Generació tèrmica d'electricitat

Definició de la central tèrmica

Una central tèrmica es defineix com una instal·lació que genera electricitat utilitzant energia tèrmica, principalment a partir de la combustió del carbó, per produir vapor que fa girar les turbinoves.

Teoria de la central tèrmica

La teoria de les centrals tèrmiques és simple. Aquestes centrals utilitzen turbines de vapor connectades a alternadors per generar electricitat. El vapor es produeix en calderes d'alta pressió.

Generalment a l'Índia, es fan servir el carbó bituminós, el carbó marró i el turba com a combustible per a la caldera. El carbó bituminós que s'utilitza com a combustible per a la caldera té una matèria volàtil de l'8 al 33% i un contingut d'às de l'5 al 16%. Per augmentar l'eficiència tèrmica, el carbó es fa servir en forma de pols a la caldera.

En una central tèrmica de carbó, el vapor es produeix a alta pressió a la caldera de vapor degut a la combustió del combustible (carbó pulveritzat) als fornals de la caldera. Aquest vapor es supercalorifica més endavant en un supercalorificador.

Aquest vapor supercalorificat entra llavors a la turbina i fa girar les paletes de la turbina. La turbina està mecànicaament acoblada a un alternador de manera que el seu rotor girarà amb la rotació de les paletes de la turbina.

Quan el vapor entra a la turbina, la seva pressió disminueix ràpidament, causant que el volum del vapor augmenti.Després d'impartir energia al rotor de la turbina, el vapor surt de les paletes de la turbina cap al condensador.Al condensador, l'aigua freda es circula amb l'ajuda d'una bomba que condensa el vapor humit d'alta pressió.

Aquesta aigua condensada es proporciona més endavant a un calentador d'aigua de baixa pressió on el vapor de baixa pressió augmenta la temperatura d'aquesta aigua d'alimentació; es torna a escalfar a alta pressió.Per entendre millor, desglosem els passos de com funciona una central tèrmica:

• Primer, el carbó pulveritzat es crem a la fornalla de la caldera de vapor.

• Es produeix vapor d'alta pressió a la caldera.

• Aquest vapor passa llavors pel supercalorificador, on es calorifica més.

• Aquest vapor supercalorificat entra llavors a la turbina a gran velocitat.

• A la turbina, la força del vapor fa girar les paletes de la turbina, és a dir, aquí a la turbina l'energia potencial emmagatzemada del vapor d'alta pressió es converteix en energia mecànica.

Diagrama de línia de la central elèctrica

Després de fer girar les paletes de la turbina, el vapor ha perdut la seva alta pressió, surt de les paletes de la turbina i entra al condensador.Al condensador, l'aigua freda es circula amb l'ajuda d'una bomba que condensa el vapor humit de baixa pressió.

Aquesta aigua condensada es proporciona més endavant a un calentador d'aigua de baixa pressió on el vapor de baixa pressió augmenta la temperatura d'aquesta aigua d'alimentació, es torna a escalfar en un calentador de baixa pressió on es fa servir la pressió alta del vapor per a escalfar.La turbina a la central tèrmica actua com a motor principal de l'alternador.

Visió general de la central tèrmica

Una central tèrmica típica funciona en un cicle que es mostra a continuació.

El fluid de treball és aigua i vapor. Això es coneix com el cicle d'aigua d'alimentació i vapor. El cicle termodinàmic ideal al qual l'operació d'una central tèrmica es assembla molt de prop és el cicle de Rankine.

A la caldera de vapor, l'aigua es escalfa cremant el combustible en l'aire a la fornalla, i la funció de la caldera és donar vapor supercalorificat sec a la temperatura requerida. El vapor així produït s'utilitza per fer girar les turbines de vapor.

Aquesta turbina està acoblada a un generador síncron (habitualment un alternador síncron trifàsic), que genera energia elèctrica.

El vapor d'escapament de la turbina es permet condensar en aigua al condensador de vapor de la turbina, que crea succió a una pressió molt baixa i permet l'expansió del vapor a la turbina a una pressió molt baixa.

Les principals avantatges de l'operació condensadora són l'augment de l'energia extraïda per kg de vapor i, per tant, l'augment de l'eficiència, i el condensat que es torna a alimentar a la caldera redueix la quantitat d'aigua d'alimentació fresca.

El condensat juntament amb una certa quantitat d'aigua d'alimentació fresca es torna a alimentar a la caldera mitjançant una bomba (anomenada bomba d'alimentació de la caldera).

Al condensador, el vapor es condensa amb aigua de refredament. L'aigua de refredament es recicla a través de la torre de refredament. Això constitueix un circuit d'aigua de refredament.

L'aire ambiental es permet entrar a la caldera després de la filtració de pols. També, el gas de fusta surt de la caldera i s'exhala a l'atmosfera a través de les xemeneies. Aquests constituïxen els circuits d'aire i de gas de fusta.

El flux d'aire i també la pressió estàtica dins de la caldera de vapor (anomenada draught) es manté mitjançant dos ventiladors anomenats ventilador de draught forçat (FD) i ventilador de draught induït (ID).L'esquema total d'una central tèrmica típica juntament amb diferents circuits es il·lustra a continuació.

Dins de la caldera, hi ha diversos intercanviadors de calor, com ara l'economitzador, l'evaporador (no es mostra a la figura superior, és bàsicament els tubs d'aigua, és a dir, el circuit de descendent ascendent), el supercalorificador (de vegades també hi ha un recalorificador, precalorificador d'aire present).

A l'economitzador, l'aigua d'alimentació es escalfa considerablement amb el calor residual del gas de fusta.El tambo de la caldera manté una càrrega per a la circulació natural d'una mescla de dues fases (vapor + aigua) a través dels tubs d'aigua.També hi ha un supercalorificador que també pren calor del gas de fusta i augmenta la temperatura del vapor segons la necessitat.

Eficiència de la central tèrmica o planta

L'eficiència global de la central de vapor es defineix com la raó entre l'equivalent calorífic de la sortida elèctrica i el calor de combustió del carbó. L'eficiència global d'una central tèrmica o planta varia de l'20% a l'26% i depèn de la capacitat de la planta.

Avantatges de la central tèrmica

Els avantatges d'una central tèrmica inclouen:

• Econòmic per al cost inicial baix respecte a qualsevol altra planta de generació.

• Requereix menys terra que una central hidroelèctrica.

• Com que el carbó és el combustible principal i el seu cost és bastant barat en comparació amb la gasolina/dièsel, el cost de generació és econòmic.

• La manteniment és més fàcil.

• Les centrals tèrmiques es poden instalar en qualsevol ubicació on hi hagi transport i aigua en grans quantitats disponibles.

Inconvenients de la central tèrmica

Els inconvenients d'una central tèrmica inclouen:

• El cost de funcionament d'una central tèrmica és comparativament alt degut al combustible, manteniment, etc. 

• Una gran quantitat de fum provoca contaminació atmosfèrica. La central tèrmica és responsable de l'escalfament global.

• L'aigua escalfada que prové de les centrals tèrmiques té un efecte advers sobre les vides aquàtiques a l'aigua i perturba l'ecologia.

• L'eficiència global de la central tèrmica és baixa, com inferior al 30%.