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Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
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 SUMÁRIO 
1. OBJETIVO ....................................................................................................... 4 
2. INTRODUÇÃO ................................................................................................. 4 
3. HISTÓRICO ..................................................................................................... 5 
4. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ................................................................ 7 
5. CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR .............................................. 9 
6. ELEMENTOS CONSTRUTIVOS ....................................................................18 
6.1. Fabricação em Módulos .......................................................................... 21 
6.2.1. Válvulas de Admissão de Vapor ...................................................... 24 
7. SISTEMAS AUXILIARES DA TURBINA ........................................................25 
7.1. Sistema de óleo lubrificante ........................................................................25 
7.2. Sistema de giro Lento ........................................................................... 27 
7.3. Sistema de Selagem ............................................................................. 27 
8. CICLOS DE POTÊNCIA A VAPOR ................................................................28 
8.1. Ciclo Rankine ........................................................................................ 28 
8.1.1. Rendimento do Ciclo Rankine ...................................................... 33 
Balanço Total de Energia ............................................................................ 34 
8.2. Superaquecimento e Reaquecimento ................................................. 36 
8.3. Regeneração ......................................................................................... 37 
9. OPERAÇÃO DE TURBINAS A VAPOR ........................................................40 
9. 1. Partida e parada da turbina a vapor em instalações de Ciclo Combinado
 ........................................................................................................................... 41 
9.1.1. Preparação para partida .................................................................... 41 
9.1.2. Partida da Turbina a Vapor ................................................................ 42 
9.1.3. Particularidades da partida desde o Estado Não-resfriado ............ 45 
9.1.4. Parada da turbina a vapor ................................................................. 46 
10. CONTROLE DE TURBINAS A VAPOR .........................................................48 
10.1. Funções de Controle ......................................................................... 49 
10.1.1. Controlador Base ........................................................................... 50 
10.1.1.1. Controlador de velocidade ........................................................ 51 
10.1.1.2. Controle de Partida .................................................................... 52 
10.1.1.3. Controle de Sincronização ........................................................ 53 
10.1.1.4. Operação em Carga ................................................................... 54 
10.1.1.5. Limitador de Pressão de Vapor e Gradiente de carga ............ 55 
10.1.1.6. Gerador de Valor de Referência de Temperatura do Vapor.... 55 
10.1.1.7. Controle das Válvulas de Admissão de Vapor ........................ 56 
 
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10.1.1.8. Controle de Extração ................................................................. 57 
10.1.2. Controlador Automático ............................................................ 58 
10.1.2.1. Características do Programa de partida .................................. 59 
10.1.2.2. Características do Programa de Carregamento ...................... 59 
10.1.2.3. Limitação por Tensão Térmica (na partida) ............................. 61 
10.1.2.4. Limitação Por Tensão Térmica (carregamento) ...................... 61 
10.1.2.5. Zonas Críticas de Velocidade .................................................... 62 
10.1.2.6. Descarregamento Térmico Forçado ......................................... 62 
10.1.2.7. Descarregamento Rápido .......................................................... 62 
10.1.3. Avaliador de Tensão Térmica .................................................... 63 
10.1.4. Princípio do Cálculo de Tensão Térmica ................................. 64 
10.1.4.1. Limitação por Tensão Térmica (Limitação de tensão térmica 
durante partida, carregamento e descarregamento). ............................... 64 
10.1.4.2. Tensão Térmica Durante a Partida ........................................... 65 
10.1.4.3. Tensão Térmica Durante o Carregamento ............................... 65 
10.1.4.4. Tensão Térmica Durante o Descarregamento ......................... 65 
10.1.5. Parada de Proteção por Tensão Térmica ................................. 65 
10.2. Sistemas de Controle ........................................................................ 67 
APENDICE A - TERMODINÂMICA BÁSICA ........................................................70 
1. CONCEITOS FUNDAMENTAIS .....................................................................70 
1.1. Sistema Termodinâmico ....................................................................... 70 
1.2. Estado e Propriedades de uma Substância ........................................ 71 
1.2.1. Os estados da matéria ................................................................... 71 
1.2.2. Diagramas de fases ....................................................................... 77 
1.2.2.1. Transição de fase em processos isobáricos e isotérmicos ... 78 
1.2.3. Estudo macroscópico dos gases Estado .................................... 79 
1.2.3.1. Equação de estado dos gases ideais. ...................................... 80 
1.3. Propriedades Termodinâmicas ............................................................ 82 
1.3.1. Propriedade Extensiva .................................................................. 82 
1.3.2. Propriedade Intensiva ................................................................... 82 
1.3.3. Propriedade Específica ................................................................. 82 
1.4. Mudanças de Estado de um Sistema Termodinâmico ....................... 83 
1.4.1. Ciclo Termodinâmico .................................................................... 83 
1.5. Lei Zero da Termodinâmica ................................................................. 84 
1.5.1. Equilíbrio térmico .......................................................................... 84 
1.5.2. Enunciado da Lei Zero da Termodinâmica .................................. 84 
1.6. Escalas de Temperatura ....................................................................... 85 
2. Primeira lei da Termodinâmica .......................................................................86 
2.1. Balanço de energia ................................................................................... 86 
2.2. Enunciado da Primeira lei da Termodinâmica ....................................... 89 
3. Segunda lei da Termodinâmica .....................................................................90 
3.1. Tendência ao equilíbrio ............................................................................ 90 
3.1.1. Entropia ............................................................................................... 91 
 
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3.1.2. Enunciado da Segunda lei da Termodinâmica (Princípio do aumento da 
entropia) ........................................................................................................92 
APENDICE B – DIAGRAMA DE PROPRIEDADES TERMODINÂMICAS DA ÁGUA
 93 
REFERÊNCIAS .....................................................................................................94 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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CURSO BÁSICO DE TURBINA A VAPOR 
 
1. OBJETIVO 
 
 O objetivo deste material é apresentar os conceitos básicos de funcionamento de 
uma turbina a vapor, principais características e aplicações, destacando-se entre outras 
a aplicação em plantas de ciclo combinado. 
 Também serão abordadas as técnicas de operação desta máquina térmica em 
instalações que utilizem a tecnologia de ciclo combinado 
 
2. INTRODUÇÃO 
 
 A turbina a vapor é um motor térmico rotativo de combustão externa altamente 
difundida na indústria. Tal fato se deve a possibilidade de se obter unidades de grande 
potência unitária, alta confiabilidade, vida útil e eficiência (Teixeira, 2001). 
 Uma vantagem importante das turbinas a vapor é o fato de serem máquinas de 
combustão externa, desta forma os gases resultantes da queima do combustível não 
entram em contato com o fluido de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza 
processos de conversão da energia do combustível em potência do eixo. Sendo assim, 
podem ser utilizados desde combustíveis gasosos (gás natural, gases residuais, etc.), 
como também líquidos (diesel, óleo combustível leve ou pesado, etc.), além dos sólidos 
(carvão, resíduos sólidos urbanos, resíduos agrícolas – bagaço de cana, palha, cascas, 
serragem, etc.). Também as centrais térmicas nucleares utilizam turbinas a vapor para 
a geração de eletricidade. 
 Outra vantagem importante das turbinas a vapor constitui no fato de que, medi-
ante a organização das extrações reguláveis, pode-se fornecer calor com parâmetros 
requeridos para consumidores externos. Neste caso, o custo deste calor não é alto, já 
que nos sistemas de co-geração (produção simultânea de eletricidade e calor) o vapor, 
antes de ser fornecido a um consumidor de calor, aproveita o seu alto potencial na tur-
bina durante o processo de produção de eletricidade. 
 
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 Podemos enumerar ainda que, devido às características das turbinas a gás e das 
turbinas a vapor, as condições de acoplamento térmico entre os dois ciclos são muito 
boas. Este conjunto (ciclo combinado: turbina a gás / turbina a vapor) resulta na terme-
letricidade mais eficiente na conversão da energia do combustível em potência elétrica. 
Isto se deve ao fato de que o delta de temperatura absoluta no ciclo é elevado, pois te-
mos uma temperatura alta no início da conversão de calor em trabalho (na da turbina a 
gás) e uma temperatura de rejeição de calor muito baixa (vapor de exausto da turbina a 
vapor de condensação). 
 
3. HISTÓRICO 
 
 A primeira máquina a vapor da qual se tem notícia foi proposta por Hero, da Ale-
xandria, por volta do ano 150 a.C. (fig 1). Tratava-se de uma esfera oca na qual o vapor 
era introduzido sob pressão através de dois tubos curvos diametricamente opostos e 
com direções também opostas. Então a reação do vapor escapando causava a rotação 
da esfera. Porém nenhum trabalho útil foi realizado com este dispositivo. 
 
 
Figura 1 - A aelipyle desenvolvida por Hero (150 a.C.) 
 
 
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 A primeira máquina capaz de converter energia térmica de um combustível em 
trabalho mecânico foi construída na de década de 1780 por Watt (figura 2). Tal evento 
teve importância capital para revolução industrial que aconteceria no século seguinte. 
 
