1.UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBPROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DA ENERGIA Anlise termoenergtica, econmica e ambiental da repotenciao e converso de UTEs com ciclo Rankine para ciclo combinado utilizando turbinas a gs Autor: Washington Orlando Irrazbal BohrquezItajub, Setembro de 2007

2. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DA ENERGIA Anlise termoenergtica, econmica e ambiental da repotenciao e converso de UTEs com ciclo Rankine para ciclo combinadoutilizando turbinas a gsAutor: Washington Orlando Irrazbal Bohrquez Dissertao submetida ao Programa de Ps-graduao em Engenharia da Energia como parte dos requisitos para obteno do Ttulo de Mestre em Cincias em Engenharia da Energia.Setembro de 2007Itajub MG 3. UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB PROGRAMA DE PS-GRADUAO EM ENGENHARIA DA ENERGIADISSERTAO DE MESTRADOAnlise termoenergtica, econmica e ambiental darepotenciao e converso de UTEs com ciclo Rankine para ciclo combinado utilizando turbinas a gs Autor: Washington Orlando Irrazbal Bohrquez Orientador: Prof. Dr. Luiz Augusto Horta Nogueira Co-orientador: Prof. Dr. Electo Eduardo Silva LoraComposio da Banca Examinadora: Prof. Dr. Silvio de Oliveira Jnior Escola Politcnica de So PauloProf. Dr. Zulcy de Souza Universidade Federal de ItajubProf. Dr. Luiz Augusto Horta Nogueira Universidade Federal de ItajubProf. Dr. Electo Eduardo Silva Lora Universidade Federal de Itajub 4. Dedicatria minha me Maria Bohrquez de IrrazbalAo meu pai Lauro Irrazbal Coellos minhas irms Aracely, Ingrid e Teresa Irrazbal BohrquezAo meu cunhado Alfred Eppig s minhas sobrinhas Maria Angelina e Jael Eppig Irrazbal minha famlia toda. 5. Agradecimentos Ao criador Jeov, Deus Todo-poderoso, que d alento, fora e vida a suas criaturas, tanto na terra como nos cus, sem cujo apoio, fortaleza e beno, eu no teria culminado neste perodo de estudos.Aos meus pais, Maria e Lauro Irrazbal, pelo seu apoio, amor, ternura e incentivo para minha formao e desenvolvimento no campo acadmico e humano.Ao meu Orientador, Prof. Dr. Luiz Augusto Horta Nogueira, pela competncia, dedicao, pacincia e amizade demonstrada neste perodo de estudo.Ao meu Co-orientador, Prof. Dr. Electo Silva Lora, pela colaborao, dedicao e amizade demonstrada durante o desenvolvimento do presente trabalho.s minhas irms Aracely, Ingry, Teresita Irrazbal Bohrquez, s minhas sobrinhas Maria Angelina e Jael Elfriede Eppig Irrazbal e ao meu cunhado Alfred Eppig, por estar a meu lado me apoiando e fortalecendo neste perodo da minha vida.Aos meus amigos, Ricardo Aguiar, Luciano Bonaf, Josefina Bernardo, Yasmine Cunha, Fernanda Fortes Westin, Milena Nogueira, Benjamin Varas, Ricardo Carpio, Ramiro Ramrez, Manuel Rendn, Gustavo Ronceros pelo permanente incentivo, colaborao, amizade, momentos de lazer e inesquecvel convvio profissional. Universidade Federal de Itajub representada pelos seus dedicados Professores e Funcionrios, pela oportunidade que me concedeu para a realizao deste trabalho, e aos amigos, pelo convvio profissional. Organizao dos Estados Americanos, atravs do Programa de bolsas, por acreditar na minha formao como um indivduo apto a receber o respectivo apoio financeiro. empresa de gerao termoeltrica Electroguayas e Operman do Equador, por ter acreditado em mim e ter me dado a oportunidade de cumprir os meus sonhos.Ao NEST e seus colaboradores pelo apoio e a disponibilidade de suas instalaes. 6. Em tempo algum, consideres o estudo como uma obrigao, seno como uma oportunidade para ingressar no belo e maravilhoso mundo do saber. 7. Resumo IRRAZBAL, B. W. O. (2007), Anlise termoenergtica, econmica e ambiental darepotenciao e converso de UTEs com ciclo Rankine para ciclo combinado utilizandoturbinas a gs, Itajub, 322p. Dissertao (Mestrado em Engenharia da Energia) Universidade Federal de Itajub. Diversas usinas termoeltricas instaladas nos pases latino-americanos entre os anos 1960 e 1990, tipicamente utilizando leo combustvel, esto funcionando na atualidade com um ciclo termodinmico de baixo rendimento trmico e com reduzido controle de emisses poluentes. O presente trabalho desenvolve um estudo das condies gerais, das diferentes alternativas tecnolgicas e das implicaes da repotenciao dessas unidades, visando essencialmente o incremento da capacidade de gerao instalada e melhorando a eficincia trmica, especialmente mediante o redesenho do sistema trmico convertendo tais unidades para um ciclo combinado. O presente estudo inclui a aplicao do software Gatecycle para a simulao de diferentes configuraes na repotenciao de uma usina termoeltrica real, com ciclo a vapor Rankine com superaquecimento e regenerao, com 73 MW de capacidade, utilizando atualmente leo combustvel, localizada em Guaiaquil, Equador. Entre as alternativas estudadas, se destacou a adoo de gs natural com a introduo de turbinas a gs e caldeiras de recuperao, permitindo incrementar a eficincia global do ciclo dos 27% para aproximadamente 46 a 50%, dependendo da configurao trmica utilizada. Alm disso, foi realizada uma anlise econmica dos custos de produo de energia eltrica e uma avaliao das emisses do poluente CO2, devido mudana de leo combustvel por gs natural, que confirmam o interesse e a viabilidade das mudanas sugeridas. Palavras-chaveGerao de energia eltrica, usinas termoeltricas, repotenciao, ciclo combinado, anlise econmica, avaliao da emisso de CO2. 8. AbstractIRRAZBAL, B. W. O. (2007), Thermo-energetic, economic and environmental analysis of repowering and conversion Thermoelectric Power Plants, with Rankine cycle for combined cycle using gas turbines, Itajub, 322p. Master Dissertation Federal University of Itajub.Several Thermoelectric Power Plants installed in Latin-American countries between the 60s and 90s, most of them using fuel oil, are actually working with low thermal efficiency in its thermodynamic cycle, and reduced control of pollutant emissions. The present work develops an analysis of the general conditions, the existent technological alternatives, and the implications of repowering these units, focusing in increment the essential installed generation capacity and improving the thermal efficiency, especially by redesigning its thermal system, converting such units into a combined cycle. The present study includes developing several applications in Gate Cycle, to simulate different configurations of repowering a real Thermoelectric Power Plant, with Rankine steam cycle, superheating and regeneration, 73 MW of generation capacity, using fuel oil, placed in Guayaquil, Ecuador. Among the analyzed alternatives, it points out adopting natural gas, introducing gas turbines with a heat recovery steam generator, which allows an increase in the cycle global efficiency from 27% to 46 50%, depending on the used thermal configuration. Moreover, it was performed an economical analysis of the electric power production costs, and an evaluation of the reduction in CO2 pollutant emissions, due to the substitution of fuel oil by natural gas, that confirms the benefit and viability of the suggested improvements. Keywords Power generation, thermoelectric power plant, repowering, combined cycle, economic analysis, discharge CO2 evaluation. 9. i SumrioSUMRIO_________________________________________________________________I LISTA DE FIGURAS______________________________________________________ VI LISTA DE TABELAS ______________________________________________________ X SIMBOLOGIA __________________________________________________________XIII LETRAS LATINAS ______________________________________________________XIII LETRAS GREGAS ______________________________________________________XVI SUPERESCRITOS_____________________________________________________ XVIII SUBSCRITOS___________________________________________________________ XX ABREVIATURAS _____________________________________________________ XXIII SIGLAS ______________________________________________________________ XXVI CAPTULO 1 ____________________________________________________________ 29 INTRODUO __________________________________________________________ 29 1.1 Justificativas e motivao ----------------------------------------------------------------------29 1.1.1 Introduo -----------------------------------------------------------------------------------29 1.1.2 Justificativas---------------------------------------------------------------------------------33 1.2 Objetivos------------------------------------------------------------------------------------------33 1.3 Reviso Bibliogrfica ---------------------------------------------------------------------------34 1.4 Estrutura da Dissertao ------------------------------------------------------------------------37 CAPTULO 2 ____________________________________________________________ 40 USINAS TERMOELTRICAS E SUA REPOTENCIAO _____________________ 40 2.1 Descrio de Usinas Termoeltricas ----------------------------------------------------------40 2.1.1 Usinas Termoeltricas com Turbinas a vapor ------------------------------------------40 2.1.2 Usinas Termoeltricas com Turbinas a gs ---------------------------------------------44 2.1.3 Usinas Termoeltricas com Ciclo combinado ------------------------------------------48 10. ii 2.1.4 Tipos de combustveis fsseis utilizados ------------------------------------------------512.1.4.1 leo combustvel ------------------------------------------------------------------512.1.4.2 leo diesel -------------------------------------------------------------------------522.1.4.3 Gs natural -------------------------------------------------------------------------532.1.4.4 Reaes de combusto------------------------------------------------------------55 2.2 Justificativas da Repotenciao de UTE -----------------------------------------------------57 CAPTULO 3 ____________________________________________________________ 60 METODOLOGIAS DE REPOTENCIAO __________________________________ 60 3.1 Aspectos gerais-----------------------------------------------------------------------------------60 3.1.1 Aspectos tcnicos---------------------------------------------------------------------------623.1.1.1 Reutilizao ou substituio dos equipamentos existentes-------------------623.1.1.2 Configurao do novo modelo termodinmico--------------------------------63 3.1.2 Aspectos econmicos ----------------------------------------------------------------------65 3.1.3 Aspectos ambientais -----------------------------------------------------------------------68 3.2 Tecnologias utilizadas---------------------------------------------------------------------------70 3.2.1 Nova planta de potncia -------------------------------------------------------------------72 3.2.2 Ciclo combinado completo----------------------------------------------------------------74 3.2.3 Injeo dos gases de exausto da(s) turbina(s) a gs na caldeira convencionalexistente -------------------------------------------------------------------------------------79 3.2.4 Aquecimento d'gua de alimentao -----------------------------------------------------80 3.2.5 Paralela ou Hbrida -------------------------------------------------------------------------84 3.2.6 Caldeira