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MBE ENERGIA
PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA
MARCO ANTONIO DE SOUZA OSORIO
“Upgrade” da turbina a gás de uma planta termelétrica: Estudo de caso de upgrade da
turbina a gás de uma planta temelétrica
Rio de Janeiro
2020
MARCO ANTONIO DE SOUZA OSORIO
“Upgrade” da turbina a gás de uma planta termelétrica: Estudo de caso de upgrade da
turbina a gás de uma planta temelétrica
Trabalho de Conclusão de Curso elaborado para MBE
em Energia do Departamento de Engenharia
Mecânica, da Pontifícia Universidade Católica do Rio
de Janeiro, como parte dos requisitos para conclusão
do curso de Pós Graduação MBE em Energia.
Orientador: Prof. Dr. Gilson Krause
Rio de Janeiro
2020
RESUMO
OSORIO, Marco Antonio de Souza. “Upgrade” da turbina a gás de uma planta termelétrica:
Estudo de caso de upgrade da turbina a gás de uma planta temelétrica. 2019. Trabalho de
Conclusão de Curso (MBE Energia) – Departamento de Engenharia Mecanica, Pontifícia
Universidade Católica do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2019.
Várias plantas termelétricas atualmente em operação, são baseadas em tecnologias já obsoletas
ou pouco eficiente se comparadas às tecnologias atualmente disponíveis comercialmente.
Este trabalho tem como objetivo comparar uma planta típica, com esta mesma planta após a
realização de upgrade da tecnologia de geração. Focaremos nas possibilidades de aumento de
desempenho do principal equipamento de geração de uma planta termelétrica a gás, a turbina a
gás. Foi considerada uma planta típica composta por uma Turbina a gás modelo GE 7FA de
fabricação General Eletric, da série 3, uma turbina a vapor padrão, totalizando uma capacidade
de geração da ordem de 220 MW.
Atualmente as turbinas a gás da linha frame 7F já estão na série 5, havendo ainda as turbinas
das linhas G e H que apresentam ganhos consideráveis de eficiência, potência e redução dos
custos de manutenção.
Neste estudo consideraremos um upgrade denominado “AGPTECH”, que nada mais é que uma
pequena evolução das turbinas GE 7FA série 4. Com investimentos da ordem de 37 milhões de
reais, conseguimos obter elevação da potência nominal da planta em aproximadamente 6%, um
aumento realtivo de 4% na eficiência, além do aumento do intervalo de manutenção típico de
24.000 horas de operação para 32.000 horas de operação.
Em função da modelagem do empreendimento este upgrade pode ser atrativo, justificando tal
monta de investimento.
Palavras-chave: Turbina a gás. Upgrade. Planta Termelétrica.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO 5
2 DESCRIÇÃO 7
2.1 PLANTA TERMLETRICA TIPICA COM TURBINA GE 7FA.03 7
2.2 PLANTA TERMLETRICA TIPICA COM TURBINA GE 7FA.04 AGPTECH 7
2.3 DEMAIS EQUIPAMENTOS DA PLANTA 8
2.4 CUSTOS PARA GERAÇÃO ELÉTRICA E PREMISSAS DE OPERAÇÃO 9
3 RESULTADOS 10
4 AVALIAÇÃO ECONOMICA DO EMPREENDIMENTO 11
4.1 PREMISSAS ADOTAS E RESULTADOS VERIFICADOS 11
5 CONCLUSÕES 12
5
1 INTRODUÇÃO
O Brasil possui uma capacidade de geração de energia elétrica da ordem de 168 GW1,
composta por 8413 empreendimentos. Está previsto para os próximos anos um incremento na
capacidade de mais 23 GW, resultado de 509 novos empreendimentos.
Da capacidade total de 168 GW, atualmente instalada, 166 empreendimentos totalizando 13,4
GW de capacidade, tem como combustível o gás natural.
Estes empreendimentos são tipicamente compostos por turbinas a gás operando em ciclo
combinado com turbinas a vapor gerando elétrica, conforme esquema a seguir.
Existem basicamente plantas em ciclo simples, onde os gases de exaustão das turbinas a gás é
descartado para atmosfera, e plantas em ciclo combinado e/ou cogeração, onde a energia dos
gases de exasutão das turbinas a gás é aproveitado para geração de vapor para acionamento de
turbinas a vapor, no caso de ciclos combinados, ou para utilização do vapor em processos
industriais, nas plantas de cogeração. Maiores detalhes podem ser obtidos em literatura ou sites
especializados como o indicado na figura acima.
