GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA DE ELÉTRICA

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1 Universidade do Estado de Mato Grosso Campus Sinop Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA DE ELÉTRICA ROGÉRIO LÚCIO LIMA Sinop Outubro de 2016

2 Principais componentes das centrais termoelétricas Define-se central termoelétrica como o tipo de central geradora que utiliza uma máquina térmica (MT) para geração de energia elétrica. Combustão reação química que ocorre entre duas substâncias, uma denominada combustível e outra oxidante, com liberação da energia do processo. A combustão é semelhante à reação de oxi-redução, mas difere desta pela alta velocidade. Os combustíveis fósseis mais usados são: o carvão mineral, os derivados do petróleo (óleos combustíveis, gasolina, diesel, o gás liquefeito de petróleo (GLP)), o xisto e seus derivados e o gás natural. Ainda são utilizados os derivados da biomassa: a madeira, carvão vegetal, bagaço da cana e outros resíduos agrícolas. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 2

3 Descrição e classificações Há diversos critérios segundo os quais as centrais termoelétricas podem ser classificadas. Algumas classificações possíveis são as seguintes: Quanto ao tempo de esgotamento da fonte; Quanto à duração do ciclo de renovação da fonte de energia; Quanto ao tipo de máquina elétrica; Quanto ao tipo de turbina utilizada; Quanto ao uso do vapor; Quanto ao número de fluidos de trabalho. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 3

4 1ª Classificação: quanto ao tempo de esgotamento da fonte: Centrais que utilizam fontes inesgotáveis; Centrais que que utilizam fontes esgotáveis; 2ª Classificação: quanto à duração do ciclo de renovação da fonte de energia: Centrais que utilizam fontes renováveis; Centrais que utilizam fontes não renováveis; 3ª Classificação: quanto ao tipo de máquina térmica: Centrais a vapor; Centrais a gás; Centrais a diesel. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 4

5 As centrais a vapor são aquelas em que a água vaporizada num equipamento denominado gerador de vapor impulsiona uma TV. Nas centrais a gás, uma turbina é impulsionada pelos gases provenientes da queima combustível. Nas centrais a diesel, o gerador é diretamente acionado por um MCI movido a óleo diesel. Em centrais de pequena potência ou de emergência, é possível encontrar MCI movidos a álcool, gasolina, GLP, gás de biomassa, etc. Os componentes das centrais variam bastante dependendo do tipo de central. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 5

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7 4ª Classificação: quanto ao tipo de turbinas utilizadas Centrais de ciclo simples; Centrais de ciclo combinado; As centrais de ciclo simples utilizam uma TV ou uma TG. As centrais de ciclo combinado utilizam uma TV e uma TG funcionando em conjunto, sendo os gases de exaustão da TG aproveitados para gerar vapor para a TV. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 7

8 4ª Classificação: quanto ao tipo de turbinas utilizadas Centrais de ciclo combinado; Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 8

9 5ª Classificação: quanto ao uso do vapor Centrais convencionais a vapor; Centrais de cogeração a vapor; Nas centrais convencionais, vapor é utilizado apenas para movimentar a TV. Nas centrais de cogeração, ele é utilizado para outras aplicações, dentre a quais pode-se citar processos industriais (aquecimento ou limpeza de peças, catalisações de reações químicas, tingimento de tecidos, etc), lavagem e secamento de roupas, acionamento de centrais de ar condicionado. Esta classificação não é exclusivas das centrais a vapor. É possível utilizar uma TG num ciclo de cogeração, extraindo parte do gás para gerar vapor de processo. Uma aplicação típica das centrais de cogeração é em hospitais de grande porte. A energia elétrica gerada torna a unidade independente da rede nacional, enquanto o vapor é utilizado na lavanderia, na cozinha e na limpeza. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 9

10 6ª Classificação: quanto ao número de fluídos. Centrais convencionais a vapor; Centrais de ciclo binário a vapor; As centrais de ciclo binário a vapor utilizam dois fluidos de trabalho distintos. Isso se deve ao fato da água não ser o fluido ideal em todas as circunstâncias, caso em que torna-se interessante aproveitar as características de outro fluido. Exemplo: Centrais nucleares. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 10

11 Partes componentes de uma central a vapor 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: Gerador de vapor; Turbina a vapor; Condensador; Acessórios. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 11

12 Geradores a vapor Os geradores de vapor (GV) são os equipamentos responsáveis pelo processo de mudança de fase da água de liquido para vapor, para atender às demandas industriais. Sua estrutura é bastante complexa e diversificada, em nível geral, os GV classificam-se em três tipos: Aquotubulares; Famotubulares; Elétricos. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 12

