BRPI0617305A2 - processo para o aquecimento de uma turbina a vapor - Google Patents
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Abstract
PROCESSO PARA O AQUECIMENTO DE UMA TURBINA A VAPOR. A presente invenção refere-se a um processo para o aquecimento de uma turbina a vapor (1), sendo que a turbina a vapor (1) compreende uma turbina parcial de alta pressão (2) e uma turbina parcial de pressão média (3) e/ou uma turbina parcial de baixa pressão (4). O processo é caracterizado por um aspecto essencial de que a turbina parcial de alta pressão (2), depois de uma partida fria, é solicitada por um vapor com uma condutividade relativamente alta, e a turbina parcial de pressão média ou a turbina parcial de baixa pressão (4) permanecem fechadas durante essa solicitação. Tão logo a condutividade fica abaixo de um determinado valor, também a turbina parcial de pressão média (3) ou a turbina parcial de baixa pressão (4) são solicitadas por vapor.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "PROCESSOPARA O AQUECIMENTO DE UMA TURBINA A VAPOR".
A presente invenção refere-se a um processo para o aquecimen-to de uma turbina a vapor, sendo que a turbina a vapor compreende umaturbina parcial de alta pressão e uma turbina parcial de pressão média e/ouuma turbina parcial de baixa pressão, sendo que no lado de entrada, a turbi-na parcial de alta pressão é acoplada a um gerador de vapor com conexãofluídica através de uma tubulação de vapor fresco, sendo que entre a turbinaparcial de alta pressão e a turbina parcial de pressão média está dispostauma válvula de vapor, sendo que a turbina parcial de alta pressão, a tubula-ção de vapor fresco e o gerador de vapor são aquecidos paralelamente.
Em usinas equipadas para a geração de energia elétrica comturbinas a vapor pode ser necessário, em dependência da demanda de e-nergia elétrica do momento, desligar uma ou várias das turbinas a vapor ereligá-las de acordo com a demanda. Uma partida rápida das respectivasturbinas a vapor é de suma importância nesses casos. Isso se aplica princi-palmente para paradas mais longas, especialmente depois de uma partidafria e depois de uma partida quente, por exemplo, depois de uma paradadurante o fim de semana. De acordo com o estado da técnica, durante oprocedimento de partida, primeiro é dada a partida ou é aquecido um gera-dor de vapor a fim de elevar a temperatura do vapor e a pressão do vapor.Tão logo o vapor tenha alcançado uma temperatura de partida predefinida euma pressão de partida predefinida e uma qualidade de partida predefinida,um processo de partida para a turbina a vapor é iniciado. Para tal, entre ou-tros, válvulas de vapor fresco são abertas em maior ou menor grau. Nisso,os valores de temperatura de partida, pressão de partida e a qualidade departida do vapor são selecionados de tal modo que depois da partida da tur-bina a vapor possa ser realizado uma operação de trabalho sem carga ouuma operação de trabalho com carga, com carga pequena, para a turbina avapor. Nisso, o vapor apresenta uma condutividade cujos valores precisamestar dentro de uma faixa predefinida a fim de evitar danos causados porvapor poluído na turbina a vapor.Ao dar a partida de uma turbina a vapor, portanto, a condutivida-de do vapor é determinada continuamente e somente quando o vapor temultrapassado um certo valor limite será liberada a entrada dele na turbina avapor.
Os valores para a temperatura de partida, a pressão de partida ea qualidade de partida do vapor são selecionados tal que depois da partidada turbina a vapor pode ser realizada uma operação de trabalho sem cargae de trabalho com carga pequena para a turbina a vapor. Até o início do pro-cesso de partida propriamente dito, esses parâmetros precisam estar pre-sentes de forma segura. Dependendo do tipo de usina e do tipo de constru-ção da caldeira ou do porte da usina, podem passar regularmente uma a trêshoras. Ao dar a partida a partir de um estado frio da máquina, através dasolicitação com vapor quente, regularmente ocorrem grandes esforços domaterial em virtude das tensões de dilatação causadas pelo calor. Tipica-mente, hoje em dia ocorre um monitoramento de técnica de medição dastensões de dilatação causadas pelo calor. Nisso, há um interesse maior emencurtar os tempos de partida para tais turbinas a vapor a fim de elevar aviabilidade econômica das turbinas a vapor ou de uma usina equipado comelas.
