Estructuras principales
Introducción
¡Hola!
Siempre es un gusto saludarte y saber que tienes el ánimo para continuar, te invito a seguir en este camino formativo en tu cuarta clase en la cual veremos las estructuras principales de una central generadora de energía eléctrica.
Otro de los objetivos es proporcionarte las técnicas y herramientas para resolver problemas en el ámbito del diseño de redes eléctricas.
Sin más que agregar, te invito a continuar la clase. ¡Éxito!
Desarrollo del tema
Centrales termoeléctricas
Configuración del sistema de una central termoeléctrica.
La mayoría de las aplicaciones de la generación de vapor se destinan a los sectores de:
- Producción de electricidad
- Suministro de vapor a procesos
A veces se emplean, al mismo tiempo, combinaciones de estas dos aplicaciones, y se habla entonces de la cogeneración. En toda aplicación de vapor, el generador constituye el componente más importante del sistema, estando integrado por otros subsistemas y componentes.
Los subsistemas principales de una planta de generación de energía que quema carbón, comprenden:
- La recepción y preparación del combustible
- El generador de vapor
- El equipo de combustión
- La protección medioambiental
- El grupo turbina-alternador
- El equipo de eliminación de calor residual, incluyendo la torre de refrigeración
El generador de vapor, vaporiza el agua y suministra vapor a alta temperatura y presión en condiciones controladas.
A continuación, el vapor se lleva a la turbina conectada a un alternador que se encarga de generar electricidad.
Una vez expandido el vapor en la turbina, pasa al condensador, en el que se evacúa su calor residual, condensando.
Antes de que el condensado retorne a la caldera, el agua procedente del condensador pasa a través de varias bombas y calentadores de agua, para incrementar su presión y temperatura.
El calor absorbido en el condensador se evacua a la atmósfera por medio de torres de refrigeración, que son los componentes más visibles de toda instalación de producción de energía. La torre de refrigeración de tiro natural es una estructura casi cilíndrica hueca, por cuyo interior circula aire ascendente y agua pulverizada descendente, que cede el calor evacuado por el condensador al aire que circula.
El sistema de combustión tiene una gran influencia sobre el diseño global del hogar. El cuál es un espacio libre, amplio y cerrado, para la combustión del combustible y la refrigeración de los humos, antes de que entren en el paso de convección o zona de recuperación. Una temperatura excesiva de los humos a la salida del hogar, hacia los bancos tubulares, puede provocar una acumulación de partículas en el lado exterior de los tubos o una excesiva temperatura del acero de los mismos.
El calderín de vapor. Es un recipiente cilíndrico de grandes dimensiones, con un diámetro de 0,9 a 1,8 m y longitud que llega a los 30 m, ubicado en la parte alta de la caldera, en el que el vapor saturado se separa de la mezcla vapor-agua que sale de los tubos de la caldera.
Se fabrican con virolas gruesas de acero laminado y fondos hemisféricos, y alojan los equipos de:
- Separación vapor-agua
- Purificación del vapor
- Mezcla del agua de aporte y de los productos químicos
Centrales nucleares
Los sistemas nucleares de generación de vapor incluyen una serie de intercambiadores de calor, recipientes a presión, bombas y componentes diversos, todos ellos altamente especializados, y utilizan el calor generado por las reacciones de la fisión nuclear, para producir vapor con eficiencia y seguridad. El sistema se basa en la energía liberada por los átomos de ciertos materiales, como el uranio, cuando se fracturan o fisionan. La fisión tiene lugar cuando un núcleo de un átomo fisionable, captura una partícula subatómica libre (neutrón); este desequilibra las fuerzas internas que mantienen unido al núcleo atómico, dividiéndose el núcleo, y produciendo átomos y un promedio de 2 a 3 neutrones, radiación gamma y energía térmica.
El sistema nuclear de vapor (NSS) se diseña para cumplir con una serie de funciones, que pueden resumirse en los puntos siguientes:
- Alojar el combustible nuclear
- Controlar el régimen de las reacciones nucleares, para lograr la producción de la energía térmica requerida
- Estimular la fisión controlada del combustible nuclear
- Recoger el calor y generar el vapor
- Contener y almacenar de forma inocua y segura los productos formados por las reacciones nucleares
- Proveer los sistemas de emergencia necesarios para evitar la liberación del material radiactivo hacia el medio ambiente, contaminación que se puede originar lo mismo en la atmósfera que en el agua
El sistema actualmente empleado para la producción de energía eléctrica, en operación comercial, es el denominado reactor de agua a presión (PWR).
