Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Prepare-se para as provas
Estude fácil! Tem muito documento disponível na Docsity
Prepare-se para as provas com trabalhos de outros alunos como você, aqui na Docsity
Encontra documentos específicos para os exames da tua universidade
Prepare-se com as videoaulas e exercícios resolvidos criados a partir da grade da sua Universidade
Responda perguntas de provas passadas e avalie sua preparação.
Ganhe pontos para baixar
Ganhe pontos ajudando outros esrudantes ou compre um plano Premium
Este documento discute a importância da geração de energia elétrica e térmica em instalações cogeradoras na matriz energética brasileira. Ele descreve a importância de identificar indicadores termodinâmicos consistentes para comparar diferentes tecnologias, como ciclos a vapor e ciclos combinados. O documento utiliza uma instalação de referência com turbina de contrapressão para avaliar indicadores como relação entre ge/cp, eficiência artificial, rendimento da caldeira, incremento de potência obtido na zona de condensação, rendimento térmico, rendimento da troca térmica, economia de combustível e heat rate. Além disso, o documento discute as vantagens e desafios de diferentes tipos de arranjos cogeradores, como turbinas de contrapressão e turbinas de extração-condensação.
Tipologia: Notas de estudo
1 / 31
Esta página não é visível na pré-visualização
Não perca as partes importantes!
Orientado : Acadêmico Paulo Cezar Fernandes 9808029- Orientador: Prof. Rolando Nonato de Oliveira Lima
Curso: Engenharia Industrial Mecânica Área de Concentração: Ciências Térmicas São João del Rei - Fevereiro de 2004
Figura 07 - FUC da Geração Separada
Dedicatória
Dedico este trabalho à minha família e à minha querida Adriana, que quase sempre teve paciência em dividir seu tempo comigo na elaboração do mesmo.
A Vida é emoção não adianta fugir. Te leva a lugares novos, mostra experiências novas Te impõe barreiras, te descansa Te faz brilhar, te faz conhecer A vida quer de ti coragem e dedicação A vida quer de ti ciência.
O autor.
ABSTRACT
This work deals with identification of thermodynamic indicators in cogeneration arrangements. With the recent crisis of energy supply in the Brazilian market, the cogeneration starts to play excellent role in the Brazilian energy matrix. One of the more important stage in cogeneration analisys is the identification of consistent thermodynamic indicators, that establish a comparative frame between alternatives to the arrangement. Thus the objective is to show which is most consistent between the various possible indicators. This work uses an installation of reference with backpressure turbine, because this is the most critical arrangement where there is a steam cogeneration plant.
Keywords
Cogeneration, Fuel Utilization Factor, energy conservation.
Índice
Lista de Figuras 09 Lista de Tabelas 09 Nomenclatura 10 Capítulo 1 1.0 – Introdução 11 Capitulo 2 2.0 - Revisão da Literatura 12 2.1 – Cogeração 12 2.2 – Geração Convencional ou Separada 12 2.3 - Turbina de Contrapressão 14 2.4 - Turbina de Extração e Condensação 15 2.5 -Turbina a Gás Convencional 15
5.2 –Comentários Adicionais 31 Referências Bibliográficas 32
Lista de Figuras
Figura 01 - Arranjo Cogerador Figura 01.a - Geração Separada de Calor de Processo(vapor) Figura 01.b - Geração Separada de Potência Figura 02 - Arranjo Cogerador com Turbina de Contra-pressão Figura 03 - Arranjo Cogerador com turbina de Extração-condensação Figura 04 - Arranjo Cogerador com turbina a gás e HRSG Figura 05 - Ciclo Combinado Genérico Figura 06 - Desenho Esquemático de uma Caldeira Figura 07 - FUC da Geração Separada Figura 08 - FUC da Planta de Contra-pressão Figura 09 - Efeito da Troca Térmica F 06 8 tc sobre o FUC Figura 10 - Instalação de Contra-pressão Figura 11 - Economia de Combustível x Eficiência Artificial Figura 12 - Economia de Combustível x Vazões em Massa de Vapor Figura 13 - Economia de Energia x Heat Rate
Lista de Tabelas Tabela 01 - Perfis de uma planta industrial
Nomenclatura
F 06 A 0 - Relação entre GE/CP F 06 8a - Eficiência Artificial F 06 8c - Rendimento da Caldeira F 04 4 p - Incremento de Potência obtido na zona de condensação F 06 8t - Rendimento Térmico F 06 8tc - Rendimento da Troca Térmica BO - Bomba do Condensado CO - Condensado CP - Calor de Processo EC - Economia de Combustível EL - Eletricidade F - Quantidade de combustível (energia) que entra na planta Fcog - Quantidade de combustível (energia) que entra na planta de Cogeração Fsep - Quantidade de combustível (energia) que entra na planta Separada FUC - Fator de Utilização de Combustível GE - Descarte de gases quentes da Turbina HR - Heat Rate mf - Fluxo de massa de combustível mv1 - Massa de Vapor que passa pela turbina sem passar pela VA até o atemperador mv2 - Massa de Vapor que passa pela VA sem passar pela turbina até o atemperador PCI - Poder Calorífico Inferior Pw - Potência produzida na zona de extração QH - Calor(energia) produzido pela caldeira SK - Taxa de eletricidade/Calor de Processo SK 0 - Taxa de calor/eletricidade na zona de extração VA - Válvula de Bloqueio W - Trabalho/Potência
Capitulo 2
2.0 - Revisão da Literatura 2.1 - Cogeração Cogeração é a produção seqüenciada de energia térmica (calor/ vapor de processo) e eletricidade através do uso eficiente de quantidades de energia de uma mesma fonte energética, geralmente um combustível. Portanto, a Cogeração aumenta a eficiência térmica do sistema termodinâmico como um todo.
