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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIROESCOLA POLITÉCNICADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICACURSO DE ENGENHARIA MECÂNICA
Empresa 11
Máquinas Térmicas
Universidade Federal do Rio de Janeiro. Departamento de Engenharia Mecânica
Ilha do Fundão, CT – G-204 Rio de Janeiro, RJ, Brazil. Postal Code 21941-972. Telefax 55-21- 2562-8383; Telephone: 55-21-2562-8388
Department of Mechanical Engineering, Federal University of Rio de Janeiro Ilha do Fundão, CT – G-204 Rio de Janeiro, RJ, Brazil. Postal Code 21941-972. Telefax 55-21- 2562-8383; Telephone: 55-21-2562-8388
Autores:
Iury [email protected]
Monique Martins [email protected]
Suelen dos Santos [email protected]
Tiago Barbosa [email protected]
Thiago Preuss [email protected]
Orientador: Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida
Rio de JaneiroJunho de 2008
Índice
Resumo 03
Abstract 03
I – Introdução 03
II – Cogeração 04
Ciclo Combinado – Definição 07
Ciclo combinado – Uma análise econômica 08
III – Programa HYSYS 09
VII – Análise de resultados 10
VIII – Conclusão 20
IX – Referências Bibliográficas 20
2
Resumo
Neste trabalho é dada ênfase à análise de um ciclo combinado, com
auxílio do programa HYSYS. A princípio foram feitos separadamente o
ciclo Rankine e o ciclo Brayton para que em seguida fosse feita a
combinação dos dois. A análise consiste na variação de parâmetros e
posterior estudo das alterações no ciclo.
Abstract
The presented work deals with the analysis of a combined cycle using
software Hysys 3.2. At first, Rankine and Brayton cycle were done separately so
that after they could be joined. The analysis consists in the variation of parameters
and posterior study of the alterations in cycle.
I – Introdução
As centrais a ciclo combinado gás/vapor (combinação do ciclo a
vapor Rankine com o ciclo a gás Brayton - Figura 1) vem se tornando, nos
últimos anos, uma alternativa interessante para a geração de energia elétrica
e para a cogeração de calor e potência. Estas centrais, além de apresentarem
um elevado rendimento termodinâmico operando com gás natural, possuem
também um excelente desempenho ambiental pela menor emissão de
compostos poluentes (CO2, SOx e NOx) . A elevação no rendimento
energético dessas centrais deve-se aos contínuos trabalhos em
desenvolvimento no mundo (Europa e USA), em particular sobre turbinas a
gás de uso industrial (heavy duty).
3
Figura 1. Ciclo Combinado
Para o estudo e análise de sistemas de conversão de energia para
geração de potência é muito importante a disponibilidade de programas
computacionais adequados, flexíveis e precisos. Estes programas podem ser
utilizados com muita precisão para simular o funcionamento dos sistemas de
conversão de energia em condições de projeto e em condições fora de
projeto, permitindo definir a estratégia mais conveniente de operação em
função da carga. Simuladores modulares são apropriados para atender a
estes objetivos, nos quais cada módulo representa um componente do
sistema (compressor, bomba, turbina a vapor, turbina a gás, trocador de
calor, etc.).
Neste trabalho desenvolveremos o estudo de um ciclo Brayton a gás
integrado a um ciclo Rankine, utilizando o programa HYSYS. Faremos
algumas variações como de temperatura, pressão, fluxo mássico, a fim de
observar as variações que ocorrerão no ciclo.
II – Cogeração
Cogeração é a geração de energia térmica e elétrica simultaneamente
a partir de um combustível fóssil. Através da queima de um combustível um
gerador é acionado produzindo energia elétrica, aproveitando-se o calor
4
gerado pela combustão no processo. O objetivo é gerar economia na área de
utilidades: água, vapor, energia elétrica, calor, ar comprimido etc.
Vantagens:
Vantagem competitiva pela utilização do gás natural;
Utilização de tecnologia de ponta (motores e turbinas);
Menor nível de emissão de poluentes comparado com a geração
termelétrica centralizada;
Aproveitamento entre 70 e 85 % na queima do gás natural (alto
rendimento - sem desperdícios);
Autonomia na produção das suas utilidades (vapor, água quente,
frio, etc.);
Aumento da confiabilidade de suprimento de energia elétrica e
térmica;
Valor agregado devido às oportunidades de negócios geradas
(venda de excedente);
Além de o gás natural apresentar o melhor custo x benefício, em
relação a outros tipos de combustíveis, seu aproveitamento na cogeração é
muito superior. Segundo o INEE (Instituto Nacional de Eficiência
Energética), enquanto os sistemas de geração alcançam rendimentos entre
40 e 50% (Figura 2), a cogeração alcança índices em torno de 80%, podendo
chegar, em alguns casos, a 90% (Figura 3).
