Trabalho 3 Final
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Instituto Superior de Engenharia de Lisboa
Departamento de Engenharia Mecânica
U. C. Termodinâmica Aplicada
3º Trabalho: Análise do funcionamento da Central de Ciclo
Combinado da Tapada do Outeiro
Semestre Inverno 2012/2013
Grupo M6
Docente: Eng. João Monteiro Marques
Trabalho Realizado por:
35492 – Fábio Rebelo
35802 – Pedro Romeiro
36952 – João Sobreira
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Introdução:
Este trabalho tem como objetivo a análise de uma central termodinâmica funcionando segundo um ciclo
combinado, isto é, uma central que combina um ciclo a gás (joule) com um ciclo a vapor (Rankine).
A central eléctrica da Tapada do Outeiro utiliza a tecnologia de turbinas a gás de ciclo combinado. É
composta por três grupos de 330 MW, cada um composto por uma unidade de veio único, ou seja, uma
turbina a gás Siemens V94.3ª e uma a vapor em série, ambas accionando o mesmo gerador instalado entre
elas.
Existe uma embraiagem sincronizada entre o gerador e a turbina a vapor que tem como finalidade, o fecho
automático quando o veio da turbina a vapor atinge a mesma velocidade de rotação do veio do gerador.
Em comparação com as centrais termoeléctricas mais tradicionais, a central de ciclo combinado apresenta
uma maior eficiência e um nível tecnológico superior, pois o funcionamento é assente na combinação de
turbinas a gás e vapor. O calor contido nos gases de escape da turbina a gás é aproveitado na caldeira do
ciclo a vapor para fornecer calor a este ciclo. O vapor desse ciclo faz girar uma turbina para produzir energia
eléctrica adicional, sem necessidade de utilização de mais combustível. Na produção do vapor são utilizadas
caldeiras de recuperação de calor, sem queima suplementar de combustível. Esta central converte mais de
metade da energia química contida no combustível em energia eléctrica, conseguindo o nível de produção
mais elevado entre todos os tipos de centrais termoeléctricas.
Neste trabalho vamos fazer uma análise da composição, do funcionamento e desempenho de uma turbina a
gás, respetivamente da tapada do outeiro.
A turbina a gás é uma turbo máquina de ciclo aberto cujo fluido de trabalho é um gás, à entrada é o ar
atmosférico e a saída, após a combustão de um combustível com o fluido de trabalho, são os gases de escape
a altas temperaturas.
O ciclo do gás é constituído por 3 elementos
principais: o compressor, a câmara de combustão e a
turbina. O ciclo inicia se no compressor onde o ar é
comprimido para uma pressão elevada, de seguida o
ar vai para a câmara de combustão aonde é misturado
o ar comprimido e o combustível, o combustível
utilizado na tapada do outeiro é o gás natural
proveniente da Argélia, (ocorre combustão
resultando produtos com uma temperatura elevada),
no final dá se a expansão dos produtos de combustão
na turbina. Fig. 1 – Turbina a gás (ciclo real)
3
Fig. 2 – Turbina a gás com regenerador
No ciclo a gás pode se adicionar um regenerador, que pre-aquece o ar que entra na camara de combustão,
aumentando assim o rendimento do ciclo.
O ciclo em estudo é um ciclo real ou de perdas, este ciclo funciona como um ciclo aberto, sendo que o ar é
admitido a pressao, e em seguida os gases de escape passam na turbina e retornam à atmosfera.
No ciclo combinado, os gases de exaustão antes de serem enviados para a atmosfera vao fornecer energia ao
fluido de trabalho do ciclo de vapor, substituindo a caldeira convencional deste ciclo.
Fig. 3 – Esquema da central de ciclo combinado da EDP em Lares
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Cálculos:
Dados:
Potência nominal da central: 330 MW;
Combustível: Gás Natural;
Rendimento assegurado pelo fabricante no arranque: 55,4% em condições de pressão atmosférica normal e
temperatura 25ºC;
a) Turbina a gás:
a.1) Cálculo dos rendimentos isentrópicos no compressor e na
turbina:
Dados:
Taxa de compressão – 15:1;
Taxa de Expansão – 1:8;
Temp. do ar à saída do compressor – 400ºC;
Temp. dos produtos da combustão à entrada da turbina – 1160ºC;
O rendimento isentrópico do compressor é dado pelo trabalho isentrópico do compressor, que pode ser traduzido como
o trabalho necessário para comprimir uma quantidade de ar numa transformação isentrópica, sobre o trabalho real, que
é o trabalho necessário para comprimir a mesma quantidade de ar mas numa transformação real. Esta expressão
poderá ser deduzida para a expressão das temperaturas, que irá ser utilizada considerando o calor específico constante
para ambas as temperaturas.
