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GERAÇÃO TERMELÉTRICA
Conceitos Básicos, Configurações,
Potencia gerada e Energia produzida
Prof. Lineu Belico dos Reis
Agosto de 2012
SUMÁRIO
• Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
• Geração Termelétrica – Principais Configurações
• Potencia gerada e Energia produzida
Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
• 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 da energia térmica em mecânica se dá através do
uso de um fluido que produzirá, em seu processo de
expansão, trabalho em máquinas (turbinas ou motores)
térmicas. O acionamento mecânico de um gerador elétrico
acoplado ao eixo da máquina permite a conversão de energia
mecânica em elétrica.
Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
• A produção da energia térmica pode se dar pela
transformação da energia química dos combustíveis, através
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 termelétricas; as centrais termelétricas
baseadas na fissão nuclear são chamadas de centrais
nucleares.
Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
Pode ser classificada em função das
características da combustão com relação ao
processo de transferência energética:
• Combustão externa
• Combustão interna
Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
Combustão externa: o combustível não entra em contato com
o fluido de trabalho. Este é um processo usado
principalmente nas centrais termelétricas a vapor, onde o
combustível aquece o fluido de trabalho (em geral água) em
uma caldeira até gerar o vapor que, ao se expandir em uma
turbina, produzirá trabalho mecânico.
As centrais nucleares, embora não utilizem combustão, e sim,
fissão nuclear, se incluem nesta classificação, uma vez que o
processo de fissão não entra em contato direto com o fluido
de trabalho.
Central Termelétrica com combustão
externa (a vapor)
CALOR
VAPOR (ALTA PRESSÃO)
CALDEIRA
QUEIMA
DO
COMBUSTÍVEL
TURBINA
LÍQUIDO
GERADOR
VAPOR (BAIXA PRESSÃO)
CONDENSADOR
LÍQUIDO
BOMBA
CALOR
Central Nuclear de Angra dos Reis
Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
Combustão interna: a combustão se efetua sobre uma mistura
de ar e combustível. Dessa maneira, o fluido 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)
Esquema de uma Instalação com TURBINA A
GÁS em Circuito Aberto, Estacionária, sem
Recuperação
Esquema de uma instalação com turbina a gás em circuito aberto, estacionária, sem
recuperação: I turbocompressor; II Câmara de combustão; III turbina a gás; IV
alternador; V motor de arranque e excitatriz.
Geração Termelétrica – Aspectos Básicos
As centrais a vapor, a gás, nucleares e os motores formam os
grandes grupos de centrais termelétricas.
Há outros tipos de configurações ou processos, mas sempre
baseados nestes principais ou em uma combinação
apropriada deles.
Além disso, em muitas aplicações, centrais térmicas são
utilizadas, no sistema de cogeração, para produção conjunta
de eletricidade e vapor para uso no processo.
Geração Termelétrica– Principais Configurações
Geração Termelétrica – Principais Configurações
A seguir são apresentados, de forma sucinta, os principais
tipos de centrais termelétricas de interesse neste curso:
centrais a vapor (nucleares e não nucleares), centrais a gás e
motores (diesel e outros).
São também destacadas as configurações voltadas à maior
eficiência energética e melhor desempenho ambiental: a
cogeração e os ciclos combinados de centrais a gás e a vapor.
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Centrais a vapor
Centrais a Vapor
Esse tipo de central pode trabalhar tanto em ciclo aberto
como em ciclo fechado. A operação em ciclo aberto é comum
quando se pretende utilizar calor (vapor) para o processo. Na
operação em ciclos fechados, pode-se trabalhar com um ou
mais fluidos (operação em ciclos superpostos).
Seu funcionamento é baseado no ciclo térmico Rankine.
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Centrais a vapor
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Centrais a vapor
Central nuclear de Angra dos Reis
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Centrais a vapor
Central nuclear PWR – (reator a água
pressurizada)
Fonte:
http://fisica.cdcc.sc.usp.br/olimpiada
s/02/Gabarito2.html
Geração Termelétrica – Principais Configurações
Centrais a Gás
O desenvolvimento das turbinas a gás é relativamente recente e tem como
maiores desafios os seguintes problemas tecnológicos:
a) para um rendimento razoável, exigem-se altas temperaturas. Tal
possibilidade só foi alcançada recentemente com avanços na tecnologia
de materiais, que ainda busca possibilidade de operar em temperaturas
maiores;
b) há um número excessivo de estágios no turbocompressor, o que leva a
uma limitação de potência.
c) o baixo rendimento dos turbocompressores foi melhorado nas últimas
décadas através do desenvolvimento de turbocompressores com até 85%.
