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Una central termoeléctrica , también conocida como planta de energía térmica , es un tipo de central eléctrica en la que la energía calorífica generada a partir de diversas fuentes de combustible (por ejemplo, carbón , gas natural , combustible nuclear , etc.) se convierte en energía eléctrica . [ 1 ] El calor de la fuente se convierte en energía mecánica mediante un ciclo de potencia termodinámico (como un ciclo Diesel , un ciclo Rankine , un ciclo Brayton , etc.). El ciclo más común implica un fluido de trabajo (a menudo agua) que se calienta y hierve a alta presión en un recipiente a presión para producir vapor a alta presión. Este vapor a alta presión se dirige luego a una turbina, donde hace girar sus álabes. La turbina giratoria está conectada mecánicamente a un generador eléctrico que convierte el movimiento rotatorio en electricidad. Combustibles como el gas natural o el petróleo también pueden quemarse directamente en turbinas de gas ( combustión interna ), omitiendo la etapa de generación de vapor. Estas plantas pueden ser de ciclo abierto o del tipo de ciclo combinado , más eficiente .
La mayoría de las centrales térmicas del mundo funcionan con turbinas de vapor, turbinas de gas o una combinación de ambas. La eficiencia de una central térmica se determina por la eficacia con la que convierte la energía térmica en energía eléctrica, específicamente por la relación entre la electricidad comercializable y el poder calorífico del combustible utilizado. Los diferentes ciclos termodinámicos presentan eficiencias variables, siendo el ciclo Rankine generalmente más eficiente que los ciclos Otto o Diesel. [ 1 ] En el ciclo Rankine, los gases de escape a baja presión de la turbina entran en un condensador de vapor donde se enfrían para producir condensado caliente , que se recicla al proceso de calentamiento para generar aún más vapor a alta presión.
El diseño de las centrales térmicas depende de la fuente de energía prevista. Además de combustibles fósiles y nucleares , algunas centrales utilizan energía geotérmica , energía solar , biocombustibles e incineración de residuos . Ciertas centrales térmicas también están diseñadas para producir calor para fines industriales, proporcionar calefacción urbana o desalinizar agua , además de generar energía eléctrica. Las tecnologías emergentes, como las centrales térmicas supercríticas y ultrasupercríticas, operan a temperaturas y presiones más altas para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones. La tecnología de cogeneración o CHP (producción combinada de calor y electricidad), que consiste en la producción simultánea de electricidad y calor útil a partir de la misma fuente de combustible, mejora la eficiencia general al utilizar el calor residual para calefacción. Las centrales térmicas más antiguas y menos eficientes se están desmantelando o adaptando para utilizar fuentes de energía más limpias y renovables.
Las centrales térmicas producen el 70% de la electricidad mundial. [ 2 ] Suelen proporcionar un suministro de energía de base fiable, estable y continuo, esencial para el crecimiento económico. Garantizan la seguridad energética al mantener la estabilidad de la red, especialmente en regiones donde complementan fuentes de energía renovables intermitentes que dependen de las condiciones climáticas. El funcionamiento de las centrales térmicas contribuye a la economía local mediante la creación de empleos en la construcción, el mantenimiento y la extracción de combustibles. Por otro lado, la quema de combustibles fósiles libera gases de efecto invernadero (que contribuyen al cambio climático) y contaminantes atmosféricos como óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno (que provocan lluvia ácida y enfermedades respiratorias). La tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CAC) puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero de las centrales térmicas que utilizan combustibles fósiles; sin embargo, es costosa y rara vez se ha implementado. Se están aplicando regulaciones gubernamentales y acuerdos internacionales para reducir las emisiones nocivas y promover una generación de energía más limpia.
Tipos de energía térmica
Casi todas las centrales eléctricas de carbón , petróleo, nucleares , geotérmicas , solares térmicas y plantas de incineración de residuos , así como todas las centrales eléctricas de gas natural, son térmicas. El gas natural se quema frecuentemente en turbinas de gas y calderas . El calor residual de una turbina de gas, en forma de gases de escape calientes, puede utilizarse para generar vapor haciendo pasar este gas a través de un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG). El vapor se utiliza luego para accionar una turbina de vapor en una planta de ciclo combinado que mejora la eficiencia general. Las centrales eléctricas que queman carbón, fueloil o gas natural suelen denominarse centrales eléctricas de combustibles fósiles . También han aparecido algunas centrales térmicas alimentadas con biomasa . Las centrales térmicas no nucleares, en particular las plantas de combustibles fósiles, que no utilizan cogeneración , a veces se denominan centrales eléctricas convencionales .
Las centrales eléctricas comerciales suelen construirse a gran escala y están diseñadas para un funcionamiento continuo. Prácticamente todas las centrales eléctricas utilizan generadores eléctricos trifásicos para producir energía eléctrica de corriente alterna (CA) a una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz . Las grandes empresas o instituciones pueden tener sus propias centrales eléctricas para suministrar calefacción o electricidad a sus instalaciones, especialmente si de todos modos se produce vapor para otros fines. Las centrales eléctricas de vapor se han utilizado para impulsar la mayoría de los barcos durante la mayor parte del siglo XX . Las centrales eléctricas a bordo de los barcos suelen acoplar directamente la turbina a las hélices del barco a través de cajas de engranajes. Las centrales eléctricas en dichos barcos también proporcionan vapor a turbinas más pequeñas que impulsan generadores eléctricos para suministrar electricidad. La propulsión marina nuclear se utiliza, con pocas excepciones, solo en buques de guerra. Ha habido muchos barcos turboeléctricos en los que una turbina de vapor impulsa un generador eléctrico que alimenta un motor eléctrico para la propulsión .
