Central eléctrica de vapor

La central eléctrica de vapor es una central eléctrica en la que el generador eléctrico es accionado por vapor. El agua se calienta, se convierte en vapor y hace girar una turbina de vapor que impulsa un generador eléctrico. Después de pasar por la turbina, el vapor se condensa en un condensador. La mayor variación en el diseño de las centrales eléctricas de vapor se debe a las diferentes fuentes de combustible.

Casi todas las centrales eléctricas de carbón, nucleares, geotérmicas, solares térmicas, plantas de incineración de residuos y muchas centrales eléctricas de gas natural son eléctricas de vapor. El gas natural se quema frecuentemente en turbinas de gas y también en calderas. El calor residual de una turbina de gas se puede utilizar para generar vapor en una planta de ciclo combinado que mejora la eficiencia general.

En todo el mundo, la mayor parte de la energía eléctrica se produce mediante centrales eléctricas de vapor. Las únicas alternativas ampliamente utilizadas son la energía fotovoltaica, la conversión de energía mecánica directa como la que se encuentra en la energía hidroeléctrica y de turbinas eólicas, así como algunas aplicaciones más exóticas como la energía mareomotriz o undimotriz y, finalmente, algunas formas de plantas de energía geotérmica. Las aplicaciones específicas de métodos como la betavoltaica o la conversión química de energía (incluida la electroquímica) sólo son relevantes en baterías y baterías atómicas. Las pilas de combustible son una alternativa propuesta para una futura economía del hidrógeno.

Historia

Las máquinas de vapor alternativas se han utilizado como fuentes de energía mecánica desde el siglo XVIII, y James Watt realizó notables mejoras. Las primeras centrales eléctricas comerciales en Nueva York y Londres, en 1882, también utilizaban máquinas de vapor alternativas. A medida que aumentaron los tamaños de los generadores, eventualmente las turbinas tomaron el relevo debido a una mayor eficiencia y un menor costo de construcción. En la década de 1920, cualquier estación central de más de unos pocos miles de kilovatios utilizaría una turbina como motor primario.

Eficiencia

La eficiencia de una central eléctrica de vapor convencional, definida como la energía producida por la planta dividida por el poder calorífico del combustible consumido por ella, suele ser del 33 al 48%, limitada como lo están todos los motores térmicos por las leyes de termodinámica (Ver: ciclo de Carnot). El resto de la energía debe salir de la planta en forma de calor. Este calor residual se puede eliminar mediante agua de refrigeración o en torres de refrigeración. (La cogeneración utiliza el calor residual para la calefacción urbana). Una clase importante de centrales eléctricas de vapor está asociada a las instalaciones de desalinización, que normalmente se encuentran en países desérticos con grandes reservas de gas natural. En estas plantas el agua dulce y la electricidad son productos igualmente importantes.

Dado que la eficiencia de la planta está fundamentalmente limitada por la relación de las temperaturas absolutas del vapor en la entrada y salida de la turbina, las mejoras de eficiencia requieren el uso de vapor de mayor temperatura y, por lo tanto, mayor presión. Históricamente, otros fluidos de trabajo, como el mercurio, se han utilizado experimentalmente en una planta de energía con turbinas de vapor de mercurio, ya que pueden alcanzar temperaturas más altas que el agua a presiones de trabajo más bajas. Sin embargo, las malas propiedades de transferencia de calor y el evidente peligro de toxicidad han descartado el mercurio como fluido de trabajo.

Otra opción es utilizar un fluido supercrítico como fluido de trabajo. Los fluidos supercríticos se comportan de manera similar a los gases en algunos aspectos y a los líquidos en otros. El agua supercrítica o el dióxido de carbono supercrítico se pueden calentar a temperaturas mucho más altas que las que se alcanzan en los ciclos de vapor convencionales, lo que permite una mayor eficiencia térmica. Sin embargo, estas sustancias deben mantenerse a altas presiones (por encima de la presión crítica) para mantener la supercriticidad y existen problemas de corrosión.

