Turbinas_de_gas_introdução 4sr3n
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- Words: 3,441
- Pages: 64
EN3412-Turbinas Térmicas de Potência
Fluxograma de máquinas de Fluxo
Classificação das máquinas de Fluxo
TURBINAS A GÁS: INTRODUÇÃO
1930 - 1940 Suíça 1932 - BROWN BOVERI :Turbina para acionamento de compressores em caldeiras a vapor. 1939 - BROWN BOVERI :Primeira turbina para produção de potência elétrica . Potência 4 Mw . (Zurich, Suíça). Eficiência 18,04 %.
Inglaterra 1930 - Whittle , primeira patente 1937 - POWERS JET LTD. , testa a primeira turbina a jato.
Alemanha 1935 - Hans von Ohain, obtém uma patente para turbojato. 1937 - ERNEST HEINKEL, A G, é testada a primeira turbina de aviação. 1938 - JUNKERS AIRPLANE CO., com a direção de H. Wagner é testada uma turbina de aviação (turbojato).
Itália 1933 - S. Campini, propõe utilizar um motor alternativo para impulsionar um compressor e produzir um jato de fluxo a alta velocidade. 1940 - G. Caproni constroi e testa um aeroplano com este tipo de motor.
TURBINAS A GÁS: INTRODUÇÃO AUMENTO DA TEMPERATURA DE ENTRADA NA TURBINA TIT (WILSON & KORAKIANITIS, 1998)
TURBINAS A GÁS: INTRODUÇÃO
DESENHO COMPACTO E DE BAIXO PESO
SIMPLICIDADE E VERSATILIDADE
ALTA DENSIDADE DE POTÊNCIA
FÁCIL INSTALAÇÃO
BAIXA VIBRAÇÃO
LONGA VIDA ÚTIL
BAIXA MANUTENÇÃO
COMBUSTÍVEL
TURBINAS: AERONÁUTICAS
“TURBOPROP”
TURBOJATO
“TURBOFAN”
“RAMJET”
TURBINAS: AERONÁUTICAS
ATF3
TURBO FAN CFM56
TURBO FAN CF6N-50 TURBO JET GE J85-21
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS
ETAPAS DO CICLO: ISSÃO -> COMPRESSÃO -> COMBUSTÃO-> EXPANSÃO
CICLO DE COMBUSTTÃO CONTÍNUA
CICLO BRAYTON: ISSÃO E COMBUSTÃO DE AR ATMOSFÉRICO MISTURA COM O COMBUSTÍVEL EXTRAÇÃO DE ENERGIA NO ALTERNADOR ACIONAMENTO DO COMPRESSOR LIBERAÇÃO DOS GASES NA ATMOSFERA
TURBINAS: AERODERIVADAS E INDUSTRIAIS
TURBINA DE GÁS INDUSTRIAIS
AERODERIVAS
ADAPTAÇÃO DAS TURBINAS AERONÁUTICAS PARA
ECONOMICAS, MAS REQUERENDO MAIOR
DESENHO COMPACTO, BAIXO PESO PERMITINDO
ESPESSURA.
CARCAÇA DE LIGAS FINAS, CARAS E DE BAIXO
MANUTENÇÃO.
ACELERAÇÃO MAIS LENTA E MAIOR CURVA DE
RÁPIDA VARIAÇÃO DE VARGA E TOLERÂNCIA A
ARRANQUE (INERCIA CONSIDERAVELMENTE
VÁRIAS PARTIDAS/PARADAS (BAIXA CAPACIDADE
MAIOR).
O DESENHO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO NÃO É
BAIXA FLEXIBILIDADE PARA UTILIZAR VÁRIOS
LIMITADA POR PESO E ESPAÇO, SENDO CAPAZ DE
COMBUSTÍVEIS (DESENHO COMPACTO DA CÂMARA
QUEIMAR DISTINTOS COMBUSTÍVEIS.
DE COMBUSTÃO)
GRADIENTE DE CARGA LIMITADO PARA EVITAR “STRESS TÉRMICO” QUE RESULTA EM UMA MAIOR
TÉRMICA)
TEMPO DE INÍCIO DE OPERAÇÃO.
PESO.
MATERIAIS DE “LIGAS MAIS POBRES”, MAIS
O USO INDUSTRIAL SER EMBALADA NA FÁBRICA E MINIMIZANDO O
RÁPIDA
ACELERAÇÃO
(BAIXO
MOMENTO
DE
ROLAMENTOS MENOS EXIGIDOS, COM ÓLEO LUBRIFICANTE MINERAL (MENOR CUSTO).
INÉRCIA).
MENOR REQUERIMENTO DE MANUTENÇÃO.
NECESSÁRIO CAIXA REDUCTORA (TURBINA DE
RELAÇÃO DE COMPRESSÃO ENTRE 20:1 A 30:1
ALTA VELOCIDADE)
RELACIONES DE COMPRESION 15:1
MAYOR MANTENIMIENTO
TURBINAS: AERODERIVADAS E INDUSTRIAIS
TURBINA DE GÁS AERODERIVADAS INDUSTRIAIS
TURBINAS INDUSTRIAIS (heavy duty) Turbina HITACHI H-25 tipo “heavy duty” ciclo simples de eixo único 7280 rpm compressor axial: 17 estágios razão de pressões 14,7 turbina: 3 estágios combustores: 10 aceita injeção de água e vapor GÁS N. ÓLEO Potência MW: 26,9 26,3 MW eficiência: 33,2 % 32,6% “heat rate” : (kJ/kWh) 10826 11026 T exaustão ºC: 555 555 T máxima ºC : 1300 1300
TURBINAS INDUSTRIAIS
Turbina ALSTOM GT10
TURBINAS AERODERIVADAS
Turbina Tornado da ALSTOM
Características: - combustível: gás e óleo (pode ser dual) - compressor de fluxo axial de 15 estágios, subsônico - razão de pressões: 12,3:1 - fluxo de ar: 28,8 kg/s - turbina de potência em dois estágios - 8 câmaras de combustão, tubulares, de fluxo reverso - queimadores individuais em cada câmara de combustão - Câmaras de combustão com injeção de água ou vapor
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: EIXO SIMPLES
•
O COMPRESSOR DE AR E A TURBINA, AMBOS EM UM EIXO EM COMUM RODANDO A MESMA VELOCIDADE.
•
IMPOSSIBILIDADE DE ALTERAÇÃO DE VELOCIDADE DE ROTAÇÃO PARA LOGRAM MELHOR RENDIMENTO DO COMPRESSOR ANTE DIFERENTES CARGAS DE OPERAÇÃO.
•
ESTE TIPO DE PROJETO É USUAL NAS GRANDES TURBINAS COMERCIAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: EIXO SIMPLES
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: EIXO DUPLO
•
A TURBINA É DIVIDIDA EM 2 SEÇÕES: •
PRIMEIRA: A TURBINA DE ALTA PRESSÃO ESTA UNIDA AO COMPRESSOR AXIAL QUE REQUER POTÊNCIA NECESSÁRIA PARA O SEU FUNCIONAMENTO.
