centrais termoelétricas - wordpress.com · 2020. 9. 18. · centrais térmicas à vapor 21 2)...
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Centrais Termoelétricas
Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen
1
Geração Elétrica
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA
Introdução
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O processo fundamental de funcionamento das centrais termelétricas
baseia-se na conversão de energia térmica em energia mecânica e esta em
energia elétrica.
A conversão de energia térmica em mecânica é feita com o uso de
um fluído que produzirá, em seu processo de expansão, trabalho em turbinas
térmicas. O acionamento mecânico de um gerador elétrico acoplado ao eixo
da turbina converte energia mecânica em elétrica.
A produção da energia térmica pode ser dada pela transformação da
energia química dos combustíveis, por meio do processo da combustão, ou
da energia nuclear dos combustíveis radioativos, com a fissão nuclear.
Centrais cuja geração é baseada na combustão são conhecidas como
termoelétricas. As baseadas na fissão nuclear são chamadas de centrais
nucleares.
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA
Introdução
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As centrais termoelétricas (convencionais) são classificadas de
acordo com o método de combustão utilizado.
Combustão Externa: O combustível não entra em contato com o fluído de
trabalho. Este é um processo usado principalmente nas centrais
termoelétricas a vapor, nas quais o combustível aquece o fluído de trabalho
(em geral a água) em uma caldeira até gerar o vapor que, ao se expandir
em uma turbina, produzirá trabalho mecânico;
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. A combustão interna é o processo usado
principalmente nas turbinas a gás e nas máquinas térmicas a pistão
(motores a diesel).
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA
Introdução
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A figura a seguir mostra um diagrama simplificado de uma central
termoelétrica com combustão externa (a vapor).
Central termelétrica com combustão externa (a vapor)
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA
Introdução
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O vapor se expande (a pressão passa de alta à baixa) na turbina,
gerando energia. Este vapor que sai da turbina vai ao condensador, onde
o calor é retirado e se obtém líquido. O líquido é bombeado de volta à
caldeira, fechando o ciclo.
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA
Introdução
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Os principais combustíveis usualmente aplicados nas centrais a
vapor são o óleo, o carvão, a biomassa (madeira, bagaço de cana, lixo, etc.)
e derivados pesados de petróleo.
Os principais combustíveis usados nas máquinas térmicas a gás
são o gás natural e o óleo diesel.
No caso da central nuclear, o calor para o aquecimento da água
não é produzido por processo de combustão, mas sim pela energia gerada
pelo processo de fissão nuclear (reação nuclear controlada em cadeia).
As centrais a vapor, a gás e nucleares formam os grandes grupos
de centrais termelétricas.
Em muitas aplicações, centrais térmicas são utilizadas, no sistema
de co-geração, para produção conjunta de eletricidade e vapor para uso em
processos industriais.
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA
Introdução
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Na produção exclusiva de energia elétrica, podemos usar como
elemento no circuito um vapor ou um gás.
Na utilização de vapor, temos as centrais a vapor de condensação,
com turbinas a vapor.
Na utilização do gás, temos as centrais a gás, com motores a
pistão diesel ou turbina a gás.
Quando pretende-se produzir energia elétrica e vapor para
processo industrial, o elemento utilizado no circuito é a água na forma
líquida em parte do circuito e na forma de vapor na outra.
Este tipo de utilização (co-geração) faz simultaneamente a geração
de energia elétrica e térmica a partir de um único combustível, tais como gás
natural, carvão, biomassa ou derivados de petróleo.
Centrais Térmicas
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Os principais tipos, esquemas e configurações das
centrais térmicas são:
Centrais à Diesel,
Centrais à Vapor,
Centrais à Gás.
Centrais Térmicas
à Diesel
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Os motores diesel fazem parte de um amplo grupo de máquinas térmicas
chamado motores de combustão interna (MCI).
Os MCI recebem esta denominação porque a liberação de energia do
combustível ocorre em seu interior, como nas turbinas a gás e nos motores de
foguete. Em contraste, numa máquina a vapor (turbina a vapor) a combustão
se processa fora da máquina.
Os MCI foram criados no final do século XIX e tomaram-se populares devido à
sua aplicação em automóveis. Com o passar dos anos, os MCI foram se
tomando mais confiáveis, passando então a equipar outros meios de
transporte como trens, aeronaves e embarcações.
No final do século XIX o engenheiro alemão Dr. Rudolf Diesel desenvolveu o
motor que levou o seu nome a partir de tentativas mal sucedidas de criar um
motor a carvão pulverizado.