Las plantas de cogeneración , a menudo denominadas instalaciones de producción combinada de calor y electricidad (CHP, por sus siglas en inglés), producen tanto energía eléctrica como calor para procesos industriales o calefacción de espacios, como vapor y agua caliente.
Historia
La máquina de vapor de pistón se ha utilizado para producir energía mecánica desde el siglo XVIII, con mejoras notables realizadas por James Watt . Cuando se establecieron las primeras centrales eléctricas comerciales en 1882 en la estación de Pearl Street en Nueva York y en la central eléctrica del viaducto de Holborn en Londres, se utilizaron máquinas de vapor de pistón. El desarrollo de la turbina de vapor en 1884 proporcionó diseños de máquinas más grandes y eficientes para las centrales generadoras centrales. [ 3 ]
Hacia 1892, la turbina se consideraba una mejor alternativa a los motores de pistón. [ 4 ] Las turbinas ofrecían velocidades más altas, maquinaria más compacta y una regulación de velocidad estable que permitía el funcionamiento síncrono en paralelo de los generadores en una barra común. A partir de 1905, aproximadamente, las turbinas reemplazaron por completo a los motores de pistón en casi todas las grandes centrales eléctricas.
Los grupos electrógenos de pistón más grandes jamás construidos se terminaron en 1901 para el ferrocarril elevado de Manhattan . Cada una de las diecisiete unidades pesaba alrededor de 500 toneladas y tenía una potencia nominal de 6000 kilovatios; un grupo electrógeno de turbina contemporáneo de potencia similar habría pesado aproximadamente un 20 %. [ 5 ]
Eficiencia de generación de energía térmica
La eficiencia energética de una central térmica convencional se define como la energía vendible producida como porcentaje del poder calorífico del combustible consumido. Una turbina de gas de ciclo simple alcanza eficiencias de conversión de energía del 20 al 35 %. [ 6 ] Las centrales eléctricas típicas de carbón que operan a presiones de vapor de 170 bar y 570 °C funcionan con una eficiencia del 35 al 38 %, [ 7 ] mientras que las centrales de combustibles fósiles de última generación alcanzan una eficiencia del 46 %. [ 8 ] Los sistemas de ciclo combinado pueden alcanzar valores más altos. Como ocurre con todos los motores térmicos, su eficiencia es limitada y está regida por las leyes de la termodinámica .
La eficiencia de Carnot dicta que se pueden alcanzar mayores eficiencias aumentando la temperatura del vapor. Las centrales eléctricas de combustibles fósiles de presión subcrítica pueden alcanzar una eficiencia del 36-40%. Los diseños supercríticos tienen eficiencias en el rango bajo a medio del 40%, con nuevos diseños "ultracríticos" que utilizan presiones superiores a 4400 psi (30 MPa) y recalentamiento de múltiples etapas que alcanzan una eficiencia del 45-48%. [ 7 ] Por encima del punto crítico para el agua de 705 °F (374 °C) y 3212 psi (22,15 MPa) , no hay transición de fase de agua a vapor, sino solo una disminución gradual de la densidad .
Actualmente, la mayoría de las centrales nucleares deben operar a temperaturas y presiones inferiores a las de las centrales térmicas de carbón, con el fin de proporcionar márgenes de seguridad más conservadores en los sistemas de disipación de calor del combustible nuclear. Esto limita su eficiencia termodinámica a un 30-32%. Algunos diseños de reactores avanzados en estudio, como el reactor de muy alta temperatura , el reactor avanzado refrigerado por gas y el reactor de agua supercrítica , operarían a temperaturas y presiones similares a las de las centrales de carbón actuales, produciendo una eficiencia termodinámica comparable.
La energía de una central térmica que no se utiliza para la producción de electricidad debe disiparse en forma de calor al medio ambiente. Este calor residual puede pasar por un condensador y eliminarse con agua de refrigeración o en torres de refrigeración . Si, en cambio, el calor residual se utiliza para la calefacción urbana , se denomina cogeneración . Un tipo importante de central térmica es la asociada a plantas desalinizadoras . Estas se encuentran típicamente en países desérticos con grandes reservas de gas natural . En estas plantas, la producción de agua dulce y electricidad son subproductos igualmente importantes.
Otros tipos de centrales eléctricas están sujetos a diferentes limitaciones de eficiencia. La mayoría de las centrales hidroeléctricas en los Estados Unidos tienen una eficiencia de alrededor del 90 por ciento en la conversión de la energía del agua en caída en electricidad [ 9 ], mientras que la eficiencia de una turbina eólica está limitada por la ley de Betz a aproximadamente el 59,3%, y las turbinas eólicas reales muestran una eficiencia menor.
