TGM TURBINAS TECNOLOGIA E SOLUÇÕES PARA MELHOR EFICIÊNCIA NA GERAÇÃO DE ENERGIA CICLO A VAPOR COM AQUECIMENTO REGENERATIVO Novembro de 2012
PROGRAMA Introdução Ciclo a Vapor Cálculo de Combustível Histórico, níveis de operação de caldeiras/turbinas Ganhos energéticos / Consumo específico Ciclo a Vapor com regeneração de calor Comparação entre Ciclo Convencional x Ciclo Regenerativo Conclusões
Introdução
UNIDADES TGM Área Total : 82.000 m 2 Introdução
Matriz Energética Brasileira x potencia instalada TGM 6.648 MW Matriz gera 116.600 MW Biomassa gera 8.162 MW TURBINAS TGM GERAM 5.850 MW DE ENERGIA NO BRASIL, QUE REPRESENTAM: 89% DA ENERGIA POR BAGAÇO DE CANA(6.648 MW) 72% DA ENERGIA POR BIOMASSA (8.162) 5% DA POTÊNCIA INSTALADA DO BRASIL(116.600 MW)
Ciclo a Vapor Rankine
Ciclo Rankine O ciclo Rankine descreve a operação de turbinas a vapor comumente encontradas nas usinas para produção de energia. Existem quatro fases em um ciclo Rankine: Fase 1-2 Compressão: o fluido é bombeado de uma pressão baixa para uma pressão alta utilizando-se uma bomba. O bombeamento requer algum tipo de energia para se realizar. Fase 2-3 Transferência de calor isobárica: o fluido pressurizado entra numa caldeira, onde é aquecido a pressão constante até se tornar vapor superaquecido. Fase 3-4 Expansão: o vapor superaquecido expande através de uma turbina para gerar trabalho. Idealmente, esta expansão é isoentrópica. Com esta expansão, tanto a pressão quanto a temperatura se reduzem. Fase 4-1 Transferência de calor: 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.
Ciclo Rankine
Cálculo de Consumo de Combustível
Cálculo de Consumo de Combustível CC = Fluxo de vapor x (Entalpia T(água entrada)) Sendo: PCI x eficiência da caldeira Fluxo de vapor desejado; Entalpia do vapor de saída da caldeira (Mollier); Temperatura da água na entrada da caldeira; PCI=Poder calorífico inferior do combustível; Eficiência da Caldeira.
NÍVEIS DE OPERAÇÃO EM TURBINAS
Níveis de Operação Ganho Energético com o aumento da Pressão e Temperatura do vapor - Condensação valores ideais. 140kgf/cm 2 540 C 100 kgf/cm 2 530 C 30 kj/kg 81 kgf/cm 2 510 C 39 kj/kg 65 kgf/cm 2 485 C 82 kj/kg 130 kj/kg 42kgf/cm 2 420 C 170 kj/kg 21kgf/cm 2 300 C 705 kj/kg 6,743 kj/kg ºC 0,10 bar(a) ~ 45,8 C
Níveis de Operação 7 Consumo Específico - Turbina de Condensação 6 5,9 5 Kg vapor/kwh 4 3 4 3,67 3,45 3,34 3,25 2 1 0 21/300 42/420 65/485 81/510 100/530 140/540
CICLO A VAPOR RANKINE COM AQUECIMENTO REGENERATIVO
Ciclo Rankine Regenerativo É caracterizada pelo pré-aquecimento do condensado antes de entrar na caldeira; O Ciclo Rankine Regenerativo é nomeado desta forma devido ao fato do fluido(água) ser reaquecido após sair do condensador até a entrada na caldeira, aproveitando parte do calor contido no fluido(vapor) liberado pela turbina. Isto aumenta a temperatura média do fluido em circulação, o que aumenta a eficiência termodinâmica do ciclo.
