Heavy-Duty
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Geração de Energia Elétrica Geração Termoelétrica a Gás Joinville, 02 de Maio de 2012 Fernando B. Prioste Escopo dos Tópicos Abordados Conceitos básicos de termodinâmica; Centrais Térmicas a Gás: – Descrição de Componentes (Compressor+Turbina); – Algumas partes extraídas de: Dissertação de mestrado Leonardo V. Gomes - Itajubá 2003. 2 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Histórico: – Hero de Alexandria 50 a 75 dC; – Leonardo da Vinci (livro publicado em 1648) cata-vento montado em um eixo instalado no interior de uma chaminé, o qual através de um conjunto de engrenagens, permitia girar um espeto em uma churrasqueira. 3 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Apesar de diversos trabalhos, e do estabelecimento das leis da termodinâmica por Carnot, Gibbs e Maxwell em meados do século XIX, a primeira turbina a gás a gerar potência foi desenvolvida no começo do século XX, após o desenvolvimento dos compressores multi-estágios: – rendimento da turbina não ultrapassava 3%. No final da década de 30, eram fabricadas turbinas a gás de 2000 kW; Surgiu a primeira patente utilizando a turbinas a gás para propulsão de aviões, ou seja, a jato reação; 4 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás O uso mais importante das turbinas a gás tem sido na aviação praticamente todos os aviões, com exceção dos menores. Nos anos 40 quando a turbina térmica a gás foi introduzida para a geração de energia elétrica foi considerada uma revolução nos processos de geração de energia utilizando combustíveis fósseis; Desde então, o progresso das turbinas a gás tem sido enorme, existindo hoje turbinas que vão desde 0,2 a 350 MW. Próximo a 1990, as turbinas a gás passaram a ser responsáveis por uma boa parte da geração de eletricidade das novas usinas térmicas, devido ao seu uso5 no ciclo combinado. Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Outros fatos que ajudaram na popularização da turbina a gás para geração de energia foram o desenvolvimento na aerodinâmica dos compressores e o aumento da temperatura máxima do ciclo devido ao aumento da suportabilidade térmica de materiais. Combustíveis utilizados: Gás natural; Óleo combustível; Estão (estavam?) sendo feitas pesquisas para fazer com que o carvão mineral torne-se um combustível viável pode ser utilizado como combustível. 6 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás As turbinas a gás estão associadas ao ciclo Brayton; As Turbinas a gás possuem 3 partes componentes principais: – Um compressor de gás; – Uma câmara de combustão ou queimador; – Uma turbina O fluido de trabalho é comprimido pelo compressor. Em seguida o fluido de trabalho entra na câmara de combustão e recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura e consequentemente, sua energia interna. Na turbina o fluido é expandido fornecendo potência para acionamento do 7 compressor e potência útil. Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Esquemas termodinâmicos de ciclo Brayton para Turbinas a gás: – Pode ser subdividido em dois: 8 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Esquemas termodinâmicos de ciclo Brayton para Turbinas a gás: Ciclo aberto: Geração de energia elétrica; Propulsão aérea e marítima. Ciclo fechado: QH vem de um reator refrigerado por gás; Exemplo: geração de energia 9 elétrica no espaço; Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Resumo do ciclo Brayton: O fluido de trabalho é comprimido pelo compressor; Em seguida o fluido de trabalho entra na câmara de combustão e recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura e consequentemente, sua energia interna; Na turbina o fluido é expandido fornecendo potência para acionamento do compressor e potência útil. 10 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Ciclo Brayton ideal: Processo isentrópico - Ar a temperatura ambiente é “injetado” no compressor, onde é pressurizado; Processo isobárico - O ar comprimido vai para a câmara de combustão, onde o combustível é queimado, aquecendo este ar – um processo a pressão constante; Processo isentrópico – O ar aquecido e pressurizado se expande na turbina produzindo trabalho. Parte deste trabalho é usada para acionar o compressor e o restante para gerar eletricidade (gerador); Processo isobárico – Rejeição de calor (na atmosfera). Ciclo Brayton “real”: Processo adiabático - Compressão; Processo isobárico – Adição de calor; Processo adiabático – Expansão; Processo isobárico - Rejeição de calor (na atmosfera). 11 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Rendimento η Brayton Onde do ciclo Brayton ideal: Tatmosferica ⎛ P1 ⎞ T1 = 1− = 1− = 1− ⎜ ⎟ T2 Tsaida compressor ⎝ P2 ⎠ (γ −1) γ gama é a relação da capacidade de calor 12 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Rendimento do ciclo Brayton aumenta com a relação de pressão: 13 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás A potência específica do ciclo Brayton aumenta com a temperatura na entrada da turbina 14 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Configurações de turbinas a gás: Heavy-Duty: configuração é muito utilizada em operação que exige velocidade e carregamento constante, como é o caso da geração elétrica (também utilizada em propulsão naval); – São robustas; – Flexíveis quanto ao uso de combustível; – Possuem alta confiabilidade, rendimento e custo menores que as aeroderivastivas; – São turbinas a gás de ciclo simples de um eixo, um compressor (a maioria axial), uma câmara de combustão (usualmente externa ao corpo da máquina) e uma turbina (a maioria axial); Fernando B. Prioste – A razão (relação) de pressão pode variar de 5:1 a 15:1; 15 – A temperatura máxima pode chegar até 1290ºC em algumas unidades Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Alstom GT8C 16 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: GT11E da ABB 17 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Sistema de entrada de ar 18 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Compressor axial 19 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Compressor axial e radial Compressor axial. Compressor radial. Fernando B. Prioste 20 Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Câmara de combustão 21 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Turbina 22 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Câmara de combustão Gerador Turbina Compressor 23 Fernando B. Prioste Geração Termoelétrica a Gás Turbinas a gás tipo Heavy-Duty – diagrama funcional: 24 Fernando B. Prioste
