UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUBÁ

RELATÓRIO

ENSAIO DE UMA MICROTURBINA CAPSTONE 330: EMISSÕES, EFICIÊNCIA E CONSUMO ESPECÍFICO DE COMBUSTÍVEL EM

FUNÇÃO DA POTÊNCIA.

EEN 701 Geração Termelétrica

Hendrius Oliveira 20853

Fagner Machado Rezende 24097

Giovanna Querido 23647

Juan Antunes 27334

1

1. INTRODUÇÃO

O presente ensaio tem o objetivo de caracterizar, em função da potência, a eficiência térmica, o consumo específico de combustível e as emissões para uma microturbina Capstone 330 qualitativamente.

Justifica-se tal caracterização pois é importante para alunos da disciplina de Geração Termelétrica na Universidade Federal de Itajubá familiarizar-se com as peculiaridades da microgeração através de microturbinas à gás além de terem a oportunidade e condição de efetuarem análises energéticas a partir de dados reais.

2. MATERIAIS E MÉTODOS

2.1. DESCRIÇÃO DA BANCADA

2.1.1. Microturbina

Trata-se de uma microturbina da Capstone de 30kW com regenerador. Pode utilizar gás natural e GLP. Opera tanto conectado à rede quanto isolada. A figura 1 apresenta um esquema de uma microturbina em corte onde são vistos os seus componentes principais, câmara de combustão, turbina e regenerador.

Figura 1 - Microturbina em corte. (Fonte: Adaptado de http://www.grc.nasa.gov/WWW/RT2002/5000/5960weaver.html apud ANDRADE,

R, V. Roteiro de laboratório: ensaio da microturbina Capstone 330. UNIFEI, Itajubá, 2017.)

Na tabela 1 são apresentados alguns dados nominais de operação da microturbina capstone 330 e para comparação são apresentados também dados da Elliott TA100 e da Turbec T100.

2

Tabela 1 – Dados comparativos de microturbinas

Características ModelosCapstone

330Elliott TA100

Tkurbec T100

Potência [kW] 30 100 100Eficiência elétrica [%] 26 29 33

Heat rate [kJ/kWh] 13300 13035Eficiência Total [%] 73 75 77

Vazão dos gases de exaustão 0,3266 [kg/s]

0,8 [Nm³/s] 0,8 [kg/s]

Temperatura dos gases de exaustão [°C] 260 293 270

Emissões [ppm] NOx <9 14 15CO <9 15 15

Pressão do combustível 350kPa (3,5 bar)

Consumo de combustível 12 l/h

2.1.2. Medida de vazão, temperatura e pressão

O diagrama apresentado na figura 2 mostra as principais grandezas que são monitoradas na microturbina. São elas: vazão do ar de entrada através de um tubo de pitot, vazão de combustível através de um orifício calibrado, temperatura através de termopares e pressão através de manômetros ou transdutores de pressão.

Figura 2 - Diagrama com pontos de coleta de dados (Fonte: ANDRADE, R, V. Roteiro de laboratório: ensaio da microturbina Capstone 330. UNIFEI, Itajubá,

2017.)

3

2.2. PROCEDIMENTOS

2.2.1. Partida da mircroturbina

Deve-se pressionar e segurar a tecla de interligação (interlock), então pressionar a tecla “start”; após isso uma mensagem de confirmação irá aparecer no display. As teclas mencionadas são apresentadas na Figura 3. Na figura 4 é apresentado um diagrama da hierarquia do menu da microturbina.

Figura 3 - Display de navegação da microturbina (Fonte: ANDRADE, R, V. Roteiro de laboratório: ensaio da microturbina Capstone 330. UNIFEI, Itajubá, 2017.)

Figura 4 - Diagrama do menu da microturbina (Fonte: CAPSTONE. Capstone MicroTurbine Model 330 System Operation. Capstone Turbine Corporation,

California, 2001.)

4

2.2.2. Procedimento de ensaio

As medidas foram realizadas para cada valor de potencia estabelecido previamente. Aguardou-se a máquina a atingir regime permanente de operação.

Para cada ponto de operação, os valores convenientes foram lidos e armazenados para a análise.

O ensaio foi realizado para a turbina conectada à rede de distribuição da concessionária de energia elétrica.

2.3. MODELAGEM PARA A ANÁLISE

A turbina em questão é composta primariamente por um compressor radial, uma câmara de combustão, uma turbina radial e um regenerador, além de componentes secundários. Nenhum desses componentes é capaz de operar, na realidade, idealmente. Para análises de interesse mais quantitativo e de grande precisão, como no desenvolvimento de projetos, é necessário considerar as perdas de carga no regenerador, a eficiência da combustão, as eficiências isentrópicas do compressor e da turbina, a energia cinética e a efetividade do regenerador entre outros fatores. Contudo, como o interesse do experimento é avaliar o comportamento da microturbina Capstone 330 em um caráter mais qualitativo, a modelagem a seguir terá hipóteses limitantes que facilitará a análise aproximando o sistema em estudo de um sistema ideal.