de leito fluidizado presso atmosfrica -------------------------------------88 3.2.7 Cmara de leito fluidizado pressurizado-------------------------------------------------89 3.2.8 Ciclo combinado com gaseificao ------------------------------------------------------90 3.3 Ferramentas da simulao numrica ----------------------------------------------------------92 3.3.1 Software Gatecycle ------------------------------------------------------------------------92 3.4 Modelagem dos equipamentos de uma planta de potncia com o software Gatecycle -95 3.4.1 Turbina a vapor ----------------------------------------------------------------------------95 3.4.2 Caldeira convencional ---------------------------------------------------------------------98 3.4.3 Condensador ------------------------------------------------------------------------------ 102 3.4.4 Caldeira de recuperao trmica (HRSG) --------------------------------------------- 104 3.4.5 Turbina a gs ------------------------------------------------------------------------------ 111 3.4.6 Bombas ------------------------------------------------------------------------------------ 117 3.4.7 Desaerador--------------------------------------------------------------------------------- 118 11. iii 3.4.8 Aquecedor de superfcie ----------------------------------------------------------------- 119 3.4.9 Avaliao do desempenho de alguns equipamentos --------------------------------- 122 CAPTULO 4 ___________________________________________________________ 125 EXEMPLOS DE REPOTENCIAO DE USINAS TERMOELTRICAS ________ 125 4.1 UTE Tifeo de Roma de 70 MW, Itlia------------------------------------------------------ 125 4.1.1 Configurao trmica antes da repotenciao ---------------------------------------- 126 4.1.2 Configurao trmica depois da repotenciao--------------------------------------- 127 4.1.3 Resultados obtidos da repotenciao--------------------------------------------------- 128 4.2 UTE Valle de Mxico de 300 MW, Mxico ----------------------------------------------- 132 4.2.1 Modelo trmico antes da repotenciao ----------------------------------------------- 133 4.2.2 Desenho trmico depois da repotenciao -------------------------------------------- 133 4.2.3 Melhoras obtidas a partir da repotenciao ------------------------------------------- 135 CAPTULO 5 ___________________________________________________________ 137 ESTUDO DA REPOTENCIAO DA UNIDADE U-2 DA UTE GONZALO ZEVALLOS EM GUAIAQUIL - EQUADOR_________________________________ 137 5.1 Metodologia utilizada ------------------------------------------------------------------------- 137 5.2 Caractersticas atuais da unidade U-2 ------------------------------------------------------- 138 5.2.1 Descrio geral da planta de potncia ------------------------------------------------- 138 5.2.2 Caractersticas dos equipamentos ------------------------------------------------------ 139 5.2.3 Configurao termodinmica existente ------------------------------------------------ 142 5.3 Modelos de repotenciao aplicados na planta de potncia U-2------------------------- 144 5.3.1 Ciclo combinado completo com duas turbinas a gs--------------------------------- 144 5.3.2 Ciclo combinado completo com uma turbina a gs ---------------------------------- 147 5.3.3 Ciclo combinado com injeo de gua na turbina a gs ----------------------------- 149 5.3.4 Ciclo combinado com injeo de vapor na turbina a gs---------------------------- 151 5.3.5 Ciclo combinado em paralelo, queimando gs natural ------------------------------ 153 5.3.6 Ciclo hbrido, queimando leo combustvel e diesel--------------------------------- 155 5.4 Avaliao econmica da gerao de energia eltrica ------------------------------------ 157 5.4.1 Custo da eletricidade gerada ------------------------------------------------------------ 157 5.4.2 Mtodos utilizados na avaliao econmica ------------------------------------------ 1675.4.2.1 Mtodo do valor presente ------------------------------------------------------ 1675.4.2.2 Mtodo do custo capitalizado-------------------------------------------------- 1715.4.2.3 Mtodo do tempo de retorno de capital--------------------------------------- 173 5.5 Avaliao da emisso especfica de CO2 -------------------------------------------------- 173 12. iv CAPTULO 6 ___________________________________________________________ 176 ANLISE DE RESULTADOS _____________________________________________ 176 6.1 Anlise dos resultados termoenergticos --------------------------------------------------- 177 6.1.1 Desempenhos e parmetros operacionais --------------------------------------------- 177 6.1.2 Caracterizao dos fluxos de energia nos sistemas trmicos simulados----------- 186 6.2 Anlise dos resultados econmicos --------------------------------------------------------- 190 6.3 Anlise dos resultados da emisso de CO2 ------------------------------------------------- 196 6.4 Resumo da anlise dos resultados obtidos-------------------------------------------------- 199 CAPTULO 7 ___________________________________________________________ 200 COMENTRIOS E RECOMENDAES ___________________________________ 200 7.1 Comentrios ------------------------------------------------------------------------------------ 200 7.2 Limitaes do trabalho------------------------------------------------------------------------ 202 7.3 Recomendaes -------------------------------------------------------------------------------- 202 REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS _______________________________________ 204 APNDICE A POTNCIA ELTRICA INSTALADA NOS PASESLATINO-AMERICANOS ____________________________________ APNDICE B ENERGIA ELTRICA GERADA POR TIPO DE FONTE NOSPASES LATINO-AMERICANOS ____________________________ APNDICE C RESULTADOS GLOBAIS DO DESEMPENHO DA PLANTADE POTNCIA U-2 DA UTE GONZALO ZEVALLOS ___________ APNDICE D RESULTADOS GLOBAIS DO DESEMPENHO DA PLANTA DEPOTNCIA U-2, REPOTENCIADA COMO CICLO COMBINADOCOMPLETO COM 2 TURBINAS A GS ______________________ APNDICE E RESULTADOS GLOBAIS DO DESEMPENHO DA PLANTA DEPOTNCIA U-2, REPOTENCIADA COMO CICLO COMBINADOCOMPLETO COM UMA TURBINA A GS ____________________ APNDICE F RESULTADOS GLOBAIS DO DESEMPENHO DA PLANTA DEPOTNCIA U-2, REPOTENCIADA COMO CICLO COMBINADOCOMPLETO COM INJEO DE GUA DE ALIMENTAO AALTA PRESSO E ALTA TEMPERATURA NA TURBINA A GS APNDICE G RESULTADOS GLOBAIS DO DESEMPENHO DA PLANTA DEPOTNCIA U-2, REPOTENCIADA COMO CICLO COMBINADO 13. vCOMPLETO COM INJEO DE VAPOR SUPERAQUECIDO AALTA PRESSO NA TURBINA A GS ________________________ APNDICE H RESULTADOS GLOBAIS DO DESEMPENHO DA PLANTADE POTNCIA U-2, REPOTENCIADA COMO CICLOCOMBINADO HBRIDO, QUEIMANDO GS NATURAL ________ APNDICE I RESULTADOS GLOBAIS DO DESEMPENHO DA PLANTADE POTNCIA U-2, REPOTENCIADACOMO CICLOCOMBINADO HBRIDO, QUEIMANDO LEO COMBUSTVELE LEO DIESEL ____________________________________________ APNDICE J CUSTOS DE INVESTIMENTO INICIAL, FIXOS E VARIVEIS NADETERMINAO DO PREO DA ELETRICIDADE GERADA NAPLANTA DE POTNCIA U-2 _________________________________ APNDICE K CARACTERIZAO DOS FLUXOS DE ENERGIA DOSSISTEMAS TRMICOS DE POTNCIA SIMULADOSA CARGA PARCIAL (100, 75, 50 E 25%) _______________________ 14. vi Lista de FigurasFigura 1.1 Potncia eltrica instalada nos pases latino-americanos.-----------------------30 Figura 1.2 Potncia eltrica instalada (%) nos pases latino-americanos. -----------------30 Figura 1.3 Energia eltrica gerada nos pases latino-americanos. --------------------------31 Figura 1.4 Energia eltrica gerada (%) nos pases latino-americanos. ---------------------31 Figura 1.5 Tipos de UTE (%) nos pases latino-americanos.--------------------------------32 Figura 2.1 Ciclo termodinmico Rankine simples, no diagrama T S. -------------------42 Figura 2.2(a) Ciclo Rankine modificado, no diagrama T S, com superaquecimento. ----43 Figura 2.2(b) Ciclo Rankine modificado, no diagrama T S, com superaquecimento e reaquecimento. -----------------------------------------------------------------------43 Figura 2.2(c) Ciclo Rankine modificado, no diagrama T S, com regenerao.------------43 Figura 2.3 Turbina a gs de ciclo aberto simples. --------------------------------------------44 Figura 2.4 Ciclo Brayton no diagrama entrpico. --------------------------------------------46 Figura 2.5(a) Representao de uma turbina a gs de ciclo aberto, com regenerao.------47 Figura 2.5(b) Representao de uma turbina a gs de ciclo aberto, com resfriamento e regenerao. --------------------------------------------------------------------------47 Figura 2.6 Diagrama temperatura-entropia para o ciclo combinado.-----------------------49 Figura 2.7 Diagrama simplificado de um ciclo combinado.---------------------------------49 Figura 2.8 Configuraes trmicas de ciclos combinados. ----------------------------------50 Figura 2.9 Potncia da turbina a gs versus potncia da turbina a vapor para diversas opes de repotenciao. -----------------------------------------------------------58 Figura 3.1 Emisso especfica de CO2 para vrios tipos de plantas. -----------------------70 Figura 3.2 Nova planta de potncia de ciclo combinado com dois nveis de presso. ---73 Figura 3.3 Planta de potncia a vapor, convencional. ----------------------------------------75 Figura 3.4 Repotenciao com ciclo combinado completo. ---------------------------------75 Figura 3.5 UTE de ciclo combinado sem queima suplementar.-----------------------------77 15. vii Figura 3.6 Diagrama simplificado da repotenciao Hot Windbox. ------------------------80 Figura 3.7 Esquema da repotenciao com aquecimento d'gua de alimentao. --------81 Figura 3.8 Modelo trmico da repotenciao hbrida ou em paralelo. ---------------------85 Figura 3.9 Diagrama trmico de plantas de potncia em paralelo. -------------------------86 Figura 3.10 UTE com caldeira de leito fluidizado atmosfrica. ------------------------------88 Figura 3.11 Combusto em leito fluidizado pressurizado. ------------------------------------89 Figura 3.12 Ciclo combinado integrado com gaseificao. -----------------------------------91 Figura 3.13 Tela caracterstica da interface grfica do software Gatecycle. ----------------93 Figura 3.14 cone da interface grfica da turbina a vapor. ------------------------------------96 Figura 3.15 cone da interface grfica da caldeira convencional. ----------------------------98 Figura 3.16 Variao da temperatura nos fludos do condensador. ------------------------ 103 Figura 3.17 cone da interface grfica de uma caldeira de recuperao trmica. -------- 104 Figura 3.18 Diagrama esquemtico de uma caldeira de recuperao trmica com um nvel de presso e um evaporador de baixa presso. ------------------------- 106 Figura 3.19 Perfil de temperaturas de uma caldeira de recuperao trmica com um nvel de presso e um evaporador de baixa presso. -------------------------- 106 Figura 3.20 Representao grfica de uma caldeira de recuperao com 1 nvel de presso. ----------------------------------------------------------------------------- 107 Figura 3.21 Perfil de temperaturas de uma caldeira de recuperao com 1 nvel de presso. ----------------------------------------------------------------------------- 107 Figura 3.22 cone da interface grfica de uma turbina a gs standard.