Geração Termo Hidraulica II

Geração Termo Hidraulica II

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Apostila de

Geração Termo- hidráulica Parte I

Prof. D.Sc. Cláudio de Castro Pellegrini Prof. M.Sc. Luis Antônio Scola

Agradecimentos

Agradecemos à GE Aircraft Engines Division, na pessoa do Engenheiro

Mauro C. Pellegrini, pela permissão para utilizar as imagens das turbinas a gás de fabricação da GE incluídas neste trabalho. Agradecemos também pela doação dos cartazes, das palhetas de turbina e dos diversos encartes ilustrados utilizados nas aulas expositivas.

Agradecemos ao professor Sérgio Cerqueira, do DEMEC, pelas sugestões, explicações e críticas durante a preparação deste texto. Agradecemos também pelos muitos artigos enviados que, de uma forma ou de outra, terminaram por aumentar nosso conhecimento sobre a matéria e enriquecer o texto. Algumas figuras da parte de turbinas a gás foram diretamente copiadas de suas apresentações de slides. Agradecemos, finalmente, pelo imprescindível auxílio prestado no processo de tornar o presente trabalho disponível via Internet.

Agradecemos ao Professor Francisco Figueiredo, do DCTEF, por ceder sua cópia digitalizada da figura 2.14.

São João del-Rei, março de 2003

Define-se central termoelétrica como o tipo de central geradora que utiliza uma máquina térmica para geração de energia elétrica.

Como já foi dito, diversos tipos de fonte de energia podem ser utilizados nas centrais termoelétricas. Dentre as fontes que são combustíveis destacam-se os derivados do petróleo (óleos combustíveis, gasolina e diesel) o gás de biomassa, o gás de alto-forno, o gás natural, o gás liqüefeito de petróleo (GLP), a madeira, o bagaço de cana, o álcool, os derivados de xisto, o carvão vegetal ou mineral. Nas usinas nucleares, os combustíveis são elementos pesados, como o Urânio, o Plutônio, o Tório e outros que, por um processo de fissão nuclear, liberam energia calorífica. Outras fontes e energia possíveis para as centrais termoelétricas são as altas temperaturas no interior da Terra e o Sol. Nas centrais geotérmicas o calor contido na água ou na rocha quentes de profundas camadas do planeta é considerado como combustível num sentido bastante amplo. Nas centrais térmicas solares, a energia solar é utilizada para converter água em vapor e usado para operar uma TV.

Neste texto as fontes geotérmica e Solar serão tratadas em outros capítulos, pois, segundo a classificação apresentada no capítulo 1, são fontes inesgotáveis. A centrais que utilizam energia nuclear serão tratadas no item que aborda após as centrais que utilizam turbinas a vapor

Há diversos critérios segundo os quais as centrais termoelétricas podem ser classificadas. Algumas classificações possíveis são as seguintes:

• quanto ao tempo de esgotamento da fonte • quanto à duração do ciclo de renovação da fonte de energia

• quanto ao tipo de máquina térmica

• quanto ao número de fluidos de trabalho

Elas serão estudadas separadamente a seguir.

1a. classificação: quanto ao tempo de esgotamento da fonte

• Centrais que utilizam fontes inesgotáveis de energia • Centrais que utilizam fontes esgotáveis de energia

2a. classificação: quanto à duração do ciclo de renovação da fonte de energia

• Centrais que utilizam fontes renováveis • Centrais que utilizam fontes não renováveis

Segundo a classificação apresentada no capítulo 1, as fontes de energia podem ser divididas em renováveis e não renováveis, exauríveis e não exauríveis. As definições podem ser aplicadas também às centrais termoelétricas.

3a. classificação: quanto ao tipo de máquina térmica

As centrais a vapor (fig. 4.1) são aquelas em que a água vaporizada num equipamento denominado gerador de vapor impulsiona uma turbina a vapor. Nas centrais a gás (fig. 4.2), uma turbina a gás é impulsionada pelos gases provenientes da queima de um combustível. Nas centrais a diesel, o gerador é diretamente acionado por um motor de combustão interna movido a óleo diesel. Em centrais de pequena potência ou de emergência, é possível encontrar MCI movidos a álcool, gasolina, GLP, gás de biomassa, etc. Os componentes das centrais variam bastante dependendo do tipo de central que se está considerando, de modo que cada uma será abordada separadamente.

Fig. 4.1 – Esquema de uma central simples a vapor

Fig. 4.2 – Esquema de uma central simples a gás

4a. classificação: quanto ao tipo de turbinas utilizadas

• Centrais de ciclo convencional • Centrais de ciclo combinado

As centrais de ciclo combinado utilizam TV e TG funcionando em conjunto. Os gases de exaustão da TG são aproveitados no gerador de vapor para a TV.

Fig. 4.3 – Esquema de uma central de ciclo combinado TG-TV

5a. classificação: quanto ao uso do vapor

Nas centrais de cogeração, o vapor é utilizado para outras aplicações além de produzir energia elétrica. Dentre estas pode-se citar processos industriais (aquecimento, limpeza, catalisação de reações químicas, tingimento de tecidos, etc), aquecimento residencial, preparo de alimentos, uso em lavanderias, acionamento de centrais de ar condicionado. Esta classificação não é exclusiva das centrais a vapor. :É possível utilizar uma TG num ciclo de cogeração, extraindo parte do gás para gerar vapor a ser usado em processo.

