Apresentação para a aula de Tecnologia do Gás Natural

Vinicius Barroso de Matos

Introdução

Estrutura física de Cogeração do Centro de Pesquisa

Modelagem Exergoeconômica

Simulação e avaliação exergoeconômica à carga nominal

Simulação e avaliação exergoeconômica à carga parcial

Resultados e Conclusão

Dois motores alternativos de combustão interna a gás natural (MACI-A1 e MACI-A2) com respectivas caldeiras de recuperação (CR1 e CR2). CR1 e CR2 produzem vapor e água quente a partir dos gases de exaustão dos motores.

Caldeira flamotubular a gás natural – produção de vapor

O resfriamento dos cilindros dos motores também proporciona a produção de água quente

Dois chillers por absorção: um a vapor (CHV) e outro a água quente (CHAQ) – produção de água gelada

Dois motores alternativos de combustão interna a diesel (MACI-B1 e MACI-B2), duas microturbinas a gás (MTG1 e MTG2) e uma célula a combustível (CC)

Três chillers: dois elétricos por compressão (CHE1 e CHE2) e um por absorção com queima direta de gás natural (CHG). As MTGs e a CC operam com gás natural.

Bombas e radiadores não estão representados na estrutura física

Cada um dos motores da cogeração do Centro de Pesquisa é do tipo G3532 LE Tandem, um projeto da Caterpillar consistindo de dois motores do tipo G3516, ou seja, cada grupo gerador G3532 é composto de dois motores G3516, ambos conectados a um único gerador elétrico através de um único eixo (Tandem). Os principais dados de desempenho destes grupos geradores seguem na tabela a seguir e foram disponibilizados pelo fabricante.

Dados de entrada na simulação dos motores: temperatura nominal da água de resfriamento na saída dos cilindros (115°C), do cooler de óleo (88°C) e do cooler de ar (37°C). Algumas informações necessárias para a simulação dos motores não são conhecidas e por isso adotam-se valores ou critérios recomendados pelo thermoflex: perda de carga na água de resfriamento dos cilindros e do óleo (10%); calor não recuperável nos motores (20%); efetividade (90%), perda de carga (2%) e perda de calor (1%) no radiador; eficiência isentrópica (80%) e mecânica (99%) dos ventiladores e eficiência elétrica dos motores elétricos (em modo automático).

As duas caldeiras de recuperação (CR1 e CR2) são iguais. Os dados da tabela a seguir são baseados num documento que especificou inicialmente as caldeiras de recuperação, ou seja, quando se previa apenas produção de vapor nas mesmas. Posteriormente, devido à alta temperatura dos gases na saída destas caldeiras, optou-se por colocar em cada uma delas um outro economizador para aproveitar o calor sensível destes gases de exaustão e aumentar a produção de água quente. Os dados a seguir referem-se apenas ao circuito de produção de vapor nas duas CRs (pressão temperatura e vazão).

Caldeiras de Recuperação: foram modeladas com dois economizadores e um evaporador, cada. Não se usou superaquecedor porque as CRs produzem vapor saturado. Um dos economizadores é para produzir água quente num circuito separado, relativamente ao circuito de vapor. Os dados de simulação já foram apresentados em slide anterior. Não foi possível atender a pressão absoluta da água de alimentação (15,013 bar) porque o thermoflex não prevê uma perda de carga superior a 50% da pressão do vapor saturado; por isso adotou-se a pressão máxima permitida (13,52 bar).

No economizador do circuito de produção de água quente adotaram-se a mesma perda de carga e a mesma temperatura (de entrada e de saída) dos cilindros dos motores alternativos de combustão interna e foi respeitada a temperatura dos gases de exaustão na saída da caldeira (120°C). Outros valores adotados na simulação (por recomendação do thermoflex) são: 0,6% para a perda de carga total do lado dos gases e 3% para a perda total na transferência de calor.

O fluxograma fornecido pelo Centro de Pesquisa aponta 18,6°C como pinch point, 18,1°C como approach temperature e 120°C como temperatura dos gases de exaustão na saída do economizador onde se produz água quente.

Ainda segundo o fluxograma em cada caldeira de recuperação são produzidos 20 m³/h de água quente a 115°C. Neste economizador a água chega a 110,4°C. Não há alusão a perda de carga nas caldeiras nem à pressão no circuito de água quente.