-------------------- 112 Figura 3.23 Eficincia mxima do compressor em funo da velocidade corrigida. ---- 113 Figura 3.24 cone da interface grfica de um aquecedor de contato direto (desaerador).118 Figura 3.25 Aquecedor de superfcie usando vapor superaquecido. ----------------------- 120 Figura 3.26 Aquecedor de superfcie usando vapor saturado. ------------------------------ 120 Figura 4.1 UTE Tifeo de Roma nas condies originais.---------------------------------- 126 Figura 4.2 Repotenciao da UTE Tifeo de Roma.----------------------------------------- 128 Figura 4.3 Potncia do ciclo combinado e da turbina a vapor. ---------------------------- 130 Figura 4.4 Eficincia lquida do ciclo combinado. ----------------------------------------- 131 Figura 4.5 Temperatura da carcaa da turbina a vapor. ------------------------------------ 131 Figura 4.6 Rendimento da UTE Tifeo de Roma.-------------------------------------------- 132 Figura 4.7 Repotenciao da UTE Valle de Mxico.--------------------------------------- 135 Figura 5.1 Configurao trmica atual da planta de potncia U-2. ----------------------- 142 16. viii Figura 5.2 Repotenciao da U-2 como ciclo combinado completo com 2 turbinas a gs. -------------------------------------------------------------------------------- 145 Figura 5.3 Repotenciao da U-2 como ciclo combinado completo com 1 turbina a gs. -------------------------------------------------------------------------------- 147 Figura 5.4 Repotenciao da U-2 como ciclo combinado completo com injeo de gua de alimentao a alta presso e alta temperatura na turbina a gs.---- 149 Figura 5.5 Repotenciao da U-2 como ciclo combinado completo com injeo de vapor superaquecido a alta presso na turbina a gs.---------------------- 151 Figura 5.6 Repotenciao da U-2 como ciclo combinado hbrido (gs natural). ------- 153 Figura 5.7 Repotenciao da U-2 como ciclo combinado hbrido (bicombustvel). --- 155 Figura 6.1 Potncia lquida da turbina a gs em funo do fator de capacidade. ------- 179 Figura 6.2 Potncia lquida da turbina a vapor em funo do fator de capacidade. ---- 179 Figura 6.3 Temperatura do vapor superaquecido em funo do fator de capacidade. - 181 Figura 6.4 Fluxo mssico do vapor superaquecido em funo do fator de capacidade. ------------------------------------------------------------------------- 181 Figura 6.5 Temperatura dos gases de exausto em funo do fator de capacidade. ---- 183 Figura 6.6 Fluxo mssico dos gases de exausto em funo do fator de capacidade.-- 183 Figura 6.7 Temperatura d'gua de alimentao na sada do economizador.------------- 184 Figura 6.8 Rendimento do gerador de vapor em funo do fator de capacidade.------- 184 Figura 6.9 Heat rate em funo do fator de capacidade.----------------------------------- 185 Figura 6.10 Eficincia trmica global em funo do fator de capacidade. ---------------- 186 Figura 6.11 Diagrama de Sankey do ciclo Rankine modificado com regenerao e superaquecimento da planta U-2 nas condies atuais.----------------------- 187 Figura 6.12 Diagrama de Sankey da repotenciao como ciclo combinado completo com duas turbinas a gs. ---------------------------------------------------------- 187 Figura 6.13 Diagrama de Sankey da repotenciao como ciclo combinado completo com uma turbinas a gs. ---------------------------------------------------------- 188 Figura 6.14 Diagrama de Sankey da repotenciao como ciclo combinado completo com injeo de gua de alimentao a alta temperatura e alta presso na turbinas a gs. ------------------------------------------------------------------ 188 Figura 6.15 Diagrama de Sankey da repotenciao como ciclo combinado completo com injeo de vapor superaquecido a alta presso na turbinas a gs.----- 189 Figura 6.16 Diagrama de Sankey da repotenciao como ciclo combinado hbrido queimando gs natural. ----------------------------------------------------------- 189 17. ix Figura 6.17 Diagrama de Sankey da repotenciao como ciclo combinado hbrido bicombustvel: leo combustvel e leo diesel.-------------------------------- 190 Figura 6.18 Capital de investimento e ganho obtido nos modelos de repotenciao. --- 192 Figura 6.19 Tempo de retorno do capital de investimento nos modelos de repotenciao. ---------------------------------------------------------------------- 192 Figura 6.20 Despesas no consumo de combustvel em funo do heat rate. ------------- 193 Figura 6.21 Economia de energtico e nas despesas em funo do heat rate.------------ 193 Figura 6.22 Variao na economia de energtico e nas despesas em funo do heat rate.---------------------------------------------------------------------------- 194 Figura 6.23 Custo da eletricidade gerada em funo do fator de capacidade. ------------ 194 Figura 6.24 Custo da eletricidade gerada com um fator de capacidade similar s condies atuais.------------------------------------------------------------------- 195 Figura 6.25 Valor presente total custo total avaliado dos modelos de repotenciao. 195 Figura 6.26 Emisso especfica de CO2 em funo da eficincia global. ----------------- 197 Figura 6.27 Emisso especfica de CO2 em funo da potncia eltrica. ----------------- 197 Figura 6.28 Emisso especfica de CO2 para um fator de capacidade de 65%. ---------- 198 Figura 6.29 Toneladas equivalentes de CO2 e a eletricidade produzida. ------------------ 198 Figura 6.30 Variao da emisso de CO2/kWh nos modelos de ciclo combinado. ------ 199 18. x Lista de TabelasTabela 2.1 leo combustvel Bunker tipo C produzido no Equador. ----------------------52 Tabela 2.2 leo diesel tipo 2 produzido no Equador. ----------------------------------------53 Tabela 2.3 Caractersticas do gs natural de Camisea no Per. -----------------------------54 Tabela 2.4 Reaes qumicas de combusto. --------------------------------------------------56 Tabela 3.1 Avaliao de diferentes opes de repotenciao. ------------------------------64 Tabela 3.2 Comparao de custos de investimento. ------------------------------------------66 Tabela 3.3 Propriedades termodinmicas de arranjos tpicos entre turbinas a gs e HRSG.------------------------------------------------------------------------76 Tabela 4.1 Parmetros da HRSG da UTE Tifeo de Roma. -------------------------------- 129 Tabela 5.1 Caractersticas da metodologia aplicada nas plantas de potncia simuladas.--------------------------------------------------------------------------- 138 Tabela 5.2 Condies operativas da caldeira da U-2. -------------------------------------- 140 Tabela 5.3 Condies operativas da turbina a vapor da U-2.------------------------------ 140 Tabela 5.4 Condies operativas do gerador eltrico da U-2.----------------------------- 141 Tabela 5.5 Parmetros de operao do condensador da U-2.------------------------------ 141 Tabela 5.6 Performances da planta de potncia U-2, a carga parcial. -------------------- 143 Tabela 5.7 Rendimentos da planta U-2 repotenciada (2 turbinas a gs), a carga parcial. --------------------------------------------------------------------- 146 Tabela 5.8 Rendimentos da planta U-2 repotenciada (1 turbina a gs), a carga parcial. --------------------------------------------------------------------- 148 Tabela 5.9 Rendimentos da planta U-2 repotenciada (com injeo de gua de alimentao a alta presso e alta temperatura na turbina a gs), a carga parcial. ------------------------------------------------------------------------------ 150 Tabela 5.10 Rendimentos da planta U-2 repotenciada (com injeo de vapor superaquecido a alta presso na turbina a gs), a carga parcial. ------------- 152 19. xi Tabela 5.11 Rendimentos da planta U-2 repotenciada (com injeo de vaporsuperaquecido a alta presso na turbina a gs), a carga parcial. ------------- 154 Tabela 5.12 Rendimentos da planta U-2 repotenciada (ciclo hbrido, bicombustvel:leo combustvel e leo diesel), a carga parcial. ------------------------------ 156 Tabela 5.13 Custo da eletricidade gerada pela planta U-2 nas condies atuais. -------- 160 Tabela 5.14 Custo da eletricidade gerada pela planta U-2 como ciclo combinadocompleto com duas turbinas a gs. ---------------------------------------------- 161 Tabela 5.15 Custo da eletricidade gerada pela planta U-2 como ciclo combinadocompleto com uma turbina a gs.------------------------------------------------ 162 Tabela 5.16 Custo da eletricidade gerada pela planta U-2 como ciclo combinadocompleto com injeo de gua de alimentao a alta presso e altatemperatura na turbina a gs.----------------------------------------------------- 163 Tabela 5.17 Custo da eletricidade gerada pela planta U-2 como ciclo combinadocompleto com injeo de vapor superaquecido a alta presso naturbina a gs. ----------------------------------------------------------------------- 164 Tabela 5.18 Custo da eletricidade gerada pela planta U-2 como ciclo combinadohbrido, queimando gs natural. ------------------------------------------------- 165 Tabela 5.19 Custo da eletricidade gerada pela planta U-2 como ciclo combinadohbrido, queimando leo combustvel e leo diesel. -------------------------- 166 Tabela 5.20 VPT da planta U-2 como ciclo combinado completo com 2 turbinasa gs. -------------------------------------------------------------------------------- 168 Tabela 5.21 VPT da planta U-2 como ciclo combinado completo com uma turbinaa gs. -------------------------------------------------------------------------------- 169 Tabela 5.22 VPT da planta U-2 como ciclo combinado completo com injeo degua de alimentao a alta presso e alta temperatura na turbina a gs.---- 169 Tabela 5.23 VPT da planta U-2 como ciclo combinado completo com injeo devapor superaquecido a alta presso na turbina a gs. ------------------------- 170 Tabela 5.24 VPT da planta U-2 como ciclo combinado hbrido, queimandogs natural. ------------------------------------------------------------------------- 170 Tabela 5.25 VPT da planta U-2 como ciclo combinado hbrido, queimando leocombustvel e leo diesel. -------------------------------------------------------- 171 Tabela 5.26 CTE da planta U-2 para todos os modelos aplicados derepotenciao. ---------------------------------------------------------------------- 172 20. xii Tabela 5.27 TRC da planta U-2 para todos os modelos aplicados de repotenciao. ---------------------------------------------------------------------- 173 Tabela 5.28 Fator de emisso de CO2 para o leo combustvel.