CENTRALES TERMOELCTRICAS O TRMICAS COGENERACIN Jos Ramn Aranda

CENTRALES TERMOELÉCTRICAS O TÉRMICAS. COGENERACIÓN José Ramón Aranda Sierra Miguel Angel Rodríguez Pozueta 1

OBJETO DE UNA CENTRAL TERMOELÉCTRICA Las centrales térmicas aprovechan la energía química contenida en un combustible. Mediante una combustión esta energía química se transforma energía calorífica. La energía calorífica se convierte, a su vez, en energía mecánica mediante turbinas o motores de combustión interna y ésta en energía eléctrica mediante alternadores. ENERGÍA QUÍMICA DE UN COMBUSTIBLE Combustión ENERGÍA CALORÍFICA Turbina o motor ENERGÍA MECÁNICA DE ROTACIÓN Alternador ENERGÍA ELÉCTRICA 2

CENTRALES TERMOELÉCTRICAS CONVENCIONALES • Se denominan centrales • termoeléctricas convencionales aquellas que producen energía a partir de la combustión de carbón, fuelóleo o gas en una caldera diseñada al efecto. El apelativo de "convencionales" sirve para diferenciarlas de otros tipos de centrales termoeléctricas (nucleares y solares), las cuales generan electricidad asimismo a partir de un ciclo termodinámico, pero mediante fuentes energéticas distintas de los • combustibles fósiles que vienen siendo empleados en la producción de energía eléctrica desde hace décadas y, sobre todo, con tecnologías diferentes y mucho más recientes que las de las centrales termoeléctricas convencionales. Independientemente de cuál sea el combustible fósil que utilicen (fuelóleo, carbón o gas), el esquema de funcionamiento de todas las centrales termoeléctricas convencionales 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 varía según sea el tipo de combustible empleado. Una central termoeléctrica convencional posee, dentro del propio recinto de la planta, sistemas de almacenamiento del combustible (parque de carbón, depósitos de fuelóleo) para asegurar que se dispone permanentemente de una adecuada cantidad de éste. 3

Centrales Termoeléctricas En las últimas décadas, España ha desarrollado un amplio esfuerzo para potenciar el papel de las centrales termoeléctricas de carbón en el conjunto del parque eléctrico del país. Así, en 1979 se puso en marcha el Plan Acelerado de Centrales Térmicas de Carbón que preveía la puesta en marcha de siete nuevos grupos que entraron en servicio entre 1984 y 1985. Cinco de ellos consumen carbón nacional y dos carbones importados. 4

Parque Termoeléctrico Convencional Español • A finales de 2004 las centrales termoeléctricas convencionales que estaban en servicio en España sumaban una potencia instalada de 37. 898 MW lo que representaba el 53, 7% de la potencia total nacional en funcionamiento. • La producción de las centrales termoeléctricas convencionales españolas fue, en el año 2004, de 157. 237 GWh. Esta cifra supone un aumento del 13, 6% con respecto a la del año 2003. • En España la central termoeléctrica de mayor potencia es la de Puentes de García Rodríguez en La Coruña, esta central quema lignito pardo y cuenta con cuatro grupos que suman 1. 400 MW de potencia. A continuación se encuentra la central de Compostilla con cinco grupos que consumen hulla y antracita y suman 1. 312 MW, y la de Teruel con tres grupos que consumen hulla subbituminosa y suman una potencia de 1. 050 MW. Del resto, hay ocho que poseen una potencia superior a los 500 MW (Abono, Soto de Ribera, La Robla, Narcea, Meirama, Litoral de Almería, Los Barrios y Lada) y ocho más que superan los 100 MW. 5

Centrales Termoeléctricas de carbón Las centrales de carbón de mayor potencia son: • Puentes de García Rodríguez 1400 MW • Compostilla 1312 MW • Teruel 1050 MW Principales Centrales Termoeléctricas de Carbón en España Central Provincia Combustible Grupos Potencia (MW) Puentes de García Rodríguez La Coruña Lignito pardo 4 1. 400 Compostilla León Hulla y antracita 5 1. 312 Teruel 3 1. 050 Abono Asturias Hulla subbituminosa Hulla 2 903 Soto de Ribera Asturias Hulla 3 672 La Robla León Hulla 2 620 Narcea Asturias Antracita 3 569 Meirama La Corana 1 550 Litoral de Almería Lignito pardo y hulla Hulla 1 550 Los Barrios Cádiz Hulla 1 550 Lada Asturias Hulla 2 505 Guardo Falencia Hulla y antracita 2 498 Anllares León Hulla y antracita 1 350 Alcudia II Baleares Hulla 4 325 Puente Nuevo Córdoba Hulla y antracita 1 313 Puertollano Ciudad Real Hulla 1 220 Pasajes Guipúzcoa Hulla 1 214 Serchs Barcelona 1 160 Escucha Teruel 1 160 Escatrón Zaragoza 1 80 Avilés Asturias Hulla subbituminosa Hulla 4 6 59

