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Sistemas Fluidotérmicos II EM884 Profa. Dra. Carla Kazue Nakao Cavaliero DE/FEM SISTEMAS DE POTÊNCIA A GÁS Turbinas a gás Aula 15 Ciclos usando TG Gas turbine Caronization Intercooler Recuperator Reheat Gas/steam process Combined cycle Steam injection Evap cycle Caronization of the gas turbine process and combined gas/steam/water processes. Ciclo combinado Os fabricantes de TGs têm privilegiado tecnologias que apresentam sistemas mais simples e robustos e, nas duas últimas décadas, o seu desenvolvimento tem sido amplamente direcionado aos ciclos combinados. Os ciclos combinados acoplam dois ciclos de potência de tal modo que a energia descarregada através de calor de um dos ciclos é usada parcial ou completamente como a energia fornecida ao outro ciclo. Para a geração de energia elétrica, os ciclos combinados utilizam TG e turbinas a vapor. Os ciclos combinados foram propostos conceitualmente nos anos 1960, mas apenas nos anos 1970 é que as primeiras UTEs, de pequena capacidade – a maioria na faixa de 15 a 20 MW – foram construídas e postas em operação. • O rendimento térmico nominal das primeiras unidades era da ordem de 40%. O número de plantas térmicas baseadas em ciclos combinados tem passado por um rápido crescimento, desde o final da década de 1990. • Este fenômeno mercadológico foi induzido, principalmente, pela desregulamentação do mercado gerador nos EUA e na Europa. Essa medida fez surgir a produção independente, favorecendo a escolha por opções mais eficientes e com rentabilidades maiores, em detrimento aos ciclos a vapor movidos a carvão. Ciclo combinado Devido ao aumento da oferta de gás natural, à redução de seus preços, bem como aos avanços tecnológicos alcançados, ciclos combinados têm sido a alternativa preferencial para a expansão da capacidade de geração elétrica. • A elevada eficiência também têm sido um grande atrativo do ciclos combinados, traduzindo-se em alta rentabilidade e forte apelo ambiental. Atualmente existem plantas que atingem eficiência térmica de 60%, como é o caso da planta de Irsching 4, na Alemanha, com 570 MW de potência total. • Para efeito de comparação, esse valor é muito superior àqueles encontrados em UTEs baseadas nos ciclos a vapor convencionais, nos quais a média usual das eficiências situa-se entre 25% e 35 %, dependendo do nível de pressão de vapor. Ciclo combinado No ciclo combinado, o combustível é queimado em uma TG e a energia contida nos gases de exaustão é aproveitada em, por exemplo, uma caldeira de recuperação (heat recovery steam generator – HRSG) para produzir vapor. Esse vapor é, então, utilizado como fluido de acionamento em uma turbina a vapor, gerando trabalho adicional. Assim, o ciclo combinado é constituído por um ciclo termodinâmico que opera a altas temperaturas (topping - o ciclo Brayton das TGs) e de um outro que opera a temperaturas mais baixas (bottoming - o ciclo Rankine das UTEs a vapor). Ciclo combinado • O ar frio e o combustível entram na TG, que gera potência e de onde saem gases quentes a alta temperatura, normalmente acima de 500 °C. • Estes gases passam pela caldeira de recuperação, em contracorrente com o vapor. O vapor entra na caldeira como água líquida pressurizada e sai como vapor superaquecido. • Depois disso o vapor passa pela turbina a vapor, gerando mais energia elétrica, sai desta turbina a uma pressão bem abaixo da atmosférica, com título menor que 1, ou seja com gotas de líquido. • Finalmente