A caldeira flamotubular produz vapor em condições (pressão e temperatura) iguais às das caldeiras de recuperação, embora a vazão seja maior. A temperatura da água de alimentação para a produção de vapor saturado é também a mesma das caldeiras de recuperação, mas a perda de carga é menor porque a pressão de alimentação é também menor. Os principais dados obtidos no documento de especificação técnica da caldeira flamotubular estão na tabela a seguir

Os dois chillers do Centro de Pesquisa para a cogeração (CHAQ e CHV) são chillers por absorção e têm capacidades superiores ao especificado. O chiller a vapor é de duplo efeito e o a água quente de simples efeito. Inicialmente foi especificado um chiller de 394 TR para operar com àgua quente e um outro de 550 TR para operar com vapor mas os chillers recebidos são de 550 TR e 690 TR respectivamente. Os principais dados do chiller a vapor estão na tabela a seguir, considerando três fontes: o fluxograma do processo (Flux), a especificação técnica (Espec) e a folha de dados nominais fornecida pelo fabricante (Fabric), todos fornecidos pelo Centro de Pesquisa.

Os dados da tabela anterior não incluem o COP do chiller, mas são suficientes para o calcular. Os valores do COP foram calculados simulando o chiller isoladamente no Thermoflex a partir dos dados dos três documentos fontes, obtendo os valores de 1,364 (Flux), 1,243(Espec) e 1,22 (Fabric). Analogamente ao chiller a vapor, para o chiller a água quente (CHAQ) foram também levantados os mesmo dados com base nos mesmos tipos de documentos fonte fornecidos pelo Centro de Pesquisa. A tabela a seguir apresenta os dados.

O chiller a água quente também foi simulado separadamente no Thermoflex para cálculo do COP, obtendo os seguintes valores: 0,7758 (Flux), 0,6515 (Espec) e 0,6506 (Fabric).

O Centro de Pesquisa conta ainda com a capacidade elétrica de cinco (5) grupos geradores complementares:

Uma microturbina a gás de 30 KW (MTG1), que operando na sua condição nominal consome 10 Nm³/h de gás natural.

Outra microturbina a gás 60 KW (MTG2), que consome 23 Nm³/h de gás natural quando está operando á carga nominal.

Uma célula a combustível (CC) com capacidade de geração elétrica nominal de 200 KW para um consumo de gás natural de 55 Nm³/h, na condição nominal.

Um motor alternativo de combustão interna a diesel (MACI-B1), tipo 8PA4, de 1200 rpm e fabricado pela SEMP Pielstick

Outro motor alternativo de combustão interna a diesel (MACI-B2), tipo CAT 3512, de 1800 rpm da Caterpillar.

O motor MACI-B2 foi simulado no Thermoflex e obteve-se sua capacidade (1360 KW), eficiência (38,3%) e também o seu consumo elétrico auxiliar (29,58 KW) referente à alimentação da bomba e do ventilador do radiador. Os dados do grupo gerador MACI-B1 foram pesquisados na internet. A sua capacidade é de 785 KW, mas não foi possível conseguir dados da sua eficiência e de seu consumo elétrico auxiliar. Por isso considera-se a mesma eficiência do motor da Caterpillar (38,3%) e consumo elétrico proporcional à sua capacidade (17,07 KW).

Além dos chillers da cogeração, o Centro de Pesquisa conta ainda com mais 3 chillers (de 800 TR cada) para a produção complementar de água gelada um por absorção que opera com gás natural (CHG) e dois elétricos por compressão de vapor (CHE1 e CHE2). Para CHE1 e CHE2 foram fornecidas pelo Centro de Pesquisa apenas as capacidades de produção (800 TR cada) e os consumos elétricos específicos (0,53 KW/TR) na condição nominal. Nesse consumo elétrico não está incluído o consumo da bomba de água gelada, nem da bomba e ventilador da torres de resfriamento.

