O turbină cu abur cu extracție produce energie mecanică sau electricitate, deviatând o parte din debitul de abur într-una sau mai multe trepte intermediare. Aburul extras poate furniza căldură pentru un proces industrial, o rețea de termoficare sau echipamente din cadrul centralei electrice. Aburul care rămâne în turbină continuă să se destindă și produce putere suplimentară.

Diferența esențială este că extracția oferă o ieșire pentru abur înainte de evacuarea finală a turbinei. Aceasta poate pune la dispoziție căldură utilă pe lângă energie electrică, dar modifică și cantitatea de abur rămasă pentru a genera energie în aval. Avantajul acestei configurații depinde în mare măsură de necesarul de abur al amplasamentului și de variația acestuia în timp.

Cum funcționează o turbină cu abur cu extracție?

Aburul intră în turbină la o presiune și o temperatură relativ ridicate. Pe măsură ce trece prin rândurile succesive de palete, se destinde și transferă energie arborelui rotativ. Arborele poate antrena un generator sau echipamente mecanice, precum un compresor sau o pompă.

Într-o treaptă intermediară selectată, o parte din abur iese printr-un racord de extracție. Presiunea și temperatura acestuia depind de punctul de extracție și de condițiile de funcționare. Aburul rămas continuă să treacă prin treptele următoare până ajunge la evacuarea turbinei.

Să luăm în considerare o instalație care are nevoie de electricitate și de abur la presiune medie pentru un proces de producție. În loc să trimită tot aburul din cazan prin turbină până la presiunea minimă, instalația poate devia o parte din acesta la o presiune intermediară adecvată procesului. Aburul extras cedează căldură în echipamentele de proces, iar condensatul rezultat poate fi colectat și returnat în sistemul cazanului, dacă permit condițiile.

Extracția nu creează energie suplimentară. Aburul prelevat înainte de ultimele trepte ale turbinei nu mai poate produce energia pe care ar fi generat-o în acele trepte. Beneficiul potențial constă în utilizarea energiei termice rămase în aburul extras, în locul tratării acesteia ca deșeu termic.

Extracție controlată și necontrolată

Nu toate punctele de extracție funcționează în același mod. Într-o configurație cu extracție controlată, supapele și sistemele de control ale turbinei reglează condițiile din jurul punctului de extracție pentru a contribui la menținerea unei presiuni specifice a aburului pe măsură ce cererea se modifică. Acest lucru poate fi util atunci când procesul necesită o presiune de alimentare relativ stabilă. Debitul și presiunea de extracție realizabile depind în continuare de proiectarea turbinei și de limitele sale de funcționare.

Într-o configurație cu extracție necontrolată, aburul este preluat dintr-o treaptă intermediară fără reglarea dedicată a presiunii de extracție. Această presiune se modifică în funcție de sarcina turbinei și de debitul de abur. Extracția necontrolată poate fi potrivită atunci când echipamentele conectate pot tolera aceste variații, ca în cazul unor configurații de încălzire a apei de alimentare.

O turbină poate avea mai multe puncte de extracție, care furnizează abur la niveluri de presiune diferite. Totuși, fiecare racord suplimentar trebuie să se integreze în bilanțul general de abur și în sistemul de control. Nu trebuie presupus că fiecare punct de extracție poate furniza o presiune controlată independent.

Turbine cu extracție-condensare și extracție-contrapresiune

Extracția descrie locul din care aburul este preluat din turbină; prin ea însăși, nu descrie ce se întâmplă cu aburul rămas. Două configurații obișnuite se deosebesc prin condițiile finale de evacuare.

O turbină cu extracție-condensare trimite aburul rămas prin treptele de joasă presiune, apoi către un condensator. În condiții normale de condensare, condensatorul funcționează sub presiunea atmosferică, permițând o destindere mai mare și, prin urmare, generarea unei cantități mai mari de energie din aburul care nu este extras. Este necesar un sistem de răcire pentru evacuarea căldurii din condensator.

O turbină cu extracție-contrapresiune evacuează aburul rămas la o presiune mai mare decât cea atmosferică, pentru încălzire sau pentru un proces, în loc să îl evacueze într-un condensator cu vid. Prin urmare, aceasta poate furniza abur atât la un punct de extracție intermediar, cât și la evacuarea turbinei. Producția de energie este strâns legată de cantitatea de abur pe care o pot utiliza consumatorii de căldură conectați, cu excepția cazului în care sistemul mai larg oferă o altă cale adecvată de evacuare a aburului.

Aceste categorii sunt utile la analizarea descrierilor echipamentelor. De exemplu, gama Steam Turbine include configurații cu extracție-condensare și extracție-contrapresiune. Distincția este importantă, deoarece o instalație care necesită evacuarea aburului la presiune joasă pentru un proces are o configurație a sistemului de abur diferită de cea a unei instalații proiectate în jurul unui condensator.

