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• Hugo Petit

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL “FRANCISCO DE MIRANDA” NÚCLEO EL SABINO AREA DE TÉCNOLOGÍA GENERACIÓN DE POTENCIA

Centrales Térmicas de Vapor

INTEGRANTES: Petit, Hugo C.I 18.271.417

Introducción. La diversificación y masificación de la energía, siempre ha tenido un lugar en las mesas de diseño, ya que conseguir la manera en solventar la demanda energética, y no solo eso, si no optimizarla ha sido la base de muchas teorías energéticas.

Las turbinas de vapor, desde su aparición en 175 A.C, ha tenido muchos diseños que la han convertido en el corazón de un sistema de abastecimiento de energía, a pesar de que hay muchos tipos de turbina que utilizan otros tipos de combustibles, las turbinas a vapor son más económicas aunque no tengan el mismo rendimiento, y a pesar de esto, siguen siendo inversiones de masificación de energía bastante factibles.

Mejorar los equipos dentro de las plantas termoeléctricas de vapor suponen muchos retos a nivel de ingeniería, pero para esto, el entender el proceso de los equipos y el comportamiento del fluido de trabajo son esenciales, y mientras no se descubra la manera de tener una energía autosustentable, limpia y renovable, el vapor será una alternativa energética muy viable.

¿Qué es una central térmica? En las centrales térmicas convencionales (o termoeléctricas convencionales) se produce electricidad a partir de combustibles fósiles como carbón, fueloil o gas natural, mediante un ciclo termodinámico de agua-vapor. El término ‘convencionales’ sirve para diferenciarlas de otras centrales térmicas, como las nucleares o las de ciclo combinado.

Componentes principales de una central térmica

COMPONENTES DE UNA CENTRAL

CARACTERÍSTICAS – FUNCION

TERMICA

En él tienen lugar las siguientes conversiones de energía: 

Energía calorífica del vapor a energía cinética en las toberas de la turbina.



Energía cinética del vapor a energía mecánica en los álabes, la que se recoge en la flecha de la

TURBOGENERADOR

turbina. 

Energía mecánica o energía eléctrica, de la flecha al embobinado del generador.

El término de generador de vapor o caldera se aplica normalmente a un dispositivo que genera vapor para producir energía, para procesos o dispositivos de calentamiento. Las calderas se diseñan para transmitir calor de una fuente externa de combustión a un fluido GENERADOR DE VAPOR

(agua) contenido dentro de ella La caldera está compuesta por equipos como ventiladores de aire y gases, precalentadores de aire, ductos, chimenea, economizador, domo, hogar, sobrecalentador, recalentador, quemadores, accesorios, instrumentos, etc.

La condensación el vapor de escape de la turbina y CONDENSADOR

drenes se efectúa en el condensador , además de la extracción de algunos gases inconfensables. Las torres de enfriamiento son dispositivos de enfriamiento artificial de agua. Se clasifican como cambiadores de calor entre un volumen en circuito cerrado de agua y aire atmosférico. Básicamente las torres de enfriamiento son

TORRE DE ENFRIAMIENTO

cambiadores de calor de mezcla, efectuando la transmisión de calor por cambio de sustancia y convección entre los medios. El agua cede calor al aire sobre todo por evaporación, lo hace también por convección, pero en forma secundaria.

De acuerdo con el mecanismo que mueve el flujo, las bombas se clasifican en: 

BOMBAS

 

centrífugas rotatorias alternativas

Después de la resistencia de los materiales, los problemas que involucran flujo de calor son los más importantes en la ingeniería. el calor se transfiere mediante aparatos llamados

CAMBIADOR DE CALOR

cambiadores de calor; los principales de éstos equipos, son los siguientes: 

calentadores de agua de alimentación 

calentadores de combustible



generador de vapor / vapor 

evaporadores



enfriadores de agua



enfriadores de aceite



enfriadores de hidrógeno 

condensador

Los códigos o normas sobre diseño de recipientes o tanques tienen como objeto principal que la fabricación se haga con la seguridad requerida a una economía razonable. Todos los tanques estarán provistos con los aditamentos necesarios para cumplir con su funcionamiento y los reglamentos de seguridad; Usos de los tanques 

TANQUES

Almacenamiento de condensado



Servicio diario de aceite combustible



Almacenamiento de aceite combustible



Almacenamiento de agua desmineralizada o evaporada 

Almacenamiento de agua cruda 

Servicio de aceite ligero

Tanque para columna de agua de enfriamiento 

Tanque de mezcla de sustancias químicas  

Drenes limpios fríos Tanque de purgas (blow off tank)

El aire comprimido se utiliza en las plantas termoeléctricas para instrumentos, control, servicio,

COMPRESORES DE AIRE

sopladores de la caldera y subestación eléctrica. La alimentación de agua a la caldera constituye, desde el punto de vista químico, uno de los principales problemas de operación: influencia en la confiabilidad decisiva. En las plantas termoeléctricas, la alimentación a la caldera es principalmente de condensado de la turbina (alrededor de 95 a 99%); las pérdidas por purgas, fugas de vapor y

TRATAMIENTO Y MONITOREO DE

condensado, atomización de combustible, etc., deben

AGUA

compensarse con agua de repuesto cuyo volumen varía de 1 a 5%. El agua de repuesto proviene de fuentes naturales de superficie o pozos profundos; en ninguno de los dos casos se encuentra en estado puro.

