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Termelétrica de Ciclo Combinado
As usinas termelétricas são máquinas térmicas que têm como objetivo a conversão da energia de um combustível em energia elétrica. A eficiência térmica de conversão destas usinas é definida como a razão entre a energia útil produzida (que gera retorno econômico) e a energia do combustível que é consumida (que implica em custo operacional). Em cenários econômicos onde o preço da unidade de energia do combustível é relativamente alto, a eficiência térmica é um fator muito importante para que estas usinas se tornem economicamente viáveis. Duas temperaturas são muito importantes para o bom desempenho de uma máquina térmica: • •
Ti a temperatura na qual a máquina começa a conversão da energia térmica contida nos produtos da combustão em trabalho Tf a temperatura na qual os produtos de combustão são rejeitados na atmosfera ou temperatura na qual termina o processo de conversão.
Em uma termelétrica, quanto maior a temperatura Ti e quanto menor a temperatura Tf (mais próxima à temperatura ambiente) maior é a eficiência de conversão. Outra forma de energia útil que uma termelétrica pode produzir é calor para processos industriais (que também gera retorno econômico). Neste caso temse uma usina de cogeração. Para maximizar o retorno econômico de uma termelétrica operando em um cenário com custo de combustível relativamente alto, deve-se aproveitar todas as formas possíveis de energia útil, como apresentado abaixo.
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2. Turbina a Vapor
As turbinas a vapor são máquinas de combustão externa (os gases resultantes da queima do combustível não entram em contato com o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina e realiza os processos de conversão da energia do combustível em potência de eixo). Devido a isto apresentam uma flexibilidade em relação ao combustível a ser utilizado, podendo usar inclusive aqueles que produzem resíduos sólidos (cinzas) durante a queima.
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Como as turbinas a vapor são máquinas de combustão externa então o calor necessário para a ebulição do condensado e para o superaquecimento posterior deve ser transferido dos produtos de combustão ao fluído de trabalho através das serpentinas no interior da caldeira.
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Devido a isto e à relação entre as propriedades da água, os processos de conversão da energia do combustível em trabalho começa em uma temperatura (560 oC) relativamente baixa quando comparada com a de uma máquina de combustão interna. Por outro lado, a temperatura de rejeição de calor (no condensador) é extremamente baixa (muito próxima à temperatura ambiente). Para reaproveitamento do fluído de trabalho é necessário a liquefação deste no condensador antes de bombeá-lo à caldeira.
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Os dois trocadores de calor, a caldeira e o condensador, são equipamentos de grande porte e influem fortemente nas características da turbina a vapor quando comparadas com as turbinas a gás: a) Maior relação peso por potência ( kg/kW ) b) Maior espaço ocupado por potência ( m3/kW )
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Com relação ao que será discutido na próxima página, ciclo combinado, a principal característica da turbina a vapor é a temperatura de início da produção de trabalho (~560 °C) e a de rejeição de calor (~50°C).
3. Turbina a Gás
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As turbinas a gás são motores térmicos que realizam a conversão da energia de um combustível em potência de propulsão, potência de eixo ou potência elétrica. Quando comparadas com os outros motores térmicos, apresentam como características principais: a) Menor relação entre custo de capital e potência ( $/kW ) b) Menor relação peso por potência ( kg/kW ) c) Menor relação espaço ocupado por potência ( m3/kW ) As turbinas a gás são máquinas de combustão interna ( a mistura de gases resultantes da queima do combustível é o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina realizando os processos de conversão da energia do combustível em potência de eixo ) e portanto necessitam de um combustível de qualidade, por exemplo: gás natural.
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Por serem máquinas de combustão interna realizam o processo de conversão da energia do combustível a altas temperaturas ( começando com temperaturas da ordem de 1000 °C e terminando em temperaturas próximas de 500 °C ).
A maior parcela da energia do combustível que não é aproveitada está nos gases de exaustão ainda a altas temperaturas. Com relação ao que será discutido na página referente a ciclo combinado a principal característica da turbina a gás é a temperatura de início da produção de trabalho (~1000 °C) e a de rejeição de calor (~500°C)
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4. Ciclo Combinado
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Devido às características das turbinas a gás e das turbinas a vapor, as condições de acoplamento térmico entre os dois ciclos são muito boas. No ciclo combinado (turbina a gás/turbina a vapor), o calor necessário para a caldeira da turbina a vapor é fornecido pelos gases quentes da exaustão da turbina a gás.
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No acoplamento há uma redução na eficiência térmica de cada turbina. Para a turbina a gás ocorre um aumento da pressão na saída enquanto que a temperatura na qual começa o processo de transformação de calor em trabalho na turbina a vapor é reduzida. Este conjunto (ciclo combinado: turbina a gás/turbina a vapor) resulta na termelétrica mais eficiente na conversão da energia do combustível em potência elétrica, pois tem uma temperatura alta de início de conversão de calor em trabalho e uma temperatura de rejeição de calor muito baixa.