Centrais Térmicas
à Diesel
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Em termos de geração de energia elétrica raramente se utiliza um MCI que
não seja diesel. As maiores vantagens dos motores diesel são sua
disponibilidade no mercado, a facilidade de manutenção, sua boa eficiência e
(no Brasil) o menor custo do combustível relativamente ao álcool e à gasolina.
Em geral, o rendimento dos motores estacionários de grande porte é
semelhante ao das turbinas a vapor. A utilização mais comum em termos de
geração de energia elétrica é em pequenas centrais, com alguns MW, em
hospitais, grandes lojas de departamentos, etc., inclusive em esquemas de co
geração.
Nestes casos, a pequena central diesel serve como central de auto-geração,
como central de emergência (em caso de falta de energia) e ainda como
central de pico, para evitar a sobre taxação.
Centrais Térmicas
à Diesel
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Outra utilização das centrais a diesel é a geração de energia elétrica para
sistemas isolados, que têm o seu uso disseminado em regiões longínquas
sem outra fonte de geração (Região Amazônica).
As centrais a diesel apresentam, no entanto, limitações relacionadas com
potência, ruído e vibração, além de problemas como dificuldade de aquisição
de peças de reposição e seu transporte, assim como, principalmente nos
locais distantes, os altos custos de combustível e a emissão de gases
poluente.
Suas vantagens são a rápida entrada em carga, a simplicidade de operação,
compactas e o fácil plano de manutenção.
Centrais Térmicas
à Diesel
12 Figura - MCI a diesel de 2610 HP, 327 rpm (esquerda) e painel de comando (direita acima).
Grupo gerador a diesel (direita abaixo).
Centrais Térmicas
à Diesel
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Diversas classificações são possíveis para os MCI. As principais são:
Quanto ao tipo de ignição do combustível
Quanto ao ciclo de funcionamento
Centrais Térmicas
à Diesel
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1) Quanto ao tipo de ignição do combustível:
a) Ignição por centelha: a mistura ar – combustível, depois de admitida e
comprimida na câmara de combustão, é incendiada por uma centelha
produzida pela passagem de corrente elétrica entre dois eletrodos num
dispositivo denominado vela de ignição.
a) Ignição por compressão: o ar é admitido na câmara de combustão,
inicialmente sem o combustível, e depois comprimido. O combustível é
então injetado e entra em combustão devido à alta temperatura do ar
comprimido. A maior vantagem deste sistema é, talvez, a sua boa
eficiência térmica. Outra é a ausência do sistema elétrico necessário à
produção da centelha.
Centrais Térmicas
à Diesel
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2) Quanto ao ciclo de funcionamento:
a) Motores de dois tempos: o ciclo é realizado numa única volta completa
do eixo de manivelas (ou virabrequim). O MCI de dois tempos podem ser
de ignição por compressão ou por centelha. Em qualquer caso, os dois
tempos são: admissão-compressão e expansão-exaustão.
b) Motores de quatro tempos: o ciclo é realizado em duas voltas completas
do eixo de manivelas. Os MCI de quatro tempos também podem ser de
ignição por compressão ou por centelha e os quatro tempos são:
admissão, compressão, expansão e exaustão.
Centrais Térmicas
à Diesel
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2) Quanto ao ciclo de funcionamento:
a) Motores de dois tempos: admissão-compressão e expansão-exaustão.
Tempo de admissão e compressão (esq) Tempo de expansão e exaustão (dir).
Centrais Térmicas
à Diesel
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2) Quanto ao ciclo de funcionamento:
b) Motores de quatro tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão.
Tempo de admissão (1) Tempo de compressão (2)
Centrais Térmicas
à Diesel
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2) Quanto ao ciclo de funcionamento:
b) Motores de quatro tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão.
Tempo de expansão (3) Tempo de exaustão (4)
Centrais Térmicas
à Vapor
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As centrais a vapor são aquelas em que a água vaporizada
num equipamento denominado gerador de vapor impulsiona uma
turbina a vapor.
Podem-se classificar as centrais a vapor:
Quanto ao uso do vapor
Quanto ao número de fluidos de trabalho
Centrais Térmicas
à Vapor
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1) Quanto ao uso do vapor:
a) Centrais convencionais a vapor: o vapor é utilizado apenas para
movimentar a turbina a vapor.
b) Centrais de co-geração a vapor: o vapor é utilizado para outras
aplicações, dentre as quais pode-se citar processos industriais
(aquecimento ou limpeza de peças, catalisação de reações químicas,
tingimento de tecidos, etc), preparo de alimentos, acionamento de
centrais de ar condicionado, etc.