Graças à implementação dos motores a reação pela indústria aeronáutica,
houve um grande progresso. A operação em circuito aberto ocorre em
motores a reação turboélice ou turbojato.
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Centrais à gás
Existem dois tipos básicos de turbina a gás:
Turbinas aeroderivativas: baseadas na tecnologia adotada para propulsão
de aeronaves. Compactas e de peso reduzido, essas unidades exibem alta
confiabilidade e tempo reduzido de manutenção, além de elevado
rendimento, o que as torna atrativas apenas para as aplicações de
cogeração e geração elétrica. Neste último caso são mais apropriadas para
atendimento de picos de demanda ou para funcionar em regime de
emergência.
Turbinas industriais (heavy-duty): são de construção mais robusta,
apresentando maior resistência a ambientes agressivos, sendo indicadas
para operação na base.
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Centrais à gás
Esquema de uma instalação com turbina a gás em circuito aberto, estacionária, sem
recuperação: I turbocompressor; II câmara de combustão; III turbina a gás; IV
alternador; V motor de arranque e excitatriz.
Esquema de uma instalação com turbina a gás em circuito aberto, estacionária, com
recuperação; I turbocompressor; II câmara de combustão; III turbina a gás; IV
alternador; V motor de arranque; VI excitatriz; VII recuperador de calor.
Geração Termelétrica – Principais Configurações
Motores
Os motores Diesel (mais utilizados em centrais de porte) Centrais a Diesel
Muito usados em potências até 40 MW, as centrais a diesel para
alimentação de sistemas isolados, têm uso disseminado em regiões
longínquas sem outra fonte de geração (Amazônia, Rondônia etc.).
Elas 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 do combustível.
Suas vantagens são a rápida entrada em carga, a simplicidade de operação
e o fácil plano de manutenção.
Geração Termelétrica – Principais Configurações – Motores
Exemplo: um Motor Diesel
Geração Termelétrica – Principais
Configurações – Cogeração
Sistemas de cogeração são aqueles em que se faz
simultaneamente e de forma sequencial a geração de energia
elétrica e térmica a partir de um único combustível, tais como
gás natural, carvão, biomassa ou derivados de petróleo.
Um sistema de cogeração bem dimensionado e balanceado,
do ponto de vista da porcentagem final de cada uma das duas
formas de energia, aumenta o rendimento global da utilização
do combustível empregado, atuando, assim, no sentido do
aumento da eficiência energética.
Topping Cycle
Bottoming Cycle
Geração Termelétrica – Principais
Configurações – Ciclo Combinado
Ciclo combinado: consiste num processo que gera
energia conjugando o ciclo de Brayton (turbina a gás)
com o ciclo de Rankine (vapor). Ou seja, o calor
recuperado dos gases de exaustão da turbina a gás é
utilizado para acionar um ciclo a vapor.
A maior recuperação de calor acontece combinando
a geração de energia elétrica nas turbinas a gás e em
turbinas a vapor.
Geração Termelétrica – Principais
Configurações – Ciclo Combinado
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Ciclo Combinado
A Caldeira de Recuperação
A caldeira de recuperação (HRSG - Heat Recovery Steam
Generator) de uma usina de ciclo combinado é o elemento de
ligação entre a turbina a gás e o ciclo a vapor.
Basicamente a caldeira é um conjunto de trocadores de calor
em contracorrente composto por diversas seções
(superaquecedor, evaporador e economizador), que recebe,
do lado quente, os gases de exaustão da turbina (a cerca de
500 °C), e do lado frio, água que vem ou do condensador do
ciclo de vapor, de alguma fonte externa, ou do processo.