 
Figura 2 – Máquina a vapor de James Watt (1780) 
 
 
 O aparecimento da primeira turbina a vapor de aplicação é associado, em primei-
ro lugar aos engenheiros Carl Gustaf de Laval (1845-1913), da Suécia, e Charles Par-
sons (1854-1931), da Grã-Bretanha. 
 
 A primeira turbina a vapor comercial com capacidade de 400 kW foi desenvolvida 
e implementada pelo americano George Westinghouse (1846-1914), quem adquiriu os 
direitos americanos sobre as turbinas Parsons em 1895. 
 
Aurel Stodola (1895-1942), nascido na Eslováquia, praticamente estabeleceu os fun-
damentos da teoria de turbomáquinas e seu controle automático. Outro nome que me-
rece destaque é o do russo Andrey Vladimirovich Shcheglyaev (1902-1970), quem es-
tabeleceu uma grande escola de idéias e projeto em turbinas a gás e vapor, iniciou a 
edição de numerosas monografias e livros valiosos neste campo e, também, contribuiu 
significativamente para teoria de turbomáquinas e seu controle. 
 
Nos últimos 85 anos, desenvolvimentos técnicos contínuos de turbinas a vapor fizeram 
deste acionador primário o principal equipamento em centrais de geração. Muitos dos 
 
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avanços tecnológicos alcançados com desenvolvimento das turbinas a vapor foram in-
corporados à tecnologia de turbinas a gás, principalmente no que se refere à tecnologia 
das palhetas rotativas. 
 
4. PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
 Antes de avançar no estudo das turbinas a vapor, é preciso entender como esta 
máquina converte a energia térmica do vapor em trabalho útil. Os fenômenos envolvi-
dos nesta conversão de energia obedecem às Leis da Termodinâmica, entretanto, a-
bordaremos agora os aspectos práticos do funcionamento das turbinas a vapor. 
Há dois tipos fundamentais de turbina a vapor: a de ação (impulso) e a de reação. 
 TURBINAS DE AÇÃO – As turbinas de ação (figura 3) funcionam, unicamente, de-
vido queda de pressão do vapor nos bocais. Esta queda de pressão resulta em que-
da de entalpia e temperatura, enquanto aumenta-se o volume específico e, conse-
qüentemente a velocidade do vapor. O bocal (ou expansor) é projetado de forma a 
permitir a completa expansão do vapor e assim, a energia potencial é convertida em 
energia cinética. Um jato de vapor com alta velocidade atinge então as palhetas mó-
veis, que por sua vez convertem a energia cinética do vapor em energia mecânica 
de rotação do eixo (figura 4). 
 É importante ressaltar que o vapor atravessa a roda móvel à pressão constante, 
agindo sobre as palhetas unicamente em virtude da velocidade. Devido a esta ca-
racterística de projeto, os espaços internos entre as partes fixas e as partes móveis 
podem ser maiores e, também não há a necessidade de se utilizar pistão de balan-
ceamento. Isto faz com que as turbinas de ação sejam mais robustas e duráveis. 
 
 
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 Figura 3 – Foto turbina de ação Figura 4 – Diagramas de pressão e velocida- 
 de e esquema de disposição das pás 
 
 
4.1. TURBINAS DE REAÇÃO – as turbinas de reação (figura 5) utilizam ao mesmo tem-
po, a pressão do vapor e a sua expansão nas rodas móveis. O vapor não expande 
completamente nos bocais, mais continua a sofrer, na roda móvel, uma redução de 
pressão, à medida que sua velocidade também diminui, devido à alta velocidade 
com que as palhetas móveis estão se movimentando. A queda de pressão através 
das palhetas móveis produz força de reação que complementa a força do jato de 
vapor das palhetas fixas. As duas forças combinadas causam a rotação do eixo. 
Desta forma, o bocal (ou distribuidor) converte apenas parte da energia potencial em 
energia cinética, ficando a outra parte para ser transformada na própria roda móvel(figura 6). Estas turbinas são caracterizadas pelo fato de que a roda móvel não tra-
balha com vapor à pressão constante, mas gradativamente variável, diminuindo de 
montante para jusante, em relação ao percurso nas palhetas. 
As turbinas de reação devem ser projetadas de forma que seja minimizado o vaza-
mento de vapor ao redor das palhetas móveis. Este objetivo é atingido fazendo com 
que as folgas internas sejam relativamente pequenas. As turbinas de reação preci-
sam de pistão de balanceamento para compensar as grandes cargas de empuxo a-
xial gerado no eixo. 
 
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Figura 5 – Foto turbina de reação Figura 6 – Diagramas pressão e velocidade 
 e esquema de disposição das pás 
 
 
5. CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR 
 
 As turbinas a vapor, devido sua ampla gama de utilização e estado da arte, po-
dem ser classificadas segundo os critérios elencados a seguir: 
 
a) Quanto ao arranjo dos estágios: 
 
 Dentro do grupo das turbinas de ação e das turbinas de reação, pode ser feita 
uma nova classificação baseada no ponto de vista do arranjo dos estágios. Define-
se estágio de ação como um grupo de distribuidores e a sucessiva ordem de palhe-
tas móveis e fixas. Por lado, o estágio de reação é definido como o conjunto de uma 
ordem de palhetas móveis e da ordem precedente de palhetas fixas. 
 
 
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Sendo assim, as turbinas de ação podem ser classificadas, de acordo com o arranjo 
dos estágios, pelos nomes pelas quais são conhecidas comercialmente, conforme 
descrito a seguir: 
 
 Turbina de ação simples ou Laval – Consiste de um ou mais bocais, des-
carregando o vapor sobre uma fileira de palhetas montadas na circunferência 
periférica de um disco acoplado a um eixo, constituindo o componente deno-
minado de rotor (fig. 7). A despeito do baixo rendimento próprio da turbina de 
ação simples, sua simplicidade de projeto e construção torna-a recomendada 
para pequenas potências. 
 
Figura 7 – Turbina de ação. Diagramas pressão e velocidade 
e esquema de disposição das pás 
 
 
 Turbina Curtis – A fim de evitar a perda de energia, decorrente da velocida-
de residual relativamente alta nas turbinas de ação simples, montam-se duas 
ou mais palhetas móveis. Na carcaça são fixadas, entre as filas de palhetas 
móveis, palhetas fixas com o único propósito de redirecionar o jato de vapor. 
A este arranjo (figura 8) denomina-se estágio Curtis ou de velocidade escalo-
nada. Somente nos bocais há queda pressão, enquanto em cada fila de pa-
lhetas móveis ocorre uma queda de velocidade, mantendo-se a pressão 
constante nas palhetas fixas. 
 
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Figura 8 – Turbina de reação. Diagramas pressão e velocidade 
e esquema de disposição das pás 
 Turbina Rateau – Em vez da queda de pressão ocorrer em um único estágio 
de bocais, essa queda pode ser dividida em duas ou mais fileiras de bocais, 
de maneira a se obter um efeito semelhante ao que se teria a um arranjo de 
duas ou mais turbinas de Laval em série (figura 9). A vantagem e que se po-
de obter uma velocidade mais adequada de palhetas em termos de resistên-
cia dos materiais. Porém, estas turbinas podem apresentar maiores dimen-
sões, dependendo do número de estágios Rateau. 
 
 
Figura 9 – Turbina Rateau. Diagramas pressão e velocidade 
e esquema de disposição das pás 
 
 
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 Turbina Curtis-Rateau – O desenvolvimento desta turbina (figura 10) partiu 
do princípio de também se conseguir velocidades de palhetas ideais, portan-
to, maiores rendimentos, utilizando-se a combinação de estágios Curtis (es-
calonamento de velocidade) e Rateau (escalonamento de pressão). O em-
prego do estágio Curtis proporciona grande queda de pressão e de tempera-
tura do vapor, o que permite tanto o uso de materiais mais leves e baratos 
nos estágios Rateau posteriores, como turbinas mais curtas. 
 
Figura 10 – Turbina Curtis-Rateau. Diagramas pressão e velocidade 
e esquema de disposição das pás 
 Turbina Parsons – O estágio de uma turbina de reação é denominado está-
gio Parsons (figura 11). Estas turbinas são de múltiplos estágios, isto é, 
construídas de modo que a queda de pressão, da admissão ao escape, seja 
dividida em quedas parciais por meio de sucessivas fileiras de palhetas fixas 
e móveis. Assim, a queda de pressão em cada fileira de palhetas é pequena, 
resultando em baixas velocidades do vapor em cada estágio. Na medida em 
que o vapor expande, seu volume específico aumenta razão pela qual as filei-
ras sucessivas de palhetas têm suas dimensões aumentadas progressiva-
mente. Porém, como o volume específico do vapor nos estágios de alta pres-
são é pequeno, as palhetas devem ser mais curtas, resultando em folgas a-
preciáveis nos topos, o que causa excessiva fuga de vapor de alta pressão 
nestas folgas, induzindo a uma queda sensível no rendimento total da turbina. 
 
