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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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Fernando B. Prioste
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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