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Central térmica

Central térmica

Para a conversão de energia fóssil em energia elétrica, a tecnologia de uma usina termelétrica é freqüentemente usada. No momento em que uma usina térmica é um combustível fóssil fossilizado a partir de uma fonte de geração de energia não renovável.

Uma usina termelétrica (ou usina termelétrica) é uma usina que gera eletricidade ao transformar o calor. Historicamente, a energia térmica é convertida em eletricidade, transferindo calor para um fluido de trabalho e, em seguida, transformando a energia desse fluido em energia mecânica. Finalmente, a energia mecânica é transformada em eletricidade. A usina térmica típica é dividida em vários segmentos: a área da caldeira na qual o calor é transferido para o fluido de trabalho, uma turbina, um alternador e um condensador.

Os principais ciclos termodinâmicos explorados nessas plantas são o ciclo de Rankine, possivelmente superaquecido, e o ciclo de Brayton-Joule, e suas combinações possíveis, mesmo se não houver estações centrais equipadas com motores de ciclo diesel ou com outros tipos de ciclos.

Do ponto de vista da fonte de energia, virtualmente qualquer substância pode ser usada para produzir eletricidade. Entre os combustíveis mais comuns estão os combustíveis fósseis (carvão, petróleo e gás natural), urânio e plutônio em usinas nucleares, mas combustíveis menos convencionais também podem ser usados, por exemplo, lodo. Neste caso, falamos de fontes de energia não renováveis, mas a fonte térmica também pode ser a radiação solar. Neste caso, trata-se de usinas de energia renovável, instalações térmicas solares.

Usinas térmicas a vapor

Usinas de vapor térmico são caracterizadas pelo uso de água ou outro líquido, que é encontrado em duas fases diferentes durante o ciclo de trabalho, muitas vezes na forma de vapor e líquido. Nos últimos anos, as tecnologias supercríticas também se espalharam, o que levou à ausência de uma transição de fase, propriamente dita, que costumava ser a característica dessas instalações.

Estas usinas térmicas podem ser divididas em várias seções: a linha de energia, o gerador de vapor, a turbina a vapor e o condensador. Embora a definição de usina termelétrica seja bastante restritiva, podem ser observados diferentes tipos de ciclos termodinâmicos que satisfazem esses requisitos, em particular os mais difundidos são os ciclos Rankine e os ciclos Hirn.

Linha de alimentação de uma central térmica a vapor

Antes de entrar na caldeira, a água de alimentação passa por uma fase de pré-aquecimento e compressão. De facto, ao entrar na caldeira, existem vários regeneradores, isto é, permutadores de calor em que o vapor, parcialmente ou completamente expandido, pré-aquece o fluido de trabalho. Isso permite entrar no gerador de vapor a temperaturas mais altas, o que resulta em maior eficiência da planta.

Um desgaseificador é frequentemente fornecido dentro da linha de fornecimento de calor. Reduzir a presença de incondensável no fluido de trabalho. A compressão do fluido de trabalho pode ocorrer em uma única bomba na descarga do condensador, uma solução preferencial em plantas pequenas, ou em mais bombas ou turbo bombas colocadas adequadamente ao longo de toda a linha de fornecimento, uma solução mais ideal em grandes usinas térmicas a vapor.

Gerador de vapor

No gerador de vapor de uma central térmica, a água a pressão constante é levada ao ponto de ebulição. A água sofre uma transição de fase e é freqüentemente superaquecida na forma de vapor. Isto é conseguido por meio de um trocador de calor adequadamente projetado dividido em diferentes partes: o economizador, o evaporador e o superaquecedor. Estes podem ser trocados por um líquido, geralmente óleo diatérmico ou água sob pressão, ou com gases quentes produzidos pela combustão, esta é a configuração mais comum para plantas maiores.

Para sistemas particularmente grandes, os trocadores são colocados na própria câmara de combustão e também obtêm uma troca radiativa com as chamas. É dada especial atenção para evitar o sobreaquecimento dos permutadores de calor, uma vez que isso poderia resultar numa redução da sua vida útil ou, pior, na sua falha estrutural que causaria danos consideráveis ​​ao sistema.

