Geração Elétrica Centrais Termoelétricas

Transcrição

1 Geração Elétrica Centrais Termoelétricas Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 1

2 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA Introdução 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 de energia térmica em mecânica é feita com o uso de um fluído que produzirá, em seu processo de expansão, trabalho em turbinas térmicas. O acionamento mecânico de um gerador elétrico acoplado ao eixo da turbina converte energia mecânica em elétrica. A produção da energia térmica pode ser dada pela transformação da energia química dos combustíveis, por meio do processo da combustão, ou da energia nuclear dos combustíveis radioativos, com a fissão nuclear. Centrais cuja geração é baseada na combustão são conhecidas como termoelétricas. As baseadas na fissão nuclear são chamadas de centrais nucleares. 2

3 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA Introdução As centrais termoelétricas (convencionais) são classificadas de acordo com o método de combustão utilizado. Combustão Externa: O combustível não entra em contato com o fluído de trabalho. Este é um processo usado principalmente nas centrais termoelétricas a vapor, nas quais o combustível aquece o fluído de trabalho (em geral a água) em uma caldeira até gerar o vapor que, ao se expandir em uma turbina, produzirá trabalho mecânico; Combustão interna: A combustão se efetua sobre uma mistura de ar e combustível. Dessa maneira, o fluído de trabalho será o conjunto de produtos da combustão. A combustão interna é o processo usado principalmente nas turbinas a gás e nas máquinas térmicas a pistão (motores a diesel). 3

4 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA Introdução A figura a seguir mostra um diagrama simplificado de uma central termoelétrica com combustão externa (a vapor). Central termelétrica com combustão externa (a vapor) 4

5 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA Introdução O vapor se expande (a pressão passa de alta à baixa) na turbina, gerando energia. Este vapor que sai da turbina vai ao condensador, onde o calor é retirado e se obtém líquido. O líquido é bombeado de volta à caldeira, fechando o ciclo. 5

6 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA Introdução Os principais combustíveis usualmente aplicados nas centrais a vapor são o óleo, o carvão, a biomassa (madeira, bagaço de cana, lixo, etc.) e derivados pesados de petróleo. Os principais combustíveis usados nas máquinas térmicas a gás são o gás natural e o óleo diesel. No caso da central nuclear, o calor para o aquecimento da água não é produzido por processo de combustão, mas sim pela energia gerada pelo processo de fissão nuclear (reação nuclear controlada em cadeia). As centrais a vapor, a gás e nucleares formam os grandes grupos de centrais termelétricas. Em muitas aplicações, centrais térmicas são utilizadas, no sistema de co-geração, para produção conjunta de eletricidade e vapor para uso em processos industriais. 6

7 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA Introdução Na produção exclusiva de energia elétrica, podemos usar como elemento no circuito um vapor ou um gás. Na utilização de vapor, temos as centrais a vapor de condensação, com turbinas a vapor. Na utilização do gás, temos as centrais a gás, com motores a pistão diesel ou turbina a gás. Quando pretende-se produzir energia elétrica e vapor para processo industrial, o elemento utilizado no circuito é a água na forma líquida em parte do circuito e na forma de vapor na outra. Este tipo de utilização (co-geração) faz simultaneamente a geração de energia elétrica e térmica a partir de um único combustível, tais como gás natural, carvão, biomassa ou derivados de petróleo. 7

8 Os principais tipos, esquemas e configurações das centrais térmicas são: Centrais à Diesel, Centrais à Vapor, Centrais à Gás. 8

9 à Diesel Os motores diesel fazem parte de um amplo grupo de máquinas térmicas chamado motores de combustão interna (MCI). Os MCI recebem esta denominação porque a liberação de energia do combustível ocorre em seu interior, como nas turbinas a gás e nos motores de foguete. Em contraste, numa máquina a vapor (turbina a vapor) a combustão se processa fora da máquina. Os MCI foram criados no final do século XIX e tomaram-se populares devido à sua aplicação em automóveis. Com o passar dos anos, os MCI foram se tomando mais confiáveis, passando então a equipar outros meios de transporte como trens, aeronaves e embarcações. No final do século XIX o engenheiro alemão Dr. Rudolf Diesel desenvolveu o motor que levou o seu nome a partir de tentativas mal sucedidas de criar um motor a carvão pulverizado. 9