1 ANEEL, Banco de Informações de Geração. Consultado em 28 de outubro de 2019. «BIG - Banco de
Informações de Geração»
Figura 1 - Esquema típico de Termelétrica em ciclo combinado. https://www.gasnet.com.br/termeletricas/ciclo.asp
6
No Brasil, boa parte dos empreendimentos possuem projeto do final do século passado, havendo
hoje em dia tecnologias mais eficientes e rentáveis para produção de energia. Neste trabalho
focaremos em uma solução disponível para ganho rápido de performance nas turbinas a gás,
principal equipamento de uma planta termelétrica, com um investimento relativamente baixo.
Atualmente projetos com turbinas a gás de última geração, como as GE série H, Siemens SGT6
ou Mitsubishi Série J, atingem eficiências da ordem de 63% em ciclo combinado, muito
superior a eficiência de plantas equipadas com turbinas da serie 7FA, como as analisadas neste
estudo. A capacidade individual de geração das turbinas a gás também aumentou
significativamente, saltando da casa dos 150 a 200 MW para mais de 400MW. Enquanto os
upgrades permitem ganhos relativamente pequenos de eficiência, quando comparados a novos
projetos, em contrapartida possuem custo e tempo de implantação significativamente menores.
Quando da decisão de investimento deve-se levar em conta a opção que melhor atenda as
características específicas de seu negócio.
7
2 CONCEITOS GERAIS
2.1 Planta Termelétrica Típica com Turbina GE 7FA.03
As turbinas GE F-Class foram durante muito tempo o carro chefe da GE em se tratando de
turbinas industriais de grande porte. Sua produção iniciou-se em 1989 e possui uma frota
instalada de mais de 1100 turbinas no mundo todo. Abaixo vemos a representação típica de
uma turbina GE Frame 7.
Figura 2 - Turbina GE Frame 7
A seguir podemos ver dados típicos de desempenho de uma turbina a gás GE 7FA.03.
Modelo
GE7FA.03
Potência [MW] Eficiência [%] Intervalo entre
Manutenções [horas
de operação]
Ciclo Simples 150 35 24.000 Tabela 1 - Dados operacionais Turbina GE 7FA.03
2.2 Planta Termelétrica Típica com Turbina GE 7FA.04 AGPTECH
O AGPTECH é um upgrade comercializado pela General Eletric (GE) que consiste
basicamente na substituição das partes quentes (palhetas rotoras e estatoras) e alteração dos
parâmetros de queima, de modo a aumentar as temperaturas dos gases na turbina a gás. Para
a implementação deste upgrade também é necessário o aumento da capacidade de
processamento da CPU de controle e alteração da lógica de controle da turbina. Com essas
modificações, espera-se obter um ganho de potência, de eficiência da turbina e do intervalo
entre as manutenções.
8
Upgrade de GE7FA.03 para
GE7FA.04 AGPTECH
Aumento de
Potência [%]
Aumento da
Eficiência [%]
Aumento do
Intervalo entre
Manutenções [horas
de operação]
Ciclo Combinado 4-7 2-3 8.000 Tabela 2 – Ganhos típicos com upgrade Turbina GE7FA.03 para AGPTECH
O ganho obtido com o upgrade varia em função das condições ambientais, particularidades
e restrições que cada planta apresenta. Antes da implementação deve ser realizado um
estudo detalhado visando a avaliação de possíveis gargalos que limitem os ganhos esperados.
O prazo necessário a implementação deste upgrade é semelhante ao prazo normal de uma
intervenção típica de uma HGPI (Hot Gas Path Inspection), em torno de 21 dias. O ideal é
que este projeto seja implementado durante um processo de manutenção por horas de
operação tipo HGPI ou major, já que boa parte das peças trocadas nestas intervenções são
as mesmas necessárias à implementação do AGPTECH. As turbinas a gás de uso industrial
possuem manutenções típicas de grande porte, em intervalos pré definidos, normalmente a
cada 24.000 horas, nas turbinas tradicionais, ou 32.000 horas de operação, nas turbinas de
projeto mais moderno. Estas intervenções são comumente chamadas de HGPI (Hot Gas
Path Inspection) e manutenção do tipo Major, e a maioria dos fabricantes recomendam a
realização destas intervenções de forma intercalada. As intervenções do tipo Major se
diferem das HGPI por abrangerem um nível de maior de inspeção e troca de componentes.