Ό processo de partida usualmente somente é iniciado quando háuma qualidade de partida predeterminada para o vapor, especialmente noque refere-se a pureza e valor pH. De preferência, também o processo depreaquecimento somente é iniciado quando o vapor apresenta uma determi-nada qualidade de preaquecimento, sendo que a qualidade de partida émais alta do que a qualidade de preaquecimento. O dispêndio para a obten-ção de uma alta qualidade de vapor é relativamente alto.
Uma turbina a vapor no sentido da presente invenção é uma tur-bina a vapor que pode compreender várias turbinas parciais. No caso, asturbinas parciais podem ser dimensionadas para diferentes parâmetros devapor como por exemplo, temperatura e pressão. Nisso são conhecidas tur-binas parciais de alta pressão, pressão média e baixa pressão. Na turbinaparcial de alta pressão, via de regra, entra vapor superaquecido que pode teruma temperatura de até 620°C. Além disso, este vapor superaquecido podeter uma pressão de até 30 MPa (300 bar). O vapor superaquecido é denomi-nado de vapor quente. Se vapor saturado for separado de um resíduo nofundo ou condensado e aquecido com uma pressão constante, então o va-por se torna cada vez mais insaturado. Este vapor é denominado de vaporquente ou vapor superaquecido.
O espaço dè vapor sobre um resíduo no fundo ou condensadoabsorveu para uma temperatura de equilíbrio presente a maior quantidadepossível de moléculas: esse vapor é denominado de vapor saturado, vaporseco ou vapor saturado.
Uma turbina parcial de pressão média, em contrapartida, é di-mensionada de tal modo que o vapor relaxado de uma turbina parcial de altapressão entra em um superaquecedor intermediário onde é aumentada atemperatura do vapor e em seguida o vapor entra na turbina parcial de pres-são média. A temperatura do vapor que entra na turbina parcial de pressãomédia fica em torno de 600°C e a pressão é de cerca de 8 MPa (80 bar). Ovapor que sai da turbina parcial de pressão média finalmente é levado parauma turbina parcial de baixa pressão.
A divisão em turbinas parciais de alta pressão, pressão média ebaixa pressão não é uniformizada entre os versados na técnica. Assim, porexemplo, parâmetros do vapor como temperatura e pressão não podem serconsultados como o único critério de diferenciação entre as turbinas parciaisde alta pressão, pressão média e baixa pressão.
Processos para operar turbinas a vapor com um aquecimentointermediário do vapor que sai da turbina parcial de alta pressão e entra emuma turbina parcial de pressão média são conhecidos. Em virtude do supe-raquecimento intermediário, a temperatura do vapor que já trabalhou na par-te de alta pressão de uma turbina a vapor, é novamente elevada e assim aescala disponível é ampliada, antes que o vapor entre na parte de baixapressão da turbina. Isso aumenta a eficiência da instalação.
Uma outra vantagem da operação de usinas de vapor ou combi-nadas com superaquecimento intermediário do vapor consiste no fato de queatravés do superaquecimento intermediário, a umidade final do vapor nosestágios finais da turbina é reduzida e assim, a qualidade fluídica e a vida útilsão prolongadas.
O superaquecimento intermediário em turbinas a vapor é aplica-do quando o vapor na expansão na máquina se torna úmido demais. Então ovapor, depois de passar por um número de estágios, é conduzido para forada turbina para o superaquecedor e depois, novamente conduzido para aturbina. Em caso de quedas de pressão muito altas é aplicado um supera-quecimento intermediário múltiplo a fim de se ter no estágio final nenhumaumidade de vapor alta demais.
A presente invenção tem a tarefa de acelerar o aquecimento deuma turbina a vapor esfriada.