En donde el vapor se divide en dos circuitos de refrigeración:
- El circuito principal o primario
- El circuito secundario
El circuito primario enfría el reactor, transporta el calor a dos o más generadores de vapor y retorna el refrigerante hacia el reactor, por medio de cuatro o más bombas de refrigerante primario.
El refrigerante es agua sub enfriada y de alta pureza, que fluye en regímenes elevados:
- Entre 22,1 y 28,4 m3/seg
- Presiones del orden de 150 bar
- Temperaturas de 300 ° C
El circuito primario cuenta con un presurizador que mantiene la presión operativa de la unidad, en todo el circuito, en los niveles de diseño.
El circuito secundario incluye la generación de vapor y las interfaces con el resto de la planta energética.
El agua de alta pureza, que proviene del último calentador del agua de alimentación, pasa al generador de vapor y se convierte en vapor. Desde la salida del generador de vapor (sobrecalentado o saturado), el vapor fluye hacia el exterior del edificio de contención o zona biológica, con dirección a la turbina de alta presión. La presión de operación de la turbina es del orden de 70 bar; el resto del circuito secundario se asemeja a los sistemas que queman combustibles fósiles.
Una diferencia fundamental entre los sistemas que funcionan por energía nuclear y por energía química radica en la cantidad del combustible involucrado.
La energía liberada por un combustible nuclear, por unidad de masa, es de un orden de magnitud muy superior al de un combustible fósil (energía química). Por ejemplo, 0,454 kg de uranio enriquecido al 3% producen la misma cantidad de energía térmica, que 45000 kg de carbón, en un sistema convencional de vapor fósil. Para una central de 500 MW de potencia eléctrica, en un sistema de vapor convencional, hay que manipular aproximadamente 1.000.000 Tm/año mientras que en una planta nuclear, sólo se precisan 10 Tm/año de combustible nuclear.
Centrales hidroeléctricas
El agua en su caída entre dos niveles del cauce se hace pasar por una turbina hidráulica la cual transmite la energía a un generador donde se transforma en energía eléctrica.
Principales componentes que conforman una central hidroeléctrica:
Rejilla de entrada
Que impide el paso de los cuerpos flotantes o en suspensión que podrían dañar las tuberías o las turbinas. Están formadas por barrotes metálicos o de concreto y el espaciado entre ellos puede oscilar entre 3 y 20 cm. Pueden tener distintas formas e inclinación.
Dispositivo de cierre
Que permite cortar o regular el caudal del agua. Está formado generalmente por compuertas, de las cuales se dispone de dos en cada toma. La situada aguas abajo, utilizada para el servicio normal y la de aguas arriba que sin embargo son de emergencia y se denominan ataguía; y se utilizan para cerrar el paso del agua cuando se necesita inspeccionar o reparar el conducto o la compuerta de servicio. Consisten generalmente de planchas de acero reforzadas con perfiles metálicos que se manejan con puente grúa.
Casa de Máquinas
En su interior están albergadas las turbinas, los generadores, sistemas de control y despacho de carga, etc. La configuración física de la casa de máquinas depende del tipo y números de máquinas instaladas y del tamaño de las mismas. En las instalaciones de eje vertical la estructura de la central suele dividirse verticalmente en niveles.
Turbinas Hidráulicas
La turbina es el elemento que aprovecha la energía cinética y potencial del agua para producir un movimiento de rotación, que transferido mediante un eje al generador produce energía eléctrica.
En cuanto al modo de funcionamiento, las turbinas hidráulicas se pueden clasificar en dos grupos:
Turbinas de acción y Turbinas de reacción
La diferencia entre ambos tipos es que las turbinas de acción aprovechan únicamente la velocidad del flujo del agua para producir el giro, mientras que las de reacción aprovechan, además, la presión que le resta a la corriente en el momento del contacto. Es decir, mientras que las turbinas de reacción aprovechan la altura total disponible hasta el nivel de desagüe, las de acción aprovechan únicamente la altura hasta el eje de la turbina.
Dentro de las turbinas de acción la más conocida es la Pelton, mientras que las turbinas de reacción, las más conocidas, son las Francis y las Kaplan.
Centrales eólicas
Componentes de un aerogenerador
La góndola contiene los componentes clave del aerogenerador, incluyendo el multiplicador y el generador eléctrico. El personal de servicio puede entrar en la góndola desde la torre de la turbina. A la izquierda de la góndola tenemos el rotor del aerogenerador, es decir las palas y el buje.