Ciclo Regenerativo
Ciclo Regenerativo
Ciclo Regenerativo
Equipamentos - Caldeira Ciclo Rankine Ciclo Rankine Regenerativo 160 C - Temperatura gases de saída Temperatura água de 115 C alimentação Economizador 160 C - Temperatura gases de saída Vapor 21 Kgf/cm² / Temp. 373 C 195 C 115 C Temperatura água de alimentação Economizador Água 21 Kgf/cm² / Temp. 373 C 30 C Temperatura do ar na entrada do Pré-Ar 105 C Vapor 1,5 Kgf/cm² / Temp.127 C 30 C Temperatura do ar na entrada do Pré-Ar Água 1,5 Kgf/cm² / Temp. 127 C Eficiência da Caldeira = 87,9% Eficiência da Caldeira = 87,9% Em geral nossas caldeiras já são dimensionados para receber a água de alimentação a temperatura em torno de 110 C a 120 C. * Entretanto nos ciclo de condensação a temperatura do condensado gira em torno de 45 a 50 C *.
Mesmo aumentando a relação vapor/combustível, a eficiência da caldeira praticamente não se altera. Isso ocorre pelo fato de: Ƞcaldeira = 100 (q2+q3+q4+q5+q6+q7) onde, q = perda de calor q2: pelos gases de exaustão q3: por combustão química incompleta q4: por combustão mecânica incompleta q5: pelas superfícies de radiação e convecção q6: devido as cinzas q7: pelas sangrias das caldeira
Ciclo Rankine Regenerativo Consumo de Combustível Produção 250 t/h de vapor Considerando uma Caldeira 68 kgf/cm² - 520 C» Relação Temperatura da Água de Alimentação e do Ar 114,0 112,0 112,1 Consumo de Bagaço - t/h 110,0 108,0 106,0 104,0 102,0 100,0 98,0 110,1 108,2 106,4 104,2 102,5 101,2 100,4 Consumo de Bagaço (t/h) 96,0 94,0 115/30 145/60 160/75 165/85 170/95 180/100 185/104 195/105 Temperratura da Água de Alimentação / Ar
Equipamentos - Turbina Vazão de Vapor 161,0 t/h Ciclo Rankine Geração de Energia 46 MWh Ciclo Rankine Regenerativo Vazão de Vapor 170,0 t/h Geração de Energia 46,0 MWh Temperatura água de alimentação Economizador 115 C Temperatura água de alimentação Economizador 160 C Eficiência da Turbina = 87,7 % Eficiência da Turbina = 86,9% Com ciclo regenerativo, se mantivermos a mesma quantidade de combustível, podemos gerar até 7% a mais em energia elétrica.
Dados correspondentes a uma instalação: p o = 120 Bar(a), t o = 535 o C e p cond = 0,10 Bar(a)
Usina Convencional Ciclo Rankine 160 C Temperatura gases de saída Vazão de Vapor 154,7 t/h Geração de Energia 46 MWh Bagaço 70,1 t/h 115 C Temperatura água de alimentação 30 C Temperatura do ar na entrada do Pré-Ar Rendimento do Ciclo = 28,48%
Usina Eficiente Ciclo Rankine Regenerativo 160 C Temperatura gases de saída Vazão de Vapor 166,9 t/h Geração de Energia 46 MWh Bagaço 67,0 t/h Temperatura água de alimentação Economizador 195 C 127 C 105 C 90 C Temperatura do ar na entrada do Pré-Ar 30 C Rendimento do Ciclo = 30,02%
CONCLUSÕES
CONCLUSÕES Tecnicamente, quanto maior o nível de pressão e temperatura do vapor, mais eficiente será o ciclo; Há uma busca cada vez maior por eficiência energética, para aproveitar ao máximo a energia disponível; Não existe uma fórmula padrão, apenas com analises detalhadas é que se pode determinar a melhor solução para cada projeto.
CONCLUSÕES A TGM possui uma equipe de Engenharia de Aplicação treinada para realizar estudos detalhados para definição da melhor solução para geração de energia elétrica.
Eng José Tércio Sabia Jr. jose.tercio@tgmturbinas.com.br (16) 9248-3996 Rod. Armando de Salles Oliveira, Km 4,8 - Dist.Ind. CEP: 14175-000 - Sertãozinho - SP - Brasil Tel.: 16 2105-2600 Fax: 16 3945-8276 www.grupotgm.com.br