Trabalho 3 Final

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)

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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:

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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

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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:

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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.



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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.



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

mailto:[email protected]

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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.

Trabalho 3 Final

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