Turbine a vapore

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fin dagli inizi del secolo scorso le turbine a vapore si sono affermate come principale motore per la generazione  dell'energia elettrica, soppiantando i motori alternativi a vapore.
Solo negli ultimi anni il mercato delle turbine a vapore è stato raggiunto da quello delle turbine a gas, con le quali peraltro si “sposano” per l’uso nei cicli combinati.

Trattandosi di motori a combustione esterna, le turbine a vapore permettono l’uso dei combustibili più diversi (combustibili fossili, biomasse, energia nucleare, energia solare, ecc.) per la produzione di vapore d’acqua necessario al loro azionamento, inoltre l’elevata velocità di rotazione ne permette l’accoppiamento diretto con i generatori elettrici. Queste caratteristiche, unite al favorevole rapporto peso/potenza e all’affidabilità, ne hanno decretato la universale diffusione come sistema per la generazione termoelettrica. Esse sono costruite con taglie che vanno dai pochi kW di potenza fino e oltre potenze dell’ordine dei 1500 MW.

Il ciclo termodinamico tipico delle turbine a vapore è il ciclo a vapore Rankine con surriscaldamento (ciclo Hirn), dove il fluido di lavoro (tipicamente acqua demineralizzata) subisce le seguenti trasformazioni teoriche: riscaldamento isobaro (nel generatore vapore, dove il fluido vaporizza ed è poi surriscaldato); espansione isoentropica in turbina, raffreddamento e condensazione isobarica del vapore (nel condensatore), compressione isoentropica del fluido in fase liquida (pompe di alimentazione caldaia).

 

Con riferimento alle modalità di espansione del vapore, gli stadi di turbina si dividono in :


•    Stadi ad azione, dove l’intero salto entalpico è elaborato nello statore della macchina (turbina a impulso). Sono generalemnte usati in piccole turbine o come primi stadi delle turbine di medio-grandi dimensioni, grazie all'elevato salto entalpico producibile e grazie alla possibilità di regolazione della portata (parzializzazone del grado di ammissione del vapore). Le turbine ad azione pluristadio possno essere realizzate a "salti di velocità" oppure a "salti di pressione".

•    Stadi a reazione, dove l’espansione del vapore avviene sia nella parte statorica, sia nella parte rotorica o solo nella parte rotorica. L’accelerazione del fluido dovuta alla sua espansione nel rotore genera così un effetto di reazione che contribuisce a generare la spinta sulla palettatura. Gli stadi a reazione hanno rendimenti leggermente superiori a quelli ad azione e per questo sono ampiamente usati in ogni applicazione.

 

Per sommi capi, le turbine a vapore possono poi essere classificate come:

 

•    Turbine a condensazione. Il vapore è immesso in turbina e si espande in essa fino alla più bassa pressione possibile. In funzione del fluido raffreddante disponibile (es. corsi d'acqua, mare, aria), l'uso di un condensatore rende possibile il raggiungimento di pressioni di scarico turbina inferiori a quella atmosferica.
L’assetto in condensazione è volto a sfruttare l’intero salto entalpico disponibile ed è quello tipico degli impianti termoelettrici.
•    Turbine in contropressione. Sono tipicamente usate in applicazioni di processo, dove la portata di vapore è regolata a valle della turbina dalle esigenze di un ciclo produttivo. In turbina è quindi elaborata solo una parte del salto entalpico disponibile, lasciando la restante parte a disposizione per le esigenze del ciclo produttivo.

Le turbine a contropressione sono comuni nell’industria petrolchimica, nell’industria cartaria, negli impianti di teleriscaldamento, in quelli di desalinizzazione ecc. ossia laddove siano richieste ingenti quantità di vapore a pressioni relativamente basse. In questi casi risulta conveniente produrre vapore a pressioni più elevate di quelle strettamente necessarie, facendolo poi espandere prazialmente in turbina si riesce a generare tutta o parte dell'energia eletrtica necessaria per la produzione.


•    Turbine a singolo corpo: usato nelle realizzazione di media e piccole potenze: tutti gli stadi (o il singolo stadio) della turbina sono racchiusi in un'unica cassa.
•    Turbine a più corpi: al fine di ottimizzare le prestazioni, le turbine di maggiori dimensioni sono suddivise in più corpi (ad es. corpo di alta, media e bassa pressione). I diversi corpi di turbina possono essere calettati su di uno stesso albero (configurazione tandem) oppure su alberi diversi (cross compound), azionanti diversi generatori. In questo ultimo caso è possibile avere diverse velocità di rotazione sui diversi alberi, ottimizzando il dimensionamento dei diversi corpi di turbina.
•    Con lo sviluppo dei cicli combinati si realizzano oggi anche sistemi ibridi, con accoppiamento sullo stesso albero della turbina a gas con quella a vapore.


Le turbine a vapore sono ampiamente diffuse anche negli impianti di cogenerazione di media e grossa taglia, con diverse configurazioni d'impianto: sistemi a contropressione, cicli semplici o combinati con spillamento di vapore.