Combustibles fósiles.
Extracción de petróleo 

Tratamiento de combustibles fósiles

Plantación destinada a la producción de biocombustibles

Central térmica

Central térmica

Para la conversión de la energía fósil en energía eléctrica, a menudo se utiliza la tecnología de una central térmica. En el momento en que una central térmica se alienta de combustibles fósiles de trata de una fuente de generación de energía no renovable.

Una central térmica (o planta termoeléctrica) es una planta que genera electricidad al transformar el calor. Históricamente se convierte la energía térmica en electricidad mediante la transferencia de calor a un fluido de trabajo y luego la transformación de la energía de este fluido en energía mecánica. Finalmente, la energía mecánica se transforma en electricidad. La central térmica típica está dividida en varios segmentos: la zona de la caldera en el que el calor es transferido al fluido de trabajo, una turbina, un alternador, y un condensador.

Los principales ciclos termodinámicos explotados en estas plantas son el ciclo Rankine, posiblemente sobrecalentado, y el ciclo Brayton-Joule, y sus posibles combinaciones, incluso si no hay estaciones centrales equipadas con motores de ciclo diésel, o con otros tipos de ciclos.

Desde el punto de vista de la fuente de energía, prácticamente cualquier sustancia se puede usar para producir electricidad. Entre los combustibles más comunes se pueden mencionar los combustibles fósiles (carbón, petróleo y el gas natural), uranio y plutonio en centrales nucleares, pero también se pueden usar combustibles menos convencionales, por ejemplo, lodos. En este caso hablamos de fuentes de energía no renovable, pero la fuente térmica también puede ser la radiación solar. En este caso se trata de plantas de energía renovable, instalaciones de energía solar térmica.

Centrales térmicas de vapor

Las centrales térmicas de vapor se caracterizan por el uso de agua u otro líquido, que se encuentra en dos fases diferentes durante el ciclo de trabajo, a menudo en forma de vapor y líquido. En los últimos años, las tecnologías supercríticas también se han extendido, lo que ha llevado a la ausencia de una transición de fase, propiamente dicha, que antes era la característica de estas instalaciones.

Estas plantas térmicas se pueden dividir en varias secciones: la línea de alimentación, el generador de vapor, la turbina de vapor y el condensador. A pesar que la definición de central térmica es bastante restrictiva, se pueden observar distintos tipos de ciclos termodinámicos que satisfacen estos requisitos, en particular los más extendidos son los ciclos de Rankine y los ciclos de Hirn.

Linea de alimentación de una central térmica de vapor

Antes de entrar en la caldera, el agua de alimentación pasa por una fase de precalentamiento y compresión. De hecho, al entrar en la caldera hay varios regeneradores, es decir, intercambiadores de calor en los que el vapor, parcial o completamente expandido, precalienta el fluido de trabajo. Esto permite ingresar al generador de vapor a temperaturas más altas, lo que resulta en una mayor eficiencia de la planta.

Un desgasificador se proporciona a menudo dentro de la línea de suministro de calor. Para reducir la presencia de incondensable en el fluido de trabajo. La compresión del fluido de trabajo puede tener lugar en una sola bomba en la descarga del condensador, una solución preferida en plantas pequeñas, o en más bombas o bombas turbo colocadas apropiadamente a lo largo de toda la línea de suministro, una solución más óptima en centrales térmicas de vapor grandes.

Generador de vapor

En el generador de vapor de una central térmica, el agua a presión constante se lleva al punto de ebullición. El agua sufre una transición de fase y, a menudo, se sobrecalienta en forma de vapor. Esto se logra por medio de un intercambiador de calor diseñado apropiadamente dividido en diferentes partes: el economizador, el evaporador y el sobrecalentador. Estos  pueden intercambiarse con un líquido, generalmente aceite diatérmico o agua a presión, o con gases calientes producidos por la combustión, esta es la configuración más frecuente para plantas más grandes.

Para sistemas particularmente grandes, los intercambiadores se colocan en la propia cámara de combustión y también obtienen un intercambio radiativo con las llamas. Se presta especial atención para evitar el sobrecalentamiento de los intercambiadores térmico, ya que esto podría resultar en una reducción en su vida útil o, peor aún, en su falla estructural que causaría un daño considerable al sistema.

