Termodinamica

TERMODINÂMICA APLICADA

Introdução

As centrais de ciclo combinado são um conceito relativamente recente no panorama nacional bem como no europeu, que vem dar à produção de electricidade uma nova eficiência na ordem dos 55,4%, podendo mesmo chegar aos 57,2% ISO, vamos por isso objectivamente estudar o conceito de ciclo combinado, que é constituído principalmente pela turbina a gás, recuperador de calor (HRSG), turbina a vapor e finalmente o gerador eléctrico que é comum a ambas turbinas. Para uma melhor compreensão iremos fazer uma descrição do equipamento e do respectivo modo de funcionamento da central bem como da turbina de gás (Ciclo de Brayton) do recuperador de calor e da turbina de vapor (Ciclo de Rankine).

Central Ciclo Combinado na Tapada do Outeiro

A Central de ciclo Combinado na Tapada do Outeiro, com uma potência instalada de cerca de 1000 MW está situada a cerca de 18 km da cidade do Porto e implantada na margem norte do rio Douro, tendo sido a primeira central de turbina a gás de ciclo combinado em Portugal. É constituída por três grupos autónomos, e cada um deles com uma potência nominal de 330MW. Cada grupo é constituído por uma turbina a gás e uma turbina a vapor, colocados no mesmo eixo ligado a um gerador de electricidade, sendo a turbina a gás e a turbina a

vapor “separadas” por um sistema de embraiagem. O vapor que alimenta a turbina é produzido num gerador de vapor por recuperação de calor – HRSG, sem queima adicional, que recupera uma parte significativa da energia térmica dos produtos da combustão à saída da turbina a gás. Os três blocos apenas têm em comum o sistema de bombagem e tratamento de águas. Os três blocos foram equipados com a turbina a gás V94.3A da Siemens permitindo rendimentos na ordem dos 55,4% podendo chegar aos 57,2%. Tendo sido construída através de uma join-venture de nome Turbogás Produtora SA, da qual faz parte a Siemens, a central é alimentada através de um

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gasoduto proveniente de Mahgreb e Argélia tendo esta uma importância acrescida. É necessário frisar que esta turbina a gás pode também utilizar como combustível o gasóleo. O primeiro bloco de 330MW foi posto a trabalhar em Março de 1998 tendo sido a inauguração do terceiro bloco, e conclusão da central em Maio de 1999.

Funcionamento

Devido ao facto da central da Tapada utilizar uma primeira versão da turbina agás V94.3A bi-fuel (gasóleo ou gás), o rendimento é afectado em cerca de 1,8% em relação as V94.3A modernas. Para ligar a turbina a gás, o gerador eléctrico é usado como motor para pôr a turbina em rotação, através do veio de ligação, como

se pode ver pela figura. Entre o gerador e a turbina a vapor, a embraiagem é desacoplada a fim de não transmitir rotação à mesma. A turbina a gás é ligada em ciclo simples, O gás é injectado na câmara de combustão da turbina a gás onde se junta com o ar atmosférico, comprimido pelo compressor ocorrendo a combustão, sendo que os gases de escape, com cerca de 579o começam a aquecer as tubagens da caldeira de recuperação de calor (HRSG), produzindo vapor. Uma vez que a produção de vapor começa, a turbina a vapor é posta a funcionar e acelerada até atingir as 3000 rpm, sendo que nessa altura é acoplada automaticamente ao veio de ligação com a turbina a gás, através da embraiagem. Finalmente, o vapor libertado pelas turbinas a vapor é arrefecido com água captada do rio Douro e condensado num condensador que opera em vácuo.