entra no condensador, onde é resfriado, passa pela bomba e retorna à caldeira. Turbina a gás Caldeira de recuperação Turbina a vapor condensador Extração de vapor Ciclo combinado A temperatura média em que se dá o fornecimento de calor para o ciclo é alta, ao mesmo tempo que é baixa a temperatura em que se verifica a rejeição de calor do ciclo para o ambiente. Por isso, a eficiência é elevada. Esquema de um ciclo combinado com geração de vapor em apenas um nível de pressão (no caso, 8 MPa). Ciclo combinado A eficiência do ciclo combinado relaciona os trabalhos líquidos gerados nas turbinas a gás (WT) e a vapor (WB) e o calor fornecido à turbina a gás: A eficiência do ciclo simples na turbina a gás é: A eficiência do ciclo Rankine é: Ciclo Bottoming Ciclo Topping Combustão QE QS WT WB E B T CC Q = W +W  E T T Q = W  ExaustãoTG B B Q W =  QExaustão Ciclo combinado - eficiência Como o fluxo de energia interna dos gases de exaustão da turbina a gás é uma função da eficiência da mesma, tal grandeza pode ser definida como: Ao final, a eficiência global do ciclo combinado será: Ciclo Bottoming Ciclo Topping Combustão QE QS WT WB ) 1( T E ExaustãoTG Q Q − = ) 1( T B T CC     − + = QExaustão Ciclo combinado - eficiência Existem casos em que ocorre queima suplementar de combustível (QES) na geração de vapor. Para essa condição, a eficiência deverá incluir esse aporte de energia: Ciclo Bottoming Ciclo Topping Combustão QE QS WT WB ES E B T CC Q Q W W + + =  QES QExaustão Ciclo combinado - eficiência A eficiência do ciclo Rankine considerando a queima suplementar é: ES T E B B Q Q W + − = ) 1(   ES ExaustãoTG B B Q Q W + =  Ciclo Bottoming Ciclo Topping Combustão QE QS WT WB QES Ciclo combinado - eficiência QExaustão Esquema de um ciclo combinado de 1.350 MW, com seis módulos. Ciclo combinado Diagrama T x s de ciclo combinado: • O ciclo superior corresponde ao ciclo com TG. O inferior corresponde ao ciclo a vapor. • Em termos de temperatura estes dois ciclos se complementam, já que o ciclo a vapor trabalha numa faixa de temperaturas mais baixas que o ciclo da turbina a gás. Esta característica permite aumentar em muito a eficiência global da geração. As turbinas isoladas normalmente não conseguem ir além de uma eficiência na casa dos 30%. Em ciclos combinados a eficiência global aumenta para algo em torno de 50%. Ciclo combinado – T x s Vantagens: • A principal vantagem do ciclo combinado é a alta eficiência térmica que pode atingir; • Capacidade de construção em módulos: pode-se inicialmente construir o sistema de turbina a gás, operando como ciclo simples, e posteriormente viabilizar a instalação do ciclo com a turbina a vapor; • Grande flexibilidade de operação: diante da necessidade de paradas para manutenção dos ciclos pode-se continuar produzindo energia elétrica. Se a parada ocorrer no ciclo de turbina a gás, a continuidade da operação exigirá uma caldeira de recuperação com sistema de queima suplementar; • Permite a queima de combustível menos nobre: além do aproveitamento dos gases quentes, é possível queimar um combustível menos nobre (queima suplementar), aumentando a possibilidade de combinações de combustível; Ciclo combinado Vantagens: • Unidades de menor porte: para uma mesma potência gerada, um sistema de ciclo combinado é de menor porte que um sistema a vapor convencional. Desvantagens: • Maior custo de investimento: é inerente à quantidade de equipamentos que compõem o ciclo combinado. • Operação mais complicada: é necessário