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Nº.: 001/05 ASPECTOS DE COGERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA E VAPOR PARA PROCESSOS EM GERAL Roma, Alexandre – Engo. ITA – Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Engenharia Aeronáutica e Mecânica - Grupo de Turbinas Praça Mal. Eduardo Gomes, 50 - Vila das Acácias 12228-900 São José dos Campos - SP – Brasil roma@ita.br Objetivo.O objetivo deste documento é servir de base para o um melhor entendimento dos aspectos de geração conjunta de energia elétrica e vapor em processos industriais, além de possibilitar a abertura de discussões sobre tipos de turbinas possíveis de serem aplicadas a estas configurações de geração conjunta. Neste documento, será considerado na maior parte do tempo, uma visão de geração de energia elétrica através da utilização de turbina a vapor operando em controle de processo, podendo ser esta de contra-pressão ou condensação, com ou sem tomada ou extração de vapor. Palavras Chave. Cogeração, Consumo, Vapor, Processo, Turbina, Rendimento.

1. Introdução

A cogeração, também conhecida como geração conjunta de energia elétrica e vapor para processo em geral, esta geração conjunta representa uma utilização mais eficiente e portanto mais viável de centrais termoelétricas, reduzindo a utilização de equipamentos que contribuem para pontos de maior perda dentro dos ciclos térmicos, como é o caso dos condensadores..

O condensador por exemplo é um dos elementos do ciclo térmico onde é rejeitado o calor latente contido no vapor de escape da turbina. Este calor representa considerável parcela do calor cedido ao fluido de trabalho no gerador de vapor.

Os esforços normalmente realizados para aumentar os rendimentos das centrais térmicas são no sentido de minimizar as perdas no condensador.

O aproveitamento no processo do vapor de escape da turbina anula ou reduz as perdas de calor que se processariam no condensador.

Exemplos de ciclos:

Vapor Vivo

Turbina

Redutor Gerador

Condensador

Água de resfriamento

Condensado

Vapor Vivo

Turbina

Redutor Gerador

Vapor para processo

Retorno de condensado

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2. Cogeração

É apresentado um procedimento que permite a visualização de geração conjunta, possibilitando concluir quais as medidas que resultariam em um aumento da eficiência do sistema.

Considerações: Gerador acionado por turbina a vapor de contra-pressão, operando em controle de pressão de escape, sendo que

o vapor para processo é o do escape da turbina. 2.1. Consumo de vapor - Processo

É apresentado um gráfico hipotético de consumo de vapor de processo em função do tempo (ciclo de 24 hs) para uma determinada industria, onde é considerado para tal, uma data turbina a vapor operando em controle de contra-pressão, onde deseja-se uma pressão constante para o consumo de vapor de processo, com conseqüente variação de potência gerada pelo turbogerador em questão. Figura 1. Gráfico do consumo de vapor de processo pelo tempo 2.2. Consumo de vapor – Energia Elétrica

É apresentado um gráfico hipotético de consumo de vapor de escape para suprir uma determinada demanda de energia elétrica em função do tempo (ciclo de 24 hs).

Na maioria dos casos onde deseja-se operar a turbina a vapor visando uma demanda de energia elétrica, normalmente é o controle ativo é o de carga. Figura 2. Gráfico do consumo de vapor para demanda de energia elétrica pelo tempo

Vale observar que a construção do segundo gráfico é completamente independente da construção do primeiro e vice.

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2.3. Consumo de vapor – Processo X Energia Elétrica.

A superposição dos sois gráficos permite uma série de conclusões e observações. Figura 3. Superposição de curvas (Figura 1 e Figura 2)

2.4. Observações e conclusões 2.4.1. Envoltória da superposição

A envoltória da superposição das duas curvas representa o consumo total de vapor do sistema ao longo do tempo (ciclo de 24 hs), sendo a área abaixo da envoltória a representação do consumo diário de vapor do sistema. Figura 4. Envoltória da superposição.

2.4.2. Demanda de energía elétrica maior que consumo de vapor de processo.

Nos períodos em que a curva de demanda de energia elétrica está acima da curva de consumo vapor de processo significam períodos nos quais a quantidade de vapor utilizada na geração de energia elétrica é superior a quantidade requerida pelo processo.

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Nestes períodos é necessária a utilização de condensador e a área definida pela intersecção das duas curvas (Hachuras em azul) representa a quantidade total de vapor a ser condensado.

A maior distância entre as duas curvas no período adotado, define a capacidade do condensador em operação normal.

2.4.3. Demanda de energía elétrica menor que consumo de vapor de processo.

Nos períodos que a curva de consumo de vapor de processo esta acima da curva de demanda de energia elétrica, são períodos nos quais a quantidade de vapor requerido no processo é superior ao vapor necessário para geração de energia elétrica.

Nestes períodos é necessária a utilização de válvulas redutoras de pressão (by-pass) para complementação do

vapor de escape das turbinas. A maior diferença entre as duas curvas nestes períodos, define a capacidade das válvulas redutoras em

operação normal. Figura 5. Esquema básico de cogeração com consumo de vapor não coincidentes

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Vapor Vivo

Turbina

Redutor Gerador

Condensador

Água de resfriamento

Condensado de processo

Tratamento de água - DESMI

Caldeira

Desaerador

Torre de Resfriamento

Vapor de Processo

Valvula Redutora de

Pressão

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3. Observações e comentários

Como o sistema de geração de vapor deverá ser dimensionado em função do maior pico da curva envoltória, a primeira providência para a otimização do sistema é procurar reduzir a altura dos picos através de uma melhor programação na produção.

