Os cientistas ainda estão lutando para encontrar as maneiras mais eficazes de gerar corrente - o progresso correu das células galvânicas para os primeiros dínamos, vapor, nuclear e agora solar, eólica e hidrogênio. Atualmente, a maneira mais massiva e conveniente de gerar eletricidade continua sendo um gerador acionado por uma turbina a vapor.
As turbinas a vapor foram inventadas muito antes do homem entender a natureza da eletricidade. Neste post, falaremos de maneira simplista sobre a estrutura e operação de uma turbina a vapor e, ao mesmo tempo, recordaremos como o antigo cientista grego estava quinze séculos à frente do tempo, como o golpe ocorreu na engenharia de turbinas e por que a Toshiba acredita que uma turbina de trinta metros deve ser fabricada com uma precisão de 0,005 mm.
Como funciona uma turbina a vapor
O princípio de operação de uma turbina a vapor é relativamente simples e sua estrutura interna não muda fundamentalmente há mais de um século. Para entender o princípio de operação de uma turbina, consideraremos como funciona uma usina termelétrica - um local onde os combustíveis fósseis (gás, carvão, óleo combustível) são convertidos em eletricidade.
A turbina a vapor em si não funciona, precisa de vapor para funcionar. Portanto, a usina começa com uma caldeira na qual o combustível é queimado, liberando calor para os canos com água destilada que penetra na caldeira. Nestes tubos finos, a água se transforma em vapor.
Um esquema claro da operação de uma usina termelétrica, gerando eletricidade e calor para aquecer residências. Fonte: Mosenergo
A turbina é um eixo (rotor) com pás espaçadas radialmente, como um grande ventilador. Um estator é instalado atrás de cada um desses discos - um disco semelhante com pás de formato diferente, montado não no eixo, mas no corpo da turbina e, portanto, permanece estacionário (daí o nome estator).
Um par de um disco rotativo com lâminas e um estator é chamado de passo. Existem dezenas de estágios em uma turbina a vapor - não torça o eixo pesado de uma turbina com uma massa de 3 a 150 toneladas passando o vapor por apenas um estágio; portanto, os estágios são agrupados em série para extrair a energia potencial máxima do vapor.
O vapor a uma temperatura muito alta e sob alta pressão é fornecido à entrada da turbina. A pressão do vapor distingue turbinas de pressão baixa (até 1,2 MPa), média (até 5 MPa), alta (até 15 MPa), ultra alta (15-22,5 MPa) e pressão supercrítica (acima de 22,5 MPa). Para comparação, a pressão dentro da garrafa de champanhe é de cerca de 0,63 MPa, no pneu do carro de um carro de passageiros - 0,2 MPa.
Quanto maior a pressão, maior o ponto de ebulição da água, o que significa a temperatura do vapor. O vapor superaquecido a 550-560 ° C é fornecido à entrada da turbina! Por que tanto? À medida que passa pela turbina, o vapor se expande para manter a vazão e perde a temperatura, portanto, você precisa ter uma margem. Por que não superaquecer o vapor acima? Até recentemente, isso era considerado extremamente complexo e sem sentido - a carga na turbina e na caldeira se tornou crítica.
Tradicionalmente, as turbinas a vapor para usinas de energia possuem vários cilindros com pás, nos quais é fornecido vapor de alta, média e baixa pressão. Primeiro, o vapor passa pelo cilindro de alta pressão, gira a turbina e, ao mesmo tempo, altera seus parâmetros na saída (diminuição da pressão e da temperatura), após o que entra no cilindro de média pressão e daí baixa pressão. O fato é que as etapas para vapor com parâmetros diferentes têm tamanhos e formatos diferentes das pás para extrair com mais eficiência a energia do vapor.
Mas há um problema - quando a temperatura cai para o ponto de saturação, o vapor começa a saturar, e isso reduz a eficiência da turbina. Para evitar isso, o vapor é reaquecido na caldeira após o cilindro alto e antes de entrar no cilindro de baixa pressão. Esse processo é chamado de superaquecimento intermediário (superaquecimento industrial).
Pode haver vários cilindros de pressão média e baixa em uma turbina. O vapor pode ser fornecido a ambos pela borda do cilindro, passando todas as lâminas sequencialmente e no centro, divergindo para as bordas, o que uniformiza a carga no eixo.
O eixo rotativo da turbina é conectado a um gerador elétrico. Para que a eletricidade na rede tenha a frequência necessária, os eixos do gerador e da turbina devem girar a uma velocidade estritamente definida - na Rússia, a corrente na rede tem uma frequência de 50 Hz e as turbinas operam a 1500 ou 3000 rpm.
Simplificando, quanto maior o consumo de eletricidade produzida por uma usina, mais forte o gerador resiste à rotação, de modo que é necessário fornecer um fluxo maior de vapor à turbina. Os controladores de velocidade da turbina respondem instantaneamente às mudanças de carga e controlam o fluxo de vapor, para que a turbina mantenha velocidade constante. Se a carga cair na rede e o regulador não reduzir o volume de vapor fornecido, a turbina aumentará rapidamente a velocidade e entrará em colapso - no caso de um acidente, as pás penetram facilmente no corpo da turbina, no teto da usina termelétrica e se afastam a vários quilômetros de distância.