---------------------------- 175 Tabela 5.29 Fator de emisso de CO2 para o leo diesel. ----------------------------------- 175 Tabela 5.30 Fator de emisso de CO2 para o gs natural. ----------------------------------- 175 Tabela 6.1 Resultados obtidos da repotenciao da planta U-2. -------------------------- 199 21. xiii Simbologia Letras LatinasA rea A AmpreabsAbsolutoAf,i Custo anual do combustvel para cada perodo do ano iAom,i Custo anual de operao e manuteno para cada perodo do ano iatm Atmosferabar Unidade de presso CGrau Celsius CA Custos administrativosCEGCusto da eletricidade gerada CfCusto anual igualado do combustvelCMCustos de manutenoCMRECustos adicionais de manuteno pela repotenciaocm2Centmetro quadradoCom Custo anual igualado de operao e manuteno cp Calor especfico presso constante C0Custo de investimento inicial 22. xivCO2Dixido de carbono C12H26leo diesel DE CO 2Emisso especfica de CO2 Ep Eletricidade produzidafRelao ar combustvelfnivFator de nivelao FCe,N Fator de correo devido eficincia da velocidade do compressor FCe,pFator de correo devido eficincia das ps do compressorHOP Tempo de operao de uma planta de potncia HP Entalpia dos produtos da combusto de um combustvelHR Entalpia de combusto dos reagentes hEntalpia especfica Heat Consumo especfico de combustvelratei Taxa de jurosIInvestimento K Constante arbitrria LaPerdas devido umidade no ar de combusto LC Perdas devido ao teor de carbono nas cinzasLCSPerdas devido s cinzas volteis LgPerdas devido aos gases de exausto LHPerdas devido formao de gua no combustvel LRPerdas por radiao Lu,comPerdas devido umidade no combustvel mMassa MMassa M Custo anual do combustvel &Fluxo mssico M m Massa de uma substnciaFluxo mssico m & n Tempo de vida de uma UTE em anos P Presso P Potncia PECusto anual da eletricidade produzida 23. xv PVDPreo de venda da eletricidade distribuidoraqTaxa de transferncia de calorQReferente energia trmicaQ calor RA Receita anualrC Relao de presses no compressorrTRelao de presses na turbina a gsS entropias segundot ToneladaT TemperaturaUCoeficiente global de transferncia de calor Ufix Custos fixos Uvar Custos variveisV Volt W Trabalho mecnico & Potncia mecnica Wz Taxa de desconto 24. xviLetras Gregas Relao linear de energia trmica Custos dos insumos(i, N )Fator de anuidade Relao de calores especficos Custo da gua tratada Taxa de variaoQueda de presso na caldeira de recuperao PHRSG(T)app Temperatura de aproximao(T)pp Pinch point Efetividade Custo unitrio do combustvel Eficincia do compressor de uma turbina a gsEficincia global 0 CalRendimento global da caldeira CCEficincia global do ciclo combinado CCPEficincia do ciclo combinado em paralelo combEficincia de combusto CV Eficincia do ciclo a vaporH Eficincia do ciclo de alta temperaturaiEficincia interna da turbina a vaporisEficincia isentrpica de cada seo da turbina a vaporL Eficincia do ciclo de baixa temperatura L,CCEficincia lquida do ciclo combinado marg Eficincia marginal maxEficincia mxima do compressor de uma turbina a gs 25. xvii PP Rendimento total do ciclo combinadoTGEficincia da turbina a gsTV Eficincia da turbina a vapor ngulo das ps do compressor Perdas na engrenagem de transmisso do motor eltricovar Custos variveis de operao e manuteno SFrao de energia fornecida na queima suplementar Preo do combustvel Parmetro em funo da razo de presses no compressor e da relao comp de calores especficos FO Massa especfica do leo combustvel Parmetro em funo da razo de presses na turbina a gs e da relaotg de calores especficos Relacionada ao somatrio de um parmetro ou propriedadeRelao de temperaturas na turbina a gs guaVolume especfico da guaF Preo de venda do combustvel ao geradorTPreo de transporte do combustvel Custo no consumo de auxiliares Frao mssica de combustvelFator de anuidade TGTrabalho especfico produzido pela turbina a gs 26. xviiiSuperescritosaa gua de alimentao AP Alta pressobomba Bomba para gua lquida BPBaixa presso CCapacidade calorfica ccCmara de combustocomp CompressorCO Dixido de carbono2CV Ciclo a vapord Relativo ao ponto de projeto desDesaerador e, s Relativo aos estados inicial e final de um sistemaECH1 Economizador N. 1 de alta pressoeconEconomizadorECAPEconomizador de alta pressoevapEvaporadorEVBP Evaporador de baixa presso ext Extrao de uma turbina a vapor m Coeficiente de correlaomaxRelativo ao ponto mximo minRelativo ao ponto mnimo N Nmero de estgiosNTU Nmero de unidades de transfernciaOTH1 Evaporador N. 1 de alta pressoSAQ Superaquecedor 27. xix satCondio de saturao SHH1 Superaquecedor N. 1 de alta presso tg Turbina a gsv, vaporVapor Relativo s propriedades nos pontos notveis da configurao trmica 1, 2,..., 70 de uma planta de potncia 28. xxSubscritos gua lquida a, guagua de alimentao aaAlta presso APAproximaoAPP Arar, A gua de resfriamento a,rEquipamentos auxiliares em uma planta de potnciaAUX Fornecimento total de energia trmica B Baixa presso BP Cmara de combusto ccCiclo combinado CC Ciclo a gsCG comb,Combustvel combustvelCondensadoconFator de correocorrCiclo a vaporCVRelativo ao ponto de projetodRelativo aos estados inicial e final de um sistema e, s Economizador EC Economizador de alta presso EC-APEconomizador de baixa presso EC-BP Eixo da bombaeixoEquipamento EQ Evaporador EV Energia trmica nos gases de exausto de uma turbina a gsEX, TG 29. xxiCombustvelFFixo fix Gases de exaustog gases GGs natural gnRelativo ao ciclo de alta temperatura H Energia trmica rejeitada no ciclo de alta temperatura HRCaldeira de recuperao trmicaHRSGRelativo ao processo isentrpico ISE Relativo ao ciclo de baixa temperaturaLLquida liq Energia trmica rejeitada no ciclo de baixa temperatura LR Relativo ao ponto mximo max Relativo ao ponto mnimo min Utilizao ou operao OPPinch point ppQueima suplementar QS Referncia R Reaquecedor de mdia pressoRA-IP Relativo ao valor realREALRecirculao recRelativo ao estado de saturaosEnergia trmica na queima suplementarSSuperaquecedor de alta pressoSA-AP Superaquecedor de baixa pressoSA-BPSuperaquecedorSAQRelativo ao valor terico TERICA 30. xxii Turbina a gs tg Trmica terTurbina a vapor tv UmidadeuVapor VVapor de guav, va Varivel var Relativo a um estado de referncia0Relativo s propriedades nos pontos notveis da configurao trmica 1, 2,..., 70 de uma planta de potncia 31. xxiiiAbreviaturas a.a., A.A.gua de alimentao AAA-AP Aquecedor dgua de alimentao a alta presso AAA-BPAquecedor dgua de alimentao a baixa pressoAAP4 Aquecedor N. 4 dgua de alimentao a alta pressoAAP5 Aquecedor N. 5 dgua de alimentao a alta pressoABP1 Aquecedor N. 1 dgua de alimentao a baixa pressoABP2 Aquecedor N. 2 dgua de alimentao a baixa pressoAC Relao ar combustvelAP Alta pressoa.r. gua de resfriamentoAr PAr primrioAr SAr secundrio ATEMP.AtemperadorATH1 Atemperador N. 1 de alta pressoBA, BAABomba dgua de alimentaoBAC, BCBomba dgua de condensadoBAH1Bomba N. 1 dgua de alimentao BAP Bomba dgua de servioBPBaixa pressocc Ciclo combinado C CompressorCACapacidade CAPCompressor de alta presso CAR Central de ar regenerativa CBP Compressor de baixa presso 32. xxiv CCCmara de combustocent centavosCOCusto CON,CondensadorCONDD/A, DESDesaeradorDTIDiferena de temperatura inicialDTLM Diferena de temperatura logartmica mdia DTT Diferena terminal de temperaturaE EngrenagemEAExcesso de ar ECON Economizador ECAPEconomizador de alta presso ECBP Economizador de baixa presso ECH1 Economizador N. 1 de alta pressoEV Evaporador EVAP Evaporador de alta presso EVBPEvaporador de baixa pressoF.C. Fator de capacidadeG.E. Gerador eltricoHR Heat rate HWBHot Windbox NESTNcleo de Excelncia em Sistemas Trmicos Evaporador N. 1 once through de alta pressoOTH1 Mdia ponderada do poder calorfico por massa do combustvel PC PI Mdia pressoPP Pinch pointQS Queima suplementar 33. xxv REReaquecedorRAAP Reaquecedor de alta pressoRIResfriamento do ar do compressorSAAP Superaquecedor de alta pressoSABPSuperaquecedor de baixa presso SAPSuperaquecedor primrio SAS Superaquecedor secundrio SAQ SuperaquecedorSHH1 Superaquecedor N. 1 de alta pressoTTurbina TADTemperatura de aproximao no drenoTAP Turbina de alta presso TBPTurbina de baixa pressoTC Trocador de energia trmicaTGTurbina a gs TG-4Turbina a gs N. 4TR Elevao de temperatura no condensadorTV Turbina a vaporTVAP,Turbina a vapor de alta presso TV-PATVBP, Turbina a vapor de baixa presso TV-PBTV-PI Turbina a vapor de mdia pressoUNIFEI Universidade Federal de Itajub VAAVlvula dgua de alimentao na sada do desaerador VH1Vlvula N. 1 dgua de alimentao na sada do desaeradorV. EJETVlvula de entrada de vapor aos ejetores 34. xxviSiglas AFBC Caldeira de leito fluidizado presso atmosfrica AFCR Taxa de custo fixo anual ASME Sociedade Americana de Engenheiros Mecnicos ASTM Sociedade Americana de Testes e Materiais CFE Comisso Federal de Eletricidade CTECusto Total Avaliado FCP Fator de correo do fluxo devido s ps do compressor FCTFator de correo do fluxo devido temperatura FVP Fator de Valor Presente g gramaGEGeneral ElectricGWGigawatt GWh Gigawatt hora HRSG Caldeira de recuperao trmicaHzHertz IGCC Ciclo combinado integrado com gaseificaoISO Organizao Internacional para Padronizao kcal QuilocaloriakgQuilogramakPa QuilopascalkVQuilovolt kVA Quilovolt-amprekW Quilowatt kWh Quilowatt hora LACPases latino-americanos (Latin-American Countries) 35. xxviiLIV Leve MJ Mega JouleMLASAvaliao do tempo de vida residualmm Hg Milmetros de mercrioMSV Vlvula principal de admisso de vapor MWMegawattMWh Megawatt horaNTUNmero de Unidades de TransfernciaOLADEOrganizao Latino-americana de energia OM Operao e Manuteno PCI Poder Calorfico Inferior PCS Poder Calorfico SuperiorPFBCCombustor de leito fluidizado pressurizado rpm Rotaes por minutoSIEE Sistema de Informao Econmico de Energia SPRRelao de presso entre estgios de uma turbina a vaporSTIG Injeo de vapor na turbina a gs SW Siemens Westinghouse TRC Tempo de Retorno de CapitalTWhTerawatt hora U-1Unidade 1 U-2Unidade 2 U-3Unidade 3 U-4Unidade 4 US$Dlares dos Estados Unidos UTE Usina TermoeltricaUTEs Usinas Termoeltricas 36. xxviii VED Vlvula redutora de pressoVPTValor Presente TotalW Westinghouse 37. Captulo 1 INTRODUO1.1 JUSTIFICATIVAS E MOTIVAO 1.1.1 IntroduoO desenvolvimento da civilizao atual produz consumos cada vez maiores de energia eltrica, que aciona desde pequenos artefatos no lar, as comunicaes, transporte e outros servios, incluindo complexos equipamentos industriais; estes consumos energticos finais se obtm dos processos de converso energtica, em especial os convencionais que so pouco eficientes e produzem efeitos indesejveis no meio ambiente. Neste cenrio, de soma importncia o uso racional dos recursos primrios nos processos de converso e utilizao das formas secundrias de energia, tendo como resultado o efeito desejado com o mnimo consumo de recursos e o menor impacto no meio ambiente. medida que estes fatores cheguem ao limite do aceitvel, se impe um enorme esforo no desenvolvimento de tecnologias de substituio, se desejamos manter para as futuras geraes os estilos de vida que hoje conhecemos como modernos. Em nossos pases latino-americanos, as solues problemtica de fornecimento de energia sociedade so fortemente especficas, considerando-se que a demanda estimada de consumo de energia eltrica para o ano 2020 ser de aproximadamente 1,9 milhes de GWh (Olade, LAC Study 2005). Na atualidade, segundo dados estatsticos do ano de 2003 da Organizao Latino-americana de Energia, a capacidade instalada de gerao eltrica totaliza aproximadamente 253 GW (Figuras 1.1 e 1.2), sendo Brasil, Mxico e Argentina os pases 38. 30 com as maiores capacidades de potncia eltrica instalada para a produo de eletricidade. Desta potncia instalada so 52% hidroeltrica, 45% termoeltrica, 2% nuclear e 1% outras fontes renovveis (Baseado nos dados do Apndice A, fonte: Olade, 2005). 165131,56 132113,8599[ GW ] 66 33 5,062,53 0Hidroeltrica Termoeltrica NuclearRenovveis Figura 1.1 Potncia eltrica instalada nos pases latino-americanos (Olade, 2005).Nuclear Renovveis 2%1% TermoeltricaHidroeltrica 45%52% Figura 1.2 Potncia eltrica instalada (%) nos pases latino-americanos (Olade, 2005). Nas ltimas trs dcadas, mesmo ocorrendo um elevado custo de instalao e alta incidncia de emisses de gases de efeito estufa, a participao da gerao termoeltrica teve um importante incremento, devido ao elevado consumo de eletricidade, que atualmente cresce na taxa de 4 5 % ao ano; isto , aproximadamente 12 GW por ano (Olade, LAC Study 2005). 