RELATÓRIO DE ESTÁGIO CURRICULAR

Transcrição

1 UFSC - UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA EMC - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA LabCET - Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos LabTERMO Laboratório de Ciências Térmicas RELATÓRIO DE ESTÁGIO CURRICULAR Projeto P&D ANEEL Tractebel Energia S.A. Convênio N.º TMS.NAJL (1/3) Estagiário: Elisiário Hermes de Sousa Junior Orientador: Edson Bazzo Período de estágio: de Agosto a Dezembro de 2008 Florianópolis, 31 Agosto de 2008.

2 LISTA DE FIGURAS INTRODUÇÃO OBJETIVOS CARACTERIZAÇÃO DA UNIDADE GERADORA DE VAPOR CALDEIRA FORNALHA QUEIMADORES TAMBOR SEPARADOR DOWNCOMERS PAREDES D AGUA OU EVAPORADOR ECONOMIZADOR SOPRADORES DE FULIGEM SUPERAQUECEDOR REAQUECEDOR TURBINA A VAPOR E ALTERNADOR DESENVOLVIMENTO OBSERVAÇÔES BIBLIOGRAFIA... 15

3 LISTA DE FIGURAS Figura 1 Vista panorâmica UTLB... 4 Figura 2 Esquema das caldeiras 5 e Figura 3 Visão do queimador... 7 Figura 4 Estágios da turbina da unidade Figura 5 Caixa de aquisição de dados de temperatura Figura 6 Perfil de temperatura encontrado do RH da unidade

4 1. INTRODUÇÃO Este relatório tem por objetivo descrever as atividades desenvolvidas pelo acadêmico Elisiário Hermes de Sousa Junior, durante seu estágio curricular realizado no LabCET (Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas Térmicos) da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC), em parceria com a usina termelétrica Jorge Lacerda, propriedade da empresa Tractebel Energia S.A. A usina Jorge Lacerda, situa-se ao sul do estado de Santa Catarina, no município de Capivari de Baixo. O complexo é composto por sete grupos geradores sendo construído com objetivo básico de aproveitar o carvão mineral catarinense. Possui o maior potencial de geração de energia a carvão mineral da América Latina, com 857 MW de potência instalada. A participação do carvão mineral, entre as diversas fontes de geração de energia elétrica empregadas no país é de apenas 1,31%, grande parte disso devido à imagem negativa associada ao emprego de combustíveis fósseis. Não restam dúvidas que a combustão do carvão mineral implica na emissão de gases poluentes. Entretanto, mediante a aplicação de tecnologias limpas, juntamente com novos métodos de remoção do SO2 e seqüestro de carbono, esses efeitos estão condicionados aos níveis mínimos permitidos por lei. Figura 1 Vista panorâmica UTLB

5 2. OBJETIVOS Atuando dentro da interação universidade e empresa, o estágio se desenvolverá juntamente com o projeto P&D ANEEL Tractebel Energia S.A Convênio N.º TMS.NAJL , que prevê a elaboração de uma metodologia para monitoramento de temperatura aplicado a feixes tubulares de unidades geradoras de vapor (Superaquecedores SH e Raquecedores RH). Os objetivos do estágio são apresentados em forma de atividades previstas, as quais serão descritas conforme o decorrer do projeto. Tais atividades auxiliam no desenvolvimento do projeto e viabilizam a permanência de um estagiário da área de engenharia mecânica no Complexo Jorge Lacerda em conjunto com o Laboratório de Combustão e Engenharia de Sistemas e (LabCET). Na seqüência abaixo, estão descritas as atividades que serão desenvolvidas durante esse período inicial do estagio. Durante os meses de Agosto e Setembro, foram realizadas as seguintes atividades: Noções básicas de segurança e medicina do trabalho, devido à política interna da empresa, a qual prima pela segurança e saúde do empregado. Cada novo contratado ou prestador de serviço deve passar por um treinamento destinado a prevenção de acidentes. Esse treinamento visa adequar o novo colaborador às normas de segurança da empresa; O reconhecimento da planta energética foi uma das principais exercidas no inicio do estágio, foi feito com atenção especial nos superaquedores e reaquecedores da caldeira 5 e 6, pois este será o foco principal das atividades desenvolvidas no decorrer do estágio; Foi avaliado através de medições feitas em campo, o comportamento térmico apresentado pelos reaquecedores e superaquecedores das unidades 5 e 6 operando em diversos tipos de regime de funcionamento; Levantamento bibliográfico sobre trocadores de calor, termopares, termopares de isolação mineral, sensores já desenvolvidos para medição de temperatura em superfícies de tubos;

