UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA

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1 UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA POLIÉCNICA DEPARAMENO DE ENGENHARIA MECÂNICA Estudo e otimização de lanta de cogeração industrial ara aroveitamento de gás obre rabalho de formatura aresentado à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo ara obtenção do título de graduação em Engenharia Diego Costa Loes Orientador: Sílvio de Oliveira Jr. Área de Concentração: Engenharia Mecânica São Paulo 009 1

2 Loes, Diego Costa. Estudo e otimização de lanta de cogeração industrial ara aroveitamento de gás obre, or Diego Costa Loes. São Paulo: EPUSP, anexos rabalho de formatura Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Deartamento de Engenharia Mecânica. 1. Cogeração. Análise termodinâmica 3. Planta Industrial I. Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Deartamento de Engenharia Mecânica III.t

3 RESUMO O rojeto consiste no estudo de uma lanta industrial de cogeração, que gera energia e roduz vaor ara rocesso, utilizando como combustível o tail gas, gás obre que é rejeito do rocesso de rodução de negro de fumo. ambém faz arte do rojeto a otimização desta lanta, visando uma menor utilização de combustível e maior rendimento do ciclo. Uma análise de viabilidade técnico-econômica será efetuada levando em consideração a utilização de um ciclo Rankine tradicional, Brayton e ciclo combinado. 3

4 ABSRAC his roject consists of a study of a cogeneration industrial lant, which generates ower and steam, using as fuel the tail gas, a tye of lean gas obtained as a by-roduct of the roduction rocess of carbon black. Also included on this study is the otimization of this lant, aiming at a lower fuel usage and higher cycle efficiency. A technical-economical feasibility study will be made considering as alternatives the usage of a traditional Rankine cycle, Brayton cycle and a combined cycle. 4

5 SUMÁRIO 1. INRODUÇÃO REVISÃO DA LIERAURA CONSERVAÇÃO DE MASSA E VOLUME DE CONROLE: PRIMEIRA LEI DA ERMODINÂMICA: SEGUNDA LEI DA ERMODINÂMICA E EXERGIA: CICLO DE CARNO CICLO RANKINE CICLO BRAYON RENDIMENO ÉRMICO DOS CICLOS DE POÊNCIA RENDIMENO ÉRMICO EM PLANAS REAIS PLANAS DE COGERAÇÃO NOMENCLAURA ESUDO DA PLANA E RESULADOS COMBUSÍVEL URBINA CONDENSADOR BOMBA DE CONDENSADO BOMBEAMENO CALDEIRA SUPERAQUECEDOR ROCADOR DE CALOR CALOR ÚIL DOS PROCESSOS VÁLVULAS COEFICIENES DE DESEMPENHO ANÁLISE DA PLANA ANÁLISES DOS EQUIPAMENOS INDIVIDUAIS COEFICIENES GLOBAIS ALERNAIVAS CICLO RANKINE MODIFICADO CICLO BRAYON COM CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO CICLO COMBINADO CICLO RANKINE MODIFICADO URBINA CONDENSADOR BOMBEAMENO CALDEIRA SUPERAQUECEDOR CALOR ÚIL DOS PROCESSOS COEFICIENES DE DESEMPENHO

6 7. CICLO BRAYON COMPRESSORES CÂMARA DE COMBUSÃO URBINA CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO COEFICIENES DE DESEMPENHO CICLO COMBINADO COMPRESSORES CÂMARA DE COMBUSÃO URBINA CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO CICLO VAPOR COEFICIENES DE DESEMPENHO ANÁLISE ECONÔMICA EQUIPAMENOS CUSOS E RECEIAS OPERACIONAIS INVESIMENOS AXA INERNA DE REORNO ANÁLISE DAS ALERNAIVAS CICLO MODIFICADO CICLO BRAYON CICLO COMBINADO CONCLUSÕES REFERÊNCIAS LISA DE FIGURAS Fig. 1- Reresentação de um volume de controle genérico Fig. - Ciclo de Carnot e reresentação no diagrama -s Fig. 3 - Ciclo Rankine adrão e diagrama -s Fig. 4 - Ciclo Rankine com sueraquecimento e diagrama -s Fig. 5 Diagrama -s do ciclo Brayton Fig. 6 - Esquema de lanta de cogeração com extração de vaor da caldeira Fig. 7 - Esquema de lanta de cogeração com extração de vaor arcialmente exandido na turbina Fig. 8 - Fluxograma da lanta... Fig. 9 Fluxograma da lanta com Ciclo Rankine modificado... 4 Fig. 10 Fluxograma da lanta com Ciclo Brayton Fig. 11 Fluxograma da lanta com Ciclo Combinado

7 LISA DE ABELAS ab. 1 - Parâmetros do rocesso ab. Parâmetros de rocesso ara Ciclo Rankine modificado ab. 3 Parâmetros de rocesso do Ciclo Brayton ab. 4 Parâmetros de rocesso do ciclo Combinado ab. 5 Dados das turbinas a gás ab. 6 Resumo dos custos oeracionais ab. 7 Resumo dos investimentos ab. 8 axa Interna de Retorno

8 1. INRODUÇÃO Uma lanta de cogeração consiste, basicamente, da geração de trabalho e calor útil rovenientes de uma mesma fonte térmica. Em outras alavras, uma lanta de cogeração roduz energia elétrica e vaor ara rocesso, a artir de um mesmo insumo ou conjunto de insumos energéticos. É intuitivo, e comrovado na rática, que a utilização da cogeração ara atender a ambas as demandas simultaneamente resulta em uma utilização menor de energia, se comarada com o atendimento a estas mesmas demandas searadamente. As lantas de cogeração vêm sendo extensivamente estudadas no ramo industrial nos últimos anos. A necessidade cada vez maior de uma utilização racional da energia, influenciada ela crescente reocuação com o meio ambiente e elos altos reços dos combustíveis derivados de etróleo aós a década de 70, forçou a indústria a buscar maneiras de otimizar suas lantas, utilizar rejeitos térmicos como insumo energético, e interligar os rocessos de rodução de energia elétrica e vaor. Entretanto, as rimeiras alicações de cogeração não são recentes. James Watt, no século XVIII, sugeriu que o vaor de exaustão de sua máquina a vaor fosse utilizado ara aquecimento residencial. ão conveniente foi esta solução, que hoje na Euroa ela ainda é largamente utilizada, em esecial nos aíses com inverno mais rigoroso. A utilização de rejeito térmico de lantas de cogeração ara aquecimento distrital atende entre 8% e 15% da carga térmica total em aíses como Dinamarca, Suécia e Finlândia. A lanta de cogeração a ser estudada oera em conjunto com uma unidade de rodução de negro de fumo. O negro de fumo é um material similar à fuligem, roduzido ela combustão sub-estequiométrica de óleos esados, alcatrão e alguns óleos vegetais, e é utilizado rincialmente como igmento e como reforço em rodutos fabricados com borracha e lásticos. A rodução deste material tem como sub-roduto grandes quantidades de tail gas, um gás obre comosto de uma mistura de gases inflamáveis e inertes. Este gás é usualmente queimado em flares nas lantas 8