Unde este utilizat aburul extras?

Cea mai cunoscută aplicație este cogenerarea, în care același sistem de abur susține atât producerea de electricitate, cât și încălzirea utilă. Extracția este utilizată și în centralele electrice, chiar și atunci când aburul nu este furnizat unui proces industrial extern.

• Industria celulozei și hârtiei: Aburul poate susține operațiuni precum uscarea și alte procese de încălzire, în timp ce turbina furnizează energie. Presiunea de extracție necesară depinde de rețeaua de abur a fabricii și de condițiile de funcționare.
• Instalații chimice și rafinării: Aburul la presiune intermediară poate fi utilizat pentru încălzire și alte necesități de proces. Poate fi necesar mai mult de un nivel de presiune, ceea ce face ca bilanțul de abur al amplasamentului să fie important pentru proiectarea turbinei.
• Producția de alimente și băuturi: Aburul extras poate furniza căldură pentru încălzire, gătire, uscare sau curățare, dacă există un sistem de abur adecvat. Pentru fiecare utilizare trebuie luate în considerare cerințele privind calitatea aburului și separarea acestuia de produs.
• Termoficare: Aburul extras poate încălzi apa în schimbătoare de căldură, pentru distribuirea acesteia către clădiri. Necesarul de încălzire variază în funcție de vreme și de anotimp, afectând atât debitul de extracție, cât și producția de electricitate.
• Centrale de producere a energiei: Aburul extras din treptele intermediare poate încălzi apa de alimentare a cazanului înainte ca aceasta să revină la generatorul de abur. Această configurație de încălzire regenerativă îmbunătățește performanța termodinamică a ciclului cu abur, deși reduce cantitatea de abur disponibilă pentru treptele ulterioare ale turbinei.
• Sisteme pe bază de biomasă, de valorificare energetică a deșeurilor și de recuperare a căldurii reziduale: Atunci când aceste surse produc abur adecvat, extracția poate susține atât un consumator de căldură, cât și producerea de energie. Valoarea configurației depinde de fiabilitatea și sincronizarea sursei de abur și ale cererii de căldură.

Aceste aplicații nu impun utilizarea extracției în orice instalație. O instalație fără o utilizare practică pentru aburul la presiune intermediară poate avea puține motive să devieze aburul de la turbină. În schimb, un amplasament cu o sarcină termică importantă poate beneficia de luarea în considerare a extracției ca parte a sistemului general de abur și energie.

Ce determină dacă extracția este o soluție potrivită?

Presiunea și temperatura aburului trebuie stabilite înaintea configurației turbinei. Consumatorul de căldură trebuie să primească abur în condiții pe care le poate utiliza, ținând cont de pierderile de presiune din conducte și echipamentele de control. Alegerea unui punct de extracție doar pentru că este disponibil pe o turbină poate duce la o presiune insuficientă pentru proces sau la utilizarea unui abur cu parametri inutil de ridicați.

Cererea de căldură și cea de energie trebuie analizate împreună. Dacă cererea de abur pentru proces crește, se poate extrage mai mult abur, lăsând mai puțin pentru producerea de energie în treptele din aval. Dacă cererea de căldură scade, sistemul trebuie să poată gestiona modificarea debitului. În limitele proiectate, o unitate cu extracție-condensare poate continua să trimită o cantitate adecvată de abur către condensator; o configurație cu contrapresiune necesită o utilizare adecvată sau o altă soluție pentru aburul evacuat.

Variațiile de funcționare sunt la fel de importante ca punctul de proiectare. Programele de producție, sarcinile sezoniere de încălzire, debitul cazanului și cererea generatorului se pot modifica. Debitele minime și maxime de extracție, domeniul de reglare a presiunii, limitele de încărcare ale turbinei și condițiile de pornire ajută la stabilirea capacității configurației de a deservi amplasamentul în condițiile acestor variații.

Configurațiile pentru condensat și răcire influențează întregul sistem. Recuperarea condensatului curat poate reduce necesarul de apă de adaos și poate economisi căldură, însă soluțiile de retur depind de condițiile procesului și de riscurile de contaminare. O turbină cu condensare necesită, de asemenea, un sistem adecvat de răcire și de gestionare a condensatului; aceste cerințe trebuie analizate împreună cu potențialul de producere a unei cantități mai mari de energie.

Prin urmare, o turbină cu extracție trebuie înțeleasă ca o soluție pentru repartizarea energiei aburului între producerea de energie și una sau mai multe utilizări termice. Potrivirea sa depinde nu doar de turbină, ci și de presiunile, debitele, programele de funcționare și echipamentele conectate ale întregului sistem de abur.