Che cos’è una turbina a vapore a spillamento e dove viene utilizzata?

Una turbina a vapore con spillamento produce energia meccanica o elettricità, deviando una parte del flusso di vapore in una o più sezioni intermedie. Il vapore spillato può fornire calore a un processo industriale, a una rete di teleriscaldamento o alle apparecchiature della centrale stessa. Il vapore che rimane nella turbina continua a espandersi e produce ulteriore energia.

La caratteristica distintiva è che lo spillamento crea un’uscita del vapore prima dello scarico finale della turbina. Consente di fornire calore utile oltre all’energia, ma modifica la quantità di vapore che rimane per generare energia nelle sezioni successive. La convenienza di questa configurazione dipende soprattutto dal fabbisogno di vapore dell’impianto e da come varia nel tempo.

Come funziona una turbina a vapore con spillamento?

Il vapore entra nella turbina a pressione e temperatura relativamente elevate. Passando attraverso le successive file di pale, si espande e trasferisce energia all’albero rotante. L’albero può azionare un generatore o apparecchiature meccaniche, come un compressore o una pompa.

In una sezione intermedia selezionata, una parte del vapore fuoriesce attraverso un’apposita connessione di spillamento. La pressione e la temperatura dipendono dal punto di spillamento e dalle condizioni operative. Il vapore rimanente prosegue attraverso gli stadi successivi fino allo scarico della turbina.

Si consideri un impianto che necessita di elettricità e di vapore a media pressione per un processo produttivo. Invece di inviare tutto il vapore della caldaia attraverso la turbina fino alla pressione più bassa, l’impianto può deviarne una parte a una pressione intermedia adatta al processo. Il vapore spillato cede calore alle apparecchiature di processo; la condensa risultante può essere raccolta e reimmessa nel sistema della caldaia, quando le condizioni lo consentono.

Lo spillamento non crea energia aggiuntiva. Il vapore rimosso prima degli stadi finali della turbina non può produrre l’energia che avrebbe generato al loro interno. Il potenziale vantaggio consiste nell’utilizzare l’energia termica residua del vapore spillato, invece di considerarla calore di scarto.

Spillamento controllato e non controllato

Non tutti i punti di spillamento funzionano allo stesso modo. In una configurazione conspillamento controllato, valvole e sistemi di controllo della turbina regolano le condizioni attorno al punto di spillamento per contribuire a mantenere una pressione del vapore specifica al variare della domanda. Questa soluzione può essere utile quando un processo richiede una pressione di alimentazione relativamente stabile. La portata e la pressione di spillamento ottenibili dipendono comunque dalla progettazione della turbina e dai suoi limiti operativi.

In una configurazione conspillamento non controllato, il vapore viene prelevato da uno stadio intermedio senza una regolazione dedicata della pressione di spillamento. Tale pressione varia in funzione del carico della turbina e della portata di vapore. Lo spillamento non controllato può essere adatto quando le apparecchiature collegate sono in grado di tollerare queste variazioni, come avviene in alcuni sistemi di riscaldamento dell’acqua di alimentazione.

Una turbina può avere più punti di spillamento, per fornire vapore a diversi livelli di pressione. Ogni connessione aggiuntiva deve tuttavia essere compatibile con il bilancio complessivo del vapore e con il sistema di controllo. Non si deve presumere che ogni punto di spillamento possa fornire una pressione controllata in modo indipendente.

Turbine a condensazione con spillamento e turbine a contropressione con spillamento

Il termine spillamento indica il punto in cui il vapore viene prelevato dalla turbina; da solo, non descrive che cosa accade al vapore rimanente. Due configurazioni comuni si distinguono per le condizioni finali di scarico.

Unaturbina a condensazione con spillamento convoglia il vapore rimanente negli stadi di bassa pressione e poi a un condensatore. In normali condizioni di condensazione, il condensatore opera al di sotto della pressione atmosferica, consentendo un’espansione maggiore e quindi una produzione di energia più elevata dal vapore non spillato. È necessario un sistema di raffreddamento per dissipare il calore dal condensatore.

Unaturbina a contropressione con spillamento scarica il vapore rimanente a una pressione superiore a quella atmosferica, per un servizio di riscaldamento o di processo, anziché inviarlo a un condensatore sottovuoto. Può quindi fornire vapore sia da un punto di spillamento intermedio sia dallo scarico della turbina. La produzione di energia è strettamente legata alla quantità di vapore che gli utilizzatori di calore collegati possono accettare, a meno che il sistema più ampio non disponga di un’altra uscita adeguata per il vapore.

Queste categorie sono utili per esaminare le descrizioni delle apparecchiature. Ad esempio, la gamma diTurbine a vapore comprende configurazioni a condensazione con spillamento e a contropressione con spillamento. La distinzione è importante perché un impianto che richiede uno scarico di processo a bassa pressione ha una configurazione del sistema del vapore diversa da quella di un impianto progettato attorno a un condensatore.

