Geração Térmica de Energia

Definição de Usina Termelétrica

Uma usina termelétrica é definida como uma instalação que gera eletricidade usando energia térmica, principalmente da queima de carvão, para produzir vapor que impulsiona turbinas.

Teoria da Usina Termelétrica

A teoria das usinas termelétricas é simples. Essas usinas utilizam turbinas a vapor conectadas a alternadores para gerar eletricidade. O vapor é produzido em 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 devido à queima do combustível (carvão pulverizado) nos fornos da caldeira. Este vapor é então 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 girará com a rotação das pás da turbina.

Quando o vapor entra na turbina, sua pressão cai rapidamente, causando o aumento do volume do vapor.Após transferir 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 então 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 em alta pressão.Para entender melhor, vamos detalhar os passos de como opera uma usina termelétrica:

• 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 em uma turbina em alta velocidade.

• Na turbina, esta força do vapor faz girar as pás da turbina, o que significa que aqui na turbina a energia potencial armazenada do vapor de alta pressão é convertida em energia mecânica.

Diagrama de Linha da Usina de Energia

Depois de fazer girar as pás da turbina, o vapor perdeu 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 o aquecimento.A turbina na usina termelétrica atua como o motor principal do alternador.

Visão Geral da Usina Termelétrica

Uma Usina Termelétrica Típica 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 de 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 na água no condensador de vapor da turbina, o que cria sucção em muito baixa pressão e permite a expansão do vapor na turbina até uma pressão muito baixa.

As principais vantagens da operação de condensação são a quantidade aumentada de energia extraída por kg de vapor, aumentando assim a eficiência, e o condensado, que é alimentado de volta 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 bomba de alimentação da caldeira).

No condensador, o vapor é condensado pela água de resfriamento. A água de resfriamento recircula através da torre de resfriamento. Isso constitui um circuito de água de resfriamento.

O ar ambiente é permitido entrar na caldeira após a filtração de poeira. Além disso, o gás de escape sai da caldeira e é exaurido na atmosfera através de chaminés. Estes constituem os circuitos de ar e gás de escape.

O fluxo de ar e também a pressão estática dentro da caldeira de vapor (chamada de corrente forçada) são mantidos por dois ventiladores chamados de ventilador de corrente forçada (FD) e ventilador de corrente induzida (ID).O esquema total de uma usina termelétrica típica, junto 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 do gás de escape.O tambor da caldeira mantém uma cabeça para a circulação natural de uma mistura bifásica (vapor + água) através dos tubos de água.Também existe um superaquecedor que tira calor do gás de escape e eleva a temperatura do vapor conforme necessário.

Eficiência da Usina Termelétrica ou Planta

A eficiência geral da usina de energia a vapor é definida como a razão entre o equivalente térmico da saída elétrica e o calor de combustão do carvão. A eficiência geral de uma usina termelétrica ou planta varia de 20% a 26% e depende da capacidade da planta.

Vantagens da Usina Termelétrica

As vantagens de uma usina termelétrica incluem:

• Econômico para custo inicial baixo em comparação com qualquer outra planta geradora.

• Menos terra necessária do que uma usina hidrelétrica.

• Como o carvão é o principal combustível e seu custo é bastante barato em comparação com a gasolina/diesel, o custo de geração é econômico.

• A manutenção é mais fácil.

• Usinas termelétricas podem ser instaladas em qualquer local onde o transporte e a disponibilidade de grande quantidade de água estejam disponíveis.

Desvantagens da Usina Termelétrica

As desvantagens de uma usina termelétrica incluem:

• O custo de operação de uma usina termelétrica é comparativamente alto devido ao combustível, manutenção, etc. 

• Uma grande quantidade de fumaça causa poluição do ar. A usina termelétrica é responsável pelo aquecimento global.

• A água aquecida que vem das usinas termelétricas tem um efeito adverso sobre as vidas aquáticas na água e perturba a ecologia.

• A eficiência geral da usina termelétrica é baixa, como menos de 30%.