Principales Centrales Termoeléctricas de Fuelóleo y Gas de España Las centrales de mayor potencia son la de Castellón, con dos grupos que suman 1. 083 MW y la de San Adrián, con tres grupos que suman 1. 050 MW de potencia. Después se encuentran cinco centrales con una potencia superior a 500 MW (Santurce, Escombreras, Algeciras, Aceca y Foix) y otras once de potencia superior a 100 MW. Central Provincia Combustible Número de Grupos Potencia (MW) Castellón Fuelóleo 2 1. 083 San Adrián Barcelona Gas natural 3 1. 050 Santurce Vizcaya Gas natural 3 936 Escombreras Murcia Fuelóleo 5 858 Algeciras Cádiz Gas natural 2 753 Aceca Toledo Gas natural 2 627 Foix Barcelona Gas natural 1 520 Sabón La Coruña Fuelóleo 2 470 Besos Barcelona Fuelóleo y gas natural 2 450 Jinámar Las Palmas Fuelóleo, gasóleo y dieselóleo 13 415 Cristóbal Colón Huelva Gas natural 3 378 Badalona II Barcelona Fuelóleo 2 344 Candelaria Tenerife Fuelóleo, gasóleo y dieselóleo 12 332 San Juan de Dios Baleares Fuelóleo y gasóleo 5 195 Cádiz Fuelóleo 3 138 Málaga Fuelóleo 2 122 Ibiza Baleares Fuelóleo y gasóleo 10 110 Punta Grande Las Palmas Fuelóleo, gasóleo y dieselóleo 8 102 Granadilla Tenerife Fuelóleo, gasóleo y dieselóleo 3 85 Las Salinas Las Palmas Fuelóleo, gasóleo y dieselóleo 8 79 Son Molinas Baleares Gasóleo 4 78 Mahón Baleares Fuelóleo y gasóleo 7 70 Burceña Vizcaya Fuelóleo 1 66 Puertollano Ciudad Real Fuelóleo 5 50 Guanarteme Las Palmas Gasóleo 4 65 Los Guinchos Tenerife Fuelóleo, gasóleo y dieselóleo 8 44 Barranco Tirajana Las Palmas Gasóleo y dieselóleo 1 38 Melilla Fuelóleo y dieselóleo 9 Ceuta Fuelóleo, gasóleo y dieselóleo 6 7 37 26

CENTRALES TÉRMICAS CON TURBINA DE VAPOR • En estas centrales un combustible calienta agua y la convierte en vapor. Este produce un trabajo mecánico al expansionarse a través de una turbina, la cuál mueve un generador que produce energía eléctrica. • Su puesta en marcha es lenta por la cantidad de agua a calentar y su rendimiento varía con la carga. Luego interesa que funcionen a carga constante. Por lo tanto, estas centrales se utilizan como centrales de base. • Estas centrales deben ubicarse cerca de una fuente de agua para la refrigeración y donde el gasto del transporte de combustible sea pequeño. 8

Central termoeléctrica con turbina de vapor 9

CENTRALES TÉRMICAS CON TURBINA DE VAPOR • En las centrales con turbina de vapor se distinguen estos ciclos: – Circuito de combustible – Circuito agua-vapor – Circuito eléctrico – Circuitos auxiliares 10

Combustibles sólidos (carbones) • Los carbones más empleados son la hulla y el lignito. • Si el carbón es de baja calidad se coloca la central en la misma mina (central bocamina), pues es más barato transportar la electricidad que el carbón. • En este caso se utilizan técnicas especiales de extracción en la mina: – Inyectar oxígeno en la mina y quemar carbón produciendo un gas combustible que es el que se usa en la central. – Arrancar el mineral con chorros de agua formando barros de carbón que se transportan a través de tuberías. • El método clásico de quemar carbón es pulverizarlo y enviarlo a la caldera mediante chorros de aire precalentado. 11

Representación esquemática de un equipo de combustión directa para combustible pulverizado 1 -Transporte de carbón. 2 -Carbonera. 3 -Válvula de descarga. 4 -Báscula. 5 -Alimentador del molino de carbón. 6 -Molino de carbón. 7 -Aspiración de aire de combustión. 8 -Aspirador. 9 -Calentador de aire de combustión 10 -conducto de aire precalentado. 11 -Ventilador. 12 -Conducto de carbón pulverizado. 13 -Quemadores. 14 -Caldera. 12