A tarefa é solucionada com a ajuda de um processo para o a-quecimento de uma turbina a vapor, sendo que a turbina a vapor compreen-de uma turbina parcial de alta pressão e uma turbina parcial de pressão mé-dia e/ou uma turbina parcial de baixa pressão, sendo que no lado de entra-da, a turbina parcial de alta pressão é acoplada a um gerador de vapor comconexão fluídica através de uma tubulação de vapor fresco, sendo que entrea turbina parcial de alta pressão e a turbina parcial de pressão média estádisposta uma válvula de vapor, sendo que a turbina parcial de alta pressão,a tubulação de vapor fresco e o gerador de vapor são aquecidos simultane-amente, sendo que o processo compreende as seguintes etapas:
a) Aumento da contrapressão no lado da saída da turbina parcialde alta pressão;
b) Abertura de uma válvula disposta antes da entrada da turbinaparcial de alta pressão tão logo a condutividade do vapor gerado no geradorde vapor ultrapasse um valor de tolerância;
c) Fechamento da válvula de vapor disposta entre a turbina par-cial de alta pressão e a turbina parcial de pressão média.
d) Regulagem do número de rotações do rotor da turbina parcialde alta pressão para um valor abaixo do número de rotações nominal;
e) Abaixar a contrapressão tão logo a condutividade do vaporgerado no gerador de vapor fique abaixo de um valor limite, sendo que ovalor limite é menor do que o valor de tolerância;
f) Aquecimento da turbina parcial de pressão média e/ou da tur-bina parcial de baixa pressão com o vapor gerado pelo gerador de vaporcuja condutividade fica abaixo do valor limite através da abertura da válvulade vapor.
A presente invenção parte do pensamento, entre outros, de quenão parece necessário abastecer simultaneamente a turbina a vapor com-preendendo a turbina parcial de alta pressão, a turbina parcial de pressãomédia e a turbina parcial de baixa pressão com um vapor de qualidade sufi-cientemente boa. É um aspecto da presente invenção o fato de que a turbinaparcial de alta pressão pode ser solicitada por um vapor com qualidade nãosuficientemente boa, como, por exemplo, da condutividade, quando são le-vadas em consideração as etapas do processo de acordo com a presente invenção. Depois de uma partida fria começa o aquecimento da turbina avapor com a respectiva geração de pressão na tubulação de vapor fresco. Atubulação de vapor fresco, na maioria das vezes, é aquecida simultanea-mente com o gerador de vapor. O gerador de vapor também é denominadode caldeira. A primeira abertura das válvulas de vapor depende da conduti- vidade do vapor, do superaquecimento e das temperaturas absolutas do va-por. Nisso, o vapor precisa ter uma certa qualidade. Um vapor com qualida-de insuficiente pode produzir um esforço de corrosão elevado devido a impu-rezas agressivas que, por exemplo, na faixa de uma umidade de vapor prin-cipiante tem um efeito desfavorável sobre a resistência aos esforços alterna-dos de flexão do material das pás. Porém, o problema da qualidade de vaporinsuficiente é dirigido para a turbina parcial de baixa pressão, uma vez queaqui ocorrem graus de aproveitamento especialmente altos dos estágios fi-nais. A turbina parcial de alta pressão, em comparação com a turbina parcialde baixa pressão, pode ser solicitada por um vapor que possui uma conduti-vidade pior do que um vapor com o qual é solicitada a turbina parcial de bai-xa pressão.
O aquecimento de toda a turbina a vapor começa, pelo estadoda técnica, somente com uma condutividade suficiente do vapor. Ao contrá-rio disso, a presente invenção sugere que a turbina parcial de alta pressãojunto com as tubulações de vapor fresco e o gerador de vapor seja preaque-cida quando uma turbina parcial de pressão média e/ou turbina parcial de baixa pressão é fechada.
