Geração de EnergiaElétrica

Joinville, 02 de Maio de 2012

Geração Termoelétrica a Gás

Fernando B. Prioste

Escopo dos Tópicos AbordadosConceitos básicos de termodinâmica;Centrais Térmicas a Gás:– Descrição de Componentes (Compressor+Turbina);– Algumas partes extraídas de: Dissertação de mestrado Leonardo V. Gomes - Itajubá 2003.

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Geração Termoelétrica a GásHistórico:– Hero de Alexandria 50 a 75 dC;

– Leonardo da Vinci (livro publicado em 1648)

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cata-vento montado em um eixo instalado no interior de uma chaminé, o qual através de um conjunto de engrenagens, permitia girar um espeto em uma churrasqueira.

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Geração Termoelétrica a GásApesar de diversos trabalhos, e do estabelecimento dasleis da termodinâmica por Carnot, Gibbs e Maxwell emmeados do século XIX, a primeira turbina a gás a gerarpotência foi desenvolvida no começo do século XX, após odesenvolvimento dos compressores multi-estágios:– rendimento da turbina não ultrapassava 3%.

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No final da década de 30, eram fabricadas turbinas a gásde 2000 kW;Surgiu a primeira patente utilizando a turbinas a gás parapropulsão de aviões, ou seja, a jato reação;

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Geração Termoelétrica a GásO uso mais importante das turbinas a gás tem sido naaviação praticamente todos os aviões, com exceção dosmenores.Nos anos 40 quando a turbina térmica a gás foi introduzidapara a geração de energia elétrica foi considerada umarevolução nos processos de geração de energia utilizandocombustíveis fósseis;Desde então, o progresso das turbinas a gás tem sidoenorme, existindo hoje turbinas que vão desde 0,2 a 350MW.Próximo a 1990, as turbinas a gás passaram a serresponsáveis por uma boa parte da geração deeletricidade das novas usinas térmicas, devido ao seu usono ciclo combinado.

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Geração Termoelétrica a GásOutros fatos que ajudaram na popularização da turbina a gás para geração de energia foram o desenvolvimento na aerodinâmica dos compressores e o aumento da temperatura máxima do ciclo devido ao aumento da suportabilidade térmica de materiais.

Combustíveis utilizados:Gás natural;Óleo combustível;Estão (estavam?) sendo feitas pesquisas para fazer com que o carvão mineral torne-se um combustível viável pode ser utilizado como combustível.

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Geração Termoelétrica a GásAs turbinas a gás estão associadas ao ciclo Brayton;As Turbinas a gás possuem 3 partes componentes principais:– Um compressor de gás;– Uma câmara de combustão ou queimador;– Uma turbina

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O fluido de trabalho é comprimido pelo compressor. Em seguida o fluido de trabalho entra na câmara de combustão e recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura e consequentemente, sua energia interna. Na turbina o fluido é expandido fornecendo potência para acionamento do compressor e potência útil.

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Geração Termoelétrica a GásEsquemas termodinâmicos de ciclo Brayton paraTurbinas a gás:– Pode ser subdividido em dois:

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Geração Termoelétrica a GásEsquemas termodinâmicos de ciclo Brayton paraTurbinas a gás:

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Ciclo aberto:Geração de energia elétrica;Propulsão aérea e marítima.

Ciclo fechado:QH vem de um reator refrigerado

por gás;Exemplo: geração de energia

elétrica no espaço; Fernando B. Prioste

Geração Termoelétrica a GásResumo do ciclo Brayton:O fluido de trabalho é comprimido pelo compressor;Em seguida o fluido de trabalho entra na câmara de combustão e recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura e consequentemente, sua energia interna;Na turbina o fluido é expandido fornecendo potência para acionamento do compressor e potência útil.

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Geração Termoelétrica a GásCiclo Brayton ideal:Processo isentrópico - Ar a temperatura ambiente é “injetado” no compressor, onde é pressurizado;Processo isobárico - O ar comprimido vai para a câmara de combustão, onde o combustível é queimado, aquecendo este ar – um processo a pressão constante;Processo isentrópico – O ar aquecido e pressurizado se expande na turbina produzindo trabalho. Parte deste trabalho é usada para acionar o compressor e o restante para gerar eletricidade (gerador);Processo isobárico – Rejeição de calor (na atmosfera).

Ciclo Brayton “real”:Processo adiabático - Compressão;Processo isobárico – Adição de calor;Processo adiabático – Expansão;Processo isobárico - Rejeição de calor (na atmosfera).

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Geração Termoelétrica a GásRendimento do ciclo Brayton ideal:

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( )1

1 1

2 2

1 1 1atmosfericaBrayton

saida compressor

TT PT T P

γγ

η

−

⎛ ⎞= − = − = −⎜ ⎟

⎝ ⎠Onde gama é a relação da capacidade de calor

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Geração Termoelétrica a GásRendimento do ciclo Brayton aumenta com a relação de pressão:

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Geração Termoelétrica a GásA potência específica do ciclo Brayton aumenta com a temperatura

na entrada daturbina

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Geração Termoelétrica a GásConfigurações de turbinas a gás:

Heavy-Duty: configuração é muito utilizada em operação que exige velocidade e carregamento constante, como é o caso da geração elétrica (também

utilizada em propulsão naval);– São robustas;– Flexíveis quanto ao uso de combustível;– Possuem alta confiabilidade, rendimento e custo menores que as

aeroderivastivas;– São turbinas a gás de ciclo simples de um eixo, um compressor (a

maioria axial), uma câmara de combustão (usualmente externa ao corpo da máquina) e uma turbina (a maioria axial);

– A razão (relação) de pressão pode variar de 5:1 a 15:1;– A temperatura máxima pode chegar até 1290ºC em algumas unidades

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Alstom GT8C

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: GT11E da ABB

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Sistema de entrada de ar

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Compressor axial

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Compressor axial e radial

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Compressor axial.Compressor radial.

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Câmara de combustão

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty: Turbina

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty:

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Câmara de combustão

Turbina Gerador

Compressor

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Geração Termoelétrica a GásTurbinas a gás tipo Heavy-Duty – diagrama funcional:

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