Termelétrica de Ciclo Combinado

Termelétrica de Ciclo Combinado
As usinas termelétricas são máquinas térmicas que têm como objetivo a
conversão da energia de um combustível em energia elétrica.
A eficiência térmica de conversão destas usinas é definida como a razão entre
a energia útil produzida (que gera retorno econômico) e a energia do
combustível que é consumida (que implica em custo operacional).
Em cenários econômicos onde o preço da unidade de energia do combustível é
relativamente alto, a eficiência térmica é um fator muito importante para que
estas usinas se tornem economicamente viáveis.
Duas temperaturas são muito importantes para o bom desempenho de uma
máquina térmica:
•
•
Ti a temperatura na qual a máquina começa a conversão da energia
térmica contida nos produtos da combustão em trabalho
Tf a temperatura na qual os produtos de combustão são rejeitados na
atmosfera ou temperatura na qual termina o processo de conversão.
Em uma termelétrica, quanto maior a temperatura Ti e quanto menor a
temperatura Tf (mais próxima à temperatura ambiente) maior é a eficiência de
conversão.
Outra forma de energia útil que uma termelétrica pode produzir é calor para
processos industriais (que também gera retorno econômico). Neste caso temse uma usina de cogeração.
Para maximizar o retorno econômico de uma termelétrica operando em um
cenário com custo de combustível relativamente alto, deve-se aproveitar todas
as formas possíveis de energia útil, como apresentado abaixo.
2. Turbina a Vapor
As turbinas a vapor são máquinas de combustão externa (os gases resultantes
da queima do combustível não entram em contato com o fluído de trabalho que
escoa no interior da máquina e realiza os processos de conversão da energia
do combustível em potência de eixo). Devido a isto apresentam uma
flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo usar inclusive
aqueles que produzem resíduos sólidos (cinzas) durante a queima.
Como as turbinas a vapor são máquinas de combustão externa então o calor
necessário para a ebulição do condensado e para o superaquecimento
posterior deve ser transferido dos produtos de combustão ao fluído de trabalho
através das serpentinas no interior da caldeira.
Devido a isto e à relação entre as propriedades da água, os processos de
conversão da energia do combustível em trabalho começa em
uma temperatura (560 oC) relativamente baixa quando comparada com a de
uma máquina de combustão interna. Por outro lado, a temperatura de rejeição
de calor (no condensador) é extremamente baixa (muito próxima à temperatura
ambiente).
Para reaproveitamento do fluído de trabalho é necessário a liquefação deste no
condensador antes de bombeá-lo à caldeira.
Os dois trocadores de calor, a caldeira e o condensador, são equipamentos de
grande porte e influem fortemente nas características da turbina a vapor
quando comparadas com as turbinas a gás:
a) Maior relação peso por potência ( kg/kW )
b) Maior espaço ocupado por potência ( m3/kW )
Com relação ao que será discutido na próxima página, ciclo combinado, a
principal característica da turbina a vapor é a temperatura de início da
produção de trabalho (~560 °C) e a de rejeição de calor (~50°C).
3. Turbina a Gás
As turbinas a gás são motores térmicos que realizam a conversão da energia
de um combustível em potência de propulsão, potência de eixo ou potência
elétrica.
Quando comparadas com os outros motores térmicos, apresentam como
características principais:
a) Menor relação entre custo de capital e potência ( $/kW )
b) Menor relação peso por potência ( kg/kW )
c) Menor relação espaço ocupado por potência ( m3/kW )
As turbinas a gás são máquinas de combustão interna ( a mistura de gases
resultantes da queima do combustível é o fluído de trabalho que escoa no
interior da máquina realizando os processos de conversão da energia do
combustível em potência de eixo ) e portanto necessitam de um combustível de
qualidade, por exemplo: gás natural.
Por serem máquinas de combustão interna realizam o processo de conversão
da energia do combustível a altas temperaturas ( começando com
temperaturas da ordem de 1000 °C e terminando em temperaturas próximas de
500 °C ).
A maior parcela da energia do combustível que não é aproveitada está nos
gases de exaustão ainda a altas temperaturas.
Com relação ao que será discutido na página referente a ciclo combinado a
principal característica da turbina a gás é a temperatura de início da produção
de trabalho (~1000 °C) e a de rejeição de calor (~500°C)
4. Ciclo Combinado
Devido às características das turbinas a gás e das turbinas a vapor, as
condições de acoplamento térmico entre os dois ciclos são muito boas. No ciclo
combinado (turbina a gás/turbina a vapor), o calor necessário para a caldeira
da turbina a vapor é fornecido pelos gases quentes da exaustão da turbina a
gás.
No acoplamento há uma redução na eficiência térmica de cada turbina. Para a
turbina a gás ocorre um aumento da pressão na saída enquanto que a
temperatura na qual começa o processo de transformação de calor em trabalho
na turbina a vapor é reduzida.
Este conjunto (ciclo combinado: turbina a gás/turbina a vapor) resulta na
termelétrica mais eficiente na conversão da energia do combustível em
potência elétrica, pois tem uma temperatura alta de início de conversão de
calor em trabalho e uma temperatura de rejeição de calor muito baixa.