9 de negro de fumo, ortanto deserdiçando otencial energético considerável. A lanta de cogeração que é objeto deste estudo foi rojetada, ortanto, ara aroveitar este gás obre ara geração de energia elétrica, utilizada na rória lanta, e vaor, que é vendido ara outras lantas exceto or uma equena quantidade, utilizada internamente. Um estudo comleto desta lanta (que oera utilizando um ciclo Rankine tradicional) será efetuado. O objetivo inicial do estudo é obter as trocas de calor efetuadas e otência elétrica gerada, a fim de determinar os rendimentos energéticos e exergéticos. Aós esta fase inicial, serão analisadas modificações a serem imlementadas na lanta, visando melhorar estes rendimentos e diminuir custos de oeração. As modificações a serem roostas incluem a substituição do ciclo Rankine em oeração or um ciclo Brayton ou ciclo combinado, além da utilização de combustíveis adicionais e alterações na estrutura da lanta. Por fim, uma análise de viabilidade técnica-econômica será feita, buscando escolher a configuração da lanta que melhor atende aos requisitos de geração de energia elétrica e demanda de vaor. 9

10 . REVISÃO DA LIERAURA A análise de uma lanta de cogeração é substancialmente diferente da análise de uma lanta tradicional, devido à existência não só de trabalho útil, mas também de calor útil. Entretanto, qualquer estudo na área de geração de energia arte dos conceitos básicos da termodinâmica, que serão aresentados brevemente..1. CONSERVAÇÃO DE MASSA E VOLUME DE CONROLE: Um volume de controle é um volume de formato e tamanho arbitrários, definidos de modo que seja conveniente ara a análise a ser feita. As roriedades relevantes, como massa, calor e trabalho, odem atravessar este volume, como indicado na figura. Fig. 1- Reresentação de um volume de controle genérico 10

11 O uso do volume de controle ermite a análise de elementos individuais de uma lanta, como a turbina ou o condensador, sendo assim extensivamente utilizado. Podemos exressar a conservação de massa através da equação da continuidade: dm v. c. dt + m s m e = 0 Esta equação, base ara qualquer análise, nos diz que a soma dos fluxos mássicos que entram e saem de um volume de controle qualquer deve necessariamente ser igual à taxa de acumulação de massa no interior do volume de controle. Em outras alavras, a massa deve ser conservada. Geralmente, o estudo de lantas será feito em regime ermanente, ou seja, não há variações significativas no temo em nenhuma das variáveis. Portanto, é razoável considerar: dm c dt v.. = 0 = s m me [1].. PRIMEIRA LEI DA ERMODINÂMICA: A rimeira lei da termodinâmica, ara um volume de controle, ode ser aresentada da seguinte forma: V e de v. c. V s v. c. + me he Z e m s hs Z s + W v. c. + + g = + dt + + g [] Q 11

12 Esta equação reresenta a conservação de energia no volume de controle. A taxa de transferência de calor ara o volume de controle mais a energia introduzida elo fluxo mássico, deve ser igual a variação de energia dentro do volume de controle, mais a energia que deixa o volume de controle elo fluxo mássico de saída, mais a otência, neste caso associada ao trabalho de eixo na turbina. Várias simlificações odem ser feitas nesta equação. As variações de velocidade e de cota na entrada e na saída odem ser consideradas insignificantes frente às variações de entalia. Assim como ara a equação da conservação de massa, o rocesso é considerado em regime ermanente. A equação simlificada, ortanto, é: Q v c. W v. c. m s me. = hs he [3].3. SEGUNDA LEI DA ERMODINÂMICA E EXERGIA: A segunda lei da termodinâmica nos diz que é imossível construir um disositivo que oere em um ciclo termodinâmico e que não roduza outros efeitos além do levantamento de um eso e troca de calor com um único reservatório térmico. A rimeira conseqüência direta deste enunciado é que é imossível construir um motor térmico que seja 100% eficiente, devido à necessidade de se rejeitar calor ara algum meio. ambém é necessária a definição de um rocesso reversível. Um rocesso reversível é aquele que ode ser invertido e não deixar nenhum vestígio no meio aós esta inversão. O conceito de rocesso reversível é usado extensivamente na termodinâmica ara o estudo de casos ideais, como o ciclo de Carnot, descrito a frente. 1

13 Há mais uma roriedade que é de interesse ara o estudo, que é a exergia, ou disonibilidade, que é definida como o máximo trabalho reversível que ode ser realizado ara uma dada massa em um dado estado. A equação da exergia é: V ψ = h 0s+ + gz ( h0 0s0 + gz 0) [4] A equação da exergia alicada a escoamentos, que assume desrezíveis as arcelas de energia cinética e otencial, é: ( h h ) ( s ) ψ = [5] 0 0 s0 Assim como ara a rimeira lei da termodinâmica, odemos determinar uma equação ara o fluxo de exergia em um volume de controle, já assumindo escoamento em regime ermanente: = 0 W vc 1 Q vc+ m e e m sψ s 0 S ger H ψ [6] O termo S 0 ger é a exergia destruída no rocesso. Portanto, é fácil visualizar que é ossível termos um rocesso que tenha alto rendimento energético (ou rendimento de rimeira lei), orém que tenha um baixo rendimento exergético (ou rendimento de segunda lei), graças à geração de entroia. Isso diminui a caacidade do fluido de gerar trabalho, ortanto a exergia deve ser observada..4. CICLO DE CARNO O ciclo de Carnot nada mais é que um ciclo termodinâmico que oera com todos os seus rocessos reversíveis. Um esquema do ciclo juntamente com a sua reresentação no diagrama -s é mostrado abaixo: 13

14 Fig. - Ciclo de Carnot e reresentação no diagrama -s. O ciclo de Carnot consiste de quatro rocessos distintos, todos reversíveis. Portanto, ele ode funcionar em ambos os sentidos, tanto quanto um motor térmico, quanto como um refrigerador. No caso de um motor térmico, os quatro rocessos são: 1. Processo 1-. Exansão adiabática.. Processo -3. ransferência de calor isotérmica ara o reservatório de baixa temeratura. 3. Processo 3-4. Comressão adiabática. 4. Processo 4-1. ransferência de calor isotérmica do reservatório de alta temeratura. O ciclo de Carnot é o ciclo com maior rendimento térmico ossível entre dois reservatórios oerando à alta e baixa temeratura, resectivamente. Portanto, o desemenho de lantas é geralmente comarado com o ciclo de Carnot equivalente. Dificilmente, entretanto, este ciclo será atingido. Dificuldades de oeração, como a comressão de mistura líquido-vaor (no caso da água) no rocesso 3, em conjunto com a imossibilidade de eliminar todas as irreversibilidades, afasta os ciclos reais do ciclo de Carnot. 14

