Central Térmica – Componentes Funcionamento e Selección do Local

Que é unha central termoeléctrica?

A lei da conservación da enerxía establece que a enerxía non pode ser creada nin destruída; antes ben, só pode transformarse dunha forma a outra. A enerxía eléctrica, en particular, pode obterse a partir de varias fuentes de enerxía. As instalacións deseñadas para xerar enerxía eléctrica a gran escala coñécense comúnmente como centrais eléctricas ou estacións de enerxía.

Unha central termoeléctrica é un tipo de instalación de xeración de enerxía que converte a enerxía térmica en enerxía eléctrica. A enerxía térmica para estas centrais pode orixinarse de diversas fontes, incluíndo carón, gasóleo, biocombustibles, enerxía solar e enerxía nuclear. Aínda que o termo "central termoeléctrica" pode tecnicamente abarcar centrais que utilizan varias fontes de calor, está máis comúnmente asociado con centrais que se basean no carón para xerar calor. Como tal, as centrais termoeléctricas son consideradas sistemas convencionais de xeración de enerxía. Ás veces tamén se coñecen como centrais termoeléctricas a vapor ou centrais a carón, reflicindo a fonte primaria de combustible e o mecanismo clave de conversión de enerxía empregado.

Funcionamento dunha central termoeléctrica

As centrais termoeléctricas funcionan baseándose no ciclo de Rankine, un ciclo termodinámico fundamental para converter o calor en traballo mecánico, que a seguir se usa para xerar electricidade. O seguinte diagrama unillínea ou esquema dunha central termoeléctrica ofrece unha representación visual dos seus compoñentes operativos e procesos.

O funcionamento e os compoñentes dunha central termoeléctrica

Proceso operativo

As centrais termoeléctricas requiren unha cantidade substancial de combustible, xeralmente carón. Dada a grande cantidade necesaria, o carón xeralmente transportase por trens e almacénase en áreas dedicadas de almacenamento de combustible. Inicialmente, o carón crudo é demasiado grande para usar directamente na caldera. Para solucionar isto, introdúcese nun triturador, que o reducina en pezas máis pequenas e manexables antes de ser conducido á caldera.

Ademais do carón, unha cantidade significativa de auga é esencial para a produción de vapor dentro da caldera. Antes de entrar no sistema, a auga sofre un proceso de tratamento. Pásase por varios filtros para eliminar impurezas e calquera aire disolvido, asegurando a súa pureza. Unha vez tratada, a auga diríxese ao tambor da caldera. Dentro do tambor da caldera, o calor xerado pola combustión do carón transférise á auga. Como resultado, a auga sufre un cambio de fase e transformase en vapor.

O vapor xerado é de alta presión e alta temperatura, facendo que sexa ideal para a xeración de enerxía. Este vapor a continuación diríxese a un supercalentador, onde se calienta adicionalmente para aumentar a súa enerxía térmica. O vapor supercalentado diríxese posteriormente cara as pás de turbinas. Cando o vapor fluye sobre as pás de turbinas, a súa enerxía térmica converte-se en enerxía rotacional mecánica pola turbina.

A turbina está acoplada mecánicamente a un alternador a través dun eixo común. Cando a turbina rota, impulsa o rotor do alternador. O alternador, a súa vez, converte esta enerxía mecánica en enerxía eléctrica. Para transmitir eficientemente a enerxía eléctrica xerada a lonxe distancia, pasa a través dun transformador, que eleva a tensión. A electricidade de alta tensión entón envíase a través de liñas de transmisión para chegar aos usuarios finais, ou cargas, na rede eléctrica.

Después de pasar pola turbina, o vapor, agora a menor presión e temperatura, diríxese a un condensador. No condensador, a auga fría circula arredor do vapor, provocando que condense de novo ao seu estado líquido. Este proceso de condensación libera o calor restante do vapor, reducindo eficazmente a súa presión e temperatura. Recuperando a auga desta maneira, a eficiencia do ciclo de xeración de enerxía mellora.

A auga condensada a continuación bombease de volta á caldera usando unha bomba de alimentación, preparada para ser calentada e convertida en vapor de novo, completando así o ciclo. Entretanto, a cinza xerada como subproduto da combustión do carón retírase da fornalha da caldera. A disposición adecuada desta cinza é crucial para evitar danos ambientais. Ademais, durante a combustión do carón na caldera, xeránganse gases de escape que se liberan na atmosfera a través da chimenea.

