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APRESENTAÇÃO ROTEIRO GTD – 08 (Dezembro 2013 a Março de 2014)

I.7.11 CENTRAIS TERMELÉTRICAS

I.7.11.1 Definições e Classificação

• São denominadas de centrais termelétricas as que produzem eletricidade a partir da energia química ou nuclear de certos elementos denominados combustíveis, recebendo a denominação de centrais termelétricas convencionais e centrais termelétricas nucleares, respectivamente;

• A produção da energia térmica pode se dar pela transformação da energia química dos combustíveis, através do processo da combustão, ou da energia nuclear dos combustíveis radioativos, através da fissão nuclear;

• Centrais cuja geração é baseada na combustão são conhecidas como termoelétricas e as outras, comumente são denominadas de centrais nucleares;

• Centrais elétricas convencionais de combustão externa: São aquelas em que o combustível não entra em contato com o fluído de trabalho. É um processo usado principalmente nas centrais termoelétricas a vapor, onde o combustível aquece o fluído de trabalho (em geral água) em uma caldeira até gerar o vapor que, ao se expandir em uma turbina, produzirá trabalho mecânico;

• Centrais elétricas de combustão interna: A combustão se efetua sobre uma mistura de ar e combustível. Dessa maneira, o fluído de trabalho será o conjunto de produtos da combustão. Este é o processo usado principalmente nas turbinas a gás e nas máquinas térmicas a pistão, como os motores diesel, por exemplo.

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Os principais ciclos termodinâmicos que uma central termelétricapode operar são:− Ciclo Rankine− Ciclo Brayton− Ciclo Combinado.− Ciclo de Motores

• Um ciclo termodinâmico se constitui de uma sequência de processos após os quais a matéria que o experimentou retorna ao estado inicial;

• Esses ciclos têm por objetivo representar as transformações dos fluidos, que são determinadas pela temperatura, pressão e volume, sendo que dois destes são escolhidos para serem controlados, dependendo do processo;

• As plantas em ciclo combinado representam a integração dos dois ciclos:Rankine da turbina a vapor e Brayton da turbina a gás.

I.7.11.1 Definições e Classificação (Continuação)

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I.7.11.1 Definições e Classificação (Continuação)

• O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas a vapor comumente encontrados em estações de produção de energia. Neste ciclo termodinâmico a água é transformada em vapor, e o vapor é usado para acionar uma turbina para produzir energia. O ciclo é completado em um condensador onde o vapor de exaustão é resfriado e a água resultante é devolvida a um trocador de calor para iniciar o processo;

• Existem quatro processos num ciclo Rankine, indicados na Figura 1:

Figura 1 - Diagrama esquemático do ciclo Rankine

Fase 4-1 Compressão: o fluido é bombeado de uma pressão baixa para uma pressão alta utilizando-se uma bomba. O bombeamento requer algum tipo de energia para se realizar ;

− Fase 1-2 Transferência de calor isobárica: o fluido pressurizado entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se tornar vapor superaquecido;

− Fase 2-3 Expansão: o vapor superaquecido expande através de uma turbina para gerar trabalho. Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem;

− Fase 3-4 Transferência de calor: o vapor então entra num condensador, onde ele é resfriado até a condição de líquido saturado. Este líquido então retorna à bomba e o ciclo se repete.

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• O ciclo Brayton se constitui de quatro etapas: compressão, adição de calor, expansão e rejeição de calor;

I.7.11.1 Definições e Classificação (Continuação)

Fase 1-2: O ar em condição ambiente passa pelo compressor, onde ocorre compressão adiabática (não há trocas de calor com o ambiente) e isentrópica (entropia constante), com aumento de temperatura do ar e consequente aumento de entalpia (medida da energia do sistema que está disponível na forma de calor);

− Fase 2-3: Uma vez comprimido, o ar é direcionado às câmaras, onde mistura-se com o combustível possibilitando queima e aquecimento, à pressão constante;

− Fase 3-4: Ao sair da câmara de combustão, os gases de combustão, à alta pressão e temperatura, se expandem conforme passam pela turbina, idealmente sem variação de entropia (mede a parte da energia que não pode ser transformada em trabalho). Na medida em que o fluido exerce trabalho sobre as palhetas, reduzem-se a pressão e temperatura dos gases, gerando-se potência mecânica. A potência extraída através do eixo da turbina é usada para acionar o compressor e eventualmente para acionar outra máquina;

− Fase 4-1: a quarta etapa não ocorre fisicamente, se tratando de um ciclo termodinâmico aberto. Conceitualmente, esta etapa representa a transferência de calor do fluido para o ambiente.

