- Objetivo de función
- Definición de central térmica
- Funcionamiento de una central térmica
- Criterios de selección y diseño
- Materiales de construcción
- Definición de cogeneración
- Costos
Las centrales térmicas convencionales queman gas natural, carbón, fuel-oil para producir electricidad por medio de la combustión.
Una central térmica es una instalación que produce energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuel-oil o gas en una caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las centrales térmicas, o termoeléctricas, es semejante.
El combustible se almacena en parques o depósitos adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la caldera, en la que se provoca la combustión. Esta última genera el vapor a partir del agua que circula por una extensa red de tubos que tapizan las paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un generador que produce la energía eléctrica; esta energía se transporta mediante líneas de alta tensión a los centros de consumo. Por su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera, comenzando un nuevo ciclo.
El agua en circulación que refrigera el condensador expulsa el calor extraído a la atmósfera a través de las torres de refrigeración, grandes estructuras que identifican estas centrales; parte del calor extraído pasa a un río próximo o al mar.
Las torres de refrigeración son enormes cilindros contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de forma constante vapor de agua, no contaminante, a la atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la combustión sobre el entorno, la central dispone de una chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles de la combustión. Las cenizas se recuperan para su aprovechamiento en procesos de metalurgia y en el campo de la construcción, donde se mezclan con el cemento.
FUNCIONAMIENTO DE UNA CENTRAL TÉRMICA
En las centrales térmicas convencionales, la energía química ligada por el combustible fósil (carbón, gas o fuel -óil) se transforma en energía eléctrica. Se trata de un proceso de refinado de energía. El esquema básico de funcionamiento de todas las centrales térmicas convencionales es prácticamente el mismo, independientemente de que utilicen carbón, fuel -óil o gas.
Las únicas diferencias sustanciales consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y el diseño de los quemadores de la misma, que varía según el tipo de combustible empleado.
El vapor de agua se bombea a alta presión a través de la caldera, a fin de obtener el mayor rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado).
Este vapor entra a gran presión en la turbina a través de un sistema de tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta, media y baja presión respectivamente. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente. Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la energía térmica en energía mecánica de rotación.
El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión (vacío) y temperatura (40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo productivo. El calor latente de condensación del vapor de agua es absorbido por el agua de refrigeración, que lo entrega al aire del exterior en las torres de enfriamiento.
La energía mecánica de rotación que lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en energía eléctrica por medio de un generador asíncrono acoplado a la turbina.
CENTRALES TERMICAS CLASICAS O CONVENCIONALES
- Centrales Térmicas de Carbón
FUNCIONAMINETO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Las centrales térmicas que usan como combustible carbón, pueden quemarlo en trozos o pulverizado. La pulverización consiste en la reducción del carbón a polvo finísimo (menos de 1/10 mm de diámetro) para inyectarlo en la cámara de combustión del generador de vapor por medio de un quemador especial que favorece la mezcla con el aire comburente.
Con el uso del carbón pulverizado, la combustión es mejor y más fácilmente controlada. La pulverización tiene la ventaja adicional que permite el uso de combustible de desperdicio y difícilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la combustión y que van hacia el exterior, hay incremento de efecto invernadero por su combustión, altos costos de inversión, bajo rendimiento y arranque lento
- Centrales Térmicas de Fuel-Oil
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
En las centrales de fuel, el combustible se calienta hasta que alcanza la fluidez óptima para ser inyectado en los quemadores. Las de fuel-óil presentan como principal inconveniente las oscilaciones del precio del petróleo y derivados, y a menudo también se exigen tratamientos de desulfuración de los humos para evitar la contaminación y la lluvia ácida.
El consumo de un millón de litros de gasolina emite a la atmósfera 2,4 millones de kilogramos de Dióxido de Carbono (CO2), el principal causante del cambio climático mundial. Arranque lento y bajo rendimiento.
- Centrales Térmicas de Gas Natural
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o diesel). El resultado de ésta combustión es que gases a altas temperaturas movilizan la turbina, y su energía cinética es transformada en electricidad por un generador.
El uso de gas en las centrales térmicas, además de reducir el impacto ambiental, mejora la eficiencia energética. Menores costos de la energía empleada en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y otros contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de éstas no supera el 35% .
CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES
- Centrales Térmicas de Ciclo Combinado
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DEVENTAJAS
Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo de gas y un ciclo de vapor. Sus componentes esenciales son la turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de vapor y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera de recuperación, la turbina de vapor y el condensador.
La tecnología de las centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre el 38 por ciento normal de una central eléctrica convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin problemas durante 6.500-7500 horas equivalentes al año.