Combustibles sólidos (carbones) • Otro sistema de combustión es en lecho fluidificado o lecho fluido: el carbón se quema en un lecho compuesto por partículas de este combustible, sus cenizas y partículas inertes que se mantiene suspendido por la acción de una corriente ascendente de aire. Así el conjunto tiene la apariencia de un líquido en ebullición. – Las partículas inertes son de sustancias alcalinas (como la caliza) capaces de absorber los contaminantes producidos en la combustión (especialmente SO 2). – Este sistema permite una combustión más perfecta (al haber una mayor superficie de contacto entre el aire y las partículas de carbón) y una mejor transmisión del calor al agua de la caldera. También reduce el nivel de contaminantes en el humo. 13

Problemas que presenta el uso del carbón a) Es difícil de tratar y de quemar d) La eliminación de las cenizas que se producen en la b) Exige tomar medidas combustión. anticontaminantes: chimeneas altas, filtros, precipitadores (los contaminantes principales son particulares solidas y ácidos de azufre) c) Genera gases de efecto invernadero (CO 2). Se pretende darles utilidad como: – Materiales de construcción – Sustitutos de yeso – Para la fabricación del vidrio – Recuperación de aluminio Actualmente se está estudiando la viabilidad de técnicas de secuestro de CO 2 (almacenamiento en depósitos geológicos subterráneos). 14

COMBUSTIBLES LÍQUIDOS • Los combustibles líquidos más empleados son fuel-oil y el gasoil. • Se precalientan para que sean fluidos y se queman en los quemadores o mecheros. • En estos el combustible se atomiza y se mezcla íntimamente con el aire. • Hay varios métodos para atomizar el combustible: – Mediante aire comprimido – Mediante vapor – Mecánicamente (mediante bombas) • La combustión de los combustibles líquidos apenas origina partículas solidas. Los contaminantes generados son hollines ácidos y óxidos de azufre. 15

COMBUSTIBLES GASEOSOS • Se queman más fácilmente que los demás combustibles. • Apenas producen contaminantes • Para ellos se utilizan quemadores de baja presión (de 0, 009 a 0, 28 kg/cm 2 de presión relativa). 16

AIRE DE COMBUSTIÓN • El aire de combustión se precalienta con los gases de la combustión (humos) que van a la chimenea. • Este sistema presenta las siguientes ventajas: – – – Conservación de la energía que se perdería con los humos Mejor combustión Permite quemar combustibles de baja calidad Mejor rendimiento Mayor temperatura en el hogar Aumento de la potencia calorífica del hogar • El hogar es un recinto especial de la instalación generadora de vapor (caldera) donde se quema el combustible y cuyas paredes son de material refractario. 17

Ciclo Rankine con vapor recalentado En la figura se muestra el ciclo Rankine que sigue el agua en una central con turbina de vapor sobre un diagrama T-s: • Se suponen que todos lo procesos son reversibles (ideales). • T = Temperatura absoluta (en grados Kelvin). • s = Entropía (es una magnitud que aparece en el estudio del segundo principio de la termodinámica. Los procesos reversibles isoentrópicos son adiabáticos (sin intercambio de calor con el exterior)). • La curva de vaporización corresponde al inicio de la transición de líquido a vapor. • La curva de saturación corresponde a la transición completa de líquido a vapor seco. • Entre estas dos curvas hay vapor húmedo (mezcla de líquido y gas). • Estas dos curvas se cortan en el punto crítico K. A temperaturas superiores a la crítica TK (647°K) sólo hay gas, aunque se aumente la presión. • Por debajo de TK a la izquierda de la curva de vaporización sólo hay agua líquida y a la derecha de la curva de saturación sólo hay vapor saturado seco (sin líquido). 18

Ciclo Rankine con vapor recalentado E-F: Compresión adiabática (bomba) F-A: Calentamiento isobárico (caldera) A-B: Calentamiento isobárico e isotérmico (caldera) B-C: Recalentamiento isobárico (caldera) C-D: Expansión adiabática (turbina) D-E: Condensación isobárica e isotérmica (condensador) Proceso isobárico = a presión constante Proceso isotérmico = a temperatura constante Proceso adiabático = sin intercambio de calor Proceso isoentrópico = a entropía constante Proceso isocórico = a volumen constante • El área encerrada por el ciclo representa el trabajo producido por el mismo. Es positivo si el ciclo recorre el diagrama en sentido horario. • El área encerrada entre la curva que representa un proceso y el eje de abscisas (cuyo origen de ordenadas es 0°K) representa el calor desarrollado en dicho proceso. • En el supuesto de que todos los procesos sean reversibles el rendimiento del ciclo térmico es: 19