Plantas supercríticas

En los sistemas supercríticos, el líquido de trabajo ya no experimenta una transición de fase real, siendo la presión por encima del punto crítico, sin embargo, la estructura es similar, incluso si las distinciones entre los tres tipos de bancos son mucho más bajas. Sin embargo, todavía hay tres zonas: una a temperaturas relativamente bajas donde el fluido de trabajo es líquido, otra a temperaturas cercanas al punto crítico y áreas donde el fluido está en estado gaseoso. Esta solución, que por lo tanto implica el paso del fluido para un estado supercrítico , se usa particularmente para grandes centrales eléctricas de vapor o para centrales eléctricas más pequeñas con fluidos orgánicos, en este caso con el objetivo de aproximar mejor la curva de enfriamiento. De los gases con los que se intercambia el calor.

Expansión de vapor en turbina

El vapor que sale del generador de vapor se envía a una máquina, generalmente una turbina de vapor o, más raramente, una máquina alternativa (motor de capor). La primera parte de la expansión a menudo se lleva a cabo a través de una etapa de acción inicial, con frecuencia en forma de algunas etapas de Curtis, para garantizar la posibilidad de parcializar y ajustar la turbina a las diferentes cargas.

Posteriormente solo siguen las etapas de reacción debido a su mayor eficiencia. Para centrales térmicas grandes en un cierto punto de expansión, el vapor se envía de vuelta al generador de vapor para un recalentamiento, para aumentar el trabajo extraído de la turbina y al mismo tiempo reducir la presencia de condensado en la descarga de la misma, en caso de que se utilicen fluidos. pequeño complejo.

El vapor, recalentado o no, continúa su expansión en la turbina, expandiéndose y enfriándose, esto puede causar un flujo volumétrico excesivo que involucra precauciones especiales tanto en la estructura del revestimiento como, posiblemente, en el uso de múltiples cuerpos de turbina.

En la zona de presión más baja, trabajando con líquidos simples, hay una condensación parcial del fluido de trabajo, esto puede ser extremadamente perjudicial para la turbina de vapor ya que las gotas de agua líquida no siguen las mismas trayectorias del vapor, lo que resulta en un martilleo y daños en las paletas. Una vez que termina la expansión, el vapor sale de la turbina y se envía al condensador, para fluidos simples, o a un atemperador seguido del condensador, para fluidos con una campana de saturación retrógrada.

Durante la expansión, en los grandes grupos de agua y vapor, se toma una muestra de vapor en diferentes secciones de la turbina: este vapor se usa en los intercambiadores de calor para calentar el agua del ciclo antes de que entre en la caldera. Además, las enormes pérdidas de vapor debidas a fugas en las distintas secciones discontinuas de la turbina (dadas las altas presiones y temperaturas que el sistema de sellado no está realizando) generalmente se transfieren a un intercambiador de calor y luego se vuelven a insertar en el circuito; Los altos costos de la desmineralización del agua y su sobrecalentamiento justifican el uso de esta energía y la recuperación de materiales.

Condensador

El condensador de una central térmica es el componente en el que tiene lugar la condensación del fluido de trabajo. Este instrumento se encuentra a muy bajas presiones en ciclos de agua, mientras que puede ser a presiones más altas, incluso más altas que las presiones atmosféricas, para ciclos alimentados con otros fluidos de trabajo. En los ciclos de agua, o en cualquier caso con fluidos con baja presión a la temperatura de condensación, es fundamental contar con un condensador capaz de evitar fugas de aire dentro del condensador, ya que el oxígeno que finalmente ingresa en el fluido de trabajo es particularmente agresivo. el tiempo el fluido de trabajo será llevado a altas temperaturas.

Conversión de energía mecánica en energía eléctrica y el sistema eléctrico principal de la planta

La expansión del vapor en la turbina permite la transferencia de energía mecánica a las palas del rotor. El par resistivo necesario para estabilizar la rotación del rotor es absorbido por el alternador, un generador síncrono trifásico conectado directamente al sistema eléctrico principal de la planta de energía e indirectamente, por medio de la estación de aumento de voltaje y de los interruptores colocados en las barras colectoras, a la red de transmisión eléctrica.