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Ciclo Combinado
Caldeira de Recuperação
Geração Termelétrica – Principais Configurações –
Ciclo Combinado
Caldeira de Recuperação
Geração Termelétrica – Principais
Configurações – Ciclo Combinado
Geração Termelétrica – Principais
Configurações – Ciclo Combinado
• O acréscimo de potência alcançado em um ciclo combinado é,
em geral, da ordem de 50 % da potência da turbina a gás e a
eficiência global passa da média de 30 % do ciclo simples para
valores na faixa de 55 a 60 % em ciclos combinados.
• O ciclo combinado possui a elevada temperatura média de
adição de calor da turbina a gás e a baixa temperatura média
de rejeição de calor do ciclo de vapor e, portanto, uma
eficiência média maior do que qualquer um dos ciclos teria
individualmente.
Potencia gerada e Energia produzida
Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à
geração termelétrica
A potência gerada e a energia produzida em uma central
termelétrica, dependem de vários fatores.
Destacam-se, dentre as variáveis usualmente medidas na
prática, a pressão e a temperatura. Mas, como se verá, a
relação não é linear, nem facilmente colocada em termos de
equação.
Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à
geração termelétrica
Para seu entendimento, é necessário enfocar alguns conceitos
fundamentais da geração termelétrica e os principais ciclos
termodinâmicos básicos (teóricos e práticos) sobre os quais
esta geração se baseia. Aqui serão enfocadas os principais
tipos de termelétricas e os ciclos termodinâmicos nos quais se
baseiam seu funcionamento teórico:
Termelétricas a vapor: ciclo a vapor (Rankine)
Termelétricas à gás: ciclo a ar (Brayton)
Motores: ciclo a ar (Diesel, Otto)
Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à
geração termelétrica
Potência extraível de uma máquina térmica
Para qualquer ciclo que venha a ser analisado.
Para um sistema térmico ideal, sem perdas, essa potência, em
kW, pode ser calculada, por: P  m(h  h )
1
2
em que: P é a potência disponível; m é a massa de fluido
passando pela transformação térmica, por unidade de tempo, em
kg/seg, e h a entalpia específica do fluido, dada em kJ/kg, sendo
h1 a entalpia na entrada da máquina térmica e h2 a entalpia na
saída da máquina térmica. Em sua forma geral, a entalpia, é dada
por:
p
ou seja, a soma da energia interna do
h

fluido, com a relação entre a pressão a
que está submetido e sua densidade .
Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à
geração termelétrica
Potência extraível de uma máquina térmica
O processo, na prática, é submetido a perdas, e o trabalho
realmente obtido é menor que o teórico. O efeito dessas
perdas, que leva à introdução do conceito de rendimento,
pode ser verificado, por exemplo, na figura abaixo, que
apresenta o diagrama de Mollier (entalpia x entropia) do
vapor d’água.
Conceitos básicos de Termodinâmica aplicados à
geração termelétrica
Conceito de rendimento
A partir do diagrama e da expressão da potência, tem-se:
Preal = Pútil = m x (h1-h2’)
Pdisponível = P = m x (h1-h2)
Define-se o rendimento:
h h
 1 2'
h1  h2
Daí:
Pu   P   m Y   m (h1  h2)
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
O desempenho das termelétricas a vapor pode ser
avaliado através dos ciclos termodinâmicos do vapor
d’água,
cujas
características
são
usualmente
apresentadas em diagramas de estado, como o de
Mollier (entalpia x entropia) ou outros similares, como o
de temperatura x entropia.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
O ciclo teórico fundamental aplicável às termelétricas a vapor
é aquele de Carnot e o ciclo base para as aplicações práticas,
nesse tipo de geração termelétrica, é o Rankine.
As principais relações deste último ciclo com uma central
termelétrica a vapor são apresentadas a seguir, para sistemas
sem e com superaquecimento do vapor, respectivamente.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
CALOR
3
T
CALDEIRA
3
2
TURBINA
1
2
4
4
1
CONDENSADOR
BOMBA
S
a
CALOR
Ciclo Rankine sem superaquecimento do vapor
1-2: Bombeamento adiabático reversível (dQ=0)
2-3: Troca de calor a pressão constante na caldeira
3-4: Expansão adiabática reversível, na turbina (dQ=0)
4-1: Troca de calor a pressão constante, no condensador
b
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
CALOR
3
Superaquecedor
CALDEIRA
3'
TURBINA
2
4
1
CONDENSADOR
BOMBA
CALOR
Ciclo Rankine com superaquecimento do vapor
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
CALOR
3
Superaquecedor
CALDEIRA
3'
TURBINA
2
4
1
CONDENSADOR
BOMBA
CALOR
Com relação aos ciclos e figuras apresentados, ressalta-se:
- a área hachuriada representa o trabalho desenvolvido no ciclo.
