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HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA, TECNOLOGÍA, OBJETOS ALREDEDOR DE NOSOTROS
Central térmica. Historia de la invención y la producción.
Directorio / La historia de la tecnología, la tecnología, los objetos que nos rodean. Central térmica (central térmica): una central eléctrica que genera energía eléctrica al convertir la energía química del combustible en energía mecánica de rotación del eje de un generador eléctrico.
En las centrales térmicas, la energía térmica liberada durante la combustión de combustibles fósiles (carbón, turba, esquisto, petróleo, gases) se convierte en energía mecánica y luego en energía eléctrica. Aquí, la energía química contenida en el combustible pasa por un complejo camino de transformaciones de una forma a otra para obtener energía eléctrica. La conversión de la energía contenida en el combustible en una central térmica se puede dividir en las siguientes etapas principales: la conversión de energía química en energía térmica, energía térmica en energía mecánica y energía mecánica en energía eléctrica. Las primeras centrales térmicas (CTE) aparecieron a finales del siglo XIX. En 1882, el TPP se construyó en Nueva York, en 1883, en San Petersburgo, en 1884, en Berlín. La mayoría de las TPP son centrales térmicas de turbinas de vapor. En ellos, la energía térmica se utiliza en una unidad de caldera (generador de vapor).
Uno de los elementos más importantes de la unidad de caldera es el horno. En él, la energía química del combustible se convierte en energía térmica durante la reacción química de los elementos combustibles del combustible con el oxígeno atmosférico. En este caso, se forman productos de combustión gaseosos, que perciben la mayor parte del calor liberado durante la combustión del combustible. En el proceso de calentamiento del combustible en el horno, se forman coque y sustancias volátiles gaseosas. A una temperatura de 600-750 °C, las sustancias volátiles se encienden y comienzan a arder, lo que provoca un aumento de la temperatura en el horno. Al mismo tiempo, comienza la combustión del coque. Como resultado, se forman gases de combustión que salen del horno a una temperatura de 1000-1200 °C. Estos gases se utilizan para calentar agua y producir vapor. A principios del siglo XIX. para obtener vapor, se utilizaron unidades simples, en las que no se distinguían el calentamiento y la evaporación del agua. Un representante típico del tipo más simple de calderas de vapor fue una caldera cilíndrica. Para la industria de energía eléctrica en desarrollo, se requerían calderas que produjeran vapor a alta temperatura y alta presión, ya que es en este estado que da la mayor cantidad de energía. Este tipo de calderas se crearon y se llamaron calderas acuotubulares. En las calderas acuotubulares, los gases de combustión fluyen alrededor de las tuberías por las que circula el agua, el calor de los gases de combustión se transfiere a través de las paredes de las tuberías al agua, que se convierte en vapor.
La caldera de vapor moderna funciona de la siguiente manera. El combustible se quema en un horno con tubos verticales cerca de las paredes. Bajo la influencia del calor liberado durante la combustión del combustible, el agua en estas tuberías hierve. El vapor resultante sube al tambor de la caldera. La caldera es un cilindro de acero horizontal de paredes gruesas lleno de agua hasta la mitad. El vapor se recoge en la parte superior del tambor y sale hacia un grupo de bobinas: un sobrecalentador. En el sobrecalentador, el vapor se calienta adicionalmente por los gases de combustión que salen del horno. Tiene una temperatura superior a la que hierve el agua a una presión dada. Tal vapor se llama sobrecalentado. Después de salir del sobrecalentador, el vapor va al consumidor. En los conductos de la caldera ubicados después del sobrecalentador, los gases de combustión pasan a través de otro grupo de serpentines: un economizador de agua. En él, el agua antes de ingresar al tambor de la caldera se calienta con el calor de los gases de combustión. Aguas abajo del economizador, a lo largo de la ruta de los gases de combustión, generalmente se colocan las tuberías del calentador de aire. En él, el aire se calienta antes de ser alimentado al horno. Después