Central Tèrmica – Components Elements de Treball i Selecció del Lloc

Què és una central tèrmica?

La llei de conservació de l'energia estableix que l'energia no es pot crear ni destruir; només es pot transformar d'una forma a una altra. L'energia elèctrica, en particular, es pot captar a partir d'una varietat de fonts d'energia. Les instal·lacions dissenyades per generar energia elèctrica a gran escala s'anomenen sovint centrals elèctriques o estacions de generació.

Una central tèrmica és un tipus d'instal·lació de generació d'energia que converteix l'energia tèrmica en energia elèctrica. L'energia tèrmica per a aquestes centrals pot originar-se des de diverses fonts, incloent carbó, gasòil, biocombustibles, energia solar i energia nuclear. Tot i que el terme "central tèrmica" podria abastar tècnicament les centrals que utilitzen diverses fonts de calor, sovint es relaciona amb les centrals que depenen del carbó per generar calor. Com a tal, les centrals tèrmiques són considerades sistemes de generació d'energia convencionals. A vegades també se les coneix com centrals de turbina de vapor o centrals termoelèctriques, reflectint la principal font de combustible i el mecanisme clau de conversió d'energia utilitzat.

Funcionament d'una central tèrmica

Les centrals tèrmiques funcionen basant-se en el cicle de Rankine, un cicle termodinàmic fonamental per convertir el calor en treball mecànic, que després s'utilitza per generar electricitat. El següent diagrama d'una línia o disposició d'una central tèrmica proporciona una representació visual dels seus components operatius i processos.

El funcionament i els components d'una central tèrmica

Procés operatiu

Les centrals tèrmiques requereixen una quantitat substancial de combustible, normalment carbó. Atès el volum necessari, el carbó sovint es transporta per trens i es desa en zones de desemmagatzematge dedicades. Inicialment, el carbó brut és massa gran per a ser utilitzat directament a la caldera. Per a això, es fa passar a través d'un trencador, que el redueix en peces més petites i manegables abans de ser conduït a la caldera.

A més del carbó, una quantitat significativa d'aigua és essencial per a la producció de vapor dins de la caldera. Abans d'entrar al sistema, l'aigua passa per un procés de tractament. Es fa passar a través de diversos filtres per eliminar impurities i qualsevol aire dissolt, assegurant-ne la puretat. Un cop tractada, l'aigua es dirigeix cap al tambor de la caldera. Dins del tambor de la caldera, el calor generat per la combustió del carbó es transmet a l'aigua. Com a resultat, l'aigua experimenta un canvi de fase i es transforma en vapor.

El vapor produït és d'alta pressió i alta temperatura, el que el fa ideal per a la generació d'energia. Aquest vapor es canalitza cap a un supercalentador, on es calenta més per augmentar la seva energia tèrmica. El vapor supercalentat es dirigeix llavors cap a les paletes de la turbina. Quan el vapor flueix sobre les paletes de la turbina, la seva energia tèrmica es converteix en energia rotacional mecànica per mitjà de la turbina.

La turbina està acoblada mecànicament a un alternador a través d'un eix comú. Quan la turbina gira, porta el rotor de l'alternador. L'alternador, a la vegada, converteix aquesta energia mecànica en energia elèctrica. Per a transmitir eficientment l'energia elèctrica generada a distàncies llargues, aquesta es passa a través d'un transformador, que augmenta la tensió. La electricitat d'alta tensió es transmet llavors a través de línies de transmissió per arribar als usuaris finals, o càrregues, a la xarxa elèctrica.

Després de passar a través de la turbina, el vapor, ara a menor pressió i temperatura, es dirigeix cap a un condensador. Dins del condensador, circula aigua freda al voltant del vapor, fent que es condensi de nou en el seu estat líquid. Aquest procés de condensació libera el calor restant del vapor, reduint efectivament la seva pressió i temperatura. Recuperant l'aigua d'aquesta manera, s'augmenta l'eficiència del cicle de generació d'energia.

L'aigua condensada es bombeja de nou a la caldera utilitzant un bomba de alimentació, preparada per ser calentada i convertida en vapor una altra vegada, així completant el cicle. Mentre això succeeix, la cendra generada com a subproducte de la combustió del carbó es treu de la forn de la caldera. És crucial disposar correctament d'aquesta cendra per prevenir danys ambientals. Addicionalment, durant la combustió del carbó a la caldera, es produeixen gases de fornatge que es lliuren a l'atmosfera a través de la xemeneia.

Components clau

Una central tèrmica consta de diversos components integrals que treballen en harmonia per facilitar el procés de generació d'energia:

• Caldera: El cor de la central tèrmica, on es produeix la combustió del carbó, i el calor es transmet a l'aigua per produir vapor.