Teorema de Carnot • Sea un motor térmico cuyo fluido motor describe un ciclo ideal entre dos fuentes de calor. • La fuente caliente cede calor al fluido -el cual alcanza una temperatura máxima T 1 (en grados Kelvin)- parte del cual lo roba la fuente fría -de forma que el fluido alcanza una temperatura mínima T 2 - y el resto se transforma en trabajo. • El rendimiento de este motor térmico nunca podrá ser superior al rendimiento de Carnot h. C: • Luego, es ilusorio pretender alcanzar en una máquina térmica un rendimiento superior al de Carnot 20

Circuito agua-vapor El ciclo más sencillo para una turbina de vapor condensador es el ciclo Rankine con vapor recalentado • 1 -2: Bomba • 2 -4: Caldera • 4 -5: Turbina • 5 -1: Condensador Ventajas de recalentar: • Mayor • Menos agua en el vapor de la turbina 21

Ciclo con recalentamiento intermedio • • • G: Generador de vapor (caldera) RP: Sobrecalentador o recalentador primario RI: Recalentador intermedio o secundario AP: Cuerpo de alta presión de la turbina MP: Cuerpo de media presión de la turbina BP: Cuerpos de baja presión de la turbina A: Alternador (generador eléctrico) C: Condensador B: Bomba de alimentación de la caldera 5 4 3 6 2 6 1 22

Ciclos térmicos de las centrales con turbina de vapor (1) El ciclo Rankine con vapor recalentado, cuyo diagrama T-s está representado en una figura anterior, consiste en una compresión adiabática 1 ‑ 2 mediante una bomba que envía el agua a la caldera, donde se produce un calentamiento 2 ‑ 3 ‑ 4’ y un recalentamiento 4´-4 isobáricos (a presión constante). En el punto 4 se tiene vapor seco. Seguidamente se produce una expansión adiabática 4 ‑ 5 del vapor en la turbina. El ciclo termina con una condensación isobárica 5 ‑ 1 del vapor en el condensador. El recalentamiento mejora el rendimiento (según el Teorema de Carnot) pues aumenta la temperatura T 4. Además, mediante el recalentamiento se consigue que la turbina reciba vapor seco (de título unidad), ya que las gotas de agua dentro del vapor podrían estropear la turbina. El rendimiento es mejor en ciclos con dos o más expansiones con recalentamiento intermedio. El vapor se expansiona en el cuerpo de alta presión de la turbina y a su salida se vuelve a recalentar antes de expansionarlo en el resto de la turbina. Así se consigue un mayor rendimiento y un menor grado de humedad en la última expansión. 23

Ciclos térmicos de las centrales con turbina de vapor (2) El rendimiento mejora aún más si se usa un ciclo regenerativo o con recuperación. Parte del vapor se extrae de la turbina antes de haberse expansionado totalmente y se mezcla con el agua que sale del condensador calentándola. Otro elemento que mejora el rendimiento de la instalación es el economizador que precalienta el agua antes de introducirla en la caldera. Para ello utiliza el calor procedente de los humos de la combustión antes de enviarlos a la chimenea. Puede haber muchas extracciones de vapor. En las figuras de la página siguiente se muestra un ciclo con dos extracciones y un recalentamiento. El proceso que sigue el agua en este ciclo es así: el vapor sobrecalentado seco de la caldera a 525 - 550ºC y 170 - 200 Kg/cm 2 entra en el cuerpo de alta presión de la turbina y a su salida es vapor húmedo (título de 0, 86 a 0, 88). Se separa el agua, que se mezcla con el agua que sale del condensador en unos precalentadores y se inyecta a la caldera a través del economizador, y el vapor se recalienta en el recalentador hasta unos 525 - 550ºC y 35 kg/cm 2. Este vapor se envía al grupo de media presión de la turbina. A su salida se separa el agua, que se envía a la caldera, y el vapor se expande en el cuerpo de baja presión para posteriormente ir al condensador. 24

Ciclo regenerativo con recalentamiento intermedio 25

La caldera o generador de vapor • La caldera es donde se realiza la generación del vapor necesario para el funcionamiento de la turbina. • Está constituida por un gran número de tubos expuestos a la acción de la llama y recorridos por agua, la cual está impulsada por bombas. • El sobrecalentador son unos tubos situados en la parte superior de la caldera y es donde se recalienta el agua hasta 525 - 550°C y 170 - 200 kg/cm 2 y se le quita toda la humedad para conseguir vapor de título 1. • Los recalentadores sirven para volver a calentar el vapor procedente de las extracciones intermedias de la turbina y son similares al sobrecalentador. A su salida se obtiene vapor de 525 - 550°C y 35 kg/cm 2. • Los recalentadores pueden ser de convección, cuando toman su energía de los gases que van a la chimenea, o de radiación, si están sometidos directamente a energía radiante de las llamas del hogar. • El agua que entra en la caldera se precalienta en el economizador o recuperador aprovechando el calor de los gases de escape que van a la chimenea. • El agua se mueve por circulación natural o, en las calderas modernas, por circulación forzada con bombas. • Actualmente hay calderas supercríticas donde se lleva al agua por encima de su punto crítico, alcanzando 600°C con presiones superiores a 220 kg/cm 2. 26