39. 31Segundo dados estatsticos do ano de 2003, a produo de energia eltrica fornecida pelos 26 pases que conformam a Amrica do Sul e Caribe foi de 1.021 TWh (Figuras 1.3 e 1.4), dos quais foram 56% hidroeltrica, 40% termoeltrica, 3% nuclear e 1% de fonte geotrmica, vento e fotovoltaica (Referente aos dados do Apndice B, fonte: Olade, 2005). 700 570,74 560409,42 420 [ TWh ] 280 140 31,659,190 Hidroeltrica Termoeltrica Nuclear RenovveisFigura 1.3 Energia eltrica gerada nos pases latino-americanos (Olade, 2005). HidroeltricaTermoltrica 56% 40%Nuclear Renovveis 3%1%Figura 1.4 Energia eltrica gerada (%) nos pases latino-americanos (Olade, 2005). No incio deste novo sculo e especialmente nos ltimos anos os mercados de produo de energia eltrica mudaram suas premissas fundamentais de funcionamento. Uma grande concorrncia, fortes restries ambientais e economias de mercado livre esto se tornando os principais desafios das geradoras de eletricidade. Esta evoluo acelerada dos mercados de 40. 32 produo de energia eltrica dos pases latino-americanos forou aos proprietrios (estatais ou privados) das plantas de potncia de tipo convencionais, a reavaliar a operao destas usinas. Das 925 UTE distribudas nos pases da Amrica do Sul e Caribe, aproximadamente 67% delas gera eletricidade com turbinas a vapor e turbinas a gs, operando em ciclos simples, totalizando uma potncia eltrica instalada de gerao de 61.491 MW (Figura 1.5). Essas instalaes foram dimensionadas para a gerao de energia eltrica a grande escala no desenvolvimento da indstria eltrica no incio dos anos 1960 at a atualidade. Neste momento, depois de mais de 30 anos de operao dessas usinas, pode-se calcular que aproximadamente 7% dessa potncia eltrica instalada (9.163 MW) precisam ser substitudas por seu continuo envelhecimento, incremento de heat rates e altas taxas de quebras foradas (Olade, Energy Economic Information System SIEE, 2005).45 37,43629,8 27,527[%]18 93,12,00,20 Turbinas a vapor Turbinas a gs Ciclo Nuclear GeotrmicaMotores Diesel CombinadoFigura 1.5 Tipos de UTE (%) nos pases latino-americanos (Olade, 2005). O desaparecimento do planejamento centralizado no longo e curto prazo na maioria dos pases latino-americanos est propiciando mudanas regulatrias onde se estabelece o regime de livre concorrncia. Qualquer agente que apresente as garantias necessrias e cumpra com os requisitos da legislao vigente do seu pas, pode se tornar um novo produtor de energia eltrica e concorrer e realizar ofertas de produo de energia no mercado eltrico, de modo que os grupos de gerao mais econmicos que atendam a demanda requerida de energia sero os que vo obtiver os melhores resultados. 41. 331.1.2 JustificativasO surgimento de novas tecnologias de gerao economicamente competitivas, com uma multiplicidade de timos desenhos termodinmicos, menor impacto ambiental e tempos de partida menores tm propiciado a apario de novos concorrentes no setor eltrico. As mudanas tecnolgicas na gerao termoeltrica, especialmente o uso de ciclos combinados com turbinas a gs, permitiram aos novos agentes aceder ao setor de produo de energia eltrica com tecnologias econmica e operativamente mais vantajosas ao se comparar com as geradoras que instalaram suas usinas entre os anos 1960 at 1990. A questo : Como dar a melhor utilizao a estas plantas de potencia existentes, em um cenrio de competitividade acirrada, de mercado aberto, j que esse o alvo principal de todas as geradoras neste novo entorno. As leis do mercado eltrico no solucionam estes problemas, Faz-se necessria a participao de pessoal tcnico que indique o caminho mais adequado para assegurar o fornecimento contnuo de energia eltrica sociedade nas melhores condies possveis; e como parte da comunidade cientfica e tecnolgica orientada para estes temas, consciente desta responsabilidade, apresento neste trabalho, uma alternativa vivel, baseada em estudos e aplicaes realizadas nos pases industrializados, para que estas antigas unidades de gerao de eletricidade utilizadas nos pases latino-americanos, especialmente as plantas de potncia com turbinas a vapor que esto na faixa de 20 30 anos possam ter seus ciclos trmicos redesenhados. Em virtude da incorporao da tecnologia das turbinas a gs e os geradores de vapor de recuperao de energia trmica seria possvel obteno da melhoria da eficincia da planta, a produo de maior potncia com o incremento da flexibilidade operacional, a reduo das emisses de poluentes e a soma adicional de 20 a 30 anos a estas unidades como parte de uma nova instalao de ciclo combinado. 1.2 OBJETIVOS Existindo uma escassa abordagem na literatura tcnica dos pases latino-americanos deste tema tecnolgico, este trabalho de dissertao tem como objetivo principal estudar a repotenciao de usinas termoeltricas, especialmente aquelas que utilizam turbinas a vapor 42. 34 para a gerao de energia eltrica e que esto na faixa de 20 30 anos de instalao, no contexto dos pases latino-americanos. Este tema conhecido como repowering ou refurbishment na literatura cientfica inglesa.Como objetivos adicionais podem-se mencionar os seguintes: Estudar as diferentes alternativas tecnolgicas utilizadas na elevao de gerao e o melhoramento da eficincia do ciclo termodinmico das usinas termoeltricas; Simular a repotenciao da planta de potncia U-2 da UTE Gonzalo Zevallos no Equador, que atualmente trabalha com um ciclo termodinmico Rankine modificado com regenerao e superaquecimento, atravs da modificao para um ciclo combinado, utilizando como ferramenta computacional o software Gatecycle; Analisar economicamente os custos de produo de energia eltrica, devido ao redesenho do ciclo trmico e mudana de leo combustvel para gs natural; Analisar a descarga especfica de CO2 por kWh gerado de eletricidade como uma funo do rendimento total da planta de potncia e o combustvel utilizado. 1.3 REVISO BIBLIOGRFICANa reviso da literatura tcnica que aborda o tema da repotenciao de usinas termoeltricas podem-se observar a anlise de trs aspectos que so bsicos para a maioria dos autores de artigos e livros especializados neste assunto: o estudo termodinmico das diferentes solues tecnolgicas, a avaliao econmica dos diversos modelos aplicados e o menor impacto ambiental produzido pela diminuio dos poluentes gerados na produo de energia eltrica devido s melhoras introduzidas nas instalaes repotenciadas. A seguir apresenta-se uma viso bsica resumida dos artigos e livros pesquisados para a realizao do presente trabalho de dissertao.No estudo para a gerao de energia limpa a partir de combustveis fsseis realizado pela Deutsche Montan Technologie para a Organizao Latino-americana de energia (2005) menciona-se que no existe uma aplicao genrica para as instalaes de potncia que se pretendam repotenciar, j que a seleo da configurao mais econmica depende de muitos 43. 35 fatores, tais como: tipo de combustvel, modo de operao, desenho do sistema a vapor, requerimentos ambientais, tempo de vida til dos equipamentos e os fatores econmicos. Como foi dito no pargrafo anterior, se bem no existem solues genricas, o que existem so metodologias tipicamente utilizadas (Stenzel et alli., 1997) para a repotenciao dessas velhas unidades de gerao de eletricidade. Essas metodologias incluem opes tecnolgicas e softwares avaliados que podem ser utilizados, dentro dessas alternativas podem-se mencionar as seguintes (Singh e Kopecky, 2002): Se ao realizar o estudo de tempo de vida residual dos principais equipamentos deuma planta de potncia termoeltrica, tais como a caldeira, turbina a vapor,gerador eltrico, condensador e o trem de aquecedores, menor dos 15%(Mitsubishi MLAS, 2002) uma boa soluo se os recursos econmicos opermitem, o sucateamento da instalao existente, a reutilizao dos sistemasauxiliares e a construo de uma nova usina de ciclo combinado ou de outro tipo. Se o tempo de vida residual dos equipamentos principais e auxiliares da antigausina termoeltrica maior aos 15%, pode-se optar por variadas configuraestrmicas (Shahnazari e Abbassi, 2003) entre as quais encontrarmos em algunscasos dependendo da usina base, do investimento a se realizar, do tempo fora deoperao da planta de potncia e outros diversos fatores limitantes, arranjos ondese adiciona uma ou algumas turbinas a gs para aproveitar seus gases de exaustoe dirigi-los seja para o interior da caldeira existente ou para o aquecimento dagua de alimentao da caldeira antiga (Ianovici e Mankovski, 1996). Embora, osesquemas mencionados anteriormente sejam os mais econmicos e os quemenores tempos de fora de servio exigem para a usina a repotenciar, tambm soos que menores melhoramentos produzem no rendimento global da planta depotncia ((Koike e Noguchi, 2004), (Shahnazari e Abbassi, 2003)). Outras opes tecnolgicas consideram a utilizao dos antigos equipamentosprincipais e auxiliares: turbina a vapor, condensador, trocadores de calor, bombasde gua de alimentao, condensador e outros; mais o adicionamento de turbinas ags e o aproveitamento de seus gases de exausto que so dirigidos a uma caldeirade recuperao que substitui caldeira convencional para a gerao de vapor,conformando um ciclo combinado completo (Valero, 2005). Esse tipo de arranjotrmico possui um alto rendimento global e o incremento de quase 200% da 44. 36 potncia de sada, mas o custo do investimento alto ao igual que o tempo fora de servio da planta de potncia (Shahnazari e Abbassi, 2003). Um aspecto especial relacionado com o conceito tecnolgico anteriormente descrito est direcionado utilizao do gerador de vapor convencional em paralelo com a turbina a gs e a caldeira de recuperao, para se constituir em uma segunda fonte de vapor superaquecido a alta presso da turbina a vapor (Kehlhofer et alli., 1999). Em este modelo trmico os fluxos de vapor das extraes da turbina a vapor so reduzidos e os aquecedores da gua de alimentao so parcialmente utilizados para incrementar a potncia de sada do turbogerador. O redesenho deste ciclo repotenciado tem uma eficincia muito alta e uma flexibilidade operacional que permite planta de potncia operar como dois sistemas individuais, como ciclo combinado ou como um sistema hbrido (Ehren et alli., 2002). Em locais onde o gs natural no est disponvel como combustvel existem aplicaes tecnolgicas de repotenciao que utilizam outros combustveis alternativos, tais como carvo, leo pesado e leos crus (Todd, 1995). Freqentemente, estes combustveis possuem um alto teor de enxofre ou so inadequados para ser queimados nas turbinas a gs, assim preciso que eles sejam tratados antes de poder ser utilizados. s vezes vapor ou aquecimento so necessrios neste processo de tratamento, o qual pode ser provido por uma planta de ciclo combinado e o resultado so instalaes muito interessantes alm de complexos processos de integrao, tais como: processo de combusto numa caldeira de leito fluidizado atmosfrico, utilizao de um combustor pressurizado de leito fluidizado, instalao de um sistema de gaseificao integrado com um ciclo combinado (Stenzel et alli., 1997). Para selecionar as melhores alternativas de repotenciao, vrios tipos de dados devem ser estimados, os quais permitiram obter os melhores rendimentos, o balano trmico da planta de potncia, os limites tcnicos dos antigos e futuros equipamentos sob as novas configuraes e as estimaes dos custos mais econmicos (Ianovici e Mankovski, 1996). Para alcanar o alvo dessas aplicaes so necessrios programas de computador que possam resolver e avaliar as diferentes caractersticas operacionais das solues de repotenciao. Para apoiar 45. 