Costo de la electricidad
El costo directo de la energía eléctrica producida por una central térmica es el resultado del costo del combustible, el costo de capital de la planta, la mano de obra del operador, el mantenimiento y factores como la gestión y eliminación de cenizas. Los costos indirectos sociales o ambientales, como el valor económico de los impactos ambientales o los efectos ambientales y en la salud del ciclo completo del combustible y el desmantelamiento de la planta, generalmente no se asignan a los costos de generación de las centrales térmicas en la práctica de las empresas de servicios públicos, pero pueden formar parte de una evaluación de impacto ambiental. Estos costos indirectos pertenecen al concepto más amplio de externalidades .
Ciclo de caldera y vapor
En el ámbito de las centrales nucleares , el generador de vapor se refiere a un tipo específico de intercambiador de calor de gran tamaño utilizado en un reactor de agua a presión (PWR) para conectar térmicamente los sistemas primario (reactor) y secundario (planta de vapor), generando vapor. En un reactor de agua en ebullición (BWR), no se utiliza un generador de vapor independiente y el agua hierve en el núcleo del reactor.
En algunos entornos industriales, también se utilizan intercambiadores de calor generadores de vapor, denominados generadores de vapor de recuperación de calor (HRSG), que aprovechan el calor residual de algún proceso industrial, generalmente el de los gases de escape calientes de una turbina de gas. La caldera generadora de vapor debe producir vapor con la alta pureza, presión y temperatura requeridas para la turbina de vapor que acciona el generador eléctrico.
Las centrales geotérmicas no necesitan calderas porque utilizan fuentes de vapor naturales. En los casos en que el vapor geotérmico sea muy corrosivo o contenga un exceso de sólidos en suspensión, pueden utilizarse intercambiadores de calor.
Un generador de vapor de combustible fósil incluye un economizador , un tambor de vapor y el horno con sus tubos generadores de vapor y serpentines sobrecalentadores. Las válvulas de seguridad necesarias están ubicadas en puntos adecuados para proteger contra la presión excesiva de la caldera. El equipo del circuito de aire y gases de combustión incluye: ventilador de tiro forzado (FD) , precalentador de aire (AP), horno de la caldera, ventilador de tiro inducido (ID), colectores de cenizas volantes ( precipitador electrostático o filtro de mangas ) y la chimenea de gases de combustión . [ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
Calentamiento del agua de alimentación
El agua de alimentación de la caldera, utilizada en la caldera de vapor , es un medio para transferir la energía térmica del combustible en combustión a la energía mecánica de la turbina de vapor giratoria . El agua de alimentación total se compone de agua de condensado recirculada y agua de reposición purificada . Debido a que los materiales metálicos con los que entra en contacto son susceptibles a la corrosión a altas temperaturas y presiones, el agua de reposición se purifica exhaustivamente antes de su uso. Un sistema de ablandadores de agua y desmineralizadores de intercambio iónico produce agua tan pura que, de forma incidental, se convierte en un aislante eléctrico , con una conductividad en el rango de 0,3 a 1,0 microsiemens por centímetro. El agua de reposición en una planta de 500 MWe asciende a aproximadamente 120 galones estadounidenses por minuto (7,6 L/s) para reemplazar el agua extraída de los tambores de la caldera para el control de la pureza del agua, y también para compensar las pequeñas pérdidas por fugas de vapor en el sistema.
El ciclo del agua de alimentación comienza con el bombeo del agua condensada desde el condensador , tras su paso por las turbinas de vapor. El caudal de condensado a plena carga en una planta de 500 MW es de aproximadamente 6000 galones estadounidenses por minuto (400 l/s).
El agua se presuriza generalmente en dos etapas y fluye a través de una serie de seis o siete calentadores de agua de alimentación intermedios, calentándose en cada punto con vapor extraído de una conexión de extracción adecuada en las turbinas y aumentando su temperatura en cada etapa. Normalmente, en la mitad de esta serie de calentadores de agua de alimentación, y antes de la segunda etapa de presurización, el condensado junto con el agua de reposición fluye a través de un desgasificador [ 13 ] [ 14 ] que elimina el aire disuelto del agua, purificándola aún más y reduciendo su corrosividad. Posteriormente, se puede añadir hidracina al agua, un producto químico que elimina el oxígeno restante hasta menos de 5 partes por mil millones (ppb). También se le añaden agentes de control de pH , como amoníaco o morfolina, para mantener baja la acidez residual y, por lo tanto, evitar la corrosión.
Funcionamiento de la caldera
La caldera es un horno rectangular de unos 15 metros de lado y 40 metros de altura. Sus paredes están hechas de una red de tubos de acero de alta presión de unos 58 milímetros de diámetro.
El combustible, como el carbón pulverizado, se introduce en el horno mediante quemadores ubicados en las cuatro esquinas, a lo largo de una pared o en dos paredes opuestas, y se enciende para que arda rápidamente, formando una gran bola de fuego en el centro. La radiación térmica de la bola de fuego calienta el agua que circula por los tubos de la caldera cerca del perímetro. El caudal de circulación del agua en la caldera es de tres a cuatro veces superior al caudal de salida.
A medida que el agua de la caldera circula, absorbe calor y se transforma en vapor. Este se separa del agua en un tambor situado en la parte superior del horno. El vapor saturado se introduce en tubos colgantes de sobrecalentamiento que se encuentran en la zona más caliente de los gases de combustión a la salida del horno. Allí, el vapor se sobrecalienta a 540 °C (1000 °F) para prepararlo para la turbina.
