CENTRALES TERMOELCTRICAS
Se denominan centrales termoeléctricas clásicas o convencionales aquellas centrales que producen energía eléctrica a partir de la combustión de carbón, fuelóil o gas en una caldera diseñada al efecto. El apelativo de "clásicas" o "convencionales" sirve para diferenciarlas de otros tipos de centrales termoeléctricas (nucleares y solares, por ejemplo), las cuales generan electricidad a partir de un ciclo termodinámico, pero mediante fuentes energéticas distintas de los combustibles fósiles empleados en la producción de energía eléctrica desde hace décadas y, sobre todo, con tecnologías diferentes y mucho mas recientes que las de las centrales termoeléctricas clásicas.
Independientemente de cuál sea el combustible fósil que utilicen (fuel-oil, carbón o gas), el esquema de funcionamiento de todas las centrales termoeléctricas clásicas es prácticamente el mismo. Las únicas diferencias consisten en el distinto tratamiento previo que sufre el combustible antes de ser inyectado en la caldera y en el diseño de los quemadores de la misma, que varían según sea el tipo de combustible empleado.
Una central termoeléctrica clásica posee, dentro del propio recinto de la planta, sistemas de almacenamiento del combustible que utiliza (parque de carbón, depósitos de fuel-oil) para asegurar que se dispone permanentemente de una adecuada cantidad de éste. Si se trata de una central termoeléctrica de carbón (hulla, antracita, lignito,...) es previamente triturado en molinos pulverizadores hasta quedar convertido en un polvo muy fino para facilitar su combustión. De los molinos es enviado a la caldera de la central mediante chorro de aire precalentado.
Si es una central termoeléctrica de fuel-oil, éste es precalentado para que fluidifique, siendo inyectado posteriormente en quemadores adecuados a este tipo de combustible.
Si es una central termoeléctrica de gas los quemadores están asimismo concebidos especialmente para quemar dicho combustible.
1. Cinta transportadora
2. Tolva
3. Molino
4. Caldera
5. Cenizas
6. Sobrecalentador (intercambiadores de calor)
7. Recalentador (intercambiadores de calor)
8. Economizador
9. Calentador de aire (intercambiadores de calor)
10. Precipitador
11. Chimenea
12. Turbina de alta presión
13. Turbina de media presión
14. Turbina de baja presión
15. Condensador
16. Calentadores (intercambiadores de calor)
17. Torre de refrigeración
18. Transformadores
19. Generador
20. Línea de transporte de energía eléctrica
Principales Componentes de una Central Térmica
Turbinas de vapor :
Las turbinas de vapor y gas, a pesar de usar fluidos de trabajo muy diferentes, tienen muchos puntos comunes de diseño, construcción y operación. Las mayores diferencias están en las presiones y temperaturas de trabajo de estas máquinas. Para turbinas a vapor, la temperatura máxima está hoy limitada a unos 540 a 600ºC. En las turbinas de gas en cambio, la temperatura de ingreso de los gases a la turbina es de unos 1000ºC para las de uso industrial y hasta unos 1300ºC para turbinas a gas de uso aeronáutico y alta performance. Las presiones máximas son de unos 35 MPa para turbinas a vapor (350 bar), y entre 4 y 2 MPa para turbinas a gas. El tener altas presiones de admisión requiere una construcción robusta para las turbinas de vapor, en cambio las turbinas de gas son de construcción mas liviana.
Torres de Enfriamiento :
En las torres de enfriamiento se consigue disminuir la temperatura del agua caliente que proviene de un circuito de refrigeración mediante la transferencia de calor y materia al aire que circula por el interior de la torre. A fin de mejorar el contacto aire-agua, se utiliza un entramado denominado "relleno". El agua entra en la torre por la parte superior y se distribuye uniformemente sobre el relleno utilizando pulverizadores. De esta forma, se consigue un contacto óptimo entre el agua y el aire atmosférico.
