Generación de Energía Térmica

Definición de Central Térmica

Una central térmica se define como una instalación que genera electricidad mediante el uso de energía térmica, principalmente a partir de la quema de carbón, para producir vapor que impulsa turbinas.

Teoría de la Central Térmica

La teoría de las centrales térmicas es sencilla. Estas plantas utilizan turbinas de vapor conectadas a alternadores para generar electricidad. El vapor se produce en calderas de alta presión.

Generalmente en India, se utiliza carbón bituminoso, lignito y turba como combustible para la caldera. El carbón bituminoso utilizado como combustible de la caldera tiene un contenido de materia volátil del 8 al 33% y un contenido de cenizas del 5 al 16%. Para aumentar la eficiencia térmica, el carbón se usa en la caldera en forma de polvo.

En una central térmica de carbón, el vapor se produce a alta presión en la caldera de vapor debido a la quema de combustible (carbón pulverizado) en los hornos de la caldera. Este vapor se calienta aún más en un supercalentador.

Este vapor supercalentado luego entra en la turbina y hace girar las palas de la turbina. La turbina está mecánicamente acoplada a un alternador de tal manera que su rotor girará con la rotación de las palas de la turbina.

Cuando el vapor entra en la turbina, su presión disminuye rápidamente, lo que causa un aumento en el volumen del vapor.Después de transmitir energía al rotor de la turbina, el vapor sale de las palas de la turbina hacia el condensador.En el condensador, se circula agua fría con la ayuda de una bomba, lo que condensa el vapor húmedo de baja presión.

Esta agua condensada se suministra posteriormente a un calentador de agua de baja presión, donde el vapor de baja presión aumenta la temperatura de este agua de alimentación; luego se vuelve a calentar a alta presión.Para entender mejor, desglosemos los pasos de cómo opera una central térmica:

• Primero, el carbón pulverizado se quema en el horno de la caldera de vapor.

• Se produce vapor de alta presión en la caldera.

• Este vapor luego pasa por el supercalentador, donde se calienta aún más.

• Este vapor supercalentado luego entra en una turbina a alta velocidad.

• En la turbina, la fuerza de este vapor hace girar las palas de la turbina, lo que significa que aquí en la turbina, la energía potencial almacenada del vapor de alta presión se convierte en energía mecánica.

Diagrama Esquemático de la Central Eléctrica

Después de hacer girar las palas de la turbina, el vapor ha perdido su alta presión, sale de las palas de la turbina y entra en un condensador.En el condensador, se circula agua fría con la ayuda de una bomba, lo que condensa el vapor húmedo de baja presión.

Esta agua condensada luego se suministra a un calentador de agua de baja presión, donde el vapor de baja presión aumenta la temperatura de este agua de alimentación, y luego se vuelve a calentar en un calentador de alta presión, donde se utiliza la alta presión del vapor para calentar.La turbina en la central térmica actúa como motor principal del alternador.

Visión General de la Central Térmica

Una central térmica típica opera en un ciclo que se muestra a continuación.

El fluido de trabajo es agua y vapor. Esto se llama ciclo de agua de alimentación y vapor. El ciclo termodinámico ideal al que se asemeja la operación de una central térmica es el ciclo de Rankine.

En una caldera de vapor, el agua se calienta quemando combustible en el aire en el horno, y la función de la caldera es proporcionar vapor sobrecalentado seco a la temperatura requerida. El vapor producido se utiliza para impulsar las turbinas de vapor.

Esta turbina está acoplada a un generador síncrono (generalmente un alternador síncrono trifásico), que genera energía eléctrica.

El vapor de escape de la turbina se permite condensar en el agua en el condensador de vapor de la turbina, lo que crea una succión a muy baja presión y permite la expansión del vapor en la turbina a muy baja presión.

Las principales ventajas de la operación de condensación son la cantidad de energía extraída por kilogramo de vapor y, por lo tanto, el aumento de la eficiencia, y el condensado, que se vuelve a alimentar en la caldera, reduce la cantidad de agua de alimentación fresca.

El condensado junto con algo de agua de alimentación fresca se vuelve a alimentar en la caldera mediante una bomba (llamada bomba de alimentación de la caldera).

En el condensador, el vapor se condensa con agua de enfriamiento. El agua de enfriamiento recircula a través de la torre de enfriamiento. Esto constituye un circuito de agua de enfriamiento.

El aire ambiente se permite entrar en la caldera después de la filtración de polvo. Además, los gases de escape salen de la caldera y se liberan a la atmósfera a través de chimeneas. Estos constituyen los circuitos de aire y gases de escape.

El flujo de aire y también la presión estática dentro de la caldera de vapor (llamada corriente) se mantienen mediante dos ventiladores llamados ventilador de corriente forzada (FD) y ventilador de corriente inducida (ID).El esquema total de una central térmica típica junto con diferentes circuitos se ilustra a continuación.

Dentro de la caldera, hay varios intercambiadores de calor, como economizador, evaporador (no se muestra en la figura, es básicamente los tubos de agua, es decir, el circuito de bajada y subida), supercalentador (a veces recaleentador, precalentador de aire también están presentes).

En el economizador, el agua de alimentación se calienta considerablemente con el calor residual de los gases de escape.El tambor de la caldera mantiene una cabeza para la circulación natural de una mezcla bifásica (vapor + agua) a través de los tubos de agua.También hay un supercalentador que toma calor de los gases de escape y eleva la temperatura del vapor según sea necesario.

Eficiencia de la Central Térmica o Planta

La eficiencia general de la planta de energía de vapor se define como la relación entre el equivalente térmico de la salida eléctrica y el calor de combustión del carbón. La eficiencia general de una central térmica o planta varía del 20% al 26% y depende de la capacidad de la planta.

Ventajas de la Central Térmica

Las ventajas de una central térmica incluyen:

• Económica por el bajo costo inicial en comparación con cualquier otra planta generadora.

• Requiere menos tierra que una planta hidroeléctrica.

• Dado que el carbón es el principal combustible y su costo es bastante barato en comparación con la gasolina/diésel, el costo de generación es económico.

• El mantenimiento es más fácil.

• Las centrales térmicas pueden instalarse en cualquier ubicación donde estén disponibles el transporte y el agua en grandes cantidades.

Desventajas de la Central Térmica

Las desventajas de una central térmica incluyen:

• El costo de operación de una central térmica es comparativamente alto debido al combustible, mantenimiento, etc. 

• Una gran cantidad de humo causa contaminación del aire. La central térmica es responsable del calentamiento global.

• El agua caliente que proviene de las centrales térmicas tiene un efecto adverso en las vidas acuáticas y perturba la ecología.

• La eficiencia general de la central térmica es baja, como menos del 30%.