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Para contornar este problema técnico, costuma-se adicionar um estágio Cur-
tis na admissão, reduzindo-se a pressão e a temperatura do vapor para se-
rem utilizados nos estágios de reação que se seguem. Esta turbina e deno-
minada Curtis-Parsons (figura 12) e utiliza princípios da ação 
 
 
Figura 11 – Turbina Parsons. Diagramas pressão e velocidade 
e esquema de disposição das pás 
 
 
Figura 12 – Turbina Curtis-Parsons. Diagramas pressão e velocidade 
e esquema de disposição das pás 
 
 
 
 
 
 
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b) Quanto à direção do movimento do vapor em relação ao rotor: 
 
 Turbinas a vapor axiais - são aquelas que o vapor se move dentro do 
rotor em direção aproximadamente paralela ao eixo são as mais co-
muns. As turbinas axiais podem ser de três tipos: 
 
 Fluxo simples – quando o fluxo principal escoa na mesma direção 
desde a entrada até a saída, no último estágio; 
 
 Fluxo duplo – quando o fluxo principal é admitido no centro do ci-
lindro e dividido em duas direções axiais opostas com relação ao 
rotor. Este arranjo é utilizado levando-se em consideração dois 
principais aspectos: evitar o tamanho excessivo das palhetas dos 
últimos estágios e reduzir a zero os esforços axiais causados pelas 
forças do fluxo de vapor nas palhetas móveis. 
 
 Fluxo reverso – apresentam duas carcaças, sendo uma interna e 
outra externa, onde o fluxo de vapor flui em uma direção, através 
de um grupo de estágios, sendo então conduzido externamente pa-
ra um segundo grupo de estágios, na direção oposta axialmente. 
Esta configuração é realizada considerando reduzir os esforços a-
xiais causado pelas forças do fluxo de vapor nas palhetas móveis, 
promovendo o balanceamento, bem como permitir o resfriamento 
da carcaça interna para um vapor já expandido e, assim mais frio 
melhorando, desta forma, o seu estado térmico. Outra vantagem 
adicional desta configuração e possibilidade de se obter partidas 
mais rápidas, uma vez que devido ao gradiente de pressão dividido 
pela inversão do fluxo de vapor, a espessura das paredes da car-
caça e dos flanges pode se reduzida, melhorando a condição de 
aquecimento destes equipamentos. 
 
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 Turbinas a vapor radiais – São aquelas em que o vapor se desloca 
aproximadamente em sentido perpendicular ao eixo da turbina; 
 
 Turbinas tangenciais – São aquelas em que o vapor se desloca tan-
gencialmente ao eixo da turbina; 
 
2) Quanto à condição de vapor de escape: 
 
 Turbinas de condensação – este tipo de turbina descarrega o vapor a 
uma pressão menor que a atmosférica (normalmente alto vácuo), a fim 
de aumentar a eficiência térmica do ciclo mediante aumenta máximo 
da queda de entalpia. As turbinas de condensação tendem a ser fisi-
camente maiores, bem como mais potentes do que as de contrapres-
são. 
 Turbinas de contrapressão – o termo contrapressão é usado para in-
dicar que o vapor na saída da turbina está a uma pressão igual, ou su-
perior à atmosférica, condição necessária para atender a demandas de 
calor em níveis de temperatura superiores a 100 °C. 
São instaladas nas indústrias onde há necessidade de vapor para os 
processos de fabricação, cujo abastecimento é garantido com o vapor 
de exaustão da turbina que, normalmente, opera com uma pressão 
constante de vapor de escape. 
 
3) Quanto à configuração dos cilindros: 
 Fluxo simples Corpo de um Cilindro – Numa turbina a vapor de fluxo 
simples (figura 13), toda a expansão do vapor que produz trabalho a-
contece num único cilindro. O limite de potência para o corpo de sim-
ples cilindro é da ordem de 100MW, dependendo dos conceitos do pro-
jeto. 
 
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Figura 13 – Simbologia de turbina de fluxo simples corpo de um cilindro 
 Fluxo escalonado multi-cilindros – Turbinas de alta potência (500 a 
1000MW), geralmente são compostas por um estágio de alta pressão 
(cilindro), outro com pressão intermediária, seguindo de um ou mais de 
baixa pressão, sendo este provavelmente de duplo fluxo (figura 14). 
 
 
 
 Figura 14 – Simbologia de turbina de fluxo escalonado corpo de multi-cilindros 
 
 Tandem-compound – É a terminologia utilizada para identificar a con-
figuração onde os cilindros estão dispostos numa mesma linha do eixo 
(colineares), conforme figura 15. 
 
 
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 Figura 15 – Simbologia de turbina de fluxo escalonado configuração tandem-compound 
 Cross-compound – nesta configuração os cilindros são montados em 
paralelo, acionando dois geradores elétricos separados ou acoplados 
por meio de engrenagem para acionar uma única carga (figura 16). Es-
ta configuração é muito comum em plantas de propulsão de navios, 
pois reduz o espaço necessário para alocar os cilindros, comparada à 
configuração tandem-compound. 
 
 
 Figura 16 – Simbologia de turbina de fluxo escalonado configuração 
 cross- compound 
 
 
 
 
 
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6 ELEMENTOS CONSTRUTIVOS 
 
 Uma turbina a vapor é constituída basicamente pelos seguintes elementos lista-
dos abaixo (figura 17): 
 
 Carcaça da Turbina – geralmente dividida em 2 partes separadas longitudinal-
mente para facilitar o acesso às partes internas, remoção do rotor e mancais du-
rante a manutenção e também facilidades durante a montagem; 
 
 Diafragma da Turbina – Sua principal função é separar dois rotores e a fixação 
das palhetas fixas do estágio (bocais). Os principais componentes do diafragma 
são: anel, palhetas fixas, corpo do diafragma (figura 18); 
 
 Rotor – com pás em sua periferia, sobre o qual incide o vapor e onde é feita a 
transformação na direção e magnitude da velocidade do vapor; 
 
 Sistema de comando e válvulas – têm a função de regular a velocidade e po-
tência da turbina, modificando a descarga do vapor; 
 
 Acoplamento – tem a função de promover a conexão mecânica entre a turbina e 
o gerador a ser acionado; 
 
 Dispositivo de expansão – sempre constituído de um bocal fixo ou móvel (dire-
trizes), no qual a energia de pressão do vapor se transforma em energia cinética; 
 
 Junta de labirinto – necessária para reduzir as fugas de vapor entre o rotor e as 
partes fixas do diafragma. Em condições normais não pode haver contato mecâ-
nico nos selos (figura 19). 
 
 
 
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Figura 17 – Turbina de condensação com extração / vista em corte 
 
 
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Figura 18 – Disco de diafragma e seus principais componentes 
 
 
 
Figura 19 – selos labirintos 
 
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6.1. Fabricação em Módulos 
 
 Devido à grande quantidade de aplicações para uma turbina a vapor, seus prin-
cipais parâmetros de projeto, tais como condições de entrada do vapor, extração, con-
dições do vapor de exausto e, velocidade, podem variar dentro de uma faixa bastante 
extensa. Estes fatores tornam a elaboração de cada novo projeto uma tarefa complica-
da, pois envolve muitas interações entre mecânica, termodinâmica e fatores específicos 
da aplicação que poderá exigir novas soluções de engenharia. Toda vez que um novo 
componente novo (tecnologia não testada) é incorporado, aumentam o custo de fabri-
cação e o risco do negócio. 
 
 Visando padronizar o processo de fabricação, de forma a reduzir custos e prazos 
de entrega e, ao mesmo tempo oferecer alto nível de flexibilidade aos seus clientes, os 
principais fabricantes de turbinas passaram a adotar o princípio de fabricação em módu-
los. Assim, os principais componentes de uma turbina a vapor são projetados em uma 
estrutura bem planejada, o que além de garantir um excelente desempenho do proces-
so fabril, assegura um elevado padrão de qualidade. 
 
