Control y Regulación en Calderas de Centrales Térmicas Convencionales

Los bucles de control permiten controlar una caldera de una central térmica convencional, gestionando:

  • Nivel de agua en el tambor: Debe ser suficiente para producir vapor, pero no tanto como para generar fluctuaciones peligrosas. La variable actuante es la válvula de alimentación.
  • Presión de vapor: Debe ser suficiente para que el suministro de energía sea estable y se ajuste a las demandas de la red eléctrica. La variable es la cantidad de combustible quemado (regulación de combustión).

Si se reduce la demanda de energía eléctrica de la red, se produce una reducción del par resistente del generador. Como la turbina sigue produciendo a carga nominal, el régimen de giro se acelera. La primera actuación de control es la reducción del gasto de vapor a la entrada, pero los vaporizadores siguen produciendo a tasa nominal, lo que provoca un aumento de la presión de vapor en la caldera, junto con la temperatura de cambio de fase del vapor. Esto causa un cambio en el equilibrio líquido-vapor del calderín, aumentando la cantidad de líquido. La segunda actuación es el bombeo de líquido para conseguir que el gasto másico de líquido de entrada a los vaporizadores sea el mismo que el vapor que circula por la turbina. La tercera actuación es la regulación del combustible a la entrada para producir menos calor y reducir la tasa de vaporización, lo que puede variar la opacidad. La cuarta actuación es actuar sobre el aire secundario. Para saber si hay suficiente aire, se mide la concentración de O2 en los humos.

  • Flujo de aire-combustible: Se debe mantener la proporción correcta para asegurar una combustión eficiente y minimizar la formación de contaminantes. Las variables son los ventiladores de aire y las válvulas de suministro de combustible.
  • Temperatura en la entrada a la turbina: Para reducirla, se utilizan atemperadores (Venturi: se mezcla bien líquido con gas). Se aporta agua a mitad del sobrecalentador para que se evapore con gran rapidez, reduciendo la temperatura de los tubos del sobrecalentador secundario y de la turbina. Para aumentarla, se introduce más combustible a la par que se reduce la temperatura de la llama. La transmisión de calor es constante, pero los humos están más calientes (menos radiación y más convección). Esto se consigue con la recirculación de gases de escape.


Regulación en el Ciclo de Vapor de Diferentes Instalaciones

Regulación en el ciclo de vapor de las siguientes instalaciones:

  • Convencional: Las válvulas reguladoras controlan la presión y la temperatura del vapor a lo largo del proceso. Se ajusta la entrada de combustible y aire para satisfacer las demandas de carga eléctrica. Mantener la presión y la temperatura del vapor es crucial para la eficiencia y para prevenir daños en la turbina y otros componentes.
  • Cogeneración: Se controla la extracción de vapor en diferentes puntos del ciclo para utilizarlo en procesos industriales o calefacción. El control debe balancear la producción de energía eléctrica y la entrega de calor.
  • Nuclear: Se controla el flujo de agua refrigerante y la posición de las barras de control para mantener la reacción nuclear estable y segura. La seguridad es la prioridad principal. El control preciso de la temperatura y la presión del vapor es esencial para evitar condiciones de sobrecalentamiento o fugas de radiación.
  • Termosolar: Se regula la orientación de los espejos para maximizar la captura de radiación solar y el uso de sistemas de almacenamiento térmico para mantener la producción de vapor constante. Dado que la disponibilidad de la energía solar es intermitente, es crucial regular el flujo de energía térmica para asegurar una producción eficiente de electricidad.


Gasificación: Transformación de Combustibles de Baja Calidad

El principio de la gasificación es hacer uso de combustibles de baja calidad modificándolos.

Se debe transferir la energía química del combustible a un gas sin combustión. A alta temperatura (700-1000ºC) se puede conseguir que el carbono reduzca el oxígeno presente en la humedad del combustible. Romper la molécula de agua precisa de una gran cantidad de energía.

