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Entendendo Mapa de Vapor da Turbina a Vapor

O que é o mapa de vapor da turbina?

Entendendo Mapa de Vapor Turbina a Vapor.

Para começar, esse mapa é uma ferramenta gráfica utilizada para representar o desempenho de uma turbina a vapor sob diferentes condições operacionais.

Esses mapas são essenciais para engenheiros e operadores de plantas de energia, pois ajudam a entender como a turbina se comporta em várias situações, como mudanças na pressão, temperatura, fluxo de vapor e carga da turbina.

Os mapas de vapor de turbina a vapor tipicamente incluem:

Curvas de Eficiência: Mostram a eficiência da turbina a diferentes níveis de carga e condições de operação. A eficiência é geralmente expressa como uma porcentagem da energia térmica do vapor convertida em energia mecânica.

Curvas de Consumo de Vapor: Representam a quantidade de vapor necessária para diferentes níveis de produção de energia. Isso ajuda a entender o consumo de vapor da turbina em várias condições de carga.

Curvas de Potência: Indicam a potência de saída da turbina em função da pressão e da temperatura do vapor de entrada. Isso é crucial para otimizar a operação da turbina para maximizar a produção de energia.

Curvas de Variação de Pressão e Temperatura: Mostram como a pressão e a temperatura do vapor afetam o desempenho da turbina. Esses gráficos são úteis para ajustar as condições de operação para diferentes demandas de energia.

Isócronas: Linhas que representam pontos de operação com a mesma eficiência ou consumo específico de vapor. Elas ajudam a visualizar como a eficiência ou o consumo variam com diferentes condições de operação.

Esses mapas são criados com base em testes de desempenho e simulações da turbina a vapor e são usados para otimizar o desempenho operacional, diagnosticar problemas e planejar manutenção.

Eles são fundamentais para garantir que a turbina opere de maneira eficiente e confiável, contribuindo para a geração de energia eficaz e econômica.

Turbinas de extração e condensação são muito utilizadas em indústrias de processo e centrais termoelétricas. A flexibilidade para a produção de vapor intermediário aliada à geração de trabalho para o acionamento de compressores, bombas ou geradores elétricos, torna essa turbina vital para o controle do balanço termoelétrico da indústria.

Classificação das Turbinas a Vapor

Turbinas de extração e condensação são muito utilizadas em indústrias de processo e centrais termoelétricas. A flexibilidade para a produção de vapor intermediário aliada à geração de trabalho para o acionamento de compressores, bombas ou geradores elétricos, torna essa turbina vital para o controle do balanço termoelétrico da indústria.

Processos industriais de grande porte como refinarias de petróleo, centrais termoelétricas, usinas termoelétricas, fábricas de papel, usinas sucroalcooleiras etc., são intensivas em vapor e energia. Isso significa que tais processos demandam naturalmente por acionadores a vapor, da mesma forma que também consomem muito vapor em seus processos industriais.

As principais máquinas térmicas utilizadas nesses processos são as turbinas a vapor que podemos defini-las em três grupos principais:

Vamos detalhar em resumo as principais características de cada uma dessas turbinas.

Turbina de Condensação Total

Este tipo de turbina é projetado para consumir a menor quantidade possível de vapor.

Para isso, sua construção é feita de tal forma a conseguir extrair a maior quantidade de energia térmica do vapor para transformar em trabalho. A figura 1A mostra a construção típica de uma turbina de condensação total.

Sua construção permite que a turbina admita vapor à elevadas pressões (entre 60kgf/cm² e 120 kgf/cm²) denominado de HP (High Pressure) onde será utilizado até sua exaustão sendo então entregue a um trocador de calor denominado de condensador de superfície. Esse trocador efetua o resfriamento do vapor até sua condensação total. O processo produz um elevado grau de vácuo graças à condensação do vapor à temperatura entre 40°C e 65°C, permitindo o maior delta de entalpia (salto entálpico) possível entre a entrada e saída da turbina.

São máquinas utilizadas principalmente na geração elétrica em centrais termoelétricas e usinas termoelétricas pois exigem pouca produção de água de alimentação (make up) dado o consumo do vapor apenas para a geração elétrica.

Turbina de Contrapressão

Até o momento falamos da produção de vapor de alta pressão (HP). Porém em muitos casos os processos industriais precisam de vapor a pressão intermediária (IP) (entre 15 kgf/cm² e 30 kgf/cm²).

O vapor pode ser gerado em alta pressão e reduzido a uma pressão intermediária em válvulas redutoras de pressão. O problema aqui é que a válvula redutora não consegue produzir trabalho. Uma estratégia para produzir trabalho é utilizar uma turbina de contrapressão. A figura 1B mostra a construção típica de uma turbina de contrapressão.

Ao invés de extrair o máximo de entalpia do vapor até a condensação, uma turbina de contrapressão extrai entalpia até a pressão intermediária. Isso resulta em uma quantidade reduzida de entalpia.

Dessa forma, para produzir a mesma quantidade de trabalho de uma turbina de condensação a turbina de contrapressão consumirá uma quantidade muito maior de vapor que por sua vez será entregue ao sistema IP.

