Universidade do Vale do Rio dos Sinos PPGEM Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica SIMULAÇÃO DE CICLO TÉRMICO COM DUAS CALDEIRAS EM PARALELO: COMBUSTÃO EM GRELHA E EM LEITO FLUIDIZADO Herson Vargas da Costa Orientadora: Profa. Dra. Maria Luiza Sperb Indrusiak Co-orientador: Prof. Dr. Paulo Roberto Wander São Leopoldo, Agosto de 2011.
RESUMO: Neste trabalho foram realizadas simulações matemáticas de um processo real, com caldeira queimando carvão em grelha. Os dados experimentais foram obtidos na planta, de propriedade da Eletrobrás (CGTEE). O software IPSE-Pro, foi aplicado na simulação matemática, considerando variáveis importantes na análise de sistemas de energia térmica, tais como a eficiência térmica do ciclo, potência disponível no eixo, condição do vapor na saída da turbina, vazão mássica, potência da bomba, calor trocado no gerador de vapor e condensador, etc.
INTRODUÇÃO: O presente trabalho é parte de um projeto que tem como objetivos: - Realizar um estudo em uma usina termelétrica existente em São Jerônimo, RS, aplicando uma ferramenta computacional específica para simular, inicialmente, o sistema original, com o ciclo de vapor operando com uma caldeira de combustão em grelha e, em uma segunda etapa, funcionando com dois geradores de vapor em paralelo, sendo o segundo de leito fluidizado. - Avaliar o desempenho da planta em várias condições reais de operação.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA: Existem diversos sistemas conhecidos e em uso atualmente para conversão de calor em trabalho, através de um ciclo termodinâmico. Dentre eles, o mais comum é o ciclo a vapor ou ciclo Rankine. Seus componentes básicos são:
CICLO RANKINE: Os processos mostrados no diagrama T-s são idealizações dos processos reais. Assim, o bombeamento da água (1 a 2) é modelado como um processo de compressão reversível e adiabático. O mesmo acontece com a expansão na turbina (3 a 4). Estes processos são mostrados no diagrama T-s como linhas verticais, ou seja, processos isoentrópicos. o gerador de vapor, onde a água é aquecida pela combustão dos gases a alta temperatura (2 a 3), é modelado como um processo reversível a pressão constante. O mesmo ocorre com o condensador, onde calor é transferido do fluído para as vizinhanças (4 a 1).
O rendimento térmico do ciclo η é dado pela seguinte expressão: O rendimento depende das temperaturas médias nas quais o calor é fornecido na caldeira e rejeitado no condensador. Diagrama T - s
O rendimento térmico do ciclo O rendimento depende das temperaturas médias nas quais o calor é fornecido na caldeira e rejeitado no condensador: Se aumentarmos a temperatura média da caldeira, o rendimento do ciclo aumentará. Se diminuirmos a temperatura de condensação, o rendimento do ciclo também aumentará.
Modelagem dos componentes do ciclo Bomba; A modelagem matemática dos componentes do ciclo termodinâmico é a etapa inicial imprescindível para a simulação do processo. Condensador; Gerador de Vapor; Turbina a vapor; Tubulações; Regeneradores;
Bombas: Para a hipótese de uma bomba adiabática trabalhando em regime permanente: considerando desprezíveis as variações de energia cinética e potencial do sistema; resulta da primeira lei da termodinâmica a seguinte expressão: W b m h 1 h 2 Onde: W b é o trabalho realizado pela bomba, m é a vazão em massa do fluido bombeado e h 1 e h 2 são as entalpias especificas na entrada e saída da bomba.
Bombas: As relações matemáticas dos parâmetros de desempenho das bombas podem ser obtidas através do ajuste de curvas dos dados fornecidos pelos fabricantes. Desta forma, equações de pressão x vazão para bombas podem ser modeladas por uma equação quadrática com o seguinte formato: H H RQ SQ 2 0 Onde: líquido, H é a pressão na saída da bomba, expressa como altura de elevação do H 0 é a pressão de elevação do líquido com vazão nula; Q é a vazão em volume do líquido e R e S são os parâmetros da equação, característicos de cada bomba.
Condensador O condensador é modelado pela hipótese da transferência de calor ser expressa por dois volumes de controle, sendo um no lado do condensado (fluido de trabalho) e o outro no lado do refrigerante (água de resfriamento). Sendo assim, as expressões correspondentes são dadas, respectivamente, por: Q Q c ref mh 4 h 1 mc T T p ref refo refi Pela conservação da energia: Q c Q ref Q Onde: Q c é o calor cedido pelo ciclo de Rankine no condensador, h 4 e h 1 são as entalpias do fluido na entrada e na saída do condensador, respectivamente, Q ref é o calor recebido pelo circuito do refrigerante que circula no condensador, para as temperaturas respectivas de entrada e saída T refi e T refo.
Condensador A equação base de projeto para um trocador de calor (condensador) em termos de quantidades médias é: Q UA T ml Onde: Q é o calor trocado no condensador, U é o coeficiente global de transferência de calor, A é a área total de troca térmica e T ml é a diferença de temperatura média logarítmica dada pela equação: T ml T refo T ln T c c T T T refi refi refo onde T c é a temperatura do vapor saturado no condensador.