Embora a implantação do sistema de cogeração exija certo
investimento inicial, o consumidor poderá obter o retorno desse capital em
pouco tempo, dependendo da economia que será gerada.
Para analisar a viabilidade do negócio, existem empresas
especializadas no mercado. Chamadas de ESCO's (Energy Save
Companies), elas fazem um levantamento preciso da demanda térmica e
elétrica, das condições de parcerias, dos riscos envolvidos e do potencial de
economia energética, desenhando, assim, um plano ideal para as
necessidades de cada consumidor.
5
Algumas ESCO's, inclusive, chegam a investir no projeto de
cogeração. Constroem e operam as instalações por um determinado prazo
(até conseguirem a amortização do capital empregado) e, depois, repassam o
sistema ao consumidor.
Outra possibilidade para diminuir custos com a implantação de um
sistema de cogeração é o aluguel de geradores, turbinas, motores a gás, etc.
Chamada de "Rental Power", essa prática é bastante comum nos Estados
Unidos, onde a cogeração é mais desenvolvida.
Figura 2. Rendimento em sistemas de geração
Figura 3. Rendimento em sistemas de cogeração
6
Ciclo Combinado - Definição
Um ciclo combinado é uma central termoelétrica constituída por dois
ou mais ciclos termodinâmicos em uma mesma planta cuja finalidade
exclusiva é produzir energia elétrica.
Podemos combinar diferentes processos e máquinas térmicas
trabalhando com meios fluidos iguais ou diferentes. Porém até o presente
momento um tipo de ciclo combinado que tem encontrado ampla aplicação
é o que combina o ciclo Brayton com o ciclo Rankine que foi
esquematicamente mostrado na Figura1.
Os gases de exaustão da turbina a gás, que se encontram a elevada
temperatura, são utilizados para a produção de vapor em uma caldeira de
recuperação, com ou sem queima suplementar. Este vapor é então utilizado
como fluido de acionamento em uma turbina a vapor para gerar trabalho
adicional. Neste equipamento o vapor após realizar todo o trabalho nas
rodas da turbina, expandido até os limites mínimos de vácuo normais em
ciclos a vapor, é encaminhado ao condensador, um grande trocador de calor,
onde entra em contado indireto com um meio em menor temperatura e se
condensa para voltar em ciclo fechado a caldeira. É importante ressaltar que
não há nenhum aproveitamento térmico da energia, ou seja, não se realiza
aplicação de calor útil. O acréscimo de potência alcançado em um ciclo
combinado é, em geral, da ordem de 50 % da potência da turbina a gás e a
eficiência global passa da média de 30 % do ciclo simples e atinge valores
em torno de 50 e 60 % em ciclos combinados comerciais.
A combinação dos ciclos Brayton e Rankie apresenta grande
flexibilidade na produção de calor e eletricidade face às várias
possibilidades de arranjo, além de apresentar uma eficiência maior quando
comparada com a dos dois ciclos isoladamente. Na cogeração realizada com
o ciclo combinado, a turbina a vapor ou a própria caldeira de recuperação
devem oferecer possibilidades de fornecimentos de vapor ao processo. Tudo
isto, na verdade, depende do investimento a ser feito, da flexibilidade
operacional desejada, mas, sempre, buscando a compatibilidade do ciclo
proposto com o processo consumidor de trabalho e calor.
7
Ciclo combinado – Uma análise econômica
Os preços médios de plantas de ciclo combinado podem variar de
US$ 700/kWe, para plantas de 100 MWe até US$ 300/kWe para plantas de
700 MWe, a Figura 4 mostra um gráfico do custo do ciclo combinado para
estas faixas de potência. A faixa de variação de US$ 100,00 por kWe
apresentada na Figura 4 refere-se a média das diferenças entre os valores
reais e a curva de valor médio, acrescida de um desvio padrão destas
mesmas diferenças. Estes valores referem-se a ciclos combinados
queimando gás natural, turbinas a gás dry low NOx, caldeira de recuperação
sem queima suplementar, turbinas a vapor condensantes de múltiplas
carcaças, sistema de controle, sistema de partida e auxiliares, além do
transformador elevador. Os valores considerados para operação e
manutenção (O&M) em plantas de ciclo combinado está contido numa faixa
entre 2,5 e4,0 US$/MWh.