del calentador de aire, los gases de combustión a una temperatura de 120-160 °C salen por la chimenea. Todos los procesos de trabajo de la unidad de caldera están totalmente mecanizados y automatizados. Es atendido por numerosos mecanismos auxiliares accionados por motores eléctricos, cuya potencia puede alcanzar varios miles de kilovatios. Las unidades de caldera de las centrales eléctricas potentes producen vapor de alta presión - 140-250 atmósferas y alta temperatura - 550-580 °C. Los hornos de estas calderas queman principalmente combustible sólido, triturado a estado pulverizado, fuel oil o gas natural. La transformación del carbón a estado pulverizado se realiza en plantas de pulverizado. El principio de funcionamiento de una instalación de este tipo con un molino de tambor de bolas es el siguiente. El combustible ingresa a la sala de calderas a través de cintas transportadoras y se descarga en el búnker, desde el cual, después de las básculas automáticas, es alimentado por un alimentador al molino de carbón. La trituración del combustible tiene lugar dentro de un tambor horizontal que gira a una velocidad de unas 20 rpm. Contiene bolas de acero. El aire caliente calentado a una temperatura de 300-400 °C se suministra al molino a través de una tubería. Cediendo parte de su calor al secado del combustible, el aire se enfría a una temperatura de unos 130 °C y, al salir del tambor, lleva el polvo de carbón formado en el molino al separador de polvo (separador). La mezcla de polvo y aire liberada de partículas grandes sale del separador por arriba y se dirige al separador de polvo (ciclón). En el ciclón, el polvo de carbón se separa del aire y, a través de la válvula, ingresa al búnker de polvo de carbón. En el separador, las partículas grandes de polvo caen y regresan al molino para su posterior molienda. Una mezcla de polvo de carbón y aire se alimenta a los quemadores de la caldera. Los quemadores de carbón pulverizado son dispositivos para suministrar combustible pulverizado y el aire necesario para su combustión a la cámara de combustión. Deben asegurar la combustión completa del combustible creando una mezcla homogénea de aire y combustible. El horno de las calderas modernas de carbón pulverizado es una cámara alta, cuyas paredes están cubiertas con tuberías, las llamadas pantallas de vapor y agua. Protegen las paredes de la cámara de combustión para que no se adhieran a ellas de la escoria formada durante la combustión del combustible y también protegen el revestimiento del desgaste rápido debido a la acción química de la escoria y la alta temperatura que se desarrolla cuando el combustible se quema en el horno. Las pantallas perciben 10 veces más calor por metro cuadrado de superficie que el resto de superficies tubulares de calentamiento de la caldera, que perciben el calor de los humos principalmente por contacto directo con ellos. En la cámara de combustión, el polvo de carbón se enciende y se quema en la corriente de gas que lo transporta. Los hornos de calderas que queman combustibles gaseosos o líquidos también son cámaras cubiertas con pantallas. Se les suministra una mezcla de combustible y aire a través de quemadores de gas o de aceite. El dispositivo de una unidad de caldera de tambor moderna de alta capacidad que funciona con polvo de carbón es el siguiente. El combustible en forma de polvo se inyecta en el horno a través de los quemadores, junto con parte del aire necesario para la combustión. El resto del aire se suministra al horno precalentado a una temperatura de 300-400 °C. En el horno, las partículas de carbón se queman sobre la marcha, formando una antorcha, con una temperatura de 1500-1600 °C. Las impurezas no combustibles del carbón se convierten en cenizas, la mayoría de las cuales (80-90%) se eliminan del horno mediante los gases de combustión formados como resultado de la combustión del combustible. El resto de la ceniza, formada por partículas de escoria pegadas, acumuladas en los conductos de las pantallas del horno y luego desprendidas de ellas, cae al fondo del horno. Después de eso, se recoge en un pozo especial ubicado debajo de la caja de fuego. La escoria se enfría con un chorro de agua fría y luego se lleva a cabo con agua fuera de la unidad de caldera mediante dispositivos especiales del sistema hidráulico