Como a utilização do condensador representa sempre a ocorrência de perdas no sistema a produção deverá ser programada de forma que sejam mínimas as áreas correspondentes ao uso do mesmo.

Se são freqüentes e prolongados os períodos em que a curva de vapor de processo se situa acima da curva de energia elétrica, pode significar que o sistema foi dimensionado com uma pressão de vapor principal desnecessariamente alta, implicando desta forma em uso freqüente das válvulas redutoras.

Nos casos em que a curva de consumo de vapor para suprimento de demanda de energia elétrica se apresenta acima da curva de vapor de processo, ou que predomina este comportamento, o sistema poderá ter sido dimensionado com condições iniciais de vapor muito baixas. O sistema poderá ser otimizado utilizando pressão e temperatura de vapor vivo maiores. Este pode ser também o caso da utilização da turbina multi-estágio com extração, pois estas turbinas apresentam consumos específicos mais baixos em conseqüência de um melhor aproveitamento do vapor. Nesses casos porém é necessário compatibilizar o consumo de vapor de processo com os limites de extração de uma turbina econômica.

Uma outra forma de reduzir as áreas correspondentes aos períodos de condensação é utilizar em paralelo com a turbina de contra-pressão uma turbina de condensação ou de contra-pressão menor e portanto de consumo específico menor nos últimos períodos em que a demanda de energia elétrica supere proporcionalmente o consumo de vapor de processo.

Estes são apenas algumas observações e comentários que podem ser tiradas destes conceitos. È importante contudo lembrar que existem limitações reais para o uso dos equipamentos componentes do ciclo o que irá muitas vezes obrigar o sistema a operar fora das condições ideais.

Os comentários tem desta forma o objetivo de orientar a seleção do sistema chamando a atenção sobre aspectos básicos.

É importante ainda comentar que elementos tais como: condensadores e principalmente válvulas redutoras de pressão são instaladas no sistema com o objetivos de introduzir maior flexibilidade de operação, sendo o seu uso previsto apenas em períodos de entrada em operação ou de operação normal.

Nestes casos ou mesmo nos casos de utilização normal destes componentes, o dimensionamento deverá prever a operação nestas condições especiais.

3.1. Fluxo de energia e rendimentos da instalação.

Ao longo de todo processo de transformação da energia química potencial do combustível em energia elétrica, ocorrem perdas de energia útil disponível.

O Diagrama apresentado na figura abaixo, embora resumido, permite uma visualização das perdas ao longo do processo de transformação de energia. Figura 6. Fluxo de energia em uma central termelétrica com geração conjunta de energia e vapor

Caldeira Turbina Gerador Consumo Auxiliares

Energia Química

Energia Térmica

Energia Mecânica

Energia Elétrica

Energia Elétrica

Disponível

Perdas Gerais:

Rendimentos e Distribuição

Energia Térmica

Disponível

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O rendimento líquido instalado é dado pela relação entre energia elétrica disponível mas Energia Térmica Disponível e a Energia Química Potencial do combustível, ou seja:

lCombustívedoPotêncialQuímicaEnergiaDisponívelTérmicaEneriaDisponívelElétricaEnergia +

=η

Figura 7. Fluxo de energia em uma central termelétrica com condensação pura O rendimento líquido desta instalação é dado pela relação entre a energia elétrica disponível e a energia potencial

do combustível, ou seja:

lCombustívedoPotêncialQuímicaEnergiaDisponívelElétricaEnergia

=η

Em certos tipos de instalações industriais, que utilizam vapor de aquecimento (Energia Térmica) em seus processos,

existe a possibilidade de se adotar uma configuração de uma central termelétrica com um rendimento global muito maior. Esta configuração consiste basicamente no aproveitamento do vapor de escape das turbinas, com sua energia remanescente, nos processos de aquecimento. Desta forma a energia perdida no condensador seria eliminada ou bastante reduzida.

Em termos de esquema de interligação de equipamentos bastaria que substituíssemos o condensador existe por trocadores de calor do processo industrial.

Esta configuração conhecida como cogeração (Energia Elétrica e Vapor de Processo) corresponde à utilização mais eficiente e portanto mais viável de centrais termelétricas.

A condição básica para seleção de uma central Termelétrica e cogeração é que haja a necessidade simultânea e em mesmo local de Energia Térmica e Energia Elétrica. 5. Referências Van Wylen, Gordon J., John Wiley & Sons, inc1989, “Fundamentals of classical Thermodynymics”, 3a ed ,Michigan,

EUA, 1993. Bloch, Heinz P., 1933, ”A Practical guide to steam turbine technology”, Ed. MacGraw-Hill, New York, EUA, 1996, AEG Kanis, Combined Cycle Power Plants, “Akcom – a modular system incorporating gas and steam turbines”, Essen,

Germany,

Perdas

Perdas

Caldeira Turbina Gerador Consumo Auxiliares

Energia Química

Energia Térmica Energia

Mecânica Energia Elétrica

Energia Elétrica

Disponível

Para Condensação