Central térmica

Una central térmica , también conocida como planta de energía térmica , es un tipo de central eléctrica en la que la energía térmica generada a partir de varias fuentes de combustible (por ejemplo, carbón , gas natural , combustible nuclear , etc.) se convierte en energía eléctrica . ^[1] El calor de la fuente se convierte en energía mecánica utilizando un ciclo de potencia termodinámico (como un ciclo Diesel , ciclo Rankine , ciclo Brayton , etc.). El ciclo más común implica un fluido de trabajo (a menudo agua) calentado y hervido a alta presión en un recipiente a presión para producir vapor de alta presión. Este vapor de alta presión luego se dirige a una turbina, donde hace girar las palas de la turbina. La turbina giratoria está conectada mecánicamente a un generador eléctrico que convierte el movimiento giratorio en electricidad. Los combustibles como el gas natural o el petróleo también se pueden quemar directamente en turbinas de gas ( combustión interna ), saltándose el paso de generación de vapor. Estas plantas pueden ser de ciclo abierto o del tipo de ciclo combinado más eficiente .

La mayoría de las centrales térmicas del mundo funcionan con turbinas de vapor, turbinas de gas o una combinación de ambas. La eficiencia de una central térmica está determinada por la eficacia con la que convierte la energía térmica en energía eléctrica, específicamente la relación entre la electricidad comercializable y el valor calorífico del combustible utilizado. Los distintos ciclos termodinámicos tienen eficiencias variables, siendo el ciclo Rankine generalmente más eficiente que los ciclos Otto o Diesel. ^[1] En el ciclo Rankine, el escape de baja presión de la turbina entra en un condensador de vapor donde se enfría para producir condensado caliente que se recicla al proceso de calentamiento para generar aún más vapor a alta presión.

El diseño de las centrales térmicas depende de la fuente de energía prevista. Además de combustibles fósiles y nucleares , algunas centrales utilizan energía geotérmica , energía solar , biocombustibles e incineración de residuos . Algunas centrales térmicas también están diseñadas para producir calor para fines industriales, proporcionar calefacción urbana o desalinizar agua , además de generar energía eléctrica. Las tecnologías emergentes, como las centrales térmicas supercríticas y ultrasupercríticas, funcionan a temperaturas y presiones más altas para aumentar la eficiencia y reducir las emisiones. La tecnología de cogeneración o CHP (Combined Heat and Power), la producción simultánea de electricidad y calor útil a partir de la misma fuente de combustible, mejora la eficiencia general al utilizar el calor residual para fines de calefacción. Las centrales térmicas más antiguas y menos eficientes se están desmantelando o adaptando para utilizar fuentes de energía más limpias y renovables.

Las centrales térmicas producen el 70% de la electricidad del mundo. ^[2] A menudo proporcionan un suministro de energía de base fiable, estable y continuo, esencial para el crecimiento económico. Garantizan la seguridad energética manteniendo la estabilidad de la red, especialmente en regiones donde complementan fuentes de energía renovables intermitentes que dependen de las condiciones meteorológicas. El funcionamiento de las centrales térmicas contribuye a la economía local creando puestos de trabajo en las industrias de construcción, mantenimiento y extracción de combustibles. Por otra parte, la quema de combustibles fósiles libera gases de efecto invernadero (que contribuyen al cambio climático) y contaminantes del aire como óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno (que provocan lluvia ácida y enfermedades respiratorias). Los avances en la tecnología de captura y almacenamiento de carbono (CCS) podrían mitigar algunos de los impactos ambientales de las centrales térmicas basadas en combustibles fósiles. Se están aplicando regulaciones gubernamentales y acuerdos internacionales para reducir las emisiones nocivas y promover la generación de energía más limpia.

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Casi todas las centrales eléctricas de carbón , petróleo, nucleares , geotérmicas , solares térmicas y plantas de incineración de residuos , así como todas las centrales eléctricas de gas natural, son térmicas. El gas natural se quema con frecuencia en turbinas de gas , así como en calderas . El calor residual de una turbina de gas, en forma de gas de escape caliente, se puede utilizar para generar vapor al pasar este gas a través de un generador de vapor de recuperación de calor (HRSG). Luego, el vapor se utiliza para impulsar una turbina de vapor en una planta de ciclo combinado que mejora la eficiencia general. Las centrales eléctricas que queman carbón, fueloil o gas natural a menudo se denominan centrales eléctricas de combustibles fósiles . También han aparecido algunas centrales térmicas alimentadas con biomasa . Las centrales térmicas no nucleares, en particular las plantas alimentadas con combustibles fósiles, que no utilizan cogeneración, a veces se denominan centrales eléctricas convencionales .

