Geração de Energia Elétrica

Transcrição

1 Geração de Energia Elétrica Geração Termoelétrica a Gás Joinville, 07 de Maio de 2012

2 Escopo dos Tópicos Abordados Conceitos básicos de termodinâmica; Centrais Térmicas a Gás: Descrição de Componentes; Algumas partes extraídas de Dissertações de mestrado da UNIFEI - Itajubá. 2

3 O uso mais importante das turbinas a gás tem sido na aviação praticamente todos os aviões, com exceção dos menores. Desde 1940, 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 uso no ciclo combinado. 3

4 Gás natural; Óleo combustível; Combustíveis utilizados: Existem pesquisas para fazer com que o carvão mineral tornese um combustível viável pode ser utilizado como combustível. 4

5 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 5

6 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; 6

7 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. 7

8 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 8

9 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); 9 A razão (relação) de pressão pode variar de 5:1 a 15:1; A temperatura máxima pode chegar até 1290ºC em algumas unidades

10 Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Alstom GT8C 10

11 Turbinas a gás tipo Heavy-Duty: Câmara de combustão Turbina Gerador Compressor 11

12 Turbinas a gás tipo Heavy-Duty diagrama funcional: 12

13 Classificação das Turbinas a gás industriais por faixa de potência: Pequeno porte: até 1 MW Formadas por um compressor centrífugo de simples estágio com uma razão de pressão de cerca de 4:1; câmara de combustão simples com cerca de 870 C de temperatura máxima e uma turbina de fluxo radial; Eficiência normalmente muito menor que as de maior porte devido à limintação da temperatura de entrada e do baixo rendimento de seus componentes; São robustas e simples, fatos que garantem muitas horas de operação sem problemas/manutenção; Fazem parte desta faixa as microturbinas (até 300 kw), que estão sendo utilizadas em geração distribuída. 13

14 Classificação das Turbinas a gás industriais por faixa de potência: Médio porte: entre 1 MW a 15 MW O compressor possui geralmente entre 10 e 16 estágios de compressão axial subsônico, o qual produz uma razão de pressão de cerca de 5:1 a 11:1; A turbina do gerador de gás tem geralmente de 2 a 3 estágios axiais; As turbinas de médio porte são usadas em plataformas offshore e estão em expansão em plantas petroquímicas; Os gases de exaustão são utilizados para geração de vapor, formando as plantas de cogeração gás-vapor (ciclo combinado), que apresentam alto valor de rendimento. 14

15 Classificação das Turbinas a gás industriais por faixa de potência: Grande porte: acima de 15 MW Podem ser aeroderivativas ou heavy-duty; São predominantemente axiais e podem ter vários estágios; Compressor axial. Configuração axial. 15

16 Partes componentes de turbinas a gás: Além de: Sistema de entrada de ar; Compressores; Câmara de combustão ou queimador; Turbina; Sistema de exaustão: Finalidade de conduzir os gases do último estágio da turbina para a atmosfera ou para um equipamento de recuperação de calor (ciclo combinado). 16

17 Controle do Fluxo de Ar: Pá Guia (aleta) Variável ou Variable Inlet Guide Vane (VIGV) :» Servem para que a turbina opere em uma grande faixa de fluxo de massa (faixa de potência) com elevado rendimento, razão de pressão e velocidade de rotação constantes; 17

18 Pá Guia Variável ou Variable Inlet Guide Vane (VIGV): composto de uma série de aletas planas que podem ter seu ângulo de incidência variado (rotacionado) mecanicamente através de um sistema de controle hidráulico, possibilitando, desta forma, o controle da vazão de ar. O VIGV está localizado na entrada ou na região central do compressor; 18

19 Pá Guia Variável ou Variable Inlet Guide Vane (VIGV): é usado para controlar o compressor durante a partida e em operações com baixa carga; grande função do VIGV é manter constante a relação ar/combustível, sendo fundamental para a operação em ciclo combinado, mantendo a temperatura dos gases de exaustão constante. Intercooler: Serve para aumentar a potência útil da turbina, reduzindo o trabalho de compressão (Serve para reduzir o trabalho de entrada do compressor); Localiza-se entre dois compressores; 19

20 Intercooler: A redução de temperatura dos gás reduz o trabalho realizado pelo sistema de compressão; No diagrama P-V, a área c-d-2-2 representa a redução de trabalho; Compressores podem possuir diversos estágios. A determinação do número de estágios e de intercoolers é um problema de otimização 20

21 Regenerador: Um trocador de calor que serve pré-aquecer o gás que sai do compressor e entra na câmara de combustão; No diagrama T-s, os gases de exaustão da turbina são resfirados entre os pontos 4-y. O ar que sai do compressor é aquecido de 2 para x, reduzindo a quantidade de calor que seria necessária para aquecer o ar de 2 para 3 (inicialmente) representando uma redução de queima de combustível. 21

22 Reaquecedor: Devido a questões metalurgicas (altas temperaturas) da combustão, mais ar geralmente é injetado para controlar a temperatura na câmara de combustão; Consequentemente o ar que sai do combustor ainda contém quantidade suficiente de oxigênio para que ocorra uma nova combustão, realizada no reaquecedor. No diagrama T-s, o reaquecedor aumenta a área do ciclo, aumentando o rendimento e o trabalho. 22

23 Turbina a gás com Reaquecedor, Regenerador e Intercooler: 23

24 Configurações de turbinas a gás: Aeroderivativas: configuração utilizada em operação aeronáutica e também industrial; Apresentam maior eficiência; Possuem alta confiabilidade e custo maior em relação às heavy-duty; São turbinas que ocupam pouco espaço; Apresentam menor relação peso/potência; Flexibilidade para manutenção; Potência máxima de até 50 MW; Podem ser adaptadas para geração de energia:» Fortalecimento dos mancais; Sistema de combustão; Adição de turbina livre; Caixa de redução; Possível adição de um trocador de calor. 24

25 Turbinas a gás tipo Aeroderivativa: propulsão aeronáutica, possui apenas uma turbina. 25

26 Turbinas a gás tipo Aeroderivativa: propulsão aeronáutica, possui apenas uma turbina. 26

27 Turbinas a gás tipo Aeroderivativa: GE LM6000 com 42 MW, 40% de rendimento térmico nas condições ISO 27

28 Turbinas a gás tipo Aeroderivativa: Possui duas turbinas, uma delas com acoplamento Aerodinâmico, ou seja, uma turbina livre. Câmara de combustão Turbina 2 Gerador Aeroderivativa. Compressor Turbina 1 Gerador de gás Turbina livre Câmara de combustão Turbina Gerador Compressor Heavy-Duty. 28

29 Diagrama de blocos de Turbinas a Gás 29

30 Diagrama de blocos de Turbinas a gás tipo Heavy-Duty Heavy-Duty. 30