•
SEGUNDA: A TURBINA DE BAIXA PRESSÃO É ACOPLADA AO GEREDOR DE ENERGIA ELÉTRICA.
•
PERMITE OPERAÇÃO COM VELOCIDADE VARIÁVEL: 60-100% DA VELOCIDADE NOMINAL.
•
PERMITE MELHOR A EFICIÊNCIA A PARTIR DA OTIMIZAÇÃO DAS PARTES DE ALTA E BAIXA PRESSÃO DO CICLO..
•
RESPOSTAS EM REGIME TRANSIENTE INFERIORES EM RELAÇÃO A DE EIXO SIMPLES.
•
TECNOLOGIA UTILIZADA EM AERODERIVATIVAS E TURBINAS DE BAIXA POTÊNCIA, E OFERECE MELHOR COMPORTAMENTO FRENTE A VARIAÇÕES DE CARGA.
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: EIXO DUPLO
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: MICRO TURBINAS TURBINA CAPSTONE COM RECUPERDOR •
TURBINAS QUE PRODUZEM POTÊNCIA ELÉTRICA
ENTRE 25 A 500 Kw •
SÃO DERIVADAS DAS TECNOLOGIAS DE TURBO ALIMENTAÇÃO DE CAMINHÕES OU PEQUENAS TURBINAS DE SISTEMAS AUXILIARES DA AVIAÇÃO
•
APRESENTAM FLUXO RADIAL E FAIXA DE ROTAÇÃO ENTRE 90.000 A 120.000 RPM.
•
ESTA TECNOLOGIA É ENCONTRADA A DESDE 1970.
CARACTERÍSTICAS GERAIS DE MICROTURBINAS (LORA E HADDAD, 2006)
DADOS DE CUSTO, DESEMPENHO, TAMANHO E PESO DE DIFERENTES TURBINAS (LORA E HADDAD, 2006)
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: MICRO TURBINAS ESQUEMA DE UMA TURBINA DE EIXO SIMPLES COM RECUPERADOR DE CALOR(LORA E HADDAD, 2006)
•
MICROTURBINAS: COM RECUPERAÇÃO: 25 A 30% (PCI); SEM RECUPERAÇÃO: ≈18 % (PCI)
•
APLICAÇÕES: •
STAND-BY: QUALIDADE E CONFIABILIDADE DA REDE (CARGAS DE PICO)
•
COGERAÇÃO
•
APLICAÇÕES COMERCIAIS, RESTAURANTES, HOTÉIS, CONDOMÍNIOS, ETC.
•
CUSTO ESPECÍFICO DE INSTALAÇÃO DAS MICROTURBINAS: 700 A 1.300 US$/kW
ESQUEMA DE UMA TURBINA DE EIXO DUPLO COM RECUPERADOR DE CALOR (LORA E HADDAD, 2006)
ALGUMAS VANTEGENS E DESVANTAGENS DAS MICRO TURBINAS (LORA E HADDAD, 2006)
INSTALAÇÃO BÁSICA DE UM TURBINA A GÁS
PRINCIPAIS COMPONENTES: SISTEMA ISSÃO E EXAUSTÃO Filtros: •
CAPACIDADE DE FILTRAR PARTÍCULAS DE DIÂMETRO <1μm.
•
VELOCIDADE DE AGEM DO FLUIDO NO SISTEMA DE FILTRAGEM DEVE SER BAIXA PARA POSSIBILITAR A DEPOSIÇÃO DAS IMPUREZAS.
•
FORMAÇÃO DE UMA CAPA DE PÓ AFETA POSITIVAMENTE, DE TAL FORMA QUE REDUZ O DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS QUE PODEM AR.
•
QUANDO SE DETECTA UMA QUEDA DE PRESSÃO EXCESSIVA, É NECESSÁRIO REALIZAR A LIMPEZA DOS FILTROS.
PRINCIPAIS COMPONENTES: COMPRESSOR FUNÇÃO: COMPRIMI O AR DE ISSÃO ATÉ A PRESSÃO INDICADA PARA OPERAÇÃO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO DA TURBINA. TIPOS: CENTRÍFUGO E AXIAL (MAIS UTILIZADO) RAZÃO DE PRESSÃO: 20 A 1:30.
Uso do ar do compressor:
Ar primário (30%): processo de combustão. Ar secundário (65%): injetado através de furos existentes ao longo da câmara de combustão com o objetivo de se atingir a temperatura de operação da turbina. Ar de reSfriamento (5%): bocal e palhetas da turbina
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
Classificação:
ANULAR
TUBO-ANULAR
SILO
Com o fluxo de ar estabilizado, que sai do compressor, e com a injeção de combustível é realizada a combustão da mistura.
O comprimento da câmara de combustão é determinada a em função do fluxo de gases necessários para a turbinas a gás.
Se pode utilizar mais de uma câmara de combustão em paralelo, obtendo-se desta forma câmaras de combustão mais curta.
Como as paredes da câmara de combustão estão submetidas a elevadas temperaturas, existe a necessidade de se obter excelente sistema de refrigeração para evitar a dilatação dos materiais.
A câmara de combustão pode ser refrigerada com água ou ar proveniente do compressor.
A injeção de água é utilizado para a redução de NOx originado nas regiões quentes da chama.
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO - ANULAR
CÂMARA CONSISTE EM UM CILINDRO
ORIENTADO AXIALMENTE AO REDOR DO EIXO.
UM ÚNICO TUBO DE CHAMA PODE APRESENTAR
ENTRE 15 A 20 INJETORES.
Possibilita boa refrigeração dos gases de combustão e baixa perda de carga.
Distribuição da temperatura e da mistura (combustível/ar) menos uniforme que as
câmaras tubo anulares.
Este tipo de projeto é utilizado por fabricantes como Alstom e Siemens, e em geral em
turbinas aeroderivadas.
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA COMBUSTÃO – TUBO-ANULAR
• Uma série de tubos distribuídos em torno de uma forma uniforme conformam o desenho desta câmara de combustão. • Cada um tem um único injetor e vela de ignição. • Tem maior resistência estrutural, mas menor rendimento e maior peso. • Se um dos tubos para de trabalhar, e não é detectado, podem haver grandes diferenças de temperatura na estrutura. • Esta tecnologia é utilizada por fabricantes como Siemens, Mitshubishi e General Electric.
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO - ANULAR
Turbina Word-Class de eixo único SGT-8000H (375 MW) (Siemens Gas Turbines) ISO Base Power Output (MW)
274
Heat Rate (kJ/kWh)
8.999
Heat Rate (Btu/kWh)
8.530
Gross Efficiency (%)
40
Pressure Ratio
19,5
Exhaust Mass Flow (kg/sec)
604
Exhaust Mass Flow (lb/sec)
1.332
Turbine Speed (rpm)
3.600
Exhaust Temperature (°C/°F)
617/1.143
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO – SILO
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO – SILO
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO REVESTIMENTO INTERNO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO
PRINCIPAIS COMPONENTES: TURBINA (SISTEMA DE EXPANSÃO)
• •
Normalmente consiste de quatro ou cinco estágios. Cada uma composta por um anel de palhetas móveis com perfil aerodinâmico e de palhetas fixas na carcaça cuja missão é o de direcionar os gases na saída da câmara de combustão.