Las centrales eléctricas comerciales suelen construirse a gran escala y diseñarse para un funcionamiento continuo. Prácticamente todas las centrales eléctricas utilizan generadores eléctricos trifásicos para producir energía eléctrica de corriente alterna (CA) a una frecuencia de 50 Hz o 60 Hz . Las grandes empresas o instituciones pueden tener sus propias centrales eléctricas para suministrar calefacción o electricidad a sus instalaciones, especialmente si de todos modos se crea vapor para otros fines. Las centrales eléctricas impulsadas por vapor se han utilizado para impulsar la mayoría de los barcos en la mayor parte del siglo XX ^{[ cita requerida ]} . Las centrales eléctricas a bordo suelen acoplar directamente la turbina a las hélices del barco a través de cajas de engranajes. Las centrales eléctricas de dichos barcos también proporcionan vapor a turbinas más pequeñas que impulsan generadores eléctricos para suministrar electricidad. La propulsión marina nuclear se utiliza, con pocas excepciones, solo en buques de guerra. Ha habido muchos barcos turboeléctricos en los que una turbina impulsada por vapor impulsa un generador eléctrico que alimenta un motor eléctrico para la propulsión .

Las plantas de cogeneración , a menudo llamadas instalaciones de calor y energía combinados (CHP), producen energía eléctrica y calor para procesos o calefacción de espacios, como vapor y agua caliente.

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La máquina de vapor alternativa se ha utilizado para producir energía mecánica desde el siglo XVIII, con notables mejoras realizadas por James Watt . Cuando se establecieron las primeras centrales eléctricas comerciales en 1882 en la estación Pearl Street de Nueva York y la central eléctrica Holborn Viaduct de Londres, se utilizaron máquinas de vapor alternativas. El desarrollo de la turbina de vapor en 1884 proporcionó diseños de máquinas más grandes y eficientes para las centrales generadoras. En 1892, la turbina se consideró una mejor alternativa a las máquinas alternativas; ^[3] las turbinas ofrecían velocidades más altas, maquinaria más compacta y una regulación de velocidad estable que permitía el funcionamiento sincrónico paralelo de los generadores en un bus común. Después de aproximadamente 1905, las turbinas reemplazaron por completo a las máquinas alternativas en casi todas las grandes centrales eléctricas.

Los grupos electrógenos de pistón más grandes jamás construidos se completaron en 1901 para el ferrocarril elevado de Manhattan . Cada una de las diecisiete unidades pesaba alrededor de 500 toneladas y tenía una potencia nominal de 6000 kilovatios; un grupo de turbinas contemporáneo de potencia nominal similar habría pesado aproximadamente un 20% más. ^[4]

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La eficiencia energética de una central térmica convencional se define como la energía vendible producida como porcentaje del valor calorífico del combustible consumido. Una turbina de gas de ciclo simple logra eficiencias de conversión de energía de entre el 20 y el 35 %. ^[5] Las centrales térmicas de carbón típicas que funcionan a presiones de vapor de 170 bar y 570 °C funcionan con una eficiencia del 35 al 38 %, ^[6] mientras que las centrales de combustibles fósiles de última generación tienen una eficiencia del 46 %. ^[7] Los sistemas de ciclo combinado pueden alcanzar valores más altos. Como ocurre con todos los motores térmicos, su eficiencia es limitada y está regida por las leyes de la termodinámica .

La eficiencia de Carnot dicta que se pueden lograr eficiencias más altas aumentando la temperatura del vapor. Las centrales eléctricas de combustibles fósiles con presión subcrítica pueden lograr una eficiencia del 36 al 40 %. Los diseños supercríticos tienen eficiencias en el rango bajo a medio del 40 %, con nuevos diseños "ultracríticos" que utilizan presiones superiores a 4400 psi (30 MPa) y recalentamiento en múltiples etapas que alcanzan una eficiencia del 45 al 48 %. ^[6] Por encima del punto crítico para el agua de 705 °F (374 °C) y 3212 psi (22,15 MPa), no hay transición de fase de agua a vapor, sino solo una disminución gradual de la densidad .

En la actualidad, la mayoría de las centrales nucleares deben funcionar a temperaturas y presiones inferiores a las de las centrales de carbón, con el fin de proporcionar márgenes de seguridad más conservadores dentro de los sistemas que extraen calor del combustible nuclear. Esto, a su vez, limita su eficiencia termodinámica al 30-32%. Algunos diseños de reactores avanzados que se están estudiando, como el reactor de muy alta temperatura , el reactor avanzado refrigerado por gas y el reactor de agua supercrítica , funcionarían a temperaturas y presiones similares a las de las centrales de carbón actuales, produciendo una eficiencia termodinámica comparable.

La energía de una central térmica que no se utiliza para producir electricidad debe salir de la planta en forma de calor hacia el medio ambiente. Este calor residual puede pasar por un condensador y eliminarse con agua de refrigeración o en torres de refrigeración . Si el calor residual se utiliza en cambio para calefacción urbana , se denomina cogeneración . Una clase importante de central térmica es la asociada a las instalaciones de desalinización ; estas se encuentran normalmente en países desérticos con grandes suministros de gas natural , y en estas plantas la producción de agua dulce y la electricidad son coproductos igualmente importantes.