Plantas supercríticas

Nos sistemas supercríticos, o líquido de trabalho não sofre mais uma transição de fase real, a pressão está acima do ponto crítico, no entanto, a estrutura é similar, mesmo se as distinções entre os três tipos de bancos forem muito menores. No entanto, ainda existem três zonas: uma em temperaturas relativamente baixas, onde o fluido de trabalho é líquido, outro em temperaturas próximas ao ponto crítico e áreas onde o fluido está no estado gasoso. Esta solução, que envolve a passagem do fluido para um estado supercrítico, é usada particularmente para grandes usinas de energia a vapor ou para usinas menores com fluidos orgânicos, neste caso, para melhor aproximar a curva de resfriamento. Dos gases com os quais o calor é trocado.

Expansão de vapor na turbina

O vapor que sai do gerador de vapor é enviado para uma máquina, geralmente uma turbina a vapor ou, mais raramente, uma máquina alternativa (motor de ancoragem). A primeira parte da expansão é muitas vezes realizada através de um estágio inicial de ação, muitas vezes na forma de alguns estágios de Curtis, para garantir a possibilidade de parcializar e ajustar a turbina às diferentes cargas.

Posteriormente, apenas os estágios de reação seguem devido à sua maior eficiência. Para grandes centrais eléctricas, em algum momento da expansão, o vapor é enviada de volta para o gerador de vapor para o reaquecimento, para aumentar o trabalho extraído da turbina e, simultaneamente, reduzir a presença de condensado na descarga do mesmo, se líquidos são usados. pequeno complexo.

O vapor, sobreaquecido ou não, continua a expandir-se na turbina, expandir e arrefecer, isso pode provocar um fluxo de volume excessivo precauções especiais envolvendo tanto a estrutura de revestimento e, possivelmente, a utilização de múltiplos andares de turbina.

Na área de baixa pressão, que trabalha com um líquido simples, há uma condensação parcial do fluido de trabalho, isto pode ser extremamente prejudicial para a turbina de vapor e as gotículas de água líquida não seguem a mesma caminhos de vapor, resultando em um martelo e danos aos paletes. Uma vez terminada a expansão, o vapor sai da turbina e enviada para o condensador, para fluidos simples, ou uma têmpera seguida fluido com um condensador de saturação retrógrada sino.

Durante a expansão, em grupos grandes de água e de vapor, um vapor de amostra em diferentes secções da turbina é feita: este vapor é utilizado em permutadores de calor para o ciclo de aquecimento de água antes de entrar na caldeira. Além disso, as enormes perdas de vapor, devido a fugas nas diferentes secções discretas da turbina (dadas as altas pressões e temperaturas que o sistema de fecho não está a funcionar) geralmente transferida para um permutador de calor e, em seguida reinserido na circuito; Os altos custos de desmineralização de água e superaquecimento justificar o uso deste recuperação de energia e material.

Condensador

O condensador de uma central térmica é o componente no qual ocorre a condensação do fluido de trabalho. Este instrumento está a pressões muito baixas em ciclos de água, enquanto pode ser a pressões mais altas, até mesmo mais altas que pressões atmosféricas, para ciclos alimentados com outros fluidos de trabalho. Em ciclos de água, ou em qualquer caso com fluidos com baixa pressão na temperatura de condensação, é essencial ter um condensador capaz de evitar vazamentos de ar dentro do condensador, uma vez que o oxigênio que finalmente entra no fluido de trabalho é particularmente agressivo. o tempo que o fluido de trabalho será levado a altas temperaturas.

Conversão de energia mecânica em energia elétrica e o principal sistema elétrico da usina

A expansão do vapor na turbina permite a transferência de energia mecânica para as pás do rotor. O torque resistivo necessário para estabilizar a rotação do rotor é absorvido pelo alternador, um gerador síncrono trifásico conectado diretamente ao sistema elétrico principal da usina e indiretamente, por meio da estação de aumento de tensão e os interruptores colocados no barramentos, para a rede de transmissão elétrica.