De hecho, este par de resistencia se convierte en energía eléctrica a través de fenómenos de conversión electromagnetomecánica de la energía presente dentro del alternador. Además el sistema de excitación del generador síncrono de corriente continua,

La desmineralización del agua

El agua utilizada en los ciclos de las centrales termoeléctricas puede ser agua de mar o agua subterránea dulce o agua de río. Sobre la base de su procedencia, se someterá a un tratamiento previo diferente, que en el caso del agua salada se denomina desalinización.

El tratamiento previo del agua se realiza en tanques para floculación y precipitación de sustancias sólidas agrupadas en flóculos obtenidos a través de productos químicos. El agua se purifica a partir de residuos sólidos y sustancias impuras.

Plantas con fluidos de trabajo complejos y mezclas

Existen aplicaciones que explotan fluidos con alta complejidad molecular, por lo tanto, con moléculas con altos grados de libertad. La campana de saturación de los fluidos complejos está decididamente deformada en comparación con la de los fluidos más simples, esto permite tener un fluido de escape de la turbina aún en estado de vapor, que generalmente se enfría inicialmente por medio de un intercambiador hasta su temperatura de saturación. Posiblemente en un orden de cogeneración o precalentamiento del fluido condensado.

Otras aplicaciones explotan mezclas de fluidos, seleccionados apropiadamente, para explotar características particulares de las mezclas resultantes. Las mezclas, si se sintetizan y se operan correctamente, pueden presentar curvas de condensación de burbujas y / o no isotérmicas, lo que permite la explotación de fuentes térmicas no isotérmicas particulares, como los gases de escape de una planta de tamaño pequeño, o una más fácil. Dimensionamiento de una recuperación de calor de cogeneración de la fase de enfriamiento y condensación.

Plantas de energía a gas

Este tipo de central térmica se caracteriza por el uso de un fluido en forma de gas que no sufre transiciones de fase. Las plantas de este tipo generalmente constan de cuatro secciones: compresión de gas, calentamiento de gas, expansión de gas, escape o enfriamiento de gas. Típicamente estas secciones están unidas en un turbogas.

La compresión de gas generalmente tiene lugar a través de un turbocompresor axial, o para sistemas radiales más pequeños, es típico tener las primeras etapas móviles del estator para permitir que la máquina se controle más fácilmente. Durante la compresión, para las máquinas grandes es una práctica común que el aire sea soplado y luego enfriar la cámara de combustión y la turbina.

El calentamiento de gas puede realizarse a través de un intercambiador, cuando es necesario mantener separada la combustión del fluido de trabajo, o más comúnmente en una cámara de combustión donde se quema un combustible en el fluido de trabajo, necesariamente aire u oxígeno. La expansión tiene lugar en una turbina que suele ser completamente reactiva, ya que ya no es necesario operar la máquina para controlarla. En el caso de plantas que operan con aire, también hay una sección importante para filtrar y purificar el aire de admisión.

Filtración de aire

La presencia de contaminantes sólidos en el aire es un problema muy sensible en las plantas de gas y hace que la instalación de filtros de purificación específicos evite su entrada en la máquina. De hecho, estos contaminantes podrían fusionarse debido a las altas temperaturas alcanzadas en la turbina y solidificarse en las palas de la turbina, lo que causaría, con el tiempo, un desgaste excesivo de la máquina.

Además, incluso para las turbinas con temperaturas relativamente bajas, las partículas pueden entrar en los conductos de refrigeración de la turbina y obstruirlas, lo que provoca un sobrecalentamiento local de la máquina que puede causar la falla estructural de la misma.

La tecnología de ciclo combinado gas-vapor

Con el fin de aumentar la eficiencia energética de las centrales térmicas, el uso de ciclos combinados de gas y vapor se ha extendido en los últimos años. El ciclo combinado de gas y vapor se basa en un turbogas que consiste en un compresor, conectado a la turbina y al alternador, que inyecta el aire de combustión de la atmósfera a la cámara de combustión. La mezcla de aire y gas inyectada se quema en la cámara de combustión y los gases de escape se utilizan para obtener trabajo mecánico en la turbina.

Una caldera de recuperación posterior utiliza los mismos humos calientes que salen de la turbina para generar vapor que luego se expande en una turbina de vapor para generar más trabajo. En general, las centrales de ciclo combinado tienen la ventaja de un menor impacto ambiental en términos de emisiones, ya que utilizan combustibles ligeros como el gas metano o el combustible diésel, así como un menor uso de agua para la condensación.