Otros tipos de centrales eléctricas están sujetos a diferentes limitaciones de eficiencia. La mayoría de las centrales hidroeléctricas de Estados Unidos tienen una eficiencia de alrededor del 90 por ciento en la conversión de la energía del agua que cae en electricidad ^[8], mientras que la eficiencia de una turbina eólica está limitada por la ley de Betz a alrededor del 59,3 por ciento, y las turbinas eólicas actuales muestran una eficiencia menor.

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El costo directo de la energía eléctrica producida por una central térmica es el resultado del costo del combustible, el costo de capital de la planta, la mano de obra del operador, el mantenimiento y factores como el manejo y la eliminación de cenizas. Los costos sociales o ambientales indirectos, como el valor económico de los impactos ambientales o los efectos ambientales y de salud del ciclo completo del combustible y el desmantelamiento de la planta, no suelen asignarse a los costos de generación de las centrales térmicas en la práctica de las empresas de servicios públicos, pero pueden formar parte de una evaluación de impacto ambiental. Esos costos indirectos pertenecen al concepto más amplio de externalidades .

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En el campo de las plantas nucleares , el término generador de vapor se refiere a un tipo específico de intercambiador de calor de gran tamaño que se utiliza en un reactor de agua a presión (PWR) para conectar térmicamente los sistemas primario (planta de reactor) y secundario (planta de vapor), lo que genera vapor. En un reactor de agua en ebullición (BWR), no se utiliza un generador de vapor independiente y el agua hierve en el núcleo del reactor.

En algunos entornos industriales, también puede haber intercambiadores de calor que producen vapor, llamados generadores de vapor con recuperación de calor (HRSG), que utilizan el calor de algún proceso industrial, generalmente utilizando el escape caliente de una turbina de gas. La caldera generadora de vapor tiene que producir vapor con la alta pureza, presión y temperatura requeridas para la turbina de vapor que impulsa el generador eléctrico.

Las plantas geotérmicas no necesitan calderas porque utilizan fuentes de vapor que se producen de forma natural. Se pueden utilizar intercambiadores de calor cuando el vapor geotérmico es muy corrosivo o contiene demasiados sólidos en suspensión.

Un generador de vapor de combustible fósil incluye un economizador , un tambor de vapor y el horno con sus tubos generadores de vapor y serpentines de sobrecalentamiento. Las válvulas de seguridad necesarias están ubicadas en puntos adecuados para proteger contra la presión excesiva de la caldera. El equipo de la ruta de aire y gases de combustión incluye: ventilador de tiro forzado (FD) , precalentador de aire (AP), horno de caldera, ventilador de tiro inducido (ID), colectores de cenizas volantes ( precipitador electrostático o cámara de filtros ) y la chimenea de gases de combustión . ^{[9] [10] [11]}

El agua de alimentación de la caldera utilizada en la caldera de vapor es un medio para transferir energía térmica del combustible en combustión a la energía mecánica de la turbina de vapor giratoria . El agua de alimentación total consiste en agua condensada recirculada y agua de reposición purificada . Debido a que los materiales metálicos con los que entra en contacto están sujetos a corrosión a altas temperaturas y presiones, el agua de reposición se purifica altamente antes de su uso. Un sistema de ablandadores de agua y desmineralizadores de intercambio iónico produce agua tan pura que casualmente se convierte en un aislante eléctrico , con una conductividad en el rango de 0,3 a 1,0 microsiemens por centímetro. El agua de reposición en una planta de 500 MWe asciende a quizás 120 galones estadounidenses por minuto (7,6 L/s) para reemplazar el agua extraída de los tambores de la caldera para la gestión de la pureza del agua, y también para compensar las pequeñas pérdidas por fugas de vapor en el sistema.

El ciclo del agua de alimentación comienza con el agua condensada que se bombea fuera del condensador después de pasar por las turbinas de vapor. El caudal de condensado a plena carga en una planta de 500 MW es de unos 6.000 galones estadounidenses por minuto (400 L/s).

El agua se presuriza generalmente en dos etapas y normalmente fluye a través de una serie de seis o siete calentadores de agua de alimentación intermedios, calentados en cada punto con vapor extraído de una conexión de extracción adecuada en las turbinas y ganando temperatura en cada etapa. Normalmente, en medio de esta serie de calentadores de agua de alimentación, y antes de la segunda etapa de presurización, el condensado más el agua de reposición fluye a través de un desaireador ^{[12] [13]} que elimina el aire disuelto del agua, purificando aún más y reduciendo su corrosividad. El agua puede dosificarse después de este punto con hidracina , un producto químico que elimina el oxígeno restante en el agua por debajo de 5 partes por mil millones (ppb). También se dosifica con agentes de control de pH como amoníaco o morfolina para mantener la acidez residual baja y, por lo tanto, no corrosiva.