CALDERA 1 Cinta transportadora del carbón 2 Tolva 3 Molino 4 Caldera 5 Cenizas 6 Sobrecalentador 7 Recalentador 8 Economizador 9 Calentador de aire 10 Precipitador 11 Chimenea 27

Turbinas de vapor • Las turbinas de vapor transforman la energía térmica del vapor en energía mecánica. En ellas el vapor va perdiendo presión y se va expandiendo de forma escalonada. Suelen ser de eje horizontal. • El vapor entra a la turbina por unas toberas fijas y luego pasa por uno o varios escalones. Cada escalón consta de una rueda directriz fija con álabes que dirigen el flujo de vapor y una rueda giratoria o rodete con álabes que va fija al eje. Todos los rodetes están colocados sobre el mismo eje. 28

Turbinas de vapor • Las turbinas se pueden clasificar en: – De acción: Sólo se producen caídas de presión en las ruedas directrices y en las toberas. – De reacción: Se producen caídas de presión tanto en las toberas y ruedas fijas como en los rodetes. – Mixtas: con escalones de acción y de reacción. • En las turbinas de reacción aparece un empuje axial sobre los rodetes, el cual se transmite al eje. Para equilibrar este empuje se coloca un émbolo o se divide la turbina en dos secciones iguales con sentidos opuestos del flujo de vapor. 29

Turbinas de vapor • Las turbinas pueden ser de un solo rodete o de varios rodetes. En este último caso se pueden subdividir en: – Turbinas con escalonamiento de velocidad: el vapor se expansiona totalmente en las toberas de entrada y va perdiendo su velocidad a medida que va pasando por los sucesivos escalones de la turbina. Este tipo de escalonamiento sólo se aplica en las turbinas de acción. – Turbinas con escalonamiento de presión: La caída total de presión se divide en varias caídas parciales en los escalones de la turbina. – Turbinas con escalonamientos de presión y de velocidad. • A medida que el vapor pierde presión su volumen específico aumenta y la turbina tiene ruedas de mayor diámetro. 30

c = velocidad Turbina de acción con escalonamiento de velocidad (turbina Curtis) Turbina de acción con escalonamiento de presión (turbina Rateau) 31

Turbinas de vapor Según el movimiento del vapor respecto al rodete las turbinas se pueden clasificar en: • Axiales (son las más frecuentes) • Radiales • Tangenciales Según las condiciones del vapor de escape las turbinas se pueden clasificar en: • De escape libre: el vapor sale directamente a la atmósfera (apenas se usan en centrales termoeléctricas). • De condensación: el vapor sale con una presión inferior a la atmosférica hacia un condensador. • De contrapresión: el vapor sale a una presión superior a la atmosférica y, por lo tanto, aún puede suministrar energía. En este caso, este vapor de salida se utiliza para otros trabajos: calefacción, secadores, turbinas de baja presión, . . . • Combinadas: Parte del vapor sale a presión y el resto se envía a la atmósfera o a un condensador. 32

Turbinas de vapor 33

Turbinas de vapor 34

El condensador En este elemento se condensa el vapor que sale de la turbina y su Tipos: empleo proporciona estas • Los condensadores de ventajas: superficie son los más 1. Disminuye la temperatura final utilizados actualmente. del ciclo térmico, con lo que se aumenta su rendimiento. • Los condensadores de 2. Disminuye la presión de escape chorro también se del vapor en la turbina, con lo que se aumenta la energía llaman de mezcla. utilizable. 3. Se recupera el vapor condensado para emplearlo como agua de alimentación de las calderas. 35

Condensador de superficie Disposición general de un condensador de superficie: 1—Entrada de vapor. 2—Recipiente del condensador. 3—Tubos refrigeradores. 4—Placas de cierre. 5—Bomba de agua de refrigeración. 6—Bomba de agua condensada. 36

Torres de refrigeración • Cuando el agua fría necesaria para la refrigeración del condensador no se puede tomar de un río, un lago, . . . cercanos a la central, el agua caliente que sale del condensador se refrigera mediante torres refrigerantes. • En ellas se deja caer el agua desde arriba en forma de fina lluvia y se hace circular aire en sentido ascendente. El aire absorbe una pequeña parte del agua que para vaporizarse quita calor al resto, enfriándolo. • El aire puede ascender por la torre por tiro natural (es decir, aprovechando el tiro provocado por una chimenea) o por tiro forzado (es decir, movido por unos ventiladores). 37

