UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
EXPERIENCIA 7: TURBINA DE VAPOR V APOR EXPERIMENTO DIRIGIDO POR: ING. MANUEL TOLEDO PAREDES PAREDES LABORATORIO DE INGENIERIA MECANICA 3 – 3 – MN MN 464 A
UNIDAD EJECUTORA: GRUPO 1
FECHA DE REALIZACION: 17 DE JUNIO DEL 2014. FECHA DE ENTREGA: 01 DE JULIO DEL 2014.
2 RESUMEN TECNICO
Las actividades del presente informe se realizaron el día 17 de Junio en el Laboratorio N°05 de la Universidad Nacional de Ingeniería en horas de la tarde: 1pm – 4 – 4 pm.
El grupo comenzó con una demostración de la Turbina de vapor Westinghouse, realizada por el Ing. Manuel Toledo Paredes, lamentablemente el equipo se encontraba en mal estado y no se pudo realizar la experiencia, es por esta razón que se recibieron datos experimentales experimentales anteriores, cuando el equipo funcionaba correctamente.
3 INDICE 1.- INTRODUCCION………………………………………………………....Pág. 4 2.- OBJETIVOS.………………………………………………………………Pág. 4 3.- FUNDAMENTO TEORICO………………………………………………Pág. 5 4.- APARATOS………………………………………………………………. Pág. 10 5.- PROCEDIMIENTO………………………………………………………. Pág. 12 6.- CALCULOS Y RESULTADOS……………………...………………….. Pág. 13 7.-CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES…………………………...Pág. 20 8.- BIBLIOGRAFIA………………………………………………………… .…Pág. 20
4 INTRODUCCION La turbina a vapor es una máquina que convierte la energía de calor en energía mecánica mediante la circulación del vapor de agua, en donde sus principales aplicaciones son: la generación eléctrica en centrales termoeléctricas; la industria, para el accionamiento de maquinarias como compresores, bombas etc.
Para cumplir este objetivo la turbina consta de un sistema de circulación del agua sobrecalentada calentada previamente en una caldera en la cual se logra altas temperaturas y presiones de la misma y que transforma la energía calorífica del agua en mecánica.
En este informe se ha realizado las pruebas en una pequeña turbina a vapor y se ha tomado apuntes de los datos obtenidos en ella para así obtener las gráficas requeridas las cuales serán analizadas para ver si estas concuerdan con las gráficas teóricas así también se da una breve explicación de cómo es el funcionamiento de la turbina.
5 OBJETIVOS 1) Analizar y comprobar la variación de los parámetros que definen el régimen de funcionamiento de la turbina de vapor frente a variaciones de carga y/o las presiones de descarga de las turbinas, girando a velocidad constante.
2) Familiarizarse con el aspecto físico y funcionamiento de una turbina vapor.
3) Identificar los principales parámetros de funcionamiento y los sistemas de regulación y control.
4) Evaluar el comportamiento de los principales parámetros de funcionamiento de la turbina (como por ejemplo eficiencia de expansión, eficiencia mecánica, etc.) en función de la carga aplicada.
6 1.
FUNDAMENTO TEORICO
La turbina de vapor es un motor de combustión externa o exotérmica en el que se aprovecha la expansión del vapor de agua; previamente producido en una caldera exterior.
El papel de la turbina de vapor consiste en transformar en energía mecánica la energía contenida en el vapor de agua bajo la forma de energía térmica y de energía de presión.
1.1. Principio de Funcionamiento La turbina de vapor puede definirse como una máquina térmica, en la cual la energía calorífica del vapor se transforma en energía cinética, en fuerza que desarrolla trabajo, al actuar el vapor sobre los álabes o paletas montadas en un elemento rotatorio.
La forma en que se produce trabajo en una turbina de vapor es: primero, el vapor de agua se expansiona en una tobera, durante la cual genera energía cinética; a continuación, el chorro de alta velocidad pasa por las paletas o álabes de la turbina que están diseñadas para cambiar la cantidad de movimiento del flujo de vapor; dicho cambio produce la fuerza impulsadora (energía mecánica), que hace girar el rodete que origina que se mueva el eje y que produzca energía mecánica.