Uma vez que para turbinas parciais de alta pressão as exigên-cias à condutividade do vapor são relativamente baixas, já se pode começarcom o suprimento com condutividades altas. Para tal, a válvula de vapor dis-posta antes da turbina parcial de pressão média é fechada. Com isso pode ser gerada uma contrapressão na saída da turbina parcial de alta pressãoque dentro do escopo de valores admissíveis pode ser elevado de qualquermodo. Assim ocorre um aquecimento com um alto calor de condensação.
Um aspecto importante da presente invenção é, por um lado,que vapor com uma condutividade elétrica relativamente alta é admitido parao preaquecimento da turbina parcial de alta pressão e, por outro lado, que acontrapressão na saída da turbina parcial de alta pressão é elevado no iníciode uma fase de preaquecimento e antes do aumento seguinte para os núme-ros de rotações nominais, é novamente baixado. Este vapor flui primeiro a-través da turbina parcial de alta pressão. A pressão do vapor na saída da turbina parcial de alta pressão é elevada. Isto se consegue, por exemplo,com uma válvula disposta entre a turbina parcial de alta pressão e a turbinaparcial de pressão média que pode ser fechada parcial ou totalmente. Emvirtude do aumento da pressão, a transmissão de calor do vapor para oscomponentes de parede grossa da turbina parcial de alta pressão é melho-rada. O vapor que a atravessa é barrado na saída, providenciando um aque-cimento rápido da turbina parcial de alta pressão. Dessa forma, a temperatu-ra de saturação do vapor é deslocada para valores maiores.
Por esta razão, as etapas a) e c) podem ser trocadas.
Em caso de uma saturação (condensação) podem ser consegui-dos números de transmissão de calor de cerca de 5000 W/(m2K), sendo queem estados superaquecidos (convecção) apenas são obtidos números detransmissão de calor de cerca de 150 W/(m2 K). Dessa forma, a entrada decalor nos componentes da turbina parcial de alta pressão pode ser aumen-tada na fase de preaquecimento.
Com o processo de acordo com a presente invenção, o prea-quecimento da turbina a vapor pode começar cerca de uma a três horasmais cedo. Uma outra vantagem é o fato de que a entrada de calor devido àtemperatura mais alta do vapor saturado traz um aquecimento acelerado doscomponentes da turbina parcial de alta pressão. Assim os tempos de partidaem bloco em caso de uma partida fria podem ser abreviados em cerca de 1a 1,5 horas.
Em um aperfeiçoamento vantajoso, o valor de tolerância para acondutividade elétrica do vapor fica entre 0,5 e 5 pSiemens/cm.
Valores da experiência mostraram que esta faixa de valores éespecialmente bem apropriada para o valor de tolerância.
Em um outro aperfeiçoamento vantajoso, na etapa d), o númerode rotações do rotor é regulado para valores entre 100 a 1000 r.p.m.. Assim,uma ventilação é evitada e é criada a possibilidade de preaquecer já comfluxos de massa de vapor baixos. Os números de rotações, no caso, ficamabaixo de uma faixa de bloqueio.
Exemplos de execução da presente invenção são descritos deta-lhadamente em seguida, fazendo referência aos desenhos. No caso, oscomponentes com referências idênticas têm o mesmo modo de funcionar.
Eles mostram:
A figura 1 mostra uma apresentação esquematizada de uma tur-bina a vapor compreendendo uma turbina parcial de alta pressão, turbinaparcial de pressão média e turbina parcial de baixa pressão.
A figura 2 mostra uma apresentação esquematizada de uma tur-bina a vapor alternativa compreendendo uma turbina parcial de alta pressão,turbina parcial de pressão média e turbina parcial de baixa pressão.
A figura 1 mostra uma apresentação esquematizada de uma tur-bina a vapor 1 compreendendo uma turbina parcial de alta pressão 2, umaturbina parcial de pressão média 3 e uma turbina parcial de baixa pressão 4de fluxo duplo. A turbina parcial de alta pressão 2 possui pelo menos duastubulações de vapor fresco 5 sendo que em uma tubulação de vapor frescoestão dispostas válvulas. As válvulas 6 são dimensionadas para regular apassagem de um vapor que atravessa a tubulação de vapor fresco 5. O va-por fresco é gerado em um gerador de vapor ou uma caldeira não mostrada.