Uma característica construtiva importante do ciclo combinado é sua construção
modular, ou seja, as turbinas a gás são instaladas primeiro e começam a
produzir energia elétrica e gerando retorno financeiro. Posteriormente é
instalada a turbina a vapor com respectivas caldeiras de recuperação como na
figura abaixo.
Exemplo de Plantas com Ciclo Combinado
Exemplo 1:
Exemplo 2:
Exemplo 3:
5. Cogeração
Cogeração é a geração seqüencial em temperatura de trabalho (energia
elétrica ou mecânica) e de energia térmica (calor ou ‘frio’) através de uma única
queima de combustível.
Na cogeração aproveita-se o potencial existente nos produtos resultantes da
queima de um combustível que estão a alta temperatura para geração de
trabalho e energia térmica.
Os produtos de combustão a alta temperatura possuem uma grande
disponibilidade para conversão de sua energia interna em trabalho. Quando se
utiliza esta energia em baixas temperaturas (como calor para processo) esta
disponibilidade é dissipada. A cogeração visa o aproveitamento deste potencial,
obtendo uma forma de energia de maior qualidade termodinâmica (trabalho),
abaixando a temperatura dos produtos de combustão que depois fornecem
calor para processo.
Um motor térmico, por exemplo uma turbina a gás, aproveita a energia dos
produtos de combustão produzindo trabalho. Os gases de exaustão são
rejeitados a uma temperatura suficientemente alta para fornecerem calor para
processo ao passarem por uma caldeira de recuperação.
Composição de Um sistema básico
A junção da produção de trabalho e de energia térmica com uma única queima
de combustsível e aproveitamento seqüêncial em temperatura resulta em uma
grande economia de energia primária (combustível).
Na produção em separado de 35 unidades energia elétrica e de 50 unidades de
calor são consumidas 125.5 unidades de energia, como apresentado abaixo.
Em uma termelétrica de alta eficiência (ciclo combinado η
Utilizando uma caldeira convencional (h
Resultando no seguinte balanço de energia para a produção em separado de
energia elétrica e calor.
Em uma usina de cogeração, utilizando uma turbina a gás e uma caldeira de
recuperação, são necessárias 100 unidades de energia de combustível para a
produção de 35 unidades de energia elétrica e 50 unidades de calor. Se a
eficiência da turbina a gás for igual a 35 %, são consumidas 100 unidades de
energia de combustível para a produção de 35 unidades de energia elétrica.
Com as 65 unidades de energia rejeitadas nos gases de exaustão, uma
caldeira de recuperação com 77 % de eficiência produz as 50 unidades de
calor para processo na forma de vapor.
Os balanços de energia para a usina de cogeração e para a produção em
separado são apresentados abaixo:
Voltar
A usina de cogeração produz as mesmas quantidades de energia elétrica e
calor com uma economia de energia de combustível de:
(125.5-100)/125.5 = 20.3 %
Do ponto de vista termodinâmico (preservação de reservas de combustível), a
cogeração é plenamente justificável.
A viabilidade econômica da cogeração deve ser verificada através da análise
do fluxo de caixa para uma determinada aplicação, considerando o custo inicial
dos equipamentos e os retornos e desembolsos correntes durante a vida da
usina.
Exemplos de Sistemas de Cogeração
A. Processo do Sistema de Suprimento de Vapor
1) A turbina a Gás aciona o gerador.
2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado.
B. Sistema de refrigeração do ar de entrada
1) A turbina a Gás aciona o gerador.
2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado.
Usando a Energia Secundária Vapor como uma fonte de calor, o chiller de
absorção é operado. E a água gelada gerada esfria o ar de entrada da turbina
de gás que recupera a produção da turbina de gás durante o verão.
C. Sistema de Compressão do Gás Combustível
1) A turbina a Gás aciona o gerador.
2) O expansor a vapor é acionado pelo vapor do gerador de vapor de
recuperação que pode acionar o compressor de gás combustível, compressor
de ar ou o gerador.
3) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado.
D. Sistema de acionamento Mecânico
1) A turbina a gás aciona diretamente o compressor de ar através da
embreagem.
2) As energias secundárias são ar comprimido e vapor saturado.
E. Sistema de Secagem
1) A turbina a Gás aciona o gerador.
2) As energias secundárias são eletricidade e a fonte de calor para secagem.
F. Sistema de Queima Adicional
1) A turbina a Gás aciona o gerador.
2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado.
3) Pode ser aumentado o fluxo de vapor através de um sistema de queoma
adicional quando exigido, instalando um queimador adicional no duto da
exaustão da turbina a gás.
G. Sistema de Ciclo Combinado
1) A Turbina a Gás aciona o gerador.
2) Vapor do gerador de vapor de recuperação aciona a turbina a vapor que
aciona o gerador.
3) As energias secundárias são eletricidade, de duas fontes, e vapor saturado /
superaquecido.
H. Sistema de Ciclo Cheng
1) A Turbina a Gás aciona o gerador.
2) Vapor do gerador de vapor de recuperação é injetado no combustor da
turbina a gás, que aumenta a saída e a eficiência como um ciclo binário.
3) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado.
Francisco Josimar Moreira
Aluno do curso de eletrotécnica do CEPEP escola técnica de Fortaleza
Turma 2 em Pecém