–
Em que:
5
Para determinar a temperatura :
Onde o índice adiabático
para o ar.
As principais irreversibilidades que o fluido de trabalho está sujeito dão-se na expansão da turbina. Outra perda é o
calor transferido para o meio ambiente, no entanto esta tem uma menor importância.
–
Para obter a temperatura de escape consultámos a brochura, onde
Cálculo de :
Com o cálculo do rendimento isentrópico da turbina podemos concluir que o rendimento nunca será 100% devido às
irreversibilidades que ocorrem no interior e exterior do compressor e da turbina, e ao facto de o trabalho de
compressão real é maior, e o trabalho realizado pela turbina é menor por causa das irreversibilidades, conduzindo ao
aumento da entropia nestes componentes.
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a.2) Cálculo da percentagem de excesso de ar
Dados:
Base de Cálculo: 1 kmol de metano (CH4);
PCS : 42,01 MJ/m3 (14ºC);
Perda de carga na câmara de combustão – 10% da pressão dos fumos à saída relativamente à pressão do ar à entrada;
Ar (0,21 O2 + 0,79 N2)
Massas molares:
M(O)=16 kg/kmol
M(C)=12 kg/kmol
M(H)=1 kg/kmol
M(N)=28 kg/kmol
M(ar)=29 kg/kmol
Massa especifica do combustível ( CH4):
P = 1atm
T = 14ºC = 287,15K
R = 8,31451 J/K.mol
Par à entrada (Deve-se à taxa de compressão do compressor ser 15:1)
Pgases à saída (Deve-se à perda de pressão de 10% na camara de combustão)
Tar à entrada = 400ºC
Tgases à saída = 1160ºC (entrada da turbina)
(Valores utilizados no programa GASPROPS)
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Excesso de ar pode-se definir como sendo a quantidade de ar acima da quantidade estequiométrica. Nos processos de
combustão real é prática comum usar mais ar de modo a aumentar a possibilidade de combustão completa.
Equação estequiométrica:
Reacção real (com excesso de ar):
Entalpia dos reagentes:
Ar:
CH4:
Entalpia dos produtos:
Com recurso ao programa GASPORPS determinamos os valores de entalpia necessários
O2:
CO2:
N2:
H2O:
Cálculo de x (nº de kmol de Ar que o compressor fornece à câmara de combustão por cada kmol de combustível):
Por cada kmol de combustível queimado o compressor fornece 35,83 kmol de ar à câmara de combustão
8
Cálculo do excesso de ar:
( )
(se num kmol de ar existem 0,21 kmol de O2 então em 2 kmol existem 9,5 kmol de ar)
%
A taxa de ar que entra no compressor é 277,2% superior taxa necessária segundo a equação estequiométrica da
reacção, ajudando também a fazer baixar a temperatura dos produtos da combustão.
Este valor ainda está um pouco distante para alcançar os valores típicos de excesso de ar numa turbina a gás que têm
como combustível o gás natural (na ordem dos 300%).
Contudo o valor obtido tem alguma discrepância para o valor dado como solução (260,1%), isto levou-nos a verificar
os nossos cálculos e constatamos, que este valor deve-se ao valor obtido para a massa volúmica do CH4, pois não
temos certeza se será mesmo o valor correcto.
Cálculo da Potência útil produzida e do rendimento global da turbina
Como a turbina é adiabática, pode-se aplicar o 1º principio da termodinâmica para sistemas abertos em que:
T3 = 1160ºC , P3 , e para e=277,2%,
(através do GASPROPS, nos produtos de combustão) Obtém-se h3=1611.58 kJ/kg
(retirado da brochura), P4
(Retirado da brochura).