PRINCIPAIS COMPONENTES: TURBINADe (SISTEMA DE EXPANSÃO) Elementos Las Turbinas a Gas
Palhetas móveis:
Deve ar grande “STRESS TÉRMICO”
Materiais: ligas à base de níquel, com
pequeno teor de cromo com o objetivo de melhorar a resistência a corrosão.
Palhetas mono cristalinas com o objetivo de evitar problemas nos contornos dos grãos, devido as condições de operação que geram problemas de creep (tendência a deformação permanente do material quando submetido a stress mecânico), fatiga, stress, etc.
PRINCIPAIS COMPONENTES: TURBINA (SISTEMA DE EXPANSÃO)
Palhetas móveis
TIPOS DE RESFRIAMENTO: CONVECÇÃO E CAMADAS
CONVECÇÃO: o calor é transferido desde a superfície da palheta ao ar de resfriamento a partir de métodos convectivo (geradores de
turbulência longitudinal e transversal) e devido a agem do ar pelas superfícies internar através de orifícios existentes nas palhetas.
CAMADAS ou FILME: O ar comprimido a alta pressão a através de orifícios feitos na superfície da palheta, de tal forma que o fluxo de ar escoa sobre a superfície externa, e em seguida mistura com os gases de combustão.
Circulação do ar de resfriamento interno e externamente na palheta.
Resfriamento das palhetas da turbina a gás: Resfriamento em camadas e resfriamento por convecção.
PRINCIPAIS COMPONENTES:Palhetas(SISTEMA DE RESFRIAMENTO)
PRINCIPAIS COMPONENTES:Palhetas(SISTEMA DE RESFRIAMENTO)
CICLO TERMODINAMICO
Brayton Ideal: 1.
1-> 2
Compressão isoentrópica do ar
2.
2-> 3
Adição de calor a pressão constante
3.
3-> 4
Expansão isoentrópica do ar até a pressão ambiente
4.
4-> 1
Retirada de calor a pressão constante
Turbina Real: 1.
Entrada e compressão do ar atmosférico (Compressor)
2.
Mistura do ar com o combustível e combustão (Câmara de Combustão)
3.
Produção de energia (Turbina) para acionar o compressor e gerador
4.
Exaustão dos gases para atmosfera
Energia Adicionada QCC m c p (T3 T2 ) Wliq QCC QREJ m c p [(T3 T2 ) (T4 T1 )] Energia Rejeitada QREJ m c p (T4 T1 ) Trabalho Líquido Wliq Wturbina Wcompressor Eficiência do ciclo
QR QE c p (T3 T2 ) c p (T4 T1 ) (T T ) 1 4 1 QR c p (T3 T2 ) (T3 T2 )
Eficiência em função da razão de pressão:
Processo adibático e reversíveis: RENDIMIENTO AUMENTA:
rp
p p3 p2 1 1 p4 p1 p2
T2 p2 T1 p1
k 1 k
rp
↑ RELAÇÃO DE COMPRESSÃO
k 1 k
( k 1) k
1 1 r p
( k 1) k
↓TEMPERATURA AMBIENTE
CICLO TERMODINAMICO: Desvio do ciclo ideal para real
A diferença na operação entre o compressor e turbina real em relação ao compressor e a turbina ideal (isoentropica), é contabilizada a partir da eficiência isoentrópica, definida como:
Para compressor
C
W ideal
WR
h1 h2 s T1 T2 s h1 h2 a T1 T2 a
Para turbina
T
WR
W ideal
h1 h2 a T1 T2 a h1 h2 s T1 T2 s
1e3
estados na entrada
2a e 4a
estados reais na saída
2s e 4s
estados isoentrópicos(saída)
CICLO TERMODINAMICO: TRABALHO LÍQUIDO
CICLO TERMODINAMICO: TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO
• Comparação das eficiências para diferentes tecnologias.
CICLO TERMODINAMICO: TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO Eficiência das instalações de turbinas a gás e centrais de ciclo combinado Najjar (2001).
CICLO TERMODINAMICO: TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO Parâmetros técnico-econômicos de diferentes tipos de centrais de Potência (Lora e Nascimento, 2004)
RENDIMENTO: DEFINIÇÕES IMPORTANTES Energia Gerada por uma Usina Térmica:
Vol PCS HRS EG - energia gerada (MW - médios/dia) EG 1,65236 10 4
Vol - consumo diário de combustível (m 3 /dia) PCS - Poder calorífico superior (kcal/m3 ) - Gás Natural : PCS 9.400kcal/m 3 HRS - Heat Rate considerando o PCS (Btu/kWh) Heat Rate (Btu/kWh)
Geração para um consumo de gás de 1.000.000 m3/dia
Ciclo Simples
10.000
155,3 MW-médios/dia
Ciclo combinado
7.000
221,9 MW-médios/dia
Tipo de Usina
Heat Rate (HR): é o número de unidades térmicas Britânicas (Btus) do combustível necessário para gerar um MWh de eletricidade. (unidade: Btu/kWh) Eficiência Térmica: 1.000
Tipo de Usina
0,2933 HR Heat Rate (Btu/kWh)
Eficiência
Ciclo Simples
10.000
34,1 %
Ciclo combinado
7.000
48,7%
RENDIMENTO
RENDIMENTO EM RELAÇÃO A RAZÃO DE COMPRESSÃO:
CONSUMO ESPECÍFICO EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA:
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA ALTITUDE
A MASSA ESPECÍFICA DO AR DIMINUI COM O AUMENTO DA ALTITUDE.
A CADA 300 METROS O FLUXO DE AR DIMINUIR APROXIMADAMENTE 3.5%
DESTA FORMA A CAPACIDADE DE GERAÇÃO DA TURBINA DIMINUI
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DO AMBIENTE
O AUMENTO DA TEMPERATURA DO AMBIENTE DIMINUI O RENDIMENTO DA TURBINA A GÁS.
DEVIDO A BAIXA DENSIDADE DO AR REQUER MAIOR POTÊNCIA DE COMPRESSÃO, DIMINUINDO A DISPONIBILIDADE DE POTÊNCIA DA TURBINA.
APROXIMADAMENTE DIMINUIÇÃO 1% A CADA 1°C
Solar Turbine
Diagrama mostra como variam a potência e o heat rate de um ciclo de turbina a gás, em função de variações da temperatura ambiente. Turbina ABB
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DA CARGA
Curvas dos fatores de correção para avaliação de desempenho de turbinas a gás, em função de variações da temperatura ambiente. Destaca-se a influência da temperatura no Heat Rate.
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA UMIDADE
COM O AUMENTO DA UMIDADE DO AMBIENTE, A MASSA ESPECÍFICA DA MISTURA
AR+ÁGUA DIMINUÍ, DE MANEIRA QUE O FLUXO MÁSSICO DE AR ITIDO PELO COMPRESSOR É REDUZIDO PARA UMA DADA ROTAÇÃO DE OPERAÇÃO.