de eliminación de cenizas. Las paredes del horno están cubiertas con una pantalla: tuberías por las que circula el agua. Bajo la influencia del calor irradiado por una antorcha encendida, se convierte parcialmente en vapor. Estas tuberías están conectadas al tambor de la caldera, que también recibe agua calentada en el economizador. A medida que los gases de combustión se mueven, parte de su calor se irradia a los tubos de pantalla y la temperatura de los gases disminuye gradualmente. A la salida del horno es de 1000-1200 °C. Con más movimiento, los gases de combustión a la salida del horno entran en contacto con los tubos de las pantallas, enfriándose hasta una temperatura de 900-950 °C. En el conducto de gas de la caldera se colocan tubos de serpentines, a través de los cuales pasa el vapor, formado en los tubos pantalla y separado del agua en el tambor de la caldera. En los serpentines, el vapor recibe calor adicional de los gases de combustión y se sobrecalienta, es decir, su temperatura se vuelve más alta que la temperatura del agua que hierve a la misma presión. Esta parte de la caldera se llama sobrecalentador. Después de pasar entre las tuberías del sobrecalentador, los gases de combustión con una temperatura de 500-600 ° C ingresan a la parte de la caldera en la que se encuentran las tuberías del calentador de agua o el economizador de agua. Una bomba le suministra agua de alimentación con una temperatura de 210-240 °C. Esta alta temperatura del agua se logra en calentadores especiales que forman parte de la planta de turbinas. En el economizador de agua, el agua se calienta hasta el punto de ebullición y entra en el tambor de la caldera. Los humos que pasan entre los conductos del economizador de agua siguen enfriándose y luego pasan al interior de los conductos del aerotermo, en el que el aire se calienta gracias al calor que desprenden los gases, cuya temperatura se reduce entonces a 120 -160 °C. El aire necesario para la combustión del combustible se suministra al calentador de aire mediante un ventilador y se calienta allí a 300-400 °C, después de lo cual ingresa al horno para la combustión del combustible. Los gases de combustión, o salientes, que salen del calentador de aire pasan a través de un dispositivo especial, un colector de cenizas, para eliminar las cenizas. Los gases de escape depurados se emiten a la atmósfera a través de una chimenea de hasta 200 m de altura mediante un extractor de humos. El tambor es fundamental en calderas de este tipo. A través de numerosas tuberías, ingresa una mezcla de vapor y agua de las pantallas del horno. En el tambor, el vapor se separa de esta mezcla y el agua restante se mezcla con el agua de alimentación que ingresa a este tambor desde el economizador. Desde el tambor, el agua pasa a través de tuberías ubicadas fuera del horno a colectores prefabricados, y de ellos a tuberías de pantalla ubicadas en el horno. De esta forma, se cierra el camino circular (circulación) del agua en las calderas de tambor. El movimiento de agua y mezcla vapor-agua según el esquema tambor - tubos exteriores - tubos pantalla - tambor se produce debido a que el peso total de la columna de mezcla vapor-agua que llena los tubos pantalla es menor que el peso del agua columna en los tubos exteriores. Esto crea una presión de circulación natural, proporcionando un movimiento circular de agua. Las calderas de vapor son controladas automáticamente por numerosos reguladores, que son supervisados por el operador. Los dispositivos regulan el suministro de combustible, agua y aire a la caldera, mantienen constante el nivel de agua en el tambor de la caldera, la temperatura del vapor sobrecalentado, etc. Los dispositivos que controlan el funcionamiento de la unidad de caldera y todos sus mecanismos auxiliares se concentran en un panel de control especial. También contiene dispositivos que permiten realizar operaciones automatizadas de forma remota desde este escudo: abrir y cerrar todos los dispositivos de corte en las tuberías, arrancar y parar los mecanismos auxiliares individuales, así como arrancar y parar toda la unidad de caldera en su conjunto. Las calderas acuotubulares del tipo descrito tienen un inconveniente muy importante: la presencia de un tambor voluminoso, pesado y costoso. Para deshacerse de él, se crearon calderas