COGENERACIÓN CON TURBINA DE VAPOR
Las turbinas de vapor son una de las tecnologías más versátiles y antiguas acopladas a un generador o maquinaria mecánica. La clasificación de las turbinas de vapor puede hacerse según la forma de aprovechamiento de la energía contenida en el flujo de vapor (reacción o acción), el número de etapas (multietapa o monoetapa), la dirección del flujo de vapor (axiales o radiales), si existe o no extracción de vapor antes de llegar al escape y por la presión de salida del vapor (contrapresión, escape libre o condensación).
Las turbinas de vapor operan bajo el ciclo termodinámico Rankine, el cual consta de cuatro elementos principales: Generador de vapor, turbina de vapor, condensador y bomba.
Turbina de vapor de reacción
En la turbina de reacción la energía mecánica se obtiene de la aceleración del vapor en expansión. Las turbinas de este tipo cuentan con dos grupos de palas, unas móviles y las otras fijas. Las palas fijas están colocadas de forma que cada par actúa como una boquilla a través de la cual pasa el vapor mientras se expande, llegando a las palas de las turbinas de reacción, que se montan en un tambor que actúa como eje de la turbina.
En la turbina de reacción se produce un escalonamiento de velocidad. Este escalonamiento consiste en producir una gran caída de presión en un grupo de toberas y utilizar la velocidad resultante del vapor en tantos grupos de alabes como sea necesario mediante un juego de enderezadores reorientando el vapor de salida de la primera etapa para que entre en un segundo rodete.
Turbina de vapor de acción
Una turbina de vapor de acción con un escalonamiento de velocidad consta fundamentalmente de:
- Un distribuidor fijo, compuesto por una o varias toberas, cuya misión es transformar la energía térmica del vapor puesta a su disposición, total (acción), o parcialmente (reacción), en energía cinética.
- Una corona móvil, acoplada al eje, cuyos álabes situados en la periferia tienen por objeto transformar la energía cinética del vapor en energía mecánica de rotación. Su funcionamiento consiste en impulsar el vapor a través de las toberas fijas hasta alcanzar las palas, que absorben una parte de la energía cinética del vapor en expansión, lo que hace girar el rotor y con ella el eje al que esta unida. Las turbinas de acción habituales tienen varias etapas, en las que la presión va disminuyendo de forma escalonada en cada una de ellas.
Nota. Parte de la información fue tomada de:
Diplomado en Sistemas de Cogeneración, organizado por COGENERA México A.C. H. Romero-Paredes Rubio y A. Santamaria-Padilla, “Módulo VIII Cogeneración con Turbinas de Vapor” 2019.
Página de Renovetec. www.renovetec.com
Ventajas
- Capacidades de 5 kW hasta mayores de 250 MW.
- Eficiencia global del sistema alta (90%).
- Alta seguridad de operación.
- Vida útil larga (25 años).
Desventajas
- Altos costos de inversión.
- Tiempo de arranque muy lento.
- Baja relación de Energía eléctrica/Energía térmica (15%).
El vapor sale de la turbina a una presión inferior a la atmosférica. En este diseño existe un mayor aprovechamiento energético que a contrapresión, se obtiene agua de refrigeración de su condensación. Este diseño se utiliza en turbinas de gran potencia que buscan un alto rendimiento eléctrico. En la siguiente imágen se muestra un diagrama esquemático de una turbina de vapor a condensación con una extracción en un sistema de cogeneración. Se muestra que la extracción de vapor es enviada a un proceso (usuario) donde se le dará uso para después regresarlo al sistema con baja calidad. Ambas corrientes de agua entran al tanque de mezclado para de ahí ser bombeada a la presión de operación del generador de vapor.
La potencia que genera la turbina es función de la cantidad de flujo de vapor que es extraído y enviado a proceso. La presión a la cual se haga la extracción dependerá de las necesidades del usuario y de la turbina comercial elegida, ya que depende de las condiciones de operación de la turbina que se pueda o no tener la extracción a la presión deseada.
A modo de ejemplo, en la siguiente imágen se muestra el comportamiento de una turbina de vapor a condensación en función del porcentaje de extracción y de la presión de extracción. Al variar estos parámetros la potencia generada y la relación Q/E son afectadas, encontrándose que a mayor porcentaje de extracción mayor será la relación Q/E, mientras que, la potencia decrece.
Estos parámetros son de suma importancia cuando se realiza el diseño de un sistema de cogeneración, ya que sirven de punto de partida para hacer la elección de la turbina de vapor a emplear y que se satisfagan las necesidades térmicas y eléctricas del usuario de la manera más eficiente.
La presión del vapor a la salida de una turbina de vapor a contrapresión es superior a la atmosférica. El vapor es enviado al proceso del usuario, quien lo retorna condensado a cierta presión y temperatura.
En la siguiente imágen se muestra un diagrama esquemático de una turbina de vapor a contrapresión con una extracción en un sistema de cogeneración. Se muestra que ambas salidas de vapor son enviadas a proceso (usuario), una de alta calidad de vapor vivo y otra con menor calidad, pero vapor vivo. Estas corrientes al ser utilizadas en el proceso regresan al ciclo con baja calidad y son mezcladas para ser bombeado a la presión de operación del generador de vapor y volver a ingresar a la turbina de vapor.
Diagrama esquemático de una turbine de vapor a contrapresión con una extracción de vapor a proceso.
A modo de ejemplo, en la siguiente imágen se muestra el comportamiento de una turbina de vapor a contrapresión en función del porcentaje de extracción y de la presión de extracción. Al variar estos parámetros la potencia generada y la relación Q/E son afectadas, encontrándose que a mayor porcentaje de extracción mayor será la relación Q/E, mientras que, la potencia decrece.
A diferencia de la turbina de vapor a condensación, con las turbinas de vapor a contrapresión se obtienen valores de Q/E más grandes, por lo cual si el usuario demanda mayor energía térmica que eléctrica se puede descartar el empleo de una turbina a condensación y buscar en el mercado una turbina de vapor a contrapresión que satisfaga sus necesidades.