O vapor gerado no gerador de vapor chega através da tubulação de vaporfresco 5 e as válvulas 6 para dentro da turbina parcial de alta pressão 2, lá érelaxado e em seguida sai pela saída 7, para fora da turbina parcial de altapressão 2. Através de uma tubulação de vapor de escape 8 o vapor relaxadochega a um superaquecedor intermediário não mostrado detalhadamente elá é aquecido até uma temperatura mais elevada, e em seguida vai atravésde pelo menos uma tubulação de entrada de pressão média 9 para dentroda turbina parcial de pressão média 3. Na turbina parcial de pressão média 3o vapor é relaxado até uma temperatura mais baixa e uma pressão maisbaixa e no lado de saída 10 sai da turbina parcial de pressão média 3 e atra- vés da tubulação 11 entra na turbina parcial de baixa pressão 4. Na turbinaparcial de baixa pressão 4, o vapor é relaxado mais ainda. A temperatura dovapor diminui ainda mais. Através de tubulações de saída 12, o vapor final-mente sai da turbina a vapor e é levado para um condensador não mostrado.A condução de vapor acima descrita ocorre durante a fase operacional de acordo com a destinação da turbina a vapor 1. Depois de uma parada demais de 48 horas, a turbina a vapor 1 encontra-se em um estado esfriado.Os eixos e outros componentes de paredes grossas na turbina a vapor 1precisam ser preaquecidos de maneira controlada antes da solicitação oucarga com vapor quente fresco, a fim de evitar tensões inadmissíveis nos componentes. A primeira abertura das válvulas 6 depende da condutividadedo vapor, do superaquecimento e dos valores absolutos, tais como, por e-xemplo, pressão ρ e temperatura T do vapor.
O processo para o aquecimento da turbina a vapor 1 ocorre deacordo com a seguinte descrição. A turbina a vapor 1 compreende uma tur- bina parcial de alta pressão 2 e uma turbina parcial de pressão média 3 e/ouuma turbina parcial de baixa pressão 4. Entre a turbina parcial de alta pres-são 2 e a turbina parcial de pressão média 3 é disposta pelo menos umaválvula de alta pressão - pressão média 14. A turbina parcial de alta pressão2, a tubulação de vapor fresco 5 e o gerador de vapor são aquecidos simul-taneamente. Na primeira etapa a contrapressão no lado de saída 7 da turbi-na parcial de alta pressão é elevada. Isto pode ser feito fechando-se a válvu-Ia de vapor 14 entre a turbina parcial de alta pressão e a turbina parcial depressão média. Na próxima etapa, uma válvula 6 é aberta na entrada 13 daturbina parcial de alta pressão 2 tão logo a condutividade do vapor geradono gerador de vapor não alcança mais um valor de tolerância. Este valor detolerância pode assumir valores entre 0,5 e 5 pSiemens/cm. Nisso, a condu-tividade do vapor gerado no gerador de vapor é medida constantemente ecaptada e processada em uma estação central.
Na próxima etapa de rotações do rotor da turbina parcial de altapressão 2 é regulado para um valor abaixo do número de rotações nominal.Ficou evidente que valores para o número de rotações do rotor para o prea-quecimento da turbina parcial de alta pressão ficam melhor entre 100 a 1000r.p.m..
Na próxima etapa, a contrapressão que reina no lado de saída 7é baixada tão logo a condutividade do vapor gerado no gerador de vapor ficaabaixo de um valor limite de 0,2 a 0,5 pSiemens/cm. A redução da contra-pressão pode ocorrer através da abertura da válvula de vapor 14.
O número de rotações nominal fica em torno de 3000 r.p.m. ou3600 r.p.m., dependendo de que freqüência nominal - 50 Hz ou 60 Hz - arede de corrente alternada é operada. Para as turbinas a vapor de usinasnucleares, o número de rotações nominal pode ficar em torno de 1500r.p.m.. Em todos os casos é importante que na etapa d) o número de rota-ções do rotor fique claramente, isto é, muitas vezes, abaixo do número derotações nominal.
