Geração Elétrica. Centrais Termoelétricas

Transcrição

1 Geração Elétrica Centrais Termoelétricas Termoelétricas Convencionais: Estrutura Ciclos Termodinâmicos Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

2 Energia Termoelétrica

3 TERMOELÉTRICAS CONCEITO E OBJETIVO Conceito: 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.

4 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA

5 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Termoelétricas a Vapor Funcionamento: O calor libertado na fornalha atreves da combustão de derivados do petróleo ou carvão (centrais convencionais) ou libertado no reator por fissão nuclear (centrais nucleares) é transmitido à água circulando a alta pressão no gerador de vapor (caldeira) produzindo vapor. Este vapor é conduzido à turbina a vapor onde se expande, fazendo-a rodar. Da turbina, o vapor segue para o condensador onde circula água de arrefecimento também designada por água de condensação. A água condensada retorna sob pressão (bombas) ao gerador de vapor.

6 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Termoelétricas a Vapor Funcionamento: Centrais clássicas em funcionamento: as diferenças resultam fundamentalmente pelo tipo de combustível utilizado (gases combustíveis, óleo ou carvão). Em algumas centrais existe ainda a possibilidade de queima mista.

7 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas em geral: Turbinas são equipamentos destinados à conversão de energia hidráulica ou energia térmica em energia mecânica para produção de energia elétrica. TURBINA A GÁS TURBINA A VAPOR TURBINA HIDRUALICA

8 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas a Vapor Historia: O primeiro motor movido a vapor que se tem registro e que foi considerado com mero brinquedo foi o dispositivo chamado EOLÍPIA. Foi inventada no primeiro século por Heron de Alexandria.

9 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas a Vapor Historia: O surgimento da turbina a vapor genuína é associado aos Engenheiros Carl Gustaf ( ) da Suécia e Charles Parsons ( ) da Grã Bretanha. Parson's Compound Steam Turbine Charles Parsons

10 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Gerador acoplado a turbina a vapor: O primeiro turbogerador de Parsons de 1 MW foi instalado em Eberfeld na Alemanha em Produziu eletricidade em fase simples a 4 kv, com a de Parsons, a eletricidade torna-se barata e disponível, revoluciona o transporte marítimo e a guerra naval, o mundo passa a não ser mais o mesmo

11 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas a Vapor Conceito: è o equipamento que aproveita a energia calorífica do vapor (energia potencial) e a transforma em energia cinética devido a sua expansão através de bocais. Esta energia é então transformada em energia mecânica de rotação devido à força do vapor agindo nas pás rotativas (palhetas). Esta energia poderá ser utilizada para mover equipamentos (maquinas a vapor) ou gerar energia elétrica. Turbina a vapor Gerador

12 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas a Vapor Componentes: Rotor: É o elemento móvel da turbina cuja função é transformar energia cinética do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos (palhetas).

13 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas a Vapor Componentes: Estator: É o elemento fixo (que envolve o rotor) da turbina cuja função é transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos distribuidores.

14 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas a Vapor Componentes: Injetores: Os injetores orientam o jato de vapor sobre as palhetas móveis nos rotores, sua quantidade e disposição dependem da potência da turbina.

15 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas a Vapor Componentes: Governadores: São componentes destinados ao controle de velocidade da turbina a vapor. A variação de carga provoca variação de velocidade e consequentemente variação de potencia. O governador ou regulador de velocidade tem a função de manter a velocidade constante através da válvula de controle de admissão. Poderão ser do tipo mecânico, hidráulico ou eletrônico. Governador Mecânico (centrifugo)

16 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Turbinas a Vapor Componentes: Governadores hidráulico: Possui como elemento sensor de velocidade uma bomba de óleo acionada pelo eixo da turbina. A pressão do óleo atua em um diafragma e este por sua vez atua na alavanca da válvula de admissão de vapor.