15 .5. CICLO RANKINE O ciclo Rankine é o ciclo utilizado em centrais térmicas a vaor, escoo deste estudo. A unidade motora mais simles ossível é ilustrada abaixo. Fig. 3 - Ciclo Rankine adrão e diagrama -s. O ciclo Rankine é comosto dos seguintes rocessos: 1. Processo 1-: Bombeamento adiabático reversível.. Processo -3: ransferência de calor a ressão constante. 3. Processo 3-4: Exansão adiabática reversível. 4. Processo 4-1: ransferência de calor a ressão constante. O ciclo Rankine também é idealizado. Entretanto, a sua imlementação é mais simles devido ao bombeamento de líquido, ao invés de uma mistura líquido-vaor. ambém se deve observar que as transferências de calor são a ressão constante, o que facilita a adição de modificações como o sueraquecimento do vaor na saída da caldeira. Um ciclo com sueraquecimento é mostrado abaixo. 15

16 Fig. 4 - Ciclo Rankine com sueraquecimento e diagrama -s..6. CICLO BRAYON O ciclo Brayton nada mais é que um ciclo Rankine sem a resença de mudança de fase, e é utilizado nas turbinas a gás. Os rocessos que comõe este ciclo são os mesmos do ciclo Rankine. O diagrama -s do ciclo é mostrado abaixo Fig. 5 Diagrama -s do ciclo Brayton 16

17 .7. RENDIMENO ÉRMICO DOS CICLOS DE POÊNCIA O rendimento térmico de um ciclo de otência é definido como: η térmico = w q liq h [7] Com w liq sendo o trabalho útil roduzido ela lanta, e qh o insumo energético consumido ara a rodução deste trabalho. É ossível deduzir que, ara o ciclo de Carnot, o rendimento é dado or: η t = 1 L H [8] Como já foi observado, este é o máximo rendimento que uma lanta consegue atingir, entre dois reservatórios a temeraturas L e H. No caso dos ciclos Rankine e Brayton, o rendimento é calculado or: η = t h h 3 h 4 h 1 [9].8. RENDIMENO ÉRMICO EM PLANAS REAIS Nas lantas reais, há ainda mais dois fatores que influenciam o rendimento térmico. Os rendimentos aresentados acima suõem que toda a energia roveniente do combustível é assada ara o fluido de trabalho na caldeira ou câmara de combustão, e que toda a energia do fluido de trabalho é convertida ara trabalho útil na turbina. Estas suosições não odem ser consideradas verdadeiras em lantas reais. O insumo energético roveniente do combustível é: Q H = m comb PCI comb [10] 17

18 A energia elétrica líquida disonível na turbina deve ser ajustada dadas eficiências do redutor e do gerador elétrico acolado a turbina. W liq = m ( h3 h4 ) η η [11] redutor gerador.9. PLANAS DE COGERAÇÃO Uma lanta de cogeração roduz tanto trabalho útil (na turbina) quanto calor útil (geralmente em formato de vaor). Um exemlo de uma configuração ossível ara uma lanta de cogeração é mostrado abaixo: Fig. 6 - Esquema de lanta de cogeração com extração de vaor da caldeira. Outra configuração ossível, que é mais comum, envolve a extração de vaor arcialmente exandido na turbina: 18

19 Fig. 7 - Esquema de lanta de cogeração com extração de vaor arcialmente exandido na turbina. Obviamente, ambas estas configurações são simlificadas. As lantas de cogeração odem aresentar inúmeras configurações distintas. Entretanto, deve ser observado que o rendimento destas lantas será significativamente diferente. Devido a rodução de calor útil, ele é exresso or: W útil+ Q útil η t = [1] m c PCI c Este termo reresenta a eficiência de rimeira lei da lanta, e também é conhecido como Fator de Utilização de Energia (FUE). O estudo de lantas de cogeração introduz mais alguns conceitos ara a análise da eficiência das mesmas. O rimeiro deles é o índice de ouança de energia (IPE), definido or: IPE = 1 m c PCI c [13] η W ot _ adrão Q + η útil cald _ adrão 19

20 Este índice comara o consumo de combustível da lanta de cogeração com o consumo de duas lantas searadas que roduzem searadamente energia elétrica e térmica. Além deste, são utilizados o índice de geração de otência (IGP) e a razão otência-calor (RPC): W IGP= [14] Q útil m c PCI c ηcald W RPC = [15] Q útil.10. NOMENCLAURA he - entalia do estado de entrada (kj/kg); h - entalia do estado de saída (kj/kg); s m c - fluxo mássico de combustível (kg/s); m e - fluxo mássico que enetra o volume de controle (kg/s); m s - fluxo mássico que deixa o volume de controle (kg/s); PCI - Poder calorífico inferior do combustível (kj/kg); c Q i - otência térmica útil individual (kw); Q útil - otência térmica útil total roduzido ela lanta (kw); Q v.c. - fluxo de calor que ultraassa o volume de controle (kw); - temeratura na qual o calor é fornecido (K); i - temeratura do estado de referência (K); 0 S 0 ger - exergia destruída (kw); W - otência gerada na lanta (kw); W v.c. - otência no volume de controle (kw); 0

21 ψ e - exergia do estado de entrada (kj/kg); ψ - exergia do estado de saída (kj/kg); s ψ - exergia química do combustível (kj/kg); c η - rendimento de uma lanta de otência adrão; ot _ adrão η cald _ adrão - rendimento de uma caldeira adrão; η cald - rendimento da caldeira da lanta; 1

22 3. ESUDO DA PLANA E RESULADOS A lanta objeto deste estudo é aresentada no fluxograma abaixo: Fig. 8 - Fluxograma da lanta. Os estados identificados elos balões numerados, que são os estados necessários ara a análise da lanta, estão totalmente determinados, e são aresentados na tabela 1. A lanta a ser analisada oera em conjunto com uma lanta de rodução de negro de fumo. No rocesso de rodução deste material, que consiste na combustão

23 sub-estequiométrica de óleos esados, alcatrão e óleos vegetais. Este rocesso rejeita um gás inflamável, o tail gas. Este gás, or ser um gás obre, é comumente queimado em flares nas rórias lantas, ortanto deserdiçando otencial energético. Esta lanta foi rojetada ara aroveitar este rejeito e gerar energia elétrica e vaor. O vaor gerado em sua grande arte é vendido ara uma outra lanta (Processo 1), exceto or uma equena arte utilizada no rório rocesso de rodução do negro de fumo (Processo ). A energia elétrica gerada é totalmente utilizada na lanta. Buscando os valores de rendimento da lanta e os fatores de eficiência característicos de lantas de cogeração, deve-se rimeiramente efetuar os balanços de massa, energia e exergia individuais de cada equiamento. Abaixo estão os estados da lanta, definidos ela numeração da Fig. 8: Estado Pressão emeratura Vazão Mássica bara K kg/h 1 46, , ,99 34, ,99 338, , , ,381 40, ,955 41, ,955 41, ,95 535, ,95 535, ,95 535, , , , , , , ,95 535, ,95 535, ,95 46, , , ,500 43, , , , , 1800 ab. 1 - Parâmetros do rocesso. 3