TIPO DE COMBUSTIVEL:
COMBUSTIVEL LÍQUIDO QUEIMA DE MANEIRA MENOS EFICIENTE QUE O COMBUSTÍVEL GASOSO.
O RENDIMENTO DIMINUI APROXIMADAMENTE 1,3% COM A SUBSTITUIÇÃO.
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA CARGA
Diagrama mostra como varia o heat rate em função da carga.
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA PERDA DE CARGA
O AUMENTO DA PERDA DE CARGA NA ISSÃO E NA EXAUSTÃO DIMINUEM SIGNIFICATIVAMENTE NA POTÊNCIA DA TURBINA.
CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DE UMA TURBINA A GÁS
CONDIÇÕES DE REFERÊNCIA (ISO) PARA ESPECIFICAÇÃO DAS TURBINAS A GÁS:
CONDIÇÃO DE FUNCIONAMENTO DA TURBINA A GÁS FORA DA CONDIÇÃO ISO:
FATORES DE CORREÇÃO DE FABRICANTES:
Power = 10.000 x 0,983 x 0,956 x 0,984 x 0,997 = 9.219 hp (6.873 kW)
Heat rate = 7.770 x 1,015 x 1,007 x 1,003 =7.966 Btu/hp-h (11.269 kJ/kWh)
TÉCNICAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO CICLO
RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO:
UTILIZAÇÃO DE TROCADOR DE CALOR ENTRE O COMPRESSOR DE BAIXA PRESSÃO E O COMPRESSOR DE ALTA PRESSÃO.
DESTA FORMA SE CONSEGUE OPERAR COM MAIORES RAZÕES DE PRESSÃO: EXEMPLO: TURBINAS A GÁS GE LMS100; rc: 42:1; η=44%.
O RENDIMENTO DA TURBINA AUMENTA DEVIDO O CONJUNTO DE COMPRESSORES CONSUMIREM MENOS TRABALHO.
TÉCNICAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO CICLO
RECALENTAMIENTO (REHEAT OU AFTERBURNER): 1. CÂMARA DE COMBUSTÃO ADICIONAL 2. INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL 3. OBJETIVO É AUMENTAR A TEMPERATURA DOS GASES NO 2º ESTÁGIO DA TURBINA 4. AUMENTO DO TRABALHO TOTAL REALIZADO PELA TURBINA
TÉCNICAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO CICLO
CICLO CHENG: Em 1978, Cheng propôs um ciclo de turbina de gás em que o calor dos gases de escape da turbina a gás é utilizado para produzir vapor num gerador de vapor de recuperação de calor, sendo este vapor injetado na câmara de combustão da turbina a gás, o que resulta numa ganho de eficiência e de um aumento de potência.
TÉCNICAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO CICLO
CICLO HAT (Humid Air Turbine): Originalmente proposto como o ciclo de evaporaçãoregenerativo, o ciclo HAT fornece um aumento de energia substancial e um aumento da eficiência de vários pontos percentuais. A água aquecida em intercoolers e recuperadores é pulverizada no ar vindo dos compressores, sendo a mistura introduzida na câmara de combustão e em seguida expandida na turbina a gás. A introdução de água ao invés de vapor na câmara de combustão reduz as irreversibilidades do ciclo, já que dispensa-se o uso de uma caldeira de recuperação. Outro benefício da introdução de vapor na câmara de combustão é a considerável redução dos níveis de emissão de NOx para a atmosfera.
Gas Turbine World Combined Cycle Specs
Informações disponíveis:
Modelo Ano de fabricação Condição ISO, refere-se a potência fornecida na condição de projeto, sem perdas, operando pelo menos 6000 horas por ano Heat Rate: relação entre a energia consumida e a energia produzida Eficiência: potência produzida divido pela taxa de energia consumida Razão de pressão Fluxo de massa Rotação da turbina: 3000 rpm para 50Hz e 3600 rpm para 60Hz Temperatura de exaustão fornecida na condição de projeto
Gas Turbine World Combined Cycle Specs
Fatores de correção:
Temperatura:
• Queda de 0,3 a 0,5% na potência da turbina com aumento de 1Fº (0,6ºC) da temperatura ambiente. • Aumento de 0,3 a 0,5% no heat rate da turbina com aumento de 1Fº (0,6ºC) da temperatura ambiente.
Elevação: para cada 1000 ft ( 305 m) de elevação na altitude ocorre 3% de redução da potência Inlet losses: para cada polegada de coluna d’água de perda de pressão, pode se esperar uma redução 0,5% na potência e um aumento de 0,1% no heat rate. Outlet losses: para cada polegada de coluna d’água de perda de pressão, pode se esperar uma redução 0,15% na potência e um aumento de 0,1% no heat rate. Tipo de fluido: turbina a gás pode produzir 2-3% menos potência e aumentar 1-2% o heat rate quando opera com combutível destilado quando comparado com o gás natural
Principais perdas nas turbinas a gás
2009 GTW Combined Cycle Specs
2009 GTW Combined Cycle Specs
Heat Rate de turbinas as gás
Preços de turbinas as gás
Estimativa de preços para o Budget 2010 – Turbinas a gás (GTW–2010):
Modelo padrão:
• Ciclo de turbina simples com preço FOB • Sistema básico de controle
Escopo de fornecimento:
• Turbina a gás acompanhada de montagem, sistema de óleo, combustível e controles básicos. • Gerador resfriado a ar. • DNL (Dry Low Nox) combustion • Demais equipamentos da usina (Balance of pLant): sistema de filtragem do ar entrada e silenciador, chaminé, monitoramento de vibração e sistema de controle, sistemas de proteção, sistema de ventilação e fechamento acústico.
Preços de turbinas as gás
Bibliografia BOYCE, M.P., Gas Turbine Engineering Handbook, 3º Ed. Gulf Professional Publishing, 2006. COHEN H., ROGERS GFS, SARAVANAMUTTOO, HIH., Gas Turbine Theory. 4ed. England: Addison Wesley Logman Limited, 1996. NEBRA, S.A., Notas de aula-Disciplina EM 713 – Máquinas Térmicas. Campinas: UNICAMP, 2001. GALLO, W.L.R., WALTER, A.C.S., Máquinas Térmicas-Apostila, 2ªedição. Campinas: UNICAMP, 1986. BATHIE, W.W., Fundamentals of gas turbine, 2nd edition. USA: John Wiley & Songs, Inc., 1996. LORA, E.E.S., do NASCIMENTO, M.A.R. (Orgs) Geração Termelétrica: Planejamento, Projeto e Operação, volume 1. Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2004. LORA, E.E.S., HADDAD, J. (Orgs) Geração Distribuída: Aspectos Tecnológicos, Ambientais e Institucionais. Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2006. Notas de aula: Generación Termoeléctrica con Turbinas de Gas-65.17 - Centrales Eléctricas,–UBA, 2001.