17 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA PALHETAS São chamadas palhetas móveis, as fixadas ao rotor; e fixas, as fixadas no estator. As palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas móveis seguinte. As palhetas fixas podem ser encaixadas diretamente no estator (carcaça), ou em rebaixos usinados em peças chamadas de anéis suportes das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à carcaça. As palhetas móveis, são peças com a finalidade de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentação do rotor. São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do rotor pelo malhete e, ao contrário das fixas, são removíveis, conforme podemos ver da Figura 3.3 a Figura 3.4

18 Caldeira (gerador de vapor) TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Classificação: As caldeiras podem ser classificadas de diversas formas. Por exemplo: Quanto à disposição da água em relação aos gases: a) Flamotubulares; b) Aquotubulares. Quanto à energia empregada no aquecimento: A partir de combustíveis: sólidos; líquidos; gasosos; Elétricas: jatos-de-água; eletrodos submersos; resistores; ou Caldeiras de recuperação; gases de outros processos; recuperação química.

19 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Caldeiras FLAMOTUBULARES (tubo-de-fogo, tubo-de-fumaça, pirotubular) Foi o primeiro tipo de caldeira construída, recebe este nome devido os gases quentes provenientes da combustão que circulam no interior dos tubos, ficando a água por fora dos mesmos. De construção simples, mesmo com o aparecimento de caldeiras mais modernas ainda continua em uso. Na Figura nota-se que a caldeira flamotubular é um cilindro externo que contém água e um cilindro interno destinado à fornalha.

20 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Flamotubulares Compactas: De pequeno porte, o combustível é queimado em câmara vedada de forma cilíndrica denominada fornalha. Os gases da combustão são conduzidos pde forma natural ou forçada por meio de uma chaminé. Os gases quentes circulam dentro do feixe tubular, transmitindo para suas paredes a energia térmica por condução e convecção de calor. Tanto a câmara de queima quanto o feixe tubular deverão estar totalmente cobertos por água, que aquecerá e mudará de estado. Muito utilizadas para vazões reduzidas (1 a 15 t/h e presões de 7 a 20 kg/cm2) em hospitais, lavanderias, cervejarias, hotéis e indústrias de pequeno e médio porte.

21 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Caldeiras verticais Têm as mesmas características da caldeira horizontal multitubular. Os tubos são colocados verticalmente dentro do cilindro e a fornalha interna fica no corpo do cilindro. Existem tipos cuja fornalha é externa, é usada em locais onde o espaço é reduzido. Não requer grande quantidade de vapor, mas alta pressão. Os gases resultantes da queima na fornalha sobem pelos tubos e aquecem a água que se encontra por fora dos mesmos. Aplicada principalmente quando é usado combustível de baixo PCI (bagaço de cana, casca de laranja, etc.).

22 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Caldeiras Aquotubulares Um feixe tubular de água compõe a parte de absorção de calor, no interior dos tubos circula a água e por fora os gases quentes através do caminho formado pela alvenaria e chicanas internas. A água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna. Recebendo calor primeiro vaporiza e sobe até o tambor superior, dando lugar à nova quantidade de água fria que será vaporizada, e assim sucessivamente. São chamadas caldeiras de circulação forçada, tem produção de vapor de 600 até 750 t/h com pressões de 150 a 200 kgf/cm2 temperaturas de 450 a 500oC.

23 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Condensadores O Condensador é um trocador de calor por contato entre o vapor a ser condensado e o meio refrigerante. O vapor a ser condensado circula internamente aos tubos de um feixe tubular que ficam em posição horizontal com pequeno desnível para facilitar a drenagem de condensado. Nos condensadores casco tubo a agua de resfriamento é que circula internamente aos tubos e o vapor a ser condensado flui externamente aos tubos.

24 TERMOELÉTRICAS ESTRUTURA Bombas para Termoeletricas Levam a agua da saída do condensador a entrado do Gerador de Vapor, promovem acréscimo de pressão ao fluido antes de entrar na caldeira.

25 CICLOS TERMODINÂMICOS Geração Termelétrica A conversão de energia termica em mecânica é baseada nos principais ciclos termodinâmicos (teóricos e práticos). Os ciclos termodinâmicos nos quais se baseiam o funcionamento das termoeletricas são: Termelétricas a vapor: ciclo a vapor (Rankine) Termelétricas à gás: ciclo a ar (Brayton) Motores: ciclo a ar (Diesel, Otto)

26 Termoelétricas a Vapor Funcionamento: Do ponto de vista termodinâmico o ciclo de geração de potência a vapor é conhecido como ciclo Rankine. Este ciclo possui algumas modificações que visam aumentar a eficiência de operação da instalação.