24 3.1. COMBUSÍVEL O combustível utilizado na lanta é o tail gas, que aresenta a seguinte comosição molar: ych yco = 0,00 = 0,04 yco= 0,10 yh yn 4 = 0,080 yh O= 0,430 = 0,36 O PCI do combustível é facilmente calculado fazendo-se a onderação dos elementos combustíveis do gás em relação a suas concentrações molares. O valor calculado do PCI é: PCI c = 59kJ É interessante também determinar o valor da razão entre os calores esecíficos do combustível e sua massa molar, ara sua osterior utilização. Utilizando a mesma metodologia: k c M = 1,367 c =,048kg / kmol 3.. URBINA arâmetros: O objetivo é determinar a otência gerada elo ciclo. emos os seguintes 4

25 m 1 = m 1 1 = 46,500bar = 673,1 K = 0,99bar = 34,1K = 1748kg / h As roriedades do vaor sueraquecido na entrada são facilmente determinadas: h s 1 1 = 30,884kJ = 6,689kJ K ψ = 113,96kJ 1 É interessante observar o comortamento da turbina caso ela fosse isoentróica. O estado de saída seria: h s ψ x s s s s = 54,704kJ = 6,689kJ K = 65,106kJ = 0,84 O balanço de energia ara a turbina fica como: W s = 578,06kW W s = m1( h h1) Este estado de saída não é o real. Para o cálculo das roriedades na saída, é utilizada ortanto a eficiência isoentróica da turbina: η h s x turb = 0,789 = 454,300kJ = 7,7kJ K ψ = 90,765kJ = 0,97 A otência real ode ser determinada simlesmente or: 5

26 W = η turb W s W = 45,8kW O balanço de exergia na turbina fica: W = m1 ( ψ 1 ψ ) 0 S ger E a exergia destruída na turbina é: 0 S ger = 1050,777kJ 3.3. CONDENSADOR O estado de entrada no condensador já foi determinado acima. Os arâmetros de saída são: 3 3 = 0,99bar = 338,3K O líquido sai do condensador levemente sub-resfriado. As roriedades termodinâmicas na saída são: h 3 3 = 7,556kJ ψ = 10,376kJ O balanço de energia no condensador e o calor rejeitado são: Q= m1 ( h3 h) Q= 13180,156kW O balanço de exergia e a exergia destruída são: 6

27 0 Q 1 + m1 ( ψ ψ ) 3 = 0 S ger 0 S ger = 130,851kW 3.4. BOMBA DE CONDENSADO Na saída da bomba de condensado: 4 4 = 5,385bar = 339,1K bomba é: Considerando a água um líquido incomressível, a otência requerida ela = m υ W ( ) 3 4 Portanto: υ = 0,0010m W = 3,134kW BOMBEAMENO emos os seguintes arâmetros no sistema central de bombeamento: 7

28 5 = m 6 m = 5,381bar = 40,3K = 56,955bar = 41,5 K = 995kg / h bomba é: Considerando a água um líquido incomressível, a otência requerida ela = m υ W ( ) 3 4 Portanto: υ = 0,00109m 3 W = 143,764kW 3.6. CALDEIRA A caldeira oera com os seguintes arâmetros: 8 = 8075kg / h m = 56,951bar = 41,5 K = 48,95bar = 535,8K Na saída da caldeira, o vaor está saturado. Portanto, odemos assim calcular as roriedades: 8

29 h h = 64,958kJ ψ = 85,563kJ = 795,104kJ ψ = 1015,83kJ Adicionalmente, é fornecida a eficiência da caldeira: η cald = 0,79 O balanço de energia na caldeira e o calor trocado são: Q= m8 ( h8 h6) Q= 48678,788kW será: Este é o calor fornecido ara o fluido. O calor que o combustível deve fornecer Q c = η cald Q Q= 61618,719kW Este calor está sendo fornecido ara a água a uma temeratura de 1100K. A equação do balanço de exergia e a exergia destruída na caldeira são: 0 Q ( ψ 6 ψ 8) m = 0 S ger 0 S ger = 4050,488kW 3.7. SUPERAQUECEDOR 9

30 No sueraquecedor, temos: 9 = m 11 m = 48,95bar = 535,8K = 47,177bar = 673,K = 65061kg / h As roriedades odem ser determinadas: h h ψ = 795,104kJ ψ = 1015,83kJ = 301,673kJ = 114,473kJ O sueraquecedor nada mais é que um equiamento que faz arte da caldeira, ortanto a mesma eficiência será utilizada. O balanço de energia e o calor trocado são: Q= m9 ( h11 h9) Q= 7347,74kW O combustível deve fornecer: Q= 9300, 916kW O balanço de exergia e a exergia destruída são: 0 Q 1 + m9 ( ψ ψ ) 9 11 = 0 S ger 0 S ger = 3189,846kW A caldeira está totalmente analisada. Adicionalmente, odemos calcular o rendimento de segunda lei da caldeira. Para o combustível utilizado, temos: 30

31 PCI c c = 59kJ ψ = 460kJ O consumo de combustível ode ser determinado: Q total m c m = = 70919,635kW Q total PCI c = kg / h c O rendimento de segunda lei da caldeira ode ser calculado: m Ψ = 8 ( ψ 8 ψ 6) + m9 ( ψ 11 ψ 9) Ψ = 0,3167 mc ψ c 3.8. ROCADOR DE CALOR O trocador de calor entre os estados 16 e 17 é um aquecedor do ar de combustão. Os arâmetros na entrada e na saída são: m = m 17 = 10,95bar = 46,9K = 10,905bar = 456,8K = 6493kg / h Sabe-se que a água deixa o trocador de calor como líquido saturado. As roriedades termodinâmicas odem ser determinadas: 31

32 h ψ h ψ = 785,110kJ = 836,530kJ = 779,494kJ = 135,61kJ O balanço de energia no aquecedor de ar e o calor rejeitado são: Q= m16 ( h17 h16) Q= 3617,35kW O balanço de exergia e a exergia destruída são: 0 Q 1 + m 16 ( ψ 16 ψ 17) = 0 S ger 0 S ger = 7,65kW 3.9. CALOR ÚIL DOS PROCESSOS A lanta roduz calor útil, na forma de vaor, que é vendido ara outras lantas. Para o rocesso 1, os estados de envio e retorno de vaor e condensado, resectivamente, são: m m = 19 = 5,867bar = 508,1K = 4,50bar = 363,15K = 48749kg / h As roriedades são: 3

33 h h = 83,93kJ = 376,968kJ O calor útil fornecido ara o rocesso 1, considerando que o mesmo é inteiramente aroveitado, é: P1 = m13 ( h19 h13) Q Q P1 = 3348,508kW estados: O mesmo rocedimento é alicado ara o rocesso. emos os seguintes m m = 0 = 47,177bar = 673,15K = 4,50bar = 363,15K = 1800kg / h As roriedades de interesse são determinadas: h h 1 0 = 301,673kJ = 376,968kJ Fazendo as mesmas considerações, o calor útil no rocesso é: Q P Q = m 1 ( h0 h1) P = 141,35kW VÁLVULAS 33

