Turbina de recalentamiento intermedio

Turbina de vapor de recalentamiento intermedio

La turbina de vapor de recalentamiento intermedio es una unidad de generación de energía que emplea tecnología de recalentamiento de vapor para mejorar la eficiencia térmica. Se utiliza principalmente en centrales térmicas a gran escala y sistemas de cogeneración (CHP). El equipo funciona devolviendo vapor parcialmente expandido desde el cilindro de alta presión al recalentador de la caldera para su calentamiento secundario. Tras restablecer su temperatura a valores cercanos a los iniciales, el vapor se dirige a los cilindros de presión intermedia y baja para continuar su trabajo, y finalmente se descarga en el condensador para completar el ciclo de conversión de energía.

Esta unidad de turbina adopta un diseño estructural multicilíndrico que comprende cilindros de alta presión, presión intermedia y baja presión. Los álabes de la etapa final pueden alcanzar longitudes de hasta 1,5 metros para adaptarse a las condiciones de operación de baja presión y alto caudal. El ciclo de recalentamiento ayuda a controlar el contenido de humedad del vapor dentro de un rango aceptable, lo que mejora la eficiencia interna relativa de la turbina y optimiza las condiciones de funcionamiento de los álabes de la etapa final. El sistema, junto con la caldera y el condensador, forma un ciclo Rankine, logrando una eficiencia general superior al 45 %.

Principio de funcionamiento de las turbinas de vapor de recalentamiento intermedio: El vapor que entra en la turbina se expande hasta una presión determinada, tras lo cual se extrae por completo y se envía al recalentador de la caldera para su calentamiento. Posteriormente, regresa a la turbina para continuar su expansión y realizar trabajo. En comparación con las turbinas de condensación y las turbinas de extracción controlada, la única diferencia estructural de una turbina de recalentamiento intermedio reside en su sistema de recalentamiento intermedio, que es de gran escala. Además, la energía generada por el vapor recalentado que pasa por los cilindros intermedio y de baja presión representa aproximadamente dos tercios de la producción total de la unidad. Por consiguiente, durante un evento de rechazo de carga, la turbina es propensa a una sobrevelocidad severa debido a esta característica.

La turbina de vapor de recalentamiento intermedio optimiza significativamente el proceso de conversión de energía al incorporar un recalentador entre el cilindro de alta presión y los cilindros de presión intermedia/baja. El vapor parcialmente expandido en el cilindro de alta presión se redirige a la caldera para su recalentamiento a una temperatura cercana a su valor inicial antes de ser admitido en los cilindros subsiguientes para su posterior procesamiento.

Las características principales incluyen:

1. Mayor eficiencia térmica y rendimiento económico: el proceso de recalentamiento aumenta la capacidad de trabajo del vapor, reduce las pérdidas de la fuente de frío, eleva la eficiencia del ciclo a más del 45 % y reduce el costo nivelado de la electricidad en el funcionamiento a largo plazo.

2. Menor contenido de humedad y riesgo de erosión en las palas de la etapa final: el recalentamiento mejora la sequedad del vapor, controlando eficazmente el contenido de humedad del escape, mitigando la erosión en las palas de la etapa final y extendiendo la vida útil del equipo.

3. Complejidad estructural y diseño multicilindro: Requiere la configuración de cilindros de alta, intermedia y baja presión, junto con tuberías de interconexión, lo que resulta en una alta integración del sistema. Adecuado para unidades de gran capacidad (p. ej., superiores a 200 MW).

4. Características de regulación y desafíos de control: El vapor almacenado en las tuberías de recalentamiento durante el rechazo de carga puede provocar un aumento rápido de la velocidad, lo que requiere válvulas de control/detención principales del cilindro de presión intermedia, sistemas de derivación y estrategias de control de sobreapertura dinámica para garantizar la estabilidad.

5. Escenarios de aplicación y escalamiento de capacidad: Se utiliza principalmente en grandes centrales térmicas y sistemas de cogeneración de altos parámetros. Los diseños pueden incorporar etapas de recalentamiento simples o dobles para adaptarse a diferentes niveles de presión (p. ej., presión de vapor inicial superior a 12 MPa), lo que amplía el límite superior de la capacidad de una sola unidad.

Al introducir un ciclo de recalentamiento en el proceso de expansión de vapor, la turbina de vapor de recalentamiento intermedio mejora significativamente la eficiencia del ciclo termodinámico y optimiza sus características operativas. Sus funciones principales incluyen aumentar la eficiencia térmica, controlar la humedad del vapor, aumentar la potencia de salida y optimizar las condiciones de funcionamiento de los álabes en la etapa final.

1. Mejora de la eficiencia térmica: Esta tecnología implica devolver el vapor, tras la extracción de trabajo en el cilindro de alta presión, al recalentador de la caldera para un calentamiento secundario hasta alcanzar una temperatura cercana a la inicial, y luego admitirlo en los cilindros intermedio y de baja presión para una expansión continua. Esto aumenta eficazmente la caída de entalpía en el cilindro de baja presión, reduce las pérdidas de la fuente de frío y eleva la eficiencia térmica general del ciclo a más del 45 %, lo que la hace especialmente adecuada para centrales térmicas de gran capacidad.

2. Control de la humedad del vapor: A medida que aumenta la presión del vapor, la expansión isentrópica simple aumenta la humedad de escape, lo que causa daños por erosión de las gotas de agua. El recalentamiento intermedio reduce significativamente el contenido de humedad final tras la expansión al restaurar el sobrecalentamiento mediante calentamiento secundario, mitigando así la erosión en los álabes de la etapa final y prolongando la vida útil del equipo.

3. Mejora de la potencia de salida y la adaptabilidad: El ciclo de recalentamiento permite que el vapor libere más energía en los cilindros de presión intermedia y baja, lo que mejora la eficiencia interna relativa de la unidad y la potencia total de salida. Simultáneamente, el sistema optimiza la respuesta a la carga mediante válvulas de control de presión intermedia y sistemas de derivación, evita el exceso de velocidad durante el rechazo de carga y soluciona los desajustes entre la oferta y la demanda de vapor entre la turbina y la caldera a baja carga.

4. Optimización de las condiciones de trabajo de las palas de la etapa final: al controlar el contenido de humedad, el proceso de expansión en el cilindro de baja presión se vuelve más suave, lo que reduce el impacto de las gotas y mejora el entorno operativo de las palas de la etapa final (que pueden alcanzar 1,5 metros de longitud), mejorando así la confiabilidad operativa.