Se introduce biomasa y aire en un cilindro. Se necesita una atmósfera con oxígeno mínimo. El aire se introduce porque se necesita calor para la reacción endotérmica. Se sacrifica un poco de combustible, generando una combustión parcial que proporciona el calor necesario. Se obtiene syngas: H2 + CO + CH4.

En un proceso ideal, en el que no se sacrifica combustible, la energía química inicial acaba en el gas con un rendimiento del 100%.

Sin embargo, esto no significa que tengan el mismo poder calorífico, ya que el combustible no es capaz de absorber todo el calor y se pierde. Realmente, se aporta más aire del necesario para la combustión para que sea más estable. Se quema más combustible de lo que se quiere y baja mucho la eficiencia, generando mucho CO2 y vapor de agua. Cuanto menos aire se ponga, menos calor “sobr”, mayor rendimiento químico, pero mantener la combustión es un reto.

  • Primera opción: Presurizar el sistema, la transmisión de energía es mayor.
  • Segunda opción: La oxi-combustión mejora la combustión, pues el N2 es inerte.


Se debe separar el CO2 del resto de gases en los humos. Se destina a:

  • Absorción en biomasa: Podría ser introducido en invernaderos para potenciar su conversión en O2. La capacidad de absorción de CO2 es limitada.
  • Almacén en antiguos yacimientos: No son muy grandes y pueden causar desequilibrios en la estabilidad del terreno.
  • Absorción en capas freáticas fósiles: Enviar CO2 a acuíferos profundos aislados del agua de la escorrentía superficial.

Captura de CO2

  • Post-combustión: Se rocían los humos con una lluvia de fluido absorbedor de CO2. A continuación, se separa el CO2 de la solución líquida en un catalizador, lo que requiere un aporte de calor. Esto supone un coste adicional y, además, se deben calentar los humos para asegurar su correcta difusión en la atmósfera.
    • Ventaja: Apto tras un sistema habitual.
    • Desventaja: Caro, gran cantidad de humos.
  • Pre-combustión: Se trata el combustible. La segunda gasificación (shift) produce la oxidación completa del carbono del combustible y H2 puro, un nuevo combustible. Es barato, pero requiere una instalación específica.
  • Oxi-combustión: Combustión con O2 puro para tener solo CO2 y agua, que se condensa. La separación de aire previa es cara. Las temperaturas de llama son mucho mayores (4000-5000ºC). Para evitar el quemado de los tubos, se lleva a cabo una recirculación de los productos de combustión (EGR).


Lecho Fluidizado

Se hace reaccionar combustible sólido con aire. El lecho está formado por el combustible en pedazos y el lecho propiamente dicho (cenizas, piedra caliza…). Objetivos:

  • Poder quemar cualquier cosa, por ejemplo, combustibles de baja calidad o muy variables. Muy adaptado a biomasa, residuos…
  • Poder eliminar el azufre con desulfuración en el mismo sistema de combustión.
  • Evitar la formación de NOx. Se necesita una temperatura de llama muy baja (-1000ºC). Bajar tanto la temperatura puede estropear la combustión: no sería estable y habría muchos inquemados.

La solución es poner una cantidad enorme de inertes. Se coge combustible y aire a ~20ºC y se mezcla con muchos inertes a 750-800ºC. Puesto que la cantidad de inertes es tan grande, la mezcla está a ~700ºC. Se necesita que la mezcla se haga muy rápido. Al inicio habría que empezar con un combustible mejor, se emitirían NOx, pero luego enseguida se utiliza el combustible malo. Como resultado, se obtienen humos con pocas cenizas y pocos NOx.

Lo más normal no es recuperar calor en el reactor, solo mantener la temperatura constante y recuperar algo de calor con tubos externos. La mayoría se recupera posteriormente, y se suelen utilizar los humos para precalentar el aire que entra al reactor.

Las cenizas siguen dos caminos a la salida del ciclón: unas vuelven al reactor directamente y otras se enfrían antes. Modulando la cantidad de cenizas que salen se puede regular la temperatura de la llama (lentamente).