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Turbina

Em 150 a.C., um matemático grego de nome Hero, inventou a Eolípia. Este era ao ser disposto em cima de uma panela a ferver, começou a rodar podendo ser classificado, como o primeiro motor a vapor. A primeira turbina a gás só veio a ser produzida em França por Charles Lemale em 1901 sendo que em 1906 conseguiu a “proeza” de atingir um rendimento térmico de 4,5%. Só em 1914, através de Charles Curtis, foi apresentado a primeira aplicação de uma

turbina a gás para a produção de electricidade tendo esta, evoluindo substancialmente durante a 1ª e 2ª Guerra Mundial e abrangendo diversos campos, desde a aeronáutica em 1939, pela empresa de Ernest Heinkel até ao campo bélico e industrial. As turbinas a gás são máquinas de combustão interna, ou seja, a mistura de gases resultantes da queima de combustível é o fluído de trabalho que escoa no interior da máquina através da conversão da energia do combustível em potência no eixo. Esta conversão dá-se através da expansão dos gases com alta pressão e temperatura que se expandem na turbina, sendo mantidos estáveis através do controlo da relação ar/combustível. Podem ser constituídas por vários andares (alta pressão, média pressão e baixa pressão) sendo que cada andar da turbina tem uma configuração contrária ao do compressor e consiste num disco fixo de palhetas fixas seguido do rotor com palhetas móveis. De referir que parte da energia da turbina é aproveitado para alimentar o compressor. A turbina a gás tem uma rotação mínima para funcionamento, abaixo da qual não consegue manter o seu ciclo. Essa rotação mínima é muito maior que num motor de combustão interna habitual (Otto) sendo a rotação máxima superior. Se uma turbina estiver a operar isoladamente (ciclo simples), como nas aeronaves, a sua

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eficiência térmica é baixa sendo 66% do calor gerado pela queima do combustível desperdiçado nos gases de exaustão. As turbinas evoluíram substancialmente com o aparecimento das ligas de elevada capacidade refractária compostas por cobalto, níquel, crómio entre outras, sendo um exemplo disso, o aço inoxidável. De facto, a eficiência da turbina é substancialmente limitada devido a temperatura de contacto entre os materiais de que é composta a turbina e a temperatura dos produtos de combustão. Para aumentar esta eficiência seria necessária fazer com que a temperatura dos gases de combustão fosse o mais elevado possível obtendo-se assim uma maior entalpia. Actualmente, com o surgimento de novos materiais cerâmicos, conhecidos pela elevada capacidade refractária e resistência `a corrosão e a evolução dos meios de fabrico de formas complexas, para aplicação nas pás da turbina, pode se afirmar que no futuro, a eficiência das centrais com turbina a gás tende a aumentar podendo esta vir a ser uma preferência predominante na produção de electricidade em Portugal e noutros países “não nucleares”, ao manter-se a actual fraca evolução no campo das energias renováveis.

Compressor

É o componente da turbina a gás onde o fluído de trabalho é pressurizado, adquirindo calor. Podem ser do tipo radial ou centrífugo e do tipo axial. Para uma mesma potência, o tipo radial fornece uma pressão maior

quando comparado com o tipo axial. Para as turbinas a gás, os compressores do tipo radial são mais adequados para sistemas de pouca potência (turbina de pequeno porte até 500kW), sendo compactas e mais fáceis de serem construídos mas com menor rendimento, enquanto os compressores do tipo axial são destinados a potências maiores (centrais termoeléctricas e aeronaves), possuindo um maior número de estágios para a mesma relação de pressão.

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Para um bom funcionamento da turbina a gás é necessária uma compressão de uma grande quantidade de ar através de um número mínimo de andares, mantendo uma elevada eficiência e estabilidade aerodinâmica com vista a um bom rendimento sendo a que se deve também uma elevada potência para o peso específico do equipamento. Um andar consiste num disco fixo (stator) e num disco em rotação (rotor), ambos com lâminas. As lâminas do rotor convertem a energia mecânica de rotação em energia cinética do ar, e conseguinte um aumento da velocidade do ar e da pressão. O disco fixo vai reduzir a velocidade do ar, convertendo essa velocidade numa pressão estática mais elevada.