Dove viene utilizzato il vapore spillato?

L’applicazione più nota è lacogenerazione, in cui lo stesso sistema a vapore supporta la produzione di elettricità e il riscaldamento utile. Lo spillamento è utilizzato anche all’interno delle centrali elettriche, anche quando non viene fornito vapore a processi industriali esterni.

• Industria della cellulosa e della carta: il vapore può alimentare operazioni come l’essiccazione e altri processi di riscaldamento, mentre la turbina fornisce energia. La pressione di spillamento richiesta dipende dalla rete del vapore e dalle condizioni operative della cartiera.
• Impianti chimici e raffinerie: il vapore a pressione intermedia può soddisfare esigenze di riscaldamento e altri fabbisogni di processo. Potrebbero essere necessari più livelli di pressione, rendendo importante il bilancio del vapore dell’impianto nella progettazione della turbina.
• Produzione di alimenti e bevande: il vapore spillato può alimentare processi di riscaldamento, cottura, essiccazione o pulizia, laddove sia disponibile un sistema a vapore adeguato. Per ogni utilizzo occorre considerare i requisiti di qualità del vapore e la sua separazione dal prodotto.
• Teleriscaldamento: il vapore spillato può riscaldare l’acqua negli scambiatori di calore per la distribuzione agli edifici. La domanda di calore varia in funzione del clima e della stagione, influendo sia sulla portata di spillamento sia sulla produzione di elettricità.
• Centrali di produzione di energia: il vapore spillato dagli stadi intermedi può riscaldare l’acqua di alimentazione della caldaia prima che ritorni al generatore di vapore. Questo sistema di riscaldamento rigenerativo migliora le prestazioni termodinamiche del ciclo a vapore, anche se riduce la quantità di vapore disponibile per gli stadi successivi della turbina.
• Sistemi a biomassa, di termovalorizzazione e di recupero del calore di scarto: quando queste fonti producono vapore idoneo, lo spillamento può alimentare un utilizzatore di calore oltre a consentire la produzione di energia. La convenienza della configurazione dipende dall’affidabilità e dalla tempistica sia della fonte di vapore sia della domanda di calore.

Queste applicazioni non implicano che ogni impianto debba ricorrere allo spillamento. Un impianto che non ha un utilizzo pratico per il vapore a pressione intermedia potrebbe avere pochi motivi per deviare il vapore dalla turbina. Al contrario, un sito con un carico termico significativo può trarre vantaggio dalla valutazione dello spillamento nell’ambito del sistema complessivo di vapore ed energia.

Quali fattori determinano l’idoneità dello spillamento?

La pressione e la temperatura del vapore vengono prima della configurazione della turbina. L’utilizzatore di calore deve ricevere vapore a condizioni adeguate al suo impiego, tenendo conto delle perdite di pressione nelle tubazioni e nelle apparecchiature di controllo. Scegliere un punto di spillamento solo perché disponibile sulla turbina può lasciare il processo con una pressione insufficiente o fornirgli vapore con caratteristiche termiche superiori al necessario.

La domanda di calore e quella di energia devono essere considerate insieme. Se aumenta la domanda di vapore di processo, è possibile che venga spillata una maggiore quantità di vapore e che ne rimanga meno per produrre energia negli stadi successivi. Se la domanda di calore diminuisce, il sistema deve poter gestire la variazione della portata. Un’unità a condensazione con spillamento può continuare a convogliare vapore idoneo verso il condensatore, entro i limiti di progetto; una configurazione a contropressione richiede un utilizzo adeguato o un’altra soluzione per il vapore di scarico.

Le variazioni operative sono importanti quanto il punto di progetto. I programmi di produzione, i carichi di riscaldamento stagionali, la produzione della caldaia e la domanda del generatore possono variare. Le portate minime e massime di spillamento, il campo di regolazione della pressione, i limiti di carico della turbina e le condizioni di avviamento contribuiscono a determinare se la configurazione può servire il sito anche in presenza di tali variazioni.

I sistemi di gestione della condensa e di raffreddamento influiscono sull’intero impianto. Recuperare condensa pulita può ridurre il fabbisogno di acqua di reintegro e conservare calore, ma le modalità di ritorno dipendono dalle condizioni di processo e dai rischi di contaminazione. Una turbina a condensazione richiede inoltre un sistema adeguato di raffreddamento e gestione della condensa; tali requisiti vanno considerati insieme al potenziale di una maggiore produzione di energia.

Una turbina con spillamento va quindi intesa come un mezzo per ripartire l’energia del vapore tra la produzione di energia e una o più utenze di calore. La sua idoneità dipende non solo dalla turbina, ma anche dalle pressioni, dalle portate, dai programmi operativi e dalle apparecchiature collegate dell’intero sistema a vapore.