Las centrales que utilizan turbinas de gas para calentar el agua y convertirla en vapor emplean calderas conocidas como generadores de vapor de recuperación de calor (HRSG). El calor residual de las turbinas de gas se utiliza para producir vapor sobrecalentado, que posteriormente se emplea en un ciclo convencional de generación de agua y vapor, tal como se describe en la sección de centrales de ciclo combinado con turbinas de gas .
Horno de caldera y tambor de vapor
El agua entra en la caldera a través de una sección del conducto de convección llamada economizador . Desde el economizador, pasa al tambor de vapor y, desde allí, circula por conductos descendentes hasta los colectores de entrada situados en la parte inferior de las paredes de agua. Desde estos colectores, el agua asciende a través de las paredes de agua del horno, donde parte de ella se convierte en vapor. La mezcla de agua y vapor vuelve a entrar en el tambor de vapor. Este proceso puede ser impulsado únicamente por circulación natural (debido a que el agua en los conductos descendentes es más densa que la mezcla de agua y vapor en las paredes de agua) o asistido por bombas. En el tambor de vapor, el agua regresa a los conductos descendentes y el vapor pasa a través de una serie de separadores y secadores que eliminan las gotas de agua. El vapor seco fluye entonces hacia las serpentinas del sobrecalentador.
El equipo auxiliar del horno de la caldera incluye boquillas de alimentación de carbón y pistolas de encendido, sopladores de hollín , lanzas de agua y mirillas (en las paredes del horno) para observar el interior. Las explosiones del horno debidas a la acumulación de gases combustibles tras una parada de emergencia se evitan purgando dichos gases de la zona de combustión antes de encender el carbón.
El tambor de vapor (así como las serpentinas y los colectores del sobrecalentador ) cuentan con respiraderos y desagües necesarios para la puesta en marcha inicial.
Sobrecalentador
Las centrales eléctricas de combustibles fósiles suelen tener una sección de sobrecalentamiento en el horno generador de vapor. El vapor pasa por un equipo de secado dentro del tambor de vapor y llega al sobrecalentador, un conjunto de tubos en el horno. Allí, el vapor absorbe más energía de los gases de combustión calientes que circulan fuera de los tubos, y su temperatura se eleva por encima de la temperatura de saturación. El vapor sobrecalentado se canaliza a través de las tuberías principales hasta las válvulas situadas antes de la turbina de alta presión.
Las centrales de vapor de propulsión nuclear no cuentan con dichas secciones, sino que producen vapor en condiciones prácticamente saturadas. Las centrales nucleares experimentales se equiparon con sobrecalentadores alimentados con combustibles fósiles en un intento por mejorar el coste operativo total de la planta.
Condensación de vapor
El condensador condensa el vapor de escape de la turbina, convirtiéndolo en líquido para su posterior bombeo. Si se logra enfriar el condensador, se reduce la presión del vapor de escape y aumenta la eficiencia del ciclo .
El condensador de superficie es un intercambiador de calor de carcasa y tubos en el que el agua de refrigeración circula a través de los tubos. [ 11 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] El vapor de escape de la turbina de baja presión entra en la carcasa, donde se enfría y se convierte en condensado (agua) al fluir sobre los tubos como se muestra en el diagrama adyacente. Dichos condensadores utilizan eyectores de vapor o escapes accionados por motor rotativo para la eliminación continua de aire y gases del lado del vapor para mantener el vacío .
Para lograr la máxima eficiencia, la temperatura en el condensador debe mantenerse lo más baja posible para alcanzar la menor presión posible en el vapor condensado. Dado que la temperatura del condensador casi siempre puede mantenerse muy por debajo de los 100 °C, donde la presión de vapor del agua es mucho menor que la atmosférica, el condensador generalmente funciona al vacío . Por lo tanto, debe evitarse la entrada de aire no condensable al circuito cerrado.
Normalmente, el agua de refrigeración provoca la condensación del vapor a una temperatura de unos 25 °C (77 °F) , lo que genera una presión absoluta en el condensador de entre 2 y 7 kPa (0,59-2,07 inHg ) , es decir, un vacío de aproximadamente -95 kPa (-28 inHg) con respecto a la presión atmosférica. La gran disminución de volumen que se produce cuando el vapor de agua se condensa en líquido crea el vacío que, por lo general, aumenta la eficiencia de las turbinas.
El factor limitante es la temperatura del agua de refrigeración. Esta está limitada por las condiciones climáticas promedio predominantes en la ubicación de la central eléctrica. Es posible que la temperatura baje por debajo de los límites de la turbina durante el invierno, lo que provoca una condensación excesiva en la misma. Las centrales que operan en climas cálidos pueden tener que reducir su producción si la temperatura del agua de refrigeración del condensador aumenta. Desafortunadamente, esto suele coincidir con períodos de alta demanda eléctrica para el aire acondicionado .