Como surgiram as turbinas a vapor
Por volta do século XVIII aC, a humanidade já havia domado a energia dos elementos, transformando-a em energia mecânica para realizar um trabalho útil - eram os moinhos de vento da Babilônia. No século II aC. e moinhos de água apareceram no Império Romano, cujas rodas eram dirigidas por um fluxo interminável de água de rios e córregos. E já no século I dC e o homem domesticou a energia potencial do vapor de água, com a ajuda de colocar em movimento o sistema criado pelo homem.
O Eolipilus de Geron de Alexandria é a primeira e única turbina a vapor reativa pelos próximos 15 séculos. Fonte: Dicionário Mecânico Americano / Wikimedia
O matemático e mecânico grego Geron de Alexandria descreveu o mecanismo bizarro de eolipil, que é uma bola fixada ao eixo com tubos emanando em ângulo. O vapor que entrava na bola pela caldeira fervente saía dos tubos com força, fazendo a bola girar. A máquina inventada por Heron naquela época parecia um brinquedo inútil, mas, na verdade, o cientista antigo construiu a primeira turbina a jato a vapor, cujo potencial era estimado apenas após quinze séculos. Uma réplica moderna de eolipil tem uma velocidade de até 1.500 rpm.
No século 16, a invenção esquecida de Heron foi parcialmente repetida pelo astrônomo sírio Takiyuddin al-Shami, mas, em vez de uma bola, uma roda foi acionada, sobre a qual o vapor soprou diretamente da caldeira. Em 1629, uma idéia semelhante foi proposta pelo arquiteto italiano Giovanni Branca: uma corrente de vapor girava uma roda de pás, que podia ser adaptada para mecanizar a serraria.
A turbina a vapor ativa Branca fez pelo menos algum trabalho útil - “automatizou” duas argamassas.
Apesar da descrição de vários inventores de máquinas que convertem energia de vapor em trabalho, ainda estava longe de ser uma implementação útil - as tecnologias da época não permitiam a criação de uma turbina a vapor com potência praticamente aplicável.
Revolução da turbina
Por muitos anos, o inventor sueco Gustaf Laval criou a idéia de criar um tipo de motor capaz de girar o eixo com grande velocidade - isso foi necessário para a operação do separador de leite Laval. Enquanto o separador trabalhava em um “acionamento manual”: um sistema de engrenagens converteu 40 rpm na alavanca para 7000 rpm no separador. Em 1883, Laval conseguiu adaptar o eolipil de Heron, fornecendo ao motor um separador de leite. A idéia foi boa, mas as vibrações, o alto custo terrível e a falta de economia da turbina a vapor obrigaram o inventor a voltar aos cálculos.
A roda da turbina Laval apareceu em 1889, mas seu design sobreviveu até hoje quase inalterado.
Após anos de testes dolorosos, a Laval conseguiu criar uma turbina a vapor ativa de disco único. O vapor foi fornecido a um disco com lâminas de quatro tubos com bicos sob pressão. Expandindo e acelerando nos bicos, o vapor atingiu a lâmina do disco e, assim, colocou o disco em movimento. Posteriormente, o inventor lançou as primeiras turbinas disponíveis comercialmente com uma potência de 3,6 kW, conectou turbinas a dínamos para gerar eletricidade e também patenteou muitas inovações no projeto de turbinas, incluindo uma parte integrante de nosso tempo como um condensador de vapor. Apesar de um começo difícil, as coisas posteriores com Gustaf Laval foram bem: deixando sua empresa anterior para a produção de separadores, ele fundou uma empresa de ações e começou a aumentar a capacidade das unidades.
Paralelamente à Laval, sua pesquisa no campo de turbinas a vapor foi conduzida pelo inglês Sir Charles Parsons, que foi capaz de repensar e complementar com sucesso as idéias da Laval. Se o primeiro usou um disco com pás em sua turbina, Parsons patenteou uma turbina de vários estágios com vários discos em série e, pouco depois, adicionou estatores à estrutura para equalizar o fluxo.
A turbina Parsons possuía três cilindros sucessivos para vapor de alta, média e baixa pressão com geometria de lâmina diferente. Se a Laval dependia de turbinas ativas, Parsons criou grupos reativos.
Em 1889, a Parsons vendeu várias centenas de turbinas para a eletrificação das cidades e, mais cinco anos depois, o navio experimental Turbinia foi construído, desenvolvendo uma velocidade de 63 km / h anteriormente inatingível para motores a vapor. No início do século XX, as turbinas a vapor se tornaram um dos principais motores da eletrificação rápida do planeta.
Agora "Turbinia" é exibido em um museu em Newcastle. Preste atenção ao número de parafusos. Fonte: TWAMWIR / Wikimedia
Turbinas Toshiba - uma maneira de um século
O rápido desenvolvimento de
ferrovias eletrificadas e a indústria têxtil no Japão forçaram o estado a responder ao aumento do consumo de eletricidade através da construção de novas usinas. Ao mesmo tempo, começaram os trabalhos sobre o design e a produção de turbinas a vapor japonesas, a primeira das quais foi entregue às necessidades do país na década de 1920. A Toshiba (naqueles anos: Tokyo Denki e Shibaura Seisaku-sho) também se juntou ao caso.