Centrais Térmicas
à Vapor
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2) Quanto ao número de fluidos de trabalho:
a) Centrais ciclo simples a vapor: A operação da central se dá com o uso de
um só fluido de trabalho, geralmente a água.
b) Centrais de ciclo binário a vapor: A central utiliza dois fluidos de trabalho
distintos. Isso se deve ao fato da água não ser o fluido de trabalho ideal
em todas as circunstâncias, caso em que tornase interessante aproveitar
as características de outro fluido. O ciclo binário causa o aumento de
potência específica da máquina, ou seja, redução do volume e preço da
máquina para igual potência, aumento do rendimento do ciclo teórico,
segurança (em circuitos com energia nuclear).
Centrais Térmicas
à Vapor
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2) Quanto ao número de fluidos de trabalho:
b) Centrais de ciclo binário a vapor:
Nestas usinas a energia utilizada é resultante da queima de um combustível
fóssil, como carvão, óleo ou gás. O calor gerado por esta queima transforma
a água em vapor na gerador de vapor.
Este vapor, a alta pressão, é utilizado para girar a turbina, que por sua vez,
aciona o gerador elétrico. Por fim, o vapor, que após passar na turbina ainda
tem uma temperatura alta, é condensado, transferindo o restante de sua
energia térmica para um circuito independente e isolado de resfriamento. Em
seguida a água é bombeada para a caldeira, completando o ciclo.
Estas usinas operam com eficiência entre 30 e 42%. Há a flexibilidade em
relação ao tipo de combustível utilizado (pode ser trocado, com adaptações).
Na conversão de calor em energia o rendimento para a potência de saída é
de aproximadamente 25% a 40%.
Centrais Térmicas
à Vapor
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2) Quanto ao número de fluidos de trabalho:
b) Centrais de ciclo binário a vapor:
Diagrama esquemático de uma central termelétrica a vapor
- A localização deve ser próxima a lagos, rios e mar, pois esta necessita de
muita água em seu funcionamento para ser utilizado no condensador.
Centrais Térmicas
à Vapor
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3) Principais partes constituintes:
Assim como as centrais hidrelétricas, as centrais a vapor são
sistemas de conversão de energia altamente complexos. É possível,
entretanto, distinguir alguns constituintes principais que estão presentes na
maioria das centrais. São eles:
a) Gerador de vapor: São os equipamentos responsáveis pelo processo de
mudança de fase da água de líquido para vapor. Eles são construídos de
forma a melhor aproveitar a energia liberada na queima do combustível.
b) Turbina a vapor: As turbinas a vapor são as máquinas responsáveis pela
transformação da energia contida no vapor (pressão, térmica e cinética)
em trabalho mecânico de rotação de um eixo que acionara o gerador
elétrico.
c) Condensador: É um dispositivo trocador de calor, no qual o vapor
proveniente da turbina é resfriado por um fluido de refrigeração,
retornando à fase líquida, estado no qual ele pode ser bombeado de
volta para o gerador de vapor com facilidade.
Centrais Térmicas
à Vapor
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3) Principais partes constituintes:
d) Acessórios: Alguns são fundamentais na operação de uma central a
vapor. Pode-se citar: As tubulações conduzem o fluido de trabalho entre
os diversos componentes da central. Os purgadores são válvulas que
permitem retirar o fluido condensado, ocasionalmente formado na linha
de vapor. As bombas transferem energia ao fluido de trabalho, sob forma
de pressão e cinética, com o objetivo de transportá-lo, vencendo os
gradientes de pressão e as perdas de carga do sistema. As válvulas
podem ser de mais de um tipo. As redutoras e controladoras de pressão
mantém a pressão de saída do vapor constante num nível determinado.
As controladoras de temperatura elementos sensores de temperatura e
são projetadas para atuar sobre o gerador de vapor em caso de
necessidade. Os filtros são dispositivos cujo objetivo é o de reter as
partículas sólidas existentes. O isolamento térmico é composto por
materiais de revestimento aplicados nas linhas de tubulações e demais
componentes com o objetivo de reduzir as perdas de calor para o
ambiente.