Quemador:
Es el encargado de evaporar el agua que circula por la caldera. La estructura del quemador varía según el combustible que utiliza la central (carbón, gas o fuel-oil).
Intercambiador de calor:
Es el encargado de calentar el fuel-oil antes de ser inyectados en la caldera para la combustión.
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO
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.
Una vez en la caldera, los quemadores provocan la combustión del carbón, fuel-oil o gas, generando energía calorífica. Esta convierte a su vez, en vapor a alta temperatura el agua que circula por una extensa red formada por miles de tubos que tapizan las paredes de la caldera.
Este vapor entra a gran presión en la turbina de la central, la cual consta de tres cuerpos -de alta, media y baja presión, respectivamente- unidos por un mismo eje.
En el primer cuerpo (alta presión) hay centenares de álabes o paletas de pequeño tamaño. El cuerpo a media presión posee asimismo centenares de álabes pero de mayor tamaño que los anteriores. El de baja presión, por último, tiene álabes aún más grandes que los precedentes. El objetivo de esta triple disposición es aprovechar al máximo la fuerza del vapor, ya que este va perdiendo presión progresivamente, por lo cual los álabes de la turbina se hacen de mayor tamaño cuando se pasa de un cuerpo a otro de la misma., Hay que advertir, por otro lado, que este vapor, antes de entrar en la turbina, ha de ser cuidadosamente deshumidificado. En caso contrario, las pequeñísimas gotas de agua en suspensión que transportaría serían lanzadas a gran velocidad contra los álabes, actuando como si fueran proyectiles y erosionando las paletas hasta dejarlas inservibles.
El vapor de agua a presión, por lo tanto, hace girar los álabes de la turbina generando energía mecanica. A su vez, el eje que une a los tres cuerpos de la turbina (de alta, media y baja presión) hace girar al mismo tiempo a un alternador unido a ella, produciendo así energía eléctrica. Esta es vertida a la red de transporte a alta tensión mediante la acción de un transformador.
Figura 2. Proceso de la planta termoeléctrica.
Por su parte, el vapor -debilitada ya su presión- es enviado a unos condensadores. Allí es enfriado y convertido de nuevo en agua. Esta es conducida otra vez a los tubos que tapizan las paredes de la caldera, con lo cual el ciclo productivo puede volver a iniciarse.
Para minimizar los efectos de la combustión de carbón sobre el medio ambiente, la central posee una chimenea de gran altura -las hay de más de 300 metros-, que dispersa los contaminantes en las capas altas de la atmósfera, y precipitadores (que retienen buena parte de los mismos en el interior de la propia central.)
En la central típica se distinguen siempre cinco circuitos, cuya combustión permite la transformación de energía térmica del combustible en la energía eléctrica.
Estos circuitos son:
Circuito del combustible
Este circuito difiere sobre todo en su primera parte según el tipo de combustible utilizado, carbón, fuel-oil, gas, etc. Consideramos ahora una central como combustible de carbón pulverizado.
Transporte del combustible: El carbón es descargado en la inmediata cercanía de la sala de calderas. Luego el carbón es secado y llevado sobre cintas transportadoras hasta la casa de trituración, donde una máquina trituradora reduce las dimensiones de los trozos demasiado grandes.
Para eliminar los trozos de hierro que generalmente se mezclan con el carbón durante la extracción y el transporte, el carbón pasa por un separador magnético.
Un sistema de cintas transportadoras lleva el combustible hasta una tolva, ubicada delante de la caldera. Su capacidad es dimensionada de modo de poder alimentar la caldera durante unas horas a plena carga.
Pulverización: Antes de introducirlo en la caldera, se somete el carbón al procesamiento de pulverización, con lo cual se mejora su combustión y se aumenta el rendimiento de la caldera.
Combustión: Del molino pulverizador el carbón reducido a polvo muy fino fluye a los quemadores ubicados en los cuatro rincones o en frente de la caldera.
Transporte de la ceniza: La ceniza cae en la parte inferior de la cámara de combustión, que tiene la forma de embudo, y de ahí deriva a zanjas, donde una corriente de agua la arrastra a un pozo.