Uma turbina de contrapressão é um grande produtor de vapor IP para os processos que demandam esse tipo de vapor.

Porém há alguns problemas que devem ser levados em consideração. Se a máquina acionada precisar de uma quantidade de trabalho constante, a vazão de vapor também deverá ser constante.

Se o processo industrial demandar mais ou menos vapor que a produção da turbina, então devemos instalar em conjunto com a turbina uma válvula redutora em paralelo com a turbina, para que possa produzir o vapor que a turbina não consegue disponibilizar e uma válvula de alívio no sistema IP que deverá aliviar parte do vapor para outro sistema caso o processo não necessite do vapor, mas a potência solicitada pela turbina esteja elevada.

Esse inconveniente é sanado com outro tipo de turbina, a turbina de extração e condensação.

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Turbina de extração e condensação

Para reunir a flexibilidade do processo industrial na demanda de vapor aliada a necessidade de se manter constante a produção de trabalho da turbina, surge como resposta à necessidade, a turbina de extração e condensação, que possui uma extração de vapor de média pressão (IP) assim como um condensador de superfície para vapor de exausto. A figura 1C mostra a construção típica de uma turbina de extração e condensação.

Quando o processo industrial demanda por mais vapor intermediário, o controle da turbina restringe o vapor para os últimos estágios da turbina, reduzindo a condensação e aumentando a extração. O trabalho entregue no eixo se mantém constante.

Quando o processo não necessita mais de vapor de média pressão, o controle da turbina efetua o inverso, incrementa a produção de vapor de exausto e com isso aumenta a troca de calor no condensador de superfície. Essa flexibilidade permite à indústria se ajustar às demandas da produção sem sacrificar as máquinas acionadas pelas turbinas da mesma forma que permite um controle dos custos de produção do vapor.

Agora que conhecemos os principais modelos de turbina, vamos entender como se processa a geração de trabalho e os controles envolvidos na turbina.

Produção de Trabalho em uma turbina de condensação total

O comportamento de uma turbina a vapor depende basicamente de duas variáveis;

Vazão de vapor admitida para a turbina
Potência entregue pela turbina

Esses valores são normalmente definidos pelos fabricantes das turbinas como valores máximos. Vejamos um exemplo de uma turbina operando na condição de condensação total:

Vazão máxima de admissão de vapor: 40 t/h
Potência máxima entregue pela turbina: 10600 kW

Podemos estabelecer uma relação entre essas duas variáveis. Para isso devemos inserir uma constante que equivalha ambas. Vamos definir como:

Vazão máxima Q = t/h
Potência máxima P = kW

Dessa forma:

Portanto, a constante que mantém a equivalência será:

A constante que mantém a equivalência possui a grandeza quilowatt hora por tonelada. Essa constante é também denominada de entalpia. Em nosso caso específico teremos o valor de:

Isso significa que a entalpia total extraída do vapor é de 265 quilowatt hora por tonelada de vapor. Esse é o resultado do “salto” de entalpia entre a alta pressão (HP) e a baixa pressão (LP). Podemos a partir da potência entregue pela turbina calcularmos qual a vazão mássica de vapor necessária.

Vejamos por exemplo para o valor de 5000 kW de potência:

Podemos então expressar todas as potências e vazões admitidas no gráfico 1.

O gráfico 1 representa uma turbina de condensação total. A potência máxima da turbina será influenciada pelas dimensões da turbina assim como das dimensões do condensador de superfície. Além disso é importante ressaltar que a vazão de água de resfriamento e a limpeza dos tubos do condensador são parâmetros importantes para a manutenção dos valores de projeto.

Essa relação de performance demonstrada pelo gráfico 1 é denominada de linha de Willians e pode ser aplicada também para turbinas de contrapressão.

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MAIS INFORMAÇÕES

Produção de Trabalho em uma turbina de contrapressão

Como já destacado, a potência de uma turbina de contrapressão depende menos da transferência de calor (entalpia) pois o “salto” entre o vapor HP e IP é menor que o salto entre o vapor HP e LP. Porém se utiliza de muito mais vazão mássica de vapor para produzir o mesmo trabalho.

Em nosso exemplo, levantamos que uma turbina operando na condição de contrapressão terá as seguintes condições:

Vazão máxima de admissão de vapor: 137 t/h
Potência máxima entregue pela turbina: 14600 kW

Em nosso caso específico teremos o valor de:

Note que a entalpia é muito menor, ou seja uma boa parte ainda está no vapor IP.

Isso é importante pois uma das funções dessa máquina é produzir vapor IP com energia para o processo industrial. Como mesmo exemplo, imaginando que a turbina opere com potência de 5000 kW, teremos a admissão e a produção de vapor de:

O gráfico 2 mostra o comportamento desse tipo de turbina em toda sua faixa de operação.

Entendendo os dois extremos, ou seja, da turbina de condensação à turbina de contrapressão, vamos agora compreender como funciona uma turbina de extração e condensação e porque a partir de agora precisaremos definir seu funcionamento em cima de um plano cartesiano denominado de mapa de vapor.