Fluxograma de máquinas de Fluxo
Classificação das máquinas de Fluxo
TURBINAS A GÁS: INTRODUÇÃO
1930 - 1940 Suíça 1932 - BROWN BOVERI :Turbina para acionamento de compressores em caldeiras a vapor. 1939 - BROWN BOVERI :Primeira turbina para produção de potência elétrica . Potência 4 Mw . (Zurich, Suíça). Eficiência 18,04 %.
Inglaterra 1930 - Whittle , primeira patente 1937 - POWERS JET LTD. , testa a primeira turbina a jato.
Alemanha 1935 - Hans von Ohain, obtém uma patente para turbojato. 1937 - ERNEST HEINKEL, A G, é testada a primeira turbina de aviação. 1938 - JUNKERS AIRPLANE CO., com a direção de H. Wagner é testada uma turbina de aviação (turbojato).
Itália 1933 - S. Campini, propõe utilizar um motor alternativo para impulsionar um compressor e produzir um jato de fluxo a alta velocidade. 1940 - G. Caproni constroi e testa um aeroplano com este tipo de motor.
TURBINAS A GÁS: INTRODUÇÃO AUMENTO DA TEMPERATURA DE ENTRADA NA TURBINA TIT (WILSON & KORAKIANITIS, 1998)
TURBINAS A GÁS: INTRODUÇÃO
DESENHO COMPACTO E DE BAIXO PESO
SIMPLICIDADE E VERSATILIDADE
ALTA DENSIDADE DE POTÊNCIA
FÁCIL INSTALAÇÃO
BAIXA VIBRAÇÃO
LONGA VIDA ÚTIL
BAIXA MANUTENÇÃO
COMBUSTÍVEL
TURBINAS: AERONÁUTICAS
“TURBOPROP”
TURBOJATO
“TURBOFAN”
“RAMJET”
TURBINAS: AERONÁUTICAS
ATF3
TURBO FAN CFM56
TURBO FAN CF6N-50 TURBO JET GE J85-21
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS
ETAPAS DO CICLO: ISSÃO -> COMPRESSÃO -> COMBUSTÃO-> EXPANSÃO
CICLO DE COMBUSTTÃO CONTÍNUA
CICLO BRAYTON: ISSÃO E COMBUSTÃO DE AR ATMOSFÉRICO MISTURA COM O COMBUSTÍVEL EXTRAÇÃO DE ENERGIA NO ALTERNADOR ACIONAMENTO DO COMPRESSOR LIBERAÇÃO DOS GASES NA ATMOSFERA
TURBINAS: AERODERIVADAS E INDUSTRIAIS
TURBINA DE GÁS INDUSTRIAIS
AERODERIVAS
ADAPTAÇÃO DAS TURBINAS AERONÁUTICAS PARA
ECONOMICAS, MAS REQUERENDO MAIOR
DESENHO COMPACTO, BAIXO PESO PERMITINDO
ESPESSURA.
CARCAÇA DE LIGAS FINAS, CARAS E DE BAIXO
MANUTENÇÃO.
ACELERAÇÃO MAIS LENTA E MAIOR CURVA DE
RÁPIDA VARIAÇÃO DE VARGA E TOLERÂNCIA A
ARRANQUE (INERCIA CONSIDERAVELMENTE
VÁRIAS PARTIDAS/PARADAS (BAIXA CAPACIDADE
MAIOR).
O DESENHO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO NÃO É
BAIXA FLEXIBILIDADE PARA UTILIZAR VÁRIOS
LIMITADA POR PESO E ESPAÇO, SENDO CAPAZ DE
COMBUSTÍVEIS (DESENHO COMPACTO DA CÂMARA
QUEIMAR DISTINTOS COMBUSTÍVEIS.
DE COMBUSTÃO)
GRADIENTE DE CARGA LIMITADO PARA EVITAR “STRESS TÉRMICO” QUE RESULTA EM UMA MAIOR
TÉRMICA)
TEMPO DE INÍCIO DE OPERAÇÃO.
PESO.
MATERIAIS DE “LIGAS MAIS POBRES”, MAIS
O USO INDUSTRIAL SER EMBALADA NA FÁBRICA E MINIMIZANDO O
RÁPIDA
ACELERAÇÃO
(BAIXO
MOMENTO
DE
ROLAMENTOS MENOS EXIGIDOS, COM ÓLEO LUBRIFICANTE MINERAL (MENOR CUSTO).
INÉRCIA).
MENOR REQUERIMENTO DE MANUTENÇÃO.
NECESSÁRIO CAIXA REDUCTORA (TURBINA DE
RELAÇÃO DE COMPRESSÃO ENTRE 20:1 A 30:1
ALTA VELOCIDADE)
RELACIONES DE COMPRESION 15:1
MAYOR MANTENIMIENTO
TURBINAS: AERODERIVADAS E INDUSTRIAIS
TURBINA DE GÁS AERODERIVADAS INDUSTRIAIS
TURBINAS INDUSTRIAIS (heavy duty) Turbina HITACHI H-25 tipo “heavy duty” ciclo simples de eixo único 7280 rpm compressor axial: 17 estágios razão de pressões 14,7 turbina: 3 estágios combustores: 10 aceita injeção de água e vapor GÁS N. ÓLEO Potência MW: 26,9 26,3 MW eficiência: 33,2 % 32,6% “heat rate” : (kJ/kWh) 10826 11026 T exaustão ºC: 555 555 T máxima ºC : 1300 1300
TURBINAS INDUSTRIAIS
Turbina ALSTOM GT10
TURBINAS AERODERIVADAS
Turbina Tornado da ALSTOM
Características: - combustível: gás e óleo (pode ser dual) - compressor de fluxo axial de 15 estágios, subsônico - razão de pressões: 12,3:1 - fluxo de ar: 28,8 kg/s - turbina de potência em dois estágios - 8 câmaras de combustão, tubulares, de fluxo reverso - queimadores individuais em cada câmara de combustão - Câmaras de combustão com injeção de água ou vapor
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: EIXO SIMPLES
•
O COMPRESSOR DE AR E A TURBINA, AMBOS EM UM EIXO EM COMUM RODANDO A MESMA VELOCIDADE.
•
IMPOSSIBILIDADE DE ALTERAÇÃO DE VELOCIDADE DE ROTAÇÃO PARA LOGRAM MELHOR RENDIMENTO DO COMPRESSOR ANTE DIFERENTES CARGAS DE OPERAÇÃO.
•
ESTE TIPO DE PROJETO É USUAL NAS GRANDES TURBINAS COMERCIAS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: EIXO SIMPLES
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: EIXO DUPLO
•
A TURBINA É DIVIDIDA EM 2 SEÇÕES: •
PRIMEIRA: A TURBINA DE ALTA PRESSÃO ESTA UNIDA AO COMPRESSOR AXIAL QUE REQUER POTÊNCIA NECESSÁRIA PARA O SEU FUNCIONAMENTO.
•
SEGUNDA: A TURBINA DE BAIXA PRESSÃO É ACOPLADA AO GEREDOR DE ENERGIA ELÉTRICA.
•
PERMITE OPERAÇÃO COM VELOCIDADE VARIÁVEL: 60-100% DA VELOCIDADE NOMINAL.