Cálculo da potência produzida no compressor:
9
Retirado da brochura combustível= 592 MJ/s e da linha anterior temos PCS =
Da brochura retiramos também total , valor de flow de Gases de Combustão)
Através do programa GASPROPS, introduzindo os seguintes valores para o ar:
T1=25ºC e P1=101,325 kPa obtém-se h1= 298,97 kJ/kg
T2=400ºC e P2=15 atm= 1519,875 kPa obtém-se h2=685,48 kJ/kg
Wutil WTurbina-WCompressor=
Cálculo do Rendimento do Ciclo:
Valor de Qin retirado da brochura: 592 MJ/s
Comparar o rendimento global com o rendimento de Joule, bem como o rendimento de Carnot:
Ao comparar os dois ciclos, ciclo a gás comparado com o ciclo ideal para turbinas a gás (ciclo de Joule), apercebemo-
nos que a central da Tapada do Outeiro tem um rendimento relativamente bom, mas mesmo assim fica aquém dos
ideais, pois só 63% é que são produzidos daquilo que poderia ser produzido nas mesmas, o que nos leva a querer que
esta central poderia sofrer melhoramentos para se tornar mais eficaz.
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Comparando agora o ciclo de gás com o ciclo de Carnot, o ciclo ideal funciona entre estas temperaturas máximas e
mínimas, verifica-se que o ciclo a gás representa 44% daquilo que seria se se trata-se de um ciclo ideal (ciclo carnot).
Perante estas conclusões, pode-se afirmar que o rendimento desta central se encontra longe do ideal. Isto pode dever-
se às condições em que a central funciona, nomeadamente as temperaturas, mas também as irreversibilidades
influenciam o rendimento. Isto tudo leva a que o ciclo desta central esteja longe do ciclo ideal, precisando este de
diversas alterações para poder se assemelhar aos ciclos desejados (Carnot e Joule).
Cálculo Potência Térmica Fumos:
Da brochura tiramos:
Estado 4 => Temperatura à entrada no recuperador de calor = 579ºC =852,15 K
Estado 5 => Temperatura à saída do recuperador de calor = 90ºC = 363,15 K
(retirado da brochura), P4
Caudal Mássico dos Fumos:
No estado 5 a pressão é a atmosférica pois sairá para o exterior, ou seja, P5=101,325 kPA, com estes dados recorremos
ao programa GASPROPS e obtemos:
Variação de entalpia sofrida pelos fumos ao passar pelo recuperador de calor
Este valor corresponde á potência térmica que o recuperador consegue aproveitar do calor extraído dos fumos
provenientes do ciclo do gás, sendo este aproveitado para ser fornecido à água no ciclo a vapor acoplado ao ciclo a gás
da central. O facto de que o cálculo obtido ter dado um valor negativo para a potência térmica dos fumos, corresponde
ao modo como este utilizado, visto que existe uma extracção de calor dos mesmos, o que por convenção dá um valor
negativo à potência térmica.
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Potência térmica circuito água-vapor
Potência térmica adquirida pelo reaquecedor
Ta = 360ºC Pb = 3050 kPa (Valores retirados da brochura)
Tb = 319ºC Pb = 3030 kPa (Valores retirados da brochura)
(Valores das entalpias obtido através do STEAM)
Para Tout = 550ºC, Pout = 2910 kPa obtemos hout = 3566,84 kJ/kg (STEAM)
Potência térmica adquirida pelo circuito de alta pressão
Neste circuito a temperatura de entrada é a temperatura de saturação da água a pressão de 450 kPa (pressão do circuito
baixa pressão) e a pressão será a pressão de saída do HRSG, que é de 11330 kPa.
Para Tin=147,9087 ºC e Pin= 11330 kPa obtemos hin= 629,7078 kJ/kg
Para Tout=550 ºC e Pout= 11330 kPa obtemos hout= 3486,22 kJ/kg
Potência térmica adquirida pelo circuito de média pressão
O valor da temperatura à entrada deste circuito é o mesmo do circuito de cima (Tin=147,9087 ºC) enquanto que a
pressão à entrada e à saída irá ser a mesma, 3030 kPa.