Uno de los principales problemas que plantean las centrales térmicas es que se trata de un proceso relativamente complejo de conversión de energías. Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan contaminación con la alta emisión de gases.
- Centrales Térmicas de Combustión de Lecho Fluidizado
FUNCIONAMIENTO; CARACTERISTICAS; VENTAJAS Y DESVENTAJAS
Consiste en quemar carbón en un lecho de partículas inertes, a través del cual se hace pasar una corriente de aire. Esta soporta el peso de las partículas y las mantiene en suspensión, de modo que da la impresión de que se trata de un líquido en ebullición. Permitiría obtener rendimientos de hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la emisión de anhídrido sulfuroso.
Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la tecnología de lecho fluidizado se inyecta caliza directamente dentro de la caldera para capturar y remover el azufre del combustible como un subproducto seco.
La temperatura del gas dentro de la caldera va de los 820°C a los 840°C, lo cual determina su diseño y el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este tipo de calderas puede ser atmosférico o presurizado.
- Centrales Térmicas Gicc Gasificación de Carbón Integrada en ciclo combinado
FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y DESVENTAJAS
La gasificación del carbón es un proceso que transforma el carbón sólido en un gas sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno (H2). El carbón es gasificado controlando la mezcla de carbón, oxígeno y vapor dentro del gasificador. La potencia media de estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior todavía a la de una térmica convencional.
Las ventajas medioambientales que ofrecen estas centrales se fundamentan en los bajos valores de emisión de óxidos de azufre y otras partículas.
En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%, una eliminación de 99% de azufre. Bajos costos de combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo grado de emisiones, alto rendimiento, tecnología sin completa prueba de eficiencia, altos costos de inversión, plantas complejas, arranque lento.
CRITERIOS DE SELECCIÓN Y DISEÑO
El diseño conceptual incluye la descripción de la localización, forma y bases del diseño de la planta general, como intemperie o cubierta, grado de utilización, combustible (incluyendo previsión de cambios), tipo y enlaces de la subestación eléctrica, suministro y sistemas de agua, accesos, condiciones y características del sitio, orientación, arreglo general, elementos principales, condiciones de diseño y características de construcción.
- CARACTERÍSTICAS DEL SITIO
*Topografía y drenaje
*Accesos
*Geología
*Proximidad a bancos de préstamos (obtención de material combustible)
*Meteorología. Condiciones climatológicas del sitio
- CONDICIONES GENERALES DE DISEÑO
*Temperatura del aire anual promedio
*Presión barométrica
*Nivel base de la planta
*Coeficientes sísmicos: para estructuras, para bardas, para chimeneas.
*Resistencia del terreno
- SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE UNIDADES
La selección del tamaño involucra un compromiso entre varios factores, sin embargo se sabe que económicamente la mejor solución es instalar unidades del 5 al 10% de la capacidad de los sistemas.
*Especificaciones del turbogenerador, del generador de vapor, y optimización del sistema de agua de circulación.
*Suministro de agua asegurada para el presente y para el fututo.
*Ubicación por razón de disponibilidad del carbón o combustibles, cerca de las fuentes del mismo, o sea lo que corrientemente se conoce como Central de Boca de Mina.
*Ubicación por razón de otros factores, como proximidad a los centros de carga, a fuentes de agua para refrigeración, o a sitios de fácil acceso para la maquinaria y equipos pesados. La ubicación del lugar debe ser en un sitio con vías de acceso muy buenas y al uso de equipos especiales de transporte.
*Costos de la propiedad, de construcción, de puesta en función, de mantenimiento.
*Impacto- socio económico.
*Facilidades de transportación.
Estos varían de acuerdo al equipo utilizado, los más utilizados son los siguientes:
- Para paredes, pisos y cubierta o techo de los tanques, se emplean los aceros A283 grado C y D y A285 grado C.
- Acero al carbón
- Acero inoxidable
- Teflón en los compresores de aire
- Aleaciones de acero
- Aleaciones de latón
- Vidrio
- Hule
- Plásticos
- Concreto
- Ladrillo Refractario
Los sistemas de cogeneración reciclan la energía perdida en el proceso primario de generación (como una turbina de gas) en un proceso secundario. La energía restante se emplea en este caso en forma de vapor directamente en las cercanías de la central (por ejemplo, para calentar edificios), lo que aumenta aún más la eficiencia global del sistema.
En las aplicaciones de cogeneración que requieran tanto calor (el utilizado en un proceso industrial) como electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y se extrae desde la turbina a la temperatura y la presión que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor se pueden utilizar en ciclos (escalones) combinados con un generador de vapor que recupera el calor que se perdería. Las unidades industriales se utilizan para poner en movimiento máquinas, bombas, compresores y generadores eléctricos. La potencia que se obtiene puede ser de hasta 1.300 MW.
