Turbina de reaquecimento intermediária

Turbina a vapor de reaquecimento intermediário

A turbina a vapor com reaquecimento intermediário é uma unidade de geração de energia que emprega a tecnologia de reaquecimento de vapor para aumentar a eficiência térmica, sendo utilizada principalmente em usinas termelétricas de grande porte e sistemas de cogeração (CHP). O equipamento opera retornando vapor parcialmente expandido do cilindro de alta pressão para o reaquecedor da caldeira para aquecimento secundário. Após sua temperatura ser restaurada a valores próximos aos iniciais, o vapor é direcionado para os cilindros de pressão intermediária e baixa para continuar realizando trabalho, sendo finalmente descarregado no condensador para completar o ciclo de conversão de energia.

Esta unidade de turbina adota um projeto estrutural multicilíndrico, composto por cilindros de alta, média e baixa pressão. As pás do estágio final podem atingir comprimentos de até 1,5 metros para suportar as condições de operação de baixa pressão e alto volume de fluxo. O ciclo de reaquecimento ajuda a controlar o teor de umidade do vapor dentro de uma faixa aceitável, o que melhora a eficiência interna relativa da turbina e otimiza as condições de trabalho das pás do estágio final. O sistema, juntamente com a caldeira e o condensador, forma um ciclo Rankine, alcançando uma eficiência global superior a 45%.

Princípio de funcionamento das turbinas a vapor com reaquecimento intermediário: O vapor que entra na turbina expande-se até uma determinada pressão, após a qual é totalmente extraído e enviado ao reaquecedor da caldeira para aquecimento. Em seguida, retorna à turbina para continuar sua expansão e realizar trabalho. Comparada às turbinas de condensação e às turbinas de extração controlada, a única diferença estrutural de uma turbina com reaquecimento intermediário reside em seu sistema de reaquecimento intermediário, que é de escala substancial. Além disso, a potência gerada pelo vapor reaquecido que passa pelos cilindros de pressão intermediária e baixa representa aproximadamente dois terços da potência total da unidade. Consequentemente, durante um evento de rejeição de carga, a turbina está sujeita a severas sobrevelocidades devido a essa característica.

A turbina a vapor com reaquecimento intermediário otimiza significativamente o processo de conversão de energia ao incorporar um reaquecedor entre o cilindro de alta pressão e os cilindros de pressão intermediária/baixa. O vapor parcialmente expandido no cilindro de alta pressão é redirecionado para a caldeira para reaquecimento a uma temperatura próxima ao seu valor inicial, antes de ser admitido nos cilindros subsequentes para trabalho adicional.

As principais características incluem:

1. Maior eficiência térmica e desempenho econômico: O processo de reaquecimento aumenta a capacidade de trabalho do vapor, reduz as perdas da fonte fria, eleva a eficiência do ciclo para mais de 45% e diminui o custo nivelado da eletricidade em operação de longo prazo.

2. Redução do teor de umidade e do risco de erosão nas pás do estágio final: O reaquecimento melhora a secura do vapor, controlando eficazmente o teor de umidade dos gases de escape, mitigando a erosão nas pás do estágio final e prolongando a vida útil do equipamento.

3. Complexidade estrutural e projeto multicilíndrico: Requer a configuração de cilindros de alta, média e baixa pressão, juntamente com tubulações de interconexão, resultando em alta integração do sistema. Adequado para unidades de grande capacidade (por exemplo, acima de 200 MW).

4. Características de Regulação e Desafios de Controle: O vapor armazenado na tubulação de reaquecimento durante a rejeição de carga pode causar um rápido aumento de velocidade, exigindo válvulas de parada/válvulas de controle principais de cilindros de pressão intermediária, sistemas de bypass e estratégias de controle dinâmico de sobreabertura para garantir a estabilidade.

5. Cenários de Aplicação e Dimensionamento de Capacidade: Utilizado principalmente em usinas termelétricas de grande porte e com parâmetros elevados, bem como em sistemas de cogeração. Os projetos podem incorporar estágios de reaquecimento simples ou duplo para atender a diferentes níveis de pressão (por exemplo, pressão inicial do vapor superior a 12 MPa), ampliando o limite superior da capacidade de uma única unidade.

Ao introduzir um ciclo de reaquecimento no processo de expansão do vapor, a turbina a vapor com reaquecimento intermediário melhora significativamente a eficiência do ciclo termodinâmico e aprimora as características operacionais. Suas principais funções incluem aumentar a eficiência térmica, controlar a umidade do vapor, impulsionar a potência de saída e otimizar as condições de trabalho das pás do estágio final.

1. Melhoria da Eficiência Térmica: Esta tecnologia consiste em retornar o vapor, após a extração de trabalho no cilindro de alta pressão, para o reaquecedor da caldeira para um aquecimento secundário próximo à temperatura inicial, sendo então admitido nos cilindros de pressão intermediária e baixa para expansão contínua. Isso aumenta efetivamente a queda de entalpia no cilindro de baixa pressão, reduz as perdas da fonte fria e eleva a eficiência térmica geral do ciclo para mais de 45%, tornando-o particularmente adequado para unidades de geração de energia térmica de grande capacidade.

2. Controle da Umidade do Vapor: Com o aumento da pressão do vapor, a simples expansão isentrópica leva a uma maior umidade nos gases de escape, causando danos por erosão devido às gotículas de água. O reaquecimento intermediário reduz significativamente o teor de umidade final após a expansão, restaurando o superaquecimento por meio de aquecimento secundário, mitigando assim a erosão nas pás do estágio final e prolongando a vida útil do equipamento.

3. Aumento da Potência e Adaptabilidade: O ciclo de reaquecimento permite que o vapor libere mais energia nos cilindros de pressão intermediária e baixa, melhorando a eficiência interna relativa da unidade e a potência total gerada. Simultaneamente, o sistema otimiza a resposta à carga por meio de válvulas de controle de pressão intermediária e sistemas de bypass, evita a sobrevelocidade durante a rejeição de carga e resolve as discrepâncias entre a oferta e a demanda de vapor entre a turbina e a caldeira em baixas cargas.

4. Otimização das condições de trabalho das pás do estágio final: Controlando o teor de umidade, o processo de expansão no cilindro de baixa pressão torna-se mais suave, reduzindo o impacto das gotas e melhorando o ambiente operacional das pás do estágio final (que podem atingir 1,5 metros de comprimento), aumentando assim a confiabilidade operacional.