El condensador generalmente utiliza agua de refrigeración circulante de una torre de refrigeración para disipar el calor residual a la atmósfera, o agua de refrigeración de paso único (OTC) procedente de un río, lago u océano. En Estados Unidos, aproximadamente dos tercios de las centrales eléctricas utilizan sistemas OTC, que a menudo tienen importantes impactos ambientales adversos. Estos impactos incluyen contaminación térmica y la muerte de un gran número de peces y otras especies acuáticas en las tomas de agua de refrigeración . [ 18 ] [ 19 ]
El calor absorbido por el agua de refrigeración circulante en los tubos del condensador también debe eliminarse para mantener la capacidad de enfriamiento del agua durante su circulación. Esto se logra bombeando el agua caliente del condensador a través de torres de refrigeración de tiro natural, tiro forzado o tiro inducido (como se muestra en la imagen adyacente), que reducen la temperatura del agua por evaporación entre 11 y 17 °C (52 y 63 °F), expulsando el calor residual a la atmósfera. El caudal de circulación del agua de refrigeración en una unidad de 500 MW es de aproximadamente 14,2 m³ /s (500 ft³ / s o 225 000 galones estadounidenses/min) a plena carga. [ 20 ]
Los tubos del condensador suelen estar fabricados de acero inoxidable u otras aleaciones para resistir la corrosión por ambos lados. Sin embargo, durante su funcionamiento pueden ensuciarse internamente por bacterias o algas presentes en el agua de refrigeración o por incrustaciones minerales, lo que dificulta la transferencia de calor y reduce la eficiencia termodinámica . Muchas plantas incorporan un sistema de limpieza automático que hace circular bolas de goma esponjosa por los tubos para limpiarlos sin necesidad de desconectar el sistema.
El agua de refrigeración utilizada para condensar el vapor en el condensador regresa a su origen sin haber sufrido ningún cambio, salvo el calentamiento. Si el agua regresa a una masa de agua local (en lugar de a una torre de refrigeración circulante), a menudo se mezcla con agua fría para evitar un choque térmico al ser vertida en dicha masa de agua.
Otro tipo de sistema de condensación es el condensador refrigerado por aire . El proceso es similar al de un radiador y un ventilador. El calor residual de la sección de baja presión de una turbina de vapor circula por los tubos de condensación, que suelen estar aleteados, y el aire ambiente se impulsa a través de las aletas con la ayuda de un ventilador grande. El vapor se condensa en agua para ser reutilizada en el ciclo agua-vapor. Los condensadores refrigerados por aire suelen operar a una temperatura más alta que los refrigerados por agua. Si bien ahorran agua, la eficiencia del ciclo se reduce (lo que resulta en mayores emisiones de dióxido de carbono por megavatio-hora de electricidad).
Desde la parte inferior del condensador, potentes bombas de condensado reciclan el vapor condensado (agua) de vuelta al ciclo agua/vapor.
Recalentador
Los hornos de las centrales eléctricas pueden tener una sección de recalentamiento con tubos calentados por los gases de combustión calientes que salen de ellos. El vapor de escape de la turbina de alta presión pasa a través de estos tubos calentados para recuperar energía antes de accionar las turbinas de presión intermedia y, posteriormente, las de baja presión.
Trayectoria aérea
Se proporcionan ventiladores externos para suministrar suficiente aire para la combustión. El ventilador de aire primario toma aire de la atmósfera y, primero, lo calienta en el precalentador de aire para una mayor eficiencia. El aire primario pasa luego por los pulverizadores de carbón y transporta el polvo de carbón a los quemadores para su inyección en el horno. El ventilador de aire secundario toma aire de la atmósfera y, primero, lo calienta en el precalentador de aire para una mayor eficiencia. El aire secundario se mezcla con el flujo de carbón/aire primario en los quemadores.
El ventilador de tiro inducido asiste al ventilador de tiro forzado extrayendo los gases combustibles del horno, manteniendo una presión ligeramente inferior a la atmosférica en el horno para evitar fugas de productos de combustión de la carcasa de la caldera.
generador de turbina de vapor
Un generador de turbina de vapor consta de una serie de turbinas de vapor interconectadas entre sí y un generador montado sobre un eje común.
Turbina de vapor
Generalmente, el sistema cuenta con una turbina de alta presión en un extremo, seguida de una turbina de presión intermedia y, finalmente, una, dos o tres turbinas de baja presión, además del eje que conecta con el generador. A medida que el vapor circula por el sistema y pierde presión y energía térmica, aumenta su volumen, lo que requiere álabes de mayor diámetro y longitud en cada etapa sucesiva para extraer la energía restante. La masa giratoria total puede superar las 200 toneladas métricas y medir 30 metros de longitud.
Es tan pesado que debe girar lentamente incluso cuando está apagado (a 3 rpm ) para evitar que el eje se doble ligeramente y se desequilibre. Esto es tan importante que es una de las seis únicas funciones de las baterías de emergencia para apagones en la instalación. Las otras cinco son la iluminación de emergencia , las comunicaciones , las alarmas de la estación, el sistema de sellado de hidrógeno del generador y el aceite lubricante del turbogenerador.
En una central eléctrica típica de finales del siglo XX, el vapor sobrecalentado de la caldera se transporta a través de tuberías de 360 a 410 mm (14 a 16 pulgadas) de diámetro a 17 MPa (2400 psi ; 160 atm) y 540 ° C (1000 °F) hasta la turbina de alta presión, donde su presión disminuye a 4,1 MPa (600 psi; 41 atm) y su temperatura a 320 °C (600 °F) a través de la etapa. Sale a través de líneas de recalentamiento en frío de 610 a 660 mm (24 a 26 pulgadas ) de diámetro y regresa a la caldera, donde el vapor se recalienta en tubos colgantes de recalentamiento especiales hasta alcanzar los 540 °C (1000 °F) . El vapor caliente recalentado se conduce a la turbina de presión intermedia, donde disminuye tanto su temperatura como su presión , y sale directamente a las turbinas de baja presión de palas largas para finalmente llegar al condensador.