13 Os GVs aquatubolares tem uso abrangente, sendo encontrados desde pequenas fábricas até em grandes centrais termoelétricas. Nelas, a água a ser vaporizada circula por dentro de tubos. Frequentemente eles são utilizados em centrais equipadas com economizadores e superaquecedores. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 13

14 Os GVs flamotubulares têm uso limitado a instalações de pequeno porte, com pressões de 1,5 MPa (aproximadamente 15 atm) e vazão inferior a 15 ton/h de vapor saturado. No GV deste tipo, os gases da combustão é que circulam por dentro dos tubos. Sua aplicação é restrita a operações que exijam apenas vapor saturado e elas raramente são usadas para geração de energia elétrica Os GV aquotubulares são constituídos pelos seguintes componentes: Fornalha ou câmara de combustão; Caldeira; Superaquecedor; Economizador; Aquecedor de ar. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 14

15 Turbinas a vapor As TV são máquinas responsáveis pela transformação de energia contida no vapor (pressão, térmica e cinética) em trabalho mecânico de rotação de um eixo que acionará o gerador elétrico. Diversas são as classificações possíveis para as TV. Alguns critérios de classificação habitualmente encontrados na literatura são as seguintes: Quanto ao principio de funcionamento; Quanto ao numero de estágio; Quanto a pressão de saída do vapor; Quanto à extração de vapor. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 15

16 1ª Classificação: quanto ao número estágios: TV de simples estágio; TV de múltiplos estágios. As TVs de simples estágio são compostas apenas por um rotor e um sistema diretor, como as THs. O sistema diretor é um conjunto de pás fixas, nominalmente denominadas pás, sendo o conjunto denominado roda fixa ou bocal injetor. O rotor é um conjunto de pás moveis normalmente denominada palhetas, cujo conjunto é denominado roda móvel. As TVs de múltiplo estágios, são compostas por mais de um conjunto de rotor e sistema diretor Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 16

17 TV de múltiplos estágios Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 17

18 2º Classificação: quanto ao principio de funcionamento. Ação ou impulso; Reação. Nas TV de impulso, toda variação de pressão ocorre na passagem pelo sistema diretor do primeiro estágio, chamado bocal injetor. A subsequente passagem pelos rotores e sistemas diretores dos demais estágios se dá à pressão constante. Nas turbinas de reação, a pressão varia na passagem pelos sistemas diretores e rotores de todos estágios e não há bocal injetor nesse caso. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 18

19 3º Classificação: quanto à pressão de saída do vapor. Turbinas sem condensação; Turbinas de condensação. As turbinas de condensação são aquelas em que o vapor apresenta uma pressão de saída igual à pressão de saturação e até 10% em volume de líquido condensado. Este vapor é diretamente enviado ao condensador. Nas turbinas sem condensação, o vapor sai com pressão mais elevada, portanto sem liquido presente e é utilizado como calor de processo. As TV de condensação são usadas quando o único objetivo da instalação é a geração de energia elétrica. Condensador é um dispositivo trocador de calor, no qual o vapor proveniente da TV é resfriado por um fluido de refrigeração. O fluido de refrigeração é geralmente a água, proveniente de um rio, lago ou do oceano, nas grandes centrais. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 19

20 Acessórios As centrais a vapor são instalações bastante complexas e por isso apresentam um enorme número de acessórios. Alguns são fundamentais à sua operação. Pode-se citar: Tubulações; Purgadores; Bombas; Válvulas; Filtros; Isolamento térmico. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 20

21 Partes componentes de uma central nuclear a vapor Energia nuclear é o tipo de energia contida no núcleo dos átomos, mais especificamente nas interações nucleares. As reações nucleares mais conhecidas são a fissão e a fusão nuclear, em que os núcleos dividem e se agrupam, respectivamente. As centrais a vapor que utilizam a energia nuclear como fonte de aquecimento para o fluido de trabalho, são denominadas centrais nucleares. Elas não são essencialmente diferentes das centrais a vapor convencionais, mas o GV encontra-se integrado ao circuito de resfriamento do reator nuclear, não constituindo um elemento isolado. Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 21

22 Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica EL-SHARKAWI, M. A. Electric Energy An Introduction. Third Edition, CRC Press, Sistema de energia elétrica: análise e operação/ editado por Antonio Gómez-Espósito, Antônio J. Conejo, Cláudio Cañizares; tradução e revisão técnica Antônio Padilha Feltrin, José Roberto Sanches Mantovani, Rubén Romero. Rio de Janeiro: LTC, Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 22