Compoñentes clave

Unha central termoeléctrica compónese de varios compoñentes integrais que traballan en harmónica para facilitar o proceso de xeración de enerxía:

• Caldera: O corazón da central termoeléctrica, onde ocorre a combustión do carón, e o calor transférise á auga para producir vapor.

• Turbina: Converte a enerxía térmica do vapor de alta presión en enerxía rotacional mecánica.

• Supercalentador: Eleva a temperatura do vapor producido na caldera, aumentando o seu contido de enerxía para unha xeración de enerxía máis eficiente.

• Condensador: Condensa o vapor de escape da turbina de volta a auga, recuperando calor e mantendo a eficiencia do ciclo.

• Economizador: Precalenta a auga de alimentación usando o calor dos gases de escape, reducindo o consumo enerxético global da caldera.

• Bomba de alimentación: Circula a auga condensada do condensador de volta á caldera, asegurando un suministro continuo para a produción de vapor.

• Alternador: Transforma a enerxía mecánica da turbina en enerxía eléctrica, que pode distribuirse a través da rede eléctrica.

• Chimenea: Dispersa os gases de escape xerados durante a combustión do carón na atmosfera de xeito controlado.

• Torre de refrigeración: Facilita o refrigerado da auga usada no condensador, permitindo que se recicle e reutilice no proceso de xeración de enerxía.

Compoñentes, selección de localización e eficiencia das centrais termoeléctricas

Compoñentes clave das centrais termoeléctricas

Caldera

O carón pulverizado, acompañado de aire precalentado, introduce na caldera, que serve como o compoñente central para xerar vapor de alta presión. A súa función principal é transformar a enerxía química almacenada no carón en enerxía térmica a través do proceso de combustión. Cando o carón arde dentro da caldera, xerá un intenso calor, alcanzando temperaturas suficientes para convertir a auga en vapor. O tamaño da caldera determinase directamente polos requisitos de calor da central termoeléctrica. Existen unha ampla variedade de calderas utilizadas en centrais termoeléctricas, incluíndo calderas Haycock e de teito de vagoneta, calderas de tubos de fogo, calderas cilíndricas de tubos de fogo e calderas de tubos de auga, cada unha coas súas características de deseño e vantaxes operativas.

Turbina

O vapor supercalentado de alta presión e alta temperatura, xerado pola caldera, diríxese cara a turbina. Cando este vapor choca cos pás da turbina, pon a turbina en movemento. A turbina é un dispositivo mecánico sofisticado especificamente deseñado para converter a enerxía térmica do vapor en enerxía cinética rotacional. Mecanicamente acoplada a un alternador a través dun eixo, a rotación da turbina impulsa o rotor do alternador. Unha vez que o vapor pasa pola turbina, a súa temperatura e presión diminúen, e a seguir diríxese ao condensador para un proceso adicional.

Supercalentador

En un sistema de xeración de enerxía baseado en turbinas de vapor, o vapor supercalentado é esencial para un funcionamento eficiente da turbina. O vapor húmido e saturado, que emerge da caldera, introducírase no supercalentador. Este dispositivo desempeña un papel crucial na transformación do vapor en vapor seco e supercalentado, aumentando significativamente o seu contido de enerxía térmica. Entre todos os compoñentes dunha central termoeléctrica, o supercalentador funciona a maior temperatura. Tres tipos principais de supercalentadores son comúnmente empregados: supercalentadores de convección, que transfiren calor a través de correntes de convección; supercalentadores radiantes, que dependen da transferencia de calor radiante; e supercalentadores de fogonazo separado. Ao aumentar a temperatura do vapor xerado pola caldera, o supercalentador aumenta a eficiencia global do proceso de xeración de enerxía.

Condensador

Después de que o vapor pasou pola turbina e a súa temperatura e presión diminuíron, o vapor de escape reciclase de volta ao ciclo de xeración de enerxía. Para optimizar a eficiencia da turbina, é necesario condensar este vapor, creando e mantendo un vacío adecuado. O condensador logra isto reducindo a presión de funcionamento, aumentando así o nivel de vacío. Este aumento de vacío fai que o volume de vapor expanda, permitindo extraer máis traballo do vapor na turbina. Como resultado, a eficiencia global da central mellora, con un aumento correspondente na saída da turbina.

Economizador

O economizador é un intercambiador de calor especializado deseñado para minimizar o consumo de enerxía dentro da central. Os gases de escape, ricos en enerxía térmica, esgotanse da caldera á atmosfera. O economizador aproveita o calor destes gases de escape para precalentar a auga. A auga recuperada do condensador bombease ao economizador pola bomba de alimentación. Aquí, absorbe o calor dos gases de escape, aumentando a súa temperatura antes de entrar na caldera. Reutilizando o calor residual dos gases de escape, o economizador aumenta significativamente a eficiencia global do ciclo de xeración de enerxía.

