapor es una máquina de energía giratoria que convierte la energía del vapor en trabajo mecánico. Es uno de los principales equipos de las centrales eléctricas de vapor. La turbina de vapor es un tipo de maquinaria de turbina, también conocida como turbina de vapor.
En el siglo I d.C., Héroe de Alejandría describió una bola de vapor que giraba utilizando la fuerza de reacción del vapor, también conocida como rueda eólica. Este fue el prototipo de la primera turbina de vapor de reacción en 1629; La italiana Buenos Aires Lanka propuso un corredor que giraba mediante una corriente de vapor que incidía sobre las palas.
A finales del siglo XIX, Laval de Suecia y Parsons de Inglaterra crearon respectivamente prácticas turbinas de vapor. Laval fabricó la primera turbina de impulso de una sola etapa de 5 caballos de fuerza (3,67 kilovatios) en 1882 y resolvió los problemas relacionados con el diseño de la boquilla y el diseño de resistencia. Las turbinas de impulso de una etapa tienen una potencia muy baja y rara vez se utilizan en la actualidad.
A principios del siglo XX, la francesa Lato y la suiza Zolet fabricaban respectivamente turbinas de impulso multietapa. La estructura de múltiples etapas ha abierto una manera de aumentar la potencia de las turbinas de vapor, ha sido ampliamente utilizada y la potencia de la unidad continúa aumentando. Parsons obtuvo una patente británica en 1884 y construyó la primera turbina de vapor de reacción de múltiples etapas de 10 caballos de fuerza. La potencia y la eficiencia de esta turbina de vapor estaban a la vanguardia en ese momento.
A principios del siglo XX, Curtis en los Estados Unidos fabricó turbinas de vapor con múltiples niveles de velocidad. Cada nivel de velocidad generalmente tiene dos filas de palas móviles. Hay paletas guía en el cilindro después de la primera fila. de aspas móviles. Dirija el flujo de vapor a la segunda fila de aspas móviles. En la actualidad, las turbinas de vapor de etapa de velocidad solo se utilizan en turbinas de vapor pequeñas, principalmente para accionar bombas, sopladores, etc., y también se utilizan a menudo como la primera etapa de turbinas de vapor de etapas múltiples pequeñas y medianas.
En comparación con las máquinas de vapor alternativas, el flujo de vapor en la turbina de vapor es continuo y de alta velocidad, y el caudal por unidad de área es grande, por lo que puede emitir mayor potencia. Las turbinas de vapor de alta potencia pueden utilizar mayor presión y temperatura del vapor, por lo que la eficiencia térmica es mayor. Desde el siglo XIX, el desarrollo de las turbinas de vapor ha tenido como objetivo aumentar la potencia unitaria y mejorar la economía térmica del dispositivo sobre la base de mejorar continuamente la seguridad, confiabilidad, durabilidad y garantizar un funcionamiento conveniente.
La aparición de las turbinas de vapor impulsó el desarrollo de la industria eléctrica. A principios del siglo XX, la potencia de una sola turbina de vapor en una central eléctrica alcanzaba los 10 megavatios. Con el uso cada vez más generalizado de la electricidad, la carga máxima de las centrales eléctricas en grandes ciudades como Nueva York en Estados Unidos se acercaba a los 1.000 megavatios en la década de 1920. Si la potencia de una sola máquina era de sólo 10 megavatios, casi cien unidades. Por lo tanto, la potencia de una sola máquina había aumentado en la década de 1920 hasta 60 MW, y a principios de la década de 1930 aparecieron turbinas de vapor de 165 MW y 208 MW.
La posterior recesión económica y el estallido de la Segunda Guerra Mundial paralizaron el aumento de la potencia unitaria de las turbinas de vapor. En los años 50, con el desarrollo económico de la posguerra, la demanda de electricidad aumentó a pasos agigantados, y en los años 60 aparecieron una tras otra grandes turbinas de vapor de 325 a 600 MW; , se fabricaron turbinas de vapor de 1.000 MW; en la década de 1970, turbinas de vapor de 1.300 MW. Hoy en día, la potencia unitaria que se utiliza habitualmente en muchos países es de 300 a 600 megavatios.
