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INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOASEMESTRE VERO 2012-2013
TERMODINMICA APLICADA
TRABALHO 3SIMULADOR DE TURBINA A VAPOR
Docente: Eng. Claudia Casaca
Grupo 6 da turma LM42D: 36949 Manuel Incio
36977 Pedro Martins37501 Joo Dimas
38347 Bruno Correia
DATA DE ENTREGA: 5 de Maio de 2013
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Objectivos
Este trabalho tem como objectivo o estudo de uma central termoelctrica com turbina a vapor atravs de um simuladordisponibilizado para a unidade curricular.Este simulador trabalha com aquecimento regenerativo, proveniente dos pr-aquecedores e com reaquecimento do vapor, entre ossectores de alta e mdia presso da turbina.
Introduo
A turbina a vapor uma mquina de circuito fechado (para que haja o menos perdas de presso possvel) onde o vapor produzidopela caldeira lanado a grande presso e velocidade sobre ps da prpria, que a faro converter a energia deste vapor emmovimento. Atravs desse movimento iremos transmitir energia cintica a um gerador electrico e iremos obter energia eltrica.Aps o vapor passar por essas mesmas ps, este expande se e perde presso antes de ser reintroduzido na caldeira para reaquecer.A turbina constituda por 3 estgios: um para baixa presso, outro para mdia presso e por fim um para altas presses. Estesservem para aproveitar o mximo a expanso do vapor de forma a obter o mximo de rendimento possvel deste. Passando aexplicar o seu funcionamento, o fluido de trabalho aquecido e passa ao estado de vapor sobreaquecido na caldeira e ir passar
pelas ps da turbina no estgio de alta presso, de seguida, o vapor voltar para o reaquecedor na caldeira, onde ir ganhar maisenergia trmica s que no vai obter tanta presso como na sua primeira passagem pela caldeira. Assim, este ao regressar turbinair percorrer o estgio de mdia presso e o vapor que se aproveitar ir passar pelo estgio de baixa presso. Assim se maximiza orendimento deste ciclo ciclo regenerativo.
O ciclo de Rankine, abordado na actividade prtica anterior agora tem um novo estudo, designado como ciclo regenerativo. Estesciclos tm como objectivo aumentar o rendimento reduzindo a quantidade de calor necessria ceder ao fluido na caldeira. Comofoi anteriormente explicado, este processo consiste numa recuperao e compensao ao longo do processo. Efetuam se picagensna turbina de forma a fazer com que o caudal de entrada seja superior ao de sada. A forma de o fazer retirando um pouco defluido atravs destas picagens e direcionado para os pr-aquecedores o que far aumentar a entalpia do fluido antes deste chegar acaldeira.
O nosso grupo de trabalho optou pelo ponto 5 da actividade pedida para simular que consistia em:
1. Obter dados (caudais, presses e temperaturas para os circuitos de combustvel-ar e de gua vapor, e potencia eltricaproduzida;
2. Desligar o reaquecedor e comparar a potncia electrica e o rendimento fornecidos pelo simulador para a nova situaoencontrada relativamente ao pornto 1;
Imagem 1Aspecto do simulador STEAM PLANT aps o passo numero 1
Turbina com 3 estgios
Caldeira
Pr-aquecedores
Condensador
Injectores
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Imagem 2Aspecto do simulador STEAM PLANT aps o passo numero 2
O simulador basicamente constitudo por: Caldeira Turbina com 3 estgios de expanso: alta, mdia e baixa presso Um condensador; Trs pr-aquecedores: IST, IIST e IVST ; Um reaquecedor de mistura: IIIST ; Trs bombas;
Sem ter referido anteriormente, o papel dos pr-aquecedores aumentar a entalpia do fluido antes de este chegar caldeira
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Resultados obtidos