27 Geração Termelétrica Conceitos de Termodinamica Mudanças de Fase: Líquido Subresfriado: Quando a temperatura do líquido é menor que a temperatura de saturação à pressão existente. O termo temperatura de saturação designa a temperatura na qual ocorre a vaporização a uma dada pressão, esta pressão é chamada de pressão de saturação para a dada temperatura. A temperatura de saturação da água a 0,1 MPa é 99,6 C e a pressão de saturação a 99,6 C é 0,1 MPa.

28 Geração Termelétrica Mudanças de Fase: Líquido Saturado: Se uma substância se encontra como líquido à temperatura e pressão de saturação diz-se que ela está no estado de líquido saturado. X = Titulo do liquido (quantidade de agua+vapor) Tsat = É a temperatura de saturação na pressão de saturação P.

29 Geração Termelétrica Mudanças de Fase: Título X : Substância que se encontra como parte líquida e parte vapor (vapor úmido). A relação entre a massa de vapor pela massa total. Exemplo: Se a massa de vapor for 0,2 kg e a massa do líquido for 0,8 kg na figura abaixo, o título será 0,2 ou 20%.

30 Geração Termelétrica Mudanças de Fase: Considere 1 kg de água no sistema cilindro-êmbolo, o êmbolo mantém a pressão do sistema em 1,014 bar, a temperatura inicial da água é de 15 ºC. Ao se Fornecer calor ao sistema, a temperatura aumenta consideravelmente e o volume também aumenta, a pressão permanece constante. X = Titulo do liquido (quantidade de agua+vapor) Tsat = É a temperatura de saturação na pressão de saturação P.

31 Geração Termelétrica Mudanças de Fase: Quando a água atinge 100 ºC, uma pequena quantidade de calor implica em mudança de fase, uma parte do líquido torna-se vapor com pressão constante e temperatura constante, porém, a quantidade de vapor aumenta (aumenta o volume específico). X = Titulo do liquido (quantidade de agua+vapor) Tsat = É a temperatura de saturação na pressão de saturação P.

32 Geração Termelétrica Mudanças de Fase: Quando a última porção de agua tiver vaporizado, uma pequena quantidade de calor resulta em aumento da temperatura e do volume específico. X = Titulo do liquido (quantidade de agua+vapor) Tsat = É a temperatura de saturação na pressão de saturação P.

33 Geração Termelétrica Mudanças de Fase: Vapor Saturado: Se uma substância se encontra completamente como vapor na temperatura de saturação, é chamada vapor saturado. Neste caso, o título é igual a 1 (100%), pois, a massa total (mt) é igual à massa de vapor (mv). Tambem chamado de vapor saturado seco. X = Titulo do liquido (quantidade de agua+vapor) Tsat = É a temperatura de saturação na pressão de saturação P.

34 Geração Termelétrica Mudanças de Fase: Vapor Superaquecido: Ocore quando o vapor encontra-se a temperatura supeerior a temperatura de saturação. A pressão e a temperatura do vapor superaquecido são propriedades independentes, e neste caso, a temperatura pode ser aumentada para uma pressão constante. X = Titulo do liquido (quantidade de agua+vapor) Tsat = É a temperatura de saturação na pressão de saturação P.

35 Geração Termelétrica Propriedades Independentes das Substâncias Puras Propriedade de uma substância é qualquer característica observável dessa substância. As propriedades termodinâmicas mais comuns e mensuráveis são: 1. Temperatura (T), 2. Pressão (P), 3. Volume específico (v) 4. Massa específica (r). Outras propriedades termodinâmicas usadas na análise de transferência de energia (calor e trabalho), porém, não mensuráveis diretamente são: Energia interna (u), Entalpia (h) Entropia (s).

36 Geração Termelétrica Propriedades Independentes das Substâncias Puras Energia Interna (U): É a energia originada pelo movimento e/ou forças intermoleculares. As mudanças na velocidade das moléculas são identificadas pela alteração da temperatura, as variações na posição das moleculas são identificadas pela mudança de estado (sólido, liquido ou vapor).