2.2 – Geração Convencional ou Separada No passado quando se necessitava das duas formas de energia (calor de processo e energia elétrica) era utilizada a geração separada, onde a partir de consumos separados de combustível se obtinham as duas formas finais de energia (figuras 1.a e 1.b).
Assim com sistemas independentes eram gerados as duas formas de energia para suprir a necessidade do usuário. Havia custos “dobrados” de operação e manutenção, bem como de investimentos de capital para aquisição dos dois arranjos. Surgiu então a idéia de se gerar energia simultaneamente de forma seqüenciada e, a partir de uma só fonte de energia e assim temos vários arranjos cogeradores dentre eles ciclos a vapor, ciclo a gás e ciclo combinado.
2.3 - Turbina de Contrapressão É a forma mais barata de se obter a energia cogerada considerando o investimento inicial, por outro lado é bastante inflexível em relação a ajustes de variação nas duas formas
de energia produzidas. Por isso possui uma relação trabalho e calor de processo constante o que é na maioria das vezes indesejável, devido ao fato de que em geral os consumidores possuem perfis variados de consumo de energia elétrica e calor de processo. Esta variação depende principalmente do tipo de indústria que utiliza o arranjo cogerador.
Neste caso só haveria duas saídas ajustar a planta à energia elétrica(power matching) ou ajustá-la ao consumo de vapor(thermal matching). Caso se ajuste a planta à energia elétrica ora ter-se-ia sobra ou falta de vapor no processo. Então uma medida penalizadora deveria ser tomada, encontrar um fornecedor de vapor para suprir a falta ou descartar o vapor excedente. Caso se ajuste a planta ao consumo de vapor(thermal matching) a situação se torna bem menos desagradável do lado do calor de processo mas,torna-se necessário agora a compra de energia elétrica em falta de uma concessionária ou a venda da mesma excedente para um cliente qualquer. No caso anterior(power matching) o excedente de vapor também pode ser vendido para um consumidor qualquer mas por razões óbvias se torna muito mais difícil de ser comercializado, principalmente a nível nacional.
2.4 - Turbina de Extração e Condensação As turbinas de extração-condensação são o modelo mais refinado e mais caro das versões a vapor. A flexibilidade é bem mais elevada do que o arranjo anterior podendo ser total em função dos perfis de variação das demandas térmica e elétrica/mecânica encontradas ou atendidas. A turbina possui uma seção condensadora cuja capacidade determina em grande parte o nível de flexibilidade. Não há necessidade de complementos ou arranjo de dispositivos adicionais para se consegui-la. A figura 3 mostra um arranjo típico com duas extrações que é o caso mais comumente encontrado nas instalações industriais. Pode existir mais extrações utilizando inclusive arranjos regeneradores mas, essas são situações extremamente específicas.
combustíveis residuais .Porém ao inserir uma câmara de combustão externa esse tipo de arranjo reduz a eficiência do conjunto, na medida em que as temperaturas máximas obtidas na turbina são reduzidas de forma ponderável. Outro complicador adicional é a redução drástica de performance em condições de carga parcial, fenômeno também observado nas turbinas a gás de ciclo aberto principalmente se comparadas às turbinas de vapor nas mesmas condições. (d) - motores de combustão interna normalmente são utilizados apenas na versão Diesel e, normalmente associados a arranjos de pequena potência como hospitais, centros comerciais, shopping centers. Raramente utilizados em arranjos industriais de médio ou grande porte.
2.6 – Ciclos Combinados Os ciclos combinados são arranjos mais próximos da maximização da potência elétrica/mecânica e, o arranjo normalmente mais apropriado às concessionárias de energia elétrica. Inclusive há um número ponderável de autores que consideram os ciclos combinados um arranjo muito mais adequado às concessionárias do que a arranjos industriais. As principais vantagens do ciclo combinado são: e.1) – economia relativa de combustível superior aos demais ciclos ; e.2) – custos de instalação relativamente baixos ; e.3) – flexibilidade operacional e, baixos níveis de emissão.
