Geração de Energia Elétrica

Transcrição

1 Geração de Energia Elétrica Geração Termoelétrica Ciclo Joinville, 09 de Maio de 2012

2 Escopo dos Tópicos Abordados Conceitos básicos de termodinâmica; Centrais Térmicas Ciclo : Descrição de Componentes; Algumas partes extraídas de Dissertações de mestrado da UNIFEI - Itajubá. 2

3 Nas décadas de 1950 e 1960 a eficiência dos ciclos a vapor e a gás para geração de energia (ciclo combinado) estava sendo questionada; Somente em 1971 é que instalações a ciclo combinado foram 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 ciclo combinado passaram a ser empregadas em maior escala. 3

4 Ciclo combinado gás-vapor consiste em aproveitar a energia dos gases de exaustão das Turbinas a Gás e utilizá-lo para transformar água em vapor, para geração de eletricidade através de Turbinas a Vapor acopladas a geradores; No processo, os ciclos térmicos de Brayton (Gás) e o de Rankine (Vapor) são combinados a fim de aumentar o rendimento global do processo Cascata Energética ; O rendimento individual de turbinas a gás e o de turbinas a vapor fica entre 35 a 40% e até 45%, respectivamente; No ciclo combinado, o rendimento é de ~ 60%. 4

5 Ciclos térmicos: Brayton (Gás): Rendimento do ciclo Brayton ideal: ( γ 1) T T 1 atmosferica P 1 ηbrayton = 1 = 1 = 1 T2 Tsaida compressor P2 Onde gama é a relação da capacidade de calor γ 5

6 Ciclos térmicos: Rankine (Vapor): 1 Caldeira Turbina 2 4 Condensador 3 Bomba Rendimento do ciclo de Rankine: η = TC, H = 1 T ( T ) f T C H 6

7 Ciclos térmicos de Brayton e de Rankine (Cascata Energética) rendimento ~ 60%: 7

8 Configuração clássica de uma Usina Térmica a Ciclo : Utilização de 2 Turbinas à Gás para suprir 1 Turbina a Vapor. As três unidades têm a mesma potência. Exemplo: 2 unidades à gás de 100 MW ligadas a uma unidade a vapor de 100 MW. Interligação térmica entre as turbinas: Via caldeiras de recuperação, chamadas de Heat Recovery Steam Generator HRSG -> substitui a caldeira convencional da unidade a vapor; Apesar de apresentar uma estrutura diferente, a caldeira de recuperação apresenta uma série de elementos que executam a mesma função da caldeira convencional utilizada na central térmica a vapor 8

9 Configuração de uma Usina Térmica a Ciclo 9

10 Configuração de uma Usina Térmica a Ciclo 10

11 Configuração de uma Usina Térmica a Ciclo 11

12 Principais componentes de Usina Térmica a Ciclo : Unidade à gás (compressor, câmara de combustão e turbina à gás); 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; 12

13 Configurações de Caldeiras de recuperação: As caldeiras de recuperação podem ser classificadas como: Caldeiras de recuperação sem queima suplementar (mais comum para geração 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 mais potência, porém acarreta em mais gasto de combustível. 13

14 As caldeiras de recuperação sem queima suplementar: A temperatura máxima do vapor depende da temperatura dos gases de exaustão da turbina a gás, que é da ordem de 550º C 14

15 Configurações 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

16 Caldeiras com troca de calor horizontal: 16

17 Caldeiras com troca de calor vertical: 17

18 Componentes 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; 18

19 Componentes das Caldeiras de Recuperação: 19

20 Central Termoelétrica a Ciclo : (Alstom Power) 20

21 Central Termoelétrica a Ciclo : (Alstom Power) 21

22 Modelagem 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). 22

23 Aplicação do Ciclo em Cogeração: 23