Generalidades de los sistemas de energía eléctrica

CentralestérmicasJosé Manuel Arroyo SánchezÁrea de Ingeniería EléctricaDepartamento de Ingeniería Eléctrica, Electrónica, Automática y ComunicacionesUniversidad de Castilla – La Mancha1

Centrales térmicas convencionalesPrincipio de funcionamientoConversión energética química-térmicamecánica-eléctrica:• El combustible (carbón, fuel, gas) se quema enla caldera ⇒ Vapor de agua• Turbina de vapor ⇒ Energía mecánica a partirdel vapor a alta presión (expansión adiabática)• Generador ⇒ Conversión energía mecánica eneléctrica3

Centrales térmicas convencionalesEsquema4

Centrales térmicas convencionalesComponentes1. Caldera: Se quema combustible ⇒ Conversiónenergía química a térmica ⇒ CalorAgua ⇒ Vapor a altas temperatura ypresión (alrededor de 540 ºC y 170 bar)Gases de combustión a atmósfera ⇒Equipos de reducción de emisiones5

Centrales térmicas convencionalesComponentes1. Caldera:Generador de vaporAlimentador de agua a la calderaDepurador del agua de alimentación6

Centrales térmicas convencionales↑↑ rendimiento de la caldera• PrecalentadoresPrecalienta el aire de combustión con vapor Precalienta el agua con el aire decombustión• Economizador ⇒ Precalienta el agua congases de combustión• Sobrecalentador o recalentador primario ⇒Deja el vapor sin humedad7

Centrales térmicas convencionalesComponentes2. Parque de almacenamiento de combustible ⇒descarga y alimentaciónSólido (carbón)Líquido (fuel-oil)Gaseoso (gas natural)8

Centrales térmicas convencionales3. Turbina de vapor:ComponentesCiclo de Rankine ⇒ Diferencia de entalpía⇒ Movimiento de álabes ⇒ Giro de turbina⇒ Energía mecánica de rotaciónAcoplada al eje del generador↑ rendimiento ⇒ Grupos de alta, media ybaja presión9

Centrales térmicas convencionalesGrupos de alta, media y baja presión• Recalentador (recalentador secundario) ⇒Calienta parte del vapor de salida de la turbinade alta presión10

Centrales térmicas convencionales4. Alternador:Componentes Conversión de energía mecánica derotación en energía eléctrica2 polos ⇒ 3000 rpmDiámetro pequeño, gran longitud axial• Alojado en el edificio de turbinas junto con laturbina y el condensador11

Centrales térmicas convencionalesComponentes5. Transformador ⇒ ↑ Tensión (de 6-20 kV a132, 220, 400 kV)6. Red de transporte7. CondensadorTransforma vapor de agua en agua líquida(incorporación al ciclo) Agua (mar, río) o circuito cerradorefrigerado por aire (torre de refrigeración)12

Centrales térmicas convencionalesComponentes8. Bomba ⇒ Circulación agua de refrigeración9. Equipo de reducción de emisionesCaptación de contaminantes de gases decombustión Precipitadores electrostáticos (uso decampos eléctricos, η = 99%), plantas dedesulfuración (SO x → yeso)13

Centrales térmicas convencionalesComponentes10. Chimenea ⇒ Envío de gases (CO 2 ) aatmósfera11. Torre de refrigeración ⇒ Enfría el agua delcircuito de refrigeraciónAire recorre interior en sentido ascendenteAgua cae en forma de gotas14

Centrales térmicas convencionalesOtros componentes• Departamento eléctricoCuadros de maniobra y medidasSubestación transformadora elevadora• Edificio de servicios auxiliaresParque de transformadores de serviciosauxiliaresAparamenta de media y baja tensión15

Centrales térmicas convencionalesCircuitos• Circuito aire-combustible-gases-cenizas• Circuito agua-vapor• Circuito agua de refrigeración• Circuitos eléctricos• Circuitos auxiliares (tratamiento del agua,circuitos de mando)16

Centrales térmicas convencionalesCircuitosCircuito aire-combustible-gases-cenizasCircuito agua-vaporCircuito energía eléctrica17

Centrales térmicas convencionalesTecnología de lecho fluidizado• Combustión del carbón en lecho compuesto de:Partículas de carbónCenizas de carbónAbsorbente alcalino (caliza) suspendido poruna corriente ascendente de aire• ↑ superficie de contacto aire-partículasreaccionantes ⇒↑ rendimiento de combustión18

