El control de una turbina de vapor es el procedimiento de controlar el caudal de vapor que fluye hacia una turbina de vapor para mantener constante su velocidad de rotación. La variación de la carga durante el funcionamiento de una turbina de vapor puede tener un impacto significativo en su rendimiento. En una situación práctica, la carga varía con frecuencia con respecto a la carga diseñada o económica y, por lo tanto, siempre existe una desviación considerable del rendimiento deseado de la turbina. [1] El objetivo principal en el funcionamiento de una turbina de vapor es mantener una velocidad de rotación constante independientemente de la carga variable. Esto se puede lograr mediante el control de una turbina de vapor. Hay muchos tipos de reguladores.
El control de la turbina de vapor es el procedimiento de monitorización y control del caudal de vapor que entra en la turbina con el objetivo de mantener constante su velocidad de rotación. El caudal de vapor se monitoriza y controla interponiendo válvulas entre la caldera y la turbina. [2] Según el método particular adoptado para controlar el caudal de vapor, se practican diferentes tipos de métodos de control. Los principales métodos utilizados para el control se describen a continuación.
En el control por estrangulamiento, la presión del vapor se reduce en la entrada de la turbina, disminuyendo así la disponibilidad de energía. En este método, el vapor pasa a través de un paso restringido, reduciendo así su presión a través de la válvula reguladora. [2] El caudal se controla mediante una válvula de control de vapor parcialmente abierta. La reducción de la presión conduce a un proceso de estrangulamiento en el que la entalpía del vapor permanece constante. [1]
El bajo costo inicial y el mecanismo simple hacen que el control por estrangulamiento sea el método más adecuado para turbinas de vapor pequeñas. El mecanismo se ilustra en la figura 1. La válvula se acciona mediante un regulador centrífugo que consta de bolas volantes unidas al brazo del manguito. Un mecanismo de engranajes conecta el eje de la turbina al eje giratorio sobre el cual el manguito se mueve en vaivén axialmente. Con una reducción en la carga, la velocidad del eje de la turbina aumenta y provoca el movimiento de las bolas volantes alejándose del eje del manguito. Esto da como resultado un movimiento axial del manguito seguido de la activación de una palanca, que a su vez acciona la válvula de cierre principal a una posición parcialmente abierta para controlar el caudal. [2]
En las turbinas de vapor más grandes se utiliza un servomecanismo operado por aceite para mejorar la sensibilidad de la palanca. El uso de un sistema de relé magnifica las pequeñas deflexiones de la palanca conectada al manguito regulador. [2] La palanca diferencial está conectada en ambos extremos al manguito regulador y al husillo de la válvula de mariposa respectivamente. El husillo de las válvulas piloto también está conectado a la misma palanca en una posición intermedia. Ambas válvulas piloto cubren un puerto cada una en la cámara de aceite. Las salidas de la cámara de aceite están conectadas a un tanque de drenaje de aceite a través de tuberías. La disminución de la carga durante el funcionamiento de la turbina provocará un aumento en la velocidad del eje, elevando así el manguito regulador. La deflexión se produce en la palanca y debido a esto, el husillo de la válvula piloto se eleva abriendo el puerto superior para la entrada de aceite y el puerto inferior para la salida de aceite. El aceite presurizado del tanque de aceite ingresa al cilindro y empuja el pistón de relé hacia abajo. A medida que el pistón de relé se mueve, el husillo de la válvula de mariposa conectado a él también desciende y cierra parcialmente la válvula. De este modo, se pueden controlar los caudales de vapor. Cuando la carga sobre la turbina aumenta, las deflexiones en la palanca son tales que el puerto inferior se abre para la entrada de aceite y el puerto superior para la salida de aceite. El pistón de relevo se mueve hacia arriba y el vástago de la válvula de mariposa asciende abriendo la válvula. La variación de la tasa de consumo de vapor ṁ (kg/h) con la carga de la turbina durante el control de la mariposa es lineal y está dada por la “línea de Willan”. [1]
La ecuación de la recta de Willan está dada por:
Donde a es el caudal de vapor en kg/kWh , ' L' es la carga en la turbina en KW y C es el consumo de vapor sin carga.
En el control de boquillas, el caudal de vapor se regula abriendo y cerrando conjuntos de boquillas en lugar de regular su presión. [3] En este método, grupos de dos, tres o más boquillas forman un conjunto y cada conjunto se controla mediante una válvula independiente. La actuación de una válvula individual cierra el conjunto de boquillas correspondiente, controlando así el caudal. En una turbina real, el control de boquillas se aplica solo a la primera etapa, mientras que las etapas posteriores no se ven afectadas. [1] Dado que no se aplica ninguna regulación a la presión, la ventaja de este método radica en el aprovechamiento de la presión y la temperatura de la caldera completas. La figura 2 muestra el mecanismo de control de boquillas aplicado a las turbinas de vapor. [2] Como se muestra en la figura, los tres conjuntos de boquillas se controlan mediante tres válvulas independientes.
Ocasionalmente, la turbina se sobrecarga durante períodos breves. Durante esta operación, se abren las válvulas de derivación y se introduce vapor fresco en las últimas etapas de la turbina. Esto genera más energía para satisfacer la mayor carga. El esquema de regulación de la derivación se muestra en la figura 3.
La regulación combinada emplea el uso de cualquiera de los dos métodos de regulación mencionados anteriormente. Generalmente, se utilizan simultáneamente la regulación por derivación y por tobera para adaptarse a la carga de la turbina, como se muestra en la figura 3.
Cada turbina de vapor también está provista de reguladores de emergencia que entran en acción en las siguientes condiciones. [2]