De fato, esse par de resistência é convertido em energia elétrica através de fenômenos de conversão eletromagnetomecânica da energia presente no alternador. Além disso, o sistema de excitação do gerador síncrono DC,

Desmineralização da água

A água utilizada nos ciclos das usinas termelétricas pode ser água do mar ou água doce subterrânea ou fluvial. Com base em sua origem, passará por um tratamento prévio diferente, que no caso da água salgada é chamado de dessalinização.

O tratamento prévio da água é realizado em tanques para floculação e precipitação de substâncias sólidas agrupadas em flocos obtidos através de produtos químicos. A água é purificada a partir de resíduos sólidos e substâncias impuras.

Plantas com fluidos e misturas complexas de trabalho

Existem aplicações que exploram fluidos de alta complexidade molecular, portanto, com moléculas com alto grau de liberdade. O sino de saturação dos fluidos complexos é decididamente deformado em comparação com os fluidos mais simples, isso permite que um fluido de exaustão da turbina ainda esteja em um estado de vapor, que geralmente é resfriado inicialmente por meio de um trocador até sua temperatura de saturação. Possivelmente em uma ordem de cogeração ou pré-aquecimento do fluido condensado.

Outras aplicações exploram misturas de fluidos, apropriadamente selecionadas, para explorar características particulares das misturas resultantes. As misturas, se sintetizadas e operadas corretamente, podem apresentar curvas de condensação de bolhas e / ou não-isotérmicas, o que permite a exploração de fontes térmicas particulares não-isotérmicas, como os gases de exaustão de uma planta de pequeno porte, ou mais fácil. Dimensionamento de uma recuperação de calor por cogeração da fase de arrefecimento e condensação.

Usinas a gás

Este tipo de usina termelétrica é caracterizado pelo uso de um fluido na forma de um gás que não sofre transições de fase. As plantas deste tipo geralmente consistem em quatro seções: compressão de gás, aquecimento a gás, expansão de gás, exaustão ou resfriamento a gás. Normalmente, essas seções são unidas em um turbogas.

A compressão de gás geralmente ocorre através de um turbocompressor axial, ou para sistemas radiais menores, é típico ter os primeiros estágios móveis do estator para permitir que a máquina seja controlada com mais facilidade. Durante a compressão, para máquinas grandes, é prática comum que o ar seja soprado e depois resfrie a câmara de combustão e a turbina.

O gás de aquecimento pode ser feito por meio de um permutador de calor, quando necessário combustão separada do fluido de trabalho, ou mais vulgarmente, em uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado no fluido de trabalho necessariamente manter o ar ou oxigénio. A expansão ocorre em uma turbina que geralmente é totalmente reactiva, uma vez que já não é necessário para operar a máquina de controlar. No caso de plantas que operam com o ar, há também um filtro importante e purificar a seção de entrada de ar.

Filtração de ar

A presença de poluentes sólidos no ar é um problema muito sensível em plantas de gás e faz com que a instalação de filtros de purificação específicos impeça sua entrada na máquina. De fato, esses contaminantes poderiam derreter devido às altas temperaturas atingidas na turbina e se solidificarem nas pás da turbina, o que causaria, ao longo do tempo, desgaste excessivo da máquina.

Além disso, mesmo para turbinas com temperaturas relativamente baixas, as partículas podem entrar nos dutos de resfriamento da turbina e obstruí-las, o que provoca um superaquecimento local da máquina que pode causar a falha estrutural da mesma.

Tecnologia de ciclo combinado a vapor de gás

A fim de aumentar a eficiência energética das usinas termelétricas, o uso de ciclos combinados de gás e vapor foi ampliado nos últimos anos. O ciclo combinado de gás e vapor é baseado em um turbogas composto por um compressor, conectado à turbina e ao alternador, que injeta ar de combustão da atmosfera na câmara de combustão. A mistura de ar e gás injetado é queimada na câmara de combustão e os gases de exaustão são usados ​​para obter trabalho mecânico na turbina.

Uma caldeira de recuperação subsequente usa os mesmos fumos quentes que saem da turbina para gerar vapor, que então se expande em uma turbina a vapor para gerar mais trabalho. Em geral, as usinas de ciclo combinado têm a vantagem de um menor impacto ambiental em termos de emissões, uma vez que utilizam combustíveis leves, como gás metano ou óleo diesel, além de menor uso de água para condensação.