A primeira turbina Toshiba foi lançada em 1927, tinha uma potência modesta de 23 kW. Em dois anos, todas as turbinas a vapor fabricadas no Japão deixaram as fábricas da Toshiba e foram lançadas unidades com capacidade total de 7.500 kW. A propósito, para a
primeira estação geotérmica japonesa , inaugurada em 1966, a Toshiba também forneceu turbinas a vapor. Em 1997, todas as turbinas da Toshiba tinham uma capacidade total de 100.000 MW e, em 2017, as entregas haviam crescido tanto que a capacidade equivalente era de 200.000 MW.
Essa demanda é devido à precisão de fabricação. Um rotor de até 150 toneladas gira a uma velocidade de 3600 rpm, qualquer desequilíbrio levará a vibrações e acidentes. O rotor é balanceado com uma precisão de 1 grama, e os desvios geométricos não devem exceder 0,01 mm dos valores-alvo. O equipamento CNC ajuda a reduzir os desvios na produção de turbinas para 0,005 mm - essa é a diferença com os parâmetros desejados entre os funcionários da Toshiba, que é considerada uma boa forma, embora o erro de segurança permitido seja uma ordem de magnitude maior. Além disso, cada turbina deve passar por um teste de estresse a velocidades aumentadas - para unidades a 3600 rpm, o teste fornece aceleração para 4320 rpm.
Uma boa foto para entender as dimensões dos estágios de baixa pressão de uma turbina a vapor. Aqui está uma equipe dos melhores mestres da fábrica de operações de produtos Toshiba Keihin. Fonte: Toshiba
Eficiência da turbina a vapor
As turbinas a vapor são boas porque, com um aumento em seu tamanho, a potência e a eficiência geradas aumentam significativamente. É economicamente muito mais lucrativo instalar uma ou várias unidades em uma grande usina termelétrica, a partir da qual a eletricidade pode ser distribuída em redes de longa distância do que construir usinas térmicas locais com pequenas turbinas com potência de centenas de quilowatts a vários megawatts. O fato é que, com uma diminuição no tamanho e na potência, o custo de uma turbina em termos de quilowatts aumenta às vezes e a eficiência cai duas ou três vezes.
A eficiência elétrica de turbinas de condensação com superaquecimento varia no nível de 35-40%. A eficiência das modernas usinas termelétricas pode chegar a 45%.
Se você comparar esses indicadores com os resultados da tabela, verifica-se que uma turbina a vapor é uma das melhores maneiras de atender às grandes necessidades de eletricidade. Os diesel são uma história de “casa”, os moinhos de vento são caros e de baixo consumo de energia, as usinas hidrelétricas são muito caras e georreferenciadas, e
as células a combustível de hidrogênio , sobre as quais já escrevemos, são uma maneira nova e bastante móvel de gerar eletricidade.
Fatos interessantes
A turbina a vapor
mais potente : esse título pode ser transportado por dois produtos de uma só vez - o alemão Siemens SST5-9000 e a turbina fabricada pela ARABELLE, de propriedade da American General Electric. Ambas as turbinas de condensação fornecem até 1900 MW de energia. Realizar esse potencial é possível apenas em usinas nucleares.
Registre a turbina Siemens SST5-9000 com uma capacidade de 1900 MW. Um recorde, mas a demanda por essa energia é muito pequena, então a Toshiba é especializada em unidades com metade da energia. Fonte: Siemens
A menor turbina a vapor foi criada na Rússia há apenas dois anos por engenheiros da Universidade Federal do Ural - PTM-30, com apenas meio metro de diâmetro, e capacidade de 30 kW. O bebê pode ser usado para geração local de eletricidade, utilizando o excesso de vapor restante de outros processos para obter benefícios econômicos e não para liberá-lo na atmosfera.
A PTM-30 russa é a menor turbina a vapor do mundo a gerar eletricidade. Fonte: UrFU
A aplicação
mais malsucedida de uma turbina a vapor são as turbinas a vapor - locomotivas a vapor nas quais o vapor da caldeira entra na turbina e depois a locomotiva se move em motores elétricos ou devido à transmissão mecânica. Teoricamente, uma turbina a vapor forneceu muitas vezes mais eficiência do que uma locomotiva a vapor convencional. De fato, a locomotiva a vapor exibe suas vantagens, como alta velocidade e confiabilidade, apenas em velocidades acima de 60 km / h. Em velocidades mais baixas, a turbina consome muito vapor e combustível. Os países dos EUA e da Europa experimentaram turbinas a vapor em locomotivas, mas a terrível confiabilidade e eficiência duvidosa reduziram a vida útil das turbinas a vapor como uma classe para 10 a 20 anos.
A locomotiva a vapor de carvão C&O 500 quebrava quase todas as viagens, motivo pelo qual um ano após seu lançamento foi enviada para sucata. Fonte: Wikimedia