10 à Diesel Em termos de geração de energia elétrica raramente se utiliza um MCI que não seja diesel. As maiores vantagens dos motores diesel são sua disponibilidade no mercado, a facilidade de manutenção, sua boa eficiência e (no Brasil) o menor custo do combustível relativamente ao álcool e à gasolina. Em geral, o rendimento dos motores estacionários de grande porte é semelhante ao das turbinas a vapor. A utilização mais comum em termos de geração de energia elétrica é em pequenas centrais, com alguns MW, em hospitais, grandes lojas de departamentos, etc., inclusive em esquemas de co geração. Nestes casos, a pequena central diesel serve como central de auto-geração, como central de emergência (em caso de falta de energia) e ainda como central de pico, para evitar a sobre taxação. 10

11 à Diesel Outra utilização das centrais a diesel é a geração de energia elétrica para sistemas isolados, que têm o seu uso disseminado em regiões longínquas sem outra fonte de geração (Região Amazônica). As centrais a diesel apresentam, no entanto, limitações relacionadas com potência, ruído e vibração, além de problemas como dificuldade de aquisição de peças de reposição e seu transporte, assim como, principalmente nos locais distantes, os altos custos de combustível e a emissão de gases poluente. Suas vantagens são a rápida entrada em carga, a simplicidade de operação, compactas e o fácil plano de manutenção. 11

12 à Diesel Figura - MCI a diesel de 2610 HP, 327 rpm (esquerda) e painel de comando (direita acima). Grupo gerador a diesel (direita abaixo). 12

13 à Diesel Diversas classificações são possíveis para os MCI. As principais são: Quanto ao tipo de ignição do combustível Quanto ao ciclo de funcionamento 13

14 à Diesel 1) Quanto ao tipo de ignição do combustível: a) Ignição por centelha: a mistura ar combustível, depois de admitida e comprimida na câmara de combustão, é incendiada por uma centelha produzida pela passagem de corrente elétrica entre dois eletrodos num dispositivo denominado vela de ignição. a) Ignição por compressão: o ar é admitido na câmara de combustão, inicialmente sem o combustível, e depois comprimido. O combustível é então injetado e entra em combustão devido à alta temperatura do ar comprimido. A maior vantagem deste sistema é, talvez, a sua boa eficiência térmica. Outra é a ausência do sistema elétrico necessário à produção da centelha. 14

15 à Diesel 2) Quanto ao ciclo de funcionamento: a) Motores de dois tempos: o ciclo é realizado numa única volta completa do eixo de manivelas (ou virabrequim). O MCI de dois tempos podem ser de ignição por compressão ou por centelha. Em qualquer caso, os dois tempos são: admissão-compressão e expansão-exaustão. b) Motores de quatro tempos: o ciclo é realizado em duas voltas completas do eixo de manivelas. Os MCI de quatro tempos também podem ser de ignição por compressão ou por centelha e os quatro tempos são: admissão, compressão, expansão e exaustão. 15

16 2) Quanto ao ciclo de funcionamento: Centrais Térmicas à Diesel a) Motores de dois tempos: admissão-compressão e expansão-exaustão. Tempo de admissão e compressão (esq) Tempo de expansão e exaustão (dir). 16

17 à Diesel 2) Quanto ao ciclo de funcionamento: b) Motores de quatro tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão. Tempo de admissão (1) Tempo de compressão (2) 17

18 à Diesel 2) Quanto ao ciclo de funcionamento: b) Motores de quatro tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão. Tempo de expansão (3) Tempo de exaustão (4) 18

19 à Vapor As centrais a vapor são aquelas em que a água vaporizada num equipamento denominado gerador de vapor impulsiona uma turbina a vapor. Podem-se classificar as centrais a vapor: Quanto ao uso do vapor Quanto ao número de fluidos de trabalho 19

20 à Vapor 1) Quanto ao uso do vapor: a) Centrais convencionais a vapor: o vapor é utilizado apenas para movimentar a turbina a vapor. b) Centrais de co-geração a vapor: o vapor é utilizado para outras aplicações, dentre as quais pode-se citar processos industriais (aquecimento ou limpeza de peças, catalisação de reações químicas, tingimento de tecidos, etc), preparo de alimentos, acionamento de centrais de ar condicionado, etc. 20