37 o estudo dessas metodologias tcnicas podem-se utilizar softwares que se encontram disponveis comercialmente, tais como: GATECYCLE (Martinsson et alli., 2000), PEPSE (Colombo et alli., 1989), SOAPP (Stenzel et alli., 1997), THERMOFLOW (Mazurenko et alli., 2005).Um aspecto importante do estudo da repotenciao refere-se avaliao da relao custo-benefcio dessa tecnologia relativa a outras opes disponveis no campo da gerao de potncia eltrica (Schretter et alli., 2003). Esta avaliao considera parmetros econmicos fundamentais, tais como, o custo de investimento, os custos de operao e manuteno, a flexibilidade operacional da unidade repotenciada comparada s outras opes de gerao; assim como a operao de outras unidades existentes no sistema global interconectado (Stoll et alli., 1995). Se a deciso da repotenciao implementada, isto produzir um impacto na expanso programada da instalao da capacidade de gerao, porque pode resultar na poupana de futuras necessidades da potncia eltrica instalada; alm de economias nos custos do consumo de combustveis e os gastos de operao e manuteno, devido diminuio do heat rate e a maior eficincia operacional da instalao.Preocupaes ambientais so fatores muito importantes no mundo dos negcios energticos, assim como na vida diria. A gerao de potncia eltrica no a exceo e as emisses de efluentes gerados pelas UTEs esto no foco mundial, com o Protocolo de Kyoto sendo respeitado por um numero cada vez maior de governos, existe uma forte presso para reduzir as emisses provenientes das plantas de potncia (Schenk et alli., 2003).A repotenciao de velhas unidades com turbinas a vapor queimando combustveis slidos ou lquidos (carvo, leo combustvel) diminui drasticamente as emisses de CO2, SO2 e NOx atravs do melhoramento da eficincia da planta de potncia existente e a mudana do combustvel utilizado (Termuehlen, 1998). 1.4 ESTRUTURA DA DISSERTAOO presente trabalho de dissertao de mestrado foi estruturado em 7 captulos segundo a seguinte descrio:Captulo 1 O primeiro captulo apresenta a introduo, as justificativas e motivaes deste tema, os objetivos a serem alcanados, um breve resumo da bibliografia utilizada e a estrutura do trabalho de dissertao. 46. 38Captulo 2 Neste segundo captulo so apresentados os princpios gerais de funcionamento das usinas termoeltricas relacionadas com o trabalho de dissertao, tais como: usinas com turbinas a vapor, turbinas a gs e ciclos combinados. Faz-se uma descrio das principais caractersticas dos tipos de combustveis fsseis mais comumente queimados na gerao de energia eltrica. Alm disso, se apresentam brevemente as justificativas para a repotenciao dessas plantas de potncia. Captulo 3 So apresentados os aspectos gerais e os conceitos fundamentais sobre o que a repotenciao e o que se pode conseguir na re-adequao de uma planta de gerao de energia eltrica. Descrevem-se as diferentes tecnologias que se podem aplicar na repotenciao, os diagramas de redesenho do ciclo trmico, as vantagens e desvantagens das diferentes metodologias e uma descrio geral do programa de computador Gatecycle aplicado no desenvolvimento das simulaes numricas das mudanas do ciclo termodinmico do caso de estudo. Tambm so indicados os fundamentos termodinmicos da modelagem dos equipamentos que conformam um sistema trmico de potncia, utilizando o software Gatecycle. Captulo 4 Faz-se neste captulo uma anlise da aplicao da repotenciao de duas usinas termoeltricas, uma realizada na UTE Valle de Mxico com 300 MW na cidade de Mxico, onde se realizou uma repotenciao hbrida e outro exemplo de aplicao na usina Tifeo com 70 MW na cidade de Roma, onde se realizou uma repotenciao de ciclo combinado completo. Captulo 5 No captulo cinco realiza-se a modelagem da simulao numrica com o software Gatecycle das condies termodinmicas atuais da unidade U-2 com 73 MW da UTE Gonzalo Zevallos e, sucessivamente, a modelagem da simulao numrica da aplicao das metodologias de repotenciao de ciclo combinado completo e repotenciao hbrida dessa planta de potncia. Realiza-se a modelagem da determinao dos custos de produo da eletricidade gerada, antes e depois das repotenciaes e, finalmente determina-se a modelagem da emisso de CO2 devido ao impacto da mudana de leo combustvel para gs natural das plantas de potncia estudadas. Captulo 6 Neste captulo so discutidos e analisados os resultados obtidos da simulao numrica da avaliao termo-energtica, econmica, e da emisso da descarga especfica de CO2 da planta de potncia existente e dos modelos das usinas repotenciadas. 47. 39 Conseqentemente, so apresentados grficos, tabelas e diagramas de utilizao dos fluxos energticos das plantas de potncia analisadas.Captulo 7 No captulo sete so apresentadas os comentrios relacionados com o presente estudo de repotenciao de usinas termoeltricas, assim como algumas sugestes para prximos trabalhos que possam ser realizados, relacionados com este tema de dissertao. 48. Captulo 2 TERMOELTRICAS E SUA REPOTENCIAONeste captulo se descreve, de forma breve, os princpios de funcionamento das usinas termoeltricas com turbinas a vapor, turbinas a gs e ciclos combinados. Realiza-se uma descrio dos principais tipos de combustveis fsseis utilizados neste estudo e uma viso inicial do que a repotenciao e as justificativas para sua implementao. 2.1 DESCRIO DAS USINAS TERMOELTRICASPara a gerao de eletricidade, as usinas termoeltricas se utilizam de diversos ciclos termodinmicos, entre eles so citados os que so de interesse para o presente trabalho de dissertao: ciclos simples com turbinas a vapor (Rankine), ciclos simples com turbinas a gs (Brayton) e ciclos combinados (Rankine Brayton).Em uma planta de potncia fornecida com combustveis fsseis (carves, derivados lquidos de petrleo ou gs natural), o processo de combusto (reao qumica de certos componentes com o oxignio do ar) geralmente libera a energia interna dos insumos primrios mediante a gerao de energia trmica que fornecida ao fludo de trabalho, produzindo o giro do turbogerador que transforma a energia mecnica em energia eltrica para a obteno do produto energtico secundrio.2.1.1 Usinas termoeltricas com turbinas a vapor Uma UTE a vapor agrupa vrios equipamentos interconectados e selecionados para uma tima caracterstica termodinmica de temperatura, presso e potncia, integradas dentro de um arranjo prtico para servir aos requerimentos de um projeto especfico. 49. 41 Os componentes principais de uma planta de gerao de energia eltrica podem se dividir em cinco subsistemas como descrito a seguir (Silva et alli., 2004): Equipamentos do ciclo a vapor: caldeira, turbina a vapor, condensador e bomba dgua de alimentao; Equipamentos de manuseio do combustvel e exausto dos gases atmosfera; Equipamentos do sistema de resfriamento de gua do condensador e reposio de gua ao ciclo; Equipamentos do sistema de resfriamento aos sistemas auxiliares; Equipamentos para a converso da energia mecnica em energia eltrica; Equipamentos presentes na estao de transmisso para o transporte da energia gerada.No ciclo a vapor ocorre um processo de combusto externa, isto , os gases resultantes da queima do insumo energtico no entram em contato com o fludo de trabalho que escoa no interior da mquina e realiza o processo de transformao da energia do combustvel em potncia de um eixo.Na caldeira injetado, o ar a presso atmosfrica, o combustvel (no queimador) e, a gua, como fludo de trabalho. Atravs de serpentinas ocorre a transferncia de energia trmica dos produtos da combusto ao fludo de trabalho, se produzindo vapor superaquecido (510 - 560 C) e a alta presso (80 90 bar) que, posteriormente passa por uma turbina a vapor que transforma a energia trmica em mecnica que, por sua vez, transmitida por um eixo a um gerador eltrico, transformada em energia eltrica. Depois, este vapor a menor presso ao realizar o trabalho na turbina passa por um condensador (temperatura de sada 40 - 50 C) transformando-se em gua (baixa presso) que recirculada no processo.Uma planta de potncia utilizando turbina a vapor trabalha sob o ciclo termodinmico Rankine simples que est representado esquematicamente no diagrama T-S da Figura 2.1, sendo os processos envolvidos no ciclo (Ramrez et alli., 1996):1 2: Compresso isentrpica do fludo de trabalho na bomba dgua de alimentao(estado no ponto 2: lquido comprimido); 50. 42 2 3: Fornecimento de calor do gs da combusto para o fludo de trabalho a pressoconstante no gerador de vapor (estado no ponto 3: vapor saturado);3 4: Expanso isentrpica do fludo de trabalho na turbina (estado no ponto 4: misturalquido mais vapor);4 1: Rejeio de calor do fludo de trabalho para a vizinhana no condensador a umapresso constante e inferior presso atmosfrica (estado no ponto 1: lquidosaturado).Figura 2.1 Ciclo termodinmico Rankine simples, no diagrama T S.A energia fornecida pela caldeira est representada pela rea entre os pontos 1 2 3 4 5 6 1. No ponto 4, o fludo trabalhado condensado completamente no condensador e a energia convertida em trabalho til na turbina est representada pela superfcie dos pontos 1 2 3 4 1 do diagrama. O trabalho W12 efetuado pela bomba de alimentao sobre o fludo de trabalho (0,3 a 0,5% do Wtotal) descontado do trabalho total desenvolvido pelo ciclo (Ramrez et alli., 1996).Para a anlise ideal do ciclo Rankine se assume que a expanso do vapor na turbina ocorre isentropicamente e que, na realidade, como conseqncia dos atritos mecnicos, aerodinmicos, perdas de vapor, atritos nos bocais, ps e velocidades de escape de fludo, esta expanso no isentrpica e produz um incremento na quantidade de energia no aproveitvel com a elevao da entropia durante a expanso do vapor.Modificaes adicionais podem se introduzir ao ciclo Rankine simples, com o objetivo de melhorar a eficincia, como por exemplo, o superaquecimento que eleva a temperatura do 51. 43 vapor saturado convertendo-o em vapor superaquecido, elevando a mxima temperatura do ciclo (Figura 2.2a) (Korobitsyn, 1998). Quando se adiciona uma etapa de reaquecimento, pode-se conseguir um melhoramento adicional no ciclo Rankine, enquanto o vapor se expande a uma presso mdia (linha 5 a da Figura 2.2b), passando novamente pela caldeira para alcanar a temperatura de superaquecimento (linha a b da Figura 2.2b). Esse arranjo garante grandes reas no diagrama T S, assegurando uma grande quantidade de trabalho total. O ciclo, ento, ganha desempenho quando a gua de alimentao caldeira pr-aquecida pelo vapor extrado da turbina (linha c d da Figura 2.2c), a temperatura mdia pela adio de energia trmica maior que no ciclo Rankine convencional e conseqentemente a eficincia incrementada.Figura 2.2 Ciclo Rankine modificado, no diagrama T S (Korobitsyn, 1998):a) Com superaquecimento;b) Com superaquecimento e reaquecimento;c) Com regenerao. A temperatura dos gases de exausto na caldeira est a aproximadamente 1.800 C, enquanto que a temperatura do vapor est justamente entre 500 600 C. Esta grande diferena de temperatura indica um intercmbio de energia trmica extremamente irreversvel, mostrando as imperfeies do ciclo Rankine, embora se espere melhoramentos deste ciclo com o desenvolvimento da elevao do limite metalrgico dos materiais utilizados para alta temperatura ou pela seleo de outros fludos de trabalho. Atualmente as modernas plantas supercrticas para a gerao de energia que operam com o ciclo Rankine, sob reaquecimento e regenerao, funcionam a temperaturas de 600 C e presses de 350 bar e obtm uma eficincia no maior de 48 49% (Rogers e Mayhew, 1992). 