Componentes de la planta de vapor

Condensador

Las centrales eléctricas de vapor utilizan un condensador de superficie enfriado por agua que circula a través de tubos. El vapor que se utilizó para hacer girar la turbina se expulsa al condensador y se condensa cuando entra en contacto con los tubos llenos de agua fría en circulación. El vapor condensado, comúnmente denominado condensado. se retira del fondo del condensador. La imagen adyacente es un diagrama de un condensador de superficie típico.

Para una mejor eficiencia, la temperatura en el condensador debe mantenerse lo más baja posible para lograr la presión más baja posible en el vapor de condensación. Dado que la temperatura del condensador casi siempre se puede mantener significativamente por debajo de 100 °C, donde la presión de vapor del agua es mucho menor que la presión atmosférica, el condensador generalmente funciona al vacío. Por tanto, se deben evitar fugas de aire no condensable al circuito cerrado. Las plantas que operan en climas cálidos pueden tener que reducir la producción si su fuente de agua de enfriamiento del condensador se calienta; lamentablemente esto suele coincidir con periodos de alta demanda eléctrica para el aire acondicionado. Si no se dispone de una buena fuente de agua de refrigeración, se pueden utilizar torres de refrigeración para rechazar el calor residual a la atmósfera. También se puede utilizar un gran río o lago como disipador de calor para enfriar los condensadores; Los aumentos de temperatura en aguas naturales pueden tener efectos ecológicos indeseables, pero incidentalmente también pueden mejorar la producción de peces en algunas circunstancias.

Calentador de agua de alimentación

En el caso de una central eléctrica de vapor convencional que utiliza una caldera de tambor, el condensador de superficie elimina el calor latente de vaporización del vapor a medida que cambia de estado de vapor a líquido. Luego, la bomba de condensado bombea el agua condensada a través de un calentador de agua de alimentación, que eleva la temperatura del agua mediante el uso de vapor de extracción de varias etapas de la turbina.

El precalentamiento del agua de alimentación reduce las irreversibilidades involucradas en la generación de vapor y por lo tanto mejora la eficiencia termodinámica del sistema. Esto reduce los costos operativos de la planta y también ayuda a evitar el choque térmico en el metal de la caldera cuando el agua de alimentación se reintroduce en el ciclo de vapor.

Caldera

Una vez que esta agua está dentro de la caldera o generador de vapor, comienza el proceso de adición del calor latente de vaporización. La caldera transfiere energía al agua mediante la reacción química de quemar algún tipo de combustible. El agua ingresa a la caldera a través de una sección del paso de convección llamada economizador. Del economizador pasa al tambor de vapor, desde donde desciende por los bajantes hasta los cabezales de la pared inferior de entrada de agua. Desde los cabezales de entrada, el agua sube a través de los muros de agua. Una parte se convierte en vapor debido al calor generado por los quemadores ubicados en las paredes de agua delantera y trasera (normalmente). Desde las paredes de agua, la mezcla de agua y vapor ingresa al tambor de vapor y pasa a través de una serie de separadores de vapor y agua y luego secadores dentro del tambor de vapor. Los separadores de vapor y secadores eliminan las gotas de agua del vapor; El agua líquida transportada hacia la turbina puede producir una erosión destructiva de las palas de la turbina. y se repite el ciclo a través de los muros de agua. Este proceso se conoce como circulación natural.

Las plantas geotérmicas no necesitan caldera ya que utilizan fuentes de vapor naturales. Se pueden utilizar intercambiadores de calor cuando el vapor geotérmico es muy corrosivo o contiene excesivos sólidos en suspensión. Las plantas nucleares también hierven agua para generar vapor, ya sea haciendo pasar directamente el vapor de trabajo a través del reactor o utilizando un intercambiador de calor intermedio.

Sobrecalentador

Después de que el equipo de secado dentro del tambor acondiciona el vapor, se conduce desde el área superior del tambor a un elaborado conjunto de tuberías en diferentes áreas de la caldera, las áreas conocidas como sobrecalentador y recalentador. El vapor de vapor recoge energía y se sobrecalienta por encima de la temperatura de saturación. Luego, el vapor sobrecalentado se conduce a través de las líneas principales de vapor hasta las válvulas de la turbina de alta presión.