Funcionamiento y aplicaciones de los turbogeneradores

Introducción

Un turbogenerador es un generador eléctrico de gran tamaño impulsado por una turbina de vapor, una turbina de agua o una turbina de gas para generar energía eléctrica. Las aplicaciones de los turbogeneradores son fundamentales para el funcionamiento de la sociedad contemporánea, ya que la producción de electricidad es fundamental. Este proceso convierte una variedad de formas de energía en electricidad utilizable, asegurando un suministro constante y eficiente para diversos sectores industriales, comerciales y residenciales

La generación a gran escala de electricidad es a través del empleo de turbinas de vapor conectadas a generadores eléctricos, particularmente en la infraestructura de las centrales eléctricas. En este artículo se expone los conceptos básicos y fundamentales sobre qué es un turbogenerador, sus tipos y funcionamiento mediante el cual se aprovecha de la energía mecánica para transformarla en energía eléctrica. También se desarrolla cuáles son las aplicaciones de los turbogeneradores en diferentes secciones y en los avances tecnológicos que impulsan la innovación en este campo.

Conceptos y fundamentos teoricos de los turbogeneradores

¿Qué es un turbogenerador?

Un turbogenerador, también conocido como turboalternador, es un generador eléctrico que transforma energía mecánica en energía eléctrica al conectarse al eje de una turbina de gas o vapor. Estas máquinas se utilizan en una amplia gama de aplicaciones residenciales e industriales y pueden configurarse para funcionar con diferentes tipos de combustibles, como vapor, electricidad y varios biocombustibles.

A continuación, se presenta la nueva innovación tecnológica de WEG SA en turbogeneradores de flujo axial ST 40 de 62,5 MVA, sistema hidráulico, paneles de control y automatización. Esta solución aumentará la eficiencia energética de las plantas.

Componentes de un turbogenerador

El turbogenerador consta de varios componentes, que incluyen:

• Estator: Es la parte fija de un generador eléctrico, responsable de crear el campo magnético en el cual gira el rotor. Está compuesto por un núcleo de laminaciones de acero de alta calidad, generalmente acero al silicio, que minimiza las pérdidas por corrientes parásitas y mejora la eficiencia.
• Núcleo del estator: Laminaciones delgadas que reducen las corrientes parásitas y proporcionan soporte mecánico eficiente al transportar flujo magnético.
• Marco del estator: Parte pesada que reduce la vibración y soporta la presión térmica del gas.
• Devanado del estator: Incluye un devanado trifásico y de doble capa para reducir armónicos.
• Eje del rotor: Pieza sólida de acero fundido al vacío con ranuras para el devanado de campo.
• Cojinete:Son elementos mecánicos que soportan el rotor, permitiendo su rotación suave y estable dentro del estator. Desempeñan un factor determinante en la alineación, la reducción de fricción, la absorción de cargas, y la disipación de calor. Además, proporciona aislamiento de voltaje entre el devanado trifásico y el marco del estator, protegiendo el sistema de posibles fallas debidas a corrientes parasitarias.
• Cuñas del rotor: Protegen el devanado de los efectos de la fuerza centrífuga.
• Ventilador del rotor: Dispersa el aire de refrigeración mediante ventiladores axiales.
• Sistema de excitación: Es el conjunto de componentes y dispositivos que suministran la corriente continua necesaria al devanado del rotor de un generador sincrónico para crear el campo magnético requerido para la generación de electricidad. Genera un campo magnético con una corriente eléctrica adecuada.
• Sistema de refrigeración: Su función consiste en disipar el calor generado por las pérdidas energéticas internas durante el funcionamiento del equipo, para mantener las temperaturas operativas dentro de rangos permisibles y seguros, prolongando así la vida útil de los materiales aislantes y otros componentes críticos, y asegurando una operación eficiente y confiable del turbogenerador.

¿Cómo funciona un turbogenerador?

El turbogenerador es una máquina que aprovecha la energía cinética del vapor para generar electricidad. Funciona mediante el principio de inducción electromagnética, que es fundamental en la producción de electricidad. Cuando el vapor en alta presión se dirige hacia los álabes de la turbina, su energía cinética hace que estos giren. Estos álabes están conectados a un eje, el cual, al girar, activa el rotor del generador eléctrico.

Internamente del generador, este movimiento del rotor interactúa con un campo magnético estacionario, lo que induce corriente eléctrica en las bobinas del estator, produciendo así electricidad. Tanto la turbina como el generador convierten la energía mecánica del fluido en movimiento en energía eléctrica, adaptándose a diversas aplicaciones y tipos de energía.

La velocidad nominal del turbogenerador suele ser de 1500 rpm/3000 rpm con un mínimo de 2 o 4 polos para una frecuencia de 50 Hz, y de 1800 rpm/3600 rpm con 2 o 4 polos para una frecuencia de 60 Hz. Las partes rotativas de este generador pueden generar altas presiones mecánicas debido a la mayor velocidad de operación. El rotor de estos generadores se fabrica típicamente mediante forjado con acero sólido y aleaciones para garantizar su resistencia estructural.

Tipos de turbogenerador

Hay diferentes tipos de turbogeneradores disponibles que se analizan a continuación.