As hipóteses para a modelagem são:

- o sistema é modelado como ciclo Brayton;

- não há perda de carga no sistema;

- a turbina e o compressor operam isentropicamente;

- o regenerador possui efetividade máxima;

Segundo MORAM & SHAPIRO, para a análise de ar-padrão frio:

T 4T 3

=( P1P2 )k−1k (1)

e também,

T 2T 1

=( P2P1 )k−1k (2)

k – é a razão de calores específicos;

5

T4 – temperatura de saída da turbina;T3 – temperatura de entrada da turbina;P2 – é a pressão após o compressor;P1 – é a pressão ambiente.

A equação dos gases perfeitos é conveniente para encontrar as massas específicas dos componentes:

Pρ=RT (3)

O consumo específico de combustível pode ser obtido, segundo ANDRADE pela equação abaixo

Ce=Vcomb∗PCIcombWe

∗3600 (4)

Ce – Consumo específico de combustível em [MJ/kWh];Vcom – Consumo de combustível em [Nm³/s];PCIcomb – Poder calorífico do combustível em [MJ/Nm³];We – Potência em [kW].

A eficiência da turbina para as hipóteses acima e para a análise de ar

frio é, segundo COHEN et. al.:

n=1−( P2P1

)(k−1)/k

(T 3T 1

) (5)

n – Eficiência térmica total

As emissões em g/kWh podem ser obtidas pela equação abaixo:

Emissoes ( X )[ gkW h ]=

Emissoes (X ) [ ppm ]∗ρ[ kgN m3 ]We [kW ]

103∗Ce[ MJkW h

] (6)

3. RESULTADOS

A partir do procedimento de leitura realizado foram obtidos os seguintes dados:

6

Tabela 2 – Dados coletados parte

Potência

Potência obtida T1 T4 P1 P2 P5 Vcomb Var

kw kw °C °C mbar bar mbar Nm³/h Nm³/h5 4,9 22 572 1017 5 0,57 1,59 441,5210 9,9 22 616 1017 5,2 1,11 2,36 597,8215 14,8 22 616 1017 5,6 1,73 3,19 716,3820 20,2 22 625 1017 6 2,54 4,07 860,3625 20,8 22 625 1017 5,9 3,04 4,58 935,630 23,5 22 625 1017 5,8 3,04 4,58 936,4

Tabela 3 – Dados de emissões coletados

Potencia obtida NO NO

2 SOx CO CO2 CxHy O2 Excess

o de ar H2SkW pp

m ppm ppm ppm % ppm % % ppm4,9 37,

1 5,4 0 232 2,4 0 20 1295 5,69,9 -   -  -  - -  -  -  -   -

14,8 60,7 5 0 90,7 2,52 0 20,3 1295 8,3

20,2 76,3 5,5 0 142 2,66 0 20,2 1295 10,1

20,8 -  -  -  -   -  -  - -   -23,5 102 6,7 0 31,1 2,82 0 19,2 1295 13,1

Como foi possível observar na Tabela 3, os dados de emissões para as leituras de potencia igual 9,9kW e 20,8kW não foram realizadas.

É conveniente tratar os dados acima para facilitar a análise de interesse.

A temperatura T3 da entrada na turbina é extremamente importante para o cálculo da eficiência térmica. Ela pode ser obtida da equação (1). Também, a temperatura T2 pode ser obtida da equação (2).

Os dados tratados, estão dispostos na Tabela 4 e na Tabela 5 abaixo:

Tabela 4 – Dados dados tratados dispostos de maneira conveniente.

potencia sugerida

potência obtida T1 T2 T3 T4 P1 P2 Vcomb Var

kW kW K K K K bar bar m³/s m³/s5 4,9 295 464,98 1331,9 845 1,01 5 0,0004 0,12

7

7

10 9,9 295 470,22 1417 889 1,017 5,2 0,0007 0,17

15 14,8 295 480,28 1447,4 889 1,017 5,6 0,0009 0,2

20 20,2 295 489,85 1491,1 898 1,017 6 0,0011 0,24

25 20,8 295 487,5 1484 898 1,017 5,9 0,0013 0,26

30 23,5 295 485,12 1476,7 898 1,017 5,8 0,0013 0,26

Tabela 5 – Dados de emissões tratados e dispostos de maneira conveniente.

Potência obtida NO NO

2 CO CO2 CxHy O2 Excess

o de ar H2SkW ppm pp

m ppm ppm ppm ppm % ppm4,9 37,1 5,4 231,

62400

0 020000

0 1295 5,69,9 0 0 0 0   0    14,8 60,7 5 90,7 2520

0 020300

0 1295 8,320,2 76,3 5,5 141,

82660

0 020200

0 1295 10,120,8 0 0 0 0   0    23,5 101,

7 6,7 31,1 28200 0

192000 1295 13,1

Foi considerado o PCIcomb como tendo o valor de 44MJ/Nm³.

