Turbinas Nucleares a Vapor

As turbinas a vapor têm a finalidade de converter a energia térmica do vapor em energia mecânica (ou de eixo). O vapor a alta pressão e temperatura é expandido nas turbinas a vapor por um processo de decréscimo de pressão e temperatura. À medida que ocorre o decréscimo, tem-se um aumento da energia cinética do vapor que então movimenta as pás das turbinas (NAG, 2008).

Para a turbina a vapor dada na Figura 3.12 são observados dois tipos de pás, sendo: as pás fixas que estão fixadas na carcaça da turbina a vapor e as pás moveis que estão fixadas no rotor da turbina. A função das pás (aumento da energia cinética ou diminuição da pressão) na conversão mecânica dependerá do princípio de funcionamento da turbina e dos respectivos estágios envolvendo as pás (BEREZNAI, 2005; BASSAS, 2011).

Figura 3.12- Esquema de uma turbina a vapor Fonte: Adaptado Bassas, 2011

As turbinas a vapor podem ser classificadas de acordo com a pressão de descarga do vapor, sendo que: as turbinas de contrapressão têm a pressão de descarga maior ou igual a pressão atmosférica, são chamadas também de Turbinas de Alta Pressão (TAP). As turbinas de condensação têm a pressão de descarga inferior a pressão atmosférica, também são chamadas de Turbinas de Baixa Pressão (TBP). No caso das centrais nucleares, as turbinas de condensação permitem gerar maior potência elétrica, resultado do maior salto entálpico obtido do vapor nos últimos estágios da turbina de baixa pressão (WOODRUFF et al., 2012).

Durante a expansão do vapor nas turbinas tem-se o aumento do volume específico do vapor e, consequentemente, um aumento dimensional nos estágios posteriores da turbina para

MPa para o estado de vapor saturado. Nestas condições, o volume especifico do vapor é de 0,03157 m3/kg. O vapor deixa a turbina nas condições de 7,16 KPa com título de 0,8985% e o volume específico do vapor nesse estado é de 18,06 m3/kg. Logo, o vapor aumenta aproximadamente 572 vezes de volume a partir da entrada para a descarga na TBP.

Para acomodar todo a expansão do vapor, normalmente o que se faz, é direcionar o vapor para um conjunto de turbinas a vapor de baixa pressão e realizar a alimentação das turbinas a vapor de alta e baixa pressão por fluxo duplo, garantindo-se assim, velocidades compatíveis das pás que caso contrário podem ocasionar vibrações excessivas e rupturas nos últimos estágios da turbina a vapor de baixa pressão (BEREZNAI, 2005).

Na Figura 3.13 é apresentada a disposição típica das turbinas nucleares a vapor para uma usina nuclear PWR com duplo fluxo.

Figura 3.13- Disposição típica das turbinas nucleares a vapor com fluxo duplo Fonte: Adaptado Bereznai, 2005.

O escoamento do vapor em fluxo duplo, além de permitir o dobro de vapor em um espaço comum, é utilizado levando-se em consideração os seguintes aspectos: evitar o tamanho excessivo das pás nos últimos estágios da turbina a vapor e também reduzir o esforço axial causado pela força do escoamento de vapor nas pás móveis da região de alta para a baixa pressão

Turbinas Nucleares a Vapor e suas Particularidades

Grande parte das experiências adquiridas para as turbinas nucleares a vapor são baseadas em projetos e operações das turbinas a vapor utilizadas nas usinas térmicas convencionais (HITACHI, 2006). Contudo, existem condições específicas de operação em aplicações nucleares que não estão presentes em tubinas convencionais, como o vapor úmido nos estágios das turbinas e a radiação carreada nos circuitos da usina nuclear (usinas nucleares BWR).

Para as usinas nucleares do tipo PWR, a principal diferença que ocorrem com as turbinas a vapor utilizadas em usinas térmicas convencionais está na qualidade de vapor admitida na turbina de alta pressão. As turbinas a vapor das usinas nucleares PWR operam em torno do vapor saturado, por isso muitas vezes são comumente chamadas de turbinas de vapor úmido (HITACHI, 2006). As turbinas a vapor de usisnas térmicas convencionais operam em elevadas temperaturas e pressões se comparadas com as turbinas a vapor das usinas nucleares PWR, por essas razões, o vapor é admitido na turbina de alta pressão já no estado superaquecido.

Na Figura 3.14 são apresentadas no diagrama de Mollier a expansão do vapor na turbina de alta pressão (TAP) e na turbina de baixa pressão (TBP) para as usinas térmicas convencionais e também para as usinas nucleares PWR. Assim, nota-se que a expansão do vapor nas turbinas nucleares de alta pressão ocorre totalmente na região bifásica (Líquido/Vapor) e, também, em parte para as turbinas de baixa pressão. No caso das turbinas a vapor das usinas térmicas convencionais, somente no fim da expansão do vapor nos últimos estágios das turbinas de baixa pressão (TBP) é que ocorre na região bifásica. À medida que o vapor se condensa, sua qualidade diminui. A umidade gerada na condensação do vapor além de causar perdas energéticas na turbina e, se não controlada, pode acarretar em uma rápida erosão das pás.

A fim de amenizar os efeitos causados pela condensação da água durante os estágios da turbina a vapor, esta é parcialmente extraída após cada estágio. As extrações de água permitem melhorar a qualidade do vapor no sistema e, também, minorar os processos corrosivos e erosivos nas pás das turbinas (BASSAS, 2011).

As perdas com o vapor úmido impactam diretamente no rendimento interno dos estágios da turbina a vapor. Assim, parte do fluido de trabalho que se encontra na fase líquida, além de não realizar trabalho útil na turbina a vapor, também freia ás pás. Um outro efeito resulta do choque em alta velocidade na borda de entrada das pás das gotículas; as gotas provocam uma

erosão intensa, diminuindo a resistência mecânica das pás e, consequentemente, a falha do equipamento (MAZURENKO et al., 2013).

Figura 3.14- Expansão do vapor no diagrama de Mollier para as turbinas a vapor de alta pressão (TAP) e de baixa pressão (TBP) considerando-se as usinas nucleares PWR e as

usinas térmicas convencionais Fonte: Adaptado de Alston Nuclear, 2013.