1.2. Elementos de la Turbina La turbina de vapor consta de dos partes:
1) Dispositivo de expansión. 2) Rodete o rueda giratoria.
El dispositivo de expansión: Está constituido por una o varias toberas en reposo o directrices, en el cual la energía de presión se transforma en energía cinética.
El rodete: Esta provisto de alabes en su periferia, sobre las cuales incide el chorro del vapor, las cuales tienen por objeto transformar en energía mecánica de rotación la energía térmica y cinética puesta a su disposición.
7 1.3. Clasificación 1.3.1. Por la forma de actuar el vapor en el rodete
Turbinas de Acción o de Impuls os: En la cual toda la caída de presión ha tenido lugar en la tobera, y una parte de la energía cinética resultante del vapor en movimiento es absorbido por los álabes del rotor. Las toberas de las turbinas de acción no pueden cubrir la totalidad de la periferia del rotor, por cuya razón en un momento dado sólamente parte de los álabes de la turbina reciben la acción de los chorros de vapor (admisión parcial). Las primeras turbinas de este tipo eran las de Laval. Algunas turbinas de este tipo están en servicio, pero en la actualidad ya no se construyen, debido a que giran a velocidades comprendidas entre 10,000 y 30,000 r.p.m.
En una turbina de acción ideal el chorro de vapor que sale por una tobera debería llevarse al reposo en los álabes, y de esta suerte, cedería toda su energía cinética a los mismos. En las turbinas de acción reales esto no es imposible por razones de tipo constructivo. Por este motivo siempre se produce una pérdida de energía en las turbinas a causa de la velocidad residual o final del vapor al abandonar el rodete.
Turbinas de Reacción o de Parsons: En las turbinas de reacción teóricas, la expansión del vapor tiene lugar en los álabes. Las turbinas designadas comúnmente como turbinas de reacción emplean los dos principios fundamentales, es decir de acción y reacción. El vapor atraviesa un grupo de paletas fijas (estator), en las cuales tiene lugar cierta caída de presión. Al pasar por el grupo siguiente de paletas, las cuales son móviles, se produce una nueva caída de presión; la velocidad adquirida en las paletas fijas, y así mismo, la producida en las paletas del rotor, es absorbida por dicho rotor. En las paletas móviles tiene lugar una considerable expansión, y debido a que la presión no es la misma sobre ambas caras
de dichas
paletas, las turbinas
se denominan
de reacción.
Un
escalonamiento de turbina de reacción consta de un elemento fijo y otro móvil.
Turbinas Mixtas: Cuando una parte de la turbina está construida como acción y otra parte como de reacción.
8 1.3.2. Por la dirección del movimiento del vapor en relación con el rodete
Turbinas Axiales: En la
cual el
vapor
se mueve dentro del rodete en
dirección aproximadamente paralela al eje.
Turbinas Radiales: En las cuales el vapor se desplaza aproximadamente en sentido perpendicular al eje de la turbina.
Turbinas Tangenciales: En las que el vapor se desplaza tangencialmente al rodete.
1.3.3. Por el número y clase de escalonamiento
Turbina de un sólo rodete: Toda la caída de presión y velocidad debe ser absorbida en una sola rueda. No son muy eficientes pero sí sencillas y baratas.
Turbina de varios rodetes: Con
escalonamiento
de
velocidad,
con
escalonamiento de presión, con escalonamiento de presión y velocidad.
1.3.4. Por el número de alabes que reciben el vapor
Turbina de Admisión Total: Cuando el vapor llena por completo los álabes del distribuidor.
Turbina de Admisión Parcial: Si el vapor llena sólo una parte de los álabes.
1.3.5. De acuerdo con las condiciones del vapor de escape
Turbinas de escape libre: El vapor sale directamente a la atmósfera.
Turbina de Contrapresión: La presión de escape del vapor es superior a la presión atmosférica debido a que se instala otro equipo que recibe los vapores de escape.