34 As válvulas são isoentálicas, ortanto não há nenhum balanço energético que ossa se fazer sobre elas. Entretanto, existe destruição de exergia nas válvulas que deve ser levada em conta. Para a válvula 1, odemos obter o estado aós a válvula considerando que a mesma é isoentálica: m h ' 11 ' 11 ' = 5,867bar = 656,8K = 41513kg / h = h ' 11 = 301,673kJ As exergias na entrada e na saída da válvula são: ψ ψ 11 ' 11 = 114,473kJ = 1135,965kJ A exergia destruída na válvula 1 é: 1 0 = S ger 905, 306kW Procedimento similar é feito ara as válvulas, 3 e 4, com os cálculos aresentados abaixo: 34

35 ψ ψ ψ ψ ψ ψ m m m ' S S S = 1016,018kJ = 836,53kJ = 1016,018kJ = 705,795kJ = 830,69kJ = 715,64kJ 14 = 6493kg / h 15 = 9198kg / h 17 = 6493kg / h ger 3 ger 4 ger = 33,76kJ = 79,618kJ = 08,185kJ COEFICIENES DE DESEMPENHO Aós a determinação de todas os balanços de energia, é ossível determinar os índices de desemenho globais da lanta. : O calor útil total fornecido ela lanta é a soma dos calores dos rocessos 1 e Q total = Q P1 + Q P Q total = 34660,860kW A otência total da lanta é aenas a otência da turbina, subtraídas as otências de bombeamento: 35

36 W total W total = W turb W = 4375,384kW bomba1 W bomba O fator de utilização de energia (FUE) da lanta fica ortanto determinado: FUE Q total+ W total = mc PCI FUE = 0,5505 c O rendimento de segunda lei da lanta ode ser calculado como: W + Ψ = Ψ= 0,447 1 o Q c ψ c m O índice de ouança de energia necessita de valores de referencia ara rendimentos de uma lanta de otência e de uma caldeira, ambos adrões. Serão usados: η η ot cald = 0,38 = 0,77 Portanto: m c PCI c IPE = 1 W Qútil + η ot _ adrão ηcald _ adrão IPE = 0,544 O índice de geração de otência e a razão otência-calor são facilmente determinados: 36

37 IGP= IGP= 0,1618 W total RPC = Q total RPC = 0,16 W total Q total c PCI c ηcald m 37

38 4. ANÁLISE DA PLANA Com todos os resultados aresentados, é ossível artir ara uma análise dos mesmos buscando meios ara otimizar o funcionamento desta lanta ANÁLISES DOS EQUIPAMENOS INDIVIDUAIS A eficiência isoentróica da turbina foi fornecida elo fabricante, e o valor de 78,9% está dentro dos adrões ara turbinas a vaor deste orte. A turbina, orém, está sendo sub-utilizada, ois foi rojetada ara uma otência de 7 MW e vazão mássica de vaor de até kg/h. Este é um dado interessante, ois ermite a modificação do ciclo ara até esta vazão sem a necessidade de substituição da turbina a vaor, embora isto ainda ossa ser vantajoso. As otências de bombeamento, como eseradas, constituem em torno de 1% da otência gerada, valor o qual não influencia de maneira significativa no desemenho da lanta. O conjunto caldeira e sueraquecedor é o resonsável ela destruição de cerca de 80% da exergia do ciclo. Entretanto, seus rendimentos de rimeira e de segunda lei estão ambos dentro de valores adrão. O rendimento de segunda lei, em esecial, é baixo devido às irreversibilidades associadas a combustão e as trocas de calor com alta diferença de temeratura. É evidente que este rendimento é semre baixo em equiamentos reais. A maior ineficiência individual que ode ser observada na lanta diz reseito ao vaor extraído da caldeira à montante do sueraquecedor. 0% do vaor roduzido na caldeira é extraído, onde uma arcela do mesmo é usada ara ré- 38

39 aquecer o ar de combustão, enquanto que uma grande arte é exandida nas válvulas e retorna ao desaerador, deserdiçando otencial de realização de trabalho. Além deste, o vaor sueraquecido extraído ara o rocesso 1 é exandido da ressão de rojeto da caldeira de 47, bar até a ressão de 5,9 bar. A exergia destruída somente nas válvulas é de,3 MW, o que constitui um alto valor. Uma solução óbvia seria a substituição desta turbina or uma turbina de extração-condensação, que ermite que se extraia o vaor em ressões intermediárias, e cuja utilização é comum em lantas de cogeração e/ou em lantas com vários níveis de ressão. 4.. COEFICIENES GLOBAIS A eficiência de rimeira lei da lanta, 55,05%, é baixa ara os adrões de lantas tradicionais de cogeração, que conseguem alcançar até 80% de eficiência neste critério. Entretanto, a ineficiência desta lanta fica evidenciada quando é analisado o rendimento de segunda lei da mesma, que é 4,47%. Este rendimento é cerca de vezes menor que os rendimentos de segunda lei de lantas tradicionais. Este valor baixo é em grande arte resultado da destruição de exergia nas válvulas de controle resentes na lanta, visto que o baixo rendimento exergético da caldeira é inevitável. Outro resultado de vital imortância a ser analisado é o Índice de Pouança de Energia. O valor de 0,543 ara o mesmo indica que esta lanta é ineficiente, na medida que menos combustível seria gasto se o vaor e a otência requerida fossem obtidos em duas lantas searadamente. Visto que a imlementação de uma lanta de cogeração em geral já exige custos altos, é imrescindível que haja uma vantagem econômica significativa na utilização de combustível. O Índice de Geração de Potência, e a Razão Potência-Calor estão relativamente baixos em comaração com lantas de cogeração tradicionais, embora este não seja 39

40 um resultado surreendente considerando que a otência gerada elo ciclo é equena em comaração com o calor útil que o mesmo gera. Deve ser destacado novamente que a extração de vaor a jusante da caldeira e a falta de extrações intermediárias na turbina contribuem majoritariamente ara esta baixa otência do ciclo. 40

41 5. ALERNAIVAS O objetivo rincial deste estudo é a melhoria da lanta em questão, que aresenta sérias ineficiências. Para alcançar este objetivo, são roostas três alternativas de configuração da lanta, descritas abaixo. Deve ser notado, que ara as três alternativas, foram fixados as vazões mássicas e as ressões do vaor de rocesso, ois na lanta real este vaor é vendido e ortanto não há a liberdade de modificar estes valores como quiser. Portanto, o objetivo definido é, ara uma mesma demanda de vaor de rocesso, determinar qual das alternativas oferece o melhor custo-benefício CICLO RANKINE MODIFICADO A rimeira alternativa de modificação do ciclo consiste na utilização do mesmo ciclo da lanta, orém com várias modificações a fim de melhorar o desemenho geral. Um fluxograma do rocesso é descrito abaixo: 41

42 Fig. 9 Fluxograma da lanta com Ciclo Rankine modificado. É fácil observar as mudanças neste ciclo. O vaor extraído à montante do sueraquecedor foi removido, buscando aroveitar de maneira útil a energia contida no mesmo. O vaor ara o rocesso 1 é agora arcialmente exandido na turbina e extraído (ara o rocesso, não é ossível a exansão arcial, ois a ressão necessária é a mesma da caldeira). Esta rimeira alternativa é interessante, ois busca melhorar o rocesso com o mínimo custo ossível, ou seja, com o menor número de equiamentos substituídos (no caso, aenas a turbina deve ser substituída). O custo de imlementação desta alternativa é o mais baixo, entretanto a otimização do rocesso ode não ser significativa. 4

