caracterização dos arranques da central termoelétrica de lares · 2013. 9. 12. · de centrais...

Instituto Politécnico de Coimbra

Instituto Superior de Engenharia de Coimbra

Departamento de Engenharia Eletrotécnica

Caracterização dos Arranques da Central Termoelétrica de Lares

Rodolfo Manuel Conceição Pereira

Relatório de Estágio para obtenção do Grau de Mestre em

Automação e Comunicações em Sistemas de Energia

Coimbra

Dezembro 2012

Instituto Politécnico de Coimbra

Instituto Superior de Engenharia de Coimbra

Departamento de Engenharia Eletrotécnica

Caracterização dos Arranques da Central Termoelétrica de Lares

Orientadores: Professor Adelino Pereira, ISEC

Professora Rita Pereira, ISEC

Supervisores: Eng.º António Oliveira, EDP

Eng.º Bruno Tereso, EDP

Rodolfo Manuel Conceição Pereira

Relatório de Estágio para obtenção do Grau de Mestre em

Automação e Comunicações em Sistemas de Energia

Coimbra

Dezembro 2012

i

Agradecimentos

Um agradecimento particular à minha família pelo apoio prestado ao longo da minha vida

e, essencialmente, nesta fase. De igual modo, agradeço às pessoas que me ajudaram na

elaboração deste relatório e que me acompanharam ao longo destes últimos tempos apoiando-

me nos momentos mais difíceis.

O meu agradecimento aos meus supervisores de estágio na Central Termoelétrica de Lares,

Eng.º António Oliveira e Eng.º Bruno Tereso, pelos documentos facultados e pelos

esclarecimentos prestados às questões mais pertinentes colocadas no decorrer do estágio.

Agradeço aos meus orientadores de estágio, Eng.º Adelino Pereira e Eng.ª Rita Pereira por

me terem proporcionado este estágio num centro electroprodutor do grupo Energias de

Portugal (EDP) e pelas sucessivas orientações e revisões ao longo do progresso do meu

relatório.

O meu agradecimento aos colaboradores da Central de Ciclo Combinado de Lares pelo

bom acolhimento e pela disponibilidade demonstrada na partilha de informação que enriqueceu a

minha aprendizagem e possibilitou o esclarecimento das minhas dúvidas que surgiram no

decorrer do estágio.

iii

Resumo

A energia elétrica detém, atualmente, uma importância extrema para a sociedade, uma vez

que representa uma necessidade imprescindível para o bem-estar comum das pessoas e para o

desenvolvimento socioeconómico de um país. A energia elétrica é produzida em centros

electroprodutores específicos que garantem a sua produção em função do seu consumo.

No presente relatório, é efetuada uma abordagem ao conceito de energia e aos vários tipos

de centrais elétricas existentes. No caso específico das centrais termoelétricas é feita uma

introdução aos ciclos termodinâmicos que as caraterizam.

Devido à complexidade do processo de conversão de energia em centrais termoelétricas de

ciclo combinado é efetuada uma apresentação descritiva dos principais sistemas e

equipamentos existentes na Central Termoelétrica de Lares afetos à produção de energia

elétrica. Faz-se igualmente referência à estrutura organizacional deste centro electroprodutor e

às políticas energéticas do grupo EDP.

Numa fase inicial do estágio foi possível acompanhar as tarefas efetuadas pelos

colaboradores da Central Termoelétrica de Lares no âmbito de manutenção preventiva e

corretiva, sendo que algumas se encontram descritas no presente relatório. Com o decorrer do

estágio, foram propostos temas e tarefas a desenvolver, tais como, o estudo da caracterização

dos arranques efetuados na Central Termoelétrica de Ciclo Combinado de Lares, o estudo das

proteções existentes nos transformadores de potência e o desenvolvimento de um programa

suscetível de monitorizar os tempos de arranque de uns motores de corrente contínua com

recurso a um autómato da Siemens.

Este estágio, ao ser realizado num dos centros electroprodutores do grupo EDP, permitiu a

minha integração num contexto real de trabalho e possibilitou o aprofundamento e

consolidação dos conhecimentos adquiridos em contexto académico.

Palavras-chave: Central termoelétrica, Central de ciclo combinado, Caracterização de

arranques, Turbina a gás, Turbina a vapor, Produção energia elétrica.

v

Abstract

At present, electric power is of utmost importance to society, since it represents an

essential requirement for the common well-being of populations and the socioeconomic

development of countries. Electric power is generated in specific electricity generating power

stations that guarantee its generation in accordance with its consumption.

In this report, an approach is made to the concept of energy and the various types of

existing electric power stations. In the specific case of thermoelectric power stations, an

introduction is made to the thermodynamic cycles that characterize them.

Due to the complexity of the process of generation of electric power in combined cycle

power stations, this report describes the main existing systems and equipment at the Lares

Thermoelectric Power Station linked to the generation of electric power. Reference is also

made to the organizational structure of this electricity generating power station and the energy

policies of the EDP group.

In an early stage of the internship, I was able to follow the tasks performed by the staff

members of the Power Station within the framework of preventive and corrective

maintenance, and some of these tasks are described in the present report. As the internship

progressed, several themes and tasks were proposed to be developed, such as, the study of the

characterization of the startups that took place at the Lares Combined Cycle Thermoelectric

Power Station, the study of the existing protections in the power transformers and the

development of a software capable of monitoring the startup times of some DC motors, with

use of a Siemens automaton.

This internship, taking place at one of the electricity generating power stations of the EDP

group, allowed for my integration in a real work context, as well as for the development and

consolidation of the knowledge acquired in an academic context.

Keywords: Thermoelectric power station, Combined cycle power station, Characterization of

startups, Gas turbine, Steam turbine, Electric power generation.

vii

Índice

Agradecimentos ......................................................................................................................... i Resumo ..................................................................................................................................... iii Abstrat ....................................................................................................................................... v Índice ....................................................................................................................................... vii Índice de Figuras ..................................................................................................................... ix Índice de Quadros .................................................................................................................. xii Simbologia e Abreviaturas ................................................................................................... xiii

Lista de Abreviaturas ...........................................................................................................xiii Unidades .............................................................................................................................. xiv

Capítulo 1 – Introdução ........................................................................................................... 1 1.1 – Enquadramento .............................................................................................................. 1 1.2 – Objetivo do Estágio........................................................................................................ 2 1.3 – Estrutura do Relatório .................................................................................................... 3

Capítulo 2 – Produção de Energia Elétrica ............................................................................ 5 2.1 – Considerações de Energia .............................................................................................. 5

2.1.1 – Definição de Energia Potencial ............................................................................. 5 2.1.2 – Definição de Energia Cinética .............................................................................. 5 2.1.3 – Princípio da Conservação da Energia ................................................................... 6

2.2 – Tipos de Centrais Elétricas ............................................................................................ 7 2.3 – Diferença entre Centrais Térmicas Clássicas e de Ciclo Combinado ............................ 9 2.4 – Princípios Termodinâmicos ......................................................................................... 10

2.4.1 – Descrição do Ciclo de Rankine ........................................................................... 11 2.4.2 – Descrição do Ciclo de Brayton ........................................................................... 12 2.4.3 – Termodinâmica em Centrais de Ciclo Combinado ............................................. 13

Capítulo 3 – Apresentação da Central Termoelétrica de Lares ........................................ 15 3.1 – Organização das Pessoas.............................................................................................. 16 3.2 – Política Energética ....................................................................................................... 17 3.3 – Descrição da Central Termoelétrica de Lares .............................................................. 17 3.4 – Descrição dos Sistemas da Central .............................................................................. 19

3.4.1 – Sistema de Queima e Produção de Vapor ........................................................... 19 3.4.2 – Caldeira Recuperativa ......................................................................................... 21 3.4.3 – Caldeira Auxiliar ................................................................................................. 23 3.4.5 – Condensador ........................................................................................................ 24 3.4.6 – ITA - Instalações de Tratamento de Águas ......................................................... 27 3.4.7 – Sistema de Combate a Incêndios......................................................................... 28 3.4.8 – Sistema de Ar Comprimido ................................................................................. 29 3.4.9 – Abastecimento de Gás ......................................................................................... 30 3.4.10 – Performance Heater ........................................................................................... 30 3.4.11 – Sala de Comando............................................................................................... 32 3.4.12 – Sistema de Conversão de Energia ..................................................................... 33 3.4.13 – LCI – Load Commutated Inverter ..................................................................... 44

viii

3.4.14 – Disjuntor de Grupo ............................................................................................ 45 3.4.15 – Transformadores ................................................................................................ 46 3.4.16 – Parque de Linhas ............................................................................................... 49 3.4.17 – Esquema Elétrico Unifilar da Central ................................................................ 50 3.4.18 – Sistemas de Emergência de Energia Elétrica .................................................... 51