No caso do CHG, o Centro de Pesquisa forneceu uma folha de dados do fabricante contendo o consumo de combustível, consumo elétrico interno, temperaturas, pressões, vazões e perdas de carga. Desse modo, foi possível simular (usando o Thermoflex) o consumo elétrico auxiliar externo (para resfriamento e bombeamento) e também a água de reposição na torre. Os dados são apresentados na tabela a seguir

Com base nos dados da tabela anterior pode-se determinar o COP nominal do chiller a gás (1,013). Com base no consumo específico dos chillers elétricos se determina também o COP nominal (6,66). Os parâmetros nominais do circuito de água gelada dos chillers elétricos (temperatura, vazões e perdas de carga) podem ser adotados como sendo os mesmos do chiller a gás já que as capacidades de produção são as mesmas. O mesmo pode ser aplicado para o consumo elétrico da bomba de água gelada.

Entre os equipamentos auxiliares da central estão as torres de resfriamento (incluindo suas bombas, ventiladores e motores elétricos) e também outras bombas (de alimentação, de circulação e de condensado) com os respectivos motores elétricos. O fluxograma fornecido mostra que na condição nominal a água de resfriamento entra nas torres com37°C e sai com 32°C. O mesmo fluxograma mostra cinco células compondo a torre de resfriamento, sendo uma para o resfriamento dos motores da cogeração e as outras quatro para o resfriamento dos absorvedores ou/e condensadores.

Ainda segundo o fluxograma a água entra nos radiadores a 88°C e sai a 81°C. O sistema de cogeração conta com dois radiadores, um para cada motor.

Além das bombas que fazem parte dos radiadores e das torres de resfriamento juntamente com os ventiladores, existem outras que são auxiliares dos chillers, motores de combustão interna e caldeiras:

Bombas de água gelada para vencer as perdas de carga nos evaporadores dos chillers.

Bombas de resfriamento dos chillers para vencer as perdas de carga nos absorvedores e/ou condensadores dos próprios chillers.

Bomba de alimentação do chiller a água quente para vencer a perda de carga no gerador de vapor do próprio chiller.

Bombas de resfriamento dos motores da cogeração para vencer as perdas de carga nos cilindros e nos coolers dos motores de combustão interna.

Bombas de alimentação das caldeiras. O fluxograma mostra que uma única bomba alimenta os circuitos de vapor das três caldeiras e que uma outra bomba alimenta o circuito de água quente das duas caldeiras de recuperação.

Ar Atmosférico: as condições tanto para combustão quanto para as torres de resfriamento são definidas pela NBR6401 para a cidade do Rio de Janeiro: pressão atmosférica ao nível do mar (1,013bar), temperatura de bulbo seco de 32°C e umidade relativa de 60%. Estas condições resultam numa temperatura de bulbo úmido de 25,56°C.

Água de Reposição: pressão e temperatura não são dados necessários para a simulação, mas a sua vazão relativamente à vazão de resfriamento é um dado para simulação das torres. Vazão da água de reposição é cerca de 3% da vazão da água de resfriamento.

Gás natural: considera-se que o insumo chega na central nas mesmas condições requeridas pelos motores de combustão interna a gás: pressão de 2,42 bar e temperatura de 20°C.

Gás natural: condições já apresentadas.

Resultados da Simulação: PCI de 48564,8 KJ/Kg, PCS de 53736 KJ/Kg e consumo de gás na em cada motor alternativo de combustão interna na condição nominal é de 0,353 t/h.

Resultados da simulação para os gases de exaustão na saída das caldeiras de recuperação: 6, 728% de O2, 6,405% de CO2, 14,713% de H2O, 71,295% de N2 e 0,859% de ar (base molar). É importante salientar que o thermoflex só considera apenas combustão completa, ou seja, não leva em conta a formação de CO e de Nox.

Óleo diesel: considerado o mesmo dos postos de combustível (PCI de 42287 KJ/Kg) e densidade de 0,838 Kg/l. Considera-se também que a pressão e a temperatura do diesel ao chegar na central são as mesmas do gás natural.

Eletricidade (gerada e comprada): pode ser produto ou insumo. Tanto a eletricidade gerada pelos grupos geradores bem como a comprada da concessionária vai para a subestação da central onde é transformada para a tensão de consumo. O produto eletricidade sai da subestação e é a potência elétrica líquida, ou seja, depois de descontar toda a demanda auxiliar interna da central. O contrato que o Centro de Pesquisa tem firmado com a concessionária é para o fornecimento de eletricidade de alta tensão, conforma a classe A4 (2,3 a 25 KV).