43 5.. CICLO BRAYON COM CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO Esta alternativa revê a geração de otência através de uma turbina a gás, e a geração de vaor através de uma caldeira de recueração que aroveita os gases de escae da turbina e roduz o vaor ara os rocessos. O fluxograma é aresentado abaixo: Fig. 10 Fluxograma da lanta com Ciclo Brayton. Uma turbina a gás costuma ter eficiência de rimeira lei baixa. Entretanto, como os gases de escae da turbina serão rearoveitados, é de se eserar que a eficiência total da lanta seja maior. O rincial roblema na imlementação desta solução reside na utilização do gás obre como combustível. Devido a baixa relação ar-combustível de um gás obre, grande arte do trabalho de comressão do ciclo será requerido ara comrimir o gás ao invés do ar de combustão. Embora a 43

44 eficiência total da lanta tenda a ser equivalente, o comressor ara o tail gas deve ser de maior orte, aumentando o investimento inicial CICLO COMBINADO Esta ultima alternativa visa a imlementação de um ciclo combinado na lanta, gerando otência na turbina a gás, e utilizando os gases de escae da mesma como insumo energético de um ciclo Rankine, gerando mais otência e o vaor ara os rocessos. A lanta é descrita abaixo: Fig. 11 Fluxograma da lanta com Ciclo Combinado. 44

45 Uma breve análise da literatura disonível ermite visualizar que esta é a alternativa com maior eficiência ara lantas de grande orte. Embora tecnicamente esta ossa arecer a melhor alternativa, os asectos econômicos odem inviabilizar a alicação do ciclo combinado nesta lanta, em esecial devido as equenas demandas de energia elétrica envolvidas. 45

46 6. CICLO RANKINE MODIFICADO A mesma metodologia será usada ara determinar os arâmetros oeracionais de todas as alternativas aresentadas. Os estados ara este ciclo, referentes a Fig. 9, são aresentados abaixo: Estado Pressão emeratura Vazão Mássica bara K kg/h 1 46, , ,99 34, ,99 338, , , ,381 40, ,955 41, ,95 535, , , , , ,867 60, ab. Parâmetros de rocesso ara Ciclo Rankine modificado URBINA A turbina, agora, oera com a vazão mássica total de vaor roduzida da caldeira. Parte dela é exandida até a ressão dos rocessos. A massa restante é exandida totalmente. O estado de entrada da turbina é: m 1 = 7895kg / h 1 1 = 46,500bar = 673,1 K emos dois estados de saída nesta configuração (uma extração do vaor ara rocesso, e o vaor de descarga da turbina): 46

47 1' = 48749kg / h m m 1' = 5,867bar = 3003kg / h = 0,3bar As roriedades do vaor sueraquecido na entrada são as mesmas: h s 1 1 = 30,884kJ = 6,689kJ K ψ = 113,96kJ 1 A turbina será analisada em dois estágios, um deles comreendendo a exansão até a ressão intermediária, e o outro até a ressão final. Analisando o caso isoentróico ara o estágio 1-: h s ψ 1' s 1' s 1' s 1' s = 3043,018kJ = 6,689kJ K = 588,1 K = 1053,44kJ O vaor ainda está sueraquecido na ressão de 5,9 bar deste estágio. O balanço de energia ara a rimeira exansão é : W s = 3506,046kW W s = m1( h1' s h1) Este estado não é o real. Para o cálculo das roriedades ao fim da rimeira exansão, é utilizada ortanto a eficiência isoentróica da turbina: η h s turb 1' 1' 1' = 0,789 = 3076,671kJ = 6,745kJ K ψ = 1070,17kJ A otência real ode ser determinada simlesmente or: 47

48 W = η turb W s W = 768,009kW O balanço de exergia na ara o rimeiro estágio fica: W = m1 ( ψ 1 ψ 1' ) 0 S ger E a exergia destruída é: 0 S ger = 369,663kJ Partimos agora ara o segundo estágio da exansão. Considerando o caso isoentróico, temos: h s ψ x s s s s s = 74,046kJ = 6,745kJ K = 34,1K = 89,363kJ = 0,850 O balanço de energia fornece: W s = 6733,796kW W s = m3( hs h1' ) Alicando a mesma eficiência isoentróica, chegamos aos valores: h s x = 443,300kJ = 7,40kJ K ψ = 89,363kJ = 0,93 A otência real deste estágio é or fim determinada: 48

49 W = m ( h h1' ) W = 531,965kW O balanço de exergia na ara o rimeiro estágio fica: W = m3 ( ψ ψ 3) 0 S ger E a exergia destruída é: 0 S ger = 138, 18kW Somando os dois estágios, obtemos a otência total e a exergia total destruída. = 8080,974kW W 0 S ger = 1607, CONDENSADOR O condensador oera de maneira idêntica ao condensador da lanta original, alterando-se aenas a vazão mássica. Os resultados finais são aresentados abaixo: Q= 181,775kW 0 S ger = 180, 811 kw 6.3. BOMBEAMENO O sistema de bombeamento, tanto de condensado quanto o sistema de bombeamento central, também oeram com os mesmos arâmetros da lanta 49

50 original, variando aenas a massa bombeada. A otência de bombeamento total do sistema é: W = 130, 136kW 6.4. CALDEIRA A caldeira oera de maneira idêntica à lanta original, não sendo necessária a aresentação dos cálculos. O calor total a ser fornecido elo combustível e a exergia destruída são: Q= 61618,719kW 0 S ger = 4050, 488 kw 6.5. SUPERAQUECEDOR O sueraquecedor oera agora com a vazão total de vaor saturado roveniente da caldeira. Os estados de entrada e saída, entretanto, são iguais. O calor total a ser fornecido elo combustível e a exergia destruída são: Q= 11544,05kW 0 S ger = 3959, 153 kw O calor total a ser fornecido elo combustível, e o novo consumo, são: Q= 7316,711kW c = 11658kg / m h 50

51 6.6. CALOR ÚIL DOS PROCESSOS Os rocessos mantêm suas resectivas vazões mássicas e ressões. Para o rocesso 1, o vaor é fornecido à uma temeratura maior, aumentando assim o calor útil gerado. O estado do vaor do rocesso 1 é: m m = 11 = 5,867bar = 60,3K = 4,50bar = 363,15K = 48749kg / h As roriedades são: h h = 3076,671kJ = 376,968kJ Pode-se determinar então o calor útil do rocesso 1: P1 = m10 ( h11 h10) Q Q P1 = 36557,717kW O rocesso fornece um calor útil idêntico, que é: Q P = 141, 35kW 6.7. COEFICIENES DE DESEMPENHO A metodologia utilizada ara o cálculo dos coeficientes é a mesma, e as hióteses consideradas, como os rendimentos de uma caldeira e lanta de otência adrões também coincidem. Os novos valores são aresentados abaixo: 51