ajustar a carga entre os dois ciclos e ainda gerenciar uma quantidade maior de equipamentos. Ciclo combinado A caldeira de recuperação é o elemento fundamental numa planta de ciclo combinado, influindo decisivamente nos custos de implementação e operação da planta. Há muitas e variadas configurações de unidades de caldeiras de recuperação que utilizam os gases de exaustão de turbinas a gás. Possuem seções elementares de uma caldeira convencional do tipo aquatubular quando projetada à geração de eletricidade: • pré-aquecedor de ar (aproveitando o calor do gás de exaustão), • economizador (aquece a água de alimentação com o gás de exaustão), • evaporador (promove a mudança de fase), • superaquecedor (trocador de calor para produzir vapor superaquecido). Caldeiras de recuperação (HRSG) Como o calor é provido pelo fluxo de gases quentes provenientes da TG, as caldeiras de recuperação precisam de uma superfície de troca de calor maior que as caldeiras comuns. As caldeiras de recuperação podem ser classificadas de acordo com alguns critérios, tais como: • Modo de recuperação: com e sem queima suplementar. Com a queima suplementar aumenta-se a quantidade de vapor gerado, aumentando a potência no ciclo Rankine, porém deve ser avaliada já que reduz a eficiência total e aumenta o custo operacional pelo maior consumo de combustível. Esse custo pode ser reduzido ao utilizar combustíveis menos nobres. • Número de níveis de pressão: de um a três níveis. Quanto maior o nível de pressão na geração de vapor, maior a capacidade de recuperação e maior a versatilidade de aplicação. No entanto, maior também a complexidade na execução do projeto. Caldeiras de recuperação (HRSG) HRSG com um nível de pressão (1P) e sem queima suplementar gases de exaustão economizador de alta pressão economizador de baixa pressão. evaporador superaquecedor água de alimentação vapor Pode-se observar a entrada dos gases de exaustão e da água de alimentação e identificar as partes principais como: economizador de baixa e alta pressão, evaporador, superaquecedor, entre outros. HRSG 1P e sem queima suplementar No gráfico acima (T x Q) pode se observar duas curvas: uma representa a perda de temperatura dos gases quentes (exaustão da TG) e a outra, o ganho de energia do vapor. • Ao longo do processo de transferência da energia dos gases de exaustão, o ideal seria que a sua temperatura sofresse uma queda a uma taxa constante e gradual ao longo de todas as seções da caldeira. Isto não é possível em razão do processo de evaporação da água. Gases Vapor Energia Transferida T Evaporador Superaquecedor • Uma queda de temperatura dos gases a uma taxa constante só é factível ao longo das seções de superaquecimento e do aquecimento no economizador. No primeiro, a água já está na fase de vapor e no segundo, ainda está na fase líquida. • No evaporador, a temperatura dos gases sofre outra queda na medida em que flui pelo feixe de tubos do evaporador, e do lado da água o processo de evaporação ocorre à temperatura constante. Economizador HRSG 1P e sem queima suplementar Gases Vapor Energia Transferida T Superaquecedor Evaporador Economizador Gases Vapor Energia Transferida T Superaquecedor Evaporador HRSG 1P e sem queima suplementar Economizador • Na seção de aquecimento da água no economizador, a sua temperatura de saída deve estar abaixo da condição de saturação, a fim de evitar a sua ebulição. • Esta diferença de temperatura, conhecida como approach em inglês, deve ser considerada no