6 3. CARACTERIZAÇÃO DA UNIDADE GERADORA DE VAPOR 3.1 CALDEIRA As caldeiras 5 e 6 do complexo termelétrico Jorge Lacerda (UTLB), são caldeiras aquatubulares de circulação natural, também conhecida por caldeiras de paredes de água ou de tubos de água. As suas pressões de trabalho variam entre 26 a 120 bar, podendo gerar uma potência de 136 MW, cada uma operando em carga maxíma. Figura 2 Esquema das caldeiras 5 e 6

7 3.1 FORNALHA A fornalha é a região delimitada pelas paredes d'água onde se desenvolve a reação química entre os elementos combustíveis e o oxigênio do ar de combustão. É a parte da unidade geradora de vapor onde ocorre as maiores taxas de absorção de calor e temperaturas registradas. Essa unidade é equipada com fornalha para queima em suspensão. O combustível sólido é previamente preparado em moinhos, onde são realizados os processos de moagem e secagem. O carvão processado nos moinhos é transportado pneumaticamente até os queimadores e posteriormente, injetado no interior da câmara de combustão. 3.2 QUEIMADORES São responsáveis pela queima do combustível fóssil (carvão moído), sendo que cada caldeira conta com 16 queimadores agrupados em fileiras de 4. Cada fileira é alimentada por um moinho. O regime de carga típico da unidade envolve o funcionamento de 3 fileiras de queimadores, ficando 1 fileira como reserva. Para cada moinho estão associados um silo e um alimentador (dosador) de carvão e um ventilador soprador de ar primário. Figura 3 Visão do queimador

8 3.3 TAMBOR SEPARADOR O equipamento denominado de tambor separador é um vaso de pressão cilíndrico com extremidades semi-esféricas, montado na parede superior da caldeira. A água de alimentação e a mistura de água e vapor provenientes das paredes d água entram simultaneamente neste tambor. A sua principal finalidade é promover a separação das fases água e vapor, permitindo o fornecimento de vapor saturado seco para os superaquecedores. Com o intuito de se otimizar a qualidade do vapor produzido na saída do tambor separador, são instalados ciclones e placas perfuradas, as quais alteram continuamente a quantidade de movimento do fluxo de vapor, acarretando forças sobre as gotículas de água, fazendo com que as mesmas migrem em direção às paredes dos ciclones e das placas. O fornecimento de vapor saturado seco para os superaquecedores e em seguida para as turbinas tem por finalidade o aumento da vida útil destes equipamentos. 3.4 DOWNCOMERS Tendo ocorrido à separação das fases no tambor separador, a água saturada armazenada na sua parte inferior retorna às paredes d água através de seis tubos descendentes. 3.5 PAREDES D AGUA OU EVAPORADOR As paredes d água delimitam a região da fornalha e recebem o calor proveniente da reação de combustão, promovendo a vaporização de parte da água. A mistura de água e vapor retorna ao tambor separador através dos coletores superiores e dos raisers. As paredes d água são constituídas por membranas e subdivididas em quatro paredes: frontal, traseira, lateral esquerda e lateral direita, caracterizando o volume da fornalha. Os tubos e as membranas são soldados de modo a garantir a estanqueidade da câmara de combustão. A parede frontal acomoda os 16 queimadores dispostos em 4 níveis. Além disto, as paredes d água acomodam portas de observação e de inspeção bem como, furos passantes para os sopradores de fuligem.