Gerador de Vapor No presente projeto, o gerador de vapor utiliza carvão. Para o equacionamento do gerador de vapor no desenvolvimento da simulação e modelagem matemática, considera-se a transferência de calor Q H, para o fluido em uma única representação: Q H m( h 3 cal h 2 ) Onde: h 2 é a entalpia do vapor na entrada do gerador de vapor, h 3 é a entalpia do vapor na saída do gerador de vapor e cal é a eficiência do gerador de vapor. QH é o calor gerado na caldeira, pela combustão do carvão.
Regeneradores Calor é transferido para a água de alimentação do gerador de vapor através do processo de transformação do vapor extraído da turbina em líquido saturado que passa por seus tubos interno. Este calor pode ser calculado de acordo a primeira lei da Termodinâmica: Q R m h vs h l Onde: é a parcela da vazão total de vapor extraída da turbina; h vs é a entalpia do vapor extraído que entra no regenerador e h l é a entalpia da água condensada (ou sub-resfriada) que é retirada pelo purgador. O calor recebido no regenerador é dado por: Q R m p c p T T m h h o i p o i
Tubulação A expressão geral de perda de carga para qualquer fluido, proposta por Darcy e Weisbach, é: H f L D 2 V 2g A perda de carga, também é dada, em termos de vazão em volume, por: 2 LQ 8 H f 5 2 D g Para a simulação de sistemas, é conveniente representar a perda de carga em tubulações por uma equação, como a proposta por Haaland: f 6 9 0 7817., ln Re 3, 7 1. 11 Onde: é a rugosidade relativa da parede interna do tubo; Re é o número de Reynolds do escoamento interno. 2
Turbina Transformação de energia térmica em energia mecânica; Hipótese da turbina a vapor: considera uma vazão inicial de vapor na entrada da turbina igual à vazão de sua saída; considerando desprezíveis as variações de energia cinética e potencial; resultada primeira lei da termodinâmica a seguinte expressão: W m h 3 h 4 Onde: W turb é a potência da turbina, m é a vazão em massa do fluido bombeado e h 3 e h 4 são as entalpias especificas na entrada e saída da turbina.
Informações gerais sobre IPSE-pro A simulação de um sistema consiste em observar e resolver um sistema sintético, formado por um conjunto de equações algébricas, lineares ou não, que imita o desempenho do sistema real (Stoecker, 1989). A simulação de sistemas é utilizada para se avaliar condições tais como operação em carga parcial, operação com modificações no processo e identificar possíveis gargalos na operação. Há vários aplicativos comerciais para a simulação; O IPSE-pro, desenvolvido pela empresa SIMTECH. Dois módulos principais: MDK (Model Development Kit) ; e PSE (Process Simlulation Enviroment).
Informações gerais sobre IPSE-pro linguagem de programação visual; apresenta estrutura para a composição de componentes (bombas, caldeiras, condensadores, turbinas e outros equipamentos) disponíveis em uma biblioteca; Estes componentes são arrastados para área de projeto onde são interligados.
Informações gerais sobre IPSE-pro
RESULTADOS PRELIMINARES A primeira etapa do projeto consistiu no levantamento de campo dos dados reais da planta e da simulação de um ciclo térmico bastante simplificado, em que não se considerou os regeneradores. Foi simulado o ciclo original com a caldeira de combustão em grelha. Também foi realizada uma primeira tentativa de simular as duas caldeiras em paralelo.
Simulação (dados reais) data:01/jan./2011 Simulação preliminar do ciclo térmico com uma caldeira
Simulação (dados reais) data:01/jan./2011 Simulação preliminar do ciclo térmico com duas caldeiras em paralelo
Dados da planta obtidos da planilha de operação Potência do gerador 7,2 MW Temperatura de entrada no condensador 48,8 ºC Temperatura de saída no condensador (com sub-resfriamento) 45 ºC Temperatura de entrada da água de resfriamento 27 ºC Temperatura de saída da água de resfriamento 35 ºC Pressão do vapor na saída da caldeira 18 bar Temperatura do vapor na saída da caldeira 376 ºC Eficiência térmica do ciclo (uma caldeira) 12,5 % Eficiência térmica do ciclo (duas caldeiras em paralelo) 12,6 %
Resultados da simulação Vazão de vapor Vazão de água de resfriamento Potência de bombeamento (usando uma caldeira) Potência de bombeamento (usando duas caldeiras em paralelo) 10,04 kg/s 674,8 kg/s 35,46 kw (estimando eficiência de 80 %) 41,23 kw (estimando eficiência de 80 %) Os resultados apresentados são coerentes com os valores encontrados na prática para usinas deste tipo, considerando que o projeto é de 1951 e as condições de operação estão fora dos padrões atuais.
Conclusões parciais Este trabalho encontra-se em desenvolvimento. Com base na simulação atual, espera-se poder avaliar possíveis ganhos de eficiência a partir de alterações nas condições de operação e substituição de alguns componentes do ciclo. As extrações de vapor da turbina para aquecimento da água de alimentação (regeneradores) deverão ser incluídas na simulação. O próximo passo será o acréscimo, ao modelo de simulação, dos dados reais de caldeira experimental leito fluidizado, que opera em paralelo com a caldeira principal do ciclo, e avaliação dos rendimentos com parâmetros operacionais nestas condições.
AGRADECIMENTOS Agradeço a bolsa de estudos à Rede Carvão e ao CNPq. A todos que de uma forma ou outra contribuíram para o trabalho de pesquisa. Obrigado a todos pela atenção!