- a área delimitada pela curva superior do ciclo e o eixo das entropias
(a23ba, no primeiro caso, e a2’33’ba, no segundo caso) representam o
calor transferido ao fluido.
- a área delimitada pela curva inferior do ciclo e o eixo das entropias
(a14ba, no primeiro caso e, a1’4’ba no segundo) representa o calor
transferido do fluido para o ambiente.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
O ciclo Rankine, escolhido como o ideal representativo da
central termelétrica a vapor, apresenta duas características
importantes que o relacionam com o ciclo ideal:
• Antes do processo de bombeamento, é efetuada a
transformação em líquido. Na prática é o que deve ser feito,
pois não existe equipamento que aumente a temperatura e
ao mesmo tempo transforme essa mistura em líquido apenas;
• Com superaquecimento, o calor é transferido antes de se
efetuar a expansão (queda de pressão), que é o que se pode
fazer na prática. As variáveis de controle (sobre as quais se
atua para melhorar o desempenho) são, como já se viu, a
pressão e a temperatura, cujo efeito é verificado a seguir.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
Efeito de:
Aumento da temperatura na entrada da
turbina (superaquecimento)
Conforme aumenta o rendimento,
aumenta também o título (porcentagem de
água no estado gasoso) do vapor na saída
da turbina. Cuidado a ser tomado: o
material pode não suportar altas
temperaturas.
Aumento da pressão máxima do vapor (e
consequente aumento na temperatura)
Nesse caso, o trabalho líquido tende a
permanecer o mesmo e o calor rejeitado
diminui, aumentando o rendimento.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
Na prática, com base no ciclo enfocado, diversas providências
podem ser tomadas para melhorar o desempenho da geração
termelétrica apoiada no ciclo de Rankine.
As mais comuns são o reaquecimento e a regeneração,
exemplificadas a seguir.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
O ciclo a vapor com reaquecimento
Utiliza-se reaquecimento em um ciclo para tirar partido das
vantagens do uso de pressões mais altas e evitar umidade
excessiva nos estágios de baixa pressão da turbina.
A figura apresenta exemplo com reaquecimento simples.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
O ciclo a vapor com regeneração
A figura apresenta exemplo de ciclo com regeneração da
água de alimentação.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
O ciclo a vapor com reaquecimento e regeneração
Na geração termelétrica prática é comum o uso, mais de uma
vez,
de circuitos de reaquecimento e regeneração
combinados.
Visando sempre melhorar o desempenho global, muitas vezes
se divide o sistema em módulos, como, por exemplo,
utilizando-se turbinas de alta pressão (expandindo o vapor até
média pressão) em cascata com turbinas de média pressão
(expandindo até baixa pressão) e de baixa pressão
(expandindo até a pressão de vapor para o processo).
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a vapor
Afastamento dos ciclos reais em relação aos ideais
•
•
•
•
Nos ciclos reais, devem ser consideradas as perdas.
As principais são:
perdas na tubulação por atrito e transferência de calor ao
meio envolvente;
perdas de carga na caldeira;
perdas na turbina e na bomba, representadas pelo
rendimento desses equipamentos;
perdas no condensador (problemas análogos às perdas na
tubulação).
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás e Motores
Muitos aparelhos, como a turbina a gás, o motor diesel e o
motor de ignição de automóvel usam gás como fluido de
trabalho.
Durante a combustão, o fluido de trabalho se altera, mudando,
de mistura de ar e combustível para produtos de combustão.
Estes aparelhos de combustão interna, nos quais o fluido de
trabalho não passa por um ciclo termodinâmico completo,
operam segundo o chamado ciclo aberto.