de vapor sin tambores. Consisten en un sistema de tubos curvos, en un extremo del cual se suministra agua de alimentación, y del otro sale vapor sobrecalentado de la presión y temperatura requeridas, es decir, el agua pasa a través de todas las superficies de calentamiento una vez sin circulación antes de convertirse en vapor. Tales calderas de vapor se llaman de un solo paso. El esquema de funcionamiento de dicha caldera es el siguiente. El agua de alimentación pasa por el economizador, luego ingresa a la parte inferior de los serpentines, ubicados helicoidalmente en las paredes del horno. La mezcla vapor-agua formada en estos serpentines entra en el serpentín situado en la chimenea de la caldera, donde finaliza la conversión del agua en vapor. Esta parte de la caldera de un solo paso se denomina zona de transición. Luego, el vapor ingresa al sobrecalentador. Después de salir del sobrecalentador, el vapor se dirige al consumidor. El aire necesario para la combustión se calienta en el calentador de aire. Las calderas de un solo paso le permiten obtener vapor con una presión de más de 200 atmósferas, lo que es imposible en las calderas de tambor. El vapor sobrecalentado resultante, que tiene alta presión (100-140 atmósferas) y alta temperatura (500-580 °C), es capaz de expandirse y realizar trabajo. Este vapor se transfiere a través de tuberías de vapor principales a la sala de máquinas, donde se instalan las turbinas de vapor. En las turbinas de vapor, la energía potencial del vapor se convierte en energía mecánica de rotación del rotor de la turbina de vapor. A su vez, el rotor está conectado al rotor del generador eléctrico. El principio de funcionamiento y el dispositivo de una turbina de vapor se analizan en el artículo "Turbina eléctrica", por lo que no nos detendremos en ellos en detalle. La turbina de vapor será más económica, es decir, cuanto menos calor consumirá por cada kilovatio-hora generado por ella, menor será la presión del vapor que sale de la turbina. Con este fin, el vapor que sale de la turbina no se dirige a la atmósfera, sino a un dispositivo especial llamado condensador, en el que se mantiene una presión muy baja, solo 0,03-0,04 atmósferas. Esto se logra bajando la temperatura del vapor enfriándolo con agua. La temperatura del vapor a esta presión es de 24-29 °C. En el condensador, el vapor cede su calor al agua de enfriamiento y, al mismo tiempo, se condensa, es decir, se convierte en agua - condensado. La temperatura del vapor en el condensador depende de la temperatura del agua de refrigeración y de la cantidad de esta agua consumida por cada kilogramo de vapor condensado. El agua utilizada para condensar el vapor entra en el condensador a una temperatura de 10-15 °C y sale a una temperatura de unos 20-25 °C. El consumo de agua de refrigeración alcanza los 50-100 kg por 1 kg de vapor. El condensador es un tambor cilíndrico con dos tapas en los extremos. Se instalan tableros de metal en ambos extremos del tambor, en los que se fija una gran cantidad de tubos de latón. El agua de refrigeración pasa a través de estas tuberías. Entre los tubos, fluyendo alrededor de ellos de arriba a abajo, pasa el vapor de la turbina. El condensado formado durante la condensación de vapor se elimina desde abajo. Durante la condensación del vapor, la transferencia de calor del vapor a la pared de los tubos por donde pasa el agua de refrigeración es de gran importancia. Si hay incluso una pequeña cantidad de aire en el vapor, entonces la transferencia de calor del vapor a la pared del tubo se deteriora bruscamente; la cantidad de presión que deberá mantenerse en el condensador también dependerá de esto. El aire que inevitablemente ingresa al condensador con vapor y a través de fugas debe eliminarse continuamente. Esto se lleva a cabo mediante un aparato especial: un eyector de chorro de vapor. Para enfriar en el condensador el vapor que ha salido en la turbina se utiliza agua de un río, lago, estanque o mar. El consumo de agua de refrigeración en centrales eléctricas potentes es muy elevado y, por ejemplo, para una central eléctrica con una capacidad de 1 millón de kW, es de unos 40 m3/s. Si se toma agua del río para enfriar el vapor en los condensadores y luego, calentada en el condensador, se devuelve al río, entonces dicho sistema de suministro