Na próxima etapa acontece o aquecimento da turbina parcial depressão média e/ou da turbina parcial de baixa pressão 4 com o vapor gera-do no gerador de vapor, cuja condutividade está abaixo do valor limite, emvirtude da abertura da válvula de vapor disposta entre a turbina parcial dealta pressão e a turbina parcial de pressão média.A figura 2 mostra uma forma de execução alternativa de umaturbina a vapor. A turbina a vapor 1' compreende uma turbina parcial de altapressão 2' e uma turbina parcial de pressão média e turbina parcial de baixapressão 3' construída como uma unidade compacta. A turbina parcial depressão média e a turbina parcial de baixa pressão também denominadacomo turbina parcial de unidade. Uma diferença essencial da forma de exe-cução mostrada na figura 1 da turbina a vapor é que a turbina a vapor 1'mostrada na figura 2 não possui nenhuma tubulação de ladrão 11.0 modode funcionar do processo, em relação à turbina a vapor mostrada na figura 2,no caso é quase que idêntica à da turbina a vapor descrita na figura 1. A di-ferença é que a turbina a vapor 1 da figura 1 compreende duas turbinas par-ciais, sendo que uma delas é uma turbina parcial de pressão média 3 e aoutra é uma turbina parcial de baixa pressão 4. Em contrapartida, a turbinaparcial de pressão média 3' mostrada na figura 2 compreende a turbina par-cial de pressão média e a turbina parcial de baixa pressão em um único ga-binete.
Claims (5)
1. Processo para o aquecimento de uma turbina a vapor (1),sendo que a turbina a vapor (1) compreende uma turbina parcial de altapressão (2) e uma turbina parcial de pressão média e/ou turbina parcial debaixa pressão (3, 4),sendo que no lado de entrada a turbina parcial de alta pressão(2) é acoplada a um gerador de vapor com conexão fluídica através de umatubulação de vapor fresco (5), sendo que entre a turbina parcial de alta pres-são (2) e a turbina parcial de pressão média (3) está disposta uma válvula devapor (14),sendo que a turbina parcial de alta pressão (2), a tubulação devapor fresco (5) e o gerador de vapor são aquecidos paralelamente,caracterizado pelas seguintes etapas:a) aumento da contrapressão no lado da saída da turbina parcialde alta pressão (2);b) abertura de uma válvula (6) disposta antes da entrada (13) daturbina parcial de alta pressão (2) tão logo a condutividade do vapor geradono gerador de vapor ultrapasse um valor de tolerância;c) fechamento da válvula de vapor (14) disposta entre a turbinaparcial de alta pressão (2) e a turbina parcial de pressão média (3).d) regulagem do número de rotações do rotor da turbina parcialde alta pressão (2) para um valor abaixo do número de rotações nominal;e) abaixar a contrapressão tão logo a condutividade do vaporgerado no gerador de vapor fique abaixo de um valor limite, sendo que ovalor limite é menor do que o valor de tolerância;f) aquecimento da turbina parcial de pressão média e/ou da tur-bina parcial de baixa pressão (4) com o vapor gerado pelo gerador de vaporcuja condutividade fica abaixo do valor limite através da abertura da válvulade vapor (14).
2. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que na etapab) o valor de tolerância assume valores entre 0,5 e 5 pSiemens/cm.
3. Processo de acordo com a reivindicação 1 ou 2, em que naetapa d) o valor do número de rotações do rotor fica um múltiplo abaixo donúmero de rotações nominal.
4. Processo de acordo com a reivindicação 1, em que o valor donúmero de rotações do rotor fica entre 100 a 1000 rotações por minuto.
5. Processo de acordo com uma das reivindicações anteriores,em que na etapa e) o valor limite assume valores entre 0,2 e 0,5 pSiemens/cm.
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