La caldera es un horno rectangular de unos 15 m de lado y 40 m de alto. Sus paredes están formadas por una red de tubos de acero de alta presión de unos 58 mm de diámetro. ^{[ cita requerida ]}

El combustible, como el carbón pulverizado, se introduce en el horno a través de quemadores ubicados en las cuatro esquinas, a lo largo de una pared o en dos paredes opuestas, y se enciende para quemarse rápidamente, formando una gran bola de fuego en el centro. La radiación térmica de la bola de fuego calienta el agua que circula por los tubos de la caldera cerca del perímetro de la misma. La velocidad de circulación del agua en la caldera es tres o cuatro veces superior a la capacidad de producción. A medida que el agua circula en la caldera , absorbe calor y se transforma en vapor. Se separa del agua dentro de un tambor en la parte superior del horno. El vapor saturado se introduce en tubos colgantes de sobrecalentamiento que cuelgan en la parte más caliente de los gases de combustión a medida que salen del horno. Aquí, el vapor se sobrecalienta a 1000 °F (540 °C) para prepararlo para la turbina.

Las plantas que utilizan turbinas de gas para calentar el agua para convertirla en vapor utilizan calderas conocidas como generadores de vapor con recuperación de calor (HRSG). El calor de escape de las turbinas de gas se utiliza para producir vapor sobrecalentado que luego se utiliza en un ciclo de generación de agua-vapor convencional, como se describe en la sección sobre plantas de ciclo combinado con turbinas de gas .

El agua entra en la caldera a través de una sección en el paso de convección llamada economizador . Desde el economizador pasa al tambor de vapor y desde allí pasa por bajantes hasta los cabezales de entrada en la parte inferior de las paredes de agua. Desde estos cabezales, el agua sube a través de las paredes de agua del horno, donde una parte se convierte en vapor y la mezcla de agua y vapor luego vuelve a ingresar al tambor de vapor. Este proceso puede ser impulsado puramente por circulación natural (porque el agua en los bajantes es más densa que la mezcla de agua y vapor en las paredes de agua) o asistido por bombas. En el tambor de vapor, el agua regresa a los bajantes y el vapor pasa a través de una serie de separadores de vapor y secadores que eliminan las gotas de agua del vapor. Luego, el vapor seco fluye hacia las bobinas del sobrecalentador.

El equipo auxiliar del horno de la caldera incluye boquillas de alimentación de carbón y pistolas de encendido, sopladores de hollín , lanzas de agua y puertos de observación (en las paredes del horno) para observar el interior del horno. Las explosiones del horno debido a cualquier acumulación de gases combustibles después de un disparo se evitan al expulsar dichos gases de la zona de combustión antes de encender el carbón.

El tambor de vapor (así como las bobinas y cabezales del sobrecalentador ) tienen respiraderos y drenajes de aire necesarios para el arranque inicial.

Las centrales eléctricas de combustibles fósiles suelen tener una sección de sobrecalentamiento en el horno generador de vapor. ^{[ cita requerida ]} El vapor pasa a través de un equipo de secado dentro del tambor de vapor hasta el sobrecalentamiento, un conjunto de tubos en el horno. Aquí el vapor absorbe más energía de los gases de combustión calientes fuera de los tubos y su temperatura ahora está sobrecalentada por encima de la temperatura de saturación. El vapor sobrecalentado luego se conduce a través de las líneas de vapor principales hasta las válvulas antes de la turbina de alta presión.

Las plantas de vapor alimentadas con energía nuclear no tienen dichas secciones, pero producen vapor en condiciones prácticamente saturadas. Las plantas nucleares experimentales estaban equipadas con sobrecalentadores alimentados con combustibles fósiles en un intento de mejorar el costo operativo general de la planta. ^{[ cita requerida ]}

El condensador condensa el vapor de escape de la turbina y lo convierte en líquido para que pueda bombearse. Si se puede enfriar el condensador, se reduce la presión del vapor de escape y aumenta la eficiencia del ciclo .

El condensador de superficie es un intercambiador de calor de carcasa y tubos en el que circula agua de refrigeración a través de los tubos. ^{[10] [14] [15] [16]} El vapor de escape de la turbina de baja presión entra en la carcasa, donde se enfría y se convierte en condensado (agua) al fluir sobre los tubos como se muestra en el diagrama adyacente. Dichos condensadores utilizan eyectores de vapor o escapes accionados por motor rotativo para la eliminación continua de aire y gases del lado del vapor para mantener el vacío .

Para lograr la máxima eficiencia, la temperatura en el condensador debe mantenerse lo más baja posible para lograr la menor presión posible en el vapor que se condensa. Dado que la temperatura del condensador casi siempre se puede mantener significativamente por debajo de los 100 °C, donde la presión de vapor del agua es mucho menor que la presión atmosférica, el condensador generalmente funciona al vacío . Por lo tanto, se deben evitar las fugas de aire no condensable en el circuito cerrado.

Normalmente, el agua de refrigeración hace que el vapor se condense a una temperatura de unos 25 °C (77 °F), lo que crea una presión absoluta en el condensador de unos 2–7  kPa (0,59–2,07  inHg ), es decir, un vacío de unos −95 kPa (−28 inHg) en relación con la presión atmosférica. La gran disminución de volumen que se produce cuando el vapor de agua se condensa en líquido crea el vacío que generalmente aumenta la eficiencia de las turbinas.