Centrales térmicas convencionalesInconvenientes• Dependencia del poder calorífico delcombustible ⇒ Poco eficientes (45%)• Rigidez en su conexión y desconexión• Humos: desulfurizador de humos• Partículas sólidas ⇒ Precipitador electrostático• Residuos ⇒ Tecnología de lecho fluidizado• ↑↑ consumo propio de energía (6-8%)19

Centrales térmicas convencionales20

Centrales térmicas especialesCentrales con turbina de gas• Compresor ⇒ Aspira y comprime aire ⇒Inyección a cámara de combustión• Se quema combustible ⇒ Chorro de gasescalientes (1300 ºC) a alta presión (30 bar) ⇒Movimiento turbina de gas (ciclo Brayton) ⇒Alternador gira• Combustible líquido, gaseoso (gas natural) eincluso sólido (carbón pulverizado)• ↑ costes de operación, ↓ costes de inversión21

Centrales térmicas especialesTurbina de gas vs. turbina de vapor• Cámara de combustión sustituye a caldera• Turbina accionada por gases de combustión enlugar de vapor22

Centrales térmicas especialesTurbina de gas vs. turbina de vapor• Mecánicamente más sencilla que la de vapor• Menor contaminación• No requiere un motor eléctrico o de combustióninterna para el arranque• Apenas consume agua de refrigeración• Tiempo de arranque ≤ 50 segundos• Puesta en marcha en 15-20 segundos trasarranque23

Centrales térmicas especialesCentrales de ciclo combinado• Ciclo de turbina de gas y ciclo de turbina devapor• Gases de salida de la turbina de gas ⇒Producción de vapor de agua ⇒ Turbina devapor• Puede haber 1 ó 2 generadores24

Centrales térmicas especiales25

Centrales térmicas especiales1. Estación de Regulación y Medida (ERM)Purificación del gas y medida de cantidad ycalidad (poder calorífico)Regulación de presión (30-45 atmósferas)2. Turbina de gasCombustión de gas natural ⇒ Movimientode álabes de turbina ⇒ Giro de alternador Gases de escape (650 ºC, presiónatmosférica)26

Centrales térmicas especiales3. Casa de filtrosPurificación del aire aspirado por compresor4. Alternador acoplado a turbina de gas5. Transformador6. Red eléctrica de transporte o distribución7. Caldera de recuperaciónUso energía calorífica de gases de escape27

Centrales térmicas especiales8. Turbina de vapor9. Alternador acoplado a turbina de vapor10. Condensador11. Bomba12. Torre de refrigeración28

Centrales de ciclo combinadoVentajas• ↑ rendimiento global (60%)• Eliminación del ventilador del aire que alimentala caldera, y del ventilador aspirante de losgases de la combustión (reemplazados por laturbina de gas)• Arranque más rápido y ↑ gradiente de carga• ↓ Contaminación29

Centrales de ciclo combinadoVentajas• Costes de inversión razonables• Más flexibles, gran modularidad• Menor tamaño y menor tiempo de construcción30

Centrales térmicas especialesELCOGAS• Módulo de gasificación: combustible → gas• Módulo de ciclo combinado• Unidad de fraccionamiento de aire ⇒ Oxígenorequerido en la combustión31

Centrales térmicas especialesELCOGAS32

Centrales térmicas especialesCentrales con motor diesel• Máquina motriz: motor diesel acoplado algenerador• Centrales de media y pequeña potencia(empleadas en la industria privada)33

Centrales con motor dieselVentajas• Puesta en marcha rápida• Rendimiento elevado ⇒ economía de servicio• Seguridad y elasticidad de marcha ⇒centrales de reserva o de punta• Instalación simple• Pequeño consumo de agua refrigerante34

Centrales con motor dieselDesventajas vs. turbina de gas• ↑ Coste de adquisición• ↓ Velocidad de funcionamiento para potenciaselevadas ⇒ ↑ espacio, ↑ peso, instalaciónmás cara• ↑ Coste de mantenimiento35

Centrales térmicas en EspañaNombrePotencia(MW)Primera conexión a redPuentes 1468 1976Compostilla II 1170 1961Teruel 1101 1979Castellón I 1083 1973San Adrián 1050 1973Santurce 919 1969Bahía de Algeciras 753 197036