Geração de Energia Elétrica Geração Termoelétrica a Gás Joinville, 02 de Maio de 2012
Escopo dos Tópicos Abordados Conceitos básicos de termodinâmica; Centrais Térmicas a Gás: Descrição de Componentes (Compressor+Turbina); Algumas partes extraídas de: Dissertação de mestrado Leonardo V. Gomes - Itajubá 2003. 2
Histórico: Hero de Alexandria 50 a 75 dc; Leonardo da Vinci (livro publicado em 1648) cata-vento montado em um eixo instalado no interior de uma chaminé, o qual através de um conjunto de engrenagens, permitia girar um espeto em uma churrasqueira. 3
Apesar de diversos trabalhos, e do estabelecimento das leis da termodinâmica por Carnot, Gibbs e Maxwell em meados do século XIX, a primeira turbina a gás a gerar potência foi desenvolvida no começo do século XX, após o desenvolvimento dos compressores multi-estágios: rendimento da turbina não ultrapassava 3%. No final da década de 30, eram fabricadas turbinas a gás de 2000 kw; Surgiu a primeira patente utilizando a turbinas a gás para propulsão de aviões, ou seja, a jato reação; 4
O uso mais importante das turbinas a gás tem sido na aviação praticamente todos os aviões, com exceção dos menores. Nos anos 40 quando a turbina térmica a gás foi introduzida para a geração de energia elétrica foi considerada uma revolução nos processos de geração de energia utilizando combustíveis fósseis; Desde então, o progresso das turbinas a gás tem sido enorme, existindo hoje turbinas que vão desde 0,2 a 350 MW. Próximo a 1990, as turbinas a gás passaram a ser responsáveis por uma boa parte da geração de eletricidade das novas usinas térmicas, devido ao seu uso5 no ciclo combinado.
Outros fatos que ajudaram na popularização da turbina a gás para geração de energia foram o desenvolvimento na aerodinâmica dos compressores e o aumento da temperatura máxima do ciclo devido ao aumento da suportabilidade térmica de materiais. Gás natural; Óleo combustível; Combustíveis utilizados: Estão (estavam?) sendo feitas pesquisas para fazer com que o carvão mineral torne-se um combustível viável pode ser utilizado como combustível. 6
As turbinas a gás estão associadas ao ciclo Brayton; As Turbinas a gás possuem 3 partes componentes principais: Um compressor de gás; Uma câmara de combustão ou queimador; Uma turbina O fluido de trabalho é comprimido pelo compressor. Em seguida o fluido de trabalho entra na câmara de combustão e recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura e consequentemente, sua energia interna. Na turbina o fluido é expandido fornecendo potência para acionamento do compressor e potência útil. 7
Esquemas termodinâmicos de ciclo Brayton para Turbinas a gás: Pode ser subdividido em dois: 8
Esquemas termodinâmicos de ciclo Brayton para Turbinas a gás: Ciclo aberto: Geração de energia elétrica; Propulsão aérea e marítima. Ciclo fechado: QH vem de um reator refrigerado por gás; Exemplo: geração de energia elétrica no espaço; 9
Resumo do ciclo Brayton: O fluido de trabalho é comprimido pelo compressor; Em seguida o fluido de trabalho entra na câmara de combustão e recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura e consequentemente, sua energia interna; Na turbina o fluido é expandido fornecendo potência para acionamento do compressor e potência útil. 10
Ciclo Brayton ideal: Processo isentrópico - Ar a temperatura ambiente é injetado no compressor, onde é pressurizado; Processo isobárico - O ar comprimido vai para a câmara de combustão, onde o combustível é queimado, aquecendo este ar um processo a pressão constante; Processo isentrópico O ar aquecido e pressurizado se expande na turbina produzindo trabalho. Parte deste trabalho é usada para acionar o compressor e o restante para gerar eletricidade (gerador); Processo isobárico Rejeição de calor (na atmosfera). Ciclo Brayton real : Processo adiabático - Compressão; Processo isobárico Adição de calor; Processo adiabático Expansão; Processo isobárico - Rejeição de calor (na atmosfera). 11
Rendimento do ciclo Brayton ideal: η Brayton T T 1 atmosferica P 1 = 1 = 1 = 1 T2 Tsaida compressor P2 Onde gama é a relação da capacidade de calor ( γ 1) γ 12
Rendimento do ciclo Brayton aumenta com a relação de pressão: 13
A potência específica do ciclo Brayton aumenta com a temperatura na entrada da turbina 14
Configurações de turbinas a gás: Heavy-Duty: configuração é muito utilizada em operação que exige velocidade e carregamento constante, como é o caso da geração elétrica (também utilizada em propulsão naval); São robustas; Flexíveis quanto ao uso de combustível; Possuem alta confiabilidade, rendimento e custo menores que as aeroderivastivas; São turbinas a gás de ciclo simples de um eixo, um compressor (a maioria axial), uma câmara de combustão (usualmente externa ao corpo da máquina) e uma turbina (a maioria axial); A razão (relação) de pressão pode variar de 5:1 a 15:1; A temperatura máxima pode chegar até 1290ºC em algumas unidades 15
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Alstom GT8C 16
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: GT11E da ABB 17
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Sistema de entrada de ar 18
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Compressor axial 19
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Compressor axial e radial Compressor axial. Compressor radial. 20
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Câmara de combustão 21
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Turbina 22
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Câmara de combustão Turbina Gerador Compressor 23
Turbinas a gás tipo Heavy-Duty diagrama funcional: 24