Capítulo 4 – Tarefas Realizadas ............................................................................................ 53 4.1 – Programação de um Autómato da Siemens ................................................................. 53 4.2 – Estudo das Proteções dos Transformadores ................................................................ 59 4.3 – Reparação de uma Gaveta de Comando ...................................................................... 67 4.4 – Teste a um Transformador de Corrente ....................................................................... 71 4.5 – Barramento de Média Tensão ...................................................................................... 75 4.6 – Sobreaquecedor Elétrico .............................................................................................. 81 4.7 – Teste às Escovas de Terra do Alternador .................................................................... 84 4.8 – Substituição dos Filtros de Sílicas do Analisador de Hidrogénio ............................... 90

Capítulo 5 – Arranques da Central Termoelétrica .............................................................. 93 5.1 – Influência do Mercado Energético nos Arranques ...................................................... 93 5.2 – Caracterização dos Arranques ..................................................................................... 97

5.2.1 – Procedimento de Caracterização dos Arranques ................................................. 98 5.2.2 – Considerações Sobre as Curvas Características ................................................ 100 5.2.3 – Descrição da Caracterização dos Arranques Através do PI .............................. 101 5.2.4 – Descrição da Caracterização dos Arranques Através do PI ProcessBook......... 104

5.3 – Estudo Prático da Caracterização dos Arranques ...................................................... 106 5.3.1 – Metodologia de Cálculo..................................................................................... 107 5.3.2 – Informações Sobre a Curva de Potência ............................................................ 108 5.3.3 – Caracterização dos Arranques a Quente ............................................................ 109 5.3.4 – Caracterização dos Arranques a Morno............................................................. 111 5.3.5 – Caracterização dos Arranques a Frio ................................................................. 115 5.3.6 – Comparação das Curvas Características com as Curvas de Referência ............ 119

5.4 – Conclusão do Estudo Prático dos Arranques ............................................................ 122 Capítulo 6 – Conclusão ......................................................................................................... 125 Capitulo 7 – Bibliografia ...................................................................................................... 127 Anexo A .................................................................................................................................. 129 Anexo B .................................................................................................................................. 133 Anexo C .................................................................................................................................. 139 Anexo D .................................................................................................................................. 143 Anexo E .................................................................................................................................. 155 Anexo F .................................................................................................................................. 159 Anexo G ................................................................................................................................. 165 Anexo H ................................................................................................................................. 169 Anexo I ................................................................................................................................... 173 Anexo J ................................................................................................................................... 177 Anexo K ................................................................................................................................. 191

ix

Índice de Figuras

Fig. 1.1 – Evolução do consumo elétrico em TWh .................................................................... 1 Fig. 2.1 – Barragem da Aguieira; Parque eólico do Cadafaz………………………………………….7 Fig. 2.2 – Central de Setúbal - Fuelóleo; Central de Sines - Carvão; Central do Ribatejo - CCTG . 8 Fig. 2.3 – Ciclo de transformação da água vapor ..................................................................... 11 Fig. 2.4 – Diagrama T-S ideal do ciclo Rankine com um nível de reaquecimento .................. 11 Fig. 2.5 – Processos de transformação numa TG ..................................................................... 12 Fig. 2.6 – Diagrama T-S ideal do ciclo de Brayton .................................................................. 12 Fig. 2.7 – Ciclos termodinâmicos em condições ideias de uma central de ciclo combinado com três níveis de reaquecimento de vapor ............................................................ 13 Fig. 2.8 – Esquema descritivo do funcionamento de uma Central de Ciclo Combinado ......... 13 Fig. 3.1 – Localização da Central de Ciclo Combinado de Lares………………….……………….15 Fig. 3.2 – Modelo organizacional da Central Termoelétrica de Lares ..................................... 15 Fig. 3.3 – Disposição geral da Central Termoelétrica de Lares ............................................... 18 Fig. 3.4 – Tomada de ar, vista exterior; Filtros cilíndricos no interior da tomada de ar .......... 19 Fig. 3.5 – Mímico de monitorização do cone de exaustão TG; Cone de exaustão TG ............ 20 Fig. 3.6 – Queimador da TG ..................................................................................................... 20 Fig. 3.7 – Visão geral da caldeira recuperativa ........................................................................ 21 Fig. 3.8 – Tubulares com alhetas; Tubulares com discos ......................................................... 21 Fig. 3.9 – Interior do barrilete de alta pressão; Barrilete de alta e baixa pressão; Bomba de abastecimento do barrilete AP ................................................................................. 22 Fig. 3.10 – Mímico de monitorização e controlo dos barriletes ............................................... 22 Fig. 3.11 – Visão geral da caldeira auxiliar .............................................................................. 23 Fig. 3.12 – Queimadores da caldeira auxiliar ........................................................................... 23 Fig. 3.13 – Percurso dos gases de exaustão ; Tubulares de circulação dos gases de escape .... 24 Fig. 3.14 – Sobreaquecedor eléctrico ....................................................................................... 24 Fig. 3.15 – Condensador; Cone de exaustão da TV de baixa pressão ...................................... 24 Fig. 3.16 – Interior do condensador; Tubular da água de refrigeração .................................... 25 Fig. 3.17 – Torre de refrigeração. Vista geral; Vista ao nível dos ventiladores; Ventilador .... 25 Fig. 3.18 – Filtros de areia ou monopack; Bacia de água filtrada ............................................ 26 Fig. 3.19 – Bacia de captação do rio; Chegada aos filtros de areia; Visão geral dos filtros de areia ..... 26 Fig 3.20 – Misturador estático .................................................................................................. 27 Fig. 3.21 – Visão geral da ITA; Cadeias de produção; Desgaseificador .................................. 28 Fig. 3.22 – Sistema de combate a incêndios ............................................................................. 29 Fig. 3.23 – Sistema de ar comprimido Compressor; Secadores; Armazenamento................... 29 Fig. 3.24 – Posto de chegada do gás; Interior do posto de chegada do gás .............................. 30 Fig. 3.25 – Visão geral do Performance Heater....................................................................... 30 Fig. 3.26 – Mímico do sistema de tratamento de gás; Mímico de controlo e monitorização de gás ..... 31 Fig. 3.27 – Filtro coalescentes; Tanque de drenagem; Purificador e aquecedor de gás ........... 31 Fig. 3.28 – Sala de comando..................................................................................................... 32 Fig. 3.29 – Esquema geral do processo de produção de energia elétrica em Centrais de Ciclo

Combinado...........………………………………………………………………………33 Fig. 3.30 – Balanço energético da Central de Ciclo Combinado de Lares ............................... 33 Fig. 3.31 – Corte longitudinal de uma turbina a gás................................................................. 34 Fig. 3.32– Representação simplificada de uma turbina a gás ................................................... 34 Fig. 3.33 – Compressor radial; Compressor axial .................................................................... 35 Fig. 3.34 – Câmara de combustão ............................................................................................ 35