6a. classificação: quanto ao número de fluidos de trabalho

As centrais de ciclo binário a vapor utilizam dois fluidos de trabalho distintos. Isso se deve ao fato da água não ser o fluido de trabalho ideal em todas as circunstâncias. Torna-se então interessante conjugar características de dois fluidos. Um exemplo bastante difundido são as centrais nucleares, em que se utiliza a água pesada ou Mercúrio (Hg) em contato com o combustível nuclear e a água comum em contato com esta.

O emprego das centrais termoelétricas tem mudado no Brasil muito rapidamente nos últimos anos. Instalações que antes eram utilizadas apenas como centrais de pico, de emergência ou para o atendimento de regiões isoladas agora fazem parte da malha regular de geração de energia elétrica. A causa principal da mudança foi a crise de fornecimento verificada nos anos de 2000-2002, ocasionada pela forte seca ocorrida neste período e pela falta de planejamento e investimento governamental na expansão da malha de geração.

Durante e depois da crise energética, muito foi discutido a respeito de suas causas e conseqüências, em todos os meios de comunicação. Alguns pontos são indiscutíveis. Em primeiro lugar, a seca ocorrida nos anos de 2000-2002 não foi, de forma alguma, sem precedentes. Secas deste tipo têm sido registradas em todas as partes do mundo, independente dos possíveis efeitos de um suposto aquecimento global que estaria em curso. O fato é que a malha de geração poderia e deveria estar preparada para responder a este tipo de ocorrência meteorológica, uma vez que previsões climáticas com este grau de antecipação ainda não são suficientemente confiáveis. Em segundo lugar, também é indiscutível que a criação de impostos emergenciais para debelar a crise nada mais é que oportunismo político, pois nenhum imposto recolhido em tão curto espaço de tempo pode resolver o problema da falta de planejamento. De fato, a forma mais evidente de manter o país livre dos possíveis efeitos de variações climáticas, normais ou anormais, é diversificando as fontes de energia utilizadas. Aparentemente o governo Fernando Henrique Cardoso foi notificado deste fato e, ainda no final de seu mandato, passou a investir na construção de uma série de centrais termoelétricas espalhadas pelo Brasil. Só nos resta esperar que a tendência se mantenha na gestão do presidente Luís Inácio “Lula” da Silva.

4.2. Partes componentes de uma central a vapor

As centrais a vapor são sistemas de conversão de energia altamente complexos. É possível, entretanto, distinguir alguns constituintes principais que estão presentes na maioria das centrais:

Eles serão estudados resumidamente a seguir.

Os geradores de vapor (GV) são os equipamentos responsáveis pelo processo de mudança de fase da água, de líquido para vapor, para atender às demandas industriais. Eles são construídas de acordo com normas ou códigos vigentes em cada país e de forma a melhor aproveitar a energia liberada na queima de um determinado tipo de combustível, que pode ser sólido, líquido ou gasoso, conforme a disponibilidade. Sua estrutura é bastante complexa e diversificada. A nível geral, os GV classificam-se em três tipos:

• Aquotubulares; • Flamotubulares;

Os GV aquotubulares (fig 4.4) tem uso mais abrangente, sendo encontradas desde em pequenas fábricas até em grandes centrais termoelétricas. Nelas, a água a ser vaporizada circula por dentro de tubos. Freqüentemente elas são utilizadas em centrais equipadas com economizadores e superaquecedores (a ser definidos adiante). Devido ao possível uso para a geração de energia elétrica este tipo de GV receberá mais ênfase no texto que se segue.

Os GV flamotubulares (figs.4.5 e 4.6) têm uso limitado a instalações de pequeno porte, com pressões de até 1,5 MPa (15 bar) e vazão inferior a 15 ton/h de vapor saturado. Neste tipo de caldeira, os gases da combustão é que circulam por dentro de tubos. Sua aplicação é restrita a operações que exijam apenas vapor saturado e elas raramente são usadas para geração de energia elétrica.

Os GV elétricos não serão abordadas neste texto, uma vez que por razões óbvias não se prestam à geração de energia elétrica.

Geradores de vapor modernos e de maior porte são normalmente do tipo aquotubular. Eles são constituídas pelos seguintes componentes, representados na fig. 4.4:

• Fornalha ou câmara de combustão; • Caldeira;

• Economizador;

A fornalha, ou câmara de combustão, é o espaço onde é realizado o processo de combustão. Temperaturas típicas na fornalha variam entre 900 e 1400oC, dependendo entre outras coisas do combustível e de detalhes construtivos.

A região do GV onde ocorre a mudança de fase de líquido para vapor é denominada caldeira. Nos GV aquotubulares, a caldeira é constituída pela parede d’água e pelo tambor separador. A água circula por convecção natural e/ou forçada nas paredes d’água e o vapor formado é acumulado na parte superior do tambor separador, onde a pressão é regulada por pressostatos. As paredes d’água são formadas por tubos dispostos um ao lado do outro revestindo as paredes da fornalha e o tambor separador é um cilindro montado perpendicularmente aos tubos da parede d’água. No meio industrial todo o GV é por vezes (inadequadamente) denominado caldeiras, por simplicidade.

Nos GV aquotubulares, ao sair da caldeira o vapor saturado é encaminhado ao superaquecedor, que consiste de um ou mais feixes de tubos, destinados a aumentar a temperatura do vapor. O reaquecedor é semelhante ao superaquecedor, mas serve para elevar a temperatura do vapor proveniente de estágios intermediários da turbina. Esta é uma medida que visa melhorar a eficiência global do sistema.

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