Grfico 1 balano de calorobtido aps procedimento 1
Grfico 2 balano de calor obtidoaps procedimento 2
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Unidades
Simulador
Unidades
SI
Unidades
Simulador
Unidades
SI
presso caldeira 93.8 bar 9380 kPa potncia elctrica 28 125 kW28 125
kW
presso sada Sobreaquecedor 92 bar 9200 kPa temp. sada sobreaquecedor 522 C 522 C
presso entrada turbina alta presso 89.9 bar 8990 kPatemp. entrada turbina alta
presso517 C 517 C
presso sada turbina alta presso 15.3 bar 1530 kPatemp. sada turbina alta
presso307 C 307 C
presso entrada reaquecedor 14.8 bar 1480 kPa temp. entrada reaquecedor 301 C 301 C
presso sada reaquecedor 13.0 bar 1300 kPa temp. sada reaquecedor 522 C 522 C
presso entrada turbina mdia presso 12.6 bar 1260 kPatemp. entrada turbina mdia
presso512 C 512 C
presso entrada Condensador -0.97 bar -97 kPa temp. entrada condensador 26 C 26 C
presso vapor entrada "stage I" -0.40 bar -40 kPa temp. entrada vapor "stage I" 133 C 133 C
presso vapor entrada "stage II" 3.2 bar 320 kPa temp. entrada vapor "stage II" 342 C 342 C
presso vapor entrada "stage III" 15.3 bar 1530 kPatemp. entrada vapor "stage
III"
302 C 302 C
presso vapor entrada "stage IV" 42.7 bar 4270 kPatemp. entrada vapor "stage
IV"418 C 418 C
produo de vapor 89.73 t/h24.925
kg/srazo agua vapor 0.918 0.918
picagem I 5.53 t/h1.536
kg/spicagem II 7.03 t/h
1.953
kg/s
picagem III 6.85 t/h1.903
kg/spicagem IV 9.89 t/h
2.747
kg/s
Tabela 1 Dados do Simulador (com re-aquecedor)
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Pontos Temp (C) Presso (kPA) Entalpia (kJ/kg) Entropia (kJ/kg.K) Volume Especfico (m^3/kg) Estado
1 522 9200 3438,78 6,7146 0,035316 Vapor Sobreaquecido
2 517 8990 3428,68 6,7115 0,037875 Vapor Sobreaquecido
3 307 1530 3052,17 6,9343 0,169235 Vapor Sobreaquecido
4 301 1480 3040,35 6,9295 0,17316 Vapor Sobreaquecido
5 522 1300 3523,68 7,6982 0,281402 Vapor Sobreaquecido
6 512 1260 3502,07 7,6861 0,286372 Vapor Sobreaquecido
7 418 4270 3251,18 6,795 0,070993 Vapor Sobreaquecido
8 302 1530 3041,16 6,9159 0,167568 Vapor Sobreaquecido
9 342 320 3155,27 7,8141 0,893578 Vapor Sobreaquecido
10 133 61,3 2745,88 7,7823 3,305276 Vapor Sobreaquecido
11 26 4,7 2365,67 7,7823 27,648113 Mistura x=0,92
12 36 5,96 150,85 0,5188 0,001006 Lquido Saturado
13 85 1530 355,9 1,1343 0,001033 Lquido Comprimido
14* 140 320 570,89 1,6948 0,001075 Lquido Saturado
15 82 61,3 362,03 1,1513 0,001034 Lquido Saturado
16 144 1530 606,33 1,7804 0,001084 Lquido Comprimido
17 200 1530 848,92 2,3234 0,001155 Lquido Saturado
18* 249 4270 1105,38 2,8298 0,001261 Lquido Saturado
19 258 9200 1124,73 2,8656 0,001271 Lquido Comprimido
Tabela 2 Caracterizao dos pontos com recurso ao programa STEAM
* - Ambos os pontos assinalados tm reguladores de presso associados, o que significa que sada do Pr-aquecedor
correspondente os pontos tm a presso indicada na tabela, no entanto, apos passarem pelo regulador de presso, ficam
presso do Pr-aquecedor onde vo entrar.
Diagrama T-s
Figura 1Diagrama T-s
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Clculos
Balanos Mssicos
De modo caldeira trabalhar com uma menor amplitude trmica, isto , elevar a temperatura do fluido de trabalho o mnimopossvel, convertendo-o de lquido comprimido para vapor sobreaquecido. So feitas diversas picagens a esse vaporsobreaquecido que ser utilizado nos pr-aquecedores para elevar a temperatura da gua antes de ir para a caldeira.
Em seguida, apresentamos os balanos mssicos que quantificam os caudais mssicos que cada componente do circuito usa, tendocomo critrio o 1 princpio da termodinmica (conservao da massa).