x

Fig. 3.35 – Esquema de uma câmara de combustão ................................................................ 35 Fig. 3.36 – Identificação dos principais sistemas de uma TG .................................................. 36 Fig. 3.37 – Pás móveis da TG; Pás fixas da TG....................................................................... 36 Fig. 3.38 – Turbina a vapor (vista de cima) ............................................................................. 37 Fig. 3.39 – Unidade de Pressão Hidráulica; Válvula hidráulica AP, Vista inferior e superior. 37 Fig. 3.40 – Turbina de impulsão; Turbina de reação ............................................................... 38 Fig. 3.41 – Pás móveis da turbina AP; Pás fixas da turbina AP; Pás móveis turbina BP e MP..... 38 Fig. 3.42 – Sentido do fluxo de vapor ...................................................................................... 39 Fig. 3.43 – Diafragmas ente estágios da turbina a vapor alta pressão ..................................... 39 Fig. 3.44 – Anéis de vedação da turbina AP; Labirintos; Labirinto em relação ao eixo ......... 39 Fig. 3.45 – Chumaceira. Parte superior; Parte inferior ............................................................ 40 Fig. 3.46 – Vista geral do alternador ........................................................................................ 40 Fig. 3.47 – Esquema de um alternador simplificado; Onda de tensão alternada monofásica. . 41 Fig. 3.48 – Alternador lado TG; Carro telcomandado; Ligação do alternador ao barramento 41 Fig. 3.49 – Ventilador para promover a ventilação forçada do hidrogénio. ............................ 42 Fig. 3.50 – Sistema de selagem ................................................................................................ 42 Fig. 3.51 – Anéis de selagem ................................................................................................... 43 Fig. 3.52 – Sistema de escovas de excitação (A); Suporte das escovas ................................... 43 Fig. 3.53 – Evolução da potência ativa produzida ................................................................... 44 Fig. 3.54 – Diagrama simplificado do sistema LCI ................................................................. 44 Fig. 3.55 – Módulos do LCI; Sistema de refrigeração ............................................................. 45 Fig. 3.56 – Visão geral do disjuntor de grupo; Painel de monitorização do disjuntor. ............ 45 Fig. 3.57 – Transformador auxiliar e principal de grupo ......................................................... 46 Fig. 3.58 – Descrição geral do transformador principal .......................................................... 47 Fig. 3.59 – Resistência do neutro. ............................................................................................ 47 Fig. 3.60 – Sistema de arrefecimento do óleo transformador principal. .................................. 48 Fig. 3.61 – Filtro de Sílica; Instrução para substituir as sílicas ............................................... 48 Fig. 3.62 – Visão geral do parque de linhas (Subestação); Quadro disjuntor. ......................... 49 Fig. 3.63 – Vista geral dos equipamentos de medida, proteção e das baterias de emergência. 49 Fig. 3.64 – Esquema elétrico simplificado da Central Termoelétrica de Lares ....................... 50 Fig. 3.65 – Quadros de média tensão; Quadros de baixa tensão .............................................. 50 Fig. 3.66 – Edifício elétrico de serviços comuns e auxiliares da Central Termoelétrica. ........ 51 Fig. 3.67 – Sistema de emergência. Banco de baterias; Gerador de emergência ..................... 51 Fig. 4.1 – Placa de montagem do autómato LOGO! 24RC……………...………………………..54 Fig. 4.2 – Esquema de montagem das entradas/saídas do autómato e montagem de bancada. ......54 Fig. 4.3 – Verificação dos tempos indicados pelo LOGO! através de um osciloscópio. ......... 55 Fig. 4.4 – Verificação do tempo de saída da resistência R1 (IA). ........................................... 55 Fig. 4.5 – Verificação do tempo de saída da resistência R2 (IAx). ......................................... 55 Fig. 4.6 – Sequência e tempo de arranque do motor DC. ....................................................... 56 Fig. 4.7 – Diagrama de funcionamento do programa de monitorização .................................. 56 Fig. 4.8 – Diagrama temporal de transição de pulso. ............................................................... 58 Fig. 4.9 – Teclas de transição entre mensagens. ...................................................................... 58 Fig. 4.10 – Parte frontal da gaveta; Retaguarda da gaveta. ...................................................... 67 Fig. 4.11 – Esquema simplificado de um contator electromagnético ...................................... 68 Fig. 4.12 – Campo magnético (H) gerado por uma bobine...................................................... 68 Fig. 4.13 – Diagrama esquemático do contator ....................................................................... 68 Fig. 4.14 – Força de atração em funçao da corrente que percorre a espira. ............................. 69

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Fig. 4.15 – Diagrama esquemático do contator AC com detalhe do anel de cobre .................. 70 Fig. 4.16 – Estado do contator avariado. .................................................................................. 70 Fig. 4.17 – Lei de Ampere - Regra da mão direita. .................................................................. 71 Fig. 4.18 – Esquema de montagem do amperímetro. ............................................................... 72 Fig. 4.19 – Disposição do TI para efetuar o ensaio .................................................................. 73 Fig. 4.20 – Esquema geral do ensaio. ....................................................................................... 73 Fig. 4.21 – Ligações do TI após efetuar a intervenção. ............................................................ 74 Fig. 4.22 – Quadros alimentados pelo barramento 11BBA11 de 6,6 kV ................................. 75 Fig. 4.23 – Cela de medida do 11BBA11; Interior da cela de medida. .................................... 76 Fig. 4.24 – Esquema unifilar da cela de medida do 11BBA11. ............................................... 76 Fig. 4.25 – Esquema unifilar do barramento 230 V da cela da bomba LAC10. ...................... 78 Fig. 4.26 – Disjuntores da cela da bomba LAC10; Barramento de comando, serviços auxiliares e medida. ............................................................................................ 79 Fig. 4.27 – Disposição dos barramentos. .................................................................................. 80 Fig. 4.28 – Esquema unifilar dos barramentos de média e baixa tensão do grupo I ................ 80 Fig. 4.29 – Comparação de corrente de fuga ............................................................................ 81 Fig. 4.30 – Desmontagem do sobreaquecedor elétrico no local. .............................................. 82 Fig. 4.31 – Dedo de luva (bainha de proteção da sonda de temperatura) ................................. 82 Fig. 4.32 – Remoção do bloco de resistências. ......................................................................... 82 Fig. 4.33 – Resistências de aquecimento do vapor. .................................................................. 83 Fig. 4.34 – Quadro de comando; Módulo de tiristores removidos. .......................................... 83 Fig. 4.35 – Eixo do lado da turbina a vapor. ............................................................................ 84 Fig. 4.36 – Escovas de terra lado TG e lado TV. ..................................................................... 84 Fig. 4.37 – Sistema de terra; Esquema de ligação das escovas. ............................................... 85 Fig. 4.38 – Proteção do eixo lado TG; Suporte das escovas de terra. ...................................... 86 Fig. 4.39 – Escovas lado turbina a vapor. ................................................................................. 87 Fig. 4.40 – Micro-ohmímetro (Chauvin Arnoux CA6240); Valor da resistência em mΩ ....... 87 Fig. 4.41 – Interior do armário de controlo da TG; Carta de monitorização de correntes parasitas ...... 88 Fig. 4.42 – Bancada de teste e equipamentos. .......................................................................... 88 Fig. 4.43 – Mímico de monitorização das tensões/correntes parasitas no eixo. ....................... 89 Fig. 4.44 – Analisador de hidrogénio. ...................................................................................... 90 Fig. 4.45 – Colunas de sílicas; Indicador do estado da coluna de sílica. .................................. 91 Fig. 4.46 – Esquema de válvulas do analisador de H2 e indicação das válvulas a fechar ...................... 91 Fig. 4.47 – Desmontagem dos filtros de H2 .............................................................................. 92 Fig. 4.48 – Compartimento de sílicas substituídos. .................................................................. 92 Fig. 5.1 – Exemplificação do encontro entre oferta e procura de energia elétrica no mercado diário 94 Fig. 5.2 – Equilíbrio do SEE. ..................................................................................................... 95 Fig. 5.3 – Folha de cálculo considerada na caraterização dos arranques. ..................................... 98 Fig. 5.4 – Seleção da localização das células de data-hora, intervalo de tempo e variável a estudar. ... 99 Fig. 5.5 – Curva de potência do arranque de 98 horas considerado para exemplo. ............... 101 Fig. 5.6 – Coluna Rampa do quadro 5.4. ................................................................................ 102 Fig. 5.7 – Curva de potência em oscilação de carga (A); Curva de potência otimizada (B). . 103 Fig. 5.8 – Análise de um arranque através do PI ProcessBoock (método gráfico) ................ 104 Fig. 5.9 – Iniciação o PI ProcessBook. Criar novo projecto (A); Seleção das variáveis (B). 105 Fig. 5.10 – Janela de seleção das variáveis; Seleção de tempo e amostragem da velocidade do rotor. .................................................................................................................... 105 Fig. 5.11 – Exemplo ilustrativo de uma curva características ................................................ 108 Fig. 5.12 – Curva característica de arranque a quente. ........................................................... 110

xii

Fig. 5.13 – Curva característica de arranque a morno com temperatura do metal da TV AP superior a 400 ºC. ............................................................................................... 112 Fig. 5.14 – Curva característica de arranque a morno com temperatura do metal da TV AP inferior a 400 ºC. ................................................................................................ 114 Fig. 5.15 – Curva característica de arranque a frio com temperatura do metal da TV AP superior a 204 ºC. .............................................................................................. 116 Fig. 5.16 – Curva característica de arranque a frio com temperatura do metal da TV AP inferior a 204 ºC. ............................................................................................... 118 Fig. 5.17 – Curva característica a quente resultante do estudo prático. ................................. 119 Fig. 5.18 – Curva de referência da General Electric dos arranques a quente. ....................... 119 Fig. 5.19 – Curva característica a morno resultante do estudo com temperatura do metal da TV AP superior a 400 ºC. ................................................................................... 120 Fig. 5.20 – Curva característica a morno resultante do estudo com temperatura do metal da TV AP inferior a 400 ºC..................................................................................... 120 Fig. 5.21 – Curva de referência da General Electric dos arranques a morno ......................... 120 Fig. 5.22 – Curva característica a frio resultante do estudo com temperatura do metal da TV AP superior a 204 ºC. .......................................................................................... 121 Fig. 5.23 – Curva característica a frio resultante do estudo com temperatura do metal da TV AP inferior 204 ºC. .............................................................................................. 121 Fig. 5.24 – Curva de referência da General Electric dos arranques a frio ............................. 121 Índice de Quadros