Turbogenerador
El generador, que suele medir unos 9 metros de largo y 3,7 metros de diámetro, consta de un estator fijo y un rotor giratorio , cada uno con kilómetros de conductor de cobre grueso . Generalmente no tiene imán permanente , lo que evita los arranques en negro . En funcionamiento, genera hasta 21 000 amperios a 24 000 voltios de corriente alterna (504 MWe) mientras gira a 3000 o 3600 rpm , sincronizado con la red eléctrica .
El rotor gira en una cámara sellada refrigerada con hidrógeno gaseoso, seleccionado por tener el coeficiente de transferencia de calor más alto conocido y por su baja viscosidad , lo que reduce las pérdidas por fricción . Este sistema requiere un manejo especial durante el arranque: primero se reemplaza el aire de la cámara con dióxido de carbono antes de llenarla con hidrógeno. Esto garantiza que no se genere una atmósfera de hidrógeno- oxígeno altamente explosiva .
La frecuencia de la red eléctrica es de 60 Hz en Norteamérica y de 50 Hz en Europa , Oceanía , Asia ( con la notable excepción de Corea y algunas zonas de Japón ) y partes de África . La frecuencia deseada influye en el diseño de las grandes turbinas, ya que estas están altamente optimizadas para una velocidad específica.
La electricidad fluye hacia una estación de distribución donde los transformadores aumentan el voltaje para su transmisión a su destino.
Los generadores accionados por turbina de vapor cuentan con sistemas auxiliares que les permiten funcionar de manera satisfactoria y segura. Al ser un equipo rotativo, el generador de turbina de vapor generalmente tiene un eje pesado y de gran diámetro. Por lo tanto, el eje requiere no solo soportes, sino que también debe mantenerse en posición durante el funcionamiento. Para minimizar la resistencia a la fricción durante la rotación, el eje cuenta con varios cojinetes . Las conchas de los cojinetes, dentro de las cuales gira el eje, están revestidas con un material de baja fricción, como el metal Babbitt . Se proporciona lubricación con aceite para reducir aún más la fricción entre el eje y la superficie del cojinete y para limitar el calor generado.
Trayectoria y limpieza de los gases de chimenea
Cuando los gases de combustión salen de la caldera, se dirigen a través de una cesta plana giratoria de malla metálica que absorbe el calor y lo devuelve al aire fresco entrante a medida que gira. Esto se denomina precalentador de aire . Los gases que salen de la caldera contienen cenizas volantes , que son diminutas partículas esféricas. Los gases de combustión contienen nitrógeno junto con productos de la combustión: dióxido de carbono , dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno . Las cenizas volantes se eliminan mediante filtros de mangas en colectores de mangas o precipitadores electrostáticos .
Una vez extraídas, las cenizas volantes pueden utilizarse en ocasiones en la fabricación de hormigón . Este tratamiento de los gases de combustión solo se lleva a cabo en plantas equipadas con la tecnología adecuada. Sin embargo, la mayoría de las centrales termoeléctricas de carbón del mundo carecen de estas instalaciones. La legislación europea ha sido eficaz para reducir la contaminación por gases de combustión. Japón lleva más de 30 años utilizando tecnología de depuración de gases de combustión y Estados Unidos, más de 25. China está empezando a abordar la contaminación causada por las centrales termoeléctricas de carbón.
Cuando lo exige la ley, los contaminantes de azufre y óxido de nitrógeno se eliminan mediante depuradores de gases de chimenea que utilizan una piedra caliza pulverizada u otra suspensión húmeda alcalina para eliminar esos contaminantes de los gases de salida de la chimenea. Otros dispositivos utilizan catalizadores para eliminar los compuestos de óxido nitroso de la corriente de gases de combustión. El gas que sube por la chimenea puede haber descendido a unos 50 °C (120 °F) en ese momento . Una chimenea típica puede tener entre 150 y 180 metros (490 y 590 pies) de altura para dispersar los componentes restantes de los gases de combustión en la atmósfera. La chimenea más alta del mundo mide 419,7 metros (1377 pies) de altura y se encuentra en la central eléctrica Ekibastuz GRES-2 en Kazajstán .
En Estados Unidos y otros países, se requieren estudios de modelado de dispersión atmosférica [ 21 ] para determinar la altura de la chimenea necesaria para cumplir con las regulaciones locales de contaminación del aire . Estados Unidos también exige que la altura de la chimenea cumpla con lo que se conoce como altura de chimenea de " buenas prácticas de ingeniería " (GEP). [ 22 ] [ 23 ] En el caso de chimeneas existentes que superen la altura de chimenea GEP, cualquier estudio de modelado de dispersión de la contaminación del aire para dichas chimeneas debe utilizar la altura de chimenea GEP en lugar de la altura real de la chimenea.
