Centrales Térmicas

1. Objetivo de
   función
2. Definición de central
   térmica
3. Funcionamiento de una central
   térmica
5. Criterios de selección
   y diseño
6. Materiales de
   construcción
7. Definición de
   cogeneración
8. Costos

OBJETIVO DE
FUNCIÓN

Las centrales térmicas convencionales queman
gas natural,
carbón, fuel-oil para producir electricidad
por medio de la combustión.

DEFINICIÒN DE
CENTRAL TERMICA

Una central térmica es una instalación que
produce energía
eléctrica a partir de la combustión de
carbón, fuel-oil o gas en una
caldera diseñada al efecto. El funcionamiento de todas las
centrales térmicas, o termoeléctricas, es
semejante.

El combustible se almacena en parques o depósitos
adyacentes, desde donde se suministra a la central, pasando a la
caldera, en la que se provoca la combustión. Esta
última genera el vapor a partir del agua que
circula por una extensa red de tubos que tapizan las
paredes de la caldera. El vapor hace girar los álabes de
la turbina, cuyo eje rotor gira solidariamente con el de un
generador que produce la energía eléctrica; esta
energía se transporta mediante líneas de alta
tensión a los centros de consumo. Por
su parte, el vapor es enfriado en un condensador y convertido
otra vez en agua, que vuelve a los tubos de la caldera,
comenzando un nuevo ciclo.

El agua en circulación que refrigera el
condensador expulsa el calor
extraído a la atmósfera a
través de las torres de refrigeración, grandes estructuras
que identifican estas centrales; parte del calor extraído
pasa a un río próximo o al mar.

Las torres de refrigeración son enormes cilindros
contraídos a media altura (hiperboloides), que emiten de
forma constante vapor de agua, no contaminante, a la
atmósfera. Para minimizar los efectos contaminantes de la
combustión sobre el entorno, la central dispone de una
chimenea de gran altura (llegan a los 300 m) y de unos
precipitadores que retienen las cenizas y otros volátiles
de la combustión. Las cenizas se recuperan para su
aprovechamiento en procesos de
metalurgia y
en el campo de la construcción, donde se mezclan con el
cemento.

FUNCIONAMIENTO
DE UNA CENTRAL TÉRMICA

En las centrales térmicas convencionales, la
energía química ligada por el
combustible fósil (carbón, gas o fuel -óil)
se transforma en energía eléctrica. Se trata de un
proceso de
refinado de energía. El esquema básico de
funcionamiento de todas las centrales térmicas
convencionales es prácticamente el mismo,
independientemente de que utilicen carbón, fuel
-óil o gas.

Las únicas diferencias sustanciales consisten en
el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de
ser inyectado en la caldera y el diseño
de los quemadores de la misma, que varía según el
tipo de combustible empleado.

El vapor de agua se bombea a alta presión a
través de la caldera, a fin de obtener el mayor
rendimiento posible. Gracias a esta presión en los tubos
de la caldera, el vapor de agua puede llegar a alcanzar
temperaturas de hasta 600 ºC (vapor recalentado).

Este vapor entra a gran presión en la turbina a
través de un sistema de
tuberías. La turbina consta de tres cuerpos; de alta,
media y baja presión respectivamente. El objetivo de
esta triple disposición es aprovechar al máximo la
fuerza del
vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente.
Así pues, el vapor de agua a presión hace girar la
turbina, generando energía mecánica. Hemos conseguido transformar la
energía térmica en energía mecánica de rotación.

El vapor, con el calor residual no aprovechable, pasa de
la turbina al condensador. Aquí, a muy baja presión
(vacío) y temperatura
(40ºC), el vapor se convierte de nuevo en agua, la cual es
conducida otra vez a la caldera a fin de reiniciar el ciclo
productivo. El calor latente de condensación del vapor de
agua es absorbido por el agua de
refrigeración, que lo entrega al aire del exterior
en las torres de enfriamiento.

La energía mecánica de rotación que
lleva el eje de la turbina es transformada a su vez en
energía eléctrica por medio de un generador
asíncrono acoplado a la turbina.

CLASIFICACION

CENTRALES TERMICAS CLASICAS O
CONVENCIONALES

• Centrales Térmicas de
  Carbón

FUNCIONAMINETO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y
DESVENTAJAS

Las centrales térmicas que usan como combustible
carbón, pueden quemarlo en trozos o pulverizado. La
pulverización consiste en la reducción del
carbón a polvo finísimo (menos de 1/10 mm de
diámetro) para inyectarlo en la cámara de
combustión del generador de vapor por medio de un quemador
especial que favorece la mezcla con el aire
comburente.