Figura 5 – Ciclo Combinado Genérico
A figura 5 mostra o arranjo na sua forma mais genérica e, principalmente com a inserção de alternativas que o torna adequado a instalações industriais. Para países como o Brasil onde as concessionárias não se envolvem com a geração e venda de vapor (aquecimento distrital e outros), algumas dessas alternativas seriam dispensáveis e, o ciclo combinado perderia suas características de arranjo cogerador passando a ser mais um produtor e energia elétrica.
2.7 - Rendimento da Caldeira
É a relação entre a energia que sai da caldeira (QH) pela energia que entra através do combustível (F) então: F 06 8 c = QH F 0B 8 F Onde F representa o produto mf (^) * PCI , mf o fluxo de massa de combustível e PCI o poder calorífico inferior do mesmo. QH é o resultado em termos de energia térmica obtida pela caldeira. Normalmente uma boa caldeira de uso industrial tem seu rendimento em torno de 90%.
QH
Tubulão superior F
Tubulão inferior
H2O de Alimentação
2.8 - Rendimento Térmico
É utilizado para medir a relação entre o trabalho produzido(W) e a energia que entrou via combustível (F), num ciclo termodinâmico. Então:
Índice calculado pela relação entre o trabalho produzido pelo arranjo cogerador e o combustível total consumido nesse arranjo, subtraído do combustível que se usaria para a produção do vapor de processo numa caldeira convencional. Para isso no presente trabalho supõe-se que o calor de processo tenha sido produzido em uma caldeira com rendimento igual a 90%. Assim : F 06 8 a = W F 0B 8 {Fcog – (CP F 0B 8 F 06 8 c)}
Capítulo 3 3.0 - Metodologia Utilizada
Baseado em vários autores identificados na seqüência, foi feito um levantamento dos diversos indicadores utilizados em arranjos cogeradores. Esses indicadores variam desde o fator de utilização de combustível até a economia de energia. Portanto, a partir desta identificação, a metodologia a ser adotada é caracterizar cada definição dos tipos de parâmetro e, numa análise posterior demonstrar a consistência de cada um deles, bem como a aplicabilidade e, qual o mais indicado para atuar como referência na escolha do arranjo cogerador. Pois, essa é uma etapa essencial da tomada de decisão do investidor. HUANG(1990) visualiza um arranjo cogerador como um sistema tecnológico que a partir de um insumo combustível produz calor de processo e potência mecânica/elétrica utilizáveis, com descarte de uma parcela de resíduos energéticos não utilizados. É portanto uma abordagem clássica de primeira lei e, representa a versão mais simplificada desse tipo de enfoque. A figura 1 anterior mostra o essencial dessa abordagem na caracterização de arranjos cogeradores. Calor e Eletricidade podem ser produzidos em plantas separadas e, com o advento da cogeração temos uma única fonte produzindo os dois tipos de energia. Os consumidores destes dois tipos de energia tem diversos perfis que definiremos como taxa P/H ou seja a taxa energia elétrica dividido pelo calor de processo.
SCHWARZENBACH(1980) define o fator de utilização de combustível (FUC) e parametriza as equações de acordo com o tipo de planta, da seguinte forma: FUC = (W + CP) F 0B 8 F
(01)
Onde W representa a potência elétrica/mecânica líquida produzida, CP o calor de processo e, F a entrada de energia via combustível. É uma definição clássica de primeira lei utilizada pelo autor na caracterização de diversos arranjos possíveis de cogeração e, a única advertência dele é a de que não se deve confundir o parâmetro com conceitos clássicos de eficiência, pois o numerador envolve duas grandezas que demandam quantidades distintas de insumo energético para sua produção. As caracterizações obtidas são : (a)- instalação convencional ou separada onde há uma planta produtora de potência elétrica/mecânica independente (um ciclo térmico convencional qualquer) e, uma outra produtora de calor de processo (geralmente uma caldeira industrial ).Nesse arranjo pode-se definir as equações pertinentes : F = (W F 0B 8^ F 06 8 t) + (Cp F 0B 8 F 06 8 c)
(02)
Aqui F 06 8 t representa a eficiência térmica de primeira lei de um ciclo convencional produtor de potência e, F 06 8 c a eficiência de primeira lei de uma caldeira convencional produtora de calor de processo. Considerando a taxa P/H definida como potência dividida pelo calor de processo e, denominada pelo autor de Sk resulta : FUC = F 06 8 t.F 06 8 c.[ (Sk +1) F 0B 8 (Sk.F 06 8 c + F 06 8 t) ]
(03)
Admitindo como exemplo F 06 8 t = 0,41 e F 06 8 c = 0,85 o autor plota uma curva típica da relação entre FUC e Sk ( ou taxa P/H) na faixa de 0 a 2,5 ( Mwel / Mwth ) representativa de um grupo razoável de esquemas de produção combinada em arranjos convencionais ou plantas isoladas.