El factor limitante es la temperatura del agua de refrigeración y ésta, a su vez, está limitada por las condiciones climáticas medias predominantes en la ubicación de la central eléctrica (puede ser posible reducir la temperatura más allá de los límites de la turbina durante el invierno, lo que provoca una condensación excesiva en la turbina). Las plantas que operan en climas cálidos pueden tener que reducir la producción si su fuente de agua de refrigeración del condensador se calienta; lamentablemente, esto suele coincidir con períodos de alta demanda eléctrica para el aire acondicionado .

El condensador generalmente utiliza agua de refrigeración circulante de una torre de refrigeración para expulsar el calor residual a la atmósfera, o agua de refrigeración de paso único (OTC) de un río, lago u océano. En los Estados Unidos, aproximadamente dos tercios de las centrales eléctricas utilizan sistemas OTC, que a menudo tienen importantes impactos ambientales adversos. Los impactos incluyen contaminación térmica y la muerte de grandes cantidades de peces y otras especies acuáticas en las tomas de agua de refrigeración . ^{[17] [18]}

El calor absorbido por el agua de refrigeración que circula en los tubos del condensador también debe eliminarse para mantener la capacidad del agua de enfriarse a medida que circula. Esto se hace bombeando el agua caliente del condensador a través de torres de refrigeración de tiro natural, tiro forzado o tiro inducido (como se ve en la imagen adyacente) que reducen la temperatura del agua por evaporación, en aproximadamente 11 a 17 °C (52 a 63 °F), expulsando el calor residual a la atmósfera. El caudal de circulación del agua de refrigeración en una unidad de 500 MW es de aproximadamente 14,2 m ³ /s (500 ft ³ /s o 225.000 galones estadounidenses/min) a plena carga. ^[19]

Los tubos del condensador suelen estar hechos de acero inoxidable u otras aleaciones para resistir la corrosión por ambos lados. Sin embargo, pueden ensuciarse internamente durante el funcionamiento debido a bacterias o algas en el agua de refrigeración o a incrustaciones minerales, todo lo cual inhibe la transferencia de calor y reduce la eficiencia termodinámica . Muchas plantas incluyen un sistema de limpieza automático que hace circular bolas de goma esponjosa por los tubos para limpiarlos sin necesidad de desconectar el sistema. ^{[ cita requerida ]}

El agua de refrigeración que se utiliza para condensar el vapor en el condensador regresa a su origen sin haber sufrido cambios, salvo haber sido calentada. Si el agua vuelve a un cuerpo de agua local (en lugar de a una torre de refrigeración circulante), suele templarse con agua fría "cruda" para evitar un choque térmico cuando se descarga en ese cuerpo de agua.

Otro tipo de sistema de condensación es el condensador enfriado por aire. El proceso es similar al de un radiador y un ventilador. El calor de escape de la sección de baja presión de una turbina de vapor pasa por los tubos de condensación, que suelen tener aletas y el aire ambiente se impulsa a través de las aletas con la ayuda de un gran ventilador. El vapor se condensa en agua para reutilizarse en el ciclo agua-vapor. Los condensadores enfriados por aire suelen funcionar a una temperatura más alta que las versiones enfriadas por agua. Si bien se ahorra agua, se reduce la eficiencia del ciclo (lo que da como resultado más dióxido de carbono por megavatio-hora de electricidad).

Desde la parte inferior del condensador, potentes bombas de condensado reciclan el vapor condensado (agua) nuevamente al ciclo agua/vapor.

Los hornos de las centrales eléctricas pueden tener una sección de recalentamiento que contiene tubos calentados por los gases de combustión calientes que salen del exterior de los tubos. El vapor de escape de la turbina de alta presión pasa a través de estos tubos calentados para recolectar más energía antes de accionar las turbinas intermedia y de baja presión.

Se proporcionan ventiladores externos para proporcionar suficiente aire para la combustión. El ventilador de aire primario toma aire de la atmósfera y, primero, calienta el aire en el precalentador de aire para una mejor economía. Luego, el aire primario pasa a través de los pulverizadores de carbón y lleva el polvo de carbón a los quemadores para su inyección en el horno. El ventilador de aire secundario toma aire de la atmósfera y, primero, calienta el aire en el precalentador de aire para una mejor economía. El aire secundario se mezcla con el flujo de carbón/aire primario en los quemadores.

El ventilador de tiro inducido ayuda al ventilador FD extrayendo los gases combustibles del horno, manteniendo la presión ligeramente por debajo de la atmosférica en el horno para evitar fugas de productos de combustión de la carcasa de la caldera.

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Un generador de turbina de vapor consta de una serie de turbinas de vapor interconectadas entre sí y un generador en un eje común.

