Geração de EnergiaElétrica

Joinville, 07 de Maio de 2012

GeraçãoTermoelétrica a Gás

Fernando B. Prioste

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

2

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásO uso mais importante das turbinas a gás tem sido naaviação praticamente todos os aviões, com exceção dosmenores.Desde 1940, o progresso das turbinas a gás tem sidoenorme, existindo hoje turbinas que vão desde 0,2 a 350MW.Próximo a 1990, as turbinas a gás passaram a serresponsáveis por uma boa parte da geração deeletricidade das novas usinas térmicas, devido ao seu usono ciclo combinado.

3

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásCombustíveis utilizados:

Gás natural;Óleo combustível;Existem pesquisas para fazer com que o carvão mineral torne-se um combustível viável pode ser utilizado como combustível.

4

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásAs 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

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásEsquemas termodinâmicos de ciclo Brayton paraTurbinas a gás:

6

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; Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásResumo 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

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásRendimento do ciclo Brayton ideal:

8

( )1

1 1

2 2

1 1 1atmosfericaBrayton

saida compressor

TT PT T P

γγ

η

−

⎛ ⎞= − = − = −⎜ ⎟

⎝ ⎠Onde gama é a relação da capacidade de calor

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásConfigurações 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

9Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Alstom GT8C

10

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty:

11

Câmara de combustão

Turbina Gerador

Compressor

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty – diagrama funcional:

12

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásClassificação 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 seuscomponentes;

– São robustas e simples, fatos que garantem muitas horas de operaçãosem problemas/manutenção;

– Fazem parte desta faixa as microturbinas (até 300 kW), que estão sendoutilizadas em geração distribuída.

13

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásClassificação 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 apresentamalto valor de rendimento.

14

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásClassificação 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;

15

Compressor axial.

Configuração axial.Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásPartes 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 doúltimo estágio da turbina para a atmosferaou para um equipamento de recuperaçãode calor (ciclo combinado).

16

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásControle 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

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásPá 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

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásPá 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

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásIntercooler:– 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

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásRegenerador:– 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

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásReaquecedor:– 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

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásTurbina a gás com Reaquecedor, Regenerador e Intercooler:

23

Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásConfigurações 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

Fernando B. Prioste

25

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

Geração Termoelétrica a Gás

Fernando B. Prioste

26

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

Geração Termoelétrica a Gás

Fernando B. Prioste

27

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

Geração Termoelétrica a Gás

Fernando B. Prioste

28

Turbinas a gás tipo Aeroderivativa: Possui duas turbinas,uma delas com acoplamento Aerodinâmico, ou seja, uma turbina livre.

Geração Termoelétrica a Gás

Câmara de combustão

GeradorTurbina 2

Turbina 1Compressor

Gerador de gás Turbina livre

Câmara de combustão

GeradorTurbina 2

Turbina 1Compressor

Gerador de gás Turbina livre

Câmara de combustão

Turbina Gerador

Compressor

Aeroderivativa.

Heavy-Duty.

Fernando B. Prioste

29

Diagrama de blocos de Turbinas a GásGeração Termoelétrica a Gás

Fernando B. Prioste

30

Diagrama de blocos de Turbinas a gás tipo Heavy-DutyGeração Termoelétrica a Gás

Heavy-Duty.Fernando B. Prioste