Generazione di energia termica

Definizione di Centrale Termoelettrica

Una centrale termoelettrica è definita come una struttura che genera elettricità utilizzando l'energia termica, principalmente proveniente dalla combustione del carbone, per produrre vapore che aziona le turbine.

Teoria della Centrale Termoelettrica

La teoria delle centrali termoelettriche è semplice. Queste centrali utilizzano turbine a vapore collegate ad alternatori per generare elettricità. Il vapore viene prodotto in caldaie ad alta pressione.

In generale in India, si utilizzano come combustibile per la caldaia il carbone bituminoso, il lignite e il torba. Il carbone bituminoso utilizzato come combustibile per la caldaia ha una materia volatile compresa tra l'8% e il 33% e un contenuto di cenere compreso tra il 5% e il 16%. Per aumentare l'efficienza termica, il carbone viene utilizzato in forma polverulenta nella caldaia.

In una centrale termoelettrica a carbone, il vapore viene prodotto ad alta pressione nella caldaia a vapore a causa della combustione del combustibile (carbone polverizzato) nei forni della caldaia. Questo vapore viene ulteriormente surriscaldato in un surriscaldatore.

Questo vapore surriscaldato entra poi nella turbina e fa ruotare le pale della turbina. La turbina è meccanicamente accoppiata ad un alternatore in modo che il suo rotore ruoti con la rotazione delle pale della turbina.

Quando il vapore entra nella turbina, la sua pressione diminuisce rapidamente, causando un aumento del volume del vapore.Dopo aver ceduto energia al rotore della turbina, il vapore esce dalle pale della turbina ed entra nel condensatore.Nel condensatore, l'acqua fredda viene circolata con l'aiuto di una pompa che condensa il vapore umido a bassa pressione.

Questa acqua condensata viene poi fornita ad un riscaldatore ad acqua a bassa pressione dove il vapore a bassa pressione aumenta la temperatura di questa acqua di alimentazione; essa viene nuovamente riscaldata ad alta pressione.Per comprendere meglio, analizziamo i passaggi di funzionamento di una centrale termoelettrica:

• In primo luogo, il carbone polverizzato viene bruciato nel forno della caldaia a vapore.

• Il vapore ad alta pressione viene prodotto nella caldaia.

• Questo vapore viene poi fatto passare attraverso il surriscaldatore, dove viene ulteriormente riscaldato.

• Questo vapore surriscaldato viene poi introdotto in una turbina ad alta velocità.

• Nella turbina, la forza del vapore fa ruotare le pale della turbina, ovvero qui nella turbina l'energia potenziale immagazzinata del vapore ad alta pressione viene convertita in energia meccanica.

Diagramma a Linee della Centrale Elettrica

Dopo aver fatto ruotare le pale della turbina, il vapore, avendo perso la sua alta pressione, esce dalle pale della turbina ed entra in un condensatore.Nel condensatore, l'acqua fredda viene circolata con l'aiuto di una pompa che condensa il vapore umido a bassa pressione.

Questa acqua condensata viene poi ulteriormente fornita ad un riscaldatore ad acqua a bassa pressione dove il vapore a bassa pressione aumenta la temperatura di questa acqua di alimentazione, che viene poi nuovamente riscaldata in un riscaldatore ad alta pressione dove la pressione elevata del vapore viene utilizzata per il riscaldamento.La turbina nella centrale termoelettrica agisce come motore principale dell'alternatore.

Panoramica della Centrale Termoelettrica

Una tipica centrale termoelettrica opera su un ciclo che è mostrato di seguito.

Il fluido di lavoro è acqua e vapore. Questo è chiamato ciclo di acqua di alimentazione e vapore. Il ciclo termodinamico ideale al quale l'operazione di una centrale termoelettrica assomiglia strettamente è il ciclo di Rankine.

Nella caldaia a vapore, l'acqua viene riscaldata bruciando il combustibile nell'aria nel forno, e la funzione della caldaia è di fornire vapore surriscaldato secco alla temperatura richiesta. Il vapore così prodotto viene utilizzato per far funzionare le turbine a vapore.