Las turbinas de vapor son ampliamente utilizadas en diversos sectores de la economía social. Existen muchos tipos de turbinas de vapor y se clasifican de diferentes formas. Según la estructura, hay turbinas de vapor de una sola etapa y turbinas de vapor de múltiples etapas; turbinas de vapor de un solo cilindro con cada etapa instalada en un cilindro y turbinas de vapor de múltiples cilindros con cada etapa instalada en varios cilindros de vapor; turbinas con cada etapa instalada en un eje, turbinas de vapor de eje y turbinas de vapor de doble eje montadas en todas las etapas en dos ejes paralelos, etc.
Según el principio de funcionamiento, existen turbinas de vapor de impulso en las que el vapor se expande principalmente en toberas (o álabes del estator) en todos los niveles; turbinas de vapor de reacción en las que el vapor se expande tanto en álabes del estator como en álabes móviles; Turbinas de vapor en las que el vapor se expande en boquillas. Turbina de vapor de etapa de velocidad en la que la energía cinética después de la expansión del medio se utiliza en varias filas de palas móviles.
Según las características térmicas, existen tipos como turbina de vapor de condensación, tipo calefacción, turbina de vapor de contrapresión, turbina de vapor de extracción y turbina de vapor saturado.
El vapor descargado de la turbina de vapor de condensación fluye hacia el condensador. La presión del vapor de escape es menor que la presión atmosférica, por lo que tiene un buen rendimiento térmico y es la turbina de vapor más utilizada. La turbina de vapor de calefacción no solo proporciona energía para impulsar los generadores. u otra maquinaria, pero también proporciona calor para producción o uso doméstico y tiene una alta tasa de utilización de energía térmica; la turbina de vapor de contrapresión es una turbina de vapor cuya presión de vapor de escape es mayor que la presión atmosférica; turbina de vapor que puede extraer vapor de la etapa intermedia para suministro de calor; la turbina de vapor saturado es una turbina de vapor con vapor saturado que se utiliza como vapor fresco en la turbina.
El vapor de la turbina de vapor se expande desde la entrada hasta la salida, y el volumen de vapor por unidad de masa aumenta cientos de veces, o incluso miles de veces, por lo que la altura de las palas en cada nivel debe alargarse paso a paso. Las turbinas de vapor de condensación de alta potencia requieren una gran superficie de escape y las palas finales deben ser muy largas.
La economía térmica del dispositivo de turbina de vapor se expresa mediante la tasa de calor de la turbina de vapor o eficiencia térmica. La tasa de calor de una turbina de vapor es el calor del vapor consumido por unidad de potencia mecánica producida, y la eficiencia térmica es la relación entre la potencia mecánica producida y el calor del vapor consumido. Para toda la central eléctrica, también es necesario considerar la eficiencia de la caldera y el consumo de energía en el sitio. Por lo tanto, la tasa de calor de la central eléctrica es mayor que la de una sola turbina de vapor, y la eficiencia térmica de la central eléctrica es menor que la de una sola turbina de vapor.
Una central eléctrica con una potencia total de turbina y generador de 1.000 MW consume aproximadamente 2,3 millones de toneladas de carbón estándar cada año. Si el valor absoluto de la eficiencia térmica se pudiera aumentar en 1, se podrían ahorrar 60.000 toneladas de carbón estándar cada año. Por lo tanto, siempre se ha prestado atención a la eficiencia térmica de las turbinas de vapor. Con el fin de mejorar la eficiencia térmica de la turbina de vapor, además de mejorar continuamente la eficiencia de la propia turbina de vapor, se incluye mejorar el diseño de las palas en todos los niveles (para reducir las pérdidas de flujo) y reducir las pérdidas en las válvulas y en la entrada y el escape. tuberías, también se pueden tomar medidas desde el punto de vista termodinámico.