21 à Vapor 2) Quanto ao número de fluidos de trabalho: a) Centrais ciclo simples a vapor: A operação da central se dá com o uso de um só fluido de trabalho, geralmente a água. b) Centrais de ciclo binário a vapor: A central utiliza dois fluidos de trabalho distintos. Isso se deve ao fato da água não ser o fluido de trabalho ideal em todas as circunstâncias, caso em que tornase interessante aproveitar as características de outro fluido. O ciclo binário causa o aumento de potência específica da máquina, ou seja, redução do volume e preço da máquina para igual potência, aumento do rendimento do ciclo teórico, segurança (em circuitos com energia nuclear). 21

22 à Vapor 2) Quanto ao número de fluidos de trabalho: b) Centrais de ciclo binário a vapor: Nestas usinas a energia utilizada é resultante da queima de um combustível fóssil, como carvão, óleo ou gás. O calor gerado por esta queima transforma a água em vapor na gerador de vapor. Este vapor, a alta pressão, é utilizado para girar a turbina, que por sua vez, aciona o gerador elétrico. Por fim, o vapor, que após passar na turbina ainda tem uma temperatura alta, é condensado, transferindo o restante de sua energia térmica para um circuito independente e isolado de resfriamento. Em seguida a água é bombeada para a caldeira, completando o ciclo. Estas usinas operam com eficiência entre 30 e 42%. Há a flexibilidade em relação ao tipo de combustível utilizado (pode ser trocado, com adaptações). Na conversão de calor em energia o rendimento para a potência de saída é de aproximadamente 25% a 40%. 22

23 à Vapor 2) Quanto ao número de fluidos de trabalho: b) Centrais de ciclo binário a vapor: Diagrama esquemático de uma central termelétrica a vapor - A localização deve ser próxima a lagos, rios e mar, pois esta necessita de muita água em seu funcionamento para ser utilizado no condensador. 23

24 3) Principais partes constituintes: Centrais Térmicas à Vapor Assim como as centrais hidrelétricas, as centrais a vapor são sistemas de conversão de energia altamente complexos. É possível, entretanto, distinguir alguns constituintes principais que estão presentes na maioria das centrais. São eles: a) Gerador de vapor: São os equipamentos responsáveis pelo processo de mudança de fase da água de líquido para vapor. Eles são construídos de forma a melhor aproveitar a energia liberada na queima do combustível. b) Turbina a vapor: As turbinas a vapor são as máquinas responsáveis pela transformação da energia contida no vapor (pressão, térmica e cinética) em trabalho mecânico de rotação de um eixo que acionara o gerador elétrico. c) Condensador: É um dispositivo trocador de calor, no qual o vapor proveniente da turbina é resfriado por um fluido de refrigeração, retornando à fase líquida, estado no qual ele pode ser bombeado de volta para o gerador de vapor com facilidade. 24

25 3) Principais partes constituintes: Centrais Térmicas à Vapor d) Acessórios: Alguns são fundamentais na operação de uma central a vapor. Pode-se citar: As tubulações conduzem o fluido de trabalho entre os diversos componentes da central. Os purgadores são válvulas que permitem retirar o fluido condensado, ocasionalmente formado na linha de vapor. As bombas transferem energia ao fluido de trabalho, sob forma de pressão e cinética, com o objetivo de transportá-lo, vencendo os gradientes de pressão e as perdas de carga do sistema. As válvulas podem ser de mais de um tipo. As redutoras e controladoras de pressão mantém a pressão de saída do vapor constante num nível determinado. As controladoras de temperatura elementos sensores de temperatura e são projetadas para atuar sobre o gerador de vapor em caso de necessidade. Os filtros são dispositivos cujo objetivo é o de reter as partículas sólidas existentes. O isolamento térmico é composto por materiais de revestimento aplicados nas linhas de tubulações e demais componentes com o objetivo de reduzir as perdas de calor para o ambiente. 25