Questa turbina è collegata ad un generatore sincrono (solitamente un alternatore sincrono trifase), che genera energia elettrica.

Il vapore di scarico dalla turbina viene lasciato condensare in acqua nel condensatore a vapore della turbina, che crea un vuoto a pressione molto bassa e permette l'espansione del vapore nella turbina fino a una pressione molto bassa.

I principali vantaggi dell'operazione a condensazione sono l'aumento dell'energia estratta per kg di vapore e quindi l'aumento dell'efficienza, e il condensato che viene reinserito nella caldaia riduce la quantità di acqua fresca di alimentazione necessaria.

Il condensato insieme ad una certa quantità di acqua di alimentazione fresca viene nuovamente inserito nella caldaia da una pompa (chiamata pompa di alimentazione della caldaia).

Nel condensatore, il vapore viene condensato dall'acqua di raffreddamento. L'acqua di raffreddamento ricicla attraverso la torre di raffreddamento. Questo costituisce un circuito di acqua di raffreddamento.

L'aria ambientale viene fatta entrare nella caldaia dopo la filtrazione della polvere. Inoltre, i gas di scarico escono dalla caldaia e vengono espulsi nell'atmosfera attraverso i comignoli. Questi costituiscono i circuiti di aria e gas di scarico.

Il flusso d'aria e anche la pressione statica all'interno della caldaia a vapore (chiamata spinta) vengono mantenuti da due ventilatori chiamati ventilatore a soffiaggio forzato (FD) e ventilatore a soffiaggio indotto (ID).Lo schema completo di una tipica centrale termoelettrica, insieme ai diversi circuiti, è illustrato di seguito.

All'interno della caldaia, ci sono vari scambiatori di calore, come economizzatore, evaporatore (non mostrato nella figura sopra, è fondamentalmente i tubi di acqua, cioè il circuito di discesa e risalita), super-riscaldatore (talvolta riscaldatore di riporto, pre-riscaldatore d'aria sono anche presenti).

Nell'economizzatore, l'acqua di alimentazione viene riscaldata considerevolmente dal calore residuo dei gas di scarico.Il tamburo della caldaia mantiene una testa per la circolazione naturale di una miscela bifase (vapore + acqua) attraverso i tubi di acqua.C'è anche un super-riscaldatore che prende calore dai gas di scarico e aumenta la temperatura del vapore secondo le esigenze.

Efficienza della Centrale Termoelettrica o Impianto

L'efficienza complessiva di una centrale termoelettrica è definita come il rapporto tra l'equivalente calorico dell'output elettrico e il calore di combustione del carbone. L'efficienza complessiva di una centrale termoelettrica varia dal 20% al 26% e dipende dalla capacità dell'impianto.

Vantaggi della Centrale Termoelettrica

I vantaggi di una centrale termoelettrica includono:

• Economico per un costo iniziale basso rispetto ad altri impianti di generazione.

• Richiede meno terra rispetto a una centrale idroelettrica.

• Poiché il carbone è il combustibile principale e il suo costo è piuttosto economico rispetto alla benzina/diesel, il costo di generazione è conveniente.

• La manutenzione è più facile.

• Le centrali termoelettriche possono essere installate in qualsiasi località dove siano disponibili trasporti e grandi quantità d'acqua.

Svantaggi della Centrale Termoelettrica

Gli svantaggi di una centrale termoelettrica includono:

• Il costo di funzionamento per una centrale termoelettrica è relativamente alto a causa del combustibile, della manutenzione, ecc. 

• Una grande quantità di fumo causa inquinamento atmosferico. La centrale termoelettrica è responsabile del riscaldamento globale.

• L'acqua riscaldata proveniente dalle centrali termoelettriche ha un effetto negativo sugli organismi acquatici e disturba l'ecologia.

• L'efficienza complessiva della centrale termoelettrica è bassa, inferiore al 30%.