Eles também têm uma eficiência muito maior do que as usinas termelétricas tradicionais, já que os gases de escape são usados ​​para gerar vapor e gerar eletricidade novamente. Esse desempenho (elétrico) chega a quase 60%. No caso da cogeração (electricidade e calor), em comparação com um rendimento de primeira classe de cerca de 87%, observa-se uma ligeira diminuição do desempenho da eletricidade.

Redução de poluentes

Todas as usinas termelétricas são obrigadas a controlar suas emissões, o que é particularmente relevante para usinas de grande porte onde há uma seção importante para reduzir os poluentes.

Redução de óxidos de enxofre

Óxidos de enxofre, que são uma das causas da chuva ácida, são geralmente o resultado da combustão do carvão e são estritamente regulados. Então eles são cortados, dependendo de quando eles são removidos, existem três tipos de extração: pré-combustão, caldeira, pós-combustão.

A redução da pré-combustão só pode ocorrer se o carvão puder ser pré-tratado, como nas fábricas de IGCC, por isso é um processo bastante raro.

A destruição na caldeira é feita pela injeção de compostos de cálcio que se ligam ao enxofre para dar gesso inerte.

A redução do pós-combustão é feita através da lavagem dos fumos com uma solução de compostos de cálcio que formam o gesso, esta configuração é preferida para plantas grandes, já que o gesso é produzido puro, portanto, pode ser vendido, evitando grandes custos de descarte.

Oxidação de óxidos de nitrogênio

A redução de óxidos de nitrogênio é um problema comum em todas as plantas de combustão. Em geral, sua produção é efetivamente limitada já na origem através de um projeto adequado dos queimadores e uma distribuição igualmente estudada das correntes de ar dos alimentos para a caldeira ou queimador, evitando porções de gases de combustão a temperaturas excessivamente altas. alta Se este poluente ainda é relevante, purificadores especiais com amônia ou uréia são usados.

Remoção de cinzas

A redução de cinzas é um problema típico das usinas de combustível fóssil a carvão e combustível, uma vez que as usinas a gás usam combustível limpo e ar filtrado. O problema também está relacionado às cinzas leves, que são arrastadas pelo fluxo de ar até a chaminé. Em seguida, as cinzas são cortadas através de uma série de filtros eletrostáticos, ciclones e coberturas de filtro de eficiência crescente para trazer as emissões dentro dos limites legais. A cinza mais pesada, por outro lado, é facilmente removida da caldeira e enviada para um tratamento apropriado e depois depositada em aterros sanitários. Configurações particulares de plantas de plantas avançadas, como o IGCC mencionado acima, também podem ser usadas para reparar essas cinzas pesadas,

Captura de dióxido de carbono

Nos últimos anos, quando os poluentes tradicionais foram reduzidos, grande atenção foi dada à redução das emissões de dióxido de carbono devido à sua contribuição para o efeito estufa. Essa necessidade tem impulsionado plantas cada vez mais eficientes e o desenvolvimento e experimentação de plantas com captura e seqüestro de carbono. As técnicas de separação estão divididas em três grupos principais:

A captura pré-combustão fornece a remoção de carbono e combustível que é alimentado para a planta, que, portanto, é trabalhar praticamente queimando apenas hidrogênio.

combustão oxicorte envolve combustível em atmosfera de oxigénio puro, de modo que possa, em seguida, facilmente separar o dióxido de carbono a partir de outros componentes sem o grande diluição típico do ar de combustão.

A captura pós-combustão fornece, com técnicas semelhantes àquelas pós-combustão para a eliminação de óxidos de enxofre, para remover o dióxido de carbono do fluxo para a descarga da planta.

O dióxido de carbono separados neste momento é armazenado em aquíferos exaustas ou profundas ou, mais economicamente, a última técnica é bombeado para depósitos activos, de acordo com a técnica de recuperação de óleo forçado, se combinado com um imposto sobre forte emissões, é a mais promissora economicamente.

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Última revisão: 19 de fevereiro de 2019