Circuito del aire de combustión
El aire de combustión es enviado al hogar de las caldera por medio del ventilador de tiro forzado a través del precalentador de aire que tiene por objeto calentar el aire aprovechando parte del calor que contienen los gases entes de pasar a la chimenea.
Una parte de este aire primario, sirve para secar el carbón en el molino y para la inyección del carbón pulverizado en la cámara de combustión, mientras que la parte restante del aire, llamado aire secundario, se suministra alrededor de los quemadores para lograr un contacto íntimo con las partículas del carbón. Así, se obtiene una combustión rápida y una menor cantidad de productos no quemados.
Circuito del vapor
En la central de condensación, el vapor descargado por la turbina y, es condensado en el condensador a superficie e, por medio del agua de circulación. El condensado es aspirado por la bomba de extracción y conducido al desgasificador después de haber sido calentado en el precalentador. Del tanque el condensado fluye ala bomba de alimentación que manda el agua a la caldera. El agua de alimentación evapora en la caldera y el vapor producido vuelve a la turbina y, completando así el circuito cerrado del agua de alimentación.
Circuito del agua de circulación
La refrigeración de los condensadores exige una cantidad considerable de agua fría. La refrigeración de condensador se efectúa en circuito cerrado. El agua de circulación, que se calienta en el condensador condensando el vapor descargado por la turbina y, es enfriada a su vez en la torre de refrigeración y luego impulsada por la bomba de circulación.
Circuito de la energía eléctrica
El alternador accionado por la turbina, produce la energía eléctrica y la envía por medio de los cables de conexión al transformador elevador instalado en la casa de alta tensión. Después de la elevación de la tensión la energía eléctrica es enviada desde la barras ómnibus a los centros de consumo a través de los cables alimentadores o bien por medio de líneas aéreas
JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN
La problemática que presentan los procesos de calentamiento de fuel-oil utilizado en las calderas de las plantas termoeléctricas se debe a la inconsistencia de la temperatura del combustible al llegar a las calderas. Esto se debe a que si el combustible no llega a la temperatura adecuada, éste va a tardar más en hacer su combustión, y en consecuencia afectará el rendimiento de este ciclo, ocasionando un flujo inadecuado e intermitente para la producción, lo que disminuye la calidad del proceso.
Debido a esta problemática se busca optimizar el proceso del intercambiador de calor, estabilizando los valores de temperatura con que el combustible llega a las calderas, esto se logra implementado un sistema de lazo cerrado que permita mantener la temperatura del combustible en el valor deseado.
POSIBLES SOLUCIONES
Para lograr la mejora en los procesos de las plantas termoeléctricas, específicamente en el proceso de precalentamiento del combustible en el intercambiador de calor, se plantean varias soluciones:
1. Implementación de un sensor de temperatura en el intercambiador de calor: Consiste en colocar un sensor de temperatura en el intercambiador de calor, que permita sensar la temperatura final del combustible que va hacia las calderas. Una vez obtenido el valor del sensor, se compara con un valor de referencia de temperatura predeterminado, y dependiendo del resultado pueden realizarse dos acciones:
- Si el valor de temperatura en el intercambiador es menor al valor de la temperatura de referencia, se procederá al encendido de una alarma y se abrirá la válvula que inyecta el vapor de agua en el intercambiador, para de esa manera incrementar la temperatura del combustible hasta obtener el valor deseado. Posteriormente se cierra la válvula que controla el flujo de vapor de agua y se habilita el mecanismo que lleva el combustible desde el intercambiador hasta las calderas.