•
PERMITE MELHOR A EFICIÊNCIA A PARTIR DA OTIMIZAÇÃO DAS PARTES DE ALTA E BAIXA PRESSÃO DO CICLO..
•
RESPOSTAS EM REGIME TRANSIENTE INFERIORES EM RELAÇÃO A DE EIXO SIMPLES.
•
TECNOLOGIA UTILIZADA EM AERODERIVATIVAS E TURBINAS DE BAIXA POTÊNCIA, E OFERECE MELHOR COMPORTAMENTO FRENTE A VARIAÇÕES DE CARGA.
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: EIXO DUPLO
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: MICRO TURBINAS TURBINA CAPSTONE COM RECUPERDOR •
TURBINAS QUE PRODUZEM POTÊNCIA ELÉTRICA
ENTRE 25 A 500 Kw •
SÃO DERIVADAS DAS TECNOLOGIAS DE TURBO ALIMENTAÇÃO DE CAMINHÕES OU PEQUENAS TURBINAS DE SISTEMAS AUXILIARES DA AVIAÇÃO
•
APRESENTAM FLUXO RADIAL E FAIXA DE ROTAÇÃO ENTRE 90.000 A 120.000 RPM.
•
ESTA TECNOLOGIA É ENCONTRADA A DESDE 1970.
CARACTERÍSTICAS GERAIS DE MICROTURBINAS (LORA E HADDAD, 2006)
DADOS DE CUSTO, DESEMPENHO, TAMANHO E PESO DE DIFERENTES TURBINAS (LORA E HADDAD, 2006)
TIPOS DE TURBINAS DE GÁS: MICRO TURBINAS ESQUEMA DE UMA TURBINA DE EIXO SIMPLES COM RECUPERADOR DE CALOR(LORA E HADDAD, 2006)
•
MICROTURBINAS: COM RECUPERAÇÃO: 25 A 30% (PCI); SEM RECUPERAÇÃO: ≈18 % (PCI)
•
APLICAÇÕES: •
STAND-BY: QUALIDADE E CONFIABILIDADE DA REDE (CARGAS DE PICO)
•
COGERAÇÃO
•
APLICAÇÕES COMERCIAIS, RESTAURANTES, HOTÉIS, CONDOMÍNIOS, ETC.
•
CUSTO ESPECÍFICO DE INSTALAÇÃO DAS MICROTURBINAS: 700 A 1.300 US$/kW
ESQUEMA DE UMA TURBINA DE EIXO DUPLO COM RECUPERADOR DE CALOR (LORA E HADDAD, 2006)
ALGUMAS VANTEGENS E DESVANTAGENS DAS MICRO TURBINAS (LORA E HADDAD, 2006)
INSTALAÇÃO BÁSICA DE UM TURBINA A GÁS
PRINCIPAIS COMPONENTES: SISTEMA ISSÃO E EXAUSTÃO Filtros: •
CAPACIDADE DE FILTRAR PARTÍCULAS DE DIÂMETRO <1μm.
•
VELOCIDADE DE AGEM DO FLUIDO NO SISTEMA DE FILTRAGEM DEVE SER BAIXA PARA POSSIBILITAR A DEPOSIÇÃO DAS IMPUREZAS.
•
FORMAÇÃO DE UMA CAPA DE PÓ AFETA POSITIVAMENTE, DE TAL FORMA QUE REDUZ O DIÂMETRO DAS PARTÍCULAS QUE PODEM AR.
•
QUANDO SE DETECTA UMA QUEDA DE PRESSÃO EXCESSIVA, É NECESSÁRIO REALIZAR A LIMPEZA DOS FILTROS.
PRINCIPAIS COMPONENTES: COMPRESSOR FUNÇÃO: COMPRIMI O AR DE ISSÃO ATÉ A PRESSÃO INDICADA PARA OPERAÇÃO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO DA TURBINA. TIPOS: CENTRÍFUGO E AXIAL (MAIS UTILIZADO) RAZÃO DE PRESSÃO: 20 A 1:30.
Uso do ar do compressor:
Ar primário (30%): processo de combustão. Ar secundário (65%): injetado através de furos existentes ao longo da câmara de combustão com o objetivo de se atingir a temperatura de operação da turbina. Ar de reSfriamento (5%): bocal e palhetas da turbina
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
Classificação:
ANULAR
TUBO-ANULAR
SILO
Com o fluxo de ar estabilizado, que sai do compressor, e com a injeção de combustível é realizada a combustão da mistura.
O comprimento da câmara de combustão é determinada a em função do fluxo de gases necessários para a turbinas a gás.
Se pode utilizar mais de uma câmara de combustão em paralelo, obtendo-se desta forma câmaras de combustão mais curta.
Como as paredes da câmara de combustão estão submetidas a elevadas temperaturas, existe a necessidade de se obter excelente sistema de refrigeração para evitar a dilatação dos materiais.
A câmara de combustão pode ser refrigerada com água ou ar proveniente do compressor.
A injeção de água é utilizado para a redução de NOx originado nas regiões quentes da chama.
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO - ANULAR
CÂMARA CONSISTE EM UM CILINDRO
ORIENTADO AXIALMENTE AO REDOR DO EIXO.
UM ÚNICO TUBO DE CHAMA PODE APRESENTAR
ENTRE 15 A 20 INJETORES.
Possibilita boa refrigeração dos gases de combustão e baixa perda de carga.
Distribuição da temperatura e da mistura (combustível/ar) menos uniforme que as
câmaras tubo anulares.
Este tipo de projeto é utilizado por fabricantes como Alstom e Siemens, e em geral em
turbinas aeroderivadas.
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA COMBUSTÃO – TUBO-ANULAR
• Uma série de tubos distribuídos em torno de uma forma uniforme conformam o desenho desta câmara de combustão. • Cada um tem um único injetor e vela de ignição. • Tem maior resistência estrutural, mas menor rendimento e maior peso. • Se um dos tubos para de trabalhar, e não é detectado, podem haver grandes diferenças de temperatura na estrutura. • Esta tecnologia é utilizada por fabricantes como Siemens, Mitshubishi e General Electric.
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO - ANULAR
Turbina Word-Class de eixo único SGT-8000H (375 MW) (Siemens Gas Turbines) ISO Base Power Output (MW)
274
Heat Rate (kJ/kWh)
8.999
Heat Rate (Btu/kWh)
8.530
Gross Efficiency (%)
40
Pressure Ratio
19,5
Exhaust Mass Flow (kg/sec)
604
Exhaust Mass Flow (lb/sec)
1.332
Turbine Speed (rpm)
3.600
Exhaust Temperature (°C/°F)
617/1.143
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO – SILO
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO – SILO
PRINCIPAIS COMPONENTES: CÂMARA DE COMBUSTÃO
CÂMARA DE COMBUSTÃO REVESTIMENTO INTERNO DA CÂMARA DE COMBUSTÃO
PRINCIPAIS COMPONENTES: TURBINA (SISTEMA DE EXPANSÃO)
• •
Normalmente consiste de quatro ou cinco estágios. Cada uma composta por um anel de palhetas móveis com perfil aerodinâmico e de palhetas fixas na carcaça cuja missão é o de direcionar os gases na saída da câmara de combustão.