La captura y almacenamiento de carbono (CAC) captura el dióxido de carbono de los gases de combustión de las centrales eléctricas u otras industrias, transportándolo a un lugar adecuado donde puede ser enterrado de forma segura en un depósito subterráneo. Entre 1972 y 2017, se elaboraron planes para añadir CAC a suficientes centrales eléctricas de carbón y gas para secuestrar 171 millones de toneladas de CO₂.2 por año, pero para 2021 más del 98% de estos planes habían fracasado. [ 24 ] El costo, la ausencia de medidas para abordar la responsabilidad a largo plazo por el CO2y la limitada aceptación social han contribuido a las cancelaciones de proyectos. [ 25 ] : 133A partir de 2024, la CCS está en funcionamiento en solo cinco centrales eléctricas en todo el mundo. [ 26 ]
Sistemas auxiliares
Planta de tratamiento y almacenamiento de agua de reposición de calderas
Debido a la extracción continua de vapor y al retorno continuo de condensado a la caldera, es necesario compensar las pérdidas por purga y fugas para mantener el nivel de agua deseado en el tambor de vapor. Para ello, se añade agua de reposición continua al sistema de agua de la caldera. Las impurezas en el agua bruta que ingresa a la planta generalmente consisten en sales de calcio y magnesio , que le confieren dureza . La dureza del agua de reposición forma depósitos en la superficie de los tubos, lo que provoca sobrecalentamiento y fallas en los mismos.
Es necesario eliminar las sales del agua mediante una planta de desmineralización (DM). Una planta DM generalmente consta de intercambiadores de cationes, aniones y lechos mixtos. Los iones presentes en el agua final de este proceso se componen principalmente de iones de hidrógeno e hidróxido, que se recombinan para formar agua pura. El agua DM de alta pureza se vuelve altamente corrosiva al absorber oxígeno atmosférico debido a su elevada afinidad por este.
La capacidad de la planta de DM está determinada por el tipo y la cantidad de sales en el agua bruta de entrada. Es esencial contar con almacenamiento, ya que la planta de DM puede estar fuera de servicio por mantenimiento. Para ello, se instala un tanque de almacenamiento del cual se extrae continuamente agua DM para la reposición de la caldera. El tanque de almacenamiento de agua DM está fabricado con materiales resistentes a la corrosión, como el PVC . Las tuberías y válvulas suelen ser de acero inoxidable. En ocasiones, se coloca un sistema de inertización por vapor o un flotador de acero inoxidable en la superficie del agua del tanque para evitar el contacto con el aire. El agua DM de reposición se añade generalmente en el espacio de vapor del condensador de superficie (es decir, en el lado de vacío). Este sistema no solo pulveriza el agua, sino que también la desgasifica, eliminando los gases disueltos mediante un desgasificador conectado a un eyector acoplado al condensador.
Sistema de preparación de combustible
En las centrales termoeléctricas de carbón, el carbón crudo procedente del área de almacenamiento se tritura primero en trozos pequeños y luego se transporta a las tolvas de alimentación de las calderas. A continuación, el carbón se pulveriza hasta convertirlo en un polvo muy fino. Los pulverizadores pueden ser molinos de bolas , molinos de tambor giratorio u otros tipos de molinos.
Algunas centrales eléctricas queman fueloil en lugar de carbón. El fueloil debe mantenerse caliente (por encima de su punto de fluidez ) en los tanques de almacenamiento para evitar que se solidifique y se vuelva imposible de bombear. Generalmente, el fueloil se calienta a unos 100 °C antes de ser bombeado a través de las boquillas de pulverización del horno.
En algunas centrales eléctricas, las calderas utilizan gas natural procesado como combustible principal. Otras centrales pueden utilizarlo como combustible auxiliar en caso de interrupción del suministro principal (carbón o petróleo). En estos casos, se instalan quemadores de gas independientes en los hornos de las calderas.
Salvo equipo
El mecanismo de bloqueo (o "mecanismo de giro") es el que permite rotar el eje del turbogenerador a muy baja velocidad tras la parada de la unidad. Una vez que la unidad se detiene (es decir, se cierra la válvula de entrada de vapor), la turbina reduce su velocidad hasta detenerse por completo. Al detenerse del todo, el eje de la turbina tiende a deformarse o doblarse si permanece en una misma posición durante demasiado tiempo. Esto se debe a que el calor dentro de la carcasa de la turbina tiende a concentrarse en la mitad superior, lo que provoca que esta parte del eje esté más caliente que la inferior. Por lo tanto, el eje podría deformarse o doblarse en millonésimas de pulgada.
Esta pequeña desviación del eje, detectable únicamente mediante medidores de excentricidad, sería suficiente para provocar vibraciones perjudiciales en toda la unidad de turbina de vapor al reiniciarse. Por lo tanto, el eje gira automáticamente a baja velocidad (aproximadamente el uno por ciento de la velocidad nominal) mediante el mecanismo de bloqueo hasta que se enfría lo suficiente como para permitir una parada completa.
Sistema de aceite
Una bomba del sistema de aceite auxiliar se utiliza para suministrar aceite durante el arranque del generador de turbina de vapor. Suministra el aceite hidráulico necesario para la válvula de cierre de vapor de entrada principal de la turbina de vapor, las válvulas de control reguladoras, los sistemas de aceite de cojinetes y sellos, los relés hidráulicos correspondientes y otros mecanismos.