Centrais Térmicas
à Vapor
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4) As desvantagens das centrais térmicas à Vapor são:
Riscos de vazamento, com ou sem incêndio e explosão;
Riscos de choques térmicos na água de refrigeração devolvida para os rios,
lagos ou litorais vizinhos às usinas;
Ruídos e vibrações;
Alterações atmosféricas e climáticas:
Fuligens, fumaças (eventualmente contendo óxidos ou sulfetos
metálicos);
Gases carbônicos (CO e CO2);
Gases nitrogenados (NOx, dando origem a oxidantes foto-químicos,
como o ozônio, a acidez atmosférica e a precipitação de nitratos no solo
e nas águas);
Gases sulfurosos (SOx , dando origem a acidez e a precipitação de
sulfatos e sulfetos) e materiais residuais sólidos.
Centrais Térmicas
à Gás
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Nas centrais a gás, uma turbina a gás é impulsionada pelos gases
provenientes da queima de um combustível. Essas centrais podem ter ciclo
simples utilizando apenas uma turbina a gás, ou, apresentar um ciclo
combinado, o qual utiliza uma turbina a gás e uma turbina a vapor funcionando
em conjunto, sendo os gases de exaustão da turbina a gás, aproveitados para
gerar vapor para a turbina a vapor.
Estas usam máquinas de combustão interna. Necessitam de um
combustível de qualidade, por exemplo: gás natural e há uma menor relação
peso por potência (kg/kW) - menor relação espaço ocupado por potência
(m3/kW).
Centrais Térmicas
à Gás
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A figura a seguir mostra um diagrama esquemático de uma central térmica a gás.
Diagrama de uma central termelétrica a gás
Centrais Térmicas
à Gás
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Nestas centrais, os gases resultantes da queima do combustível
fóssil, como o óleo diesel ou gás natural, aciona diretamente uma turbina a
gás, que está acoplada a um gerador. O calor liberado pela queima do
combustível é transformado em potência mecânica na turbina que é
transformada em potência elétrica no gerador. Após passar na turbina os
gases tem ainda um grande conteúdo de energia a temperaturas
relativamente altas.
Os componentes essenciais de uma central a gás são:
Compressor
Câmara de combustão
Turbina
Centrais Térmicas
à Gás
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Compressor: Sua função é aumentar a massa específica do ar
encaminhando para a câmara de combustão.
Compressor de uma turbina a gás.
Centrais Térmicas
à Gás
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Câmara de combustão: É o espaço físico da turbina a gás no qual a
mistura ar-combustível é injetada e onde será processada a combustão.
Câmara de combustão de uma turbina a gás.
Centrais Térmicas
à Gás
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Turbina: É responsável por retirar energia dos gases de combustão e
entregar trabalho mecânico de rotação ao eixo de saída.
Turbina a gás.
Centrais Térmicas
à Gás
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Turbina:
A turbina a gás atinge eficiências termodinâmicas bem mais
elevadas porque o pico do ciclo de temperatura das turbinas modernas a
gás (aproximadamente 12000C) é bem mais elevado do que o das turbinas
a vapor (aproximadamente 5400C).
A eficiência global do ciclo termodinâmico das turbinas a gás
modernas varia de 35 a 42%, enquanto que o das turbinas a vapor varia de
30 a 40%, dependendo do combustível utilizado.
Centrais Térmicas
à Gás
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Turbina:
Uma vantagem termodinâmica inerente às turbinas a gás é
aproveitar o calor de escape para, por exemplo, produzir vapor numa caldeira
de recuperação, que pode ser usada em processos industriais numa
configuração de co-geração ou no Ciclo Combinado que é a geração de
energia elétrica, através de um processo que combina a operação de uma
turbina à gás com uma turbina a vapor, ambas diretamente acopladas a um
gerador.
Os gases de escape da turbina a gás, devido à alta temperatura,
promovem a transformação da água em vapor para o acionamento de uma
turbina a vapor, nas mesmas condições descritas no processo de operação
de uma termelétrica convencional.
Centrais Térmicas
à Gás
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A figura a seguir mostra o diagrama de uma central térmica a gás com ciclo
combinado.
Diagrama de uma central termelétrica a gás com ciclo combinado
Centrais Térmicas
à Gás
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São menos Poluente que as demais usinas a vapor, possuem
uma rápida disseminação, a combustão é livre da emissão de SOx (gás
que contribui para a chuva ácida) e com a menor taxa de emissão de
NOx (gás que ataca a camada de ozônio) entre os combustíveis. Esta
elimina o tratamento de efluentes dos produtos da queima. Porém
possuem os riscos para a biodiversidade dos locais cortados pelos
gasodutos e também riscos de incêndio e explosão em caso de
vazamentos.