Generalmente hay una turbina de alta presión en un extremo, seguida de una turbina de presión intermedia y, finalmente, una, dos o tres turbinas de baja presión y el eje que se conecta al generador. A medida que el vapor se mueve a través del sistema y pierde presión y energía térmica, se expande en volumen, lo que requiere un diámetro cada vez mayor y aspas más largas en cada etapa sucesiva para extraer la energía restante. La masa giratoria completa puede superar las 200 toneladas métricas y medir 30 m (100 pies) de largo. Es tan pesada que debe mantenerse girando lentamente incluso cuando está apagada (a 3 rpm ) para que el eje no se doble ni un poco y se desequilibre. Esto es tan importante que es una de las seis funciones de las baterías de energía de emergencia en caso de apagón en el sitio. (Las otras cinco son iluminación de emergencia , comunicación , alarmas de la estación, sistema de sellado de hidrógeno del generador y aceite lubricante del turbogenerador).

En una central eléctrica típica de finales del siglo XX, el vapor sobrecalentado de la caldera se envía a través de tuberías de 14 a 16 pulgadas de diámetro (360 a 410 mm) a 2400 psi (17 MPa; 160 atm) y 1000 °F (540 °C) a la turbina de alta presión, donde cae en presión a 600 psi (4,1 MPa; 41 atm) y a 600 °F (320 °C) en temperatura a través de la etapa. Sale a través de líneas de recalentamiento en frío de 24 a 26 pulgadas de diámetro (610 a 660 mm) y pasa de nuevo a la caldera, donde el vapor se recalienta en tubos colgantes de recalentamiento especiales de nuevo a 1000 °F (540 °C). El vapor de recalentamiento caliente se conduce a la turbina de presión intermedia, donde disminuye tanto la temperatura como la presión y sale directamente a las turbinas de baja presión de palas largas y finalmente sale al condensador. ^{[ cita requerida ]}

El generador, que mide normalmente unos 9 m de largo y 3,7 m de diámetro, contiene un estator estacionario y un rotor giratorio , cada uno de los cuales contiene kilómetros de conductor de cobre pesado . Generalmente no hay imán permanente , lo que evita los arranques en negro . En funcionamiento, genera hasta 21.000 amperios a 24.000 voltios de CA (504 MWe) mientras gira a 3.000 o 3.600 rpm , sincronizado con la red eléctrica . El rotor gira en una cámara sellada enfriada con gas hidrógeno , seleccionado porque tiene el coeficiente de transferencia de calor más alto conocido de todos los gases y por su baja viscosidad , lo que reduce las pérdidas por efecto del viento . Este sistema requiere un manejo especial durante el arranque, con el aire en la cámara primero desplazado por dióxido de carbono antes de llenarse con hidrógeno. Esto garantiza que no se cree un entorno de hidrógeno y oxígeno altamente explosivo .

La frecuencia de la red eléctrica es de 60 Hz en América del Norte y de 50 Hz en Europa , Oceanía , Asia ( Corea y partes de Japón son excepciones notables) y partes de África . La frecuencia deseada afecta el diseño de turbinas grandes, ya que están altamente optimizadas para una velocidad particular.

La electricidad fluye a un patio de distribución donde los transformadores aumentan el voltaje para su transmisión a su destino.

Los generadores accionados por turbinas de vapor cuentan con sistemas auxiliares que les permiten trabajar de forma satisfactoria y segura. El generador de turbina de vapor, al ser un equipo rotativo, generalmente tiene un eje pesado y de gran diámetro. Por lo tanto, el eje no solo requiere soportes, sino que también debe mantenerse en posición durante el funcionamiento. Para minimizar la resistencia por fricción a la rotación, el eje tiene una serie de cojinetes . Las carcasas de los cojinetes, en las que gira el eje, están revestidas con un material de baja fricción como el metal Babbitt . Se proporciona lubricación con aceite para reducir aún más la fricción entre el eje y la superficie del cojinete y limitar el calor generado.

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A medida que el gas de combustión sale de la caldera, pasa por una cesta plana giratoria de malla metálica que recoge el calor y lo devuelve al aire fresco entrante a medida que la cesta gira. Esto se llama precalentador de aire . El gas que sale de la caldera está cargado de cenizas volantes , que son pequeñas partículas esféricas de ceniza. El gas de combustión contiene nitrógeno junto con productos de combustión dióxido de carbono , dióxido de azufre y óxidos de nitrógeno . Las cenizas volantes se eliminan mediante filtros de bolsas de tela en casas de mangas o precipitadores electrostáticos . Una vez eliminados, el subproducto de cenizas volantes a veces se puede utilizar en la fabricación de hormigón . Sin embargo, esta limpieza de los gases de combustión solo se produce en plantas que están equipadas con la tecnología adecuada. Aún así, la mayoría de las centrales eléctricas de carbón en el mundo no tienen estas instalaciones. ^{[ cita requerida ]} La legislación en Europa ha sido eficiente para reducir la contaminación por gases de combustión. Japón ha estado utilizando tecnología de limpieza de gases de combustión durante más de 30 años y Estados Unidos ha estado haciendo lo mismo durante más de 25 años. China ahora está empezando a lidiar con la contaminación causada por las centrales eléctricas de carbón.