Aportación de aire secundario en el reactor (en algunas instalaciones, no es habitual): En la primera parte de la combustión se quema casi todo el combustible con un dosado ligeramente rico. Tenemos inquemados muy calientes, e inyectando nuevo aire conseguimos las condiciones de una caldera de Reburning, una atmósfera reductora para acabar con los pocos NOx que quedan. Se requiere un reactor más largo.

¿Cómo aprovechar los gases calientes?

  • A la salida del ciclo, poner una turbina de vapor.
  • Se pueden utilizar también para alimentar una turbina de gas, pero hay que presurizar los humos → lecho fluidizado alimentado con aire a presión en una cápsula presurizada como caldera. En este sistema se recupera calor a la salida de la turbina de manera más discreta por las paredes. Problema: la caldera es mucho más cara que las habituales. Presurizar aumenta mucho el coste, pero es un sistema más compacto.

¿Con una caldera de lecho fluidizado el rendimiento del ciclo termodinámico será mayor o menor que en un ciclo combinado con combustible bueno (caro)? El rendimiento depende principalmente de la temperatura del foco caliente. En ciclos de turbina de gas suele estar a 1300ºC. En este tipo de ciclos, como MÁXIMO a 950ºC, por la reducción de los NOx. También hay una pérdida de carga muy elevada en la turbina. Esta diferencia de presión se utiliza para la recirculación de las cenizas y para los filtros en forma de energía cinética, lo que lo paga el compresor. Tenemos un 50% frente a un 60% en un ciclo clásico, pero es aceptable para combustibles malos. El rendimiento es muy superior al que tendría un ciclo clásico con tratamiento de humos posterior para quemar combustible malo.


Tipologías de lecho fluidizado:

  • Burbujeante: Se pueden tener trozos de combustible más grandes, con una corriente de aire de 3 m/s.
  • Circulante: Corriente de 7 m/s. Normalmente, con 2-3 vueltas el combustible se quema completamente. Mantiene el combustible en suspensión en un flujo ascendente de aire, lo que crea un entorno de alta turbulencia que mejora la mezcla de combustible y aire, resultando en una combustión más eficiente y limpia. La turbulencia asegura una mezcla uniforme y constante de combustible y aire, lo que permite una combustión homogénea. Las partículas más ligeras, incluyendo cenizas y material no quemado, son arrastradas hacia la parte superior del reactor, se separan del gas de combustión en un ciclón y se recirculan de nuevo al lecho para asegurar una combustión completa.
  • Presurizado: Instalación más compacta, mayores presiones y densidades, por lo que se puede trabajar a velocidades menores consiguiendo una transmisión de calor igual a la anterior. Se puede utilizar como caldera en un ciclo de turbina de gas.


Problemas Asociados al Diseño del Condensador

  • Posible cavitación de la bomba de condensados: A la salida del condensador se tiene líquido saturado, y a continuación, una bomba de condensados que ayuda a moverlos y aumenta su presión, lo que es un punto susceptible de cavitar. La solución más sencilla y rentable es construir un pozo de condensados, es decir, situar la bomba varios metros por debajo para aumentar la presión de manera natural y evitar el riesgo de cavitación.
  • Posibles depósitos: Pueden deberse a suciedad del refrigerante utilizado. Para solucionarlo, se aplican biocidas de corta duración para no contaminar el agua.
  • Sobreesfuerzo en los tubos: El punto más caliente de todo el volumen del condensador es el que determina la temperatura de cambio de fase. Suele ser la salida del condensador. Se busca la homogeneización para que todos los tubos trabajen por igual. Si hay un tubo que no se calienta, provocará que los demás se calienten mucho más para compensar el efecto, provocando un aumento de la temperatura de cambio de fase. La manera habitual es tener muchos tubos juntos en la parte superior y, a medida que va bajando el vapor, los tubos se van separando.