O consumo específico de combustível é obtido a partir da equação (4) e a eficiência térmica é obtida a partir da equação (5) para k=1,4. O consumo de combustível é obtido multiplicando o PCIcomb pela massa específica do combustível e pela vazão volumétrica de combustível. A energia do combustível é obtida multiplicando o consumo de combustível pela potência gerada. A Tabela 6 mostra o resultado dos cálculos:

Tabela 6 – Resultados dos cálculos.

Potência sugerida

Potência obtida

Consumo de combustível

Energia do combustível

Consumo específico de combustível

Eficiência

kW kW g/s g/kJ MJ/kWh -

8

5 4,9 110,1605 539,78645 14,27755102 0,650810 9,9 163,508667 1618,7358 10,48888889 0,668115 14,8 221,013833 3271,004733 9,483783784 0,668120 20,2 281,983167 5696,059967 8,865346535 0,671425 20,8 317,317667 6600,207467 9,688461538 0,671430 23,5 317,317667 7456,965167 8,575319149 0,6714

As emissões foram encontradas a partir da equação (2) para o estado da substancia em questão e da equação (6) posteriormente. A tabela 7 mostra os resultados do cálculos para as emissões:

Tabela 7 – Resultados dos cálculos das emissões.

Potência obtida Nox SOx CO CO2 CxHy O2

kW g/kWh g/kWh g/kWh g/kWh g/kWh g/kWh4,9 160865,48 0 784054,27 128281703 0 7737306359,9 - -  - -  - -14,8 55703,309 0 67526,952 29622131 0 17271025420,2 47650,442 0 72305,362 21415184 0 11770580220,8 -  - - -  - -23,5 52604,14 0 13185,383 18876756 0 93022030

Ao plotar os resultados dos cálculos em gráficos em função da potência podemos observar os características operacionais da microturbina Capstone em função da potencia.

O gráfico 1 abaixo apresenta a eficiência (eixo das ordenadas) em função da potência obtida em kW (eixo das abscissas).

Gráfico 1 – Eficiência x Potência

9

0 5 10 15 20 250.64

0.645

0.65

0.655

0.66

0.665

0.67

0.675

Eficiência

Eficiência

O gráfico 2 abaixo apresenta o consumo específico de combustível em [MJ/kWh] (eixo das ordenadas) em função da potência obtida em kW (eixo das abscissas).

Gráfico 2 – Consumo específico de combustível x Potência

10

0 5 10 15 20 250

2

4

6

8

10

12

14

16

Consumo específico de combustível

Consumo específico de combustível

O gráfico 3 abaixo apresenta o as emissões em [g/kWh] para cada substancia (eixo das ordenadas) em função da potência obtida em kW (eixo das abscissas).

Gráfico 3 – Emissões de NOx, CO, SOx e CxHy x Potência

11

0 5 10 15 20 250

100000

200000

300000

400000

500000

600000

700000

800000

900000

NOxCOSOxCxHy

O gráfico 4 abaixo apresenta as emissões de CO2 e O2 em [g/kWh] (eixo das ordenadas) em função da potência obtida em kW (eixo das abscissas).

Gráfico 4 – Emissões de CO2 e O2 x Potência

0 5 10 15 20 250

100000000

200000000

300000000

400000000

500000000

600000000

700000000

800000000

900000000

CO2O2

4. CONCLUSÕES

12

Conclui-se, portanto, que a turbina Capstone 330 possui um desempenho consideravelmente pior quando operada a potencias inferiores a 10kW. Nessa região a eficiência térmica é menor e as emissões de CO2, NOx e CO são maiores, como, também, o consumo específico de combustível é maior.

Em geral, a eficiência aumenta em função da potência e o consumo específico diminui em função da potência.

Além disso, as emissões de CO e CO2 diminuem em função da potência enquanto que as emissões de NOx aumentam em função da potência.

Não há emissões de CxHy e SOx, provavelmente, devido a natureza do combustível.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ANDRADE, R, V. Roteiro de laboratório: ensaio da microturbina Capstone 330. UNIFEI, Itajubá, 2017.

CAPSTONE. Capstone MicroTurbine Model 330 System Operation. Capstone Turbine Corporation, California, 2001.

MORAN, M. J., SHAPIRO H. N., BOETTNER. D. D.; BAILEY, M. B. Fundammentals of Engineering Thermodynamics. John Wiley & Sons, 7 ed.

COHEN, H.; ROGER, C. F. C.; SARAVANAMUTTOO, H. I. H. Gas Turbine Theory. 4 ed.