 A figura 20 mostra a divisão da turbina em seus blocos principais. O módulo fron-
tal, por exemplo, consiste na família de componentes modulados que tem tido suas di-
mensões aumentadas progressivamente, paralelamente ao aumento da carga nos 
mancais. Outra família de componentes importantes inclui as válvulas de admissão e 
extração de vapor, carcaças de alta pressão, e mancais. 
 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
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Figura 20 – Módulos principais da Turbina a vapor 
 
 Cada um destes componentes tem sua faixa de aplicação bem estabelecida e a 
indústria já acumula milhares de horas de operação, o que garante a confiabilidade 
conquistada após larga experiência na tecnologia de fabricação. Desta forma, a partir 
de cada módulo, o engenheiro pode selecionar o melhor componente para atender as 
especificações de projeto de sua aplicação. 
 Os fabricantes de turbina por sua vez, devido à vasta experiência acumulada na 
fabricação destes componentes principais, aliada aos desenvolvimentos recentes dos 
sistemas computacionais, expandiram as fronteiras dos métodos de projeto e fabricação 
de equipamentos para indústria pesada. Tal empreitada teve como objetivo, conceber 
uma estrutura sólida para fabricação das turbinas e, ao mesmo tempo, flexível o bastan-
te para atender às necessidades da indústria, enquanto mantém a base forte de uma 
bem sucedida experiência operacional. A base para o concepção desta estrutura foi 
desenvolver uma família de componentes com pontos de interface comum, de forma 
queturbinas de qualquer combinação de condições de vapor, capacidade e configura-
ção, pudesse ser personalizada para atender as exigências de cada usuário. Os vários 
componentes contidos dentro desta estrutura são: 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
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 A família de peças frontais que suportam a carcaça de alta pressão e a carcaça 
dos mancais axial e radial; 
 
 Um conjunto de válvulas de admissão, cada uma projetada para cobrir uma faixa 
de pressão, temperatura e ajuste de fluxo; 
 
 Uma família de carcaças de alta pressão; 
 
 Uma família de válvulas de extração/ admissão e modelos associados; 
 
 Uma linha completa de carcaça de baixa pressão de fluxo simples e fluxo duplo 
para ambas as aplicações (de condensação e contrapressão); 
 
 Sistema de controle micro-processado para controladores simples ou com re-
dundância e, sistema de monitoramento totalmente integrado com funções de 
controle multi-variáveis; 
 
 Sistema estruturado de tubulações de óleo lubrificante e vapor para conexão 
com o ponto de interface do cliente; 
 
 Caminho do vapor personalizado atendendo todas as condições termodinâmicas 
aplicáveis. 
 
 Um exemplo de turbina modular é apresentado na figura 21. Desde que a varia-
ção dentro do mercado industrial tornou possível estruturar grupos de estágios para 
cobrir qualquer aplicação concebível, o principal desafio foi criar uma matriz de bocais, 
palhetas, tambor rotativo e etc, com pontos de interface predefinidos. 
Desta forma, é possível para os principais fabricantes oferecer a experiência comprova-
do nos módulos de componentes, aliada à flexibilidade exigida pela vasta faixa de apli-
cações industriais. 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 24 
 
 
Figura 21 – Concepção Modular para Turbinas de aplicação em ciclo combinado 
 
6.2.1. Válvulas de Admissão de Vapor 
 Na concepção modular, as válvulas de admissão de vapor compreendem um 
conjunto formado por uma válvula de parada e uma válvula de controle de fluxo de va-
por, montado em um mesmo invólucro (figura 22). De maneira geral este conjunto é 
fornecido com flanges para conexão à carcaça da turbina. Neste caso, são padroniza-
das as conexões para possibilitar montagem em turbinas de tamanhos diferente. Assim, 
um único padrão de encaixe de válvula, pode ser utilizado para vários tipos de turbina. 
Tal característica favorece a otimização do arranjo escolhido com relação às velocida-
des de fluxo, de forma a obter-se sempre a melhor eficiência. 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 25 
 
 
Figura 22 – Válvula de Controle e de parada 
 
 
7 SISTEMAS AUXILIARES DA TURBINA 
 
 Entre os principais sistemas auxiliares de uma turbina a vapor, podemos distin-
guir entre outros, o sistema de óleo lubrificante, sistema de giro lento e válvulas regula-
doras e de para da turbina e, finalmente, sistema de selagem. 
 
a. Sistema de óleo lubrificante 
 O principal propósito de um sistema de lubrificação é prevenir o contato direto 
entre duas superfícies deslizantes, tal como em mancais. Quando uma superfície lu-
brificada desliza ou rola sobre a outra, o lubrificante adere a cada superfície e se 
movimentado dentro do lubrificante, as duas superfícies metálicas não entram em 
contato direto, reduzindo o desgaste. A fricção do fluído ocorre como um filme de lu-
brificante movendo-se um sobre o outro. Sendo assim a finalidade de um sistema de 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
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lubrificação é reduzir o atrito e o calor gerado a valores mínimos, a fim de garantir a 
temperatura das peças dentro de limites aceitáveis. 
Além desta função primária, os lubrificantes têm a função de dissipar o calor gerado 
nos mancais; auxiliar na vedação contra vazamentos; ou para operar cilindros ou 
dispositivos hidráulicos como nos reguladores de velocidade das turbinas. Para rea-
lizar estas funções, o óleo deve resistir à mistura com água (emulsificação), diluição 
e carbonização, além da ação de altas temperaturas e eventuais contaminantes (o-
xidação e acidez). Por isso, quanto á seleção do lubrificante, estes aspectos devem 
ser considerados. 
 
 O tanque de óleo lubrificante deve ser dimensionado e construído, de modo que 
o óleo permanente em circulação possa repousar e decantar as partículas de impu-
rezas e lama no fundo do mesmo. Na entrada do tanque, deve ser montada uma 
peneira onde flua o óleo e fiquem retidas as grandes partículas de impureza. No in-
terior do tanque, devem ser construídas paredes intermediárias que servem para 
manter o óleo em repouso, bem como para separação do ar captado durante o pro-
cesso de lubrificação. Também devem ser previstos respiros para a exaustão dos 
vapores de óleo formados dentro do tanque. 
 
 Em unidades onde é exigido alto nível de confiabilidade, são instaladas três 
bombas independentes, para assegurar que os mancais da turbina receberão óleo 
lubrificante suficiente em qualquer condição de operação. 
 
 Bomba de óleo lubrificante principal – é uma bomba de engrenagens, 
acionada pelo eixo da turbina a vapor, que recalca óleo para os mancais 
quando a máquina está em serviço; 
 Bomba de óleo lubrificante auxiliar – Projetada para atender 100% da 
capacidade de suprimento de óleo lubrificante aos mancais durante a ro-
lagem ou parada da turbina. Geralmente também é uma bomba de engre-
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 27 
 
nagens (como a bomba principal), acionada por um motor de corrente al-
ternada; 
 Bomba de emergência – usualmente é uma bomba centrífuga acionada 
por motor de corrente contínua, geralmente projetada para atender 40% 
do volume de óleo lubrificante requerido pelos mancais. Em caso de falha 
da bomba auxiliar, garante a parada segura da turbina a vapor. 
 Nas turbinas de grande porte, também são utilizadas bombas de alta pressão 
com a finalidade de promover cunha hidráulica, de forma que seja possível a forma-
ção de filme de óleo lubrificante no eixo nos períodos de operação em baixa rotação 
da turbina. 
Os resfriadores e os filtros de óleo lubrificante são redundantes, desta forma é pos-
sível proceder à manutenção nos mesmo sem que haja necessidade de desligamen-
to da turbina a vapor. 
 
b. Sistema de giro Lento 
 Turbinas de grande capacidade normalmente são equipadas com dispositivo gi-
rador hidráulico do eixo. Tais unidades, geralmente são postas em operação antes 
da partida da turbina a vapor e depois da parada. Manter o eixo em rotação de a-
proximadamente 20 RPM previne o empeno quando o mesmo está em repouso e 
ainda quente (procedimento de parada), ou quando está sendo aquecido (durante a 
rolagem da turbina na partida). O girador hidráulico (geralmente um motor hidráuli-
co), é acoplado e desacoplado do eixo automaticamente, por meio de embreagens. 
No caso de falha no suprimento de energia para o acionador, o sistema pode ser 
operado manualmente. 
 
c. Sistema de Selagem 
 As turbinas a vapor utilizam selos labirintos para promover a vedação entre a 
parte estática e as partes móveis de máquina. Por não haver contato entre as par-
tes, podem ocorrer vazamentos do fluido de processo. No caso de turbinas de con-
densação, por exemplo, nos estágios de alta pressão, pode haver vazamento de 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 28 
 
vapor para meio externo, enquanto que nas seções de baixa pressão, próxima ao 
condensador, poderá ocorrer entrada de ar no sistema de vácuo. 
O sistema de selagem garantea vedação nos selos labirintos por meio de injeção 
de vapor no lado de alta pressão. 
 
 
8 CICLOS DE POTÊNCIA A VAPOR 
Ciclo Rankine 
 
Do ponto de vista termodinâmico, o ciclo de potência de geração a vapor é conhecido 
como ciclo “Rankine”. Este ciclo possui algumas modificações que visam aumentar a 
eficiência de operação da instalação, algumas delas também são discutidas na seqüên-
cia. 
 
A modelagem termodinâmica do ciclo Rankine, é apresentada a partir da suposição de 
que os processos que os compõem são reversíveis. A modelagem envolve as seguintes 
equações. 
 
 Conservação da massa; 
 
 Primeira lei termodinâmica (princípio da conservação de energia); 
 
 Segunda lei da termodinâmica (princípio do aumento da entropia); 
 
 Propriedades do fluido. 
 
 
 
 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 29 
 
 
 As principais transferências de calor e trabalho são ilustradas na figura 21. 
 