projeto do economizador, evitando a formação de bolhas de vapor. approach A diferença de temperatura dos gases de exaustão (vindo da TG) na saída do evaporador e da saturação da água na entrada do evaporador é conhecida como pinch point. • Quanto menor o pinch point, maior será a eficiência do ciclo. • No entanto, sua determinação deve levar em conta também o aspecto econômico: o custo da caldeira. HRSG 1P e sem queima suplementar Gases Vapor Energia Transferida T Superaquecedor Evaporador Economizador Pinch point • Faixas estreitas de pinch point provocam um enorme impacto nos custos das caldeiras. Uma redução deste parâmetro de 8 °C para 6 °C provoca um aumento de 10% na área de transferência de calor e o benefício na geração de potência da turbina a vapor seria insignificante, somente 1 % de aumento. • Quando os custos dos insumos energéticos aumentam, o investimento em caldeiras com maiores áreas de transferência de calor torna-se viável. Isso justificou a queda do pinch point de 8-10 °C na década de 1990 para cerca de 5 °C. Pinch point HRSG 1P e sem queima suplementar Gases Vapor Energia Transferida T Pinch point Superaquecedor Evaporador Economizador Superaquecedor Evaporador Economizador Temperatura Gases de Exaustão Fluxos 5 4 6 1 2 3 ( ) ( 2 ) 3 5 4 h m h h h m v g − = −   ( ) ( 1 ) 2 6 5 h m h h h m v g − = −   ( ) ( 1 ) 3 6 4 h m h h m h Q v g HRSG − = − =   HRSG 1P – balanço de energia Pinch point gases de exaustão economizador de alta pressão economizador de baixa pressão. evaporador superaquecedor água de alimentação vapor combustivel • Contando com um queimador auxiliar é possível trabalhar isoladamente o circuito de vapor quando for necessária a parada da TG, por exemplo. • Se existe, disponível e barato, um combustível menos nobre que o gás natural ou Diesel, é possível queimá-lo na caldeira de recuperação, aumentando assim a potência gerada no ciclo a vapor, que então fica parcialmente “desacoplado” do ciclo a gás. HRSG 1P e com queima suplementar O desenvolvimento mais importante no projeto de caldeiras de recuperação foi a introdução no mercado de um segundo nível de pressão. Este nível de pressão adicional permitiu um aumento na eficiência térmica do ciclo combinado em aproximadamente 4 pontos percentuais através da redução da temperatura dos gases de saída na caldeira. A adição de um novo conjunto de evaporador, economizador e superaquecedor, no intermédio do conjunto de alta pressão, permite uma maior taxa de recuperação da energia interna dos gases de exaustão através de uma maior aproximação das temperaturas de ambos os fluxos considerados. Caldeiras de recuperação (HRSG) HRSG 2P – balanço de energia Gases Vapor Energia Transferida T dois níveis de pressão um nível de pressão Alta pressão Vapor/Água Baixa pressão Temperatura Gases de Exaustão Fluxos 5 4 10 1 2 3 6 7 8 9 Neste caso a curva de vapor fica mais próxima da curva de temperatura dos gases, ao longo de todo o percurso, implicando em uma eficiência maior do ciclo todo. • Na realidade, quanto mais níveis de pressão de vapor se tenha, maior a eficiência do ciclo de vapor, e consequentemente no ciclo global. No entanto, este tipo de caldeira é mais caro e o circuito de vapor é mais complicado. HRSG 2P – balanço de energia Alta pressão Vapor/Água Baixa pressão Temperatura Gases de Exaustão Fluxos 5 4 10 1 2 3 6 7 8 9 ( ) ( 4 ) 5 7 6 h h m h h m AP g − = −   ( ) lvBP g BP h h m h m / 8 − 9 =     8 4 3 7 /) ( h m h h m h g AP + − =   HRSG 2P – balanço de