Efecto valvulas sobre rendimiento

Hipótesis y Factores que más afectan al
rendimiento
2.5 Efecto sobre el rendimiento de las válvulas de control
Existen numerosas formas de regular la potencia generada por una turbina de vapor. No
obstante, en turbinas de gran tamaño, estas formas se reducen esencialmente al control de
gasto másico mediante válvulas de regulación que pueden ser única (raramente) o múltiples
(caso más frecuente). En este último caso se puede hablar de:


Admisión por arcos parciales
o La periferia de la corona del primer estator se divide en segmentos discretos,
cada uno con su válvula de control.
o Las válvulas son activadas de modo secuencial, si bien es frecuente que haya
cierto solape de manera que una empieza a cerrar cuando la anterior aún no
ha cerrado por completo.
o Es el método más utilizado.
Admisión por arco completo
o El vapor es admitido en la totalidad de la periferia de la corona del primer
estator.
o Apertura gradual de todas las válvulas de control simultáneamente.
o Este método provoca más pérdidas de carga por estrangulación, ya que en
todos los grados de carga que no sea plena carga, todas las válvulas están
estrangulando el flujo de vapor, mientras que en arcos parciales, en cada
grado de carga parcial solo son 1 ó 2 válvulas las que están estrangulando el
flujo de vapor.
En las siguientes figuras podemos observar ambas opciones constructivas:
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Figura 28. Admisión del estator del primer
escalonamiento (regulación) en modo de
operación secuencial[14]
Figura 29. Admisión del estator del primer
escalonamiento (regulación) en modo de
operación de admisión simple[14]
En el caso de admisión por arcos parciales, cada válvula se opera independientemente
a las demás, siguiendo una secuencia. En el caso de admisión por arco completo, todas las
válvulas se cierran a la vez.
Debido a los arcos inactivos en admisión por arcos parciales, a carga completa se
comporta con un rendimiento peor que la admisión por arco completo.
La comparación entre rendimiento a plena carga y carga parcial se puede observar en
la siguiente gráfica:
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Figura 30. Comparativa de rendimientos del cuerpo de alta presión a
carga parcial[14]
Como se puede apreciar, a plena carga apenas hay diferencias entre ambos sistemas
pero a carga parcial el sistema de admisión parcial es más efectivo. No obstante, además del
rendimiento existen otros factores a considerar, como son:

La admisión por arcos parciales conlleva un potencial riesgo de fallo por fatiga térmica
del primer escalonamiento, con lo cual, el coste del primer escalonamiento es mayor.
Este fenómeno tiene lugar porque al entrar el vapor sólo por algunos arcos de
admisión, estando los demás cerrados, la entrada de vapor al primer escalonamiento
es irregular ya que hay segmentos del rotor en los que el vapor si pasa y otros por los
que no, con lo cual hay alabes con que tienen variaciones de temperatura al pasar por
zonas por donde pasa el vapor y zonas por las que no.
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
El diseño del primer escalonamiento se complica a medida que aumenta el flujo
(volumétrico y másico) de entrada.
Por estas razones puede ser que no compense la ganancia de rendimiento de la
admisión por arcos parciales frente al aumento de precio del primer escalonamiento del
cuerpo de alta presión. Para evitar estos efectos negativos en cierta medida, se puede diseñar
de tal modo que varias válvulas actúen simultáneamente. La diferencia de rendimiento según
se opere con distintas configuraciones de válvulas se puede ver en la siguiente gráfica, que
representa el cambio de consumo específico de calor frente al porcentaje de carga (teniendo
en cuenta que el consumo específico de calor es inversamente proporcional al rendimiento):
Figura 31. Efecto de los distintos modos de admisión en el consumo específico de
calor[14]
Esta gráfica corresponde a una turbina de vapor de combustible fósil. Para una turbina
nuclear, las diferencias de rendimiento (calor específico) son mayores. Dicho fenómeno se
explica por el menor salto entálpico disponible en una turbina nuclear, con lo cual, cualquier
variación del salto entálpico es mayor en proporción con el salto entálpico total.
Se puede observar como a mayor número de arcos de admisión, podemos funcionar a
un grado de carga más parcial (menor grado de carga) con mayor rendimiento. Este fenómeno
se explica debido a que al estar cerrado un arco de la admisión, no existe caída de presión
debida al estrangulamiento. En el caso de estar funcionando a una carga que requiera que
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alguna de las válvulas este medio abierta, si se opera de forma puramente secuencial, la caída
de presión es mayor que si se solapa la abertura de válvulas ya que por la válvula medio
abierta pasa mucha cantidad de flujo volumétrico (al estar el vapor estrangulado, su volumen
específico aumenta), con lo cual el rendimiento disminuye. Esto ocurre sobre todo a grados de
carga bajos, ya que es mayor el porcentaje de gasto volumétrico que pasa por las válvulas
medio abiertas. Por lo tanto en grados de carga altos (cercanos a plena potencia) se debe
operar de manera secuencial, mientras que para grados de carga bajos, solapar la abertura de
válvulas es la opción más conveniente, a fin de prevenir velocidades de vapor excesivas y que
no se vea el rendimiento disminuido.
Sabiendo el grado de carga al que funcionará la turbina durante la mayor parte de su
vida útil, podemos escoger el modo de funcionamiento que más convenga para disminuir
costes de combustible, si bien teniendo en cuenta que un aumento del número de sectores
conlleva un incremento del coste de la turbina.
El rendimiento del cuerpo de alta presión queda definido de la siguiente forma en
función de la relación de gastos (respecto del gasto nominal):
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Figura 32. Rendimiento del cuerpo de alta presión a carga parcial con medición de
válvulas[14]
Como se puede observar, al cerrar una válvula, el rendimiento decrece, de ahí que se
operen de forma secuencial. Esto ocurre porque al cerrar la válvula, en ese arco, la presión
antes del escalonamiento es aproximadamente igual que después del escalonamiento, con lo
que la energía disponible en esa zona del escalonamiento es muy pequeña, con lo que la
velocidad absoluta en ese punto es cuasi-nula, con lo que la relación cinemática de velocidades
se vuelve muy grande:
𝑐2 ≅ 0 →
𝑢
= 𝜎 ↑↑
↓↓ 𝑐𝑦2
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Cómo se comprobó en la hipótesis 3, sobre rendimiento del primer escalonamiento, la
relación cinemática de velocidades óptima para un escalonamiento de acción, es 0.5. Al
aumentar la relación cinemática de velocidades por encima de la unidad, el rendimiento se
vuelve negativo en esa zona del primer escalonamiento como se puede observar en la
siguiente gráfica:
Figura 33. Rendimiento del escalonamiento de regulación (acción)
frente a la relación cinemática de velocidades[14]
Como se puede ver, en esa zona del primer escalonamiento, el rendimiento es
negativo, produciéndose un fenómeno de frenado, nulo cuando la válvula está cerrada, ya que
en ese momento no hay flujo a través de esa zona con rendimiento negativo, pero a medida
que abre la válvula hay mayor flujo, con lo que ya existe ese fenómeno de frenado. La
ponderación de ese arco con rendimiento negativo con los demás arcos con las válvulas
completamente abiertas (rendimiento positivo), nos da el rendimiento global del
escalonamiento.
Por otro lado, el control por válvulas posee dos ventajas muy importantes:

La primera de ellas es que al controlar el flujo de vapor con válvulas, éstas retienen
parcialmente (tanto más cuanto menor es el grado de apertura) las partículas sólidas
que arrastra el vapor, con lo cual se reduce la erosión por partículas sólidas en el
primer escalonamiento. Esta erosión se traslada entonces al asiento de las válvulas,
que son mucho más baratas de reparar que el primer escalonamiento.
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
La otra ventaja es que al controlar el gasto con válvulas se disminuyen los esfuerzos
sobre la turbina ocasionados por el vapor que entra a la misma ya que disminuye la
velocidad de entrada al primer escalonamiento.
Para estimar el rendimiento debido a la posición de las válvulas, tenemos que hallar en
qué posición se encuentran, para ello existen dos metodologías:


La primera sería por el método LVP (locus-of-the-valve point) que es por la posición
real de las válvulas. En esta forma de operar, las válvulas son cerradas de forma
secuencial y el rendimiento se estima a partir de la posición real de cada válvula.
Existe otra forma de cálculo que sería mediante el método MVL (mean-of-the-valve
loop) en la cual se estima el rendimiento de la turbina en función de la posición media
de las válvulas. Este modelo es más sencillo ya que la línea de actuación de las válvulas
no se calcula con detalle sino de manera simplificada. En este caso, el autor ha optado
por usar el método MVL ya que se trata de un modelo de apertura de válvulas más
simple.
Se ilustra a continuación ambas formas de operar las válvulas:
Figura 34. Modos de funcionamiento del sistema de control[20]
Como se puede observar, todavía se sigue utilizando el mismo modelo de estimación
del rendimiento debido a la regulación por válvulas desarrollado hace varias décadas. En el
trabajo de Spencer, Cotton y Cannon solo se tiene en cuenta el método de mean-of-the-valve
loop (MVL) si bien existe una corrección que permite incorporar el error por no utilizar la
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estimación más exacta según el modelo locus-of-the-valve-loop (LVP).En el programa
desarrollado para este proyecto, se usa únicamente el método de MVL.
No habría que hacer correcciones de importancia al coeficiente de corrección, ya que
el propio Cotton en su libro Evaluating and Improving Steam Turbine Performance incluye la
misma gráfica de corrección que aquella usada en el artículo, con lo que no han habido
cambios significativos en dicho aspecto. Actualmente no existen métodos sencillos para
estimar la línea real de operación de válvulas con respecto al grado de carga, con lo que el
método usado en el programa (MVL) sigue estando vigente, ya que es un método sencillo y
proporciona una buena aproximación.
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