PRINCIPAIS COMPONENTES: TURBINADe (SISTEMA DE EXPANSÃO) Elementos Las Turbinas a Gas
Palhetas móveis:
Deve ar grande “STRESS TÉRMICO”
Materiais: ligas à base de níquel, com
pequeno teor de cromo com o objetivo de melhorar a resistência a corrosão.
Palhetas mono cristalinas com o objetivo de evitar problemas nos contornos dos grãos, devido as condições de operação que geram problemas de creep (tendência a deformação permanente do material quando submetido a stress mecânico), fatiga, stress, etc.
PRINCIPAIS COMPONENTES: TURBINA (SISTEMA DE EXPANSÃO)
Palhetas móveis
TIPOS DE RESFRIAMENTO: CONVECÇÃO E CAMADAS
CONVECÇÃO: o calor é transferido desde a superfície da palheta ao ar de resfriamento a partir de métodos convectivo (geradores de
turbulência longitudinal e transversal) e devido a agem do ar pelas superfícies internar através de orifícios existentes nas palhetas.
CAMADAS ou FILME: O ar comprimido a alta pressão a através de orifícios feitos na superfície da palheta, de tal forma que o fluxo de ar escoa sobre a superfície externa, e em seguida mistura com os gases de combustão.
Circulação do ar de resfriamento interno e externamente na palheta.
Resfriamento das palhetas da turbina a gás: Resfriamento em camadas e resfriamento por convecção.
PRINCIPAIS COMPONENTES:Palhetas(SISTEMA DE RESFRIAMENTO)
PRINCIPAIS COMPONENTES:Palhetas(SISTEMA DE RESFRIAMENTO)
CICLO TERMODINAMICO
Brayton Ideal: 1.
1-> 2
Compressão isoentrópica do ar
2.
2-> 3
Adição de calor a pressão constante
3.
3-> 4
Expansão isoentrópica do ar até a pressão ambiente
4.
4-> 1
Retirada de calor a pressão constante
Turbina Real: 1.
Entrada e compressão do ar atmosférico (Compressor)
2.
Mistura do ar com o combustível e combustão (Câmara de Combustão)
3.
Produção de energia (Turbina) para acionar o compressor e gerador
4.
Exaustão dos gases para atmosfera
Energia Adicionada QCC m c p (T3 T2 ) Wliq QCC QREJ m c p [(T3 T2 ) (T4 T1 )] Energia Rejeitada QREJ m c p (T4 T1 ) Trabalho Líquido Wliq Wturbina Wcompressor Eficiência do ciclo
QR QE c p (T3 T2 ) c p (T4 T1 ) (T T ) 1 4 1 QR c p (T3 T2 ) (T3 T2 )
Eficiência em função da razão de pressão:
Processo adibático e reversíveis: RENDIMIENTO AUMENTA:
rp
p p3 p2 1 1 p4 p1 p2
T2 p2 T1 p1
k 1 k
rp
↑ RELAÇÃO DE COMPRESSÃO
k 1 k
( k 1) k
1 1 r p
( k 1) k
↓TEMPERATURA AMBIENTE
CICLO TERMODINAMICO: Desvio do ciclo ideal para real
A diferença na operação entre o compressor e turbina real em relação ao compressor e a turbina ideal (isoentropica), é contabilizada a partir da eficiência isoentrópica, definida como:
Para compressor
C
W ideal
WR
h1 h2 s T1 T2 s h1 h2 a T1 T2 a
Para turbina
T
WR
W ideal
h1 h2 a T1 T2 a h1 h2 s T1 T2 s
1e3
estados na entrada
2a e 4a
estados reais na saída
2s e 4s
estados isoentrópicos(saída)
CICLO TERMODINAMICO: TRABALHO LÍQUIDO
CICLO TERMODINAMICO: TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO
• Comparação das eficiências para diferentes tecnologias.
CICLO TERMODINAMICO: TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO Eficiência das instalações de turbinas a gás e centrais de ciclo combinado Najjar (2001).
CICLO TERMODINAMICO: TECNOLOGIAS DE GERAÇÃO Parâmetros técnico-econômicos de diferentes tipos de centrais de Potência (Lora e Nascimento, 2004)
RENDIMENTO: DEFINIÇÕES IMPORTANTES Energia Gerada por uma Usina Térmica:
Vol PCS HRS EG - energia gerada (MW - médios/dia) EG 1,65236 10 4
Vol - consumo diário de combustível (m 3 /dia) PCS - Poder calorífico superior (kcal/m3 ) - Gás Natural : PCS 9.400kcal/m 3 HRS - Heat Rate considerando o PCS (Btu/kWh) Heat Rate (Btu/kWh)
Geração para um consumo de gás de 1.000.000 m3/dia
Ciclo Simples
10.000
155,3 MW-médios/dia
Ciclo combinado
7.000
221,9 MW-médios/dia
Tipo de Usina
Heat Rate (HR): é o número de unidades térmicas Britânicas (Btus) do combustível necessário para gerar um MWh de eletricidade. (unidade: Btu/kWh) Eficiência Térmica: 1.000
Tipo de Usina
0,2933 HR Heat Rate (Btu/kWh)
Eficiência
Ciclo Simples
10.000
34,1 %
Ciclo combinado
7.000
48,7%
RENDIMENTO
RENDIMENTO EM RELAÇÃO A RAZÃO DE COMPRESSÃO:
CONSUMO ESPECÍFICO EM FUNÇÃO DA POTÊNCIA:
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA ALTITUDE
A MASSA ESPECÍFICA DO AR DIMINUI COM O AUMENTO DA ALTITUDE.
A CADA 300 METROS O FLUXO DE AR DIMINUIR APROXIMADAMENTE 3.5%
DESTA FORMA A CAPACIDADE DE GERAÇÃO DA TURBINA DIMINUI
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA DO AMBIENTE
O AUMENTO DA TEMPERATURA DO AMBIENTE DIMINUI O RENDIMENTO DA TURBINA A GÁS.
DEVIDO A BAIXA DENSIDADE DO AR REQUER MAIOR POTÊNCIA DE COMPRESSÃO, DIMINUINDO A DISPONIBILIDADE DE POTÊNCIA DA TURBINA.
APROXIMADAMENTE DIMINUIÇÃO 1% A CADA 1°C
Solar Turbine
Diagrama mostra como variam a potência e o heat rate de um ciclo de turbina a gás, em função de variações da temperatura ambiente. Turbina ABB
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA E DA CARGA
Curvas dos fatores de correção para avaliação de desempenho de turbinas a gás, em função de variações da temperatura ambiente. Destaca-se a influência da temperatura no Heat Rate.
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA UMIDADE
COM O AUMENTO DA UMIDADE DO AMBIENTE, A MASSA ESPECÍFICA DA MISTURA
AR+ÁGUA DIMINUÍ, DE MANEIRA QUE O FLUXO MÁSSICO DE AR ITIDO PELO COMPRESSOR É REDUZIDO PARA UMA DADA ROTAÇÃO DE OPERAÇÃO.