Câmara de Combustão

Na câmara de combustão é onde ocorrem as condições mais severas de temperatura e pressão, na turbina a gás, situando se a temperatura máxima na zona de combustão

entre os 1800o e os 2000oC. O volume da câmara de combustão é pequeno em relação à taxa de calor libertada porque a combustão é realizada a pressões muito altas. Em turbinas aeronáuticas, este volume pode ser apenas 5% do volume necessário numa caldeira, por exemplo, com uma maior taxa de libertação de calor. A queima deve ser feita com uma mínima perda de pressão (a pressão constante) e com libertação máxima de calor sendo o combustível, injectado directamente nos queimadores onde é misturado com uma percentagem de ar proveniente do compressor.

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O ar que sobra da queima, é um dos factor determinantes na eficiência da combustão, pois é através dele que se controla a temperatura dos gases de combustão, que irão para a turbina. Assim um valor óptimo de excesso de ar permite uma combustão mais completa, dentro da faixa de temperatura com que a turbina consegue lidar. Assegura também uma redução na emissão de NOx e de monóxido de carbono, nocivo para o meio ambiente. As câmaras de combustão podem ser internas, do tipo tubular, tubo anelar ou anelares externas. As câmaras internas são mais eficientes, mais compactas, no caso da anelar e possuem uma melhor distribuição de temperatura e maior duração. As câmaras de combustão externas queimam um amplo tipo de combustível e são de

piores na distribuição da temperatura, mas mais adequadas para turbinas industriais.

Filtro de ar

O filtro de ar protege o sistema de sucção de ar da turbina. Serve para proteger a turbina dos efeitos da contaminação do ar ambiente (abrasão, depósitos de fuligem, corrosão) e evitar a entrada de corpos estranhos no sistema.

Desaerificador

O desaerificador é um componente usado sobretudo para a remoção de ar e outros gases misturados, no caudal de alimentação de água para a caldeira. Para evitar a corrosão no sistema, o oxigénio e o dióxido de carbono deve ser retirado para que não se formem óxidos (ferrugem e ácido carbónico). Existem dois tipos básicos de desaerificadores: tipo cascada (fig.11) e tipo spray, podendo ser montados horizontalmente ou verticalmente.

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O sistema de desaerificadores, na maior parte das centrais térmicas, utiliza vapor a baixa pressão proveniente de “picagens” na turbina de vapor. Em muitos desaerificadores, são adicionados reagentes a fim de remover todos os vestígios de oxigénio que não são removidos, sendo o mais utilizado, sulfito de sódio (Na2SO3). É altamente eficaz, sendo que o produto da reacção é o sulfato de sódio Na2SO4

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Comparação entre o Ciclo Ideal e o Ciclo Real

Ciclo Ideal de Brayton

Um ciclo ideal compreende quatro estágios fundamentais: 1- Processo isentrópico: o ar é aspirado pelo compressor, onde é comprimido. 2- Processo Isobárico: o ar comprimido à saída do compressor passa através de uma câmara de combustão, ocorrendo a injecção de combustível e a sua combustão. O ar neste estágio é aquecido a uma pressão constante. 3- Processo isentrópico: o ar aquecido e pressurizado expande-se na turbina provocando trabalho, sendo parte dele aproveitado para accionar o compressor. 4- Processo isobárico: o ar sai da turbina, possuindo este um valor de temperatura menor devido à sua expansão anterior na turbina.

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Ciclo real de Brayton

No ciclo real as maiores diferenças face ao ideal são o facto de não existirem processos isentrópicos no real sendo que se pode considerar a turbina e o compressor quase adiabáticos não reversíveis, para além de uma perda de pressão na câmara de combustão devido as perdas de carga. Pode-se referir por isso que as diferenças entre o ciclo teórico e real devem-se essencialmente as irreversibilidades existentes na compressão e expansão.