Turbinas Combinadas: Una parte del vapor se sustrae de la turbina antes de su total expansión, utilizándolo para calefacción u otras máquinas o procesos; el resto continua su evolución normal, y a la salida pasa a la atmósfera o al condensador.
Turbina de Condensador: Si a la salida de la turbina el vapor pasa por un condensador, la presión de escape del vapor es menor a la presión atmosférica.
9 1.4. Aplicaciones Las turbinas de vapor tienen sus principales aplicaciones en Centrales Termoeléctricas, para la generación de fuerza electromotriz (fem), esto debido al fácil mantenimiento de la instalación. También es muy usado para el accionamiento de bombas centrífugas y ventiladores, en donde resulta indispensable reducir la velocidad de giro.
Para cada una de estas aplicaciones es necesario e imprescindible el uso de la energía primaria de una fuente como la energía química de un combustible o la energía atómica de un reactor. Como se dijo anteriormente las plantas de generación de energía a partir del vapor de agua, ocupan actualmente un sitial importante en relación con las plantas térmicas de generación de energía utilizadas por el hombre. Es por ello que es necesario darle mucha importancia al estudio de los principios establecidos para las máquinas térmicas que tienen su idealización en la máquina de Carnot.
1.5. Regulación de las turbinas de vapor Las turbinas de vapor se regulan admitiendo más o menos vapor en sus rodetes de acuerdo con las necesidades de carga. Esta admisión de vapor se realiza de dos formas diferentes, una por estrangulamiento otra por control de tobera. La regulación consiste en mantener constante la velocidad de giro de la turbina al variar la carga, esto en las centrales de turbinas en el caso de generadores de corriente alterna, se exige la constancia de la frecuencia, para lo cual debe mantenerse con mucha exactitud la velocidad de la turbina.
El control del vapor por estrangulamiento es el más utilizado, sobre todo en turbinas de pequeña y mediana potencia, debido a que su costo inicial es menor, ya que su mecanismo es menos complejo. En este tipo de control el vapor suministrado es estrangulado antes de llegar a las toberas de la primera etapa y se disminuye la presión de admisión. Por el contrario, en el regulador por estrangulamiento todo el vapor pierde presión antes de alcanzar la turbina, cuando ésta trabaja con carga parcial. El control de vapor por medio de toberas; la regulación de entrada de vapor se realiza mediante las toberas de todas las etapas y se van abriendo o cerrando según requiera la carga. Su ventaja es que permite utilizar el vapor a una presión casi igual a la presión de la caldera debido a la estrangulación realizada solo en la válvula que está parcialmente abierta.
10 1.6. Ventajas generales de las turbinas de vapor Si se comparan con las máquinas reciprocantes, las turbinas de vapor requieren menos espacio, cimentaciones más ligeras y menos atención; tienen un consumo de aceite de lubricación más bajo, no requieren lubricación interna, el vapor de escape sale libre de aceite; no tienen masas reciprocantes ni, en consecuencia, sus correspondientes vibraciones; tienen un par de torsión uniforme; con excepción de los rodamientos, no tienen partes sujetas a fricción; tienen gran capacidad de carga, alta seguridad, bajos costos de mantenimiento, excelente regulación; tienen capacidad para operar a temperaturas de vapor mayores y para obtener la expansión a presiones de escape menores que las máquinas reciprocantes. La capacidad de las turbinas de vapor sencillas es bastante más elevada que la de cualquier otro tipo de máquinas de similar costo, mientras que para las unidades más grandes el costo de las turbinas es inferior al costo de las reciprocantes y pueden construirse en capacidades nunca alcanzadas por éstas. Las turbinas de gas tienen muchas de las ventajas aquí mencionadas para las de vapor, pero no se encuentran disponibles en capacidades que excedan los 100 MW.
11 2.
INSTRUMENTOS Y EQUIPOS UTILIZADOS
La unidad para demostración en laboratorios WESTINGHOUSE, es una central térmica en miniatura y consta de:
Sobrecalentador Eléctrico de 3 secciones constituidas de acero al carbono, cada una de las cuales tiene un control independiente y cada una consume 1305 W a 230 V.