Las palas del rotor capturan el viento y transmiten su potencia hacia el buje. En un aerogenerador moderno de 600 kW cada pala mide alrededor de 20 metros de longitud y su diseño es muy parecido al del ala de un avión.
El buje del rotor está acoplado al eje de baja velocidad del aerogenerador.
El eje de baja velocidad conecta el buje del rotor al multiplicador. En un aerogenerador moderno de 600 kW el rotor gira muy lento, a unas 19 a 30 revoluciones por minuto (r.p.m.) El eje contiene conductos del sistema hidráulico para permitir el funcionamiento de los frenos aerodinámicos.
El multiplicador tiene a su izquierda el eje de baja velocidad. Permite que el eje de alta velocidad que está a su derecha gire 50 veces más rápido que el eje de baja velocidad.
El eje de alta velocidad gira aproximadamente a 1.500 r.p.m. lo que permite el funcionamiento del generador eléctrico. Está equipado con un freno de disco mecánico de emergencia. El freno mecánico se utiliza en caso de fallo del freno aerodinámico, o durante las labores de mantenimiento de la turbina.
El generador eléctrico suele ser un generador asíncrono o de inducción. En los aerogeneradores modernos la potencia máxima suele estar entre 500 y 1.500 kW.
El controlador electrónico es un ordenador que continuamente monitoriza las condiciones del aerogenerador y que controla el mecanismo de orientación. En caso de cualquier disfunción (por ejemplo, un sobrecalentamiento en el multiplicador o en el generador), automáticamente para el aerogenerador y llama al ordenador del operario encargado de la turbina a través de un enlace telefónico mediante modem.
La unidad de refrigeración contiene un ventilador eléctrico utilizado para enfriar el generador eléctrico. Además contiene una unidad refrigerante por aceite empleada para enfriar el aceite del multiplicador. Algunas turbinas tienen generadores refrigerados por agua.
La torre Soporta la góndola y el rotor. Generalmente es una ventaja disponer de una torre alta, dado que la velocidad del viento aumenta conforme nos alejamos del nivel del suelo. Una turbina moderna de 600 kW tendrá una torre de 40 a 60 metros (la altura de un edificio de 13 a 20 pisos).
Las torres pueden ser bien torres tubulares (como la mostrada en el dibujo) o torres de celosía. Las torres tubulares son más seguras para el personal de mantenimiento de las turbinas ya que pueden usar una escalera interior para acceder a la parte superior de la turbina. La principal ventaja de las torres de celosía es que son más baratas.
El mecanismo de orientación está activado por el controlador electrónico, que vigila la dirección del viento utilizando la veleta. El rotor, compuesto por las palas del rotor y el buje, está situado corriente arriba de la torre y la góndola en la mayoría de los aerogeneradores modernos. Esto se hace sobre todo porque la corriente de aire tras la torre es muy irregular (turbulenta).
Te invito a ver el siguiente recurso para mejorar tu aprendizaje:
Conclusión
A manera de conclusión, en esta clase se pudieron observar las diferentes estructuras principales de las centrales generadoras de energía, entre ellas las centrales termoeléctricas, hidroeléctricas, nucleares, eólicas, etc. Además se propusieron las ideas principales de este tipo de centrales y se proporcionó un enlace a un video donde se explica con mayor profundidad cada uno de estos conceptos, finalmente se concluyó que el tipo de central adecuada depende de las condiciones de cada uno de los diferentes proyectos.
Hasta aquí se concluye la clase. ¡Te felicito, vas muy bien! Te recuerdo que depende mucho de tu entusiasmo por aprender para que vayas descubriendo y relacionando cosas de la vida diaria con la energía eléctrica. Voltea a tu alrededor, ten curiosidad y te darás cuenta de qué tan importante es la electricidad para el mundo. No olvides hacer y mandar como corresponde la tarea asignada. Te espero en tu próxima clase, hasta entonces.
Fuentes de información
- Klempner, G., & Kerszenbaum, I. (2008). Handbook of Large turbo-generators, operation and maintenance. (2a ed.). Wiley-IEEE Press.
- Nag. P. K. (2002). Power Plant Engineering. (2a ed.).Tata McGraw Hill Education.
- Drbal, L., Westra, K., & Boston, P. (Eds). (1996). Power Plant Engineering. Springer EE. UU.