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Cálculos

Turbina a gás

Cálculo do rendimento isentrópico do compressor e da turbina

Cálculo do rendimento isentrópico do compressor:

Razão ou taxa de compressão

Dados da Turbina Siemens V94.3A Taxa de compressão = 1:15 Taxa de expansão = 1:8 rp compressor = 15 rp turbina = 8 Θ1 =25oC+273.15 Θ2 =400oC+273.15

Considerando o ar um gás perfeito ϒAr =1.4

⇔T1=298.15 K ⇔T2=673.15 K

Entrada do compressor Saída do compressor Entrada da turbina Saída da turbina ⇔

Θ3 =1160oC+273.15 ⇔T3=1433.15 K Θ4 = 571o +273.15 ⇔T4=852.15 K ⇔

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Cálculo do rendimento isentrópico da turbina:

Taxa de expansão = 1:8

Sendo que T4s é proveniente do prospecto: ⇔ ⇔

Cálculo do excesso de ar

Tendo como base de cálculo 1kmol de metano e assumindo uma perda de carga no compressor de 10%. Equação estequiométrica simples:

Equação estequiométrica completa:

Balanço energético à câmara de combustão

⇔ Entalpia Molar do Metano

⇔

⇔

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Em que o valor de N é o número de moles de água nos reagentes e o valor de hfg é o valor da entalpia de vaporização da água à temperatura especificada. Entalpia Molar do Ar

O valor da

temperatura T2é a temperatura à saída do compressor enquanto a temperatura T0 é a temperatura para qual é calculado o valor de PCS, ou seja, a temperatura de referência (14oC=287,15K). O valor de x é a incógnita a determinar, ou seja o número de moles de ar. Entalpia Molar do CO2

Para o cálculo do valor da entalpia do CO2 à entrada na turbina e da entalpia do CO2 nas condições iniciais vamos utilizar o GASPROPS (opção 6.) como sabemos o valor da temperatura e pressão à entrada na turbina (3) e na entrada da câmara de combustão (0) os valores das entalpias são:

Entalpia Molar do H2O

Para o cálculo do valor da entalpia do H2Oà entrada na turbina e da entalpia do H2O nas condições iniciais vamos utilizar o GASPROPS (opção 7.) como sabemos o valor da temperatura e pressão à entrada na turbina (3) e na entrada da câmara de combustão (0) os valores das entalpias são:

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Entalpia Molar do N2

Para o cálculo do valor da entalpia do N2à entrada na turbina e da entalpia do N2 nas condições iniciais vamos utilizar o GASPROPS (opção 3.) como sabemos o valor da temperatura e pressão à entrada na turbina (3) e na entrada da câmara de combustão (0) os valores das entalpias são:

Entalpia Molar do O2

Para o cálculo do valor da entalpia do O2à entrada na turbina e da entalpia

do O2 nas condições iniciais vamos utilizar o GASPROPS (opção 4.) como sabemos o valor da temperatura e pressão à entrada na turbina (3) e na entrada da câmara de combustão (0) os valores da entalpia são:

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Cálculo do número de moles de ar (x):

⇔

de ar

O valor 9,5238 kmol é o número de moles necessárias para se dar a combustão ou por outras palavras é o valor estequiométrico de ar necessário.

Cálculo da potência produzida pela turbina e consumida no compressor e o rendimento global da turbina a gás

Potência produzida pela turbina

Para o cálculo do valor da entalpia dos produtos da combustão à entrada e saída da turbina vamos utilizar o GASPROPS (opção 9.) como sabemos o valor da temperatura e pressão à entrada e saída da turbina (3 e 4 respectivamente) os valores das entalpias são:

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Potência consumida pelo compressor

Para o cálculo do valor da entalpia dos produtos da combustão à entrada e saída do compressor vamos utilizar o GASPROPS (opção 9.) como sabemos o valor da temperatura e pressão à entrada e saída do compressor (1 e 2 respectivamente) os valores das entalpias são:

Rendimento global da turbina a gás

⇔

Comparação do rendimento Global com o rendimento do ciclo Brayton

O ciclo ideal de um motor de turbina a gás moderno é o ciclo de Brayton, que se caracteriza por ser composto por quatro processos internamente reversíveis já enunciados atrás. O rendimento térmico do ciclo é dado pela expressão abaixo onde representa a razão ou taxa de compressão, calculada anteriormente atrás por .