Caudal de entrada na turbina de alta presso
O caudal de entrada na turbina de alta presso corresponde a todo o vapor produzido na caldeira, logo:
Caudal de entrada no Pr-aquecedor IV
Este caudal o representado pela Picagem IV ( ), logo:
Caudal de entrada no Pr-aquecedor III
Este caudal o representado pela Picagem III ( ), logo:
Caudal de entrada no Pr-aquecedor II
Este caudal o representado pela Picagem II ( ), logo:
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Caudal de entrada no Pr-aquecedor I
Este caudal o representado pela Picagem I ( ), logo:
Caudal de entrada/sada do Reaquecedor
O caudal que vai para o Reaquecedor , necessariamente, o que se expande no estgio alta presso da turbina menos os caudaisretirados na Picagem IV e na Picagem III, logo:
Caudal da turbina de mdia presso para a de baixa presso
O caudal utilizado na turbina de baixa presso, tendo em conta que na turbina de mdia presso entra o caudal e sai o ,ser dado por essa mesma diferena, logo:
Caudal de sada da turbina de baixa presso
Este caudal dado pelo caudal total que passa para a turbina baixa presso menos o caudal da Picagem I, logo:
Caudal de sada do Pr-Aquecedor I para o Condensador
Para o condensador, passa apenas o caudal utilizado na Picagem I mais o caudal da Picagem II, logo:
Caudal de sada do Condensador
O caudal que sai do Condensador, dado pela soma dos caudais que entram no condensador, logo:
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Caudal de entrada na caldeira
Este caudal tem de ser aproximadamente igual produo total de vapor, logo:
Balanos Energticos
Novamente considerando o 1 princpio da termodinmica, e a energia que o fluido pode transferir sob a forma de calor (entalpia),realizmos os seguintes balanos:
Pr-Aquecedor I
Considerando que a massa se conserva, sabemos os valores entrada so iguais sada, logo:
Pr-Aquecedor III
Considerando que a massa se conserva, sabemos os valores entrada so iguais sada, logo:
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Clculo das Potncias
Potncia Turbina
A potncia ao veio da turbina dada pelas relaes entlpicas dos diversos estgios da turbina, tendo em conta que a cada estgio
de presso, o caudal de vapor sofre alteraes, tendo que se multiplicar esse novo caudal pela relao entlpica correspondente,logo:
Potncia Fornecida
Segundo o manual da caldeira, a energia fornecida dada pela seguinte expresso:
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Rendimento Gerador
Rendimento Global
Rendimento Global sem Reaquecedor
kW, valor retirado do simulador sem Reaquecedor.
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Na seco que difere entre os relatrios do 3 trabalho, o nosso grupo escolheu a opo 5.II, obteno de valores diferentes aosiniciais pelo programa, desligando o reaquecedor e fazendo uma comparao entre as Potncias e os rendimentos entre os doiscasos presentes.
Com Re-aquecedor Sem ReaquecedorPotncia Util (J) 28125 22597Rendimento (%) 31 25
Como se pode observar na tabela, ao desligar-se o reaquecedor obtem-se uma descida do valor de potencia util do ciclo, havendo
uma descida de 6% entre o rendimento de circuito com e sem reaquecedor. O papel do reaquecedor provem da reutilizao dovapor que sai da seco de ps superiores da turbina, desempenhando o seu nome, ou seja, reaquecendo esse vapor. Ao reaquecero vapor, o propsito fornecer energia a este para depois prosseguir para as seces medias e baixas de presso da turbina.
Com o reaquecedor desligado a energia fornecida continua a ser a mesma, mas no possivel o reaproveitamento dessa energia dacaldeira, pois aps o vapor sair do sobreaquecedor, prossegue pela turbina apenas contando com o nvel inicial de energia e
presso. possvel ver tambm que devido inexistncia da operao de reaquecimento do vapor, a temperatura da agua derefrigerao do condensador menor.
Visualizando e estudando os valores das tabelas de com e sem reaquecedor, possvel visualizar um maior valor de caudal daagua fornecida no caso de sem reaquecedor. Isto acontece porque, perante a mesma energia que fornecida, tem que se usar maisgua devido s diferentes zonas da turbina, obtendo uma descida no valor da percentagem
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