energia Efeito da temperatura ambiente na eficiência térmica de CC O efeito da temperatura ambiente sobre o rendimento térmico é menos pronunciado no ciclo combinado do que no caso das TGs. As TGs que venham a operar fora das condições definidas pela norma ISO são fortemente afetadas pela temperatura do ar ambiente. • A cada 1 °C, a potência liquida pode cair entre 0,6% e 1% em relação à condição ISO. • A potência é alterada em função da variação da densidade do ar e cada turbina a gás tem sua própria curva dos efeitos da temperatura ambiente sobre o seu desempenho. Com o aumento da temperatura ambiente reduz-se a densidade do ar e, consequentemente, o fluxo mássico no compressor, pois é uma máquina que opera a volume constante. No ciclo combinado, a perda de rendimento da TG (aumento da temperatura dos gases de exaustão) é parcialmente compensada pelo ciclo bottoming (a vapor). Ajuste baseado em dados publicados em GTW Handbook - 2000-2001; • Eficiências líquidas (base PCI) a plena carga. • Eficiência como função da capacidade instalada de cada módulo. y = 37.389x 0.0639 R 2 = 0.6264 0 10 20 30 40 50 60 70 0 200 400 600 800 1000 Capacity [MW] Efficiency [% -LHV] Eficiências (condições ISO) Eficiência térmica de CC em operação Ciclos combinados são atualmente comercializados em uma ampla faixa de capacidades - 2 a 800 MW. Estudos prospectivos apontam para rendimentos térmicos da ordem de 65% a 70%. • Eficiências de tal ordem poderiam ser alcançadas em ciclos de potência que utilizassem TGs operando com temperaturas máximas da ordem de 1600°C, combustão sequenciada e um ciclo Kalina (emprega uma mistura água-amônia) como ciclo “bottoming”. • Os avanços tecnológicos alcançados pelas TGs são responsáveis pela substancial melhora de desempenho dos ciclos combinados. Dois outros melhoramentos importantes: a redução das irreversibilidades nas HRSGs e a redução das perdas térmicas entre os dois ciclos (redução da temperatura dos gases na exaustão das HRSGs). Eficiência térmica de CC 1- Uma instalação de ciclo combinado tem uma potência de saída líquida de 45 MW. O ar entra no compressor da TG a 100 kPa, 300 K e é comprimido até 1200 kPa. Na saída da TG, os gases estão à 100 kPa e passam pela HRSG, sendo descarregados à 400 K. O vapor d’água entra na turbina do ciclo a vapor a 8 MPa, 400ºC, e se expande até a pressão do condensador de 8 kPa. A água entra na bomba como líquido saturado a 8 kPa. Determine as vazões mássicas do ar e do vapor d’água (kg/s), a potência líquida produzida pelos ciclos com TG e TV (MW) e a eficiência do ciclo combinado. Considere: (i) não há perda de carga do ar na câmara de combustão; (ii) temperatura máxima do ciclo= 1400 K; (iii) TG: eficiência isent. do compressor= 0,84 e na expansão= 0,88; (iv) Ciclo a vapor: eficiência isent. da bomba= 0,80 e da turbina= 0,90. R: 100,88 kg/s; 15,61 kg/s; 29,03 MW; 15,97 MW; 52,75% (respectivamente) Exercícios Exercícios 2- Considere uma termoelétrica que utiliza um ciclo combinado composto por uma turbina a gás e uma turbina a vapor. A turbina a gás opera um ciclo simples (Brayton) com temperatura máxima de 1600 K e relação de pressões igual a 15. A eficiência isoentrópica da turbina é 85% e a vazão dos gases de exaustão é 50 kg/s. Os gases de exaustão da turbina são direcionados a uma caldeira de recuperação de calor (HRSG) que produz vapor a 3 MPa e 500°C. Se o pinch-point no HRSG é 10°C, determine a vazão do vapor gerado. Para o ciclo a gás, considere uma análise ar-padrão