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Comparando temos:

Comparação do rendimento global com o rendimento do ciclo de Carnot O ciclo mais eficiente que funciona entre uma fonte quente à temperatura TQ e uma fria à temperatura TF .O ciclo de Carnot, sendo o seu rendimento térmico:

Comparando temos:

Conclusões sobre os resultados obtidos:

Os resultados obtidos com o cálculo dos rendimentos isentrópicos no compressor e na turbina, permite-nos numerar as irreversibilidades que ocorrem quer na turbina quer no compressor e como estes rondam os 100%, o que significa que as irreversibilidades não têm muita influência nestes dois componentes. Dado que o ar é um fluído viscoso podemos afirmar que a expansão e compressão, sendo um processo adiabático, não é reversível. O rendimento isentrópico do compressor indica a razão entre o trabalho real que o compressor realiza com o trabalho que o mesmo poderia realizar, considerando esse

trabalho isentrópico, possuindo uma entropia constante (trabalho ideal de Joule). Os valores que foram obtidos no trabalho real e no trabalho ideal do compressor indicam-nos que a taxa de compressão é suficientemente alta para que a temperatura isentrópica se aproxime da temperatura ideal, sendo diferenciadas em apenas 1,8 o C entre elas. Na turbina, o rendimento isentrópico, refere-se à razão entre o trabalho isentrópico com o trabalho real. A taxa de expansão utilizada, neste caso 1:8 poderá ser considerada óptima para as temperaturas indicadas, pois o rendimento aproxima-se dos 100%. Também se poderá referir que a turbina tem oito estágios na expansão do ar, sendo que o aumento da taxa de expansão leva a uma diminuição da temperatura dos gases à saída da turbina, o que irá fazer com que o trabalho real aumente.

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Recuperador de calor (HRSG)

Circuito de gases e de água-vapor

Gases Reaquecedor Temperaturas Entrada 579,00 (⁰C) Saída 90,00 Entrada 170,99 Pressões(kPa) Saída 101,33 Caudais Entrada 629,00 mássicos(kg.s⁻¹) Saída 629,00 360,00 550,00 3050,00 2910,00 69,11 82,69 Alta Pressão 233,00 550,00 11330,00 11330,00 70,11 Média Baixa PréPressão Pressão aquecedor 60,00 319,00 233,00 147,91 450,00 3030,00 450,00 450,00 8,00 13,61 9,11 8,00

Potência térmica libertada

pelos gases no recuperador de calor

Através do GASPROS (opção 9.) conseguimos saber qual a entalpia dos gases à saída da turbina e por consequência à entrada do recuperador de calor (HRSG).

Potência térmica adquirida pelo circuito água-vapor no interior do gerador de vapor (HRSG)

Potência térmica adquirida pelo reaquecedor

Para o cálculo da potência térmica do reaquecedor é necessário fazer um balanço energético porque o vapor que provém do sobreaquecedor de média pressão vai entrar neste circuito logo não sabemos qual é a entalpia logo após a sua entrada. Neste caso o índice A corresponde ao ponto antes da mistura do vapor que vem do circuito IP, índice C corresponde ao ponto que provém do circuito IP e o índice B é o ponto que vai entrar no HRSG.

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⇔

Índice A corresponde à cor vermelha Índice B corresponde à cor laranja Índice C corresponde à cor preta

Potência térmica adquirida pelo circuito de alta pressão

Este circuito é alimentado pela BOILER FEEDWATER PUMP assim com o circuito de média pressão, temperatura de entrada neste circuito é a temperatura de saturação da água a pressão de 450 kPa (pressão do circuito de baixa pressão) e a pressão que está submetido é a pressão de saída do HRSG, ou seja, 11330 kPa.

