Consumo de Vapor em Turbinas

Recentemente o gerente de um cliente nos consultou reclamando que os valores teóricos de consumo de vapor das suas turbinas, os quais ele obteve através de valores de diferenças de entalpia retiradas de tabelas de vapor, não batiam com os valores informados pelos fabricantes das máquinas.

Para procurar entender as diferenças de consumo saquei da pasta o meu velho Diagrama de Mollier, deixando o meu interlocutor meio desconfiado, pois ele não podia acreditar que aquele velho pedaço de papel poderia ser mais preciso do que as modernas tabelas de vapor que ele dispunha.

Gosto de meu velho Mollier, aliás presente de 25 anos atrás do Dr. Alphonse Lambert, porque ele tem uma escala interessante: cada milímetro na escala da entalpia vale uma kcal, o que facilita muito a verificação do salto entálpico para o ciclo de uma dada turbina, usando uma régua simples.

É verdade que hoje em dia não se pode mais falar em kcal, deve ser kJ, e é verdade também que hoje em dia há programas de computador que determinam imediatamente os consumos das turbinas. Mas estes programas não estão disponíveis para todos nós, e vale a pena conhecer o método para avaliar os consumos específicos de vapor das turbinas usando o diagrama, em vez de logo pegarmos o telefone e ligarmos para o fabricante. A análise do diagrama tem a vantagem de nos proporcionar um panorama mais real de cada ciclo considerado.

O engenheiro que nos consultou não chegava a um resultado conclusivo porque para cada valor de pressão de escape da turbina existem vários valores de entalpia: depende da temperatura e, eventualmente, do título do vapor de escape. Ele estava adotando valores incorretos de entalpia no vapor de escape.

Podemos usar o diagrama de duas maneiras para um dado salto entálpico. Conhecendo ou admitindo a eficiência da máquina, podemos avaliar o seu consumo específico e determinar a temperatura do vapor na saída. Ou ao contrário, medindo a temperatura do vapor de escape, podemos avaliar a eficiência do equipamento para o mesmo salto entálpico.

A eficiência das turbinas depende logicamente da sua concepção. Podemos listar alguns exemplos.

As turbinas de simples estágio que acionam por exemplo diretamente bombas de alimentação de caldeiras tem pouca eficiência porque a velocidade periférica das palhetas é muito baixa, já que a sua rotação não passa de 3.600 rpm. Estas máquinas tem eficiência na faixa de 30% a 40%, dependendo da carga em que operam.

Turbinas de simples estágio que acionam preparo e moendas tem uma eficiência um pouco melhor, na faixa de 40% a 50%. Depende muito da carga e do regime de rotação. No preparo a rotação é constante, mas nas moendas pode haver variação em função de capacidade ou regulagem, e a turbina operando com rotação abaixo da nominal costuma perder em eficiência.

As turbinas de preparo e moenda de simples estágios modificadas para múltiplos estágios, prática muito comum ultimamente, conseguem obter eficiência na faixa de 65%, é o valor que temos comprovado na prática. Instalações mais modernas, com máquinas novas devidamente projetadas para esta aplicação, conseguem chegar a 70%.

Na casa de força as turbinas de múltiplos estágios de ação e de reação são as mais eficientes, pois operam com rotação constante e normalmente com carga alta. Podemos ir desde 75% nas máquinas de ação até 87% ou mais nas máquinas de reação.

Voltando ao diagrama, vamos discutir como determinar o consumo específico para um dado salto e uma dada eficiência.

Em primeiro lugar determinamos o ponto do vapor na entrada da turbina, por exemplo 30 bar absoluto e 400 C. Vamos ao diagrama e encontramos a entalpia deste ponto, no valor de 3240 kJ/kg. Vamos admitir sacar o vapor de escape no tradicional 2,5 bar absoluto (1,5 kg/cm² manométrico).

Sabemos que se a turbina fosse ideal, sem perdas e portanto com um ciclo reversível, o salto seria isoentrópico. Temos então que, a partir do ponto determinado para o vapor da entrada, caminhar no diagrama na vertical onde temos a entropia constante. Fazendo isso, ao chegarmos à pressão de 2,5 bar encontramos uma entalpia de 2670 kJ/kg. O salto entálpico ideal seria portanto de 3240 – 2670 = 570 kJ/kg.

Considerando uma eficiência da turbina por exemplo de 70%, o salto aproveitado seria de aproximadamente 400 kJ/kg. Ou seja, é como se aproveitássemos os primeiros 70% do comprimento da reta vertical que traçamos no diagrama. Potência é a energia na unidade de tempo, e como kW = kJ/s, para termos o consumo horário usual basta dividir 3600 / 400 = 9 kg/kW.h e chegamos ao consumo específico esperado desta máquina.

Se agora, sobre a mesma linha vertical traçada no diagrama, encontrarmos o ponto 3240 – 400 = 2840 kJ/kg e, a partir deste ponto, seguirmos na horizontal até encontrarmos a linha de pressão de 2,5 bar, vamos determinar a condição esperada da temperatura deste vapor, no caso de aproximadamente 182 C.

Quanto mais para a esquerda estiver localizado o ponto do vapor de escape, menor será a eficiência do ciclo, ou seja, será maior a variação da entropia. E vice-versa.

Seguindo a mesma linha de raciocínio, se para uma dada turbina medirmos a temperatura do seu vapor de escape, será possível através do diagrama avaliar a eficiência da mesma. Basta verificar qual foi o salto entálpico efetivamente obtido e dividir o mesmo pelo salto eltálpico que seria ideal (salto isoentrópico).

Se estamos lidando com uma turbina de extração, o mesmo método se aplica, bastando considerar a máquina como se fossem duas máquinas de contrapressão. No primeiro salto entálpico passa todo o vapor, no segundo salto entálpico passa o vapor da entrada menos o vapor da extração. Cada salto entálpico terá o seu consumo específico.

O diagrama nos permite também avaliar de forma gráfica, e portanto mais amigável, as variações de salto entálpico quando aumentamos a pressão e a temperatura do vapor.

Usar o diagrama naturalmente não dispensa a consulta aos fabricantes especializados quando estamos diante de uma decisão de compra por exemplo. Mas ele nos dá uma idéia muito precisa dos consumos específicos e das eficiências que estamos praticando. Normalmente, quando consultamos os fabricantes, os resultados vão estar sempre muito próximos daqueles avaliados com o diagrama.

Por outro lado, a monitoração constante do valor da temperatura do vapor de escape das turbinas pode nos dar uma indicação valiosa do consumo específico das máquinas, e desta maneira eventualmente tomar providências para otimizá-lo. Quanto mais perto das condições ideais de projeto a turbina estiver operando, mais para a esquerda o ponto do vapor de escape vai estar no diagrama.