De acuerdo con los planes de expansión del sector eléctrico, la mínima capacidad de la planta térmica que se está instalando en el país es de 150 MW.
Es casi imposible poder indicar, para centrales térmicas de determinada capacidad, un costo promedio global o por KW instalado. Cada central es un caso específico y debe procederse a establecer los costos de cada uno de sus componentes de acuerdo con los equipos seleccionados y las condiciones locales específicas.
La siguiente tabla muestra las diferencias de costo frente a las alternativas clásicas de generación
Como puede apreciarse en la tabla anterior, de las centrales térmicas analizadas, la de ciclo combinado presenta costos de operación menores a cualquier alternativa. Posee un costo variable no combustible enmarcado dentro de los más baratos (1,55 Mills/KWh) y un costo de combustible considerablemente más barato que cualquier otra alternativa térmica (8,5 Mills/KWh). Aunque estos costos varían algo con cada diseño, son aproximadamente constantes, por lo que se pueden considerar estables.
COMPONENTES DE UNA CENTRAL TERMICA | CARACTERÍSTICAS – FUNCION |
TURBOGENERADOR | En él tienen lugar las siguientes conversiones de energía:
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GENERADOR DE VAPOR
| El término de generador de vapor o caldera se aplica normalmente a un dispositivo que genera vapor para producir energía, para procesos o dispositivos de calentamiento. Las calderas se diseñan para transmitir calor de una fuente externa de combustión a un fluido (agua) contenido dentro de ella La caldera está compuesta por equipos como ventiladores de aire y gases, precalentadores de aire, ductos, chimenea, economizador, domo, hogar, sobrecalentador, recalentador, quemadores, accesorios, instrumentos, etc. |
CONDENSADOR | La condensación el vapor de escape de la turbina y drenes se efectúa en el condensador , además de la extracción de algunos gases inconfensables. |
TORRE DE ENFRIAMIENTO | Las torres de enfriamiento son dispositivos de enfriamiento artificial de agua. Se clasifican como cambiadores de calor entre un volumen en circuito cerrado de agua y aire atmosférico. Básicamente las torres de enfriamiento son cambiadores de calor de mezcla, efectuando la transmisión de calor por cambio de sustancia y convección entre los medios. El agua cede calor al aire sobre todo por evaporación, lo hace también por convección, pero en forma secundaria. |
BOMBAS | De acuerdo con el mecanismo que mueve el flujo, las bombas se clasifican en:
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CAMBIADOR DE CALOR | Después de la resistencia de los materiales, los problemas que involucran flujo de calor son los más importantes en la ingeniería. el calor se transfiere mediante aparatos llamados cambiadores de calor; los principales de éstos equipos, son los siguientes:
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TANQUES | Los códigos o normas sobre diseño de recipientes o tanques tienen como objeto principal que la fabricación se haga con la seguridad requerida a una economía razonable. Todos los tanques estarán provistos con los aditamentos necesarios para cumplir con su funcionamiento y los reglamentos de seguridad; Usos de los tanques
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COMPRESORES DE AIRE | El aire comprimido se utiliza en las plantas termoeléctricas para instrumentos, control, servicio, sopladores de la caldera y subestación eléctrica. |
TRATAMIENTO Y MONITOREO DE AGUA | La alimentación de agua a la caldera constituye, desde el punto de vista químico, uno de los principales problemas de operación: influencia en la confiabilidad decisiva. En las plantas termoeléctricas, la alimentación a la caldera es principalmente de condensado de la turbina (alrededor de 95 a 99%); las pérdidas por purgas, fugas de vapor y condensado, atomización de combustible, etc., deben compensarse con agua de repuesto cuyo volumen varía de 1 a 5%. El agua de repuesto proviene de fuentes naturales de superficie o pozos profundos; en ninguno de los dos casos se encuentra en estado puro. |
TUBERÍAS Y AISLAMIENTO | La aplicación de tuberías en plantas termoeléctricas y nucleares, refinerías y plantas químicas, etc., se basa normalmente en idénticas ( o muy similares) consideraciones de diseño. En su construcción se usan materiales de las mismas propiedades físicas y mecánicas, composición química y estructura metalúrgica; los procesos de fabricación como doblado, formado, soldado y tratamiento térmico involucran procedimientos idénticos que no dependen de la aplicación, sino de la calidad final deseada. |