Para Tin=147,9087 ºC e Pin= 3030 kPa obtemos hin= 624,4524 kJ/kg
Para Tout=319 ºC e Pout= 3030 kPa obtemos hout= 3040,771 kJ/kg
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Potência térmica adquirida pelo circuito de baixa pressão
Este circuito é alimentado pela água que provém do PREHEAT, que neste caso vai funcionar como economizador
deste circuito, com isto a temperatura e pressão de entrada são respectivamente a temperatura de saturação a 450 kPA
ao qual corresponde o valor da pressão deste circuito.
Para Tin=147,9087 ºC e Pin= 450 kPa obtemos hin= 622,8516 kJ/kg
Para Tout=233 ºC e Pout= 450 kPa obtemos hout= 2927,24 kJ/kg
Potência térmica adquirida pelo PREHEAT
Aqui a temperatura de entrada será de 60ºC, enquanto que a pressão deste circuito será de 450 kPA.
Para Tin=60 ºC e Pin= 450 kPa obtemos hin= 251,2798 kJ/kg
Para Tout=147,9087 ºC e Pout= 450 kPa obtemos hout= 622,8516 kJ/kg
Potência térmica total adquirida pelo circuito água-vapor
Potência térmica dissipada pelos fumos que saem pela chaminé
Estado 5 => Temperatura à saída do recuperador de calor = 90ºC = 363,15 K
Caudal Mássico dos Fumos:
Da questão anterior vem, h5=373,00 kJ/kg
Meio Ambiente – Fumos na atmosfera
T = 25 °C; P = 101,325 kPa
Utilizando o GASPROPS, para os produtos de combustão com excesso de ar 277,2%
hambiente = 305,65 kJ/kg
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Fig. 5 – Diagrama de Sankey
Potência ao veio, potência útil e potência térmica dissipada no condensador:
Turbina a vapor
Cálculo da potência produzida por cada um dos corpos
Corpo de alta pressão (HP)
Para o cálculo da potência produzida pela turbina de alta
pressão é necessário saber as condições de vapor
sobreaquecido à entrada e saída da turbina, bem como o
caudal mássico que atravessa a turbina.
Condições à entrada:
Tentrada= 550 ºC
Pentrada= 11330 kPa
Hentrada= 3486.422 kJ/kg
Condições á saída:
Tsaida= 360ºC
Psaida= 3050 kPa
Hsaida= 3138.197 kJ/kg
HP = (hentrada – hsaida) = 252400/3600 (3486.422 – 3138.197) = 24414.442 kJ.kg-1
= 24.41 MW
Corpo de média (IP) e baixa (LP) pressão
Como não são conhecidas as condições à saída da turbina de média pressão, iremos calcular a potência produzida pela
turbina de média pressão (condições na entrada) junto com a turbina de baixa pressão (condições na saída). Para esses
cálculos temos de conhecer as propriedades do vapor à entrada na turbina de média e as propriedades do vapor (neste
caso será mistura) à saída da turbina de baixa pressão.
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Condições à entrada (IP):
Tentrada = 550 °C
Pentrada = 2910 kPa
hentrada = 3566.84 kj.kg
Entalpia na saída do condensador:
Tsaida = [email protected] = 32.174 °C
Psaida = 4.8 kPa
Estado: Líquido Saturado
hsaida = 134.709 kj.kg
Balanço Energético (ao condensador para assim determinarmos o valor da entalpia à entrada do condensador)
O caudal de vapor que circula no condensador resulta da soma do caudal que sai do corpo de média pressão da turbina
com o caudal de vapor de baixa pressão produzido.
vapor = 82.69 + 9.11 = 91.76 kg/s
Entrada do condensador:
- Perdas no condensador são de 34.1% (Diagrama de Sankey)
Perdas no condensador:
( saída)condens = 0.341 592 = 201.872 MW
dissip = vapor (hentrada – hsaida) 201872 = 91.76 (hentrada – 134.709)
hentrada = 2334.709 kj.kg-1
IP+LP = IP + LP
IP – 82.69 kg/s
LP – 9.11 Kg/s
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Cálculo das entalpias para LP e entrada do condensador:
LP:
Para T = 233 ºC e P = 450 kPa obtem-se h = 2927.24 kj/kg
Entrada condensador:
T = 360 ºC P = 3050 kPa
IP+LP = IP + LP = 82.69 (3566.84 – 2334.709) + 9.11 (2927.24 – 2334.709) = 107.28MW
Potencia transmitida ao veio
Veio = HP + IP+LP = 24.41 +107.28 = 131.69 MW
útil = Veio - perdas
Perdas na turbina a vapor (Diagrama de Sankey):
Perdas mecânicas e eléctricas – 0.3%
Energia auxiliar – 0.7%
perdas = 592 0.01 = 5.92 MW
útil = Veio - perdas = 131.69 – 5.92 = 125.77 MW
Título de vapor á entrada do condensador
Através do programa Steam determinou-se hg e hf para a pressão de vácuo a 4.8 kPa.