La aplicación de tuberías en plantas termoeléctricas y nucleares, refinerías y plantas químicas, etc., se basa normalmente en idénticas ( o muy similares) consideraciones de diseño. En su construcción se usan materiales de las mismas propiedades físicas y TUBERÍAS Y AISLAMIENTO

mecánicas, composición química y estructura metalúrgica; los procesos de fabricación como doblado, formado, soldado y tratamiento térmico involucran procedimientos idénticos que no dependen de la aplicación, sino de la calidad final deseada.

Funcionamiento de una central térmica El

funcionamiento

de

las

centrales

termoeléctricas

convencionales

es

el

mismo independientemente del combustible que se utilice. Sin embargo, sí hay diferencias en el tratamiento previo que se hace al combustible y del diseño de los quemadores de las calderas de las centrales. 

Centrales de carbón. Donde el combustible debe ser triturado previamente.



Centrales de fueloil. Donde el combustible se calienta para una utilización más fácil.



Centrales de gas natural. Que no precisa almacenaje, llegando así directamente por gaseoductos.



Centrales mixtas. Que pueden utilizar diferentes combustibles, siendo necesarios los tratamientos previos anteriormente citados. Una vez el combustible está en la caldera, se quema. Esto provoca que se produzca energía

calorífica que se utilizará para calentar agua y así transformarla en vapor a una presión muy elevada. A partir de este vapor se hace girar una turbina y un alternador para que este produzca electricidad. a electricidad generada pasa por un transformador para aumentar su tensión y así transportarla reduciendo las pérdidas por Efecto Joule. El vapor que sale de la turbina se envía a un elemento llamado condensador para convertirlo en agua y así retornarlo a la caldera para empezar un nuevo ciclo de producción de vapor.

En el siguiente juego interactivo puedes conocer de una manera más gráfica el funcionamiento de una central térmica convencional.

Impactos medioambientales de las centrales térmicas La incidencia de este tipo de centrales sobre el medio ambiente se produce de dos maneras básicas: 

Emisión de residuos a la atmósfera

Este tipo de residuos provienen de la combustión de los combustibles fósiles que utilizan las centrales térmicas convencionales para funcionar y producir electricidad. Esta combustión genera partículas que van a parar a la atmósfera, pudiendo perjudicar el entorno del planeta. Por eso, las centrales térmicas convencionales disponen de chimeneas de gran altura que dispersan estas partículas y reducen, localmente, su influencia negativa en el aire. Además, las centrales termoeléctricas disponen de filtros de partículas que retienen una gran parte de estas, evitando que salgan al exterior. 

Transferencia térmica

Algunas centrales térmicas (las denominadas de ciclo abierto) pueden provocar el calentamiento de las aguas del río o del mar. Este tipo de impactos en el medio se solucionan con la utilización de sistemas de refrigeración, cuya tarea principal es enfriar el agua a temperaturas parecidas a las normales para el medio ambiente y así evitar su calentamiento.

Costos De acuerdo con los planes de expansión del sector eléctrico, la mínima capacidad de la planta térmica que se está instalando en un 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 CENTRAL NUCLEAR PARÁMETROS COMBUSTIBLE

CENTRAL TERMICA Combustibles fósiles: gas, carbón, fuel- oil.

CENTRAL HIDROELECTRICA Energías renovables:

Energía nuclear:

Hidráulica

fisión, fusión Calderas EQUIPOS

Turbinas Reactor

Turbinas de vapor y gas

nuclear

Generador

Carbón- gasTurbinas de

fuel oil Condensador Generador

Agua

vapor Uranio –

plutonio Generador TIEMPO DE

6 meses a 1 año

1 a 4 años

INSTALACIÓN FUENTE DE

5 a 10 años No renovable

ENERGIA COSTOS

No renovable 150 millones de

CONVENIENCIA ECONOMICA

N DE ENERGIA

Esta alrededor de

240 millones de

1000 US$/kW, 3.5

dólares

dólares. Menor consumo

USc/kWh Mayor consumo de divisas,

Menor consumo de

de divisas, menor

mayores costos en

divisas, menor

tendencia tecnológica,

PRODUCCIÓ

Renovable

tecnología, menor factor de empleo remplazando la

tendencia tecnológica,

mayor factor

mano de obra por

mayor factor de

de empleo.

máquinas.

empleo.