Turbogenerador:
a) Turbina y Generador
12
b) Condensador y Bomba de Condensado
c) Tablero de Control
13 d) Cama de Resistencias amperímetro y voltímetro.
e) Instrumentación : Termómetros Manómetros Un cronómetro
14 3.
PROCEDIMIENTO
La característica básica del ensayo es la de mantener el voltaje y la velocidad de rotación constantes, 110V y 3750 RPM respectivamente, variando la carga desde cero hasta el mayor valor que nos permita mantener estas condiciones constantes:
1) Se hace circular el agua de refrigeración del condensador, abriendo la válvula de entrada. 2) Se abre ligeramente la válvula principal de entrada de vapor. 3) Abrir las válvulas de purga tanto de la turbina como de la línea principal de suministro de vapor. 4) Cerrar las válvulas de purga. 5) Se abre totalmente la llave principal de entrada de vapor. 6) Se conectan los sobrecalentadotes. 7) Se regula la velocidad de rotación de la turbina mediante el regulador de accionamiento manual hasta obtener una lectura de 110 V en el voltímetro. 8) Tomar datos. 9) Una vez concluido el ensayo se procede a descargar la turbina en forma gradual.
Datos a tomar:
1) Presión de entrada del vapor. 2) Presión de salida del vapor. 3) Voltaje 4) Amperaje 5) Temperatura de entrada del vapor 6) Temperatura de salida del vapor 7) Temperatura del condensado 8) Temperatura de entrada del agua de refrigeración. 9) Temperatura de salida del agua de refrigeración. 10) Masa de condensado 11) Tiempo de condensado 12) Masa de agua de refrigeración. 13) Carga aplicada.
15 4. FORMULAS UTILIZADAS
4.1. Eficiencia de Expansión
Donde: -
WR : Trabajo Real
-
WI
: Trabajo Ideal
-
h2
: Entalpía del vapor a la entrada de la turbina (kJ/kg).
-
h3R : Entalpía real del vapor a la salida de la turbina (kJ/kg).
-
h3i
: Entalpía isentrópica del vapor a la salida de la turbina (kJ/kg).
4.2. Eficiencia Mecánica
Donde: -
BHP: Potencia al eje (gráficas del fabricante).
-
W R
-
mc
: Potencia Real del Vapor
: Masa del Condensado
4.3. Consumo Específico de Vapor
Donde: -
VI :
Carga
16 5.
RESULTADOS OBTENIDOS
5.1. Datos del funcionamiento de l a turbina de vapor S IN E YE CTOR N°
T1 (°C) 193
P2 (psi) 45
P3 (psi) 0.5
T2 (°C) 98
Te,H2O (°C) 21
Ts,H2O (°C) 31.5
Tc (°C) 54
Vc (ml) 320
tc (seg) 15
ΔP (mmHg) 38.5
V (volts) 110
I (A)
1
P1 (psi) 87
Pcal (psi)
4
mV (lb/h) 100 219.1
2
86
193
48
0.5
98
20.5
32.0
54
353
15
39.0
110
5
111 220.1
3
86
197
55
0.5
98
20.5
33.0
56
375
15
38.5
110
6
102 240.2
4
85
192
59
0.5
98
20.5
33.5
58
380
15
38.5
110
7
115 250.7
5
86
195
64
0.5
98
20.5
34.0
58
430
15
38.5
110
8
97 268.4
6
86
192
68
0.5
98
20.5
35.0
60
455
15
38.4
110
9
114 275.7
7
86
187
70
0.5
98
20.5
35.5
60
470
15
38.5
110
10
106 285.6
CON EYECTOR N°
T1 (°C) 199
P2 (psi) 37
P3 (psi) -8.0
T2 (°C) 95.0
Te,H2O (°C) 20.5
Ts,H2O (°C) 35.5
Tc (°C) 50
Vc (ml) 265
tc (seg) 15
ΔP (mmHg) 36.5
V (volts) 110
I (A)
1
P1 (psi) 84
