Sistemas de potência a vapor

PROJETO FINAL DA DISCIPLINA DE                                                          SISTEMA DE POTÊNCIA A VAPOR

Resumo: Este trabalho tem como objetivo realizar a modelagem termodinâmica da Usina Elétrica a Gás de Araucária (UEGA). A UEGA utiliza gás natural fornecido pela COMPAGAS como combustível e funciona através de um ciclo combinado Brayton e Rankine. Os cálculos das tubulações dos trocadores de calor foram feitos com base na norma ANSI.B.36.10 e também em dados reais de outras plantas termelétricas similares. As propriedades termodinâmicas dos pontos envolvidos nos ciclos foram encontradas através do software EES. Ao final analisou-se o custo de operação da turbina.

Palavras-chave: Sistemas de potência a vapor, Ciclo Rankine, Ciclo Brayton, Modelagem termodinâmica.

1. INTRODUÇÃO

A oferta de energia tem sido motivo de preocupação para diversos países. No Brasil, segundo o Ministério de Minas e Energia, em 2014 houve uma oferta interna de energia de 305,6 Mtep (milhões de toneladas equivalente de petróleo), 3,1% superior ao ano de 2013. Desse total, a maioria (60,6%) de fontes não renováveis, entretanto, a proporção na oferta de energias renováveis no Brasil tem sido superior a proporção ofertada no Mundo. Esses dados podem ser observados na Fig. (1).

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Figura 1. Oferta interna de energia no Brasil em 2014 (%) (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2015).

Ao se falar da geração de energia elétrica, a supremacia é da origem hidráulica, seguida pelo gás natural e biomassa Fig. (2). Segundo o Ministério de Minas e Energia, a utilização do gás natural teve um crescimento de 9,3% em 2014, devido ao aumento do seu uso na geração de energia elétrica.

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Figura 2.  Oferta de potência de energia elétrica em 2014 no Brasil (MINISTÉRIO DE MINAS E ENERGIA, 2015).

Observando as fontes de energia em utilização no Brasil, bem como o potencial de crescimento das mesmas, é possível destacar a importância da geração termelétrica. Uma usina termelétrica é toda aquela que transforma energia térmica em energia elétrica, como por exemplo, a Usina Elétrica a Gás de Araucária (UEGA) controlada pela Companhia Paranaense de Energia (COPEL). A UEGA, objeto deste trabalho, consiste em um ciclo combinado de Rankine e Brayton. A planta de potência desta usina é apresentada na Fig. (3).

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Figura 3. Planta de potência da Usina Elétrica a Gás de Araucária (UEGA).

Ar atmosférico entra no compressor do ciclo Brayton (ponto 1) a pressão atmosférica e a 25 ºC, e sai após o processo de compressão (ponto 2) a 13,34 bar. Após a queima do gás natural, fornecido pelo COMPAGÁS, os gases de exaustão saem da turbina a gás à pressão atmosférica (ponto 4). A turbina a gás produz uma potência de 160 MW e sua eficiência isentrópica é de 88%. Enquanto que o compressor opera com uma eficiência isentrópica 84%. Os gases quentes ao trocarem calor com os superaquecedores e caldeiras do ciclo Rankine saem à pressão atmosférica e a 95 ºC (ponto 24).

Vapor superaquecido entra na turbina de alta pressão (ponto 5) a 105 bar e 600 ºC. Vapor vindo do superaquecedor de pressão intermediária (ponto 13) está a 400 ºC e a vazão neste ponto é de 12% da vazão do ponto 5. A pressão da turbina de baixa pressão é de 5 bar e a pressão do condensador é de 10 kPa. As turbinas a vapor operam com eficiências isentrópicas de 90% e as bombas com 80%. A potência líquida do ciclo de potência a vapor é de 50 MW. A água de arrefecimento da torre de resfriamento entra no condensador a 30 ºC e sai a 45 ºC.

Será considerado que a planta opera 24 horas por dia e possui duas paradas para manutenção. Cada parada dura uma semana.

Com esses dados, este trabalho tem como objetivo analisar a planta de potência da UEGA, conforme apresentada, com o auxílio do software EES. Esta análise consistirá no balanço estequiométrico da queima do gás natural, determinação da temperatura adiabática da chama, cálculos relativos aos ciclos Brayton, Rankine e do trocador de calor, dimensionamento da tubulação, cálculo da velocidade do fluído, cálculo da vazão da torre de resfriamento, e cálculo relativo ao trocador de calor.

1. METODOLOGIA

O trabalho iniciou-se com o balanço estequiométrico da queima do gás natural e a determinação da temperatura adiabática da chama, na qual permitiu realizar completamente os cálculos relativos ao ciclo Brayton. O passo seguinte foi o encontro das propriedades de todos os pontos do ciclo Rankine, inclusive a vazão mássica. A seguir, dimensionou-se a tubulação e calculou-se a velocidade do fluído. Com todos os dados já conhecidos e com determinadas considerações, realizou-se o cálculo relativo ao trocador de calor. Para a torre de resfriamento, encontrou-se a vazão mássica que a mesma deve fornecer ao condensador. Por fim, encontrou-se a vazão mássica de combustível e o custo diário, mensal e anual de operação da planta de potência em estudo.

A seguir será apresentada a metodologia para cada uma dessas etapas, indicando, quando necessário, as considerações realizadas. Foi utilizado como ferramenta o software EES, do qual retirou-se os resultados apresentados na sequência. Por finalidade acadêmica, algumas etapas foram também calculadas manualmente, e para agilizar o encontro das propriedades termodinâmicas, utilizou-se o software Computer-Aided Thermodynamic Tables, versão 3.

1. Balanço Estequiométrico e Temperatura Adiabática da Chama

A temperatura dos gases na saída da câmara de combustão é uma variável importante do ciclo Brayton, sendo assim, fez-se necessário o cálculo da temperatura adiabática de chama. Para isto foi necessário realizar um balanço estequiométrico da queima do gás natural fornecido pela COMPAGAS que possui a seguinte composição:

Tabela 1. Composição média do gás natural distribuído pela COMPAGAS.

Elemento	Quantidade [%]
Metano Etano Propano Butano e + Pesados Nitrogênio Dióxido de Carbono	89,11% 5,87% 1,86% 1,06% 0,91% 1,17%

Com a informação da composição do gás natural foi realizado o cálculo de balanço estequiométrico, conforme a Eq. (1).

  [pic 4] (1)

Onde “a”, “b”, “c”, “e” e “f” são coeficientes estequiométricos que devem ser encontrados através do balanço da reação de combustão e nexc é um coeficiente referente à quantidade em excesso de ar teórico.