- Si el valor de temperatura es mayor al valor de referencia, se procede a abrir la válvula que permite al flujo de combustible llegar a las calderas para ser quemado. En la siguiente grafica se muestra el esquema de esta propuesta implementada en el sistema:
Figura3. Diagrama de bloque de un sitema sencillo
2. Implementación de dos intercambiadores de calor en serie: Esta solución hace uso de dos intercambiadores de calor conectados consecutivamente, es decir, que la salida del primer intercambiador se conecta a la entrada del segundo, y éste por su parte se conecta al sistema de calderas. El proceso se inicia con la colocación del combustible en el primer intercambiador, una vez precalentado la sustancia es sensada a su salida, para obtener el valor de temperatura que posteriormente será comparado con el valor de referencia. El resultado obtenido a través de esta operación, puede generar la realización de dos acciones:
- Si la temperatura del combustible es mayor al valor de referencia, se procede a abrir la válvula que controla el paso del combustible desde el primer intercambiador al sistema de calderas.
- Si por el contrario la temperatura es menor al valor de referencia, se procede a verter el combustible en el segundo intercambiador para que sea calentado nuevamente, una vez realizado el proceso de precalentamiento se abre la válvula que controla el flujo de combustible entre el segundo intercambiador y la caldera. El esquema de la siguiente figura muestra el diseño en donde se implementa esta solución:
Figura 4. Diagrama de Bloque de un sistema en serie
3. Implementación de dos intercambiadores de calor en paralelo: Esta solución consiste en la colocación de dos intercambiadores de calor en paralelo, es decir, que los intercambiadores poseen dos puntos de contacto; uno a la salida de la válvula que controla el suministro del combustible y otro en la entrada del sistema de calderas. El proceso consiste en sensar la temperatura en la entrada del sistema de precalentamiento (constituido por los intercambiadores de calor) y dependiendo del valor obtenido se decide el camino a tomar por el combustible. Existen dos opciones, que son las siguientes:
- Si la temperatura del combustible está por debajo de la temperatura de referencia en un margen muy alto se procede a verter el combustible en el intercambiador de mayor temperatura.
- Si la diferencia está en un rango menor, se procede a pasar el combustible por el intercambiador con menor capacidad de calentamiento. El diagrama de la figura 5, muestra el esquema de montaje de esta alternativa:
Figura 5. Diagrama de bloque de un sistema en paralelo
Ahora bien, todos estas propuestas se basan en un simple control. Este control es a lazo cerrado y consta simplemente en controlar la variable temperatura sensandola en el intercambiador de calor y comparandola con un valor fijo de referencia (set point) para asi poder tomar la decisión de control que sea abrir o cerrar una valvula o otro tipo de medida que se utilice. El diagrama continuacion presenta el esquema básico de un sistema de control a lazo cerrado.
Figura 6. Diagrama de bloques de un sistema de control a lazo cerrado
ANALISIS COMPARATIVO DE POSIBLES SOLUCIONES
Para comparar la eficiencia de las soluciones planteadas anteriormente, se debe tener en cuenta ciertos aspectos. En el siguiente cuadro se presentan individualmente el comportamiento de cada solución, tomando en cuenta el aspecto económico y estructural que implica la implementación de las mismas:
Cuadro 1. Análisis comparativo de las soluciones
Si comparamos las tres posibles soluciones planteadas anteriormente, la primera opción resulta más factible a la hora de efectuar mejoras al sistema, puesto que presenta mejores prestaciones que las soluciones restantes. En el aspecto económico solo hace uso de un sensor y de los componentes que permiten el control de la válvula, por lo que el precio de implementación es relativamente bajo en comparación a las otras que hace uso de un intercambiador de calor adicional más el sistemas de sensado, lo que implica la utilización de una nueva de red de tuberías, que a la larga repercuten en el presupuesto y en el mantenimiento de dicho proceso. Por otra parte, la eficiencia de la solución que se va aplicar debe ser analizada desde el punto de vista de las prestaciones que brinda. La implementación de la primera solución asegura que la temperatura del combustible que entra a las calderas sea igual al valor de referencia. En cambio las dos últimas soluciones no aseguran que la temperatura sea la deseada. En el caso de los intercambiadores en serie, el combustible puede calentarse en exceso y en los intercambiadores en paralelo dependiendo de la temperatura de entrada puede lograr o no el valor de referencia.
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