26 à Vapor 4) As desvantagens das centrais térmicas à Vapor são: Riscos de vazamento, com ou sem incêndio e explosão; Riscos de choques térmicos na água de refrigeração devolvida para os rios, lagos ou litorais vizinhos às usinas; Ruídos e vibrações; Alterações atmosféricas e climáticas: Fuligens, fumaças (eventualmente contendo óxidos ou sulfetos metálicos); Gases carbônicos (CO e CO2); Gases nitrogenados (NOx, dando origem a oxidantes foto-químicos, como o ozônio, a acidez atmosférica e a precipitação de nitratos no solo e nas águas); Gases sulfurosos (SOx, dando origem a acidez e a precipitação de sulfatos e sulfetos) e materiais residuais sólidos. 26

27 à Gás Nas centrais a gás, uma turbina a gás é impulsionada pelos gases provenientes da queima de um combustível. Essas centrais podem ter ciclo simples utilizando apenas uma turbina a gás, ou, apresentar um ciclo combinado, o qual utiliza uma turbina a gás e uma turbina a vapor funcionando em conjunto, sendo os gases de exaustão da turbina a gás, aproveitados para gerar vapor para a turbina a vapor. Estas usam máquinas de combustão interna. Necessitam de um combustível de qualidade, por exemplo: gás natural e há uma menor relação peso por potência (kg/kw) - menor relação espaço ocupado por potência (m3/kw). 27

28 à Gás A figura a seguir mostra um diagrama esquemático de uma central térmica a gás. Diagrama de uma central termelétrica a gás 28

29 à Gás Nestas centrais, os gases resultantes da queima do combustível fóssil, como o óleo diesel ou gás natural, aciona diretamente uma turbina a gás, que está acoplada a um gerador. O calor liberado pela queima do combustível é transformado em potência mecânica na turbina que é transformada em potência elétrica no gerador. Após passar na turbina os gases tem ainda um grande conteúdo de energia a temperaturas relativamente altas. Os componentes essenciais de uma central a gás são: Compressor Câmara de combustão Turbina 29

30 à Gás Compressor: Sua função é aumentar a massa específica do ar encaminhando para a câmara de combustão. Compressor de uma turbina a gás. 30

31 à Gás Câmara de combustão: É o espaço físico da turbina a gás no qual a mistura ar-combustível é injetada e onde será processada a combustão. Câmara de combustão de uma turbina a gás. 31

32 à Gás Turbina: É responsável por retirar energia dos gases de combustão e entregar trabalho mecânico de rotação ao eixo de saída. Turbina a gás. 32

33 à Gás Turbina: A turbina a gás atinge eficiências termodinâmicas bem mais elevadas porque o pico do ciclo de temperatura das turbinas modernas a gás (aproximadamente 12000C) é bem mais elevado do que o das turbinas a vapor (aproximadamente 5400C). A eficiência global do ciclo termodinâmico das turbinas a gás modernas varia de 35 a 42%, enquanto que o das turbinas a vapor varia de 30 a 40%, dependendo do combustível utilizado. 33

34 à Gás Turbina: Uma vantagem termodinâmica inerente às turbinas a gás é aproveitar o calor de escape para, por exemplo, produzir vapor numa caldeira de recuperação, que pode ser usada em processos industriais numa configuração de co-geração ou no Ciclo Combinado que é a geração de energia elétrica, através de um processo que combina a operação de uma turbina à gás com uma turbina a vapor, ambas diretamente acopladas a um gerador. Os gases de escape da turbina a gás, devido à alta temperatura, promovem a transformação da água em vapor para o acionamento de uma turbina a vapor, nas mesmas condições descritas no processo de operação de uma termelétrica convencional. 34

35 à Gás A figura a seguir mostra o diagrama de uma central térmica a gás com ciclo combinado. Diagrama de uma central termelétrica a gás com ciclo combinado 35

36 à Gás São menos Poluente que as demais usinas a vapor, possuem uma rápida disseminação, a combustão é livre da emissão de SOx (gás que contribui para a chuva ácida) e com a menor taxa de emissão de NOx (gás que ataca a camada de ozônio) entre os combustíveis. Esta elimina o tratamento de efluentes dos produtos da queima. Porém possuem os riscos para a biodiversidade dos locais cortados pelos gasodutos e também riscos de incêndio e explosão em caso de vazamentos. 36