Para modelagem termodinâmica estabelecem-se as seguintes condições de contorno: 
 
 Perda de energia por calor entre os componentes e o meio ambiente é despre-
zada; 
 
 Os efeitos da energia cinética e potencial são ignorados; 
 
 Cada componente opera em regime permanente; 
 
 Cada componente é um volume de controle; 
 
 Todos os processos são internamente reversíveis; 
 
 Não existe perda de pressão (condensador, caldeira, tubulações, etc). 
 
A equação da primeira lei da termodinâmica, considerando as condições acima, é dada 
por: 
 
].[.
.
esvcvc hhmWQ  (3.1) 
 
Nesta equação, os índices „vc‟, „e‟ e „s‟ significam volume de controle, entrada e saída, 
respectivamente. 
 
Aplicando a equação (3.1), para cada componente, resulta nas seguintes equações: 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 30 
 
Para a turbina a vapor: 
21.
.
hh
m
W t

 (3.2) 
 
 Para o condensador: 
23.
Re
.
hh
m
Q j

 (3.3) 
 
Para a bomba: 
43.
.
hh
m
W B

 (3.4) 
 
Para a caldeira: 
41.
.
hh
m
Q Ad 
 (3.5) 
 
 
O trabalho do ciclo calcula-se como: 
 
 
.
.
.
.
.
.
m
W
m
W
m
W Btciclo 
 (3.6) 
 
 
 Para o ciclo a eficiência é determinada a partir de: 
 
 
)(
)(
11
41
32
.
.
.
Re
.
.
.
.
Re
.
.
.
hh
hh
m
Q
m
Q
m
Q
m
Q
m
Q
Ad
j
Ad
jAd





 (3.7) 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 31 
 
 É importante salientar que as equações (3.1) até (3.7) se aplicam igualmente on-
de as irreversibilidades estão presentes, que são os que estão implementados nas ins-
talações reais. No entanto, o ciclo composto por processos reversíveis tem sua impor-
tância, uma vez que ele estabelece o limite máximo da eficiência térmica do ciclo Ran-
kine. Para este ciclo, a representação de cada processo é mostrada no dia grama T-s 
da figura 21. 
 
 
Figura 21 – Diagrama T-s ciclo Rankine ideal 
 
Seguindo esta figura, observa-se que os processos envolvidos no ciclo são: 
 
 Processo 1-2. Expansão isentrópica do fluido de trabalho na turbina; 
 Processo 2-3. Transferência de calor do fluido de trabalho para vizinhança no 
condensador à pressão constante (estado 3: líiquido saturado); 
 Processo 3-4. Compressão isentrópica do fluido de trabalho na bomba (estado 4: 
líquido comprimido); 
 Processo 4-1. Transferência de calor do gás da combustão para o fluido de tra-
balho à pressão constante na caldeira. 
 
 
 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 32 
 
 Em linhas gerais se pode afirmar que, a eficiência do ciclo aumenta, se a tempe-
ratura média de fornecimento de calor ao ciclo aumenta e/ ou, a temperatura de rejei-
ção de calor diminui. Na prática, o aumento da temperatura média de admissão de calor 
consegue-se com o aumento da pressão de operação da caldeira (no caso de geração 
de vapor saturado). Por outro lado, a diminuição da temperatura de rejeição de calor é 
conseguida mediante a diminuição da pressão do condensador. 
As irreversibilidades internas encontradas pelo fluido de trabalho no ciclo Rankine real 
são: 
 
 Processo de expansão e compressão; 
 Transferência de energia por calor ao meio ambiente; 
 Perda de pressão (perda de carga): condensador, caldeira, tubulações e cone-
xões; 
 Temperatura de saída do condensador inferior à temperatura de saturação. 
 
As irreversibilidades externas encontradas pelo fluido de trabalho no ciclo Rankine real 
são: 
 
 Processo de combustão e processo de transferência de calor dos produtos da 
combustão para o fluido de trabalho; 
 Processo de resfriamento do fluido de trabalho e transferência de energia como 
o meio ambiente pela água de resfriamento. 
 
A seguir, apresentam-se outras formas práticas de aumentar a eficiência do ciclo Ran-
kine. 
 
 
 
 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 33 
 
 
8.1.1 Rendimento do Ciclo Rankine 
 
 Conhecendo-se os fluxos de energia e as perdas de calor de cada equipamento 
principal do ciclo vapor, é possível escrever a equação de balanço térmico do ciclo. Pa-
ra fins de análise, o turbogerador é definido como o conjunto formado pela turbina a 
vapor e o gerador elétrico. O termo grupo turbogerador vai definir o turbogerador com 
os equipamentos auxiliares, ou seja, condensador, aquecedores regenerativos e bom-
bas. Na figura 22 define-se com linhas descontínuas o volume de controle do grupo tur-
bogerador. Assim, uma central termelétrica com ciclo a vapor fica composta por três 
elementos principais: a caldeira de vapor; as tubulações para o transporte de vapor, 
para o grupo turbogerador. O balanço de energia que representa os fluxos de energia 
numa central termelétrica é apresentado a seguir: 
 
Figura 22 – volume de controle para cálculo de rendimento do ciclo Rankine 
 
 
 
 
 
 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 34 
 
Balanço Total de Energia 
 
 Considerando os fluxos de energia que entram e saem do volume de controle de 
uma central termelétrica tem-se: 
caldtubcondturbgeletCTE QQQQQWQ  (7.1) 
Onde: 
CTEQ =consumo total de calor na central termelétrica, que corresponde à energia libera-
da durante a queima na fornalha da caldeira; 
eletW = potência elétrica produzida pelo gerador elétrico; 
gQ = perda de potência no gerador elétrico; 
turbQ = perda internas e mecânicas na turbina;condQ = perda de calor com a água de refrigeração no condensador da turbina (perdas 
na fonte fria); 
tubQ = perdas de calor no meio ambiente através das tubulações, entre o gerador e a 
turbina; 
caldQ = perdas de calor na caldeira 
Ou então, 
caldtubturbturbgeletCTE QQQQWQ  . (7.2) 
Onde: 
turbgQ . = perdas no grupo turbogerador ( turbQ + gQ + condQ ). 
Considerando que a potência interna da turbina (em kW) é calculada pela equação: 
mecgeleti QQWW  . (7.3) 
Tem-se que CTEQ pode ser escrito como: 
CTEQ = intQQQQW caldtubcondi  (7.4) 
 O rendimento bruto da central termelétrica (sem considerar o consumo próprio de 
eletricidade), pode ser calculado como: 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 35 
 
a
CTE
a
CTE
Q
E
 
Ou 
CTE
elet
CTE
Q
W
 
Sendo aE a produção anual de energia elétrica e 
a
CTEQ o consumo anual de energia do 
combustível, calculado como o produto da vazão de combustível pelo seu poder calorí-
fico PCIt. 
A seguir será apresentado o rendimento típico dos principais componentes de uma cen-
tral termelétrica, bem como o rendimento total, a partir de cada componente. 
 
Rendimento da Caldeira: calcula-se como a relação entre a energia fornecida à água 
de alimentação para sua conversão em vapor superaquecido e, a energia liberada du-
rante a combustão do combustível. Seu valor de rendimento típico se situa na faixa en-
tre 87 a 95%. 
Rendimento do transporte de calor: calcula-se como a relação entre a energia do 
vapor que chega ao grupo turbogerador e, a energia do vapor que sai da caldeira. Valo-
res típicos encontrados em centrais termelétricas variam entre 98 e 99%. 
 
Rendimento do grupo turbogerador: é a relação entre a potência elétrica nos bornes 
do gerador elétrico e, a energia do vapor que chega ao grupo turbogerador. Os valores 
típicos de rendimento estão entre 42 e 45%. 
 
Rendimento total da central termelétrica: compõe-se pelos três rendimentos acima 
mencionados. Das perdas que afetam diretamente o rendimento de uma central elétrica 
de condensação, as de maior peso são as perdas no grupo turbogerador. Nesse caso, 
está incluída a perda fundamental de calor no ciclo de produção de energia elétrica, ou 
seja, na fonte fria (condensador), que alcança aproximadamente a metade (42 a 50%) 
do calor gasto. As perdas de calor restantes são consideravelmente menores. Assim, 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 36 
 
para um gerador de vapor moderno, é de 6 a 10% e as perdas nas tubulações são de 
aproximadamente 1%. 
Portanto, pode-se concluir que o rendimento de uma central elétrica de condensação 
moderna, varia na faixa de 35,8 a 42,3%. 
Os diagramas de Sankey apresentam graficamente o balanço energético e exergético 
de uma central a vapor, como por exemplo, de que forma o fluxo de energia ou exergia 
química, inicialmente disponível no combustível, sofre a conversão de uma forma de 
energia em outra nos diferentes equipamentos que compõe o ciclo. Essa conversão 
inclui também as perdas associadas até a sua conversão final em energia elétrica. O 
diagrama correspondente ao balanço energético mostra que as maiores perdas no ciclo 
correspondem à rejeição de calor ao meio ambiente pelo condensador. Já o diagrama 
de balanço exergético, associa as maiores perdas ao processo de combustão e de 
transferência de calor entre os gases quentes e o fluido de trabalho, nas superfícies da 
caldeira. Isto é conseqüência da alta irreversibilidade destes processos. 
 