Estas intervenções consiste tipicamente na abertura das turbinas e inspeção e/ou troca dos
componentes, principalmente do hardware de combustão.
2.3 Demais equipamentos da planta
Para a implementação do AGPTech, é necessário que os demais componentes da planta
suportem o incremento adicional de energia produzido pelas turbinas a gás. Os principais
componentes impactados são:
• Gerador elétrico;
• Caldeira recuperadora;
• Bombas de alimentação de caldeira;
• Turbina a vapor;
• Torres de resfriamento de vapor;
• Etc.
9
No caso em questão, não foi necessário a substituição de nenhum destes componentes pois
a folga de projeto permitiu a operação nas novas condições pós upgrade.
2.4 Custos para geração elétrica e premissas de operação
Em uma usina termelétrica típica, o principal custo associado ao processo de geração
elétrica está na maioria das vezes associado ao valor do gás natural utilizado como
combustível. Esta parcela varia em função das características do empreendimento, mas pode
facilmente superar 50% do custo variável unitário (CVU) real do empreendimento. O CVU
é o valor necessário para cobrir todos os custos operacionais do empreendimento. As
principais parcelas que normalmente compõe este custo são:
• Custo de combustível;
• Encargos (Perdas até o centro de gravidade, PIS/COFINS, P&D,etc)
• Custos de Operação e Manutenção (O&M);
• Logistica do combustível (malha de gasoduto, transporte, etc);
• Margem de distribuição;
Neste estudo consideramos um custo médio de combustível (gás natural) de 5,0
US$/MMBtu. A tabela a seguir mostra valores típicos para composição do CVU de uma
usina termelétrica.
ESTIMATIVA DE CUSTO CVU TÍPICO
Custo de combustível 150 R$/MW.h
Encargos (PIS/Confins, etc) 12 R$/MW.h
Custos de O&M 5 R$/MW.h
Margem de distribuição 10 R$/MW.h
CVU 177 R$/MW.h Tabela 3 – Composição típica do CVU de uma Termelétrica
Para o calculo da viabilidade do projeto, foi utilizado um fator de operação da ordem de
50%. Fator de operação é o percentual do tempo considerado que a planta estará em
operação. No caso em questão, como um ano possui aproximadamente 8.760 horas, o fator
de operação considerado de 50%, correspondente a considerar que a planta operará em
média por aproximadamente 4.380 horas anuais. Este número foi obtido com base no
histórico dos últimos anos de operação da planta e nas expectativas futuras de operação,
calculadas baseadas nas projeções do preço de energia utilizadas pela empresa.
10
3 RESULTADOS OBTIDOS
Avaliaremos agora os dados de uma planta onde foi realizado o AGPTECH. Esta planta era
originalmente equipada com uma turbina modelo GE 7FA.03 operando em ciclo combinado
com uma turbina a vapor e com capacidade de geração nominal de 226 MW. O APTECH foi
implementado durante uma parada para realização de uma manutenção tipo HGPI.
RESULTADOS OPERAÇÃO
EM CICLO SIMPLES
Potência
[MW]
Eficiência
[%]
Intervalo entre
Manutenções [horas
de operação]
7FA.03 PRÉ AGPTECH 147,0 34,9 24.000
7FA.04 AGPTECH 159,3 36,9 32.000 Tabela 4 - Resultados reais em Ciclo Simples (Condições site)
RESULTADOS
OPERAÇÃO EM CICLO
COMBINADO
Potência
[MW]
Heat Rate
[MMBtu/MW.h]
Eficiência
[%]
Intervalo entre
Manutenções
[horas de
operação]
7FA.03 PRÉ AGPTECH 219,5 6,687 52,2 24.000
7FA.04 AGPTECH 234,3 6,417 54,3 32.000 Tabela 5 - Resultados reais em Ciclo Combinado (Condições site)
O desempenho das turbinas a gás sofre grande influência das condições ambientais de
temperatura, pressão atmosférica e umidade do local onde se realiza as medições. Os resultados
anteriores são referentes as condições “site”, isto é, fazem referência as condições medias do
local do empreendimento. É comum também a utilização de condições de referencia ISO para
normalização dos resultados.
Como podemos observar nos números obtidos, foi verificada um aumento da eficiência e da
potencia gerada tanto no ciclo simples como em ciclo combinado. Isto foi possível pelo
aumento das temperaturas de trabalho das turbina a gás e pela maior vazão de gases gerada na
exaustão destas turbinas, o que permitiu também a produção de um maior volume de vapor.