Pcal (psi)
4
mV (lb/h) 101 226.1
2
85
197
44
-10.5
94.5
20.5
36.0
48
315
15
36.6
110
6
114 256.8
3
87
196
55
-9.0
96.0
20.5
33.0
52
365
15
36.0
110
8
100 286.6
4
84
201
64
-10.0
100.0
20.5
34.5
54
385
15
36.5
110
10
115 312.7
17 5.2. Resultados numéricos obtenidos SIN EYECTOR PT O
m v
Carga
[K g /h] [K W]
Ce
H2
H3 r eal
H3 ideal [ηexp] Pot. al eje
[K g /kW -h] [K J /K g ] [K J /K g ] [K J /K g ]
[%]
K W
Pot. real de vapor
η mecánica
[K W]
[%]
1
86.7
0.44
197.1
2770
2681.8
2514.2
34.5
0.74
2.12
34.71
2
96.9
0.55
176.2
2770
2679.8
2501.8
33.6
0.87
2.43
35.91
3
105.1
0.66
159.3
2770
2681.8
2479.5
30.4
0.97
2.58
37.6
4
110.2
0.77
143.2
2765.2
2683.9
2473.5
27.9
1.08
2.49
43.39
5
114.8
0.88
130.4
2768.9
2679.8
2459.3
28.8
1.21
2.84
42.49
6
125
0.99
126.2
2768.9
2677.8
2442.2
27.9
1.33
3.16
42.17
7
130.7
1.1
118.8
2770
2681.8
2438
26.6
1.45
3.2
45.37
CON EYECTOR
PT O
m v
Carga
Ce
H2
H3 real H3 ideal [ηexp] Pot. al eje
[K g /h] [K W] [K g /kW -h] [K J /K g ] [K J /K g ] [K J /K g ]
[%]
K W
Pot. real de vapor
η mecánica
[K W]
[%]
1 81.994
0.66
124.2333
2816.9
2700
2204.68 15.847
1.954
2.540
30.002
2 92.089
0.77
119.5962
2850.9
2730
2172.4 15.995
2.0618
2.722
31.988
3 90.707
0.88
103.0765
2848.6
2741
2210.81 16.876
2.1696
2.982
35.221
4 67.312
0.99
67.99211
2846
2742.8
2219.61 16.467
2.2774
3.022
35.785
17 5.2. Resultados numéricos obtenidos SIN EYECTOR PT O
m v
Carga
[K g /h] [K W]
Ce
H2
H3 r eal
H3 ideal [ηexp] Pot. al eje
[K g /kW -h] [K J /K g ] [K J /K g ] [K J /K g ]
[%]
Pot. real de vapor
η mecánica
[K W]
[%]
K W
1
86.7
0.44
197.1
2770
2681.8
2514.2
34.5
0.74
2.12
34.71
2
96.9
0.55
176.2
2770
2679.8
2501.8
33.6
0.87
2.43
35.91
3
105.1
0.66
159.3
2770
2681.8
2479.5
30.4
0.97
2.58
37.6
4
110.2
0.77
143.2
2765.2
2683.9
2473.5
27.9
1.08
2.49
43.39
5
114.8
0.88
130.4
2768.9
2679.8
2459.3
28.8
1.21
2.84
42.49
6
125
0.99
126.2
2768.9
2677.8
2442.2
27.9
1.33
3.16
42.17
7
130.7
1.1
118.8
2770
2681.8
2438
26.6
1.45
3.2
45.37
CON EYECTOR
PT O
m v
Carga
Ce
H2
H3 real H3 ideal [ηexp] Pot. al eje
[K g /h] [K W] [K g /kW -h] [K J /K g ] [K J /K g ] [K J /K g ]
[%]
Pot. real de vapor
η mecánica
[K W]
[%]
K W
1 81.994
0.66
124.2333
2816.9
2700
2204.68 15.847
1.954
2.540
30.002
2 92.089
0.77
119.5962
2850.9
2730
2172.4 15.995
2.0618
2.722
31.988
3 90.707
0.88
103.0765
2848.6
2741
2210.81 16.876
2.1696
2.982
35.221
4 67.312
0.99
67.99211
2846
2742.8
2219.61 16.467
2.2774
3.022
35.785
18 5.3. Gráficas
CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA 140 120 CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA SIN EYECTOR
100
CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA CON EYECTOR
80 60
Lineal (CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA SIN EYECTOR)
40 20
Lineal (CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA CON EYECTOR)
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
POTENCIA
