Usina de Geração Térmica ou Estação Térmica de Energia
O que é uma Usina Termelétrica?
Uma usina de geração de energia térmica ou usina termelétrica é a fonte mais convencional de energia elétrica. A usina termelétrica também é referida como usina termelétrica a carvão e usina termelétrica a turbina a vapor.
Vamos mergulhar em como funciona uma usina termelétrica.
Teoria da Usina Termelétrica
A teoria das usinas termelétricas ou o funcionamento das usinas termelétricas é muito simples. Uma usina de geração de energia consiste principalmente em um alternador que opera com a ajuda de uma turbina a vapor. O vapor é obtido de caldeiras de alta pressão.
Geralmente na Índia, o carvão betuminoso, o carvão lignito e o turfa são usados como combustível para a caldeira. O carvão betuminoso usado como combustível para a caldeira tem matéria volátil de 8 a 33% e conteúdo de cinzas de 5 a 16%. Para aumentar a eficiência térmica, o carvão é usado na caldeira em forma de pó.
Em uma usina termelétrica a carvão, o vapor é produzido em alta pressão na caldeira de vapor devido à queima do combustível (carvão pulverizado) nos fornos da caldeira. Este vapor é posteriormente superaquecido em um superaquecedor.
Este vapor superaquecido então entra na turbina e faz girar as pás da turbina. A turbina está mecanicamente acoplada a um alternador de modo que seu rotor irá girar com a rotação das pás da turbina.
Após entrar na turbina, a pressão do vapor cai repentinamente e o volume correspondente do vapor aumenta.
Após transmitir energia ao rotor da turbina, o vapor passa pelas pás da turbina para o condensador.
No condensador, a água fria é circulada com a ajuda de uma bomba, que condensa o vapor úmido de baixa pressão.
Esta água condensada é fornecida a um aquecedor de água de baixa pressão, onde o vapor de baixa pressão aumenta a temperatura desta água de alimentação; ela é novamente aquecida sob alta pressão.
Para melhor compreensão, fornecemos cada etapa do funcionamento de uma usina termelétrica conforme segue,
Primeiro, o carvão pulverizado é queimado no forno da caldeira de vapor.
Vapor de alta pressão é produzido na caldeira.
Este vapor é então passado pelo superaquecedor, onde é ainda mais aquecido.
Este vapor superaquecido é então introduzido na turbina em alta velocidade.
Na turbina, a força do vapor faz girar as pás da turbina, ou seja, na turbina, a energia potencial armazenada do vapor de alta pressão é convertida em energia mecânica.
Diagrama de Linha da Usina de Energia
Após fazer girar as pás da turbina, o vapor perde sua alta pressão, sai das pás da turbina e entra no condensador.
No condensador, a água fria é circulada com a ajuda de uma bomba, que condensa o vapor úmido de baixa pressão.
Esta água condensada é então fornecida a um aquecedor de água de baixa pressão, onde o vapor de baixa pressão aumenta a temperatura desta água de alimentação, que é então novamente aquecida em um aquecedor de alta pressão, onde a alta pressão do vapor é usada para aquecimento.
A turbina na usina termelétrica atua como motor principal do alternador.
Visão Geral da Usina Termelétrica
Uma típica Usina Termelétrica opera em um Ciclo, que é mostrado abaixo.
O fluido de trabalho é água e vapor. Isso é chamado de ciclo de água de alimentação e vapor. O ciclo termodinâmico ideal ao qual a operação de uma Usina Termelétrica se assemelha é o ciclo Rankine.
Na caldeira a vapor, a água é aquecida pela queima do combustível no ar no forno, e a função da caldeira é fornecer vapor superaquecido seco na temperatura requerida. O vapor produzido é usado para impulsionar as turbinas a vapor.
Esta turbina está acoplada a um gerador síncrono (geralmente um alternador síncrono trifásico), que gera energia elétrica.
O vapor de exaustão da turbina é permitido condensar em água no condensador de vapor da turbina, o que cria sucção em baixa pressão e permite a expansão do vapor na turbina até uma pressão muito baixa.
As principais vantagens da operação com condensação são o aumento da quantidade de energia extraída por kg de vapor, aumentando assim a eficiência, e o condensado, que é alimentado novamente na caldeira, reduz a quantidade de água de alimentação fresca.
O condensado, juntamente com alguma água de alimentação fresca, é novamente alimentado na caldeira por uma bomba (chamada de bomba de alimentação da caldeira).
No condensador, o vapor é condensado pela água de resfriamento. A água de resfriamento recicla através da torre de resfriamento. Isto constitui um circuito de água de resfriamento.
O ar ambiente é permitido entrar na caldeira após a filtragem de poeira. Além disso, os gases de escape saem da caldeira e são exauridos na atmosfera através de chaminés. Estes constituem circuitos de ar e gases de escape.
O fluxo de ar e também a pressão estática dentro da caldeira a vapor (chamada de corrente forçada) são mantidos por dois ventiladores chamados Corrente Forçada (FD) e Corrente Induzida (ID).
O esquema total de uma típica usina termelétrica, juntamente com diferentes circuitos, é ilustrado abaixo.
Dentro da caldeira, existem vários trocadores de calor, como Economizador, Evaporador (não mostrado na figura acima, é basicamente os tubos de água, ou seja, o circuito de descida e subida), Superaquecedor (às vezes Reaquecedor, pré-aquecedor de ar também estão presentes).
No economizador, a água de alimentação é aquecida consideravelmente pelo calor residual dos gases de escape.
O tambor da caldeira mantém uma cabeça para a circulação natural de uma mistura bifásica (vapor + água) através dos tubos de água.
Há também um superaquecedor que também absorve calor dos gases de escape e eleva a temperatura do vapor conforme necessário.
A Eficiência da Usina Termelétrica
A eficiência geral da usina de energia a vapor é definida como a relação entre o equivalente térmico da saída elétrica e o calor de combustão do carvão. A eficiência geral de uma usina termelétrica varia de 20% a 26% e depende da capacidade da planta.