Uma característica construtiva importante do ciclo combinado é sua construção modular, ou seja, as turbinas a gás são instaladas primeiro e começam a produzir energia elétrica e gerando retorno financeiro. Posteriormente é
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instalada a turbina a vapor com respectivas caldeiras de recuperação como na figura abaixo.
Exemplo de Plantas com Ciclo Combinado Exemplo 1:
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Exemplo 2:
Exemplo 3:
5. Cogeração Cogeração é a geração seqüencial em temperatura de trabalho (energia elétrica ou mecânica) e de energia térmica (calor ou ‘frio’) através de uma única queima de combustível.
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Na cogeração aproveita-se o potencial existente nos produtos resultantes da queima de um combustível que estão a alta temperatura para geração de trabalho e energia térmica. Os produtos de combustão a alta temperatura possuem uma grande disponibilidade para conversão de sua energia interna em trabalho. Quando se utiliza esta energia em baixas temperaturas (como calor para processo) esta disponibilidade é dissipada. A cogeração visa o aproveitamento deste potencial, obtendo uma forma de energia de maior qualidade termodinâmica (trabalho), abaixando a temperatura dos produtos de combustão que depois fornecem calor para processo. Um motor térmico, por exemplo uma turbina a gás, aproveita a energia dos produtos de combustão produzindo trabalho. Os gases de exaustão são rejeitados a uma temperatura suficientemente alta para fornecerem calor para processo ao passarem por uma caldeira de recuperação.
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Composição de Um sistema básico
A junção da produção de trabalho e de energia térmica com uma única queima de combustsível e aproveitamento seqüêncial em temperatura resulta em uma grande economia de energia primária (combustível). Na produção em separado de 35 unidades energia elétrica e de 50 unidades de calor são consumidas 125.5 unidades de energia, como apresentado abaixo. Em uma termelétrica de alta eficiência (ciclo combinado η
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Utilizando uma caldeira convencional (h
Resultando no seguinte balanço de energia para a produção em separado de energia elétrica e calor.
Em uma usina de cogeração, utilizando uma turbina a gás e uma caldeira de recuperação, são necessárias 100 unidades de energia de combustível para a produção de 35 unidades de energia elétrica e 50 unidades de calor. Se a eficiência da turbina a gás for igual a 35 %, são consumidas 100 unidades de energia de combustível para a produção de 35 unidades de energia elétrica. Com as 65 unidades de energia rejeitadas nos gases de exaustão, uma caldeira de recuperação com 77 % de eficiência produz as 50 unidades de calor para processo na forma de vapor.
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Os balanços de energia para a usina de cogeração e para a produção em separado são apresentados abaixo:
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A usina de cogeração produz as mesmas quantidades de energia elétrica e calor com uma economia de energia de combustível de: (125.5-100)/125.5 = 20.3 % Do ponto de vista termodinâmico (preservação de reservas de combustível), a cogeração é plenamente justificável. A viabilidade econômica da cogeração deve ser verificada através da análise do fluxo de caixa para uma determinada aplicação, considerando o custo inicial dos equipamentos e os retornos e desembolsos correntes durante a vida da usina. Exemplos de Sistemas de Cogeração A. Processo do Sistema de Suprimento de Vapor 1) A turbina a Gás aciona o gerador. 2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado.
B. Sistema de refrigeração do ar de entrada 1) A turbina a Gás aciona o gerador. 2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado. Usando a Energia Secundária Vapor como uma fonte de calor, o chiller de absorção é operado. E a água gelada gerada esfria o ar de entrada da turbina de gás que recupera a produção da turbina de gás durante o verão.
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C. Sistema de Compressão do Gás Combustível 1) A turbina a Gás aciona o gerador. 2) O expansor a vapor é acionado pelo vapor do gerador de vapor de recuperação que pode acionar o compressor de gás combustível, compressor de ar ou o gerador. 3) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado.
D. Sistema de acionamento Mecânico 1) A turbina a gás aciona diretamente o compressor de ar através da embreagem. 2) As energias secundárias são ar comprimido e vapor saturado.
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E. Sistema de Secagem 1) A turbina a Gás aciona o gerador. 2) As energias secundárias são eletricidade e a fonte de calor para secagem.
F. Sistema de Queima Adicional 1) A turbina a Gás aciona o gerador. 2) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado. 3) Pode ser aumentado o fluxo de vapor através de um sistema de queoma adicional quando exigido, instalando um queimador adicional no duto da exaustão da turbina a gás.
G. Sistema de Ciclo Combinado
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1) A Turbina a Gás aciona o gerador. 2) Vapor do gerador de vapor de recuperação aciona a turbina a vapor que aciona o gerador. 3) As energias secundárias são eletricidade, de duas fontes, e vapor saturado / superaquecido.
H. Sistema de Ciclo Cheng 1) A Turbina a Gás aciona o gerador. 2) Vapor do gerador de vapor de recuperação é injetado no combustor da turbina a gás, que aumenta a saída e a eficiência como um ciclo binário. 3) As energias secundárias são eletricidade e vapor saturado.
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