Bomba de alimentación

A bomba de alimentación é responsable de fornecer auga á caldera. A fonte de auga pode ser a auga condensada do condensador ou auga nova. Esta bomba aumenta a presión da auga, asegurando un suministro continuo e adecuado para cumprir coas necesidades da caldera. Comúnmente, as bombas de alimentación son de tipo centrífugo ou de desplazamento positivo, cada unha ofrecendo ventaxas distintas en términos de rendemento e eficiencia.

Alternador

Mecanicamente conectado á turbina a través dun eixo compartido, o alternador desempeña un papel pivotal no proceso de xeración de enerxía. Cando a turbina rota baixo a forza do vapor, impulsa o rotor do alternador. Esta rotación induz un campo electromagnético, xerando enerxía eléctrica. En esencia, o alternador serve como un conversor, transformando a enerxía cinética da rotación da turbina en enerxía eléctrica que pode transmitirse e distribuírse a través da rede eléctrica.

Chimenea

Nas maiores centrais termoeléctricas que utilizan carón como combustible, o proceso de combustión na caldera xerá gases de escape. A chimenea proporciona un camiño para que estes gases de escape se descarguen de xeito seguro na atmosfera. O seu funcionamento basease nos principios do tirado natural e do efecto de pilha. O aire quente, sendo menos denso, asciende, creando un tirado que arrastra os gases de escape cara arriba. A altura da chimenea é un factor crítico; as chimeneas máis altas xeran un tirado máis forte, facilitando unha dispersión de gases máis eficiente.

Torre de refrigeración

Como o seu nome indica, a torre de refrigeración úsase principalmente para disipar o calor residual na atmosfera. Empregando diversos métodos de transferencia de calor, a torre de refrigeración permite que o calor da auga evapore, deixando atrás auga máis fría que pode reutilizarse no ciclo de xeración de enerxía. A auga condensada do vapor no condensador diríxese á torre de refrigeración. As torres de refrigeración de fluído forzado son comúnmente utilizadas en centrais termoeléctricas, onde o aire circula dende a parte inferior ata a superior da torre, aumentando a eficiencia da transferencia de calor.

Criterios de selección de localización para centrais termoeléctricas

Dispoñibilidade de combustible

Dado que o carón é o combustible predominante en moitas centrais termoeléctricas e a cantidade substancial necesaria para a xeración de electricidade a gran escala, situar a central próxima a unha mina de carón é moi vantaxoso. Esta proximidade reduce significativamente os custos de transporte, facendo que o proceso de xeración de enerxía sexa máis económicamente viable.

Instalacións de transporte

As centrais termoeléctricas aloxan numerosas maquinarias e equipos de gran tamaño. Polo tanto, o sitio da central debe seleccionarse en un área con excelentes infraestruturas de transporte. É esencial un transporte ferroviario ou rodoviario fiable para o movemento eficiente do carón, así como para a entrega de novo equipo e o transporte de trabaladores, técnicos e enxeñeiros. Ademais, a dispoñibilidade de transporte público nas proximidades asegura un acceso conveniente para a forza laboral da central.

Dispoñibilidade de auga

Unha central termoeléctrica require unha cantidade enorme de auga para producir vapor de alta presión e alta temperatura. Polo tanto, a central debe situarse próxima a unha riba ou en un lugar con un suministro constante e abundante de auga para satisfacer a demanda continua de auga usada na xeración de vapor e nos procesos de refrigeración.

Dispoñibilidade de terreo

Construír unha central termoeléctrica require unha extensa área de terreo. Ademais, o custo do terreo debe ser razonable. Cando se elixe o sitio, deben considerarse as disposicións para futuras expansións. Dado que a central aloxa maquinaria pesada, o terreo debe ter capacidade de carga suficiente, e é esencial un cimentación robusta para soportar o equipo.

Distancia de zonas habitadas

As centrais termoeléctricas emiten gases de escape, cinza, pó e fume durante a súa operación, todos os cales supónen riscos significativos para a saúde humana e poden causar danos ambientais ao ambiente e ao terreo circundantes. Para minimizar estes impactos, a central debe situarse lejos de áreas urbanas, comunidades residenciais e explotacións agrícolas. Ademais, o ruido xerado pola maquinaria da central, como alternadores, transformadores, ventiladores e turbinas, fai que sexa necesario situar a central en un lugar remoto.

