Geração de EnergiaElétrica

Joinville, 09 de Maio de 2012

GeraçãoTermoelétrica

Ciclo Combinado

Fernando B. Prioste

Escopo dos Tópicos AbordadosConceitos básicos de termodinâmica;Centrais Térmicas – Ciclo Combinado:– Descrição de Componentes;– Algumas partes extraídas de Dissertações de mestrado da UNIFEI - Itajubá .

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoNas décadas de 1950 e 1960 a eficiência dos ciclos avapor e a gás para geração de energia (ciclo combinado)estava sendo questionada;

Somente em 1971 é que instalações a ciclo combinadoforam viabilizadas (GE nos EUA e ABB (BBC) na Europa):

– Maior potência - EUA ~ 60MW (40 MW Gás e 20MW da vapor) ;– Maior potência – Europa (Koneuburg-A - Austria) ~ 75 MW , rendimento de 33%;

Próximo a 1990 é que as usinas térmicas a ciclocombinado passaram a ser empregadas em maior escala.

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoCiclo combinado gás-vapor consiste em aproveitar aenergia dos gases de exaustão das Turbinas a Gás eutilizá-lo para transformar água em vapor, para geração deeletricidade através de Turbinas a Vapor acopladas ageradores;

No processo, os ciclos térmicos de Brayton (Gás) e o deRankine (Vapor) são combinados a fim de aumentar orendimento global do processo – “Cascata Energética”;

O rendimento individual de turbinas a gás e o de turbinas avapor fica entre 35 a 40% e até 45%, respectivamente;

No ciclo combinado, o rendimento é de ~ 60%. 4

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoCiclos térmicos: Brayton (Gás):

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Rendimento do ciclo Brayton ideal: ( )1

1 1

2 2

1 1 1atmosfericaBrayton

saida compressor

TT PT T P

γγ

η

−

⎛ ⎞= − = − = −⎜ ⎟

⎝ ⎠Onde gama é a relação da capacidade de calor

Geração Termoelétrica – CicloCombinadoCiclos térmicos: Rankine (Vapor):

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Caldeira Turbina

Bomba

Condensador

3

4

1

2

( ), 1 CC H

H

Tf T TT

η = = −

Rendimento do ciclo de Rankine:

Geração Termoelétrica – CicloCombinadoCiclos térmicos de Brayton e de Rankine (CascataEnergética) rendimento ~ 60%:

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoConfiguração clássica de uma Usina Térmica a CicloCombinado:

– Utilização de 2 Turbinas à Gás para suprir 1 Turbina a Vapor. Astrês unidades têm a mesma potência. Exemplo:2 unidades à gás de 100 MW ligadas a uma unidade a vapor de100 MW.

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Interligação térmica entre as turbinas:Via caldeiras de recuperação, chamadas de Heat Recovery

Steam Generator – HRSG -> substitui a caldeira convencional da unidade avapor;

Apesar de apresentar uma estrutura diferente, a caldeira de recuperação apresentauma série de elementos que executam a mesma função da caldeira convencionalutilizada na central térmica a vapor

Geração Termoelétrica – CicloCombinadoConfiguração de uma Usina Térmica a Ciclo Combinado

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoConfiguração de uma Usina Térmica a Ciclo Combinado

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoConfiguração de uma Usina Térmica a Ciclo Combinado

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoPrincipais componentes de Usina Térmica a CicloCombinado:

– Unidade à gás (compressor, câmara de combustão e turbina àgás);

– Unidade a vapor: (caldeira, diversos estágios da turbina a vapor,reaquecedor, condensador);

– Caldeiras de recuperação ou Heat Recovery Steam Generator –HRSG -> substitui a caldeira convencional da unidade a vapor;

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoConfigurações de Caldeiras de recuperação:

As caldeiras de recuperação podem ser classificadascomo:

– Caldeiras de recuperação sem queima suplementar (mais comum parageração de energia);

– Caldeiras de recuperação com queima suplementar.

Ambas podem dispor de diversos estágios de pressão e temperatura;A com queima suplementar é capaz de gerar maispotência, porém acarreta em mais gasto de combustível.

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoAs caldeiras de recuperação sem queima suplementar:

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A temperatura máxima do vapordepende da temperatura dos gases deexaustão da turbina a gás, que é daordem de 550º C

Geração Termoelétrica – CicloCombinadoConfigurações de Caldeiras de recuperação:

As caldeiras de recuperação também podem ser classificadas devido à disposição de sua superfície de troca de calor como:

– Caldeiras com troca de calor horizontal:» Permitem a colocação de uma maior área de troca de calor sem

reforço estrutural, maximizando a recuperação de calor e a geração de vapor. Entretanto apresenta o problema de ocupar uma maior área no plano horizontal;

– Caldeiras com troca de calor vertical:» Ocupam uma menor área, mas deve ter um reforço estrutural que

aumenta o custo do investimento.15

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoCaldeiras com troca de calor horizontal:

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoCaldeiras com troca de calor vertical:

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoComponentes das Caldeiras de Recuperação:Superaquecedor: são tubulações que realizam a troca calor –geram o vapor;

Evaporador e o economizador: – tubulações que servem para aproveitar o calor dos gases que

passaram pelo superaquecedor;– têm a função de aquecer a mistura água e vapor para que esta

chegue com uma temperatura alta ao tambor;

Tambor: local onde ocorre a isolação do vapor gerado permitindo que apenas o vapor saturado siga através dos superaquecedores, primários e secundários, para o primeiro estágio de pressão da turbina;

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoComponentes das Caldeiras de Recuperação:

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoCentral Termoelétrica a Ciclo Combinado: (Alstom Power)

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoCentral Termoelétrica a Ciclo Combinado: (Alstom Power)

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoModelagem matemática da caldeira de recuperação:– Pode ser feita através de funções de transferência de primeira

ordem:

– Onde:– WGE(s) = Fluxo de gás de exaustão da turbina a gás (pu);– WS(s) = Fluxo de vapor produzido na caldeira de recuperação (pu);– TCR = Constante de tempo associada à caldeira de recuperação (s).

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Geração Termoelétrica – CicloCombinadoAplicação do Ciclo Combinado em Cogeração:

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