hf = 134.71 kj/kg
hg = 2560.69 kj/kg
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Fig. 6 - Diagramas (T,s) dos ciclos de Brayton e Rankine
O titulo da mistura água/vapor à entrada do condensador é um parâmetro importante no funcionamento de uma turbina
a vapor, pois quanto menor for o seu valor, menor será o rendimento da turbina.
Rendimento global, rendimentos do ciclo teórico de Rankine e Carnot:
o
Carnot = 1 – TC/TH
Onde:
TC é a temperatura da água que sai do condensador (LP)
TH é a temperatura da água a que esta sai da turbina (HP)
Carnot = –
–
Ciclo Global A partir do gás natural a central produz
energia elétrica, utilizando a tecnologia de ciclo
combinado que combina uma turbina a gás e uma turbina
a vapor acopladas num veio alternador comum.
No diagrama de Brayton (ciclo a gás) temos:
- De 1a 2: Compressão do ar atmosférico no compressor
da turbina a gas
- De 2 a 3: Combustão (ar e combustível)
- De 3 a 4: Expansão dos gases na turbina a gás
- De 4 a “1”: Ocorre uma transferência de calor provenientes das turbina a gas no recuperador de calor (HRSG),
iniciando assim o ciclo a vapor, Rankine.
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Diagrama de Rankine (ciclo a vapor) :
- De 1 a 2: Compressão do liquido saturado vindo do condensador
- De 2 a 3: Transferência de calor dos gases da turbina a das para o circuito agua-vapor, na figura está representada
apenas um “pico” mas na realidade são 3, pois temos 3 níveis de pressão diferentes, baixa, media e alta.
- De 3 a 4: Expansão do vapor na turbina, ou seja, produção de potencia
- De 4 a 1: Existe uma mudança de estado, é transferido o calor para o circuito da agua de refrigeração que atua no
condensador
Balanço Energético global
A potência total produzida no ciclo combinado é calculada pela seguinte expressão:
( útil) ciclo combinado ( útil)TV + ( útil)TG
Substituindo os valores, vem:
( útil) ciclo combinado=
A potência total gerada pelo ciclo que nos é fornecida no diagrama de Sankey é superior à potência calculada
analiticamente, isto deve-se ao facto de o rendimento da turbina a gás fornecido na brochura ter um valor superior ao
que foi obtido analiticamente.
Verificamos ainda que a turbina a gás representa 61,9% da potência total produzida e que a turbina a vapor produz os
restantes 38,1%, no entanto, a brochura fornecida diz nos que um terço da potência total é produzida pela turbina a
vapor e os restantes dois terços são produzidos pela turbina a gás, o que difer um pouco dos valores obtidos.
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Rendimento global da central
O rendimento global do ciclo combinado pode ser calculado pela expressão seguinte
Validade da expressão para o cálculo do rendimento global da central
Em alternativa, o rendimento do ciclo combinado pode também ser calculado por esta expressão, onde não usado
corresponde ao valor percentual da soma das potências dissipadas para o ambiente sob diversas formas até chegar à
turbina a vapor. Pelo diagrama de Sankey, estas perdas representam 9,5% da potência química do combustível
fornecido à central.
Assim,
[ ]
Comparando agora os dois rendimentos obtidos verificamos que o rendimento real é inferior aos rendimentos
calculados analiticamente. Esta situação não é de todo descabida pois para os cálculos dos rendimentos foram
utilizadas diversas idealizações das análises aos vários componentes, nomeadamente, desprezou-se o atrito e
condicionou-se o funcionamento de alguns dispositivos do circuito.
Numa análise ao rendimento da turbina a gás, turbina a vapor e do ciclo combinado, concluímos que o ciclo
combinado apresenta um rendimento muito superior ao das turbinas em funcionamento individual.