Corte esquemático de una torre refrigerante por tiro forzado Torres refrigerantes por tiro natural 38

Condensadores con refrigeración por aire Se utilizan cuando el agua es escasa. Pueden ser de dos tipos: 1. Condensador con refrigeración por aire directo El vapor de agua se condensa en el interior de unos tubos con aletas, de una manera similar a los condensadores de superficie refrigerados con agua. En estos condensadores no hay mezcla entre el vapor y el aire. 2. Condensador con refrigeración por aire indirecto o condensador con refrigerante seco El vapor de agua se condensa en un condensador de mezcla refrigerado por agua y situado cerca de la turbina. Sólo una pequeña parte de la mezcla se utiliza para alimentar la caldera. El resto se envía al refrigerante por aire situado en el exterior. El agua enfriada se vuelve a utilizar en el condensador de mezcla. El refrigerante por aire está constituido por tubos con aletas. 39

Circuito eléctrico Las turbinas de vapor giran a grandes velocidades por lo que se emplean alternadores de pequeños número de polos, normalmente 2 polos. Esto en una red de 50 Hz, corresponde a una velocidad de giro de 3000 r. p. m. • La elevada fuerza centrífuga a la que se ven sometidos los elementos del rotor del alternador hace que éste se construya de pequeño diámetro y gran longitud (turboalternador). • La tensión producida por los turboalternadores de la central es elevada mediante transformadores y la energía producida se envía a los centros de consumo a través de líneas de transporte de Alta Tensión. • Se dispone también un sistema eléctrico a más baja tensión para atender a las necesidades de energía de la propia central. • Usualmente los circuitos de seguridad funcionan en corriente continua y son alimentados por una batería cuando no se dispone de tensión en la red. 40

Circuitos auxiliares 1. Circuito de tratamiento del combustible. 2. Circuito de aire de combustión. 3. Circuito de eliminación de cenizas y escorias. 4. Circuito de tratamiento del agua de alimentación. 5. Circuito de agua de refrigeración. 6. Circuito de lubricación. 7. Circuitos de mando. Estos circuitos pueden ser: a) Circuitos oelohidráulicos b) Circuitos eléctricos, c) Circuitos neumáticos 8. Circuito de hidrógeno. 41

REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA DE UNA CENTRAL TÉRMICA DE VAPOR Representación esquemática de una central térmica de vapor: 1 - Cargador de carbón. 2 - Rejilla, 3 - Hogar. 4 - Cenicero. 5 - Conducto de humos. 6 - Chimenea. 7 - Caldera. 8 - Sobrecalentador. 9 - Turbina de alta presión. 10‑ Recalentador. 11 - Turbina de media presión. 12 - Turbina de baja presión. 13 - Condensador 14 - Bomba de extracción del condensador. 15 -16 - Precalentadores del agua de alimentación. 17 - Bomba de alimentación de la caldera. 18 - Economizador del agua de alimentación. 19 - Torres de refrigeración. 20 - Bomba de circulación del agua de refrigeración. 21 -22 - Extracciones de vapor para los circuitos primarios de los precalentadores del agua de alimentación. 23 - Turbogenerador. 24 - Excitatriz del turbogenerador. 25 - Circuito de energía eléctrica a media tensión. 42 26 - Transformador elevador. 27 - Circuito de energía eléctrica a alta tensión.

CENTRALES TERMOELÉCTRICAS CON TURBINA DE VAPOR • • • • • • • 1. Torre de refrigeración 2. Bomba hidráulica 3. Línea de transmisión (trifásica) 4. Transformador (trifásico) 5. Generador eléctrico (trifásico) 6. Turbina de vapor de baja presión 7. Bomba de condensación 8. Condensador de superficie 9. Turbina de media presión 10. Válvula de control de gases 11. Turbina de vapor de alta presión 12. Desgasificador 13. Calentador 14. Cinta transportadora de carbón 15. Tolva de carbón 16. Pulverizador de carbón 17. Tambor de vapor 18. Tolva de cenizas 19. Supercalentador 20. Ventilador de tiro forzado 21. Recalentador 22. Toma de aire de combustión 23. Economizador 24. Precalentador de aire 25. Precipitador electrostático 26. Ventilador de tiro inducido 43 27. Chimenea de emisiones