de agua se denomina de paso único. Si no hay suficiente agua en el río, entonces se construye una presa y se forma un estanque, de un extremo del cual se toma agua para enfriar el condensador y se descarga agua calentada al otro extremo. A veces, para enfriar el agua calentada en el condensador, se utilizan enfriadores artificiales: torres de enfriamiento, que son torres de unos 50 m de altura. El agua calentada en los condensadores de la turbina se suministra a los platos situados en esta torre a una altura de 6-9 m, saliendo a chorros por las aberturas de los platos y salpicando en forma de gotas o de una fina película, el agua fluye mientras se evapora y se enfría parcialmente. El agua enfriada se recoge en una piscina, desde donde se bombea a los condensadores. Tal sistema de suministro de agua se llama cerrado. Examinamos los principales dispositivos utilizados para convertir la energía química del combustible en energía eléctrica en una central térmica de turbina de vapor. El funcionamiento de una central eléctrica que quema carbón es el siguiente. El carbón es alimentado por trenes de vía ancha hasta el dispositivo de descarga, donde, con la ayuda de mecanismos de descarga especiales (volquetes de vagones), se descarga de los vagones a cintas transportadoras. El stock de combustible en la sala de calderas se crea en tanques de almacenamiento especiales: búnkeres. Desde los búnkeres, el carbón ingresa al molino, donde se seca y se muele hasta un estado pulverizado. Una mezcla de polvo de carbón y aire se introduce en el horno de la caldera. Cuando se quema polvo de carbón, se producen gases de combustión. Después del enfriamiento, los gases pasan a través del colector de cenizas y, después de haber sido limpiados de cenizas volantes, se arrojan a la chimenea. Las escorias y las cenizas volantes de los colectores de cenizas que han caído de la cámara de combustión son transportadas por agua a través de canales y luego bombeadas al vertedero de cenizas. El aire de combustión es suministrado por un ventilador al calentador de aire de la caldera. El vapor sobrecalentado de alta presión y alta temperatura, obtenido en la caldera, se alimenta a través de tuberías de vapor a la turbina de vapor, donde se expande a muy baja presión y va al condensador. El condensado formado en el condensador es tomado por la bomba de condensado y alimentado a través del calentador al desaireador. El desaireador elimina el aire y los gases del condensado. El agua sin tratar que ha pasado por el dispositivo de tratamiento de agua también ingresa al desaireador para compensar la pérdida de vapor y condensado. Desde el tanque de alimentación del desaireador, el agua de alimentación se bombea al economizador de agua de la caldera de vapor. El agua para enfriar el vapor de escape se toma del río y se envía al condensador de la turbina mediante una bomba de circulación. La energía eléctrica generada por el generador conectado a la turbina es desviada a través de transformadores eléctricos elevadores a través de líneas eléctricas de alta tensión hasta el consumidor. La potencia de las centrales térmicas modernas puede alcanzar los 6000 megavatios o más con una eficiencia de hasta el 40%. Las centrales térmicas también pueden utilizar turbinas de gas natural o de gas combustible líquido. Las centrales eléctricas de turbinas de gas (GTPP) se utilizan para cubrir los picos de carga eléctrica. También existen centrales eléctricas de ciclo combinado en las que la central eléctrica consta de unidades de turbina de vapor y turbina de gas. Su eficiencia alcanza el 43%. La ventaja de las centrales térmicas frente a las hidroeléctricas es que se pueden construir en cualquier lugar, acercándolas al consumidor. Funcionan con casi todos los tipos de combustibles fósiles, por lo que pueden adaptarse al tipo disponible en la zona. A mediados de los años 70 del siglo XX. la participación de la electricidad generada en las centrales térmicas fue de aproximadamente el 75% de la generación total. En la URSS y los EE. UU. fue incluso mayor: 80%. La principal desventaja de las centrales térmicas es un alto grado de contaminación ambiental con dióxido de carbono, así como una gran área ocupada por vertederos de ceniza. Autor: Pristinsky V.L.
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