El vapor se genera por

El calor se produce por la

Utilizan la fuerza

la combustión del

fisión nuclear en un reactor.

y velocidad del agua

carbón o de derivados

corriente para hacer

ELECTRICA

del petróleo. Corto tiempo de

girar las turbinas.

VENTAJAS

construcción

Uno de los materiales

No contamina: el aire, ni

No dependen del clima

utilizados para su

agua, ya que no se

Costos de inversión

desintegración es el uranio,

requiere combustible

menores que en la

del cual quedan aún grandes

alguno.

hidroeléctricas lo que

reservas.

Costos de

favorece su

La tecnología empleada está

mantenimiento bajos.

construcción y entrada

muy desarrollada y tiene una

en funcionamiento.

gran productividad, ya que

Facilidad de transporte

con cantidades mínimas de

del combustible

sustancia se obtiene una

orgánico desde el

gran cantidad de energía.

lugar de su extracción

Generan energía eléctrica

hasta la central

limpia ya que no se produce

térmica.

emanación al

Progreso técnico lo

medio ambiente de gases de

que permitió diseñar

combustión causantes de

grandes unidades

la lluvia ácida.

generadoras (grandes módulos) con mejores rendimientos que las unidades pequeñas o medianas. Como resultado del

Uno de los mayores

Inundaciones grandes

procesamiento del

problemas es la posibilidad

de tierras

carbón, fue- oil y gas,

de una fuga radioactiva en

fértiles. Deforestación.

DESVENTAJA

éstas centrales son

caso de accidente, lo que

Migración forzada de

S

importantes fuentes

provocaría cuantiosos daños

poblaciones aledañas.

emisoras de agentes

humanos y materiales.

Mayor tiempo de

contaminantes,

Otro problema son los

construcción en

calor, ruido y

residuos radioactivos que

comparación con las

vibraciones.

genera, de difícil y

Centrales Térmicas.

La peor desventaja es

costoso almacenamiento y

el terrible impacto

que resultan muy peligrosos

ambiental que

a corto y largo plazo.

produce, ya que emite

También es muy alto el coste

gases que provocan

de las instalaciones y su

tanto el efecto

mantenimiento.

invernadero como la lluvia ácida. En el caso del petróleo es preocupante su vertido al mar cuando se transporta, ya que crea las famosas CAPACIDAD DE

mareas negras. Gas natural Hidraulica 2,57

9,7 KW-h/ m3

GENERACIO

Uranio 115 KW- h/

N

Carbon 2,4 KW- h/ Kg

EFICIENCIA

Fuel- oil 2,9 KW- h/ Kg Gas natural

DE LA CONVERSIO N Kg O m3 DE

KW- h/m3

Kg

Hidráulica 80%

40% Carbón 40% Fuel- oil 40% Gas natural 0,416

Uranio 30%

COMBUSTIBL

m3 /KW –h

E QUE SE

Carbón de 0,336 a

NECESITAN

0,850 Kg / KW- h

PARA

Diesel / fuel de 0,362 a

GENERAR 1

0,309 Kg / KW- h

Uranio 8,69 x 10-3 Kg / KW -

Hidráulica 0,389 m3 /

h

KW- h

KW Los efectos ambientales de una IMPACTO AMBIENTAL

central térmica

Los materiales radioactivos

Gran impacto ambiental

provienen del proceso

emiten radiación ionizante

No contaminan el

de combustión, así

penetrante que puede dañar

ambiente.

como de las emisiones

los tejidos vivos.

de polvo y gases

El gas radón radioactivo es

contaminantes. En

un contaminante frecuente

general los efectos

en las minas subterráneas

ambientales -por

de uranio.

ejemplo, emisiones contaminantes, ocupación de espacio por la central y volumen de residuos aumentan en el orden siguiente: gas, fuel oil ligero, fuel oil pesado y combustión de carbón.

Conclusión. La energía, su descripción y su utilización son siempre un tema latente en nuestra sociedad, a punto de que se ha vuelto una parte fundamental. La misma sociedad es la que esta consiente de su utilización y su preservación, y a pesar de que esto pueda significar dolores de cabezas para las industrias, crean campañas de concientización para su buena utilización. Pero además, también nos ponemos como reto la indagación en las energías existentes para sustentar a la población mundial. Las plantas termoeléctricas de vapor, siguen en vigencia porque a pesar de que puede tener impactos ambientales serios, es la manera más económica y viable para abastecer ciudades. Esto nos abre a las posibilidades de seguir utilizando las plantas de vapor durante muchos años más, y rediseñando para poder bajar el impacto ecológico de estas, pero no solo en las plantas de vapor, también en las demás, que a pesar de que son más efectivas, tienen repercusiones más serias, y es trabajo de los ingenieros de que esto cambie tanto a una medida científica como de manera social.