Centrales térmicas con motores Diésel • En estas centrales se utiliza un motor Diésel en lugar de una turbina de vapor. • Pueden ponerse en marcha rápidamente. • Son centrales de pequeña o media potencia (hasta 30 MW). También se usan motores Diésel en grupos electrógenos para suministros de energía de emergencia. • Se utilizan usualmente motores Diésel de dos tiempos. • El calor de los gases de escape se aprovecha para precalentar el combustible y, en algunos casos, también para accionar una pequeña turbina de vapor. • Suelen llevar sobrealimentación: el aire de alimentación se comprime previamente en un compresor centrífugo movido por una turbina accionada por los gases de escape. Este equipo se denomina turbocompresor. • Son de pequeña velocidad, lo que exige que los alternadores sean de un elevado número de polos. • Su ciclo de funcionamiento hace que no proporcionen un par uniforme, lo cual puede provocar oscilaciones. Para reducirlas se precisa que el grupo motor-alternador tenga un momento de inercia elevado. Para conseguirlo puede ser necesario el empleo de volantes de inercia. 44

Centrales térmicas con motores Diésel FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DIÉSEL DE DOS TIEMPOS 45

Centrales térmicas con motores Diésel FUNCIONAMIENTO DE UN MOTOR DIÉSEL DE DOS TIEMPOS 1 -2: Compresión adiabática 4 -5: Escape a volumen constante 2 -3: Combustión a presión constante 5 -6: Escape-admisión a presión constante 3 -4: Expansión adiabática 0 -1: Admisión-escape a presión constante Velocidad máxima de los motores Diésel de la centrales eléctricas: 400 -450 rpm 46

Central eléctrica Diésel 47

CENTRAL ELÉCTRICA DE PACIFICO PARA RED DE METRO(MADRID). 1923: TRES MOTORES DIÉSEL. 5000 k. W 48

Centrales térmicas con turbina de gas • En estas centrales se utiliza una turbina de gas en lugar de una de vapor. • Son centrales que necesitan un arranque rápido (centrales de reserva o de socorro) de mayor potencia que las Diésel. • Los combustibles utilizados son líquidos o gaseosos: gas natural, gas de alto horno, petróleo bruto, aceite pesado, … • El combustible que se use debe ser tal que las cenizas que se produzcan no pasen de cierto límite. 50

Centrales térmicas con turbina de gas Estas centrales presentan algunas ventajas frente a las de turbina de vapor: • Son más compactas • Requieren menos dispositivos auxiliares • No necesitan condensador • No necesitan apenas agua • Su lubrificación es más sencilla • Fácil control • Requieren cimientos más ligeros • No necesitan chimenea, pues el escape no tiene humos • Menor relación peso/potencia Pero tienen estos inconvenientes: • Gran consumo de combustible • Las turbinas deben resistir las altas temperaturas que se producen • Su velocidad de giro es grande lo que obliga a utilizar un engranaje reductor para acoplarla al eje del alternador. 51

TURBINAS DE GAS. CICLOS TÉRMICOS El aire atmosférico es aspirado por el compresor donde se le somete a una compresión adiabática 1 -2 hasta unas 5 -8 atm. El compresor envía el aire comprimido a la cámara de Compresor de aire combustión donde se inyecta Cámara de combustión combustible mediante una bomba. La combustión 2 -3 se Turbina propiamente dicha realiza a presión constante y se Dispositivos auxiliares (lubricación, inicia eléctricamente en el regulación, alimentación de combustible, . . . ) arranque para luego continuar debido a la temperatura Turbina de gas de ciclo abierto simple alcanzada en la cámara de combustión (650 - 750 C). • El gas obtenido sufre una expansión adiabática 3 -4 en el rotor de la turbina y en el rotor del compresor. A la salida de la turbina los gases son enviados de nuevo a la atmósfera. Ciclo abierto simple (Ciclo de Brayton) • Es la turbina más sencilla. Consta de los siguientes elementos: • • 52

CENTRALES TERMOELÉCTRICAS DE GAS CICLOS TÉRMICOS • Turbina de gas de ciclo abierto simple • Turbina de gas de ciclo abierto con regeneración • Turbina de gas de ciclo abierto con refrigeración y regeneración • Turbina de gas de ciclo abierto con refrigeración, regeneración y recalentamiento • Turbina de gas de ciclo cerrado 53

Turbina de gas de ciclo abierto con refrigeración, regeneración y recalentamiento CBP: Compresor de baja presión. CAP: Compresor de alta presión. TBP: Turbina de baja presión. TAP: Turbina de alta presión. CC 1: Cámara de combustión de alta presión. CC 2: Cámara de combustión de baja presión. IC: Intercambiador de calor (regenerador). RI: Refrigerador intermedio (interrefrigerador) E: Engranaje de reducción. A: Alternador 54