Rendimento Líquido: é o rendimento que considera o consumo próprio de energia 
dentro de uma central termelétrica (para atendimento de insumos próprios). 
 
a. Superaquecimento e Reaquecimento 
 
 O superaquecimento e o reaquecimento do vapor são alternativas, que visam 
aumentar o desempenho térmico do ciclo Rankine reais. Um efeito secundário que se 
tem com o resultado destes, é o aumento do título do vapor1 na saída da turbina, o qual 
não deve ser inferior a 0,85. 
 
 O superaquecimento envolve o aquecimento do vapor saturado para vapor supe-
raquecido, recebendo calor no superaquecedor da caldeira. Por outro lado, no reaque-
 
1 A propriedade título do vapor „x‟ expressa a relação entre a massa do gás (vapor) e a massa total da mistura, ou seja: 
Lg
g
mm
m
x

 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 37 
 
cimento, o vapor que sai do estágio de alta pressão da turbina retorna à caldeira para 
ser novamente aquecido. 
A figura 23 mostra o esquema térmico simplificado de um ciclo Rankine ideal onde es-
tão colocadas as alternativas de superaquecimento (processo 6-1) e reaquecimento 
(processo 2-3). Ao lado apresenta-se o diagrama T-s para esta instalação, destaca-se 
neste caso, o aumento de trabalho obtido no ciclo devido ao uso de reaquecimento. 
Compara-se também a posição do ponto 4‟ com relação ao ponto 4, observando-se o 
aumento do título do vapor na saída da turbina. 
 
 
Figura 23 – Ciclo Rankine com reaquecimento 
 Os limites práticos da temperatura de reaquecimento do vapor estão determina-
dos pela resistência dos materiais empregados na construção dos superaquecedores e 
re-aquecedores. No caso do superaquecimento, este limite também é imposto pela re-
sistência dos materiais empregados na construção da turbina a vapor. 
 
b. Regeneração 
 
 Com a regeneração visa-se o aumento da eficiência térmica do ciclo Rankine a 
partir do preaquecimento da água de alimentação de caldeira. Os equipamentos utiliza-
dos para este propósito são os aquecedores de água de alimentação de caldeira, co-
nhecidos também como aquecedores regenerativos. Os aquecedores regenerativos 
podem ser do tipo aberto ou fechado. A figura 24 mostra o esquema de uma instalação 
a vapor com um aquecedor regenerativo do tipo fechado. Ao lado apresenta-se o dia-
grama T-s para esta instalação. 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 38 
 
 
Figura 24 – Aquecedor regenerativo do tipo fechado 
Para o ciclo com regeneração apresentado podem-se destacar as seguintes caracterís-
ticas: 
 
 Extração entre os dois estágios da turbina a uma pressão p2; 
 Mistura do vapor da extração com líquido sub-resfriado da bomba; 
 O líquido em 6 líquido saturado; 
 A extração reduz o consumo de combustível. 
 
 É importante saber que a vazão de vapor na extração da turbina deve ser contro-
lada de maneira que reduza a quantidade de combustível consumida na caldeira pelo 
efeito do preaquecimento da água, sem que afete significativamente o trabalho produzi-
do na turbina, o que resultaria numa queda de eficiência térmica do ciclo. 
Nas instalações reais, também existem dois tipos de aquecedores regenerativos de á-
gua de alimentação, como mostra a figura 25. As características principais de aquece-
dor do tipo fechado são: 
 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 39 
 
 Não há mistura do vapor com a água de alimentação de caldeira; 
 Água aquece e o vapor condensa; 
 
 
Figura 25 – exemplo de disposição de aquecedores regenerativos em instalações reais 
 
 A remoção do condensado do aquecedor regenerativo de água alimentação po-
de ser realizada de duas maneiras: 
 
 Usando uma bomba que envia o condensado para um ponto de alta pressão no 
ciclo; 
 Usando um purgador que envia o condensado para um ponto de baixa pressão 
no ciclo (condensador). 
O efeitoprincipal do aquecimento regenerativo, pode ser explicado tanto com base na 
redução da vazão de vapor que chega ao condensador e, a redução das corresponden-
tes perdas na fonte fria, como pelo aumento da temperatura média termodinâmica de 
fornecimento de calor ao ciclo. Assim, o aquecimento regenerativo aumenta considera-
velmente o rendimento do ciclo vapor, razão pela qual é utilizado nos esquemas de to-
das as centrais termelétricas. A decisão sobre a temperatura final de aquecimento da 
água baseia-se numa análise técnico-econômica, tomando em consideração o aumento 
da eficiência do ciclo e o custo dos aquecedores. Para uma central termelétrica com 
parâmetros médios do vapor, a temperatura final da água de alimentação, geralmente, 
é estabelecida na faixa de 150 a 170 ºC. Para uma central termelétrica de altos parâme-
tros, esta temperatura fica na faixa de 225 a 275ºC. 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
Centro de Tecnologias do Gás e Energias Renováveis CTGÁS-ER. 40 
 
 
9 OPERAÇÃO DE TURBINAS A VAPOR 
 
 Neste tópico abordaremos a operação da turbina a vapor, considerando utiliza-
ção da mesma em aplicações de ciclo combinado. Desta forma será possível apresen-
tar em detalhes algumas especificidades desta aplicação. 
 
 Em uma central termelétrica de ciclo combinado que opere com gás natural ou 
óleo diesel é construtivamente e operativamente mais simples que uma central a vapor 
que utiliza carvão mineral como combustível. Na central de ciclo combinado a gás ou a 
óleo não existem ventiladores de tiragem induzida e forçada, moinhos pulverizadores, 
sistemas de remoção de cinzas ou sistemas externos para controle de emissão de po-
luentes, etc. No entanto, numa unidade de geração termelétrica de ciclo combinado, 
podem existir outros equipamentos que nem sempre são utilizados nas centrais terme-
létricas a vapor convencionais. Estes componentes são: sistemas de bypass da turbina 
a vapor e do gás da caldeira de recuperação (CR), sendo que o último não é implemen-
tado em todos os casos pelo custo que tem associado. 
 Os demais equipamentos de central de ciclo combinado são os mesmos para 
uma central térmica convencional. Estes equipamentos são: condensador, sistema de 
água de circulação, tratamento de água, equipamentos elétricos auxiliares, etc. 
 O sistema de bypass da turbina a vapor consiste numa tubulação com uma vál-
vula que permite desviar diretamente o vapor da CR de recuperação para o condensa-
dor. Este sistema facilita a partida da central, permitindo o aquecimento gradual da tur-
bina a vapor, bem como seu acomodamento à carga de operação. 
 O sistema de bypass do gás da CR consiste num damper que desvia os gases 
de escape da turbina a gás para uma chaminé adicional, evitando sua passagem parci-
al ou total através da mesma. Este sistema permite isolar a operação da turbina a gás 
do resto central e operá-la por separado. Além disso, facilita o aquecimento da CR e 
sua entrada em operação, junto à sua operação em cargas parciais, uma vez que per-
mite diminuir a vazão de gás que passa através das superfícies de troca de calor. 
 
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 O sistema de controle de uma central de ciclo combinado comanda a operação 
da turbina a gás, da CR, e da turbina a vapor, assim como as bombas, válvula e moto-
res. O sistema de controle de central termelétrica de ciclo combinado opera calculando 
a contribuição de potência da turbina a gás e da turbina a vapor, fazendo com que a 
soma das duas seja igual á carga demanda da unidade. Isto é conhecido como bloco 
de controle de carga. A ação sobre o bloco de controle de carga pode ser feita pelo o-
perador, ou a partir de um controle remoto pelos operadores do sistema elétrico (se a 
usina participar do Controle Automático de Geração). O sinal de carga recebido é envi-
ado aos grupos turbogeradores para entrarem na nova condição de carga. 
 
9.1 Partida e parada da turbina a vapor em instalações de Ciclo Combinado 
 
 O procedimento de partida e parada das centrais termelétricas de ciclo combina-
do é definido pelo projeto e configuração das mesmas, isto é, de acordo como o núme-
ro de unidades geradoras e sua configuração em mono ou múltiplos eixos. 
Vejamos a seqüência de uma central de ciclo combinado de potência e arranjo de múl-
tiplos eixos (2 turbinas a gás, 2 caldeiras de recuperação de calor e uma turbina a va-
por): 
 
9.1.1. Preparação para partida 
 
 Realiza-se uma inspeção de todos os equipamentos principais e auxiliares. Du-
rante a inspeção é necessário conferir se todos os trabalhos de manutenção ou 
montagem foram realizados. Verifica-se também o fechamento hermético das ja-
nelas de inspeção e registros de inspeção da caldeira. Verifica-se e preenche-se 
a documentação necessária com antecedência. 
 