CUADRO COMPARATIVO ENTRE CENTRALES TERMICAS, NUCLEARES E HIDROELECTRICAS
PARÁMETROS |
CENTRAL TERMICA | CENTRAL NUCLEAR | CENTRAL HIDROELECTRICA |
COMBUSTIBLE | Combustibles fósiles: gas, carbón, fuel- oil. |
Energía nuclear: fisión, fusión | Energías renovables: Hidráulica |
EQUIPOS |
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TIEMPO DE INSTALACIÓN | 6 meses a 1 año |
5 a 10 años | 1 a 4 años |
FUENTE DE ENERGIA |
No renovable | No renovable | Renovable |
COSTOS |
150 millones de dólares. | Esta alrededor de 1000 US$/kW, 3.5 USc/kWh | 240 millones de dólares |
SUMINISTRO DE ENERGIA EN COLOMBIA | 25% |
0% | 75% |
CONVENIENCIA ECONOMICA EN COLOMBIA | Menor consumo de divisas, menor tendencia tecnológica, mayor factor de empleo. | Mayor consumo de divisas, mayores costos en tecnología, menor factor de empleo remplazando la mano de obra por máquinas. | Menor consumo de divisas, menor tendencia tecnológica, mayor factor de empleo. |
PRODUCCIÓN DE ENERGIA ELECTRICA | El vapor se genera por la combustión del carbón o de derivados del petróleo. | El calor se produce por la fisión nuclear en un reactor. | Utilizan la fuerza y velocidad del agua corriente para hacer girar las turbinas. |
VENTAJAS | Corto tiempo de construcción No dependen del clima Costos de inversión menores que en la hidroeléctricas lo que favorece su construcción y entrada en funcionamiento. Facilidad de transporte del combustible orgánico desde el lugar de su extracción hasta la central térmica. Progreso técnico lo que permitió diseñar grandes unidades generadoras (grandes módulos) con mejores rendimientos que las unidades pequeñas o medianas. |
Uno de los materiales utilizados para su desintegración es el uranio, del cual quedan aún grandes reservas. La tecnología empleada está muy desarrollada y tiene una gran productividad, ya que con cantidades mínimas de sustancia se obtiene una gran cantidad de energía. Generan energía eléctrica limpia ya que no se produce emanación al medio ambiente de gases de combustión causantes de la lluvia ácida. |
No contamina: el aire, ni agua, ya que no se requiere combustible alguno. Costos de mantenimiento bajos. |
DESVENTAJAS | Como resultado del procesamiento del carbón, fue- oil y gas, éstas centrales son importantes fuentes emisoras de agentes contaminantes, calor, ruido y vibraciones. La peor desventaja es el terrible impacto ambiental que produce, ya que emite gases que provocan tanto el efecto invernadero como la lluvia ácida. En el caso del petróleo es preocupante su vertido al mar cuando se transporta, ya que crea las famosas mareas negras. | Uno de los mayores problemas es la posibilidad de una fuga radioactiva en caso de accidente, lo que provocaría cuantiosos daños humanos y materiales. Otro problema son los residuos radioactivos que genera, de difícil y costoso almacenamiento y que resultan muy peligrosos a corto y largo plazo. También es muy alto el coste de las instalaciones y su mantenimiento. | Inundaciones grandes de tierras fértiles. Deforestación. Migración forzada de poblaciones aledañas. Mayor tiempo de construcción en comparación con las Centrales Térmicas. |
CAPACIDAD DE GENERACION |
Carbon 2,4 KW- h/ Kg Fuel- oil 2,9 KW- h/ Kg |
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EFICIENCIA DE LA CONVERSION |
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Kg O m3 DE COMBUSTIBLE QUE SE NECESITAN PARA GENERAR 1 KW | Gas natural 0,416 m3 /KW –h Carbón de 0,336 a 0,850 Kg / KW- h Diesel / fuel de 0,362 a 0,309 Kg / KW- h |
Uranio 8,69 x 10-3 Kg / KW – h |
Hidráulica 0,389 m3 / KW- h |
IMPACTO AMBIENTAL | Los efectos ambientales de una central térmica provienen del proceso de combustión, así como de las emisiones de polvo y gases contaminantes. En general los efectos ambientales -por ejemplo, emisiones contaminantes, ocupación de espacio por la central y volumen de residuos – aumentan en el orden siguiente: gas, fuel oil ligero, fuel oil pesado y combustión de carbón. |
Los materiales radioactivos emiten radiación ionizante penetrante que puede dañar los tejidos vivos. El gas radón radioactivo es un contaminante frecuente en las minas subterráneas de uranio.
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Gran impacto ambiental No contaminan el ambiente. |
Trabajo enviado por AYALA CARRERA ALEJANDRO
Universidad de La Salle Bogota, Colombia Facultad De Ingeniería alimentos 7ª semestre