Para fins de análise, no entanto, podem ser utilizados ciclos
fechados que, mediante algumas hipóteses, são boas
aproximações dos ciclos abertos.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás e Motores
•
•
•
•
Uma das aproximações, bastante válida para o entendimento
qualitativo do processo, é a utilização do ciclo ideal a ar,
baseada nas seguintes hipóteses:
uma massa fixa de ar é o fluido de trabalho em todo o ciclo e
o ar é sempre tratado como gás perfeito. Não há processo de
entrada e saída de massa;
o processo de combustão é substituído por processo de
transferência de calor ao meio envolvente (em contraste com
saída e entrada no motor real);
todos os processos são internamente reversíveis;
considera-se que o ar tem calor específico constante.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás e Motores
Os principais ciclos termodinâmicos a ar são o ciclo padrão de
Carnot, o de Otto, o Diesel, o Ericsson, o Stirling e o Brayton.
As diferenças entre eles devem-se aos processos diferentes
para ir de um estado a outro e à incorporação de
regeneração.
Destes, apenas o ciclo Brayton e o ciclo Diesel serão
enfocados aqui, pois conseguem adequar-se melhor ao
entendimento da aplicação prática da geração termelétrica
por turbinas à gás e por motores diesel, respectivamente.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás – Ciclo Brayton
.
O ciclo Brayton é o ciclo ideal para representação da
turbina a gás simples .
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás – Ciclo Brayton
Neste ciclo, o rendimento é dado por:
T
1
T  1  1  1 
T2
( P2 / P1 ) ( k 1) / k
sendo, então, função da relação de pressão isoentrópica:
p2/p1.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás – Ciclo Brayton
.
A turbina a gás real difere da ideal pelas
irreversibilidades na turbina e no compressor e pelas
perdas de carga nas passagens de fluido e na câmara de
combustão (ou trocadores de calor, no caso do ciclo
fechado).
Além disso, há uma grande quantidade de trabalho
realizada no compressor (pode estar na faixa de 40 a 80%
da potência desenvolvida na turbina).
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás – Ciclo Brayton
O ciclo simples de turbina a gás com regenerador
Como T4 > T2 , o calor pode ser transferido dos gases de descarga (na saída
da turbina, à temperatura T4) para os gases de alta pressão que deixam o
compressor. Se isso for feito em trocador de calor de contracorrente
(regenerador), então a temperatura Tx (na entrada da câmara de
combustão e no caso ideal) pode ser igual a T4. T4 > T2 é a condição para
que aconteça regeneração, o que resultará em aumento do rendimento do
ciclo.
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás – Ciclo Brayton
.
y
C‰
mara de combust‹o
4
2
1
Regenerador
Compr.
Ciclo simples de
turbina a gás
com regenerador
x
3
Turbina
liq
Potencia gerada e Energia produzida
Termelétricas a gás – Ciclo Brayton
.
Regeneradores
utilizados
em
vários estágios
Potencia gerada e Energia produzida
Motores – Ciclo Diesel
O ciclo padrão de ar de Diesel
Potencia gerada e Energia produzida
Motores – Ciclo Diesel
É o ciclo ideal aplicável ao motor diesel, também
chamado motor de ignição por compressão.
Com relação ao ciclo real, os processos de descarga e
admissão são aqui substituídos por uma rejeição de calor
a volume constante no ponto morto inferior, 4 - 1. O
rendimento é dado por:
 T  1
QL
C ( T  T1 )
T ( T / T  1)
 1 v 4
 1 1 4 1
QH
C p ( T3  T2
k .* T2 ( T3 / T2  1)
em que: k é a relação de calores específicos (a pressão e
Cp
volume constantes):
k
CV
Potencia gerada e Energia produzida
Motores – Ciclo Diesel
No ciclo Diesel a relação de compressão isoentrópica:
V1
V2
É maior que a relação de expansão isoentrópica:
V4
V3
Termelétrica Nuclear
Angra dos Reis
Termelétrica à Carvão
Termelétrica a Vapor
Usina Sucro Alcooleira
Usina a Gás Ciclo Aberto
GOV.LEONEL BRIZOLA (ex-Termorio)
1036 MW (3 blocos)
Localização: Duque de Caxias - RJ
69
FERNANDO GASPARIAN (ex-N.Piratininga) 370 (560) MW
Localização: São Paulo - SP
70
MÁRIO LAGO (ex-Termomacaé) – 929 MW
Localização: Macaé - RJ
71