• Turbina: Converteix l'energia tèrmica del vapor d'alta pressió en energia rotacional mecànica.

• Supercalentador: Augmenta la temperatura del vapor produït a la caldera, incrementant el seu contingut energètic per a una generació d'energia més eficient.

• Condensador: Condensa el vapor d'escapament de la turbina de nou a l'aigua, recuperant calor i mantenint l'eficiència del cicle.

• Economitzador: Preescalfa l'aigua d'alimentació utilitzant el calor dels gases de fornatge, reduint el consum energètic total de la caldera.

• Bomba d'alimentació: Circula l'aigua condensada des del condensador de tornada a la caldera, assegurant un subministrament continu per a la producció de vapor.

• Alternador: Transforma l'energia mecànica de la turbina en energia elèctrica, que es pot distribuir a través de la xarxa elèctrica.

• Xemeneia: Dispersa els gases de fornatge produts durant la combustió del carbó a l'atmosfera d'una manera controlada.

• Torre de refrigeració: Facilita la refrigeració de l'aigua utilitzada al condensador, permetent que es recicli i reutilitzi en el procés de generació d'energia.

Components, selecció del lloc i eficiència de les centrals tèrmiques

Components clau de les centrals tèrmiques

Caldera

El carbó pulveritzat, acompanyat d'aire preescalfat, es fa passar a la caldera, que serveix com a component central per generar vapor d'alta pressió. La seva funció principal és transformar l'energia química emmagatzemada en el carbó en energia tèrmica a través del procés de combustió. Quan el carbó es consumeix dins de la caldera, genera calor intensa, assolint temperatures suficients per convertir l'aigua en vapor. La mida de la caldera es determina directament pels requisits de calor de la central tèrmica. Hi ha una àmplia gamma de calderes utilitzades en les centrals tèrmiques, incloent calderes Haycock i de cúpula de vagó, calderes de tub de foc, calderes cilíndriques de tub de foc i calderes de tub d'aigua, cada una amb les seves pròpies característiques de disseny i avantatges operatius.

Turbina

El vapor supercalentat d'alta pressió i alta temperatura, produït per la caldera, es dirigeix cap a la turbina. Quan aquest vapor impacta les paletes de la turbina, la posa en moviment. La turbina és un dispositiu mecànic sofisticat específicament enginyat per convertir l'energia tèrmica del vapor en energia cinètica rotacional. Acoblada mecànicament a un alternador a través d'un eix, la rotació de la turbina porta el rotor de l'alternador. Un cop el vapor ha passat a través de la turbina, la seva temperatura i pressió disminueixen, i es canalitza llavors cap al condensador per a un tractament addicional.

Supercalentador

En un sistema de generació d'energia basat en turbinas de vapor, el vapor supercalentat és essencial per a una operació eficient de la turbina. El vapor humit i saturat, que surt de la caldera, es fa passar a través del supercalentador. Aquest dispositiu desempenya un paper crucial en transformar el vapor en vapor sec i supercalentat, augmentant significativament el seu contingut d'energia tèrmica. Entre tots els components d'una central tèrmica, el supercalentador opera a la temperatura més alta. Es fan servir tres tipus principals de supercalentadors: supercalentadors de convecció, que transfereixen calor a través de corrents de convecció; supercalentadors radiants, que es basen en la transferència de calor radiant; i supercalentadors separadament encès. Augmentant la temperatura del vapor generat per la caldera, el supercalentador millora l'eficiència general del procés de generació d'energia.

Condensador

Un cop el vapor ha passat a través de la turbina i la seva temperatura i pressió han disminuït, el vapor d'escapament es recicla de nou al cicle de generació d'energia. Per optimitzar l'eficiència de la turbina, és necessari condensar aquest vapor, creant i mantenint un buit adequat. El condensador aconsegueix això reduint la pressió d'operació, augmentant així el nivell de buit. Aquest increment del buit fa que el volum de vapor s'expandeixi, permetent extreure més treball del vapor a la turbina. Com a resultat, s'incrementa l'eficiència global de la central, amb un corresponent increment de la producció de la turbina.

Economitzador

L'economitzador és un intercanviador de calor especialitzat dissenyat per minimitzar el consum d'energia dins de la central. Els gases de fornatge, rics en energia tèrmica, s'exhaurixen de la caldera a l'atmosfera. L'economitzador aprovecha el calor d'aquests gases de fornatge per preescalfar l'aigua. L'aigua recuperada del condensador es bombeja a l'economitzador mitjançant la bomba d'alimentació. Aquí, absorbeix el calor dels gases de fornatge, elevant la seva temperatura abans d'entrar a la caldera. Reutilitzant el calor residual dels gases de fornatge, l'economitzador millora significativament l'eficiència global del cicle de generació d'energia.