Quadro 3.1 – Caudal nominal de vapor em função do nível de pressão. ................................. 37 Quadro 3.2 – Característica do alternador. .............................................................................. 40 Quadro 5.1 – Classificação dos arranques da Central de Ciclo Combinado de Lares………..97 Quadro 5.2 – Quadro com indicação das variáveis consideradas. ........................................... 99 Quadro 5.3 – Tabela resumida do arranque. .......................................................................... 101 Quadro 5.4 – Tabela de caracterização do arranque. ............................................................. 101 Quadro 5.5 – Legenda das cores do PI ProcessBook. ............................................................ 104 Quadro 5.6 – Classificação dos arranques para efeitos de estudo das curvas características. 106 Quadro 5.7 – Resumo dos arranques a quente. ...................................................................... 109 Quadro 5.8 – Energia média produzida na sequência de arranque a quente. ......................... 110 Quadro 5.9 – Resumo dos arranques a morno com temperatura do metal da TV AP superior a 400 ºC. ............................................................................................................. 111 Quadro 5.10 – Energia média produzida no arranque a morno. Temperatura do metal da TV superior a 400 ºC. .......................................................................................... 112 Quadro 5.11 – Resumo dos arranques a morno com temperatura do metal da TV AP inferior a 400 ºC ......................................................................................... 113 Quadro 5.12 – Energia média produzida no arranque a morno. Temperatura do metal da TV AP inferior a 400 ºC. ....................................................................... 114 Quadro 5.13 – Resumo dos arranques a frio com temperatura do metal da TV AP superior a 204 ºC. ....................................................................................... 115 Quadro 5.14 – Energia média produzida no arranque a frio. Temperatura do metal da TV superior 204 ºC. .................................................................................... 116 Quadro 5.15 – Resumo dos arranques a frio com temperatura do metal da TV inferior a 204 ºC 117 Quadro 5.16 – Energia média produzida no arranque a frio com a temperatura do metal inferior a 204 ºC. .......................................................................................... 118

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Simbologia e Abreviaturas

Lista de Abreviaturas

AC Corrente Alternada ANSI American Nacional Standart Institute AP (HP) Alta Pressão (High Pressure) AT Alta Tensão BAC Nome de KKS do Disjuntor de Grupo 11BBA11 KKS do barramento de média tensão do grupo I BOP Balance Of Plant BP (LP) Baixa pressão (Low Pressure) BT Baixa tensão CCTG Central de Ciclo Combinado com uma Turbina a Gás CO2 Dióxido de carbono DC Corrente Contínua DCS Distibut Control System (Sala de comando) DLN Dry Low NOx (Queimador com baixo teor de NOx) ETEL Estação de Tratamento de Efluentes Líquidos FSNL Full Speed no Load (Velocidade máxima sem carga) GE General Electric GN Gás natural H2 Hidrogénio HMI Human Machine Interface HPU Hidraulic Power Unit (Unidade de pressão hidráulica) HRSG Nome de KKS da caldeira recuperativa I Corrente elétrica ou Intensidade em Amperes ID Instrução de despacho ITA Instalação de Tratamento da Água KKS Sistema de identificação de equipamentos para centrais elétricas LAC 10 KKS de um motor de média tensão LCI Load commuted Inverter Mn Minuto MP Média Pressão (Medium Pressure) MT Média Tensão NOx Óxidos de azoto P Potência ativa [W] PCH Pequenas Centrais Hídricas Pmec Potência mecânica PRE Produção em Regime Especial R Resistência [Ω] REN Redes Energéticas Nacionais RSU Resíduos Sólidos Urbanos SEE Sistema de Energia Elétrica Seg Segundo Temp Temperatura em graus Celsius TG Turbina a Gás TI Transformador de Corrente TT Transformador de Tensão TV Turbina a Vapor

xiv

Unidades

µ micro (10-6) µS microSiemens A Ampere Cal/g Caloria/grama cc/min Centímetro cúbico por minuto cm Centímetro Hz Hertz J Joule kg Quilograma kg/h Quilograma hora kg/s Quilograma segundo kV Kilovolts m metro mbar Milibar ms Milissegundo m/s Metro por segundo m/s2 Metro por segundo ao quadrado m3/s Metro cúbico por segundo MW Mega Watt MWh MWh – Mega Watt-hora MΩ Mega-ohm (106) Nm3 Normais metros cúbicos RPM Rotações Por Minuto S Siemens [Ω-1] t/h Tonelada por hora TWh Terra Watt-hora V Tensão elétrica W Potência (Watt)

Capítulo 1 – Introdução

Rodolfo Manuel Conceição Pereira 1

Capítulo 1 – Introdução 1.1 – Enquadramento

A energia elétrica representa, atualmente, um bem essencial e indispensável para o bem-

estar da população, uma vez que esta se apresenta como uma das fontes mais recorrentes de

energia. A figura 1.1 ilustra a evolução do seu consumo entre 2001 e 2010 em função da fonte

primária de energia usada na sua produção.

Fig. 1.1 – Evolução do consumo elétrico em TWh [1].

A energia elétrica é produzida em centrais electroprodutoras e é posteriormente distribuída até ao consumidor final. Em Portugal, a energia elétrica é transportada e distribuída, geralmente, através de linhas aéreas caracterizadas pelos níveis de tensão, sendo estas as linhas de Muito Alta Tensão (MAT) (400 kV, 220 kV, 150 kV), Alta Tensão (AT) (100 kV, 60 kV), Média Tensão (MT) (30 kV, 15kV, 6 kV) e Baixa Tensão (BT) (400 V/230 V). As

linhas MAT estão associadas ao transporte, sendo as linhas AT, MT e BT associadas a

distribuição.

As centrais electroprodutoras diferenciam-se pela energia primária que utilizam na produção de energia elétrica. A evolução tecnológica proporcionou, ao longo destas últimas duas décadas, o aumento dos rendimentos e das potências disponibilizadas nos centros electroprodutores. A dependência e as reservas finitas de combustíveis fósseis levaram a sociedade a repensar novos métodos para gerar energia elétrica. O aproveitamento de energias renováveis, tais como, a energia eólica, hídrica e solar, tem vindo a revelar-se, cada vez mais, uma excelente aposta para satisfazer as nossas necessidades energéticas. Em Portugal, o aproveitamento de energias renováveis assumiu, nos últimos anos, um papel importante na diversificação energética do país, nomeadamente através do aumento da potência instalada em parques eólicos. Apesar das inúmeras vantagens da utilização de energias renováveis na produção de energia elétrica, as centrais termoelétricas que utilizam, tipicamente, combustíveis fósseis (carvão, GN, fuelóleo) na produção de eletricidade continuam a ser preponderantes, uma vez que os centros electroprodutores que dependem de energias renováveis não permitem garantir uma produção contínua e controlável de energia elétrica.

Saldo Importado

Hídrica

Fuelóleo

Gás Natural

Carvão

PRE Eólica

PRE Outros

Consumo


2 Rodolfo Manuel Conceição Pereira

1.2 – Objetivo do Estágio

O principal objetivo do estágio efetuado num dos centros electroprodutores do grupo EDP

foi a minha integração num contexto real de trabalho de forma a aprofundar e consolidar os

conhecimentos académicos. Ao longo do estágio foi possível acompanhar diversas tarefas

efetuadas pelos colaboradores da Central Termoelétrica de Ciclo Combinado de Lares, sendo

que algumas dessas tarefas encontram-se relatadas.

De forma a realizar o presente documento, os supervisores de estágio propuseram o

desenvolvimento dos seguintes temas:

Acompanhamento de trabalhos de manutenção preventiva e corretiva realizados na

Central Termoelétrica de Lares;

O estudo das proteções dos transformadores;

Um estudo referente à caracterização dos arranques efetuados na Central Termoelétrica

de Lares de forma a identificar as curvas características de cada tipo de arranque;

Estes temas foram desenvolvidos e encontram-se descritos nos capítulos 4 e 5 do presente

documento. O capítulo 4 encontra-se dividido em subcapítulos, sendo que cada um destes faz

referência a uma determinada atividade. As atividades encontram-se organizadas pela

seguinte ordem:

Subcapítulo 4.1 – Programação de um autómato da Siemens;

Subcapítulo 4.2 – Estudo das Proteções dos Transformadores;

Subcapítulo 4.3 – Reparação de uma Gaveta de Comando;

Subcapítulo 4.4 – Teste a um Transformador de Corrente;

Subcapítulo 4.5 – Barramento de Média Tensão;

Subcapítulo 4.6 – Sobreaquecedor Elétrico;

Subcapítulo 4.7 – Teste às Escovas de Terra do Alternador;

Subcapítulo 4.8 – Substituição dos Filtros de Sílicas do Analisador de Hidrogénio;



1.3 – Estrutura do Relatório

O presente relatório de estágio encontra-se repartido em seis capítulos organizados pela

seguinte ordem e abordando os seguintes temas:

Capítulo 1 – Neste capítulo é efetuada uma introdução à importância da energia elétrica na

sociedade atual evidenciando-se as suas tendências de consumo no decorrer

dos últimos anos. São, de igual modo, apresentados os objetivos do estágio

assim como a estrutura do presente relatório.