Turbina de gas de ciclo abierto con refrigeración, regeneración y recalentamiento • Se calienta el aire comprimido antes de introducirlo en la cámara de combustión mediante uno o varios regeneradores, aprovechando así el calor residual de los gases de combustión. • En estas turbinas hay dos compresores, uno de alta y otro de baja presión. • El aire que sale del compresor de baja presión es enfriado en el interrefrigerador y se envía al compresor de alta presión. El aire que sale de este compresor se calienta en los regeneradores y se envía a la cámara de combustión. • En estas turbinas también hay dos cámaras de combustión y dos cuerpos de turbina, uno de alta y otro de baja presión. • El aire que sale del compresor de alta presión pasa a los regeneradores y se introduce en la primera cámara de combustión. Se quema el combustible y se expande en la turbina de alta presión. El calor de los gases de escape se aprovecha introduciéndolos en la segunda cámara de combustión donde se quema nuevo combustible. Los gases resultantes se expanden en la turbina de baja presión. 55

ELEMENTOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA DE GAS • Compresor – Centrífugo – Axial • Cámara de combustión • Turbina 56

ELEMENTOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA DE GAS Cámara de combustión • Usualmente hay un inyector en la primera mitad de la cámara de combustión. • El inyector introduce el combustible, a presión, pulverizado o en forma de gas. • La inyección puede realizarse en el mismo sentido que la corriente de aire o a contracorriente. 57

ELEMENTOS PRINCIPALES DE UNA TURBINA DE GAS Turbina • Las turbinas de gas más habituales son axiales. • Las turbinas axiales, al igual que las de vapor, tienen álabes directrices fijos y álabes motrices colocados sobre un rodete. • Estas turbinas pueden ser de acción o de reacción. 58

Turbina de gas 59

Centrales térmicas de ciclo combinado En estas centrales se utiliza un ciclo combinado de turbinas vapor y de gas. • Los gases calientes del escape de las turbinas de gas se utilizan para recalentar el agua y/o precalentar el aire de combustión de la caldera de la turbina de vapor. • Este sistema tiene estas ventajas: o Reducción de coste, de volumen y de peso o Mayor rendimiento del ciclo o Ahorro de los ventiladores de alimentación de aire a la caldera y del tiro. Este trabajo lo realiza la turbina de gas. o Arranque más rápido y admite mayor gradiente de carga que las centrales con turbina de vapor. 60

Centrales de ciclo combinado 61

Centrales térmicas de ciclo combinado 62

Centrales térmicas de ciclo combinado 63

• La cogeneración consiste en la producción combinada de energías eléctrica (o mecánica) y térmica a partir de una misma fuente de energía. • Una central eléctrica tiene un rendimiento que raramente supera el 40%. El rendimiento global de la producción eléctrica y térmica de estas centrales puede alcanzar valores entre el 70 y el 90%. • Por lo tanto mediante estas centrales se consigue un ahorro económico y energético en comparación con la producción separada de las energías térmica y eléctrica. Además, de esta manera se reducen las emisiones de gases contaminantes al medio ambiente. Cogeneración Ciclo topping 64

Cogeneración Los ciclos de cogeneración se pueden clasificar en: • Ciclos topping: En estos ciclos se produce energía eléctrica siguiendo un ciclo termodinámico. El calor residual se utiliza como fuente térmica en los procesos correspondientes. Estos ciclos son los más utilizados y se aplican cuando los procesos requieren temperaturas bajas. • Ciclos bottoming: Estos ciclos se suelen emplear en procesos industriales a alta temperatura. Los calores residuales de estos procesos, a unos 900°C, se utilizan para producir energía eléctrica. Ciclo bottoming 65

Cogeneración mediante una turbina de vapor a contrapresión Esquema del ciclo de funcionamiento de una turbina de contrapresión: G — Generador de vapor (caldera). RP — Recalentador primario. CP — Turbina de contrapresión. A — Generador eléctrico. RV — Recalentador de vapor de contrapresión. H — Precalentador del agua de alimentación (recuperador). IC — Intercambiador de calor (evaporador). CV — Circuito de utilización del vapor. B 1 —Bomba de alimentación del evaporador. B 2 — Bomba de extracción del 66 evaporador. B 3 — Bomba de alimentación de la caldera.

a) Comparación entre un ciclo con turbina de vapor de contrapresión (a) y otro de turbina de vapor de condensación con extracción (b) b) 67

Cogeneración con turbina de gas Representación esquemática de un ciclo combinado gas-calefacción, con caldera de calor perdido: C — Compresor. CC — Cámara de combustión. TG — Turbina de gas. A — Alternador. G — Generador de vapor (caldera). CV — Circuito de utilización del vapor. B — Bomba de alimentación de la caldera. 68

Cogeneración con un motor Diésel 69