37 Geração Termelétrica Propriedades Independentes das Substâncias Puras Entalpia (H): Pode ser definida como quantidade de calor de um material. Representa a máxima energia de um sistema termodinâmico, teoricamente passível de ser removida na forma de calor. É determinada matematicamente pela relação: H = U + P.V,

38 Geração Termelétrica Propriedades Independentes das Substâncias Puras Entropia (S) - Representa medida da desordem molecular. Um aumento da entropia significa um diminuição da organização de um sistema (mias desordem). De segunda lei da termodinâmica: Trabalho pode ser completamente convertido em calor, porém, a energia térmica não pode ser completamente convertida em trabalho. A entropia procura mensurar a parcela de energia que não pode mais ser transformada em trabalho em transformações termodinâmicas à dada temperatura. Recipiente 1: mais organizado, menor entropia; Recipiente 2: menos organizado, maior entropia

39 Geração Termelétrica Tabelas de Propriedades Termodinâmicas Existem tabelas de propriedades termodinâmicas para todas as substâncias de interesse em engenharia, são divididas em três categorias: Tabela que relaciona as propriedades de saturação (líquido saturado e vapor saturado). Tabelas de vapor superaquecido. Tabela que relaciona as propriedades do líquido comprimido (ou líquido subresfriado),

40 Geração Termelétrica Tabelas de Propriedades Termodinâmicas Em todas as tabelas as grandezas estão disponibilizadas em função da temperatura ou pressão e em função de ambas. Para a região de liquido + vapor, (vapor úmido), conhecido o título, x, as propriedades devem ser determinadas através das seguintes equações:

41 Tabelas de Propriedades Termodinâmicas

42 Tabelas de Propriedades Termodinâmicas

43 Tabelas de Propriedades Termodinâmicas

44 Tabelas de Propriedades Termodinâmicas

45 CICLO RANKINE Geração Termelétrica Centrais a Vapor trabalham em um ciclo chamado CICLO RANKINE podendo ser aberto ou ciclo fechado. Para operação em ciclo aberto utiliza-se somente vapor no processo. Em ciclos fechados, utiliza-se um ou mais fluidos em ciclos superpostos.

46 CICLO RANKINE Geração Termelétrica É um ciclo reversível que converte calor em trabalho. O calor externo é fornecido a um laço fachado (água). O nome deste ciclo homenageia o escoces William John Macquorn Rankine, professor da Universidade de Glasgow.

47 CICLO RANKINE Geração Termelétrica O ciclo de Rankine que consiste nos seguintes quatro processos:

48 Geração Termelétrica CICLO RANKINE Processo 1-2 O fluido é sugado (baixa pressão) e bombeado (alta pressão) utilizando-se uma bomba externa (requer fonte de energia externa para se realizar). Processo 2-3 O fluido pressurizado entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se tornar vapor superaquecido (energia carvão, gás natural, nuclear). Processo 3-4 O vapor superaquecido expande através de uma turbina para gerar trabalho. Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem. Processo 4-1 O vapor então entra num condensador, onde ele é resfriado até a condição de líquido saturado. Este líquido então retorna à bomba e o ciclo se repete.

49 CICLO DE RANKINE IDEAL: Geração Termelétrica Processso 1-2 : Expansão isentrópica do fluido de trabalho => vapor saturado (1) a mistura (2) Processso 2-3 : Rejeição de calor a pressão constante (adiabática) => mistura (2) a liquido saturado (3) Processso 3-4 : Compressão isentrópica do fluido => liquido saturado (3) a líquido comprimido (4) Processso 4-1 : Transf. calor a pressão const.(adiabática) => liquido comprimido (4) a vapor saturado (1) Caldeira Turbina Bomba Condensador

50 CICLO RANKINE Geração Termelétrica A área abaixo da curva do processo 2-3 representa o calor transferido para a água na caldeira. A área abaixo da curva do processo 4-1 representa o calor rejeitado no condensador. A diferença entre estes dois valores (área definida pelo ciclo) representa o trabalho produzido pelo ciclo (W UTIL ).

51 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE A o rendimento de uma central termelétrica depende da variação de grandezas onde se é possível atuar. Na pratica pode-se atuar na pressão e temperatura do fluido.

52 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE 1. Aumento da temperatura na entrada da turbina (superaquecimento): Amenta o rendimento e também o título (% de H 2 O em estado gasoso) do vapor na saída da turbina. 2. Aumento da pressão máxima do vapor: Nesse caso, o trabalho líquido tende a permanecer o mesmo e o calor rejeitado diminui, aumentando assim o rendimento.