Cuando la ley lo exige, los contaminantes de óxido de azufre y nitrógeno se eliminan mediante depuradores de gases de chimenea que utilizan piedra caliza pulverizada u otra suspensión húmeda alcalina para eliminar esos contaminantes del gas de chimenea de salida. Otros dispositivos utilizan catalizadores para eliminar los compuestos de óxido nitroso de la corriente de gas de combustión. El gas que sube por la chimenea de gases de combustión puede haber descendido en ese momento a unos 50 °C (120 °F). Una chimenea de gases de combustión típica puede tener entre 150 y 180 metros (490 y 590 pies) de altura para dispersar los componentes restantes de los gases de combustión en la atmósfera. La chimenea de gases de combustión más alta del mundo tiene 419,7 metros (1.377 pies) de altura y se encuentra en la central eléctrica Ekibastuz GRES-2 en Kazajstán .

En los Estados Unidos y en otros países, se requieren estudios de modelado de dispersión atmosférica ^[20] para determinar la altura de la chimenea de gases de combustión necesaria para cumplir con las regulaciones locales sobre contaminación del aire . Los Estados Unidos también requieren que la altura de una chimenea de gases de combustión cumpla con lo que se conoce como la altura de chimenea de " buenas prácticas de ingeniería " (GEP). ^{[21] [22]} En el caso de chimeneas de gases de combustión existentes que excedan la altura de chimenea de GEP, cualquier estudio de modelado de dispersión de contaminación del aire para dichas chimeneas debe utilizar la altura de chimenea de GEP en lugar de la altura de chimenea real.

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Dado que hay una extracción continua de vapor y un retorno continuo de condensado a la caldera, las pérdidas debidas a purgas y fugas deben compensarse para mantener un nivel de agua deseado en el tambor de vapor de la caldera. Para ello, se añade agua de reposición continua al sistema de agua de la caldera. Las impurezas en el agua bruta que entra a la planta generalmente consisten en sales de calcio y magnesio que imparten dureza al agua. La dureza en el agua de reposición a la caldera formará depósitos en las superficies del agua de los tubos que provocarán un sobrecalentamiento y fallas en los tubos. Por lo tanto, las sales deben eliminarse del agua, y eso se hace mediante una planta de tratamiento desmineralizador de agua (DM). Una planta DM generalmente consta de intercambiadores de cationes, aniones y lecho mixto. Cualquier ion en el agua final de este proceso consiste esencialmente en iones de hidrógeno e iones de hidróxido, que se recombinan para formar agua pura. El agua DM muy pura se vuelve altamente corrosiva una vez que absorbe oxígeno de la atmósfera debido a su altísima afinidad por el oxígeno.

La capacidad de la planta de DM está determinada por el tipo y la cantidad de sales en la entrada de agua cruda. Sin embargo, es esencial algún almacenamiento ya que la planta de DM puede estar fuera de servicio por mantenimiento. Para este propósito, se instala un tanque de almacenamiento del cual se extrae continuamente agua desmineralizada para reponer la caldera. El tanque de almacenamiento para agua desmineralizada está hecho de materiales que no se ven afectados por el agua corrosiva, como el PVC . Las tuberías y válvulas son generalmente de acero inoxidable. A veces, se proporciona un dispositivo de protección de vapor o un flotador de rosquilla de acero inoxidable en la parte superior del agua en el tanque para evitar el contacto con el aire. El agua desmineralizada de reposición generalmente se agrega en el espacio de vapor del condensador de superficie (es decir, el lado de vacío). Este dispositivo no solo rocía el agua, sino que también se desairea el agua desmineralizada, y los gases disueltos se eliminan mediante un desaireador a través de un eyector conectado al condensador.

En las centrales eléctricas de carbón, el carbón de alimentación en bruto procedente del área de almacenamiento de carbón se tritura primero en trozos pequeños y luego se transporta a las tolvas de alimentación de carbón en las calderas. A continuación, el carbón se pulveriza hasta convertirlo en un polvo muy fino. Los pulverizadores pueden ser molinos de bolas , molinos de tambor giratorio u otros tipos de molinos.

Algunas centrales eléctricas queman fueloil en lugar de carbón. El fueloil debe mantenerse caliente (por encima de su punto de fluidez ) en los tanques de almacenamiento de fueloil para evitar que se solidifique y se vuelva inbombeable. El fueloil se suele calentar a unos 100 °C antes de bombearse a través de las boquillas de pulverización de fueloil del horno.

En algunas centrales eléctricas, las calderas utilizan gas natural procesado como combustible principal. En otras centrales eléctricas, el gas natural procesado puede utilizarse como combustible auxiliar en caso de que se interrumpa el suministro de combustible principal (carbón o petróleo). En tales casos, se instalan quemadores de gas independientes en los hornos de las calderas.

El mecanismo de bloqueo (o "engranaje de giro") es el mecanismo que se utiliza para hacer girar el eje del generador de turbina a una velocidad muy baja después de que la unidad se detiene. Una vez que la unidad se "activa" (es decir, se cierra la válvula de entrada de vapor), la turbina se desvía hacia la parada total. Cuando se detiene por completo, el eje de la turbina tiende a desviarse o doblarse si se le permite permanecer en una posición durante demasiado tiempo. Esto se debe a que el calor dentro de la carcasa de la turbina tiende a concentrarse en la mitad superior de la carcasa, lo que hace que la mitad superior del eje esté más caliente que la mitad inferior. Por lo tanto, el eje podría deformarse o doblarse en millonésimas de pulgada.