TIPO DE COMBUSTIVEL:
COMBUSTIVEL LÍQUIDO QUEIMA DE MANEIRA MENOS EFICIENTE QUE O COMBUSTÍVEL GASOSO.
O RENDIMENTO DIMINUI APROXIMADAMENTE 1,3% COM A SUBSTITUIÇÃO.
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA CARGA
Diagrama mostra como varia o heat rate em função da carga.
RENDIMENTO: INFLUÊNCIA DA PERDA DE CARGA
O AUMENTO DA PERDA DE CARGA NA ISSÃO E NA EXAUSTÃO DIMINUEM SIGNIFICATIVAMENTE NA POTÊNCIA DA TURBINA.
CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO DE UMA TURBINA A GÁS
CONDIÇÕES DE REFERÊNCIA (ISO) PARA ESPECIFICAÇÃO DAS TURBINAS A GÁS:
CONDIÇÃO DE FUNCIONAMENTO DA TURBINA A GÁS FORA DA CONDIÇÃO ISO:
FATORES DE CORREÇÃO DE FABRICANTES:
Power = 10.000 x 0,983 x 0,956 x 0,984 x 0,997 = 9.219 hp (6.873 kW)
Heat rate = 7.770 x 1,015 x 1,007 x 1,003 =7.966 Btu/hp-h (11.269 kJ/kWh)
TÉCNICAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO CICLO
RESFRIAMENTO INTERMEDIÁRIO:
UTILIZAÇÃO DE TROCADOR DE CALOR ENTRE O COMPRESSOR DE BAIXA PRESSÃO E O COMPRESSOR DE ALTA PRESSÃO.
DESTA FORMA SE CONSEGUE OPERAR COM MAIORES RAZÕES DE PRESSÃO: EXEMPLO: TURBINAS A GÁS GE LMS100; rc: 42:1; η=44%.
O RENDIMENTO DA TURBINA AUMENTA DEVIDO O CONJUNTO DE COMPRESSORES CONSUMIREM MENOS TRABALHO.
TÉCNICAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO CICLO
RECALENTAMIENTO (REHEAT OU AFTERBURNER): 1. CÂMARA DE COMBUSTÃO ADICIONAL 2. INJEÇÃO DE COMBUSTÍVEL 3. OBJETIVO É AUMENTAR A TEMPERATURA DOS GASES NO 2º ESTÁGIO DA TURBINA 4. AUMENTO DO TRABALHO TOTAL REALIZADO PELA TURBINA
TÉCNICAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO CICLO
CICLO CHENG: Em 1978, Cheng propôs um ciclo de turbina de gás em que o calor dos gases de escape da turbina a gás é utilizado para produzir vapor num gerador de vapor de recuperação de calor, sendo este vapor injetado na câmara de combustão da turbina a gás, o que resulta numa ganho de eficiência e de um aumento de potência.
TÉCNICAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO CICLO
CICLO HAT (Humid Air Turbine): Originalmente proposto como o ciclo de evaporaçãoregenerativo, o ciclo HAT fornece um aumento de energia substancial e um aumento da eficiência de vários pontos percentuais. A água aquecida em intercoolers e recuperadores é pulverizada no ar vindo dos compressores, sendo a mistura introduzida na câmara de combustão e em seguida expandida na turbina a gás. A introdução de água ao invés de vapor na câmara de combustão reduz as irreversibilidades do ciclo, já que dispensa-se o uso de uma caldeira de recuperação. Outro benefício da introdução de vapor na câmara de combustão é a considerável redução dos níveis de emissão de NOx para a atmosfera.
Gas Turbine World Combined Cycle Specs
Informações disponíveis:
Modelo Ano de fabricação Condição ISO, refere-se a potência fornecida na condição de projeto, sem perdas, operando pelo menos 6000 horas por ano Heat Rate: relação entre a energia consumida e a energia produzida Eficiência: potência produzida divido pela taxa de energia consumida Razão de pressão Fluxo de massa Rotação da turbina: 3000 rpm para 50Hz e 3600 rpm para 60Hz Temperatura de exaustão fornecida na condição de projeto
Gas Turbine World Combined Cycle Specs
Fatores de correção:
Temperatura:
• Queda de 0,3 a 0,5% na potência da turbina com aumento de 1Fº (0,6ºC) da temperatura ambiente. • Aumento de 0,3 a 0,5% no heat rate da turbina com aumento de 1Fº (0,6ºC) da temperatura ambiente.
Elevação: para cada 1000 ft ( 305 m) de elevação na altitude ocorre 3% de redução da potência Inlet losses: para cada polegada de coluna d’água de perda de pressão, pode se esperar uma redução 0,5% na potência e um aumento de 0,1% no heat rate. Outlet losses: para cada polegada de coluna d’água de perda de pressão, pode se esperar uma redução 0,15% na potência e um aumento de 0,1% no heat rate. Tipo de fluido: turbina a gás pode produzir 2-3% menos potência e aumentar 1-2% o heat rate quando opera com combutível destilado quando comparado com o gás natural
Principais perdas nas turbinas a gás
2009 GTW Combined Cycle Specs
2009 GTW Combined Cycle Specs
Heat Rate de turbinas as gás
Preços de turbinas as gás
Estimativa de preços para o Budget 2010 – Turbinas a gás (GTW–2010):
Modelo padrão:
• Ciclo de turbina simples com preço FOB • Sistema básico de controle
Escopo de fornecimento:
• Turbina a gás acompanhada de montagem, sistema de óleo, combustível e controles básicos. • Gerador resfriado a ar. • DNL (Dry Low Nox) combustion • Demais equipamentos da usina (Balance of pLant): sistema de filtragem do ar entrada e silenciador, chaminé, monitoramento de vibração e sistema de controle, sistemas de proteção, sistema de ventilação e fechamento acústico.
Preços de turbinas as gás
Bibliografia BOYCE, M.P., Gas Turbine Engineering Handbook, 3º Ed. Gulf Professional Publishing, 2006. COHEN H., ROGERS GFS, SARAVANAMUTTOO, HIH., Gas Turbine Theory. 4ed. England: Addison Wesley Logman Limited, 1996. NEBRA, S.A., Notas de aula-Disciplina EM 713 – Máquinas Térmicas. Campinas: UNICAMP, 2001. GALLO, W.L.R., WALTER, A.C.S., Máquinas Térmicas-Apostila, 2ªedição. Campinas: UNICAMP, 1986. BATHIE, W.W., Fundamentals of gas turbine, 2nd edition. USA: John Wiley & Songs, Inc., 1996. LORA, E.E.S., do NASCIMENTO, M.A.R. (Orgs) Geração Termelétrica: Planejamento, Projeto e Operação, volume 1. Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2004. LORA, E.E.S., HADDAD, J. (Orgs) Geração Distribuída: Aspectos Tecnológicos, Ambientais e Institucionais. Rio de Janeiro: Editora Interciência, 2006. Notas de aula: Generación Termoeléctrica con Turbinas de Gas-65.17 - Centrales Eléctricas,–UBA, 2001.
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