Figura 4-Custo Específico de Ciclo Combinado para a Faixa de Potência de 10 a 70 MWe
Estudos feitos (CUNHA, 2000) para o Brasil mostram que
considerando o gás natural a US$ ,40/MBTU, 15% de taxa de atratividade e
os preços de EPC (engineering, procurement, construction) ofertados para
construção de plantas de ciclo combinado no país, teríamos energia elétrica
com preço em torno de US$ 35,00/MWh.
8
Apesar de seu custo ser quase duas vezes maior que de um ciclo
simples, as instalações de ciclo combinado são competitivas.
Restrições ambientais que os ciclos de geração de energia elétrica
vem sofrendo nos últimos anos, a elevação de seus custos unitários de
instalação e operação e a elevada eficiência alcançada com a alteração nos
ciclos simples das turbinas a gás fazem com que o ciclo combinado se torne
uma boa alternativa.
III – Programa HYSYS
O Hysys é um poderoso software de simulação de plantas químicas e
refinarias de petróleo. Ele inclui ferramentas para a estimativa das
propriedades físicas e equilíbrio da fase líquido-vapor, o calor e o balanço
de massa, e simulação de muitos tipos de equipamentos da engenharia
química.
É um simulador que funciona segundo uma estrutura modular, isto é,
consideram a instalação como um conjunto dos seus componentes
conectados um ao outro e ao ambiente por fluxos de massa e energia.
Em geral, a estrutura modular destes simuladores permite ao analista
desenvolver cálculos energéticos e termoeconômicos, seja de instalações
convencionais (turbinas a gás, ciclos motores a vapor, ciclos combinados),
seja de sistemas avançados.
A resolução, em geral, baseia-se nos balanços de massa, de energia e
de espécies químicas para todos os componentes da instalação. O ambiente
de desenho apresentado pelo Hysys facilita muito a elaboração do esquema
de processo da instalação, além de possuir uma metodologia eficaz para a
análise da instalação em condições fora de projeto. No presente estudo,
pode-se observar como é criado um esquema de funcionamento de uma
instalação de cogeração de energia, o qual é composto por vários
componentes (trocador de calor, compressor, turbina, bomba, etc.)
disponíveis na biblioteca do programa. Esses componentes são conectados
entre si pelas linhas relativas às mais variadas correntes de substâncias
(combustível, ar, água, vapor.) em circulação em um sistema de cogeração
de energia.
9
IV – Análise de resultados
Faremos o estudo de um ciclo de cogeração de energia que utiliza um
ciclo combinado. O calor que é perdido no ciclo Brayton é aproveitado no
ciclo Rankine para aquecimento da água e posterior produção de energia. Os
dados deste ciclo combinado foram baseados no exemplo 11.6, para o ciclo
Brayton e no exercício 11.21, para o ciclo Rankine, ambos do livro
Fundamentos da Termodinâmica do Van Wylen.
O ciclo Brayton começa com a entrada de ar, composto por 21% de
O2 e 79% de N2, à temperatura de 15ºC e pressão de 100 kPa e com fluxo de
massa igual a 1 kg/s, definindo o estado 1. O ar entra no compressor, onde
sua pressão é aumentada para 500 kPa (estado 2). Essa linha de ar comprido
segue para o reator, no qual é realizada a reação de combustão com o gás
natural, composto por 100% de metano à temperatura de 100ºC, pressão de
500kPa e também com fluxo de massa igual a 1 kg/s, adicionado
diretamente no reator. A reação de combustão é definida como CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O. Após a reação, os produtos saem por duas linhas: uma para
vapor (estado 3) e a outra para líquido (saída líquido). No estado 3, o vapor
se encontra à temperatura de 1100ºC e à pressão de 500 kPa. Na saída do
líquido não há fluxo mássico. Quanto ao vapor que sai do reator, este é
expandido na turbina a gás, diminuindo a sua pressão para 150 kPa.