Instalacións de disposición de cinza

A combustión do carón resulta na xeración de cinza, que representa aproximadamente o 30-40% do consumo total de carón. A disposición adecuada da cinza é de suma importancia. A cinza recolectase na parte inferior da fornalha da caldera, e unha parte significativa dela transportase a través dos gases de escape. Para xestionar a cinza de forma eficaz, empreganse dous sistemas principais de manejo de cinza: o sistema de manejo de cinza inferior e o sistema de manejo de cinza volátil. O sitio da central debe ter instalacións adecuadas para a disposición segura e respetuosa co medio ambiente desta cinza.

Proximidade ao centro de carga

A enerxía eléctrica xerada polo alternador eleva a súa tensión mediante un transformador de potencia antes de ser transmitida ao centro de carga a través de liñas de transmisión. Situar a central termoeléctrica próxima ao centro de carga reduce os custos de transmisión e as perdas, asegurando unha distribución de electricidade máis eficiente e económica.

Eficiencia das centrais termoeléctricas

En unha central termoeléctrica, a xeración de electricidade implica múltiples etapas de conversión de enerxía. Primeiro, a enerxía química do carón transformase en enerxía térmica. Esta enerxía térmica a seguir converte-se en enerxía cinética ou mecánica, que finalmente converte-se en enerxía eléctrica. Debido a estes múltiples procesos de conversión de enerxía, a eficiencia global das centrais termoeléctricas é relativamente baixa, xeralmente entre o 20-29%.

A eficiencia dunha central termoeléctrica inflúense por diversos factores, incluíndo o tamaño da central e a calidade do carón utilizado. Unha cantidade significativa de enerxía térmica perdes no condensador durante o proceso de xeración de enerxía. Hai dous tipos principais de métricas de eficiencia utilizadas para avaliar as centrais termoeléctricas:

Eficiencia térmica

A eficiencia térmica define como a relación entre a enerxía mecánica, expresada en términos de equivalente de calor, dispoñible na turbina e a enerxía térmica total liberada durante a combustión do carón na caldera. Mede a efectividade da conversión da enerxía térmica da combustión do carón en traballo útil mecánico na turbina.

Eficiencia térmica

As centrais termoeléctricas xeralmente logran unha eficiencia térmica aproximada do 30%. Unha parte significativa, arredor do 50% da enerxía térmica total xerada, dissipase como residuo no condensador. A enerxía térmica restante perdes a través de varios canles, como nos gases de escape emitidos pola chimenea e na cinza xerada durante a combustión do carón. Esta importante perda de calor no condensador e noutros lugares subliña as ineficiencias inerentes aos procesos tradicionais de xeración de enerxía termoeléctrica.

Eficiencia global

A eficiencia global dunha central termoeléctrica calculase como a relación entre o equivalente de calor da saída eléctrica e a enerxía térmica total liberada durante a combustión do carón. Esta métrica proporciona unha medida comprehensiva do rendemento da central, abarcando todas as etapas de conversión de enerxía desde a enerxía química inicial almacenada no carón ata a enerxía eléctrica final entregada á rede. Refleixa a capacidade da central para transformar a enerxía no carón en enerxía eléctrica utilizable, tendo en conta as perdas que ocorren en cada paso do complexo proceso de xeración de enerxía.

Eficiencia global das centrais termoeléctricas

A eficiencia global dunha central termoeléctrica engloba todas as perdas que ocorren a lo largo do ciclo completo de xeración de enerxía. Isto inclúe ineficiencias durante a combustión do carón, os procesos de transferencia de calor, o funcionamento da turbina de vapor e, crucialmente, o rendemento do alternador, que converte a enerxía mecánica en enerxía eléctrica. Cada unha destas etapas contribúe á perda de enerxía global, determinando a proporción da enerxía inicial no carón que se transforma con éxito en enerxía eléctrica utilizable.

A eficiencia global dunha central termoeléctrica está estreitamente ligada ao seu tamaño e capacidade de xeración de enerxía, xeralmente medida en megavatios (MW). Como regra xeral, hai unha correlación directa entre a capacidade dunha central termoeléctrica e a súa eficiencia: as centrais con capacidades menores tenden a presentar eficiencias globais menores. As centrais máis pequenas xeralmente carecen das economía de escala e das características de deseño optimizado que as centrais maiores posúen, resultando en perdas de enerxía relativas máis altas en cada etapa do proceso de xeración de enerxía. Esto significa que unha proporción maior da enerxía do combustible desperdiégase, reducindo a cantidade de electricidade que se pode xerar por unidade de combustible consumido.