Figura 2 - Diagrama esquemático do ciclo Brayton

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I.7.11.2 Centrais Diesel

• São muito usadas em potências até 40 MW. No Brasil, seu uso é disseminado para alimentação de sistemas isolados, em regiões longínquas sem outra fonte de geração;

• Apresentam limitações relacionadas com: potência, ruído, vibração. Tem como vantagens, a rápida entrada em carga, fácil operação e fácil plano de manutenção. E, como problemas: a dificuldade de aquisição de peças de reposição e seu transporte (dificuldade acentuada para locais distantes), os altos custos do combustível.

• A Figura 3 apresenta o esquema de uma Central Diesel

Figura 3 - Esquema de uma central a Diesel

6Figura 4 - Usina Térmica de Triunfo

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Figura 5 - Grupo gerador diesel nº 2 da UTE de Triunfo

8Figura 6 – Tanques de armazenamento de óleo diesel da UTE de Triunfo

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I.7.11.3 Centrais a Vapor

• Nas centrais termelétricas convencionais, o carvão e o óleo são os principais combustíveis, sendo o carvão o mais comum. Nestas centrais o combustível é queimado e o calor liberado na combustão é convertido em eletricidade através da geração de vapor, que se expande na turbina a vapor;

• As turbinas a vapor são máquinas de combustão externa - os gases resultantes da queima do combustível não entram em contato com o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os processos de conversão da energia do combustível em potência de eixo. Devido a isto, apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo usar inclusive aqueles que produzem resíduos sólidos (cinzas) durante a queima;

• O acionamento da turbina se produz pela expansão do vapor de alta pressão procedente de uma caldeira convencional. As paredes da fornalha são recobertas com tubos contendo água. O calor da combustão evapora a água produzindo vapor d’água a elevada pressão e temperatura. Estes tubos formam o evaporador da caldeira. O vapor produzido na caldeira alimenta a turbina que move o gerador elétrico síncrono de polos lisos;

• A geração termelétrica implica necessariamente a rejeição de uma parcela significativa de calor. As usinas térmicas a vapor são em geral localizadas nas proximidades de rios ou lagos devido a grande quantidade de água natural necessária para condensar o vapor que move a turbina. O consumo de água de uma central termelétrica a vapor é centrado na necessidade da mesma rejeitar calor em nível reduzido de temperatura;

• O conjunto turbo-gerador a vapor funciona a velocidades muito mais altas do que nas usinas hidrelétricas. Na frequência de 60 Hz a velocidade varia entre 3600 (2 polos) e 1800 rpm (4 polos). Nos sistemas de 50 Hz as velocidades estão entre 3000 e 1500 rpm.

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I.7.11.3 Centrais a Vapor

Figura 7 – Central Termelétrica a Vapor

Fonte: www.dee.ufc.br/~rleao

• Em uma Central Termelétrica a Vapor, o processo de aquecer uma unidade , fazê-la funcionar à velocidade adequada, sincronizá-la e carregá-la a seu valor nominal pode levar algumas horas. Contudo, uma vez em operação, são geralmente capazes de reagir a mudanças de cargas da ordem de dezenas de MW por minuto sem sofrer dano;

• As turbinas a vapor devem operar muito próximas da frequência nominal. Variações de frequência podem provocar vibração das pás da turbina e causar fadiga do metal e, eventualmente, fissuras. Os limites operacionais estão em torno de ± 1% para funcionamento contínuo;

• Quanto maior é o desvio da frequência, mais rápida deve ser a ação corretiva antes que possam ocorrer danos. Os efeitos de frequências altas e baixas sobre as turbinas são cumulativos.