9 3.6 ECONOMIZADOR O economizador é um trocador de calor tubular instalado na região de passagem dos gases. Tem por finalidade propiciar o aproveitamento da energia térmica residual dos gases de combustão, transferindo este calor para a água de alimentação que está sendo introduzida no tambor. O aproveitamento desta energia garante um aumento de rendimento da caldeira que, segundo cálculos feitos por pessoal técnico da empresa, cada 10 ºF de elevação na temperatura da água de alimentação propicia um acréscimo de 1% na sua eficiência. Os economizadores são constituídos de feixes tubulares de aço, que além de oferecer boa resistência mecânica, podem ser confeccionados com parede de espessura menor, reduzindo de forma acentuada o peso do equipamento, permitindo uma melhor transferência de calor. 3.7 SOPRADORES DE FULIGEM As cinzas mais pesadas caem no fundo da fornalha para serem removidas de maneira contínua por meio de correntes trasportadoras. Já as cinzas leves são transportadas pelos gases de combustão, ficando uma parte depositada nas paredes dos tubos. Além disso, parte do carbono não queimado deposita-se nas paredes dos tubos sob a forma de fuligem ou negro de fumo. A camada de depósitos reduz a transferência de calor, estimando-se que uma camada de 3 mm de fuligem produz um isolamento térmico equivalente a 15 mm de isolante térmico. A redução da transmissão de calor para os tubos das paredes d água provoca uma queda na produção de vapor. Desta forma, para se manter a taxa de produção de vapor é necessário se aumentar o fornecimento de combustível e de ar. Um outro ponto importante no que diz respeito a deposição de cinzas leves é que devido ao fato das cinzas leves apresentar coeficientes de dilatação diferentes em relação ao do aço dos tubos, surgem tensões mecânicas adicionais nas paredes dos tubos. 3.8 SUPERAQUECEDOR Os superaquecedores (SH) são superfícies trocadoras de calor com a finalidade de elevar a temperatura do vapor produzido no tambor para um nível de temperatura superior ao valor de saturação. O superaquecimento do vapor tem duas finalidades fundamentais:

10 Tornar o vapor o mais isento de umidade possível. Para evitar que condensações possam ocorrer no interior da turbina devido à quedas de pressão e de temperatura,. recomenda-se um superaquecimento mínimo de 55 ºC do vapor na entrada da turbina. Aumentar o ganho termodinâmico do escoamento do vapor ao longo da turbina através da qual irá se expandir. A estrutura chamada de superaquecedores (SH), corresponde a três trocadores, sendo dois localizados no segundo passe dos gases de combustão e um localizado no primeiro passe. O superaquecedor 1, ou SH1, é composto pelo teto, paredes e tubos de sustentação do segundo passe. O SH2 é composto por bancos de serpentinas horizontais no segundo passe e o SH3 ou SH final é composto por painéis verticais. Basicamente, o superaquecedor final é composto por 40 painéis com espaçamento de 300mm entre os painéis. Cada painel, é composto por 7 tubos, totalizando 14 fileiras. Os tubos são construídos em aço ASTM A213-T22, com diâmetro externo de 31,8 mm e espessura (média) de parede de 5,6 mm. 3.9 REAQUECEDOR A função deste componente é receber vapor superaquecido que já expandiu parcialmente no primeiro estágio da turbina de vapor e aumentar a sua temperatura, enviando-o novamente para o segundo e terceiro estágios da turbina para completar o ciclo de potência. O Reaquecedor final é composto por 78 painéis, sendo que cada painel é composto por 4 tubos totalizando 16 fileiras por painel. Com o intuito de reduzir as temperaturas de metal, alguns painéis tiveram a sua configuração original alterada através da redução do comprimento dos tubos das 4 últimas fileiras. Ambas as configurações de painéis são ilustradas na figura 3.3. O espaçamento entre os painéis é de 150 mm e o diâmetro externo de cada tubo é de 44, 5 mm com espessura de parede de 3,6 mm TURBINA A VAPOR E ALTERNADOR A turbina a vapor instalada na usina é o equipamento responsável pela transformação da entalpia do vapor em energia mecânica de rotação, a qual é transferida ao eixo do alternador por meio de um acoplamento entre o eixo da turbina e o eixo do alternador. O alternador é o responsável

