Geração de Energia Elétrica

Geração de Energia Elétrica Geração Termoelétrica a Joinville, 6 de Abril de 202

Escopo dos Tópicos Abordados Ciclos térmicos; Configurações emodelos de Turbinas a : Modelos dinâmicos de turbinas a vapor; Material obtido da Dissertação de mestrado Fernando B Prioste - Itajubá 2005. 2

Segunda Lei da Temodinâmica: Rendimento: O rendimento térmico do ciclo da máquina motora : QH QC QC ηt = = QH QH Q H = calor transferido da fonte quente [ ] J ; Q C = calor transferido da fonte fria [ ] Para um processo reversível: Q Q C H O rendimento do ciclo não pode chegar a 00%, pois violaria o enunciado de Kelvin-Planck. rev T = T C H J ; 3

Segunda Lei da Temodinâmica: Rendimento: O rendimento térmico do ciclo da máquina motora : η t Q Q Q H C = = H Q Q O ciclo de vapor possui um baixo rendimento, que é consequência da segunda lei da termodinâmica; Se a temperatura de saída do vapor pudesse ser reduzida ao zero absoluto (0 Kelvin), poder-se-ia recuperar praticamente toda a energia do vapor, mas infelizmente a temperatura ambiente é por volta dos 300 K; Naturalmente, pode-se chegar a tal resultado através da refrigeração, porém a potência necessária para acionar este hipotético sistema de refrigeração seria superior ao adicional que se ganharia no ciclo, o que não traria no cômputo geral um resultado satisfatório. 4 C H

Ciclos a vapor Ciclo de Carnot: Ciclo de Carnot é um diagrama temperatura entropia que pode ser usado para mensurar a eficiência. Exemplo de um ciclo simples realizado a partir da configuração mais simples que existe: caldeira, turbina, condensador e bomba de condensado; No ciclo de Carnot, as áreas podem ser interpretadas como proporcionais às quantidades de calor transferidas. A área limitada pelos pontos -2-3-4 é proporcional ao calor convertido em trabalho durante o ciclo; A área limitada por a-3-2-b representa o calor rejeitado pelo ciclo; A eficiência do ciclo pode ser expressa pela razão das áreas no diagrama T-S. η = ( T4 T3 )( S2 S3 ) T ( S S ) 4 2 3 5

Ciclos a vapor Ciclo de Rankine: O ciclo de Carnot é um ciclo ideal, já um processo mecânico não ideal apresenta perdas que devem ser representadas em um diagrama de ciclo chamado de ciclo Rankine. Este ciclo é utilizado até hoje e resume as etapas que o fluido de trabalho está sujeito; Somente o ciclo de Rankine ideal é abordado. 6

Ciclos a vapor Ciclo de Rankine: Processo -2: Ocorre expansão isentrópica do fluido de trabalho através da turbina, de vapor saturado no estado até a pressão do condensador; A expansão isentrópica é um processo adiabático ou de entropia constante reversível; Processo 2-3: Transferência de calor do fluido de trabalho, que flui a pressão constante, através do condensador com líquido saturado até o estado 3; Caldeira Turbina 2 4 Condensador 3 Bomba 7

Ciclos a vapor Ciclo de Rankine: Processo 3-4: Ocorre compressão isentrópica na bomba até o estado 4, na região de líquido comprimido; Processo 4-: Transferência de calor para o fluido de trabalho durante seu escoamento a pressão constante através da caldeira, completando o ciclo. Caldeira Turbina 2 4 Condensador 3 Bomba η = TC, H = T ( T ) f T C H 8

Ciclos a vapor Ciclo de Rankine com mudança de pressão na caldeira: Elevando a pressão na caldeira, há um aumento na temperatura de saturação, isto resulta em um aumento de eficiência (aumento de área). Ciclo -2-3-4 tem maior rendimento que o -2-3-4-. O aumento de pressão e consequentemente da temperatura é limitado pela suportabilidade dos materiais que compõem a caldeira. Efeito do aumento de pressão na caldeira para o ciclo Rankine ideal, 9

Ciclos a vapor Ciclo de Rankine com mudança de pressão no condensador: Mantendo a mesma pressão na caldeira, mas com condensadores operando em diferentes pressões. Há um aumento de eficiência (aumento de área). Ciclo -2-3 -4 - possui maior rendimento que o ciclo -2-3-4-; Efeito da diminuição de pressão no condensador para o ciclo Rankine ideal. 0

Ciclos a vapor Ciclo de Rankine com aumento de rendimento via superaquecedor: Superaquecedor: é um trocador de calor, capaz de fornecer mais energia ao vapor de entrada da turbina, transformando-o em vapor superaquecido. Há um aumento de eficiência. Ciclo -2-3-4- possui maior rendimento que o ciclo -2-3-4-; Ciclo com superaquecimento.