Vapor: é produto da central. É entregue às utilidades do Centro de Pesquisa nas mesmas condições (pressão e temperatura) que é entregue ao chiller a vapor, ou seja, a 8 bar manométricos (175,4°C).

Condensado: foi considerado que ele volta a 90°C com uma contrapressão de 4mCA (como no chiller a vapor).

Água gelada: a água é recebida pela central a 12,2°C (pressão atmosférica) e entregue a 6,7°C.

Obs.: A água de reposição não é considerada para balanço energético, nem exergético, por se tratar de uma reposição no fluido de trabalho, mas seu valor (sua vazão) foi calculado (2,727 t/h).

Os dados de demanda elétrica são de 2004, quando o sistema de cogeração ainda não operava. Portanto, esta demanda já inclui a demanda elétrica dos chillers (elétricos e a gás) e seus auxiliares (torres de resfriamento e bombas), que até então eram os únicos responsáveis pela produção de água gelada.

Demanda elétrica contratada pelo Centro de Pesquisa com a concessionária:

Período úmido: dezembro a abril;

Período seco: maio a novembro;

Horário de ponta: entre 17h30 e 20h30 dos dias úteis;

Horário fora de ponta: horas restantes dos dias úteis, sábados, domingos e feriados;

A variação da demanda elétrica de cada mês é dada por amostragens de variação da demanda em um dia útil e em um dia de final de semana típico.

A figuras a seguir mostram a variação da demanda elétrica e do fator de potência para o dia 14 de Julho de 2004 (útil) e 11 de Julho do mesmo ano(fds).

Linha contínua: demanda contratada em 2004.

Linha pontilhada: demanda de ultrapassagem tolerada pela concessionária.

Para não ultrapassar a demanda contratada na ponta (das 17:30 h às 20:30 h), o Centro de Pesquisa usa grupos geradores, motivo pelo qual se percebe uma variação brusca no horário.

Ao longo do ano, o perfil de variação diária é o mesmo em todos os dias úteis: demanda Não-Administrativa constante entre as 22:30 h e as 6:00 h, demanda Administrativa também constante entre as 9:00 h e as 16:00 h e dois períodos de transição (das 6:00 h às 9:00 h e também das 16:00 às 22:30 h).

Nos feriados e finais de semana de um qualquer mês, a demanda é equivalente à demanda Não-Administrativa do mês, sendo considerada constante durante as 24h.

Demanda de água gelada fornecida pelo Centro de pesquisa:

Período administrativo: entre 9 e 16h;

Período não administrativo: entre 22:30 e 6h;

Período de transição: das 6 às 9h e também das 16 `as 22:30h;

Demanda de vapor do Centro de Pesquisa:

Período administrativo: 1,2 t/h;

Período não administrativo, feriados e finais de semana: 0,6t/h;

Os custos da central do Centro de Pesquisa são referentes aos investimentos, à operação e à manutenção. Serão apresentados a seguir em três categorias: os equipamentos, os combustíveis e a água de reposição, e também a eletricidade comprada.

Auxiliares: sistema de segurança, proteção e supervisório.

Outros custos: obras civis, projeto, abertura e encerramento do contrato, instrumentação, treinamento, testes, etc. Nestes custos já estão incluídos todos os impostos.

Não se consideram os custos de investimento e manutenção dos outros equipamentos da central por serem investimentos antigos e também porque o objetivo principal deste estudo é analisar a vantagem da aquisição do sistema de cogeração, mas se consideram seus custos de operação (comb. e água de rep.).

Fator de recuperação do capital investido nos equipamentos do sistema de cogeração: TMA de 12% ao ano e 96% de disponibilidade anual, em 20 anos de vida econômica.

Diesel: 1,8307 R$/L

Gás natural (preço normal): 0,8941 R$/Nm³

Gás natural (cogeração): 0,5258 R$/Nm³

Água de reposição: 7,785 R$/m³ ou 7,809R$/t

Preços já incluem todos os impostos.

Tarifa de compra de eletricidade da Concessionária

Obs.: existe ainda incidência de impostos de 48,49% sobre a conta de energia elétrica.

O contrato que o Centro de Pesquisa tem firmado com a concessionária prevê o faturamento conforme a tarifa azul.