Vamos voltar à nossa figura 1C onde vemos nossa turbina de extração e condensação. A operação da turbina se inicia na condição de condensação total, ou seja, todo o vapor admitido será condensado.

Neste caso a válvula LP estará totalmente aberta, permitindo o fluxo de vapor para os estágios LP da turbina. Lembrando que à medida que a pressão é reduzida na turbina, o volume do vapor aumenta, logo os estágios LP tendem a ser cada vez maiores. Outro ponto é que a pressão na saída para a extração IP sempre será menor que a pressão de extração quando a turbina operar em condensação total.

Mas o que ocorre quando nossa turbina que opera em máxima condensação (40 t/h e 10600 kW), é exigida a entregar o máximo de potência, 14600 kW.

Simples, à medida que se exige mais trabalho na turbina, mais vapor será admitido na entrada, porém, dada as dimensões de volume dos estágios LP, não conseguiremos transferir essa nova entrada de vapor ao condensador, ficando restringido após a válvula LP, mesmo está estando toda aberta.

Assim, a pressão a montante da válvula LP aumenta, de tal forma que ultrapassa a pressão do sistema IP, sendo enviado ao sistema de vapor intermediário.

Note que esse vapor a mais não terá sua entalpia utilizada da mesma forma que o vapor que segue para o condensador, mas sim, será equivalente à entalpia da turbina de contrapressão.

Dessa forma a turbina inicia a extração de vapor mesmo estando em condensação total. O gráfico 3 mostra o comportamento idêntico ao da turbina de contrapressão com a turbina de condensação total.

Conhecendo a linha de Willians para a turbina operando em contrapressão, logo teremos a mesma linha para a turbina operando em regime de extração total, agora, fechando a válvula LP totalmente de modo a evitar a condensação do vapor. Teremos então o gráfico como os dois extremos dessa turbina.

O que podemos definir olhando para o gráfico 4.

Percebemos que existe um involucro, ou seja, uma região por onde a turbina poderá operar estando em quaisquer condições de operação seja condensação total, extração total ou mista.

A região de extração total é denominada de exausto mínimo uma vez que em teoria dispensa a admissão de vapor pela válvula LP (totalmente fechada). Na prática essa válvula nunca deve permanecer totalmente fechada pois uma pequena parcela do vapor deve ser utilizada para escoar até o condensador para evitar superaquecimento dos últimos estágios.

A região de máximo exausto, mostra que a máquina além de estar em condensação total exige uma parcela de extração para atender a potência solicitada mesmo não sendo solicitada pela turbina.

A região de máxima carga indica a potência máxima admitida pela turbina.

Como já dito, a região entre as bordas, representa um mapa de vapor onde todas as posições de operação da turbina são possíveis.

Dessa forma no eixo das ordenadas, podemos também identificar a abertura da válvula HP entre 0% e 100% aberta e entre as linhas diagonais do mapa podemos ter a operação da válvula LP onde 0% indica exaustão mínima e 100% exaustão máxima.

O controle a turbina se dará exclusivamente no controle das duas válvulas, HP e LP.

O governador da turbina fará o controle da válvula HP acompanhando a leitura da rotação da turbina, normalmente efetuada por pick-ups instalados nos dentes de rotação do eixo da turbina. A função desse controle é manter constante a rotação da turbina. Já a extração deverá ser efetuada pelo controle da pressão de extração. Esse controle de pressão fará a abertura e fechamento da válvula HP de acordo com o set de pressão solicitado, ao aumentar o set de pressão de extração a válvula LP tende ao fechamento.

Conclusão

As turbinas de extração e condensação são extremamente versáteis, pois produzem potência para o acionamento de grandes máquinas girantes e ao mesmo tempo conseguem com grande facilidade manter sistemas de vapor de pressão intermediária para o consumo do processo industrial, seja em reatores, colunas ou turbinas de pequeno porte, o que permite a otimização do balanço termoelétrico de um complexo industrial.

O mapa de vapor permite identificar a região de operação da turbina, podendo ser utilizado para otimizar a produção de vapor e potência da turbina, visando o melhor custobenefício entre produção de vapor e trabalho.

Sobre o Autor

Eric Basso

Nota: As opiniões e informações contidas nesta publicação, não refletem necessariamente a opinião da TURBIVAP.

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Referências Bibliográficas

Anton S. Mazurenko, Souza Z. Lora, Electo E.S. – Máquinas Térmicas de Fluxo, Editora Interciência, Rio de Janeiro 2013

Blocch Heinz P. and Singh Murari P. – Steam Turbines, design, Applications and rerating – Mc Graw Hill, USA 1996.

Godoy, Jorge – Turbinas a Vapor – Petrobras Rio de Janeiro 1989

Wilda, Herman – Steam Turbines theory & Construction – Merchant Books – USA 2018.

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Sumário

O que é o mapa de vapor da turbina?

Classificação das Turbinas a Vapor

Turbina de Condensação Total

Turbina de Contrapressão

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