Según el principio de la termodinámica, cuanto mayores sean los parámetros del vapor fresco, mayor será la eficiencia térmica del ciclo termodinámico. La presión y la temperatura del vapor fresco utilizado en las primeras turbinas de vapor eran bajas y la eficiencia térmica era inferior al 20%. Con el aumento de la potencia unitaria, la nueva presión del vapor aumentó de 3 a 4 MPa y la temperatura de 400 a 450 °C a principios de los años treinta. Con la mejora continua de los materiales de alta temperatura, la temperatura del vapor ha aumentado gradualmente a 535 °C, la presión también ha aumentado de 6 a 12,5 MPa, y algunos han alcanzado los 16 MPa, y la eficiencia térmica ha alcanzado más del 30%. A principios de los años 50 ya se utilizaban turbinas de vapor con una temperatura de vapor fresco de 600°C. Posteriormente aparecieron turbinas de vapor con una temperatura de vapor fresco de 650°C.
Las grandes turbinas de vapor modernas suelen utilizar parámetros supercríticos de presión de vapor fresco de 24 MPa, temperatura de vapor fresco y temperatura de recalentamiento de 535-565 °C, o presión de vapor fresco de 16,5 MPa, temperatura de vapor fresco y temperatura de recalentamiento. La temperatura térmica es un parámetro subcrítico de 535°C. La eficiencia térmica de las centrales eléctricas que utilizan estas turbinas es aproximadamente del 40%.
Además, cuanto menor sea la presión de escape de la turbina de vapor, mayor será la eficiencia térmica del ciclo de vapor. Sin embargo, la presión del vapor de escape depende principalmente de la temperatura del agua de enfriamiento. Si la presión del vapor de escape es demasiado baja, es necesario aumentar el caudal de agua de enfriamiento o el área de enfriamiento del condensador y las paletas finales también son más largas. La presión del vapor de escape comúnmente utilizada para las turbinas de vapor de condensación es de 0,005 a 0,008 MPa. Para reducir el peso y el tamaño de las unidades de turbinas de vapor marinas, comúnmente se utilizan presiones de vapor de escape de 0,006 a 0,01 MPa.
Además, las medidas para mejorar la eficiencia térmica de las turbinas de vapor incluyen el uso de ciclos de recuperación de calor, ciclos de recalentamiento y turbinas de vapor de calentamiento. Mejorar la eficiencia térmica de las turbinas de vapor es de gran importancia para ahorrar energía.
El desarrollo de grandes turbinas de vapor es una dirección importante para el desarrollo futuro de las turbinas de vapor. Entre ellas, el desarrollo de palas finales más largas es clave para el desarrollo futuro de las grandes turbinas de vapor. La eficiencia térmica es otra dirección del desarrollo de las turbinas de vapor, la adopción de parámetros de vapor más altos y el recalentamiento secundario, el desarrollo de unidades de pico y la promoción de la aplicación de turbinas de vapor de calefacción son tendencias importantes en esta área de desarrollo.
El número de turbinas de vapor en las centrales nucleares modernas está aumentando rápidamente, por lo que es de especial importancia estudiar turbinas de vapor con buen rendimiento adecuadas para diferentes tipos de reactores.
La capacidad instalada de turbinas de vapor que utilizan energía geotérmica en el mundo era de 3.190 megavatios en 1983. Sin embargo, el uso de recursos geotérmicos profundos y de mayor temperatura, como la lava, aún no se ha explorado; También se están estudiando proyectos de generación de energía mediante energía solar mediante la diferencia de temperatura del océano. Todas estas turbinas de vapor de nueva energía aún deben continuar con la investigación experimental.
Además, en el proceso de diseño, fabricación y operación de turbinas de vapor, el uso de nuevas teorías y tecnologías para mejorar el rendimiento de las turbinas de vapor también es un contenido importante de la futura investigación sobre turbinas de vapor. Por ejemplo: teoría del flujo tridimensional en dinámica de gases, teoría del flujo de dos fases de vapor húmedo; método de elementos finitos y análisis de mecánica de fracturas en resistencia; transformada rápida de Fourier, análisis modal y tecnología láser en diseño de vibración, proceso de fabricación, tecnología informática en; medición de pruebas y monitoreo de operación; inspección ultrasónica y cálculo de pérdidas en el monitoreo de vida. Además, también se desarrollará la aplicación de nuevos fluidos de trabajo como el Freón, así como nuevas estructuras, nuevos procesos y nuevos materiales.