11 pela geração de energia elétrica, transformando a energia mecânica proveniente da turbina através de ações eletromagnéticas entre o campo magnético e o circuito elétrico do rotor. A turbina é de reaquecimento e possui 3 estágios: de alta pressão (AP), de média pressão (MP) e de baixa pressão (BP). O vapor superaquecido (SH) gerado na caldeira é encaminhado para o estágio de alta pressão da turbina através da tubulação de vapor principal. Antes de ser expandido no estágio de AP, o vapor passa pela estação de válvulas onde estão instaladas as válvulas de bloqueio e de controle do estágio de AP. As válvulas controlam a vazão de vapor para a turbina e, conseqüentemente, o regime de carga da turbina em operação normal. Depois de expandido no estágio de AP, o vapor de exaustão da turbina retorna, através da tubulação de vapor RH frio, para a caldeira onde tem a sua temperatura elevada nos reaquecedores. O vapor reaquecido é enviado para o estágio de MP, através da tubulação de vapor RH quente. Antes de ser expandido no estágio de MP, o vapor passa pelas estações de válvulas onde estão instaladas as válvulas de bloqueio e de controle da turbina MP. Figura 4 Estágios da turbina da unidade 5 O vapor se expande no estágio de MP e é encaminhado para o estágio de BP através dde um sistema de tubulação denominado de "cross-over", onde continua a sua expansão. Após a exaustão no estágio de BP o vapor é encaminhado para o condensador.

12 4 DESENVOLVIMENTO Primeira Atividade Na usina A primeira atividade desenvolvida pelo estagiário na usina após o processo de integração, foi à visitação aos setores da empresa ligados às atividades relacionadas ao estágio. No período que antecedeu ao reconhecimento da planta energética em campo, procedeu-se ao estudo detalhado sobre o funcionamento da usina para poder obter o conhecimento teórico necessário à boa prática. O reconhecimento em campo se deu na caldeira 5 e 6, onde se pode localizar e observar os superaquecedores e reaquecedores, alvos do projeto P&D ANEEL. Segunda Atividade Usina Foi feito um acompanhamento das temperaturas apresentadas pelos reaquecedores e superaquecedores da unidade 5 durante o primeiro mês, levantamento esse que servirá de base para o desenvolvimento dos sensores de temperatura que serão desenvolvidos no LABTERMO em conjunto com o LabCET. Figura 5 Caixa de aquisição de dados de temperatura

13 Na figura acima pode se ver o local onde estão localizados os conectores para os termopares instalados no superaquecedor da unidade 5. O mesmo equipamento também é utilizado para a obtenção das temperaturas no reaquecedor. E na figura abaixo se tem a distribuição de temperatura no reaquecedor da unidade Temperatura de Metal do Reaquecedor Final - Caldeira 6 - Jorge Lacerda III - UTLB Temperatura de Metal C Potência medida 80 MW - moinhos - 1,2 e 3 - dia - 24/10/2008 Bulk Steam Temperature 515 C Posição dos painéis (esquerda para direita de costas para os queimadores) Figura 6 Perfil de temperatura encontrado do RH da unidade 5 Terceira Atividade - LabCET Com o objetivo de um melhor entendimento dos mecanismos de troca de calor da caldeira, foram feitos cálculos relacionados aos processos de troca de calor entre os gases provenientes da combustão do carvão e as serpentinas dos reaquecedores e superaquecedores.

14 5 OBSERVAÇÔES Durante as medições levantou-se a hipótese de as temperaturas obtidas, tanto no reaquecedor quanto no superaquecedor, não representar as reais temperaturas de metal dos tubos, uma vez que os termopares estão instalados fora da região de circulação dos gases quentes da combustão, não sendo, portanto, uma região representativa da real troca de calor entre os gases quentes e o vapor no interior dos tubos.

15 6 BIBLIOGRAFIA FOX, Robert W.; MCDONALD, Alan T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 4ª ed. rev. Rio de Janeiro: LTC, c1998. INCROPERA, Frank P.; DEWITT, David P. Fundamentos de Transferência de Calor e de Massa. 4ª ed. São Paulo: LTC, c1998. BAZZO, Edson. Geração de Vapor. Florianópolis: Ed. da UFSC, 1992.