3.3: Producción de Vapor - Combustible
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3.3 Producción de Vapor - Combustible
El combustible que se ha utilizado como fuente primaria de electricidad desde hace varios años es el carbón. No ha sido la única fuente sino que ha sido beneficiosa para la industria eléctrica porque:
- el carbón ha sido el combustible más barato, sobre una base de dólares por millón de BTU; el gas natural ha sido fuertemente competitivo principalmente en los últimos años;
- en un momento (reciente), 60% de la electricidad estadounidense se generó en plantas de carbón. Ahora ~ 40% del carbón;
- aproximadamente el 80% de la producción de carbón estadounidense se quema en plantas eléctricas.
Sin embargo, la razón principal por la que estamos considerando cambiar del carbón es quemar carbón es uno de los problemas ambientales más desafiantes.
Para propósitos del curso, consideramos la generación de vapor a partir del carbón como la generación de vapor a partir de biomasa; ambos combustibles son bastante similares.
Queremos una alta tasa de liberación de calor, que esté ligada a la tasa de combustión del combustible. Dado que el carbón es un combustible sólido, no se quemará rápidamente si está en trozos. Entonces, la forma de aumentar la tasa de combustión es aumentar la superficie del carbón; la forma de aumentar la superficie es pulverizar el carbón en partículas muy pequeñas. Sin embargo, cuando las partículas de carbón son de tamaño pequeño (algo así como harina), hace que sea difícil de manejar. Es difícil palear algo que sea como polvo o apoyarlo en una rejilla. En cambio, en realidad se sopla en la unidad de caldera con una corriente de aire, que se llama combustión de carbón pulverizado o cocción de suspensión. Este es ahora el estándar para la generación de energía eléctrica, caldera de tubo de agua a fuego de PC abreviada. La quema del carbón produce calor; el calor se usa para hervir el agua a vapor; el vapor se mueve a través de la turbina para moverla; y la turbina gira el generador para producir electricidad (ver Figura 3.4). A través de esta secuencia de transformaciones, la energía potencial química del combustible (carbón en este caso) se convierte en electricidad de alto potencial y alto voltaje para su distribución a los consumidores. Si considera la eficiencia neta desde la pila de carbón hasta el final de la planta, la eficiencia de la planta es de ~ 33%. Las plantas construidas más recientemente pueden estar en el rango medio-alto de los 30, mientras que las plantas más antiguas pueden estar a mediados de los 20.
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford
La Figura 3.4 anterior es una ilustración de una central eléctrica de carbón que opera en un ciclo RANKINE. Un ciclo de vapor Rankine es la forma en que operan la mayoría de las plantas de vapor (la forma más ideal de operar un motor es el ciclo Carnot; el ciclo Rankine es una versión modificada del ciclo Carnot).
Se trata de los siguientes pasos:
- El agua se bombea a entropía constante al Estado 2 y a la caldera.
- El líquido se calienta a presión constante Estado 3 (vapor saturado).
- El vapor se expande a una entropía constante a través de la turbina hasta el estado 4.
- Transferencia de presión constante de calor en condensador.
- La turbina gira el motor para producir electricidad.
Para más información
Los siguientes enlaces proporcionan algunos antecedentes si está interesado:
La manera de determinar la eficiencia es observar la eficiencia en cada parte de la planta. Las pérdidas pueden ocurrir en cada paso del proceso (ver Figura 3.4). Para una central eléctrica moderna de PC, asuma la operación a 2500 psi, con una temperatura de vapor de 540°C, luego la eficiencia general es del 34%. Las pérdidas en cada parte incluyen 1 y 2) pérdidas de calor en las tuberías y por la fricción de la bomba (eficiencia del 92%); 3) pérdidas de calor y fricción en la turbina (eficiencia del 44%); 4) pérdidas de calor a medida que el vapor se condensa de nuevo al agua (eficiencia del 85%), y 5) muy poca pérdida de eficiencia del generador ( eficiencia del 99%). Por cada tres vagones ferroviarios de carbón que se utilizan para generar electricidad, se pierden dos autos de carbón por calor residual.