 Conexão e teste de todos os aparelhos de medição, controle e comando, alar-
mes, sinalização e meios de comunicação. 
 
 
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 Conferem-se a condição técnica e a posição de todas as válvulas de vapor e á-
gua (caldeiras de recuperação e ciclo água-vapor). 
 
 Preparação para partida e teste do sistema de lubrificação (fornecimento de óleo 
às turbinas a gás e turbina a vapor), com atenção especial ao sistema de segu-
rança e ao sistema auxiliar de óleo de lubrificação. 
 
 Inicia-se a operação em giro lento das turbinas a gás e turbinas a vapor. Esta 
operação se faz necessária para corrigir uma eventual flecha no eixo do conjunto 
turbogerador, e desta forma previne-se níveis de vibração inadmissíveis durante 
a partida. 
 
 Verifica-se a preparação do gerador elétrico e todos os seus sistemas. 
 
 Completa-se com água o tanque de água de alimentação de caldeira, bem como 
o poço quente do condensador. 
 
 Completa-se o nível do tambor de separação das caldeiras de recuperação até o 
nível de acendimento. 
 
9.1.2. Partida da Turbina a Vapor 
 
 Partida do compressor de gás natural (se houver); 
 Ventilação (purga) da caldeira de recuperação (CR) mediante a operação do ge-
rador da turbina a gás em regime motor (a CR não possui sopradores e exausto-
res); 
 Partida da turbina a gás; 
 Sincronização do gerador da turbina a gás (com uma potência mínima definida 
pelo fabricante); 
 
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 Realização de vácuo no condensador, na turbina a vapor e no sistema de tubu-
lações; 
 Aquecimento da CR até que a temperatura dos gases atinja entre 285-305°C; 
 Envio do vapor gerado na CR através de um bypass para o condensador. Este 
bypass geralmente tem capacidade para permitir a passagem da vazão nominal 
do vapor. Assim é possível operar a turbina a gás com a turbina a vapor desliga-
da; 
 Quando forem atingidos os parâmetros mínimos do vapor definidos nas instru-
ções de operação, procede-se à rolagem da turbina a vapor; 
o A rolagem da turbina é uma das operações de maior responsabilidade du-
rante a operação do bloco energético. Precisamente, é o estado da turbi-
na que condiciona a velocidade de partida da mesma. 
O fornecimento inicial de vapor para turbina é feito mediante a abertura 
das válvulas de regulação, de forma que seja atingida uma baixa rotação. 
Como em baixas rotações não há formação efetiva de um filme de lubrifi-
cação de óleo nos mancais que garanta a lubrificação dos mesmos, para 
evitar atrito seco e conseqüente desgaste da superfície do metal patente, 
deverá ser criada uma cunha estável de óleo nos mancais através de uma 
bomba auxiliar de alta pressão. 
Os parâmetros iniciais de fornecimento de vapor deverão ser suficientes 
para aumentar a rotação até o primeiro patamar de estabilização,onde se-
rá mantida durante um tempo de 10 a 50 minutos, para aquecimento e 
monitoramento e, após, para o aumento rápido da rotação até o valor no-
minal. 
O posterior aumento da rotação até seu valor nominal ocorre de forma 
contínua com uma passagem rápida pelas velocidades críticas, onde a-
contece a ressonância do rotor, uma vez que a grande maioria das turbi-
nas modernas tem rotor flexível, ou seja, com velocidades menores que a 
velocidade de operação. Durante a partida é indispensável monitorar a 
evolução dos valores do deslocamento axial e excentricidade do rotor, do 
 
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deslocamento axial da turbina, da dilatação diferencial rotor/carcaça. O di-
ferencial de temperatura entre a parte superior e inferior das turbinas de 
alta é média pressão não deve superar 50 °C. 
Ao atingir rotação nominal, as válvulas de regulação passam a ser co-
mandas pelo regulador de velocidade da turbina para manter a freqüência 
da turbina no valor ajustado para operação. O sistema de lubrificação, 
neste momento, passa a operar utilizando a bomba principal, ou seja, pas-
sa ao regime normal de operação. É necessário fechar todas as drena-
gens das seções da turbina e das tubulações de vapor, verificar o nível de 
vibrações dos mancais e verificar a operação dos equipamentos auxilia-
res. Ligam-se os sistemas de resfriamento e de excitação do gerador. 
 
 Sincronização do gerador da turbina a vapor; 
o No momento de fechamento do disjunto de sincronismo da unidade à rede 
é necessário que o gerador esteja em fase com o sistema elétrico, ou se-
ja, com mesma tensão, mesma freqüência e mesma fase. A partir deste 
momento, a unidade está entregue ao operador do sistema. No entanto, o 
carregamento da unidade para o aumento ou redução de carga é realiza-
do pelo pessoal de operação da central, obedecendo às curvas de partida 
constantes das instruções de operação, até o momento em que se estabe-
lecerem as condições de operação nominais da unidade. 
 Carregamento da turbina a vapor até potência nominal; 
o O carregamento da turbina será função da temperatura do rotor depois do 
sincronismo do gerador. Geralmente o carregamento é controlado auto-
maticamente pelo regulador de potência da máquina. O gradiente de car-
ga poderá ser limitado por baixa pressão de vapor na admissão e tensão 
térmica elevada. Durante o carregamento da unidade também podemos 
destacar os seguintes parâmetros principais que devem estar submetidos 
a uma monitoração constante: 
 
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 Dilatação diferencial rotor/carcaça, que não deve ultrapassar os va-
lores estabelecidos pelo fabricante. Os rotores, tendo menos massa 
que a carcaça e uma superfície maior, aquecem mais rápido e, por 
isso, sua dilatação pode superar a da carcaça, o que pode levar ao 
engripamento na seção de fluxo das selagens; 
 A dilatação absoluta das carcaças das diferentes seções da turbina; 
 A temperatura do metal das tubulações; 
 A vibração dos mancais da turbina, pelos quais é possível avaliar a 
vibração dos rotores; 
 As expansões térmicas dos painéis, tubos da caldeira e tubulações, 
pelas marcas de referência; 
 A temperatura do metal do superaquecedor de vapor; 
 Os níveis de água do condensador e desaerador, e para as caldei-
ras de circulação natural, o nível do tambor; 
 A pressão de óleo no sistema de lubrificação, temperatura do óleo 
e dos casquilhos dos mancais. 
 
9.1.3. Particularidades da partida desde o Estado Não-resfriado 
 
O principal cuidado durante a partida de unidades e grupos turbogeradores quentes 
é garantir que o fluido de trabalho fornecido à turbina não tenha temperaturas inferi-
ores à do metal da mesma, o que pode levar a rápidas contrações na turbina, ge-
rando grandes tensões térmicas, resultando no engripamento da seção de fluxo e 
deformação dos flanges. Na turbina a vapor esta limitação é mais sensível, por isso, 
antes de ser iniciada a rolagem da turbina, a temperatura do vapor deve ultrapassar 
a temperatura do metal na seção de entrada de vapor em 50-70ºC. 
A partida começa com a criação de vácuo no condensador, para o qual é injetado 
vapor ao ejetor e aos selos da turbina. A fim de evitar o resfriamento abrupto do ro-
tor, o vapor é injetado nos selos dianteiros da turbinas de alta e média pressão a 
uma temperatura em torno de 400 ºC. 
 
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 A rolagem da turbina não é permitida com uma diferença de temperatura entre a 
parte superior e inferior da carcaça maior do que 50ºC. 
Nas plantas de ciclo combinado modernas, geralmente existe um módulo de contro-
le específico para monitoramente de tensão térmica da turbina. A saída deste módu-
lo de controle poderá limitar o gradiente de aceleração durante a rolagem da turbina 
e, de carga, durante o carregamento da mesma. Em casos extremos, onde ocorra 
de violação dos limites máximos admissíveis de tensão térmica, poderá ocorrer des-
ligamento intempestivo da turbina para manutenção da integridade da máquina. A-
pós o sincronismo da turbina, o carregamento é feito em degraus de potência, por 
exemplo, 10%/min para o controle de vibração dos rotores e o alongamento relativo. 
 
Nas turbinas a gás, geralmente são limitadas as tentativas de partida a quente. Isto 
é feito para mitigar o efeito da tensão térmica causada pela operação de purga da 
caldeira de recuperação (quando o gerador elétrico opera em modo motor acionado 
o compressor da turbina a gás, e desta forma fornecendo o volume de ar suficiente 
para remoção de gases de combustão residuais na seção de fluxo da CR). A Alstom 
Power, por exemplo, limita a 2 o número de tentativas de partida a quente, caso o-
corram duas falhas consecutivas são necessárias 12 horas de operação em giro len-
to até que seja liberada nova seqüência de partida. 
A duração da partida de uma central de ciclo combinado dependerá de vários fato-
res, entre os quais os mais importantes são: 
 Horas de parada (estado térmico); 
 Tipo de caldeira de recuperação (fluxo vertical, horizontal, circulação natural, 
circulação forçada); 
 Tipo de combustível e potência da unidade. 
 