frio: cp = 1005 J/kg.K e k = 1,4 R: 7,2 kg/s ( ) ( 2 ) 3 5 4 h m h h h m v g − = −   ( ) ( 1 ) 2 6 5 h m h h h m v g − = −   ( ) ( 1 ) 3 6 4 h m h h m h Q v g HRSG − = − =   Super- aquecedor Evaporador Economizador Temperatura Gases de Exaustão Fluxos 5 4 6 1 2 3 Pinch point Exercícios Brayton: T1 = 300 K (15C) p1 = 100 kPa T3 = 1600 K r = 15 T = 0,85 mg = 50 kg/s cp = 1,005 kJ/kg.K Rankine: caldeira de recuperação Vapor a 3 MPa e 500C Pinch-point: 10C Considerando as condições de entrada do ar: 300K e 100 kPa (1 bar) Exercícios No compressor: 𝑝2 𝑝1 = 15 ∴ 𝑝2 = 1500 𝑘𝑃𝑎 Como não se menciona nenhuma perda de carga no combustor, a pressão dos gases na entrada da turbina será: 𝑝3 = 𝑝2 = 1500 𝑘𝑃𝑎 Brayton: T1 = 300 K (15C) p1 = 100 kPa T3 = 1600 K r = 15 T = 0,85 mg = 50 kg/s cp = 1,005 kJ/kg.K Rankine: caldeira de recuperação Vapor a 3 MPa e 500C Pinch-point: 10C Após a expansão, a pressão de saída dos gases da turbina será a de entrada no compressor, suposta como 100 kPa. Considerando a expansão isoentrópica na turbina: 𝑇4𝑠 𝑇3 = 𝑝4 𝑝3 𝑘−1 𝑘 ∴ 𝑇4𝑠 = 𝑇3 𝑝4 𝑝3 𝑘−1 𝑘 = 1600 ∗ 100 1500 0,4 1,4 = 738,06 𝐾 Considerando as condições de entrada do ar: 300K e 100 kPa (1 bar) Exercícios 𝜂𝑇 = ሶ𝑊𝑟𝑒𝑎𝑙 ሶ𝑊𝑖𝑠𝑜𝑒𝑛𝑡 = ሶ𝑚𝑔 ∗ 𝑐𝑝∗ 𝑇3 − 𝑇4 ሶ𝑚𝑔 ∗ 𝑐𝑝∗ 𝑇3 − 𝑇4𝑠 𝑇4 = 𝑇3 − 𝜂𝑇 𝑇3 − 𝑇4𝑠 = 1600 − 0,85 ∗ 1600 − 738,06 = 867,35 𝐾 Brayton: T1 = 300 K (15C) p1 = 100 kPa T3 = 1600 K r = 15 T = 0,85 mg = 50 kg/s cp = 1,005 kJ/kg.K Rankine: caldeira de recuperação Vapor a 3 MPa e 500C Pinch-point: 10C Com a eficiência isoentrópica da turbina: Considerando as condições de entrada do ar: 300K e 100 kPa (1 bar) Exercícios Os gases de exaustão serão aproveitados em uma caldeira de recuperação que irá produzir vapor a 30 bar e 500 C. Nessa condição, o vapor sairá superaquecido, com entalpia de 3456,5 kJ/kg.K. Brayton: T1 = 300 K (15C) p1 = 100 kPa T3 = 1600 K r = 15 T = 0,85 mg = 50 kg/s cp = 1,005 kJ/kg.K Rankine: caldeira de recuperação Vapor a 3 MPa e 500C Pinch-point: 10C O processo de saturação ocorrerá à pressão de 30 bar (3MPa) e pela tabela de propriedades do vapor, a temperatura é de 233,9C. Com o pinch-point de 10C, a temperatura de saída dos gases será de 243,9C (516,9 K). Super- aquecedor Evaporador Economizador Temperatura Gases de Exaustão Fluxos 5 4 6 1 2 3 Pinch point Considerando as condições de entrada do ar: 300K e 100 kPa (1 bar) Exercícios O calor fornecido pelo gases de exaustão será: Brayton: T1 = 300 K (15C) p1 = 100 kPa T3 = 1600 K r = 15 T = 0,85 mg = 50 kg/s cp = 1,005 kJ/kg.K Rankine: caldeira de recuperação Vapor a 3 MPa e 500C Pinch-point: 10C Considerando que o calor foi integralmente transferido para a corrente de água da caldeira de recuperação e que na entrada do evaporador tem-se líquido saturado à temperatura de saturação (233,9ºC), cuja entalpia é 1008,4 kJ/kg.K: ሶ𝑄𝑔 = ሶ𝑚𝑔 ∗ 𝑐𝑝 ∗ 𝑇4 − 𝑇5 = 50 ∗ 1,005 ∗ 867,35 − 516,9 = 17610,11 𝑘𝑊 ሶ𝑄𝑔 = ሶ𝑄𝑣 = ሶ𝑚𝑣 ℎ3 − ℎ2 Super- aquecedor Evaporador Economizador Temperatura Gases de Exaustão Fluxos 5 4 6 1 2 3 Pinch point Considerando as condições de entrada do ar: 300K e 100 kPa (1 bar) Exercícios Brayton: T1 = 300 K (15C) p1 = 100 kPa T3 = 1600 K r = 15 T = 0,85 mgases = 50 kg/s cp = 1,005 kJ/kg.K Rankine: caldeira de recuperação Vapor a 3 MPa e 500C Pinch-point: 10C Logo: Super- aquecedor Evaporador Economizador Temperatura Gases de Exaustão Fluxos 5 4 6 1 2 3 Pinch point ሶ𝑚𝑣 = ሶ𝑄𝑔 ℎ3 − ℎ2 = 17610,11 3456,5 − 1008,4 = 7,2 𝑘 Τ 𝑔 𝑠 Considerando as condições de entrada do ar: 300K e 100 kPa (1 bar) Exercícios