Capítulo 2 – Neste capítulo são descritos os principais métodos usados na produção da

energia elétrica, atribuindo-se enfâse às vantagens e desvantagens das centrais

electroprodutoras baseadas na utilização de recursos renováveis e não

renováveis. É também traçada uma introdução às noções de energia,

efetuando-se uma breve descrição dos ciclos termodinâmicos que definem o

tipo de central termoelétrica onde eles são empregues.

Capítulo 3 – Neste capítulo são descritos os principais sistemas e equipamentos existentes na

Central Termoelétrica de Ciclo Combinado de Lares, destacando-se a sua

importância e função na exploração da Central. Descreve-se, ainda, a

organização e a estrutura interna da Central Termoelétrica de Lares.

Capítulo 4 – Neste capítulo é feita a apresentação das tarefas acompanhadas e efetuadas ao

longo do período de estágio. As tarefas descritas no subcapítulo 4.1 e 4.2 foram

tarefas propostas no decorrer do estágio.

Capítulo 5 – Neste capítulo é efetuada uma introdução que visa descrever a caraterização dos

arranques, assim como a sua influência no Sistema de Energia Elétrica (SEE).

São, ainda, descritos os procedimentos necessários à caracterização dos

arranques através do PI e do PI ProcessBook e são apresentados os resultados

relativos ao estudo da caracterização dos arranques.

Capítulo 6 – São apresentadas as conclusões do relatório de estágio, ressalvando-se a

importância e o contributo do estágio na minha formação académica.

Capítulo 2 – Produção de Energia Elétrica


Capítulo 2 – Produção de Energia Elétrica 2.1 – Considerações de Energia

Devido à sua natureza abstrata, a definição de energia é complexa. A energia apresenta-se

de diversas formas, tais como: calor, luz, mecânica, elétrica, cinética, elástica, potencial,

química entre outras. De forma genérica, o conceito de energia pode ser definido como sendo

a capacidade de gerar trabalho (movimento, luz, calor, força motriz). É possível classificar a

energia em várias categorias das quais se destacam duas categorias associadas ao movimento,

energia potencial (geralmente esta energia encontra-se armazenada) e energia cinética

(geralmente contida num corpo em movimento).

2.1.1 – Definição de Energia Potencial

A energia potencial é a energia que está disponível em qualquer instante, tal como a

energia química armazenada em baterias (energia potencial elétrica), a energia contida numa

mola comprimida (energia potencial elástica) ou a energia associada a uma queda de água (as

centrais hidroelétricas utilizam a energia potencial gravítica da água como meio de gerar

energia mecânica que será posteriormente convertida em energia elétrica). Assim, é possível

entender que a quantificação da energia potencial gravítica seja representada através da

expressão (2.1):

Energia Potencial (J) = massa (kg) * aceleração gravítica (m/s2) * altura (m)

2.1.2 – Definição de Energia Cinética

A energia cinética é a energia contida ou armazenada num corpo em movimento e pode ser

determinada através da expressão (2.2):

Energia Cinética = ( ) ( )

A energia total resultante do movimento de um corpo ou substância resulta da soma da

energia potencial com a energia cinética. O valor dessa energia pode ser obtido através da

expressão (2.3) [2].

Onde: m – massa (kg); g- aceleração gravítica (m/s2); h – Altura (m); v – velocidade (m/s).

(2.1)

(2.2)

(2.3)



2.1.3 – Princípio da Conservação da Energia

O princípio da conservação da energia indica que a energia é convertida ou transformada

de uma forma para a outra (por exemplo, transformar energia química em energia calorífica

ou transformar energia cinética em energia mecânica). Este princípio advém da

impossibilidade de criar uma máquina que gere energia a partir do nada. O princípio da

conservação de energia elucida que a energia nunca é criada, nunca é destruída, mas sim

transformada noutro tipo de energia.

Analisando o exemplo típico de um moinho convencional, é possível entender o princípio

da conservação da energia. Um moinho é um exemplo adequado para descrever a

transformação de energia cinética em energia mecânica. A energia cinética contida no vento

(designada por energia primária) é captada pelas pás de uma hélice que se encontra fixa a um

eixo. O vento, ao passar pela hélice, força-a a rodar. Como o eixo é solitário à hélice, este vai

acompanhar o movimento circular da hélice gerando, deste modo, energia cinética rotacional.

A energia rotacional contida no eixo é de seguida convertida em energia mecânica (designada

por energia final). A energia mecânica é disponibilizada através do movimento rotativo do

eixo.

Como a transformação de energia tende a ter um rendimento inferior à unidade, a energia

primária tende a ser superior à energia final. Esta condição verifica-se uma vez que nem toda

a energia primária disponibilizada no processo de transformação é convertida na energia final,

podendo esta ser transformada noutra forma de energia que não a pretendida.

Este conceito é facilmente compreendido analisando, como exemplo, o rendimento de uma

central termoelétrica convencional. Neste exemplo em particular, o rendimento da central

termoelétrica foi considerado em 35%. O rendimento apresentado indica que por cada 100

unidades de energia primária consumida pela central (por exemplo carvão), apenas 35

unidades são convertidas em eletricidade (energia final). As restantes unidades da energia

primária são convertidas noutra forma de energia que não se torna útil ao processo de

produção de energia elétrica, tal como, a energia térmica que é libertada para a atmosfera

através da chaminé.



2.2 – Tipos de Centrais Elétricas

As centrais electroprodutoras são classificadas pela energia primária que utilizam para

produzir energia elétrica. Atualmente existem inúmeros recursos energéticos que podem ser

empregues na produção de energia elétrica. O petróleo, o carvão, o gás natural (GN), a

biomassa, a energia hídrica, eólica e solar são alguns dos recursos energéticos usados para

fornecer energia primária as centrais electroprodutoras. As fontes de energia primária,

consequentemente, são classificadas quanto à sua origem, respetivamente em energias

renováveis e não renováveis.

As energias renováveis têm a sua origem em recursos naturais, tais como o vento, a água e

o sol. Este tipo de energia apresenta-se como sendo uma energia inesgotável, pois, esta é

renovada continuamente na natureza. A figura 2.1 apresenta centrais elétricas baseadas na

utilização de recursos naturais para a sua atividade. Por seu turno, as energias não renováveis

é a designação atribuída aos recursos naturais que quando utilizados não podem ser repostos

pela mão humana ou pela natureza num período de tempo útil. Estes recursos são conhecidos

como combustíveis fósseis e apresentam reservas finitas.

Ambos os tipos de energia são utilizados na produção de energia elétrica. O processo de

conversão assenta numa filosofia em que a energia primária é transformada em energia

mecânica. Por sua vez, a energia mecânica é transmitida a um alternador através de um eixo

ou veio com o intuito de converter a energia mecânica em energia elétrica. A complexidade

dos processos de conversão energética difere em função da fonte primária que lhe deu origem.

As centrais de fontes renováveis, por usarem energia proveniente da natureza, tais como o

vento, o sol, ou a energia potencial gravítica da água, são centrais que não garantem uma

produção constante e controlável, uma vez que estão diretamente dependentes da

disponibilidade dos recursos naturais.

Fig. 2.1 – Barragem da Aguieira (A); Parque eólico do Cadafaz (B) [3, 4].

A B



As centrais que produzem energia elétrica a partir da transformação da energia química contida nos combustíveis em energia térmica e cinética são designadas por centrais termoelétricas. Estas centrais utilizam a energia química dos combustíveis como meio de gerar energia térmica que será usada na produção de vapor. O vapor gerado é empregue na produção de energia mecânica através de uma turbina a vapor. Este tipo de central obtém a sua fonte de calor através de processos de combustão de combustíveis que podem ser fósseis (carvão, GN, fuelóleo) ou renováveis (biomassa). Existem ainda centrais termoelétricas que geram calor sem recorrer a processos de combustão, nomeadamente as centrais nucleares. Estas centrais termoelétricas obtêm a sua fonte de calor a partir de materiais radioativos, tais como o urânio. A principal vantagem das centrais termoelétricas carateriza-se pela possibilidade de manter uma produção constante e controlável de energia elétrica.

Tipo de centrais termoelétricas de combustíveis fósseis: - Centrais a carvão; - Centrais de fuelóleo; - Centrais a gás natural; - Centrais de ciclo combinado; - Centrais nucleares.

Fig. 2.2 – Central de Setúbal – Fuelóleo (A); Central de Sines – Carvão (B); Central do Ribatejo – CCTG (C) [5, 6, 7].