9.1.4. Parada da turbina a vapor 
Em função das causas, temos os seguintes tipos de paradas; 
 Parada em reserva. Realiza-se sem resfriamento da turbina a vapor e da CR; 
 
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 Parada da unidade para realização de serviços de manutenção na caldeira e 
tubulações principais. O resfriamento realiza-se na caldeira e tubulações; 
 Parada de unidade para realização da manutenção total programada ou ma-
nutenção corrente da unidade. Realiza-se o resfriamento de todos os equi-
pamentos, principalmente da turbina a vapor, já que disto depende o prazo 
para início dos trabalhos de manutenção; 
 Parada de emergência. Realiza-se sem uma preparação preliminar. 
 
Analisando-se especificamente a turbina a vapor, para qualquer tipo de parada, 
com exceção da parada de emergência, é necessário desligar a unidade das tu-
bulações e linhas de transmissão gerais da central, verificar a disponibilidade o-
perativa das bombas de óleo de partida, reserva e emergência. A diminuição de 
carga é realizada com a redução de produção de vapor na CR junto à diminuição 
gradual de potência da turbina a gás associada. 
A velocidade de redução de carga é determinada principalmente pela velocidade 
de diminuição da temperatura do tambor da CR (até 2,5 °C/min), no entanto, é 
necessário também controlar a velocidade de resfriamento da tubulação de vapor 
e da turbina e o encurtamento relativodo rotor. 
Fechando as válvulas de regulagem, a carga da turbina é levada até zero e, em 
seguida, aciona-se a válvula de parada da turbina. Logo após o fechamento de 
todas as válvulas, e na ausência de carga elétrica, desconecta-se o gerador da 
rede. Com isto a operação em regime de motorização deverá ultrapassar 4-5 mi-
nutos. Quando a rotação diminui em torno de 10%, liga-se a bomba de óleo de 
partida e, após a diminuição do vácuo a zero, interrompe-se a injeção de vapor 
aos selos. 
Durante a diminuição da rotação, na parada da turbina, é muito importante levan-
tar a curva de rotação residual do rotor, ou seja, relação entre a velocidade de ro-
tação e o tempo até acontecer a parada total da máquina. Esta curva é muito in-
formativa. Uma parada acelerada do rotor nos permite dizer que o trabalhos dos 
 
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mancais não é satisfatórios. Um aumento no tempo de parada em comparação 
com o normal, diz sobre possíveis fugas nas válvulas de fornecimento de vapor. 
A fim de garantir o resfriamento homogêneo da turbina, esta é mantida em rota-
ção com o mecanismo de giro lento, que só poderá ser desligado quando a tur-
bina for considerada fria (temperatura informada pelo fabricante). 
Uma vez que durante o resfriamento os rotores menos macios se resfriam mais 
rápido do que a carcaça, especialmente os flanges da turbina, é necessário um 
controle constante do encurtamento relativo dos rotores para evitar engripamento 
na seção de fluxo e nas seções de selagem. 
 
Nas centrais termelétricas de ciclo combinado, toda a seqüência de partida e pa-
rada das unidades geradoras e sistemas auxiliares, é realizada em modo auto-
mático via sistema de controle da planta. Entretanto, o pessoal de operação deve 
estar familiarizado com as seqüências de operação e os fenômenos específicos 
de cada processo, de forma a garantir uma rápida intervenção em caso de falha 
no sistema de controle. 
 
10 CONTROLE DE TURBINAS A VAPOR 
 
 Neste curso iremos abordar os sistemas de monitoramento e controle básicos 
encontrados tipicamente em turbinas a vapor de aplicação em instalações de ciclo 
combinado de médio e grande porte. De maneira geral, principal diferença com respei-
to ao monitoramento e controle das instalações de ciclo combinado quando compara-
das aquelas de térmicas convencionas, se concentra nos sistemas associados aos sis-
temas de combustível e seus acessórios, já que para a caldeira, a turbina a vapor, o 
condensador e os sistemas de resfriamento, os sistemas de controle guardam uma cor-
respondência muito grande entre si. 
As unidades em ciclo combinado são as mais eficientes centrais termelétricas existen-
tes na atualidade. A eficiência destas configurações tem atingido valores da ordem de 
60%, em função principalmente do grande desenvolvimento tecnológico das turbinas a 
 
Curso básico de turbina a vapor. 
 
 
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gás, que tem proporcionado elevados rendimentos destes elementos e das temperatu-
ras de trabalho alcançadas. 
De uma maneira geral e usual, as centrais termelétricas em ciclo combinado são com-
postas por uma ou mais turbinas a gás e uma turbina a vapor, sendo que cada turbina 
aciona um gerador próprio (no arranjo de múltiplos eixos – na configuração em eixo 
simples, as duas máquinas térmicas acionam o mesmo gerador). Os gases de exaustão 
das turbinas a gás são direcionados para uma ou mais caldeiras de recuperação, de 
onde se obtém vapor, que pode ser gerado em diversos níveis de pressão e temperatu-
ra, dependendo da configuração considerada. Este vapor é utilizado, finalmente, para 
alimentar a turbina a vapor. 
 
a. Funções de Controle 
 
As funções de controle das turbinas a vapor modernas, geralmente estão divididas em 
módulos de software logicamente independentes, conforme listado abaixo: 
 
 Controlador base 
 Controlador automático 
 Posicionadores de válvulas 
 Interfaces padronizadas 
 
 O controlador da turbina é conectado a um barramento local comum e integrado 
em um gabinete. 
A fim de aumentar a confiabilidade das instalações, o controlador geralmente consiste 
de dois controladores redundantes (principal e retaguarda). Os dois controladores têm a 
estrutura idêntica. Para operação da turbina, no entanto, geralmente é necessário so-
mente um dos controladores, enquanto o outro fica em modo retaguarda. Se o contro-
lador principal falha, o retaguarda assume automaticamente e a unidade com defeito 
pode ser reparada sem a necessidade de desligar a máquina. 
 
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A estrutura do controlador da turbina a vapor consiste essencialmente dos controlado-
res base e automático. O primeiro é utilizado principalmente para operação manual (ex. 
durante o comissionamento), enquanto o último tem um alto grau de automação. 
 
i. Controlador Base 
 
 É designado para operação manual. Contempla todas as funções requeridas pa-
ra operação segura da turbina a vapor em modo manual. Os principais valores de refe-
rência tais como velocidade e posição das válvulas de controle de admissão de vapor 
podem ser ajustados manualmente, no entanto em operação normal estes valores de 
referência são dados pelo controlador automático. 
 
 Um controlador base consiste essencialmente de controle de velocidade, contro-
le da posição das válvulas de admissão de vapor e extração (quando aplicável) cujos 
valores de referência podem ser ajustados manualmente. O sinal de posicionamento 
para as válvulas de controle de admissão de vapor (valor de referência de fluxo de va-
por) é o somatório da saída do controlador de velocidade e o valor de referência das 
válvulas de controle de admissão de vapor. 
 
 As principais medidas requeridas pelo controlador base são: 
 
 Velocidade da turbina; 
 Pressão do vapor; 
 Pressão do vapor de extração; 
 Pressão de exausto da turbina de baixa pressão; 
 Temperaturas para proteção de ventilação da turbina; 
 Temperatura de exausto da turbina de alta pressão. 
 
 
 
 
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 A medição de velocidade da turbina; a medição de pressão do vapor de extração 
e a medição de pressão de exausto da turbina de baixa pressão geralmente são redun-
dantes com três canais de medição. Isto se deve ao fato de que o sistema de proteção 
das turbinas a vapor modernas geralmente trabalha com filosofia de votação 2 de 3; as 
demais medições principais supracitadas são normalmente redundantes com dois ca-
nais. Para reduzir o número de paradas espúrias da turbina, um sistema de supervisão 
detecta e desabilita canais em distúrbio e dispara um alarme na sala de operação. Por 
segurança, a turbina a vapor é desligada se dois canais de uma medição vital estão em 
distúrbio. 
 
As funções principais de um controlador base estão elencadas abaixo: 
 Partida manual 
 Sincronização 
 Operação em carga 
 Linearização das características das válvulas 
 Limitação da redução de pressão do vapor de alta pressão 
 Limitação da aceleração 
 Controle das válvulas de extração (se houver) 
 Supervisão da ventilação das turbinas de alta e baixa pressão 
 
1. Controlador de velocidade 
 
 O controle de velocidade das turbinas a vapor geralmente é feito por meio de um 
controlador Proporcional /Integral quando opera em modo sem carga e como controla-
dor proporcional quando em carga. O droop do controlador pode ser ajustado via ferra-
menta de engenharia, alterando o parâmetro no software numa faixa entre 3% a 8%. O 
valor de referência da velocidade pode ser ajustado manualmente pelo operador ou au-
tomaticamente com o programa