Potência térmica adquirida pelo circuito de

média pressão Como já foi referido acima o valor da temperatura à entrada deste circuito é a temperatura de saturação da água a 450kPa (pressão do circuito de baixa pressão) enquanto a pressão de entrada irá ser a mesma de saída, ou seja, 3030 kPa.

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Potência térmica adquirida pelo circuito de baixa pressão

O mesmo se passa com o circuito de baixa pressão enquanto este circuito é alimentado pela água que provém do PREHEAT, que neste caso vai funcionar como economizador deste circuito, por isso a temperatura e pressão de entrada são respectivamente a temperatura de saturação a 450kPa ao qual corresponde o valor da pressão deste circuito.

Potência térmica adquirida pelo PREHEAT

Neste caso a temperatura de entrada será a temperatura de saída do condensador que pode variar entre 60 a 120oC, no nosso caso optamos pela utilização da temperatura mais baixa porque assim a potência térmica adquirida por este circuito irá ser maior. Enquanto a pressão deste circuito será a pressão de 450kPa (por efeito da CONDENSATE EXTRACTION PUMP).

Potência térmica dissipada pelos fumos na chaminé

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Turbina de Vapor

Cálculo da potência produzida por cada um

dos corpos

Corpo de alta pressão(HP) Para o cálculo da potência produzida pela turbina de alta pressão é necessário saber as condições do vapor sobreaquecido à entrada e saída da turbina e também o caudal mássico que atravessa a turbina.

Corpo de média (IP) e baixa (LP) pressão Como não conhecemos as condições à saída da turbina de média pressão teremos que calcular a potência produzida pela turbina de média pressão (condições à entrada) junto com a turbina de baixa pressão (condições à saída). Para esses cálculos termos que conhecer as propriedades do vapor à entrada na turbina de média e as propriedades da do vapor (que neste caso será mistura) à saída da turbina de baixa pressão.

Para o cálculo das condições à saída (LP) temos primeiro que fazer um balanço energético ao condensador para assim determinar o valor da entalpia a entrada do condensador (ou saída da turbina LP). Pelo Diagrama de Sankey sabemos: ⇔ ⇔

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⇔ ⇔

Potência transmitida ao veio Finalmente a potência transmitida ao veio pela turbina de vapor é igual à soma das potências do corpo de alta pressão e dos dois corpos de média e baixa pressão.

Título do vapor à entrada do condensador

Em que o valor de hf é o valor da entalpia na linha de líquido saturado e hg é a entalpia na linha de vapor

saturado, ambas à pressão de 4.8 kPa.

Global

A central produz energia eléctrica a partir de gás natural, utilizando a tecnologia de ciclo combinado a qual assenta na conjunção do funcionamento simultâneo de uma turbina a gás e de uma turbina a vapor acopladas pelo mesmo veio ao alternador, sendo a turbina a gás responsável por 2/3 da potência total produzida e a turbina a vapor pela restante. O ciclo de gás compreende fundamentalmente a turbina a gás, na qual se integra o compressor de ar, a câmara de combustão, os queimadores e a própria turbina, e pela caldeira recuperativa por onde circula os gases provenientes da evacuação da turbina antes de serem emitidos para a atmosfera através da chaminé. O ciclo de água-vapor compreende a caldeira recuperativa, por onde circula a água para a produção de vapor, a turbina a vapor e o condensador. Os gases resultantes da combustão do gás natural expandem-se através das pás da turbina a gás, colocando-a em rotação e atravessam a caldeira recuperativa onde cedem o Lisboa, 24 de Novembro de 2010 22

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calor residual ou latente para produzir vapor de água, o qual vai accionar a turbina a vapor. O vapor que sai da turbina é condensado por arrefecimento no condensador, sendo a água reencaminhada para a caldeira para ser novamente vaporizada, completando o ciclo águavapor.