Ciclos a vapor Ciclo de Rankine com aumento de rendimento via superaquecedor e reaquecedor: Reaquecedor: é um trocador de calor, capaz de fornecer mais energia ao vapor; O vapor se expande através do primeiro estágio da turbina, para algum estágio de pressão intermediário entre a pressão do gerador de vapor e a do condensador; Ciclo com superaquecimento e reaquecimento. 2

Ciclos a vapor Ciclo de Rankine com aumento de rendimento via superaquecedor e reaquecedor: Turbina Caldeira 2 3 4 6 Condensador 5 Bomba 3

Ciclo a vapor, configuração sem reaquecimento: Boiler Caldeira Turbina MSV 2 GV 4 Gerador Condensador HP 3 Bomba RV W Para o condensador Regulador de Velocidade W ref 4

Configuração sem reaquecimento com estágio de baixa pressão: Boiler MSV Crossover GV HP LP LP RV W Para o condensador Regulador de Velocidade W ref 5

Configuração tandem-compound com reaquecimento simples e duplo estágio de baixa Boiler pressão: Reaquecedor RSV MSV GV IV Para o condensador Gerador HP IP IP LP LP LP LP RV W Regulador de Velocidade W ref Crossover 6

Configuração tandem-compound com reaquecimento duplo e estágio de baixa pressão: Boiler Reaquecedor Reaquecedor MSV RSV IV Crossover GV Gerador VHP HP IP LP LP RV W Para o condensador Regulador de Velocidade W ref 7

Configuração tandem-compound com reaquecimento duplo e estágio de baixa pressão: Boiler Reaquecedor Reaquecedor MSV RSV IV Crossover GV Gerador VHP HP IP LP LP RV W Para o condensador Regulador de Velocidade W ref 8

Configuração cross-compound (dois eixos) com reaquecimento simples e estágio de baixa pressão: PV iv PT π Câmara de REAQUECEDOR π GERADOR HP IP CROSSOVER PIPING GERADOR 2 LP LP PARA O CONDENSADOR 9

Modelagem de Elementos de Turbinas a : Determinação de constantes de tempo dos recipientes de vapor ou estágios das turbinas (alta, intermediária e baixa pressão): Considera-se um recipiente de vapor de volume V e que comporte uma massa de vapor m onde o fluxo de vapor que o atravessa está sujeito a um atraso: Fluxo de m,v Fluxo de 2 Função de Transferência: 2() s = () Ts s m m 20

Modelagem de Elementos de Turbinas a : Câmera de vapor ou steam chest: É um dispositivo de armazenamento de vapor. Este recipiente tem a função de fornecer o vapor e assim fazer com que a turbina possa se restabelecer rapidamente após pequenos distúrbios. 2

Modelagem de Elementos de Turbinas a : Reaquecedor: É um dispositivo para aumentar a temperatura do vapor. Nele o vapor percorre um longo caminho nas tubulações. Isto cria um atraso considerável que pode ser expresso pelo diagrama de bloco. 22

Modelagem de Elementos de Turbinas a : Crossover piping: São tubulações que conduzem o vapor até ele chegar ao estágio de baixa pressão. Este caminho percorrido causa um pequeno tempo de atraso descrito pelo diagrama de bloco: 23

Modelagem de Elementos de Turbinas a : Fatores de Participação: Os diferentes estágios das turbinas a vapor podem apresentar diferentes fatores de participação (ganhos), que representam as parcelas de potência de cada estágio da turbina, na resposta final de potência mecânica da turbina: n i= FP = P i mec total 24

Exemplo de Diagrama esquemático e de blocos da configuração tandem-compound com reaquecimento simples: P GV - ΔP GV st CH ΔX st RH ΔY st CO ΔZ P GV0 F HP F IP F LP P m0 ΔP m P m 25

Diagrama de blocos correspondente ao modelo matemático geral das turbinas térmicas a vapor ΔP m K K 3 K 5 K 7 ΔP GV st st2 st3 st4 K 2 K 4 K 6 K 8 ΔP m2 26