Con el uso del carbón pulverizado, la
combustión es mejor y más fácilmente
controlada. La pulverización tiene la ventaja adicional
que permite el uso de combustible de desperdicio y
difícilmente utilizado de otra forma. En estas se requiere
instalar dispositivos para separar las cenizas producto de la
combustión y que van hacia el exterior, hay incremento de
efecto
invernadero por su combustión, altos costos de
inversión, bajo rendimiento y arranque
lento

• Centrales Térmicas de Fuel-Oil

FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y
DESVENTAJAS

En las centrales de fuel, el combustible se calienta
hasta que alcanza la fluidez óptima para ser inyectado en
los quemadores. Las de fuel-óil presentan como principal
inconveniente las oscilaciones del precio del
petróleo y derivados, y a menudo
también se exigen tratamientos de desulfuración de
los humos para evitar la
contaminación y la lluvia
ácida.

El consumo de un millón de litros de gasolina
emite a la atmósfera 2,4 millones de kilogramos de
Dióxido de Carbono
(CO2), el principal causante del cambio
climático mundial. Arranque lento y bajo
rendimiento.

• Centrales Térmicas de Gas Natural

FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y
DESVENTAJAS

En vez de agua, estas centrales utilizan gas, el cual se
calienta utilizando diversos combustibles (gas, petróleo o
diesel). El resultado de ésta combustión es que
gases a altas
temperaturas movilizan la turbina, y su energía
cinética es transformada en electricidad por un
generador.

El uso de gas en las centrales térmicas,
además de reducir el impacto
ambiental, mejora la eficiencia
energética. Menores costos de la energía empleada
en el proceso de fabricación y menores emisiones de CO2 y
otros contaminantes a la atmósfera. La eficiencia de
éstas no supera el 35% .

CENTRALES TERMICAS NO CONVENCIONALES

• Centrales Térmicas de Ciclo
  Combinado

FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y
DEVENTAJAS

Un ciclo combinado es, la combinación de un ciclo
de gas y un ciclo de vapor. Sus componentes esenciales son la
turbina de gas, la caldera de recuperación la turbina de
vapor y el condensador. El ciclo de gas lo compone la turbina de
gas, y el ciclo de vapor está constituido por la caldera
de recuperación, la turbina de vapor y el
condensador.

La tecnología de las
centrales de ciclo combinado permite un mayor aprovechamiento del
combustible y, por tanto, los rendimientos pueden aumentar entre
el 38 por ciento normal de una central eléctrica
convencional hasta cerca del 60 por ciento. Y la alta
disponibilidad de estas centrales que pueden funcionar sin
problemas
durante 6.500-7500 horas equivalentes al año.

Uno de los principales problemas que plantean las
centrales térmicas es que se trata de un proceso
relativamente complejo de conversión de energías.
Utilizan combustible de alto grado de calidad. Provocan
contaminación con la alta emisión de
gases.

• Centrales Térmicas de Combustión de
  Lecho Fluidizado

FUNCIONAMIENTO; CARACTERISTICAS; VENTAJAS Y
DESVENTAJAS

Consiste en quemar carbón en un lecho de
partículas inertes, a través del cual se hace pasar
una corriente de aire. Esta soporta el peso de las
partículas y las mantiene en suspensión, de modo
que da la impresión de que se trata de un líquido
en ebullición. Permitiría obtener rendimientos de
hasta el 50%, disminuyendo al mismo tiempo la
emisión de anhídrido sulfuroso.

Su eficiencia es de 40 a 42% en ciclos combinados En la
tecnología de lecho fluidizado se inyecta caliza
directamente dentro de la caldera para capturar y remover el
azufre del combustible como un subproducto seco.

La temperatura del gas dentro de la caldera va de los
820°C a los 840°C, lo cual determina su diseño y
el arreglo de las superficies de transferencia de calor. Este
tipo de calderas puede
ser atmosférico o presurizado.

• Centrales Térmicas Gicc Gasificación de
  Carbón Integrada en ciclo combinado

FUNCIONAMIENTO, CARACTERISTICAS, VENTAJAS Y
DESVENTAJAS

La gasificación del carbón es un proceso
que transforma el carbón sólido en un gas
sintético compuesto principalmente de CO e hidrógeno (H2). El carbón es
gasificado controlando la mezcla de carbón, oxígeno
y vapor dentro del gasificador. La potencia media de
estas centrales viene a ser de 300 MW, muy inferior
todavía a la de una térmica
convencional.

Las ventajas medioambientales que ofrecen estas
centrales se fundamentan en los bajos valores de
emisión de óxidos de azufre y otras
partículas.

En la actualidad las IGCC alcanzan eficiencias de 45%,
una eliminación de 99% de azufre. Bajos costos de
combustible, admite combustible de bajo grado de calidad, bajo
grado de emisiones, alto rendimiento, tecnología sin
completa prueba de eficiencia, altos costos de inversión,
plantas
complejas, arranque lento.