52. 442.1.2 Usinas termoeltricas com turbinas a gs As turbinas a gs so motores trmicos que aproveitam a energia liberada na combusto, armazenada nos gases de exausto que se expandem sobre as ps mveis de um rotor. A turbina a gs mais simples que se possa imaginar a denominada de ciclo aberto simples (Figura 2.3) e tem os seguintes elementos: compressor de ar, cmara de combusto, turbina propriamente dita, dispositivos auxiliares (lubrificao, regulador de velocidade, acionador de partida e outros).O ar atmosfrico ingressa no compressor e alimenta a cmara de combusto que, por sua vez, recebe o combustvel fornecido de forma contnua, a combusto inicia-se eletricamente durante a partida, continua a presso constante e com temperaturas prximas aos 650 750 C. Os gases, produto da combusto, se expandem sobre o rotor da turbina, isto , os gases de exausto fornecem a potncia necessria para a compresso e a potncia til no eixo da turbina, sendo o valor desta ltima somente uma terceira parte da potncia total desenvolvida. Figura 2.3 Turbina a gs de ciclo aberto simples.As turbinas a gs podem-se dividir em trs tipos principais (Deutsche Montan Technologie, 2005): Turbinas a gs de tipo industrial Heavy-duty que so consideradas convencionais por seu desenho, temperatura de funcionamento e eficincia do ciclo. Estas 53. 45 unidades so consideradas conservadoras pelos novos padres, se refletindo no desenho e seleo dos materiais em toda a turbina a gs. Estes motores trmicos tm uma taxa de potncia de sada entre 15 e 170 MW e um rendimento de ciclo aberto de aproximadamente 29 a 34%. Este tipo de mquina notvel por sua confiabilidade e por suas considerveis horas acumuladas de operao. Turbinas a gs de tipo industrial Heavy-duty consideradas no convencionais com desenhos e materiais melhorados ou simplesmente denominadas state of the art. Em muitas dessas mquinas a temperatura de funcionamento, relaes de compresso, sistemas de combusto, sistemas de selos e resfriamento, materiais selecionados, processos de manufatura e desenhos das ps so produtos de pesquisas avanadas e desenvolvimento de novos processos tecnolgicos. Em geral, essas mquinas que operam para uma configurao de 50 Hz, podem se agrupar em duas principais faixas de potncia de sada: de 60 a 70 MW e de 250 a 270 MW. A eficincia destas unidades operando em ciclo aberto est aproximadamente entre 34 e 38% . Turbinas a gs aeroderivativas: Essas so mquinas desenvolvidas a partir de desenhos de motores aeronuticos com sucesso. Como caractersticas, essas unidades tm uma alta eficincia a ciclo aberto e um tempo de partida curto comparado s turbinas a gs industriais Heavy-duty. Os modelos menores deste tipo de motores trmicos tm uma potncia de sada de 2 a 3 MW e as turbinas aeroderivativas maiores esto na faixa de 45 a 50 MW. Operando em ciclo aberto para uma potncia de sada entre 25 e 50 MW esto nos valores aproximados de 38 a 42% de eficincia.O ciclo terico de funcionamento da turbina a gs o ciclo a presso constante, denominado ciclo Brayton que pode ser representado no diagrama entrpico (Figura 2.4). O ar ingressa no compressor presso atmosfrica e comprimido adiabaticamente desde o ponto 1 ao ponto 2s do diagrama. No ponto 2 inicia-se a combusto a presso constante at o ponto 3, produzindo uma introduo de energia trmica Q1, que gera um aumento de volume do fludo. A expanso adiabtica e ocorre pelos condutos da turbina, segundo a linha adiabtica 3 4s mostrada na figura a seguir. No ponto 4s os gases de exausto se descarregam para o exterior, ou melhor, provisoriamente resfriados a uma presso constante, conforme mostra a linha 4s 1 retorna ao estado inicial para reiniciar o ciclo. 54. 46 No ciclo real, o processo de compresso no compressor e o processo de expanso na turbina no ocorrem isentropicamente, pois existem perdas representadas pelos rendimentos mecnicos do compressor e da turbina.Figura 2.4 Ciclo Brayton no diagrama entrpico (Horlock, 1992).O trabalho til de uma turbina a gs ser, naturalmente, a diferena entre o trabalho total e o trabalho necessrio para acionar o compressor, de acordo com o diagrama entrpico da Figura 2.4, sendo a rea compreendida entre os pontos 1234. Procura-se sempre obter o maior trabalho til minimizando as perdas e consumindo o menor trabalho no compressor e, para isto, se utilizam diversos procedimentos visando melhorar o rendimento da turbina a gs. A seguir so descritos alguns deles (Ramrez et alli., 1996):1. Turbinas a gs com regenerao: Parte da energia trmica rejeitada nos gases deexausto recuperada se utilizando um ou vrios regeneradores ou trocadores decalor entre a sada do compressor e a entrada da cmara de combusto, se aquecendoo ar pela ao dos gases de exausto da turbina. Na Figura 2.5a se apresentaesquematicamente uma turbina a gs com regenerao. 2. Turbina a gs com resfriamento e regenerao: Pode-se incrementar orendimento da turbina a gs resfriando o ar de sada do compressor e injetando-o emoutro compressor de alta presso; os resfriadouros trabalham a contracorrente egeralmente as turbinas correspondentes so de dois ou mais eixos e esto providas 55. 47tambm de regeneradores. Na Figura 2.5b se representa o funcionamento deste tipode turbina a gs no diagrama esquemtico. Figura 2.5 Representao de uma turbina a gs de ciclo aberto (Ramrez et alli., 1996): a) Com regenerao; b) Com resfriamento e regenerao. Turbina a gs com resfriamento, regenerao e pr-aquecimento: O rendimento3.de um motor trmico pode ser melhorado, pois, alm do resfriamento do ar docompressor e da regenerao da temperatura do ar que conduzido cmara decombusto, se aproveita tambm a energia trmica dos gases de exausto,introduzindo-os em uma nova cmara de combusto em cuja sada acionada umanova turbina de baixa presso. A combinao de regenerao, pr-aquecimento eresfriamento permitem alcanar rendimentos trmicos reais da ordem de 33% . 56. 48Turbina a gs de ciclo fechado: Neste tipo de turbina se re-circula todo o agente de 4.transformao (exceto as perdas por juntas e alguma adio e extrao pornecessidades de recirculao), de forma continua. A energia trmica procedente doaquecedor de alta temperatura (que substitui a cmara de combusto) ou de umreator nuclear que se transmite turbina; os gases de escape desta se resfriam antesde introduz-los novamente no compressor e, sada deles, so introduzidosnovamente na cmara de combusto. No ciclo fechado podem-se utilizar outros gases de trabalho alm do ar, tais como ohlio, anidrido carbnico e nitrognio. O ciclo fechado tem as seguintes vantagens:fludo de trabalho limpo, presso e composio regulada do fludo trabalhado, altapresso do fludo agente, rendimento constante para amplas variaes de carga. O alto custo e as grandes dimenses do aquecedor de alta temperatura o maiorproblema deste tipo de turbina a gs.2.1.3 Usinas termoeltricas com ciclo combinadoQuando dois ciclos trmicos so combinados em uma nica planta de potncia a eficincia que se pode obter maior que o rendimento dos ciclos individuais. Regularmente, quando dois ciclos so combinados, o ciclo operando a um maior nvel de temperatura denominado Topping cycle e, o calor rejeitado utilizado como fonte trmica do outro processo que opera a um nvel de temperatura menor, denominando-se Bottoming cycle (Kehlhofer et alli., 1999). A combinao, majoritariamente aceita para a gerao comercial de potncia na modalidade de ciclo combinado constitui-se de um ciclo a gs (Brayton) operando como topping e um ciclo gua/vapor (Rankine) operando como bottoming (Figura 2.6). Outra classificao destas plantas de potncia de ciclo combinado est relacionada com o tipo de caldeira de recuperao a se utilizar, j que podem ser de trs seguintes tipos (Horlock, 1992): Caldeira de recuperao trmica sem queima suplementar; Com queima suplementar (com uma temperatura acima de 760 C); Queima total ou completa (utilizando a maior parte do oxignio disponvel dos gases de exausto da turbina a gs); usualmente, para carga base. Este tipo de concepo do ciclo combinado se centra na caldeira de recuperao, onde se considera o equipamento chave para a correta integrao do sistema turbina a gs/turbina a vapor. 57. 49Figura 2.6 Diagrama temperatura-entropia para o ciclo combinado (Yadav et alli., 2003).Os componentes principais de uma planta de gerao de energia eltrica com ciclo combinado so: turbina a gs, caldeira de recuperao (HRSG), turbina a vapor, condensador, sistema de gua de alimentao, ciclo de gua de resfriamento e geradores eltricos (Figura 2.7). Figura 2.7 Diagrama simplificado de um ciclo combinado (Yadav et alli., 2003).Dentro da operao dos ciclos combinados, o ciclo de alta temperatura referente turbina a gs tem uma grande versatilidade para queimar uma variada gama de combustveis, 58. 50 sejam lquidos ou gasosos, especialmente os leos destilados e o gs natural. Com a tendncia contnua de se otimizar o uso dos recursos naturais, a tecnologia vem sofrendo investimentos de maneira criativa na concepo de sistemas mais eficientes, tendo uma grande variedade de configuraes trmicas que podem ser resumidas na Figura 2.8. Ciclo combinado Sem queima suplementar Com queima suplementar Carga pico Carga base Combustvel Igual em TG Diferente em e HRSG TG e HRSGCiclo a vapor Um nvel de pressoDois nveis de presso Trs nveis de pressoAquecimento em aquecedores de gua Extrao da TV Extrao da HRSG Figura 2.8 Configuraes trmicas de ciclos combinados (Wunsch, 1978).A gerao de energia eltrica utilizando este tipo de ciclo muito vantajosa porque, alm de obter eficincias trmicas superiores a 50%, tambm se adaptam facilmente s legislaes ambientais cada dia mais rgidas no controle de emisso de poluentes.Outra vantagem dos ciclos combinados sua construo tipo modular o que permite a montagem dos equipamentos por etapas e assegura a possibilidade da expanso marginal da capacidade da planta de potncia, contando com o incremento da demanda do sistema eltrico. 59. 