Los avances en la tecnología de turbogeneradores han dado lugar al desarrollo de diversos tipos adaptados a aplicaciones y requisitos operativos específicos. Esta sección describe los tipos clave de turbogeneradores predominantes en la generación contemporánea de energía:

• Turbogeneradores de vapor convencionales: Identificados por el uso de vapor a alta presión para impulsar las palas de las turbinas, los turbogeneradores de vapor convencionales son elementos fundamentales en la producción de electricidad en centrales de carbón, gas natural y nucleares.
• Turbogeneradores de ciclo combinado: Aprovechando la integración de turbinas de gas y de vapor, las plantas de energía de ciclo combinado exhiben una eficiencia superior al aprovechar el calor residual del escape de la turbina de gas para generar vapor adicional para la turbina de vapor.
• Turbogeneradores geotérmicos: En las centrales geotérmicas, el vapor o agua caliente extraída de la corteza terrestre sirve como fuente de energía primaria para impulsar las turbinas de vapor, ofreciendo una alternativa renovable y ambientalmente sostenible a la generación de electricidad basada en combustibles fósiles.

Aplicaciones de los turbogeneradores

Los turbogeneradores fueron desarrollados para aplicaciones en centrales termoeléctricas y poseen un amplio rango de potencias, definidas con base en la experiencia en el suministro y dimensionamiento de turbogeneradores, a ser aplicados en turbinas a vapor y a gas.

Estos equipos, que combinan una turbina y un generador eléctrico, son fundamentales en diversas aplicaciones industriales y de infraestructura. A continuación, se exploran las principales aplicaciones de los turbogeneradores y su relevancia en diferentes sectores.

Plantas de energía térmica

• Carbón: En las centrales térmicas de carbón, los turbogeneradores son el componente central para la generación de electricidad. El carbón se quema para calentar agua y producir vapor de alta presión, que impulsa las turbinas conectadas a generadores eléctricos.
• Gas natural: Las centrales eléctricas de ciclo combinado utilizan turbogeneradores para aprovechar el gas natural. Estas plantas combinan turbinas de gas y de vapor para maximizar la eficiencia energética, generando electricidad en dos etapas con un solo combustible.
• Energía nuclear: En las centrales nucleares, los turbogeneradores convierten la energía térmica generada por la fisión nuclear en energía eléctrica. El vapor producido en los reactores nucleares se utiliza para mover las turbinas, que están conectadas a generadores.

Energías renovables

• Plantas de energía geotérmica: Las plantas geotérmicas utilizan turbogeneradores para convertir el calor del interior de la Tierra en electricidad. El vapor geotérmico impulsa las turbinas, generando electricidad de manera continua y sustentable.
• Plantas de biomasa: En estas plantas la quema de residuos orgánicos para producir vapor impulsado por turbogeneradores, este proceso además de generar electricidad, también ayuda a gestionar residuos y reducir emisiones de gases de efecto invernadero.

Sector industrial

• Cogeneración: Es una aplicación industrial de los turbogeneradores donde se produce electricidad y calor útil de manera simultánea. Esta tecnología se utiliza en industrias que requieren grandes cantidades de energía térmica y eléctrica, como la petroquímica y la fabricación de papel.
• Plantas de procesamiento de hidrocarburos: En las refinerías y plantas de procesamiento de gas, los turbogeneradores son utilizados para convertir el exceso de vapor y gas en electricidad, mejorando la eficiencia energética y reduciendo costos operativos.

Infraestructura crítica

• Centros de datos: Los centros de datos requieren una fuente de energía continua y confiable. Los turbogeneradores pueden proporcionar energía de respaldo en caso de fallos en la red eléctrica, asegurando la continuidad de las operaciones.
• Hospitales y complejos de salud: Las aplicaciones de los turbogeneradores en estas instalaciones dependen de sistemas de energía de emergencia. Los turbogeneradores son esenciales para garantizar el suministro eléctrico ininterrumpido durante emergencias o cortes de energía.

Transporte

• Buques y submarinos: En el ámbito naval, las aplicaciones de los turbogeneradores se utilizan en buques y submarinos para generar electricidad y propulsión. Estos sistemas son especialmente comunes en buques militares y submarinos nucleares.
• Trenes de alta velocidad: Algunos trenes de alta velocidad utilizan turbogeneradores para convertir la energía térmica en electricidad, impulsando motores eléctricos y mejorando la eficiencia energética del transporte ferroviario.

Proyectos de energía distribuida

• Microredes: En las microredes, los turbogeneradores pueden ser utilizados para generar electricidad localmente, mejorando la resiliencia energética y reduciendo la dependencia de la red principal.
• Comunidades remotas: Para las comunidades aisladas, los turbogeneradores pueden proporcionar una fuente de energía confiable y continua, utilizando recursos locales como el gas natural o la biomasa.

Conclusión

Las aplicaciones de los turbogeneradores en la generación de electricidad y la provisión de energía en diversas aplicaciones desde grandes plantas de energía hasta instalaciones industriales y sistemas de transporte, su capacidad para convertir energía térmica en energía eléctrica los convierte en una tecnología indispensable en el mundo moderno. La adopción y las aplicaciones de los turbogeneradores no solo mejora la eficiencia energética, sino que también contribuye a la sostenibilidad y resiliencia de los sistemas energéticos a nivel global.

Referencias

Fuente propia