52 Q total W total = 37970,069kW = 7950kW FUE = 0,676 Ψ= 0,3413 IPE = 0,0417 IGP= 0,3168 RPC = 0,094 5

53 7. CICLO BRAYON O ciclo Brayton é um ciclo que modifica totalmente a estrutura da lanta, ortanto ele foi inteiramente rojetado. anto ara este ciclo quanto ara o ciclo combinado, foi definido que a vazão de vaor do rocesso 1 deve manter-se a mesma. O vaor do rocesso é utilizado internamente, ortanto há flexibilidade ara a modificação deste valor. O outro critério de rojeto a ser definido a riori é a relação de comressão do conjunto da turbina a gás. Este valor é geralmente obtido nos catálogos dos fabricantes de turbina, variando ara cada modelo. Para a faixa de otência estimada desejada, é feita uma rimeira escolha do modelo de turbina, que é a PG5+. A relação de comressão desta turbina é 1,5:1, e é a que será utilizada COMPRESSORES anto o ar externo quanto o combustível recisam ser comrimidos ara a ressão da câmara de combustão. Ainda não há dados sobre o consumo de combustível nem a quantidade de ar necessária, orém ode-se obter os trabalhos esecíficos dos estágios de comressão. Para o ar, temos os seguintes estados: 1 1 = 1,013bar = 98,15 = 1,785bar No caso de comressão isoentróica, a temeratura do ar na saída do comressor ode ser determinada: 53

54 k s ar s = 1 = 1,4 1 = 716,4K k 1 k saída do ar: Introduzindo a eficiência do comressor, odemos obter a temeratura real de η com = 0,81 s = η com 1 = 814,5K + 1 Para obtermos o trabalho esecífico, é utilizado o calor esecífico médio do ar entre as temeraturas alta e baixa, calculado através de regressões olinomiais: c w w ar ar = 1,009kJ = c ( ) 1 = 50,95kJ O mesmo rocesso é utilizado ara o cálculo das condições de saída e do trabalho esecífico de comressão do tail gas, modificando os valores da relação de calores esecíficos e do calor esecifico médio: 4 = 765,8K wc = 699,61kJ 7.. CÂMARA DE COMBUSÃO A comosição do combustível é aresentada no item 3.1. A reação comleta de combustão é aresentada abaixo: 54

55 0,00CH 3,76xN 4 + 0,10CO+ 0,08H aco + bh O+ cn + 0,04CO + do + 0,43H O+ 0,36N + xo + Para uma combustão comleta sem excesso de ar, os coeficientes são: x= 0,095 a= 0,18 b= 0,514 c= 0,357 d = 0 Entretanto, é imossível obter uma combustão comleta do gás aenas com o ar estequiométrico. Além disso, o excesso de ar controla a temeratura dos gases de saída da câmara de combustão. Embora uma temeratura alta destes gases seja desejada, seu valor é limitado or questões metalúrgicas nas turbinas. O valor desejado geralmente está entre 1100 C e 100 C. A relação ar-combustível teórica do tail gas, em base molar e mássica é: AC AC AC AC molar molar massa massa yo + yn = y = 0,45kmol / kmol = AC molar M M ar comb = 0,5941kg c Com a relação ar-combustível, odemos efetuar o balanço de energia na câmara de combustão: m c c m ar ( ) + m AC c ( ) c 0 4 ref c rod c ( 1+ AC) c 0 ( 5 ref ) 0 ref + η combustão mc PCI c = Como não ossuímos o valor da temeratura de saída dos rodutos de combustão, e como o valor do calor esecífico médio dos rodutos deende desta temeratura, a resolução desta equação se dá somente or métodos iterativos. Os resultados são: 55

56 η5 = = 0,9 combustão 1553,3K A temeratura de saída dos rodutos de 180 C é muito alta. Para diminuir esta temeratura, vamos utilizar uma quantidade de excesso de ar. Verificando a temeratura de saída com um excesso de ar de 100%, obtemos: AC = 1,1883kg = ,6K A nova temeratura, de 1161 C, está dentro dos limites estabelecidos. Portanto fica definido o rocesso de combustão do tail gas. A comosição dos rodutos de combustão em fração molar também fica determinada: yco yn yo = 0,0881 yh O= 0,3541 = 0,493 = 0, URBINA emos as seguintes informações dos estados e entrada e saída da turbina = 1,785bar = 1553,3K = 1,013bar A mesma metodologia ara o estágio de comressão é utilizada ara o cálculo da temeratura isoentróica de saída: 56

57 k rod 6s 5 6s = k 1 k 5 6 = 1,364 = 63,K Introduzindo a eficiência da turbina, chegamos a temeratura real: η turb 6 6 = 0,857 = 5 η turb = 746,9K ( ) 5 6s Da mesma maneira que ara os comressores, odemos encontrar o trabalho esecífico da turbina: c w t = 1,437kJ = 987,87kJ 7.4. CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO A vazão mássica de vaor e os estados são arâmetros constantes: 9 = m 10 m = 363,K = 508,1 K = 10 = 13,54kg / s = 5,867bar A vazão mássica de rodutos de combustão e a temeratura de saída não são conhecidas. O cálculo dos mesmos é ossibilitado ela utilização do inch-oint da caldeira, que é a menor diferença de temeratura entre os gases e a água. Utiliza-se um valor adrão ara o inch-oint: = 10K 57

58 A temeratura da água no inch-oint é a temeratura de saturação da água na ressão da caldeira: agua = 498, 9 K A temeratura dos gases no inch-oint é simlesmente: gases gases = agua = 508,9K + Podemos ortanto fazer um balanço de energia entre a entrada de gases (saída da água) e o inch-oint ara descobrir a vazão mínima de rodutos de combustão necessária: m agua gases ( h h ) = mc ( 1+ AC c ( ) ) 6 A água no estado 10 é vaor sueraquecido, e no inch-oint é liquido saturado. Portanto, encontram-se as entalias e a vazão de combustível necessária: h h 10 m agua = 83,39kJ = 970,46kJ c = 37,061kg / s As vazões de ar externo e dos rodutos de combustão são facilmente determinadas: ar = 44,038kg / s m m rod = 81,099kg / s A temeratura de saída dos gases da caldeira de recueração é determinada da mesma maneira que a temeratura de saída dos gases da câmara de combustão, e é: = 7 430, 5K 58

59 7.5. COEFICIENES DE DESEMPENHO Para o cálculo dos coeficientes de desemenho, recisamos das otências totais, obtidas multilicando as vazões mássicas elos trabalhos esecíficos. Os valores obtidos são: W W W W W ar c comb c total c t liq =,94MW = 5,93MW = 48,87MW = 80,1MW = 31,5MW O calor útil do rocesso é o mesmo do ciclo adrão, e vale: Q útil = 33, 5MW Com estes valores, e usando os mesmos valores de referência ara as outras alternativas, chegamos nos seguintes coeficientes: FUE= 0,7703 IPE = 0,333 IGP= 0,6190 RPC = 0,9397 Por fim, como todos os estados já foram determinados, odemos aresentá-los resumidamente na tabela abaixo. Os estados são relativos a Fig. 10: 59