Durante el arranque, a una velocidad preestablecida de la turbina, una bomba accionada por el eje principal de la turbina asume las funciones del sistema auxiliar.
Refrigeración del generador
Si bien los generadores pequeños pueden refrigerarse mediante aire filtrado en la entrada, las unidades más grandes generalmente requieren sistemas de refrigeración especiales. Se utiliza refrigeración por hidrógeno gaseoso, en una carcasa sellada con aceite, debido a que posee el coeficiente de transferencia de calor más alto conocido de cualquier gas y a su baja viscosidad , que reduce las pérdidas por fricción . Este sistema requiere un manejo especial durante el arranque: primero se reemplaza el aire de la carcasa del generador con dióxido de carbono antes de llenarla con hidrógeno. Esto garantiza que el hidrógeno, altamente inflamable, no se mezcle con el oxígeno del aire.
La presión del hidrógeno dentro de la carcasa se mantiene ligeramente por encima de la presión atmosférica para evitar la entrada de aire exterior, y hasta aproximadamente dos atmósferas para mejorar la capacidad de transferencia de calor. El hidrógeno debe estar sellado para evitar fugas hacia el exterior en el punto donde el eje emerge de la carcasa. Se instalan sellos mecánicos alrededor del eje con una pequeña holgura anular para evitar el roce entre el eje y los sellos en turbinas pequeñas, y sellos de tipo laberinto en máquinas más grandes. Se utiliza aceite de sellado para evitar fugas de hidrógeno a la atmósfera.
El generador también utiliza refrigeración por agua. Dado que las bobinas del generador tienen un potencial de aproximadamente 22 kV , se utiliza una barrera aislante, como el teflón, para interconectar la línea de agua con los devanados de alta tensión del generador. Se utiliza agua desmineralizada de baja conductividad.
Sistema de alta tensión del generador
La tensión del generador para los generadores modernos conectados a la red eléctrica oscila entre 11 kV en unidades pequeñas y 30 kV en unidades grandes. Los conductores de alta tensión del generador suelen ser conductos de aluminio de gran diámetro debido a la alta corriente que soportan en comparación con los cables utilizados en máquinas más pequeñas. Estos conductores se encuentran alojados en conductos de barras colectoras de aluminio con buena conexión a tierra y se apoyan sobre aisladores adecuados. Los conductores de alta tensión del generador se conectan a transformadores elevadores para su posterior conexión a una subestación eléctrica de alta tensión (generalmente entre 115 kV y 765 kV) para su transmisión a través de la red eléctrica local.
Se incluyen los dispositivos de protección y medición necesarios para los conductores de alta tensión. De este modo, el generador de turbina de vapor y el transformador forman una sola unidad. Las unidades más pequeñas pueden compartir un transformador elevador de tensión común con interruptores automáticos individuales para conectar los generadores a una barra colectora común.
Sistema de monitoreo y alarma
La mayoría de los controles operativos de la central eléctrica son automáticos. En ocasiones, puede ser necesaria la intervención manual. Por ello, la planta cuenta con sistemas de monitorización y alarma que alertan a los operadores cuando ciertos parámetros operativos se desvían significativamente de su rango normal.
Iluminación y comunicación de emergencia alimentadas por batería
Se proporciona un sistema central de baterías, compuesto por celdas de plomo-ácido, para suministrar energía eléctrica de emergencia, cuando sea necesario, a elementos esenciales como los sistemas de control de la central eléctrica, los sistemas de comunicación, el sistema de sellado de hidrógeno del generador, las bombas de aceite lubricante de la turbina y la iluminación de emergencia. Esto es fundamental para una parada segura y sin daños de las unidades en caso de emergencia.
Sistema de circulación de agua
Para disipar la carga térmica del vapor de escape de la turbina principal, el condensado del condensador de vapor de la empaquetadura y el condensado del calentador de baja presión, se proporciona un suministro continuo de agua de refrigeración al condensador principal, lo que da lugar a la condensación.
Se estima que el consumo de agua de refrigeración por parte de las centrales eléctricas del interior reducirá la disponibilidad de energía para la mayoría de las centrales térmicas entre 2040 y 2069. [ 27 ]
Véase también
- Caldera
- Procesamiento de biocarbón en centrales térmicas
- Cogeneración
- Torre de refrigeración
- Coste de la electricidad según la fuente
- Cultivo energético
- Chimenea de gases de combustión
- Central eléctrica de combustibles fósiles
- Energía geotérmica
- Ciclo combinado de gasificación integrada
- Polvo de hierro
- Lista de las centrales eléctricas más grandes
- Lista de fallas en centrales térmicas
- Energía nuclear
- conversión de energía térmica oceánica
- Buque motor
- Central eléctrica
- Condensador de superficie
- Caldera de tubos de agua
Referencias
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Enlaces externos
- Central termoeléctrica: contexto indio
- Central eléctrica convencional de carbón
- Diagrama de la central eléctrica
- Libros de referencia sobre centrales eléctricas
- eyectores de chorro de vapor
- Directrices de rendimiento del eyector de chorro de vapor
- Primero en YouTube y segundo en YouTube , videoconferencias de S. Banerjee sobre "Centrales Termoeléctricas".
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