53 Geração Termelétrica EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (COM REGENERAÇÃO) No sistema com regeneração, o fluido entra na caldeira como liquido comprimido no estado 4, será aquecido na fase liquida até o estado a. Como resultado: a temperatura media de adição de calor é aumentada, tendendo a aumentar a eficiência térmica.

54 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REGENERAÇÃO) A regeneração é efetuada por aquecedores de agua de alimentação, o vapor entra na turbina de primeiro estagio no estado 1 e se expande até o estado 2,

55 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REGENERAÇÃO) No estado 2, uma fração da vazão total de vapor é levada a um aquecedor de agua operando na pressão p 2. O restante do vapor se expande atraves da turbina de segundo estagio até o estado 3, em seguida este vapor é condensado em liquido saturado (estado 4 ).

56 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REGENERAÇÃO) Depois o vapor é bombeado até a pressão de extração e então introduzido no aquecedor de agua de alimentação no estado 5. Uma única corrente misturada deixa o aquecedor de agua de alimentação no estado 6. As vazões das duas correntes que entram no regenerador (aquecedor) dão origem a uma corrente de saida no estado liquido saturado na pressão de extração.

57 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REGENERAÇÃO) O liquido no estado 6 é então bombeado até a pressão do gerador de vapor (caldeira) e entra no gerador de vapor no estado 7, sendo aquecido até o estado 1.

58 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REGENERAÇÃO) Pelo diagrama, nota-se que adição de calor entre os estados 7 até 1 (fornecido através da queima de combustível) para vaporizar e superaquecer será menor. Como somente uma parte do escoamento total se expande através do segundo estagio da turbina (processo 2-3) menos trabalho será necessário para produzir energia mecânica.

59 Geração Termelétrica RANKINE REGENERATIVO NA TURBINA O fluido é reaquecido após sair do condensador, aproveitando assim parte do calor contido no fluido liberado pela turbina de alta pressão. Com isso, ocorre elevação da temperatura média do fluido em circulação, o que aumenta da eficiência termodinâmica do ciclo.

60 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REGENERAÇÃO)

61 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REAQUECIMENTO) Utiliza duas turbinas em série, a primeira recebe vapor da caldeira à alta pressão e libera este vapor de tal forma a evitar sua condensação. O vapor é então reaquecido, utilizando o calor da própria caldeira e é utilizado para acionar uma segunda turbina de baixa pressão. Vantagem: Impede a condensação do vapor no interior das turbinas (evita danos nas aletas da turbina).

62 Geração Termelétrica AUMENTANDO A EFICIENCIA DO CICLO RANKINE (REAQUECIMENTO) O ciclo com reaquecimento possibilita temperaturas mais altas nos estágios da turbina (evita condensação).

63 Geração Termelétrica PERDAS NO CICLO RANKINE Afastamento dos ciclos reais em relação aos ideais Perdas na tubulação por atrito e transferência de calor ao meio. 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).

64 Geração Termelétrica Graficos das Propriedades Termodinâmicas As propriedades termodinâmicas também poderão ser apresentadas através de diagramas 1. T x s (temperatura x entropia específica), 2. h x s (entalpia específica x entropia específica). 3. T x n (temperatura x volume específico), 4. P x h (pressão x entalpia específica),

65 Geração Termelétrica Graficos das Propriedades Termodinâmicas O mais conhecido desses diagramas é o diagrama h x s conhecido como diagrama de Mollier. Uma das vantagem do uso destes diagramas é que eles apresentam numa só figura as propriedades de líquido comprimido, do vapor úmido e do vapor superaquecido. temperatura x entropia específica

66 Geração Termelétrica Graficos das Propriedades Termodinâmicas entalpia específica x entropia específica entalpia específica x entropia específica

67 Geração Termelétrica Graficos das Propriedades Termodinâmicas 1. A região à esquerda da linha de liquido saturado (x=0) é a região de líquido comprimido (líquido sub-resfriado). Aqui estão os dados referentes às tabelas de líquido comprimido. 2. A região compreendida entre a linha de vapor saturado (x=1) e a linha de líquido saturado (x=0) é a região de vapor úmido. Nesta região, em geral os diagramas apresentam linhas de título constante. 3. A região à direita da linha de vapor saturado seco (x=1) é a região de vapor superaquecido. (nesta região estão os dados contidos nas tabelas de vapor superaquecido).

68 Graficos das Propriedades Termodinâmicas As figura representa o diagrama de Mollier mais completo para a água.