A partir daí, o vapor passa por um trocador de calor, onde parte do
calor é reaproveitado, servindo de fonte quente para o ciclo Rankine. O
vapor que sobra é descartado a 530ºC (estado 5). Este ciclo Rankine é
composto 100% por água, que recebe o calor do trocador, e está
inicialmente à temperatura de 251.3ºC e pressão de 4 MPa (estado 6). O
vapor d’água passa pela turbina sendo expandido; sua pressão diminui para
200kPa (estado 7). Então, ao passar pelo condensador, o vapor d’água
apenas muda de estado, permanecendo com a mesma pressão que no estado
7. Já no estado líquido, a bomba aumenta a pressão da água para 4 MPa
novamente, chegando à temperatura de 120,7ºC. Então, completando o
ciclo, a água retorna ao trocador de calor.
Podemos ver o esquema do ciclo feito no HYSYS na figura 5 abaixo.
10
Eficiência
Para o calculo da eficiencia do ciclo, foi usado a seguinte expressão:
Figura 5 – Ciclo combinado feito no HYSYS
Gráficos
Os gráficos foram feitos a partir da variação de temperatura, pressão e
fluxo mássico da entrada de ar e de metano, temperatura na saída da
turbina 1 (ponto 4) e pressão na entrada da turbina 2 (ponto 6), para que
pudéssemos avaliar o comportamento do trabalho líquido e da eficiência
no ciclo. Os parâmetros foram avaliados separadamente, de forma que,
enquanto um estava sendo variado, os outros eram mantidos fixos. Para o
cálculo da eficiência foi utilizada a seguinte equação
Parâmetros x Trabalho Líquido:
11
Fluxo de ar na entrada X Trabalho líquido
1030
1040
1050
1060
1070
1080
1090
1100
2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
Fluxo de ar na entrada
Tra
balh
o líq
uid
o
Figura 6 - Gráfico fluxo de ar na entrada versus trabalho líquidoPara o cálculo da eficiência foi utilizada a seguinte equação
Fluxo de metano X Trabalho Líquido
0500
10001500200025003000350040004500
0 5000 10000 15000 20000
Fluxo de metano
Tra
bal
ho
líq
uid
o
Figura 7 - Gráfico fluxo de metano versus trabalho líquido
12
Pressão de ar de entrada X Trabalho líquido
0200400600800
1000120014001600
0 200 400 600 800 1000 1200
Pressão de r de entrada
Tra
bal
ho
líq
uid
o
Figura 8 - Gráfico pressão de ar na entrada versus trabalho líquido
Pressão do metano X Trabalho líquido
1092,1
1092,2
1092,3
1092,4
1092,5
1092,6
1092,7
0 200 400 600 800 1000 1200
Pressão do metano
Tra
bal
ho
líq
uid
o
Figura 9 – Gráfico trabalho líquido versus pressão do metano
13
Temperatura de ar na entrada X Trabalho líquido
800
900
1000
1100
1200
1300
-200 -100 0 100 200 300 400
Temperatura de ar na entrada
Tra
bal
ho
líq
uid
o
Figura 10 – Gráfico trabalho líquido versus temperatura de ar na entrada
Temperatura do metano X Trabalho líquido
600
700
800
900
1000
1100
1200
-200 -100 0 100 200 300 400 500
Temperatura do metano
Trab
alho
líqu
ido
Figura 11- Gráfico trabalho líquido versus temperatura do metano
14
Temperatura na saida da turbina4 X Trabalho líquido
0
500
1000
1500
2000
2500
750 800 850 900 950 1000 1050
Temperatura na saida da turbina 4
Tra
bal
ho
líq
uid
o
Figura 12 - Gráfico trabalho líquido versus temperatura na saída da turbina 4
Pressão na entrada da turbina2 X Trabalho líquido
800
850
900
950
1000
1050
1100
1150
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Pressão na entrada da turbina 2
Tra
bal
ho
líq
uid
o
Figura 13 - Gráfico trabalho líquido versus pressão na entrada da turbina 2
Fazendo uma avaliação nos gráficos acima, podemos constatar que o
aumento do fluxo mássico de metano contribui praticamente de forma linear
para o aumento do trabalho líquido, enquanto que o aumento do fluxo de ar
causa decréscimo no mesmo. Com relação à pressão de entrada, tanto o
aumento da pressão de ar como de metano, aumentam o trabalho líquido.
Apesar de que, após um certo valor, o trabalho líquido se mantêm constante.
De forma semelhante, a pressão da entrada da turbina 2 causa o mesmo
efeito no trabalho líquido. Quanto à temperatura, tanto o aumento da
temperatura do ar de entrada como a da saída da turbina 1, provocam
decréscimo no trabalho líquido, enquanto que a temperatura de entrada do
metano não tem nenhuma influência.