Ocorreu um aumento da ordem de 6,7% na potência e uma reduçãode aproximadamente 4% do
Heat Rate. O Heat Rate é uma medida da eficiência do ciclo. Conceitualmente é a razão entre
a energia fornecida ao ciclo pelo combustível, pela energia gerada pelo mesmo.
Atualmente a turbina a gás está com mais de 6.500 horas de operação após a realização do
AGPtech e até o momento não apresentou anormalidades operacionais. Como a unidade ainda
não completou uma campanha de operação, ainda não temos como assegurar que a unidade
atingirá o ganho de campanha esperado de 24.000 para 32.000 horas.
11
4 AVALIAÇÃO ECONÔMICA DO EMPREENDIMENTO
4.1 Premissas adotadas e resultados verificados
A seguir detalhamos as principais premissas adotadas e resultados medidos, necessários a
avaliação do investimento.
7FA.03 AGPTECH Ganho
Intervalo de Manutenções horas 24.000 32.000 33,3%
Potência líquida MW 219,5 234,3 6,7%
Eficiência % 52,2 54,3 4,0%
Heat rate MMBtu/MW.h 6,687 6,417 -4,0%
Custo Real Geração Unitário R$/MWh 176,90 170,0 -4,0% Tabela 6 - Resultados obtidos (Condições site)
Taxa Mínima Atratividade (TMA) %a.a. 9,0
Horizonte Análise anos 15,0
Taxa Câmbio R$/US$ 3,9
Fator Operação % 50,0
Remuneração media por geração R$/MWh 250,0 Tabela 7 - Premissas econômicas do estudo
7FA.03 AGPTECH
Custo HGPi R$ MM 3,50 3,50
US$ MM 2,20 2,42
Custo Overhaul R$ MM 7,50 7,50
US$ MM 3,00 3,30
Investimento Upgrade R$ MM - 4,0
US$ MM - 8,6 Tabela 8 - Custos de Manutenção e Implantação
Tabela 9 - Resultado financeiro esperado
Resultado Geração 94,77 R$ MM
Custo Overhaul 2,62 R$ MM
Investimento Upgrade -37,54 R$ MM
VPL Projeto 59,85 R$ MM Tabela 10 - Avaliação do projeto
Cenário Item VP 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
Receita Geração 1.937,41 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35 240,35
Custo Overhaul -15,29 - - - - 12,08- - - - - - 19,20- - - - -
Custo Geração 1.371,68 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17 170,17
Resultado geração 565,72 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18 70,18
Receita Geração 2.068,04 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56 256,56
Custo Overhaul -12,67 - - - - - - 12,94- - - - - - - - 20,37-
Custo Geração 1.407,55 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62 174,62
Resultado geração 660,49 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94 81,94
7FA.03
AGPTECH
Tempo [anos]
12
5 CONCLUSÕES:
Com base nos dados obtidos, observamos que a alternativa do upgrade pode ser
economicamente interessante em função do despacho esperado para a planta em questão.
Considerando um despacho de 50% do tempo, temos um VPL de 59,85 milhões de reais em 15
anos, considerando uma TMA de 9,0%. O VPL deste projeto permanece positivo com fator de
operação mínimo de 20%.
Assim podemos concluir que o projeto é viável nas condições consideradas e a sua extrapolação
para outros projetos é bastante pertinente.
O curto tempo necessário a implementação deste upgrade, inferior a 12 meses dependendo da
disponibilidade dos kits de conversão pelo fabricante, permite um incremento rápido do
desempenho das plantas, podendo ser uma alternativa interessante de melhoria da
competitividade de plantas existentes em leilões futuros de energia. Upgrades semelhantes ao
exposto para esta tecnologia (GE 7FA), estão disponíveis para outras tecnologias de turbinas
industriais, tais como as séries GT11 e GT24 de fabricação Alstom e 6FA de fabricação GE.
É importante salientar que mesmo com aplicação dos upgrades disponíveis, a diferença de
eficencia entre estas plantas e plantas equipadas com as novas séries de turbinas a gás lançadas
nos últimos anos é bastante significativa. Enquanto no caso analisado a eficiência após a
aplicação do upgrade ficou na ordem 54%, em novos projetos, as eficiências chegam a ordem
de 63%. Esses considerações devem ser levadas em conta na hora avaliação da melhor alternativa para
participação em novos leilões.