60 Estado Pressão emeratura Vazão Mássica bara K kg/h 1 1,013 98, , , ,04 98, , , , , , , , , , , , , , , ab. 3 Parâmetros de rocesso do Ciclo Brayton. 60

61 8. CICLO COMBINADO Assim como o ciclo Brayton, a utilização do ciclo combinado modifica totalmente a estrutura da lanta. Os cálculos dos ciclos a gás e a vaor devem ser revistos ara adequar as novas demandas de otência e vaor, entretanto a metodologia utilizada ara ambos os ciclos é a mesma, não sendo necessária a aresentação da formulação envolvida no rocesso COMPRESSORES A razão de comressão utilizada no ciclo combinado será diferente, tendo em vista as óbvias diferenças entre os vários modelos de turbina a gás. Utilizaremos a razão de comressão 11.8:1. Utilizando a mesma metodologia do caítulo anterior, odemos chegar as temeraturas de saída e os trabalhos esecíficos de ambos os comressores w 4 w ar c = 675,1 K = 37,55kJ = 641,5 K = 508,00kJ 8.. CÂMARA DE COMBUSÃO Devido a mudança na razão de comressão e nas temeraturas de saída do ar e do combustível dos comressores, a temeratura de saída dos rodutos de combustão será modificada, embora sua comosição seja a mesma. Fazendo-se o mesmo balanço de energia da câmara de combustão, chegamos a temeratura de saída: 61

62 = 5 134, 0K 8.3. URBINA O balanço de energia na turbina ode ser efetuado, e chegamos aos seguintes valores: 6 = 776,3K wt = 779,74kJ 8.4. CALDEIRA DE RECUPERAÇÃO A vazão mássica de vaor desta vez é maior, devido a resença da turbina a vaor. A vazão de vaor é a mesma do ciclo Rankine modificado, e seu valor e os arâmetros corresondentes são: 9 = m 10 m = 363,K = 673,15K = 10 =,431kg / s = 46,5bar O inch-oint utilizado será o mesmo: = 10K A temeratura da água e dos gases no inch-oint é: agua gases = 53,6K = 54,6K 6

63 O balanço de energia efetuado é estritamente o mesmo, mudando-se aenas as entalias da água e do gás. Estas entalias e a vazão de combustível necessária são: h h 10 m agua = 30,88kJ = 113,08kJ c = 69,105kg / s As vazões de ar externo e dos rodutos de combustão são facilmente determinadas: ar = 8,115kg / s m m rod = 151,19kg / s A temeratura de saída dos gases da caldeira de recueração é, or fim: = 7 454, 5K 8.5. CICLO VAPOR odo o ciclo a vaor desta alternativa funcionará de maneira idêntica ao ciclo Rankine modificado. Esta oção diminui a necessidade de aquisição de muitos equiamentos adicionais, que aumentariam o investimento necessário. Não sendo necessário demonstrar os cálculos novamente, os resultados relevantes são aresentados aqui. Para a turbina a vaor, temos: 63

64 W va = 8080,974kW x = 5,867bar = 588,055K = 0,99bar = 34,13K = 0,93 A análise do condensador fornece: Q cond = 181, 775kW O sistema de bombeamento tem otência igual à: W = 130, 136kW 8.6. COEFICIENES DE DESEMPENHO As otências individuais são: W W W W W W W ar c comb c vaor b total c gás t vaor t liq = 30,59MW = 35,11MW = 0,13MW = 65,83MW = 117,91MW = 8,08MW = 60,17MW O calor útil dos rocessos é análogo ao do Ciclo Modificado, e vale: Q útil = 37, 97MW 64

65 Com estes valores, e usando os mesmos valores de referência ara as outras alternativas, chegamos nos seguintes coeficientes: FUE = 0,686 IPE = 0,414 IGP= 0,509 RPC = 1,5845 A tabela de arâmetros resumidos relativos a Fig. 11 é aresentada abaixo: Estado Pressão emeratura Vazão Mássica bara K kg/h 1 1,013 98, , , ,04 98, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,99 34, ,99 338, , , , , ab. 4 Parâmetros de rocesso do ciclo Combinado 65

66 9. ANÁLISE ECONÔMICA Aós a análise técnica das alternativas de otimização roostas, é necessária uma análise econômica ara justificar a viabilidade de alicação. O rimeiro asso é selecionar os novos equiamentos. O ciclo Padrão, ciclo Rankine Modificado, ciclo Brayton e ciclo combinado foram renomeados ara as alternativas Base, A, B e C resectivamente EQUIPAMENOS A turbina a gás escolhida ara o ciclo Brayton foi o modelo PG5+ da GE. Esta turbina é uma turbina a gás aeroderivada e foi escolhida devido a sua alta eficiência e confiabilidade. No caso da turbina a gás ara o ciclo combinado, foi escolhido o modelo S106B, também da GE. Há dificuldades em se achar turbinas a gás na faixa de 50 a 110 MW, e a otência e a relação de comressão desta turbina são adequadas ao roblema. Uma tabela resumindo os dados rinciais de ambas as turbinas é aresentada abaixo: Potência ISO Heat rate Razão Comressão Eficiência MW kj/kwh Ad. % PG5+ 31, ,5 41,1 S106B 59, ,8 34,3 ab. 5 Dados das turbinas a gás A turbina a vaor escolhida ara o ciclo Modificado e o ciclo Combinado é o modelo SS-10 da Siemens. Esta turbina a vaor tem caacidade de 10 MW e ossibilidade de extração de vaor à ressão intermediária, o que torna a mesma ideal ara esta alicação. 66

67 9.. CUSOS E RECEIAS OPERACIONAIS Para obter os custos oeracionais, foram considerados o consumo de combustível e a manutenção dos equiamentos. Os custos de oeração da lanta odem ser considerados os mesmos ara todas as alternativas, e não recisam ser contabilizados. O consumo de energia elétrica da lanta como um todo é o arâmetro mais imortante nos custos oeracionais, orém não há dados deste consumo da lanta. Ao invés de subtrair a otência elétrica roduzida do consumo de energia total, a mesma será considerada uma receita oeracional da lanta, assim como o vaor. Além disso, todas os custos oeracionais foram levados ara um base anual considerando um regime de oeração de 8760 horas/ano. O tail gas utilizado na lanta é subroduto do rocesso de rodução de negro de fumo, ortanto não tem um custo intrínseco associado ao mesmo. Uma estimativa do custo do mesmo será feita comarando seu oder calorífico ao do gás natural. Assumindo o custo do gás natural como constante e valendo R$ 897,40/t, temos: PCI C C comb comb GN = 4758kJ = C GN PCI PCI = R$4,68 comb GN Os custos de manutenção considerados são indicados abaixo: Caldeira tradicional: R$ 1,44 or tonelada de vaor roduzido; urbina a vaor: R$ 1,35 or MWh roduzido; urbina a gás: R$ 8,10 or MWh roduzido; Caldeira de Recueração: R$ 0,36 or tonelada de vaor roduzida; 67