15
Parâmetros x Eficiência:
Figura 14- Gráfico eficiência versus fluxo de ar na entrada
Fluxo de metano X Eficiência
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 1 2 3 4 5 6
Fluxo de metano
Efic
iênc
ia
Figura 15 - Gráfico eficiência versus fluxo de metano
16
Pressão de ar na entrada X Eficiência
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 200 400 600 800 1000 1200
Pressão de ar na entrada
Efic
iênc
ia
Figura 16 - Gráfico pressão de ar na entrada versus eficiência
Pressão do metano X Eficiência
0,5194
0,5196
0,5198
0,52
0,5202
0,5204
0,5206
0,5208
0,521
0,5212
0,5214
0 200 400 600 800 1000 1200
Pressão do metano
Efic
iênc
ia
Figura 17- Gráfico pressão do metano versus eficiência
17
Temperatura de ar de entrada X Eficiência
0,51
0,515
0,52
0,525
0,53
0,535
0,54
0,545
0,55
0,555
-150 -100 -50 0 50 100 150 200 250 300 350
Temperatura de ar de entrada
Efic
iênc
ia
Figura 18 - Gráfico temperatura de ar de entrada versus eficiencia
Temperatura do metano X Eficiência
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
-200 -100 0 100 200 300 400 500
Temperatura do metano
Efic
iênc
ia
Figura 19- Gráfico temperatura do metano versus eficiência
18
Temperatura na saida da turbina 4 X Eficiência
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
700 750 800 850 900 950 1000 1050
Temperatura na saida da turbina4
Efic
iênc
ia
Figura 20- Gráfico eficiência versus temperatura na saída da turbina 4
Pressão na entrada da turbina2 X Eficiência
0,4
0,42
0,44
0,46
0,48
0,5
0,52
0,54
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
Pressão na entrada da turbina 2
Efic
iênc
ia
Figura 21- Gráfico eficiência versus pressão na entrada da turbina 2
Agora foram analisados os gráficos referentes à eficiência. Nesse
caso, o fluxo mássico influencia de forma inversa a do trabalho líquido: o
aumento do fluxo de massa de ar de entrada contribui para o aumento da
eficiência, enquanto que o aumento do fluxo de massa de metano diminui a
eficiência. No caso das pressões na entrada de ar e na entrada da turbina 2, o
aumento delas provoca o aumento da eficiência. Por outro lado, o aumento
da pressão na entrada de metano prejudica a eficiência do ciclo. À respeito
das temperaturas na entrada de ar e de metano, ambas quando aumentadas
ajudam a melhorar a eficiência do ciclo, enquanto que o aumento da
temperatura na saída da turbina 1, diminui a eficiência.
19
VII – Conclusão
Concluimos que um ciclo de cogeração pode ser vantajoso em
diferentes aspectos, além de aumentar a eficiência ele contribui para reduzir
a poluição do meio ambiente. Um exemplo de ciclo de cogeração foi
abordado neste trabalho, o ciclo combinado (ciclo Rankini associado ao
ciclo Brayton), que se mostrou bastante eficiente. Com a ajuda do HYSYS
foi possível realizar o ajuste de parâmetros e fazer a verificação de como a
alteração de dados interferem na eficiência do ciclo. Podemos concluir que
quando aumentamos a temperatura de ar na entrada, a temperatura do
metano, o fluxo de ar na entrada e a pressão na entrada da turbina 2, temos
um aumento da eficiência.
Temos então que apesar do alto custo para implantação de uma
planta utilizando o ciclo combinado ele ainda é competitivo devido as suas
vantagens.
VIII – Referências Bibliográficas
1. Van Wylen, G., Sonntag, R., Borgnakke, C., Fundamentos da
Termodinâmica Clássica, 1973, Tradução da 4ª Ed. Americana, Ed. Edgard
Blücher, São Paulo, Brasil.
2.http://www.bibl.ita.br/viiiencita - Acessado em: 15 junho 2008
3. http://www.inee.org.br – Acessado em: 22 junho 2008
4. http://www.udop.com.br - Acessado em: 22 junho 2008
5. http://www.ucs.br/ccet - Acessado em: 22 junho 2008
20
![AEA Hysys Basic Training[1]](https://img.document.onl/doc/110x75/55cf92fb550346f57b9ae0f1/aea-hysys-basic-training1.jpg)