As vantagens das centrais electroprodutoras que usam energias renováveis sem recorrer a processos de combustão advêm do facto de estas não produzirem emissões gasosas poluentes tais como dióxido de carbono (CO2) e o custo da fonte primária é gratuito e abundante. Este tipo de central apresenta arranques rápidos, podendo injetar energia para a rede elétrica em poucos minutos. Como desvantagem apresentam uma produção intermitente, custos elevados ao nível da sua implementação (barragens) e impacto visual e sonoro (eólicas).

As centrais termoelétricas que usam combustíveis fósseis apresentam desvantagens tais como a produção de emissões gasosas poluentes (CO2, NOx), o preço do combustível depende diretamente do preço do petróleo em mercado, operam a partir de uma fonte de energia primária finita e apresentam tempos de arranque complexos e demorosos. Como vantagens, permitem uma produção constante e controlável, uma vez que a sua exploração não depende de energias endógenas1, a tecnologia é conhecida e o tempo de montagem é reduzido. 1 Energias renováveis tais como: eólica, Resíduos Sólidos Urbanos (RSU), biogás, biomassa, fotovoltaica e Pequenas Centrais Hídricas (PCH).

A B C



2.3 – Diferença entre Centrais Térmicas Clássicas e de Ciclo Combinado

As centrais térmicas utilizam combustíveis de fontes renováveis ou não renováveis como

meio de gerar calor. O calor resultante do processo de combustão é utilizado para produzir

vapor de água com temperatura e pressão adequadas de forma a este ser expandido num corpo

de uma turbina a vapor (TV).

As centrais térmicas convencionais são formadas na sua constituição mais simples por

quatro elementos essenciais, respetivamente, caldeira recuperativa, turbina a vapor, alternador

e condensador. Este tipo de central funciona com base num único ciclo termodinâmico (ciclo

de Rankine).

O vapor expandido na TV gera energia mecânica que é posteriormente transformada em

energia elétrica através de um eixo acoplado ao rotor de um alternador. Do mesmo modo, é

possível encontrar centrais térmicas que operam a partir de uma turbina de potência ou turbina

a gás (TG). Neste tipo de central não existe produção de vapor, sendo a turbina de potência a

responsável pela transmissão de energia mecânica ao eixo/alternador. Este tipo de central

opera, também, a partir de um único ciclo termodinâmico (ciclo de Brayton).

As centrais de ciclo combinado distinguem-se das centrais térmicas convencionais pelo

facto de estas utilizarem em conjunto dois ciclos termodinâmicos, respetivamente, ciclo de

Rankine e ciclo de Brayton. A turbina principal ou de potência é acionada através da

combustão da mistura entre o ar e o combustível (geralmente gás natural). Os gases

resultantes da combustão que possuem uma temperatura elevada são, deste modo, enviados

para o interior de uma caldeira recuperativa onde são recuperados de forma a gerar vapor de

água. O vapor proveniente da caldeira recuperativa é, então, expandido no corpo da turbina a

vapor.

A TG e a TV podem ser usadas em topologias de eixo único, onde ambas as turbinas estão

ligadas a um eixo comum que aciona um alternador (Centrais de Ciclo combinado de Lares e

do Ribatejo). É igualmente possível, encontrar topologias de centrais de ciclo combinado em

que cada turbina aciona um alternador acoplado a elas.

As centrais de ciclo combinado operam, assim, com base em dois ciclos termodinâmicos, o

ciclo de Brayton para as turbinas a gás (TG´s) e ciclo de Rankine para as turbinas a vapor. A

combinação dos dois ciclos oferece um rendimento superior se comparado ao rendimento

verificado em centrais termoelétricas convencionais que apenas fazem uso de um único ciclo

termodinâmico.



2.4 – Princípios Termodinâmicos

O presente estudo não pretende efetuar uma análise exaustiva dos processos

termodinâmicos existentes numa central termoelétrica. O principal objetivo é introduzir

conceitos básicos da termodinâmica com a finalidade de tornar mais percetível o seu conceito

aplicado a centrais termoelétricas.

A termodinâmica é um ramo da física que estuda as leis que descrevem a transformação de

energia calorífica em trabalho/movimento. As centrais termoelétricas operam segundo

princípios termodinâmicos uma vez que estas recorrem a processos de combustão ou de

reação nuclear de forma a gerar calor.

O calor gerado é, por sua vez, transformado em energia cinética e potencial (qualquer

substância é constituída por moléculas que se movem mais ou menos depressa consoante se

lhes adiciona ou se lhes retira calor) [2]. A energia cinética e a potencial poderão, deste modo,

ser convertidas em energia mecânica que, por sua vez, será convertida em energia elétrica

através do rotor de um gerador ou de um alternador.

As leis da termodinâmica têm em conta fatores que se verificam na mudança do estado do

fluido de trabalho, nomeadamente, a pressão, a temperatura ou o volume. Consequentemente,

existem as seguintes transformações associadas aos fluídos de trabalho:

Transformação Isotérmica → Transformação que ocorre com temperatura constante;

Transformação Isócora → Transformação que ocorre com volume constante;

Transformação Isobárica → Transformação que ocorre com pressão constante;

Transformação Adiabática → Transformação que não engloba troca de calor;

Transformação Isentrópica → Transformação que ocorre com entropia2 constante.

2 Entropia é uma combinação entre o fluxo de energia e temperatura. Esta propriedade caracteriza o grau de desordem das partículas ou moléculas num sistema. A água no estado sólido (gelo) tem uma entropia baixa. O vapor, por sua vez, apresenta uma entropia elevada (maior liberdade de movimento das moléculas da a água). O aumento de entropia também pode ser relacionado com o aumento de pressão se a temperatura se mantiver constante.



4

Caldeira

Condensador Bomba

2

1

3

Turbina a vapor

2.4.1 – Descrição do Ciclo de Rankine

Uma central termoelétrica convencional a vapor baseia-se apenas no ciclo termodinâmico

de Rankine3. Este ciclo apresenta quatro processos que alteram as propriedades do fluido de

trabalho (neste caso considera-se água). A figura 2.4 faz referência a um diagrama ideal de

Temperatura (T) – Entropia (S) do ciclo de Rankine com um nível de pressão e de

reaquecimento.

Fig. 2.3 – Ciclo de transformação da água vapor [8]. Fig. 2.4 – Diagrama T-S ideal do ciclo Rankine com um nível de reaquecimento [8].

1 - 2 → Processo de bombeamento (aumento da pressão).

2 - 3 → Transferência de calor a pressão constante na caldeira.

3 - 4 → Expansão do vapor na turbina.

4 - 1 → Transferência de calor a pressão constante no condensador.

A água no estado líquido é pressurizada através de uma bomba e é forçada a entrar para a

caldeira recuperativa. No interior da caldeira, esta é aquecida a pressão constante até se tornar

vapor superaquecido. Por sua vez, o vapor superaquecido é expandido nas pás de uma turbina

de forma a gerar trabalho (energia mecânica). No decurso do processo de expansão, a

temperatura e a pressão do vapor tendem a diminuir. O vapor entra no condensador e é

arrefecido até voltar ao estado líquido. A água no estado líquido é novamente bombeada

repetindo o ciclo.

A água apresenta ótimas propriedades para ser usada como fluido de trabalho. Contudo, o

seu uso em máquinas térmicas requer que esta seja transformada em vapor. O vapor, por seu

turno, pode ser classificado em vapor saturado e superaquecido.

O vapor saturado é composto por uma mistura de água com vapor cuja temperatura se

mantém constante em relação à pressão. Este tipo de vapor é usado em aplicações industriais

que não requerem isenção de humidade ou elevadas temperaturas do vapor.

3 Ciclo termodinâmico que descreve a obtenção de trabalho/movimento a partir de uma máquina ou turbina a vapor. A designação advém do físico/matemático escocês William John Macquorn Rankine.

T

S

2

Vapor saturado Vapor superaquecido

Água

1

3

4



T

S

2

1

3

4

Adição de combustível

O vapor superaquecido possui uma temperatura mais elevada em comparação com a temperatura do vapor saturado. O vapor superaquecido é obtido adicionando calor ao vapor saturado, mantendo constante a sua pressão. O vapor passa ao estado superaquecido quando ultrapassa a temperatura de saturação. O vapor superaquecido é isento de humidade e comporta-se, deste modo, como um gás.

Devido a estas propriedades, o vapor superaquecido é ideal para ser usado em aplicações tais como a produção de energia elétrica através de turbinas de vapor. A isenção de humidade é fulcral de modo a não deteriorar os componentes das turbinas a vapor aumentando deste modo a vida útil das mesmas.