CONSUMO DE ESPECIFICO DE VAPOR VS POTENCIA
18 5.3. Gráficas
CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA 140 120 CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA SIN EYECTOR
100
CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA CON EYECTOR
80 60
Lineal (CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA SIN EYECTOR)
40 20
Lineal (CONSUMO DE VAPOR VS POTENCIA CON EYECTOR)
0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
POTENCIA
CONSUMO DE ESPECIFICO DE VAPOR VS POTENCIA 250
200
CONSUMO ESPECIFICO DE VAPOR SIN EYECTOR VS POTENCIA
150 I
CONSUMO ESPECIFICO DE VAPOR VS POTENCIA CON EYECTOR
I
100
Polinómica (CONSUMO ESPECIFICO DE VAPOR SIN EYECTOR VS POTENCIA)
50
Polinómica (CONSUMO ESPECIFICO DE VAPOR VS POTENCIA CON EYECTOR)
0 0
0.2
0.4
0.6
POTENCIA
0.8
1
1.2
19 EFICIENCIA DE EXPANSION (%) VS POTENCIA (kw) 40 35 EFICIENCIA DE EXPANSION CON EYECTOR
I 30
25 EFICIENCIA DE EXPANSION SIN EYECTOR
I
20 15
Polinómica (EFICIENCIA DE EXPANSION CON EYECTOR)
I
I 10
Polinómica (EFICIENCIA DE EXPANSION SIN EYECTOR)
5 0 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
POTENCIA
EFICIENCIA MECANICA VS POTENCIA 50 45 40 (
EFICIENCIA MECANICA VS POTENCIA SIN EYECTOR
35 I
30
EFICIENCIA MECANICA VS POTENCIA CON EYECTOR
25 I 20
Polinómica (EFICIENCI A MECANICA VS POTENCIA SIN EYECTOR)
I 15 I
10
Polinómica (EFICIENCIA MECANICA VS POTENCIA CON EYECTOR)
5 0 0
0.2
0.4
0.6
POTENCIA
0.8
1
1.2
20 CONCLUSIONES 1) Se ha comprobado que el flujo másico de vapor se incrementa, con el aumento de la demanda de potencia eléctrica (carga eléctrica) y viceversa. Se sabe que para que el voltaje inducido en el generador sea constante (110 V), el número de revoluciones debe ser constante, lo que frente a variaciones de carga demandada,
deja
sólo
como
parámetro
variable
al
torque
mecánico,
“traduciéndose” dicha variación en el aumento o disminución del flujo de vapor demandado a la caldera.
2) Asimismo se comprueba también, que el consumo específico de vapor, decrece hasta un valor mínimo óptimo, para aumentar posteriormente más allá de este valor. Es este valor uno de los parámetros nominales del régimen de funcionamiento de la turbina, que significa que se consigue un valor de potencia generada máxima, frente a un mínimo consumo de vapor.
3) Tanto la eficiencia del turbogenerador y la eficiencia mecánica de la turbina, se incrementan a medida que la carga eléctrica aumenta, hasta llegar a un punto máximo,
para
luego
decrecer
paulatinamente.
Dicha
disminución
es
consecuencia de que a medida que la potencia eléctrica demandada es mayor, las pérdidas van en aumento, consumiendo gran parte de la potencia generada por el vapor en la turbina, disminuyendo a la potencia útil entregada.
21 BIBLIOGRAFIA 1) Manual de Laboratorio de Ingeniería Mecánica III, UNI-FIM 2) Turbinas a Vapor, A.V. Schegliáiev 3) Turbinas a Vapor y Gas, Lucien Vivier