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Figura 8 – Reação típica de fissão

I.7.11.3 Centrais a Vapor

Figura 8 - Vista em corte da Central Nuclear Angra 1

• A central nuclear mostrada acima é composta de um reator nuclear de ciclo indireto refrigerado e moderado com água leve pressurizada (PWR), utilizando como combustível pastilhas de óxido de urânio ligeiramente enriquecido (3%), envolvidas em tubos de zircaloy - liga de zircônio. O condensador trabalha com água do mar em circuito aberto. (SOUZA, FUCHS e SANTOS, 1983);

• Potência da Usina Nuclear Angra I: 657 MW.

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I.7.11.4 Centrais com Turbinas a Gás

• As turbinas a gás são máquinas que são acionadas pela expansão dos gases quentes produzidos numa câmara de combustão, segundo um ciclo térmico denominado Brayton;

• Os combustíveis das turbinas a gás podem ser basicamente de dois tipos:− Gasosos: gás natural, gases de exaustão de processos e combustíveis sólidos gaseificados (carvão, biomassa, etc.)− Líquidos: gás liquefeito de petróleo (GLP), diesel, querosene e em alguns casos, óleos combustíveis de baixo teor de enxofre.

• A turbina a gás atinge eficiências termodinâmicas bem mais elevadas em comparação às turbinas a vapor (1260ºC contra 540ºC);

• Uma vantagem termodinâmica inerente das turbinas a gás é aproveitar o calor de escape para produzir vapor numa caldeira de recuperação, que pode ser usada em processos industriais numa configuração de cogeração;

• Os elementos fundamentais que constituem uma turbina a gás são:• Compressor• Câmara de combustão;• Turbina

• As turbinas a gás fazem uso direto dos produtos da combustão. Os gases gerados pela combustão passam diretamente pela turbina, onde se expandem e a energia térmica é convertida em energiamecânica rotativa para acionar o eixo do compressor e do gerador elétrico acoplado à turbina. Finalmente o gás é liberado na atmosfera ou reaproveitado para produção de calor ou frio e/ou energia elétrica.

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I.7.11.4 Centrais com Turbinas a Gás

Figura 9 - Central Termelétrica a Gás

• As turbinas a gás necessitam da injeção de ar comprimido a alta pressão na câmara de combustão ou combustor, obtido através de um turbo compressor acionado pelo próprio eixo da turbina. Em seu funcionamento, o ar é aspirado da atmosfera, filtrado e comprimido, passando para a câmara de combustão, onde se mistura com o combustível. Nesta câmara ocorre a reação de combustão, produzindo gases quentes (fluido de trabalho) a alta temperatura e alta pressão.

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• As centrais a ciclo combinado gás/vapor (combinação do ciclo a vapor Rankine com o ciclo a gás Brayton - Figura 10) vêm se tornando nos últimos anos uma alternativa interessante para a geração de energia elétrica e/ou para a cogeração de calor e potência;

• Estas centrais, além de apresentarem um elevado rendimento termodinâmico (cerca de 53%, com expectativa de operarem com 60% no futuro próximo) operando com gás natural, possuem também um excelente desempenho ambiental pela menor emissão de compostos poluentes (CO2, SOx e NOx);

• Uma usina termelétrica a ciclo combinado usa turbinas a gás e a vapor associadas em uma única planta, ambas gerando energia elétrica a partir da queima do mesmo combustível.

Geração Termelétrica a Ciclo Combinado

Legenda:C : CompressorCC :Câmara de combustãoTG :Turbina a gásG :Gerador elétricoTV :Turbina a vaporB :Bomba

Figura 10 - Central Termelétrica de ciclo combinado

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Referências:

• SOUZA, Zulcy de; FUCHS, Rubens Dario; SANTOS, Afonso Henriques Moreira. Centrais hidro e termelétricas. São Paulo: Edgard Blücher, 1983.

• REIS, Lineu Bélico dos.Geração de energia elétrica. São Paulo: Tec-Art, 1998.

LEÃO, Ruth P.S. Tecnologias de Geração de Energia Elétrica:Geração Termoelétrica. Disponível em: www.dee.ufc.br/~rleao. Acesso em 02/02/2012.