CRITERIOS DE
SELECCIÓN Y DISEÑO

El diseño conceptual incluye la descripción de la localización,
forma y bases del diseño de la planta general, como
intemperie o cubierta, grado de utilización, combustible
(incluyendo previsión de cambios), tipo y enlaces de la
subestación eléctrica, suministro y sistemas de agua,
accesos, condiciones y características del sitio,
orientación, arreglo general, elementos principales,
condiciones de diseño y características de
construcción.

• CARACTERÍSTICAS DEL SITIO

*Topografía y drenaje

*Accesos

*Geología

*Proximidad a bancos de
préstamos (obtención de material
combustible)

*Meteorología. Condiciones
climatológicas del sitio

• CONDICIONES GENERALES DE
  DISEÑO

*Temperatura del aire anual promedio

*Presión barométrica

*Nivel base de la planta

*Coeficientes sísmicos: para estructuras, para
bardas, para chimeneas.

*Resistencia del
terreno

• SELECCIÓN DEL TAMAÑO DE
  UNIDADES

La selección
del tamaño involucra un compromiso entre varios factores,
sin embargo se sabe que económicamente la mejor
solución es instalar unidades del 5 al 10% de la capacidad
de los sistemas.

*Especificaciones del turbogenerador, del generador de
vapor, y optimización del sistema de agua de
circulación.

*Suministro de agua asegurada para el presente y para
el fututo.

*Ubicación por razón de disponibilidad
del carbón o combustibles, cerca de las fuentes del
mismo, o sea lo que corrientemente se conoce como Central de
Boca de Mina.

*Ubicación por razón de otros factores,
como proximidad a los centros de carga, a fuentes de agua para
refrigeración, o a sitios de fácil acceso para la
maquinaria y equipos pesados. La ubicación del lugar
debe ser en un sitio con vías de acceso muy buenas y al
uso de equipos especiales de transporte.

*Costos de la propiedad,
de construcción, de puesta en función,
de mantenimiento.

*Impacto- socio económico.

*Facilidades de transportación.

MATERIALES DE
CONSTRUCCION

Estos varían de acuerdo al equipo utilizado, los
más utilizados son los siguientes:

• Para paredes, pisos y cubierta o techo de los
  tanques, se emplean los aceros A283 grado C y D y A285 grado
  C.
• Acero al carbón
• Acero inoxidable
• Teflón en los compresores de
  aire
• Aleaciones de acero
• Aleaciones de latón
• Vidrio
• Hule
• Plásticos
• Concreto
• Ladrillo Refractario

DEFINICION
DE COGENERACION

Los sistemas de cogeneración reciclan la
energía perdida en el proceso primario de
generación (como una turbina de gas) en un proceso
secundario. La energía restante se emplea en este caso en
forma de vapor directamente en las cercanías de la central
(por ejemplo, para calentar edificios), lo que aumenta aún
más la eficiencia global del sistema.

En las aplicaciones de cogeneración que requieran
tanto calor (el utilizado en un proceso industrial) como
electricidad, se genera vapor a altas presiones en una caldera y
se extrae desde la turbina a la temperatura y la presión
que necesita el proceso industrial. Las turbinas de vapor se
pueden utilizar en ciclos (escalones) combinados con un generador
de vapor que recupera el calor que se perdería. Las
unidades industriales se utilizan para poner en movimiento
máquinas, bombas,
compresores y generadores eléctricos. La potencia que se
obtiene puede ser de hasta 1.300 MW.

COSTOS

De acuerdo con los planes de expansión del sector
eléctrico, la mínima capacidad de la planta
térmica que se está instalando en el país es
de 150 MW.

Es casi imposible poder indicar,
para centrales térmicas de determinada capacidad, un
costo promedio
global o por KW instalado. Cada central es un caso
específico y debe procederse a establecer los costos de
cada uno de sus componentes de acuerdo con los equipos
seleccionados y las condiciones locales
específicas.

La siguiente tabla muestra las
diferencias de costo frente a las alternativas clásicas de
generación

Como puede apreciarse en la tabla anterior, de las
centrales térmicas analizadas, la de ciclo combinado
presenta costos de operación menores a cualquier
alternativa. Posee un costo variable no combustible enmarcado
dentro de los más baratos (1,55 Mills/KWh) y un costo de
combustible considerablemente más barato que cualquier
otra alternativa térmica (8,5 Mills/KWh). Aunque estos
costos varían algo con cada diseño, son
aproximadamente constantes, por lo que se pueden considerar
estables.

CUADRO COMPARATIVO ENTRE CENTRALES
TERMICAS, NUCLEARES E HIDROELECTRICAS

Trabajo enviado por
AYALA CARRERA ALEJANDRO

Universidad de La
Salle Bogota, Colombia
Facultad De Ingeniería alimentos
7ª semestre