Esta pequeña desviación del eje, que sólo se puede detectar con medidores de excentricidad, sería suficiente para provocar vibraciones perjudiciales en toda la unidad generadora de turbina de vapor cuando se vuelva a poner en marcha. Por lo tanto, el eje gira automáticamente a baja velocidad (aproximadamente un uno por ciento de la velocidad nominal) mediante el engranaje de bloqueo hasta que se haya enfriado lo suficiente para permitir una parada completa.

Se utiliza una bomba del sistema de aceite auxiliar para suministrar aceite ^{[ aclaración necesaria ]} al poner en marcha el generador de turbina de vapor. Suministra el sistema de aceite hidráulico necesario para la válvula de cierre de vapor de entrada principal de la turbina de vapor, las válvulas de control de dirección, los sistemas de aceite de los cojinetes y sellos, los relés hidráulicos pertinentes y otros mecanismos.

A una velocidad predeterminada de la turbina durante el arranque, una bomba accionada por el eje principal de la turbina asume las funciones del sistema auxiliar. ^{[ cita requerida ]}

Si bien los generadores pequeños pueden enfriarse con aire aspirado a través de filtros en la entrada, las unidades más grandes generalmente requieren sistemas de enfriamiento especiales. El enfriamiento con gas hidrógeno , en una carcasa sellada con aceite, se utiliza porque tiene el coeficiente de transferencia de calor más alto conocido de todos los gases y por su baja viscosidad , que reduce las pérdidas por efecto del viento . Este sistema requiere un manejo especial durante el arranque, ya que el aire en la carcasa del generador primero se desplaza con dióxido de carbono antes de llenarse con hidrógeno. Esto garantiza que el hidrógeno altamente inflamable no se mezcle con el oxígeno del aire.

La presión del hidrógeno dentro de la carcasa se mantiene ligeramente más alta que la presión atmosférica para evitar la entrada de aire exterior, y hasta una presión de aproximadamente dos atmósferas para mejorar la capacidad de transferencia de calor. El hidrógeno debe estar sellado contra fugas hacia el exterior en el punto donde el eje emerge de la carcasa. Los sellos mecánicos alrededor del eje se instalan con un espacio anular muy pequeño para evitar el roce entre el eje y los sellos en turbinas más pequeñas, con sellos de tipo laberinto en máquinas más grandes. Se utiliza aceite de sellado para evitar la fuga de gas hidrógeno a la atmósfera.

El generador también utiliza refrigeración por agua. Dado que las bobinas del generador están a un potencial de aproximadamente 22 kV , se utiliza una barrera aislante, como el teflón, para interconectar la línea de agua y los devanados de alta tensión del generador. Se utiliza agua desmineralizada de baja conductividad.

La tensión de los generadores modernos conectados a la red eléctrica varía de 11 kV en las unidades más pequeñas a 30 kV en las unidades más grandes. Los cables de alta tensión del generador suelen ser grandes canales de aluminio debido a su alta corriente en comparación con los cables utilizados en máquinas más pequeñas. Están encerrados en conductos de barras de aluminio bien puestos a tierra y se apoyan en aisladores adecuados. Los cables de alta tensión del generador se conectan a transformadores elevadores para conectarlos a una subestación eléctrica de alta tensión (normalmente en el rango de 115 kV a 765 kV) para su posterior transmisión por la red eléctrica local.

Los conductores de alta tensión están equipados con los dispositivos de protección y medición necesarios . De esta forma, el generador de turbina de vapor y el transformador forman una sola unidad. Las unidades más pequeñas pueden compartir un transformador elevador común para el generador con disyuntores individuales para conectar los generadores a un bus común.

La mayoría de los controles operativos de las centrales eléctricas son automáticos. Sin embargo, en ocasiones puede ser necesaria la intervención manual. Por ello, la planta está dotada de monitores y sistemas de alarma que alertan a los operadores de la misma cuando determinados parámetros operativos se desvían gravemente de su rango normal.

Se proporciona un sistema de batería central que consta de unidades de celdas de plomo-ácido para suministrar energía eléctrica de emergencia, cuando sea necesario, a elementos esenciales como los sistemas de control de la central eléctrica, los sistemas de comunicación, el sistema de sellado de hidrógeno del generador, las bombas de aceite lubricante de la turbina y la iluminación de emergencia. Esto es esencial para un apagado seguro y sin daños de las unidades en una situación de emergencia.

Para disipar la carga térmica del vapor de escape de la turbina principal, el condensado del condensador de vapor de glándula y el condensado del calentador de baja presión proporcionando un suministro continuo de agua de enfriamiento al condensador principal, lo que genera condensación.

Se estima que el consumo de agua de refrigeración por parte de las centrales eléctricas continentales reducirá la disponibilidad de energía para la mayoría de las centrales térmicas entre 2040 y 2069. ^[23]

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