La Figura 3.5 es un esquema general de una planta de energía. En las siguientes secciones se discutirán varios de los componentes.
Crédito: Principios de Química General (el enlace es externo) Creative Commons BY-NC-SA 3.0
Unidades de Alimentación
Esta es la parte frontal de la planta. Los materiales que se alimentarán a la planta deben convertirse en pequeñas partículas para aumentar la superficie; para el carbón, se debe triturar a un cierto tamaño (menos de 100 micrómetros). Discutiremos la preparación de biomasa cuando lleguemos a la discusión sobre la combustión de biomasa. El extremo frontal del sistema de suministro de carbón incluye una tolva de carbón (como un embudo de alguna manera) y una cinta transportadora. El carbón se rocía típicamente en la caldera con aire para una mejor mezcla de los dos reactivos.
Caldera de Planta
La caldera tiene lo que se llama una pared de agua en su interior - la pared de agua es una serie de tubos soldados entre sí donde fluye el agua. La “caja” alrededor de los tubos es la caldera misma y suele tener 10-20 pisos de altura. El carbón y el aire se rocían en múltiples quemadores. La Figura 3.6a es un ejemplo de los tubos de agua dentro de una caldera, y la Figura 3.6b muestra la gran escala de una unidad de caldera.
Crédito: Estado de Delaware
Crédito: e. mercado vía flickr CC BY 2.0
Quemadores dentro de la caldera
Por lo general, hay varios quemadores a lo largo de la parte inferior de la caldera. Es una manera de incrementar el área de calor que se está generando.
Crédito: Oficina de Prensa de la Universidad de Salford vía flickr CC BY 2.0
Turbinas de Planta
En una central eléctrica de carbón, las turbinas son significativamente más sofisticadas que la turbina que vimos para una rueda hidráulica o para viento. La Figura 3.8a muestra la turbina - en realidad tiene múltiples etapas en ella para aumentar la eficiencia.
Crédito: Turbina: de Wikipedia.org
Crédito: Oficina de Educación Geotérmica
Generadores de Plantas
Para generar electricidad, la turbina está conectada a un generador. Un generador es un dispositivo de cables enrollados que giran alrededor de un imán; la acción de los cables que giran alrededor del imán genera electricidad. La figura 3.9a muestra la turbina de la figura anterior conectada a un generador, y la figura 3.9b muestra el interior del generador de la central eléctrica y el enorme tamaño que es.
Crédito: Oficina de Educación Geotérmica
Crédito: cleveland.com
Interacción del condensador y las instalaciones de agua de refrigeración
El vapor sale de la turbina y se condensa de nuevo en agua. Por lo general, el condensador es un intercambiador de calor que utiliza una fuente de agua natural como fluido de trabajo. Muchas centrales eléctricas se encuentran a lo largo de ríos o lagos con el fin de tener un lugar para regresar y reutilizar el agua. El condensado se devuelve a la caldera. El agua debe ser extremadamente pura para evitar la corrosión en los tubos de calderas y/o palas de turbina; los estándares de pureza pueden ser más estrictos que para el agua potable.
El calor del condensador se transfiere del vapor (incluido el calor y la condensación) al agua del condensador; por lo tanto, el agua que sale del condensador estará caliente o caliente. Si el agua se vierte directamente en una fuente de agua mientras está caliente, alterará el microclima y la ecología local. A esto se le llama contaminación térmica. A menudo, las torres de enfriamiento se utilizan para enfriar el efluente del condensador antes de devolverlo a la fuente de agua. La Figura 3.10a muestra un esquema de cómo interactúa el condensador con un depósito y una torre de enfriamiento, y la Figura 3.10b es una imagen de una torre de enfriamiento en una planta de energía.
Crédito: Dra. Caroline B. Clifford
Crédito: Jiří Sedláček, Wikimedia Commons