Un generador de vapor supercrítico es un tipo de caldera que funciona a presión y temperatura supercríticas , frecuentemente utilizado en la producción de energía eléctrica .
A diferencia de una caldera subcrítica en la que se forman burbujas de vapor, un generador de vapor supercrítico funciona por encima de la presión crítica : 22 megapascales (3200 psi ) y una temperatura de 374 °C (705 °F). En estas condiciones, la densidad del agua líquida disminuye suavemente sin cambio de fase, volviéndose indistinguible del vapor . La temperatura del agua cae por debajo del punto crítico a medida que trabaja en una turbina de alta presión y entra al condensador del generador , lo que resulta en un uso ligeramente menor de combustible. La eficiencia de las centrales eléctricas con generadores de vapor supercrítico es mayor que con vapor subcrítico porque la eficiencia termodinámica está directamente relacionada con la magnitud de su caída de temperatura. A presión supercrítica, el vapor a mayor temperatura se convierte de manera más eficiente en energía mecánica en la turbina (como lo indica el teorema de Carnot ).
Técnicamente, el término "caldera" no debe utilizarse para un generador de vapor a presión supercrítica ya que no se produce ebullición.
Los generadores de vapor supercríticos contemporáneos a veces se denominan calderas Benson. [1] En 1922, Mark Benson recibió una patente para una caldera diseñada para convertir agua en vapor a alta presión.
La seguridad era la principal preocupación detrás del concepto de Benson. Los primeros generadores de vapor se diseñaron para presiones relativamente bajas de hasta aproximadamente 100 bar (10 MPa ; 1450 psi ), lo que correspondía al estado de la técnica en el desarrollo de turbinas de vapor en ese momento. Una de sus características técnicas distintivas era el tambor separador de agua/vapor remachado. Estos tambores eran donde terminaban los tubos llenos de agua después de haber pasado por el horno de la caldera.
Estos tambores de cabecera estaban destinados a estar parcialmente llenos de agua y encima del agua había un espacio lleno de deflectores donde se recolectaba el vapor de agua y el vapor de la caldera. Las gotas de agua arrastradas fueron recogidas por los deflectores y devueltas al recipiente de agua. El vapor, mayoritariamente seco, salía del tambor como salida de vapor separada de la caldera. Estos bidones eran a menudo el origen de explosiones de calderas , normalmente con consecuencias catastróficas.
Sin embargo, este tambor podría eliminarse por completo si se evitara por completo el proceso de separación por evaporación. Esto sucedería si el agua entrara a la caldera a una presión superior a la presión crítica (3206 libras por pulgada cuadrada, 22,10 MPa); se calentó a una temperatura superior a la temperatura crítica (706 °F, 374 °C) y luego se expandió (a través de una boquilla simple) para secar vapor a una presión subcrítica más baja. Esto podría obtenerse en una válvula de mariposa ubicada aguas abajo de la sección del evaporador de la caldera.
A medida que continuó el desarrollo de la tecnología Benson, el diseño de la caldera pronto se alejó del concepto original introducido por Mark Benson. En 1929, en la central térmica de Gartenfeld, en Berlín , empezó a funcionar por primera vez una caldera de prueba construida en 1927 en modo subcrítico con la válvula de mariposa completamente abierta. La segunda caldera Benson comenzó a funcionar en 1930 sin válvula presurizadora a presiones entre 40 y 180 bar (4 y 18 MPa; 580 y 2611 psi) en la fábrica de cables de Berlín. Esta aplicación representó el nacimiento de la moderna caldera Benson de presión variable. Después de ese desarrollo, la patente original ya no se utilizó. Sin embargo, se mantuvo el nombre de "caldera Benson".
1957: La unidad 6 en la planta de energía Philo en Philo, Ohio, fue la primera unidad generadora comercial de vapor eléctrico supercrítico del mundo, [2] y podía operar a corto plazo a niveles ultrasupercríticos. [3] Hubo que esperar hasta 2012 para que se inaugurara la primera planta de carbón de EE. UU. diseñada para funcionar a temperaturas ultrasupercríticas: la planta de carbón John W. Turk Jr. en Arkansas . [4]
Se han proyectado dos innovaciones para mejorar los generadores de vapor de un solo paso [ cita necesaria ] :
El 3 de junio de 2014, la organización de investigación del gobierno australiano CSIRO anunció que habían generado "vapor supercrítico" a una presión de 23,5 MPa (3410 psi) y 570 °C (1060 °F), en lo que afirma es un récord mundial para energía solar térmica. energía. [5]
Estas definiciones respecto a la generación de vapor se encontraron en un informe sobre la producción de carbón en China investigado por el Center for American Progress . [6]
El vapor de las centrales nucleares normalmente ingresa a las turbinas a valores subcríticos, para los generadores de vapor de tubo en U, 77 bar (1117 psi) y 294 °C (561 °F), con temperatura y presión comparables a las de los generadores de vapor de un solo paso. [7]
El término "ultrasupercrítica avanzada" (AUSC) o "tecnología de 700 °C" se utiliza a veces para describir generadores donde el agua está por encima de 700 °C (1292 °F). [8]
El término alta eficiencia y bajas emisiones ("HELE") ha sido utilizado por la industria del carbón para describir la generación de carbón supercrítica y ultrasupercrítica. [9] [10]
Mitsubishi Hitachi Power Systems, líder en la industria (a partir de 2019), registra la eficiencia de generación de energía de ciclo combinado de turbinas de gas ( menor poder calorífico ) muy por debajo del 55 % para una temperatura de entrada de la turbina de gas de 1250 °C (2282 °F), aproximadamente el 56 % para 1400 °C (2552 °F), alrededor del 58 % para 1500 °C (2732 °F) y el 64 % para 1600 °C (2912 °F), todos los cuales superan con creces (debido a la eficiencia de Carnot) los umbrales para AUSC o Ultra -tecnología supercrítica, que todavía está limitada por la temperatura del vapor. [11]