2.4.2 – Descrição do Ciclo de Brayton

O ciclo termodinâmico de Brayton é um ciclo que descreve o aproveitamento da energia química contida num combustível para gerar energia mecânica através de uma turbina de potência. A eficiência do ciclo aumenta em função do aumento da temperatura. Contudo, esta situação só é possível de ser mantida se determinados componentes da turbina forem refrigerados. De forma a garantir a refrigeração desses componentes utiliza-se ar proveniente do compressor (linha a tracejado na figura 2.5) [2]. A figura 2.6 faz referência a um diagrama ideal de Temperatura (T) – Entropia (S) do ciclo de Brayton.

Fig. 2.5 – Processos de transformação numa TG. Fig. 2.6 – Diagrama T-S ideal do ciclo de Brayton.

1 → Entrada do ar no compressor com pressão e temperatura ambiente;

1 - 2 → Compressão do ar (a temperatura e a pressão aumentam);

2 - 3 → Combustão da mistura ar/combustível (a temperatura e a pressão aumentam);

3 - 4 → Expansão dos gases na turbina (a temperatura e a pressão diminuem);

4 - 1 → Pressão e temperatura do ar a saída da turbina de potência.

O ar aspirado pelo compressor sofre uma compressão antes de transitar par o sistema de combustão. Nas câmaras de combustão, o ar comprimido é expandido e misturado com o combustível onde é efetuada a queima. Os gases resultantes da combustão possuem temperaturas e pressões elevadas. Estes, ao serem expandidos nas pás da turbina realizam trabalho (transformação de energia cinética em energia cinética rotacional no eixo que será convertida em energia mecânica). Os gases, ao serem expandidos tendem a diminuir a sua temperatura e pressão.

Câmara de Combustão

Compressor Turbina de Potência

Veio comum

Ar Gases de exaustão 2

1 3

4



2.4.3 – Termodinâmica em Centrais de Ciclo Combinado

As centrais de ciclo combinado são baseadas na utilização de ambos os ciclos

termodinâmicos descritos nos subcapítulos 2.4.1 e 2.4.2, pois são constituídas por uma turbina

a gás e uma turbina a vapor. A energia elétrica produzida resulta da soma da conversão da

energia mecânica produzida por ambas as turbinas. Em centrais de ciclo combinado, os gases

à saída da TG, resultantes da combustão do combustível com ar, são enviados para uma

caldeira recuperativa onde a energia calorífica contida nos mesmos é recuperada. A energia

contida nos gases de exaustão da turbina de potência é, deste modo, usada para gerar vapor

que será expandido numa turbina a vapor.

A utilização de ambos os ciclos permite obter rendimentos superiores aos verificados em

centrais termoelétricas que apenas usem o ciclo termodinâmico de Rankine ou de Brayton.

Fig. 2.7 – Ciclos termodinâmicos em condições ideias de uma central de ciclo combinado com três níveis de

reaquecimento de vapor.

A energia elétrica total resulta, deste modo, da expressão (2.4):

( ))

Os ciclos ideias de Rankine e de Brayton apresentados no subcapítulo 2.5 diferem dos

ciclos reais uma vez que estes não contemplam as perdas ocorridas entre processos.

S

T Ciclo de Brayton Ciclo de Rankine

com 3 níveis de reaquecimento

Alta Pressão Média Pressão Baixa Pressão

(2.4)

Energia elétrica

Turbina a Gás Turbina a Vapor Alternador

Caldeira Recuperativa Gases de exaustão

Vapor

Gases de exaustão

Fig. 2.8 – Esquema descritivo do funcionamento de uma Central de Ciclo Combinado.

Capítulo 3 – Apresentação da Central Termoelétrica de Lares



A Central de Ciclo Combinado de Lares encontra-se localizada junto à margem direita do

rio Mondego, nas proximidades de Lares, freguesia de Vila Verde (Figueira da Foz) como

ilustrado na figura 3.1.

Fig. 3.1 – Localização da Central de Ciclo Combinado de Lares [9].

A construção da Central de Ciclo Combinado de Lares foi finalizada em 2009, tendo sido

efetuado o primeiro sincronismo com a rede elétrica nacional em Junho de 2009 (grupo I). A

sua inauguração foi realizada no dia 25 de Novembro de 2009.

A responsabilidade pela exploração da Central de Ciclo Combinado de Lares é,

atualmente, atribuída à Tergen, S.A, empresa detida pela EDP Produção que tem como

finalidade a operação e manutenção de centrais termoelétricas.

O organograma da Central Termoelétrica de Lares está representado na figura 3.2.

Fig. 3.2 – Modelo organizacional da Central Termoelétrica de Lares [1].

Centro de Produção

Condução Manutenção Controlo técnico

e de Gestão

Equipas de condução

Elétrica e C&I Planeamento Mecânica Prevenção

e segurança

Ambiente e Química

Lab. Químico Apoio de Gestão.

Direção

Gestão

Técnicos

Supervisão

Análise de exploração



3.1 – Organização das Pessoas

Os colaboradores da Central encontram-se repartidos em três áreas como ilustrado na

figura 3.2, respetivamente, área de condução, área de manutenção e área de controlo técnico e

de gestão. Estas três áreas são repartidas em pequenas equipas de atuação. Deste modo, a área

de condução divide-se em equipas de condução e equipa de análise de exploração. As equipas

de condução são formadas por três membros (1 supervisor e 2 técnicos) que operam em

regime de turnos rotativos e que têm como principal função a operacionalidade da Central

Termoelétrica. A área de análise de exploração tem como função a análise de indicadores, tais

como consumos de combustível e produção de energia elétrica.

A área de manutenção é constituída por três subáreas, respetivamente, manutenção elétrica,

planeamento e manutenção mecânica. As equipas de manutenção operam em regime normal

de horário e são formadas por supervisores e técnicos. Têm como missão manter os

equipamentos e as instalações em bom estado de operacionalidade efetuando ações de

manutenção corretiva e preventiva.

A área de controlo técnico, por sua vez, está dividida, de igual modo, em três subáreas,

respetivamente, área de segurança, ambiente e química e apoio de gestão.

As áreas de condução e manutenção operam em regime de rotatividade, isto é, as equipas

constituintes de cada área vão alternando as suas funções e a sua área de atuação. Deste modo,

os membros de ambas as equipas adquirem conhecimentos na área de manutenção e condução

promovendo, desta forma, a aptidão para desenvolverem novas tarefas. Os colaboradores da

Central de Ciclo Combinado de Lares são ainda auxiliados através de empresas externas que

funcionam como empresas prestadoras de serviços.

Os gestores de cada área apoiam as equipas afetas à sua área. A responsabilidade máxima

da Central Termoelétrica de Lares é atribuída ao diretor da mesma.

Ao longo do estágio, foi possível observar que a segurança é um fator chave para reduzir

as sinistralidades na Central Termoelétrica de Lares. Foi possível observar que as pessoas

externas à Central Termoelétrica que tivessem de efetuar trabalhos no interior do recinto

estavam sujeitas a induções de segurança.



3.2 – Política Energética

O investimento na Central Termoelétrica de Lares insere-se no âmbito do plano estratégico

e das políticas ambientais do Grupo EDP. A construção desta central contribui para o reforço

de segurança do sistema elétrico em Portugal, complementando a produção a partir de fontes

renováveis tais como centrais hídricas e eólicas minimizando os impacto ambientais. A EDP

promove a exploração dos centros de produção de acordo com critérios de operacionalidade e

fiabilidade estabelecidos, maximizando resultados visando o desempenho ambiental e a

diversidade quanto ao tipo de centrais térmicas.

Desde 2007 que todas as instalações termoelétricas da direção de produção térmica da EDP

(EDP Produção) dispõem de um Sistema Integrado de Gestão do Ambiente e Segurança

(SIGAS4), certificado pela norma NP EN ISSO 14001:2004. A Central Termoelétrica de

Lares é a central mais recente da EDP e obteve a certificação a 24 de Setembro de 2010. Na

sequência da constante preocupação com o desempenho ambiental das suas instalações, a

EDP Produção decidiu, em finais de 2007, definir como objetivo para algumas das suas

instalações, o registo no Sistema de Eco-gestão e Auditoria da União Europeia (EMAS5). O

EMAS apresenta-se como sendo uma ferramenta de gestão para empresas e organizações

avaliarem, reportarem e melhorarem o seu desempenho ambiental. A participação é

totalmente voluntária e qualquer organização pública ou privada pertencente à União

Europeia e Espaço Económico Europeu (EEA) pode participar.

3.3 – Descrição da Central Termoelétrica de Lares

As centrais termoelétricas dividem-se, de modo geral, em “Ilha de potência” e Balance Of

Plant, (BOP). A ilha de potência é essencialmente constituída por uma turbina gás, uma turbina a vapor, um alternador, uma caldeira recuperativa, um condensador, um transformador

principal e um auxiliar. O BOP, por sua vez, é o conjunto de todos os equipamentos auxiliares

afetos à exploração da Central, tais como motores alimentados a partir da média ou baixa

tensão para bombear água ou acionar ventiladores, sistema de iluminação, sistema de

telecomunicação, sistema de deteção e extinção de incêndios e sistema de controlo e proteção.