512.1.4 Tipos de combustveis fsseis utilizados Um combustvel simplesmente uma substncia comburente que, em contato com uma fonte de ignio e um agente oxidante, geralmente o oxignio do ar, sofre reaes qumicas, liberando energia trmica (Silva et alli., 2004). Cabe dizer que, neste estudo, foram enfatizados especialmente os combustveis do tipo hidrocarboneto, que contm hidrognio, carbono, enxofre e outras substancias qumicas.Todos os combustveis fsseis so resultados da fossilizao da matria orgnica, podendo ser de origem vegetal ou animal. Estes combustveis hidrocarbonados podem ser encontrados em estado lquido, gasoso ou slido e ser divididos em cinco classes gerais: petrleo e seus derivados, gs natural, carvo mineral, xisto e turfa.Os combustveis hidrocarbonados lquidos so comumente derivados de petrleo cru atravs de processos de destilao ou craqueamento. A maioria dos combustveis lquidos uma mistura de hidrocarbonetos cuja composio fornecida em termos de fraes mssicas. Aqueles que so de interesse para o presente trabalho de dissertao so o leo combustvel (Fuel oil LIV tipo 4A ou Bunker tipo C) e o leo diesel (tipo 2) utilizados no Equador.Os combustveis hidrocarbonados gasosos so obtidos de poos de gs natural e so constitudos por uma srie de diferentes hidrocarbonetos, sendo o metano (CH4) o principal. As composies de combustveis gasosos so sempre dadas em termos de fraes molares. As caractersticas e propriedades do gs natural utilizado para os estudos do presente trabalho so as do gs natural do projeto Camisea das jazidas San Martn e Cashiriari no Peru.A seguir, sero apresentadas as principais caractersticas de cada um dos combustveis utilizados para anlise neste trabalho de dissertao.2.1.4.1 leo combustvel Entende-se por leo combustvel o produto constitudo por hidrocarbonetos de peso molecular elevado (asfaltenos e resinas) cujas propores dependem do petrleo e dos processos utilizados. Os leos combustveis so leos residuais de alta viscosidade obtidos do refino do petrleo (Garca, 2002). 60. 52Para sua utilizao se requer, inicialmente, o seu aquecimento para reduzir a viscosidade a fim de favorecer o seu escoamento e a sua nebulizao. Com o objetivo de propiciar o mximo da mistura com o ar durante a combusto, preciso que o combustvel seja reduzido a pequenas gotculas mediante a atomizao, que feita atravs do uso de um fludo dispersor na forma de vapor ou ar comprimido. As caractersticas do leo combustvel a ser utilizado nas simulaes de combusto nos geradores de vapor do ciclo Rankine e nos ciclos combinados deste trabalho so aqueles obtidos do refino do petrleo nas refinarias Libertad e Esmeraldas no Equador, cujas propriedades (Petroindustrial: normas ASTM, 2006) esto expressas na Tabela 2.1.Tabela 2.1 leo combustvel Bunker tipo C produzido no Equador (Petroindustrial, 2006).CaractersticasFuel oil LIV tipo 4APoder calorfico superior (kJ/kg) 45.892 Viscosidade cinemtica a 50 C (cSt)493 Densidade (15/4 C)0,949 Ponto de fluidez (C) 49 Ponto de fulgor (C)104 Teor de carbono (% em peso)86,68 Teor de hidrognio (% em peso) 11,58 Teor de oxignio (% em peso) 0 Teor de nitrognio (% em peso)0,3 Teor de umidade (% em peso) 0,1 Teor de enxofre (% em peso)1,52 Teor de cinzas (% em peso) 0,03 2.1.4.2 leo dieselO leo diesel uma mistura de vrias correntes obtidas nas unidades de destilao. Podem fazer parte do leo diesel as seguintes fraes: nafta pesada, querosene, diesel leve, diesel pesado, gasleo leve de vcuo, leo leve de reuso e outros (Garca, 2002). De modo a simplificar os clculos em combusto, o leo diesel modelado como uma dodecana (C12H26). Para uso trmico, o leo diesel o mesmo utilizado para o uso automotivo, tem maior facilidade de manuseio em comparao com os leos combustveis. 61. 53 O leo diesel combustvel no precisa ter ndice de cetanos especificado. Assim, poderia ser constitudo de correntes instveis e de baixo ndice de cetanos, tais como leo leve de reuso, produzido em uma unidade de craqueamento cataltico. No entanto, isto no feito porque resultaria em custos adicionais nas refinarias.As caractersticas (Petroindustrial: normas ASTM, 2006) do leo diesel utilizado como combustvel das turbinas a gs dos ciclos combinados simulados aquele obtido no processo de destilao das refinarias de Esmeraldas e Libertad no Equador (Tabela 2.2).Tabela 2.2 leo diesel tipo 2 produzido no Equador (Petroindustrial, 2006). Caractersticas leo diesel tipo 2 Poder calorfico inferior (kJ/kg) 41.400Viscosidade cinemtica a 37,8 C (cSt) 3,9Densidade (15/4 C) 0,8514Cor ASTM 1,0Ponto de fulgor (C)97gua e sedimento (% em volume)0,025Destilao: PIE (C)218 10% (C)252 50% (C)284 90% (C)333 PFE (C)370Enxofre (% em peso)0,45Cinzas (% em peso)0,004Resduos de carbono (% em peso)0,03ndice cetano calculado 50 2.1.4.3 Gs natural O gs natural um dos principais combustveis gasosos para a obteno de energia eltrica. No seu estado natural, inodoro e incolor, arde com chama ligeiramente luminosa e altamente explosivo quando se mistura com o ar. Sua origem o mesmo que do petrleo e encontra-se em rochas dos perodos tercirio e carbonfero (Gaffert, 1999). 62. 54 O gs natural basicamente metano, na faixa de 80 a 90%, etano (de 5 a 10%) e, outros gases em menores propores (propano, butanos, pentanos, hexanos, gs carbnico, nitrognio e gases raros).O gs natural pode ou no ocorrer associado ao petrleo. Quando ocorre junto ao petrleo, pode ser transportado e distribudo no mercado consumidor. Tambm, pode ser reinjetado no campo petrolfero para manter a presso do reservatrio e melhorar a recuperao primria de leo do campo (Garca, 2002).Como j dito anteriormente, o combustvel gasoso de interesse para o presente trabalho de dissertao aquele que se encontra nas jazidas de San Martn e Cashiriari em Camisea no Peru, com reservas providas de 368 bilhes de metros cbicos. Os estudos realizados (Espinoza, 2000) indicam a composio deste gs, apresentada na tabela 2.3.Tabela 2.3 Caractersticas do gs natural de Camisea no Per (Espinoza, 2000).PorcentagemComposioFrmula(%) NitrognioN20,76Anidrido carbnico CO20,20Metano CH4 82,80 C2H6Etano 8,65PropanoC3H8 3,19Butano C4H101,38Gasolina natural C8H183,02 Poder calorfico superior52.727 kJ/kg Os componentes do gs natural de Camisea podem se agrupar segundo os nomes comercialmente utilizados: gs natural seco (Metano + Etano), gs liquefeito de petrleo (Propano + Butano) e gasolina natural. A poro do gs natural de Camisea de interesse para o estudo de repotenciao das UTE com ciclo Rankine, constitui-se do gs natural seco que se encontra presente numa porcentagem de 78% nessas jazidas (Espinoza, 2000).No caso do gs de camisea, considera-se que o gs natural seco constitudo basicamente por Metano (CH4= 90,5%) e Etano (C2H6= 9,5%) com um poder calorfico superior (PCS) de 54.167 kJ/kg e, ao ser utilizado como fonte energtica para a gerao de 63. 55 eletricidade, aproximadamente o 10% dessa energia absorvida pela formao de vapor de gua, ficando o restante (90%) utilizvel. A energia trmica retida no vapor de gua fica refletida no poder calorfico inferior (PCI) do gs natural seco. Conseqentemente, a energia utilizvel do gs natural seco de Camisea como fonte energtica equivale a 48.750 kJ/kg.2.1.4.4 Reaes de combustoO objetivo da combusto de proporcionar energia trmica uniforme e regulada para um meio que a absorva. Uma das questes mais importantes fornecer a quantidade exata de oxignio por unidade de peso de combustvel para que se realize a combusto completa (Gaffert, 1999).Nas reaes de combusto, a rpida oxidao dos elementos combustveis do combustvel resulta em uma liberao de energia a medida que os produtos da combusto so formados. Uma combusto dita como completa quando todo o carbono presente no combustvel se queima formando anidrido carbnico, todo o hidrognio se queima formando gua, todo o enxofre se queima formando dixido de enxofre e todos os outros elementos combustveis forem totalmente oxidados. A combusto dita incompleta quando estas condies no se cumprirem (Moran e Shapiro, 2002).Nas reaes de combusto toda a massa dos produtos igual massa dos reagentes. A massa total de cada elemento qumico igual em ambos os lados da equao, porm, os elementos existem como compostos qumicos diferentes na forma de reagentes e produtos. Um exemplo das reaes qumicas de combusto de algumas substncias simples apresentado na Tabela 2.4 mais adiante.O processo de combusto pode ocorrer com a quantidade exata de ar que requer o tipo de combustvel, isto , combusto estequiomtrica. Na prtica, sempre se precisa de uma quantidade em excesso de ar que ter que ser fornecida para obter a combusto completa. A quantidade de excesso de ar est determinada pelo tipo de combustvel, pelas caractersticas dos equipamentos e pela carga de operao. Um parmetro que freqentemente se utiliza para a determinao das quantidades de combustvel e ar nos processos de combusto a razo ar-combustvel, que simplesmente a razo entre a quantidade de ar em uma reao pela quantidade de combustvel. Esta razo 64. 56 pode ser escrita em uma base molar (n. de moles de ar dividido por n. de moles de combustvel) ou em uma base mssica (massa de ar dividida pela massa de combustvel), segundo as equaes a seguir:M arAC TERICA = (2.1) M combustvel(M ar )(1 + EA )AC REAL =(2.2)M combustvelOnde:AC TERICA - Relao ar combustvel terica, [kgar/kgcombustvel];- Relao ar combustvel real, [kgar/kgcombustvel]; AC REALM ar - Massa de ar, [kgar]; M combustvel- Massa de combustvel, [kgcombustvel];EA - Excesso de ar, [%].Tabela 2.4 Reaes qumicas de combusto (Silva et alli., 2004). Balano de massaCombustvel Reao qumicaMol Massa (kg)2C+O22CO 24+32=56Carbono2+12 12+32=44 1+11CarbonoC+O2CO2 56+32=88Monxido de carbono 2CO+O22CO22+12 4+32=36Hidrognio2H2+O22H2O2+12 32+32=64Enxofre1+11 S+O2SO2 16+64=80MetanoCH4+2O2CO2+2H2O 1+21+260+224=284Etano2+74+62C2H6+7O24CO2+6H2O 762=762Diesel C12H26+18,5O212CO2+13H2O 1+18,512+1368+96=164 2+32+2cido sulfdrico 2H2S+3O22SO2+2H2O52+160=212Acetileno2+54+22C2H2+5O24CO2+2H2O28+96=124Etileno1+32+2 C2H4+3O22CO2+2H2O 65. 57 Observando as reaes qumicas das substncias simples apresentadas na Tabela 2.4, pode-se determinar que cada tipo de combustvel tem uma reao qumica diferente relacionada aos elementos qumicos que a constituem e uma razo ar-combustvel especfica para a combusto completa.As reaes de combusto para cada um dos combustveis utilizados nas simulaes dos diferentes modelos dos sistemas trmicos estudados sero desenvolvidas e explicadas no captulo 5. 2.2 JUSTIFICATIVAS DA REPOTENCIAO DE UTEAs unidades geradoras de eletricidade com turbinas a vapor existentes que esto sendo repotenciadas com turbinas a gs e ciclos combinados ou com outras novas opes tecnolgicas, esto surgindo como importantes estratgias das corporaes energticas competitivas, visando a transformao das plantas de potncia relativamente improdutivas em geradoras mais eficientes e de baixo custo.Uma prtica comum de repotenciao a converso da unidade a vapor queimando um combustvel derivado de petrleo para um ciclo combinado queimando gs natural ou outro combustvel alternativo. Nesta modificao da planta de potncia, adiciona-se uma turbina a gs e uma caldeira de recuperao trmica (HRSG), assim a turbina a vapor e seus equipamentos relacionados so mantidos e algumas modificaes so aplicadas na usina (Shahnazari e Abbassi, 2003).A estratgia da repotenciao pode, simultaneamente, corrigir o incremento de carga, a vulnerabilidade no mercado de produo eltrica, a complacncia ambiental e a obsolescncia tecnolgica.Existem muitas diferentes opes para a repotenciao de uma planta de potncia existente. A escolha de uma opo especfica de repotenciao est baseada no tamanho e na condio tcnica da usina selecionada (por exemplo, a vida residual) e as necessidades prpria