Bomba d'alimentació

La bomba d'alimentació és responsable de subministrar aigua a la caldera. La font d'aigua pot ser tant l'aigua condensada del condensador com aigua fresca. Aquesta bomba augmenta la pressió de l'aigua, assegurant un subministrament continu i adequat per complir els requisits de la caldera. Normalment, les bombes d'alimentació són de tipus centrífugues o de desplaçament positiu, cadascun amb avantatges propis en termes de rendiment i eficiència.

Alternador

Acoblada mecànicament a la turbina a través d'un eix compartit, l'alternador desempenya un paper clau en el procés de generació d'energia. Quan la turbina gira sota la força del vapor, porta el rotor de l'alternador. Aquesta rotació induix un camp electromagnètic, generant energia elèctrica. En essència, l'alternador serveix com a convertidor, transformant l'energia cinètica de la rotació de la turbina en energia elèctrica que es pot transmetre i distribuir a través de la xarxa elèctrica.

Xemeneia

En la majoria de les centrals tèrmiques que utilitzen carbó com a combustible, el procés de combustió a la caldera genera gases de fornatge. La xemeneia proporciona un camí per a que aquests gases de fornatge es descarreguin de manera segura a l'atmosfera. El seu funcionament es basa en els principis de la corrent ascendent natural i l'efecte de piló. L'aire calent, sent menys dens, ascendeix, creant una corrent ascendent que atrau els gases de fornatge cap amunt. La altura de la xemeneia és un factor crític; les xemeneies més altes generen una corrent ascendent més forta, facilitant una dispersió més eficient dels gases.

Torre de refrigeració

Com el seu nom indica, la torre de refrigeració es fa servir principalment per dissipar el calor residu a l'atmosfera. Utilitzant diversos mètodes de transferència de calor, la torre de refrigeració permet que el calor de l'aigua es evaporis, deixant aigua més freda que es pot reutilitzar en el cicle de generació d'energia. L'aigua condensada del vapor al condensador es canalitza a la torre de refrigeració. Les torres de refrigeració de flux forçat són habituals en les centrals tèrmiques, on l'aire es circula des de la part inferior a la superior de la torre, augmentant la eficiència de la transferència de calor.

Criteris de selecció del lloc per a les centrals tèrmiques

Disponibilitat de combustible

Atès que el carbó és el combustible predominant en la majoria de les centrals tèrmiques i la quantitat substancial requerida per a la generació d'electricitat a gran escala, ubicar la central proper a una mina de carbó és molt avantatjós. Aquesta proximitat redueix significativament els costos de transport, fent que el procés de generació d'energia sigui econòmicament viable.

Infraestructura de transport

Les centrals tèrmiques contenen molts maquinaris i equips de gran mida. Per tant, el lloc de la central ha de seleccionar-se en una àrea amb una infraestructura de transport excel·lent. El transport ferroviari o rodalí fiable és essencial per al moviment eficient del carbó, així com per a la entrega de nous equips i el transport dels treballadors, tècnics i enginyers. A més, la disponibilitat de transport públic en les veïnats assegura un accés convenient per a la força de treball de la central.

Disponibilitat d'aigua

Una central tèrmica requereix una quantitat massiva d'aigua per a produir vapor d'alta pressió i alta temperatura. Per tant, la central hauria de situar-se proper a un riu o en un lloc amb un subministrament consistent i abundant d'aigua per a satisfer la demanda contínua d'aigua utilitzada en la generació de vapor i els processos de refrigeració.

Disponibilitat de terra

Construir una central tèrmica requereix una vasta extensió de terra. A més, el cost de la terra hauria de ser raonable. En triar el lloc, s'han de considerar les provisions per a futurs expansions. Atès que la central conté maquinària pesant, el terreny ha de tenir una capacitat de suport de càrrega suficient, i una fundació robusta és essencial per suportar l'equipament.

Distància de les àrees poblades

Les centrals tèrmiques emeten gases de fornatge, cendra, pols i fum durant la seva operació, tots els quals representen riscos significatius per a la salut humana i poden causar danys ambientals a l'àmbit atmosfèric i terrestre. Per minimitzar aquests impactes, la central hauria de situar-se lluny de les àrees urbanes, les comunitats residencials i les explotacions agrícoles. A més, el soroll generat per la maquinària de la central, com els alternadors, transformadors, ventiladors i turbin