También tienen una eficiencia mucho mayor que las centrales termoeléctricas tradicionales, ya que los humos salientes se utilizan para generar vapor y generar electricidad nuevamente. Este rendimiento (eléctrico) llega hasta casi el 60%. En el caso de que se prevea la cogeneración (electricidad y calor), en comparación con un rendimiento de primera clase de alrededor del 87%, se observa una ligera disminución en el rendimiento de la electricidad.

Reducción de contaminantes

Todas las plantas termoeléctricas están obligadas a controlar sus emisiones, esto es particularmente relevante para las grandes centrales eléctricas en las que hay una sección importante para reducir los contaminantes.

Reducción de óxidos de azufre

Los óxidos de azufre, que son una de las causas de la lluvia ácida, suelen ser el resultado de la combustión del carbón y están estrictamente regulados. Luego se cortan, dependiendo de cuándo se eliminan, hay tres tipos de extracción: precombustión, caldera, poscombustión.

La reducción de la precombustión solo puede tener lugar si el carbón puede tratarse previamente, como en las plantas IGCC, por lo que es un proceso bastante raro.

La destrucción en la caldera se realiza mediante la inyección de compuestos de calcio que se unen al azufre para dar yeso inerte.

La reducción de la poscombustión se realiza mediante el lavado de los humos con una solución de compuestos de calcio que forman el yeso, esta configuración se prefiere para plantas grandes, ya que el yeso se produce puro, por lo tanto, se puede vender, evitando grandes gastos de eliminación.

Oxidación de óxidos de nitrógeno

La reducción de los óxidos de nitrógeno es un problema común en todas las plantas de combustión. Por lo general, su producción está efectivamente limitada ya en el origen a través de un diseño adecuado de los quemadores y una distribución igualmente estudiada de las corrientes de aire de los alimentos a la caldera o quemador, evitando porciones de gases de combustión a temperaturas excesivamente altas. Si este contaminante sigue siendo relevante, se utilizan depuradores especiales con amoníaco o urea.

Eliminación de cenizas

La reducción de las cenizas es un problema típico de las plantas de combustibles fósiles de carbón y fueloil, ya que las plantas de gas utilizan tanto un combustible ya limpio como aire filtrado. El problema también está relacionado con las cenizas ligeras, que son arrastradas por el flujo de aire hacia la chimenea. Luego, las cenizas se cortan a través de una serie de filtros electrostáticos, ciclones y filtros de fundas de eficiencia creciente para llevar las emisiones dentro de los límites legales. La ceniza más pesada, por otro lado, se retira fácilmente de la caldera y se envía a un tratamiento adecuado y luego se deposita en vertederos. Configuraciones particulares de plantas de plantas avanzadas, como la ya mencionada IGCC, también pueden ir a reparar estas cenizas pesadas, fusionándolas en un material de tamaño de partículas mayor y más inerte.

Captura de dióxido de carbono

En los últimos años, cuando los contaminantes tradicionales se han reducido, se ha prestado gran atención a la reducción de las emisiones de dióxido de carbono debido a su contribución al efecto invernadero. Esta necesidad ha impulsado hacia plantas cada vez más eficientes y hacia el desarrollo y experimentación de plantas con captura y secuestro de carbono. Las técnicas de separación se dividen en tres grupos principales:

La captura de precombustión proporciona la eliminación de carbono y combustible que se alimenta a la planta, lo que, por lo tanto, es trabajar quemando prácticamente solo hidrógeno.

La oxicombustión implica la combustión del combustible en atmósfera de oxígeno puro, de modo que entonces puede separar fácilmente el dióxido de carbono de los otros componentes sin la gran dilución típico de la combustión en el aire.

La captura posterior a la combustión proporciona, con técnicas similares a aquellas posteriores a la combustión para la eliminación de óxidos de azufre, para eliminar el dióxido de carbono del flujo a la descarga de la planta.

El dióxido de carbono separado en este punto se almacena en acuíferos agotados o profundos o, más económicamente, se bombea en depósitos activos, de acuerdo con la técnica de recuperación forzada de hidrocarburos, esta última técnica, si se combina con una fuerte imposición sobre las emisiones, es El más prometedor económicamente.

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Última revisión: 19 de febrero de 2019