A Central de Ciclo Combinado de Lares é constituída por dois grupos electroprodutores

independentes com uma potência unitária de 441 MW. Cada grupo é constituído por uma TG,

uma TV, um alternador, um transformador principal, um transformador auxiliar, uma caldeira

recuperativa horizontal, sistema elétrico, um condensador, um sistema de bypass de vapor e um sistema de arrefecimento em circuito aberto e fechado. 4 O SIGAS permite a uma organização alcançar e controlar de forma sistemática o seu desempenho ambiental e de segurança. 5 O EMAS está disponível para a participação de empresas desde de 1995, originalmente estava restrito a empresas do sector industrial. Só a partir de 2011 o EMAS abriu portas a todos os sectores económicos.



Existem, ainda, alguns sistemas comuns aos dois grupos, tais como sistema de ar

comprimido (produção, armazenamento e distribuição), sistema de vapor auxiliar, sistema de

água (captação, armazenamento e distribuição), Instalação de Tratamento da Água (ITA),

Estação de Tratamento de Efluentes Líquidos (ETEL) e posto de chegada e redução de

pressão do gás. A figura 3.3 ilustra a disposição dos principais edifícios da Central.

Fig. 3.3 – Disposição geral da Central Termoelétrica de Lares [9].

Legenda:

1 – Grupo Turboalternador nº 1; 2 – Grupo Turboalternador nº 2; 3 – Armazenamento de água desmineralizada; 4 – Posto de chegada e redução de pressão do gás natural; 5 – Armazenamento de água de serviço; 6 – Armazenamento de água de combate a incêndios; 7 – Central de ar comprimido e central de bombagem de água de combate a incêndios; 8 – Caldeira Auxiliar; 9 – ITA/ETEL; 10 – Filtros gravíticos ou monopack; 11 – Torre de refrigeração (circuito de arrefecimento aberto); 12 – Subestação elétrica de muita alta tensão (MAT); 13 – Armazenamento de gasóleo bruto e tratado; 14 – Edifício administrativo e de controlo; 15 – Oficina elétrica e mecânica; 16 – Armazém multiusos; 17 – Parque de resíduos; 18 – Edifício elétrico dos serviços comuns e auxiliares.

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3.4 – Descrição dos Sistemas da Central

A Central está equipada com 2 grupos electroprodutores independentes. Cada grupo tem

uma potência unitária instalada de 441 MW. O rendimento global de cada grupo é de 57,8%

quando se encontra à carga máxima [10]. O rendimento próximo de 58% deve-se ao facto de

existir uma caldeira recuperativa horizontal que recicla os gases de exaustão resultantes da

combustão do gás natural (ou gasóleo) pela TG. Através da temperatura elevada contida nos

gases resultante da combustão (aproximadamente 649 ºC), a água que circula no interior da

caldeira recuperativa é transformada em vapor com 3 níveis de pressão, respetivamente, alta

pressão (160 Bar), média pressão (25 Bar) e baixa pressão (4 Bar). O vapor expandido na

turbina de alta e média pressão possui uma temperatura média de 560 ºC. Por sua vez, a

temperatura do vapor expandido na turbina de baixa pressão corresponde, em média, a

300 ºC. Estima-se que o consumo anual de gás é de 720 milhões Nm3/ano, sendo a produção

anual de eletricidade de 4000 GWh. A Central de Ciclo Combinado de Lares apresenta uma

disponibilidade superior a 96% [10]. De forma a manter uma disponibilidade elevada, conta-

se com diversos sistemas e equipamentos como descrito nos próximos subcapítulos.

3.4.1 – Sistema de Queima e Produção de Vapor

Para efetuar a queima do combustível na TG é necessário captar ar e guiá-lo para o interior

do compressor de forma a este ser comprimido antes de ser misturado com o combustível. O

sistema de captação de ar é constituído por filtros de modo a reter partículas existentes no ar

(figura 3.4). Os filtros garantem que o ar que entra no compressor não contém impurezas que

possam reduzir o rendimento global do grupo e danificar o compressor e/ou a TG.

Fig. 3.4 – Tomada de ar, vista exterior (A); Filtros cilíndricos no interior da tomada de ar (B).

A tomada de ar possui dois níveis de filtragem. O primeiro nível é constituído por filtros

junto à admissão de ar (contacto direto com o meio ambiente). Estes são responsáveis por

captar as partículas de maiores dimensões (figura 3.4 (A)). No interior da tomada de ar existe

o segundo nível de filtros. Neste nível, existem cerca de 756 filtros cilíndricos que garantem a

retenção das partículas mais finas. A disposição dos filtros está ilustrada na figura 3.4 (B).

A B



Os filtros possuem um sistema de limpeza automático que injeta ar comprimido em sentido

inverso ao sentido normal da passagem de ar. Este processo garante o despoeiramento dos

filtros. A poeira resultante da atuação do sistema é removida automaticamente para o exterior.

O ar filtrado é encaminhado para o compressor onde ocorre a compressão do mesmo com

uma taxa de 18,5:1 através de 18 andares de compressão. O ar, após comprimido, é repartido.

Uma parte do ar é encaminhada para o sistema de arrefecimento de forma a promover o

arrefecimento da TG. O restante ar é misturado com o combustível e é queimado nas câmaras

de combustão. O modelo das turbinas a gás da Central Termoelétrica de Lares é PG9371FB

da General Electric (GE). Estas turbinas a gás possuem 18 queimadores individuais do tipo

Dry Low NOx (DLN). A figura 3.5 (A) ilustra o mímico de monitorização da temperatura na

exaustão da TG. É de realçar a uniformidade da temperatura dos gases de exaustão ao longo

da secção transversal do difusor. Esta uniformidade deve-se ao facto dos queimadores que

constituem o anel de queima formarem um aro contínuo de chamas, garantindo assim a

eliminação de pontos quentes e frios no cone de exaustão da TG.

Fig. 3.5 – Mímico de monitorização do cone de exaustão da TG (A); Cone de exaustão TG (B).

O gás natural é o combustível primário das turbinas a gás, contudo, estas estão preparadas

para queimar gasóleo na falta de gás natural. Os queimadores (figura 3.6) possuem seis bocais

que permitem efetuar diferentes modos de queima permitindo deste modo a ajustar a queima

as necessidades da TG (Anexo B). Os queimadores possuem ainda um sistema de injeção de

água que permite controlar os compostos das emissões gasosas, tais como os NOx.

. Fig. 3.6 – Queimador da TG.

B A



3.4.2 – Caldeira Recuperativa

A caldeira recuperativa é responsável pela produção do vapor necessário ao funcionamento

da TV (figura 3.7). No interior da caldeira, a água circula de forma natural através de

tubulares.

Fig. 3.7 – Visão geral da caldeira recuperativa [11].

Os tubulares são os responsáveis pelo transporte da água e pela permuta de calor entre a

água e os gases de exaustão enquanto esta circula no interior da caldeira recuperativa. De

forma a aumentar a taxa de transferência de calor, os tubulares são constituídos por alhetas ou

discos. Este tipo de construção permite aumentar a área dos tubos em contacto com os gases

de exaustão (figura 3.8). A disposição das alhetas e dos discos permite criar um percurso

helicoidal à passagem dos gases de forma a otimizar a transferência de calor entre os gases de

exaustão e os tubulares. A água após passar ao estado de vapor flui de forma natural para o

barrilete correspondente ao circuito que ela efetua na caldeira recuperativa.

Fig. 3.8 – Tubulares com alhetas (A); Tubulares com discos (B).

A caldeira recuperativa é dividida em secções devido às diferentes temperaturas e pressões

necessárias no ciclo água/vapor. Os barriletes localizados no topo da caldeira recuperativa têm

como função abastecer as secções do evaporador (secção da caldeira onde a água passa do

estado líquido para o estado gasoso) e efetuar a separação da água no estado líquido do gasoso

(figura 3.9 (A)). Na figura 3.10 é possível visualizar o mímico de monitorização da caldeira

recuperativa, assim como o ciclo água/vapor para cada nível de pressão.

B A



Fig. 3.9 – Interior do barrilete AP (A); Barrilete de AP e MP (B); Bomba de abastecimento do barrilete AP (C).

O barrilete é projetado de modo a que apenas a água no estado líquido possa regressar aos

tubulares do evaporador. O vapor, quando livre de gotículas de água, é encaminhado para a

secção da caldeira recuperativa onde se localiza o sobreaquecedor de vapor. Este último

garante a temperatura e a pressão necessária do vapor antes de este ser expandido no corpo da

TV. A função do barrilete, para além

caracterização dos arranques da central termoelétrica de lares · 2013. 9. 12. · de centrais...

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