ASPECTOS GERAIS DA GERAÇÃO TERMELÉTRICA A CARVÃO

Uma moderna usina de energia a carvão é composta por diversos subsistemas, os principais são, o recebimento e preparação do carvão; combustão e geração de vapor; turbinas de geração; rejeição de calor; controle de emissões; tratamento de água, cinzas e subprodutos, conforme pode ser visualizado na Figura 3.2 (MILLER, 2011).

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Figura 3.2 - Esquema de uma planta de geração de energia elétrica a carvão. Fonte: Modificado de Kitto e Stultz (2005).

Em uma central a carvão ocorrem vários processos de conversão de energia para ao final possibilitar o fornecimento de energia elétrica. Cada tipo de conversão de energia ocorre em um dos componentes principais da unidade. Na caldeira ocorre a conversão da energia química armazenada no combustível em energia térmica, via processo de combustão e transferência de calor para o fluido de trabalho. Nas turbinas a energia térmica (contida no vapor em alta temperatura e pressão) é convertida em energia mecânica através da expansão do fluido de trabalho. E por fim, a energia mecânica é convertida em eletricidade no gerador por meio de indução eletromagnética. Um resumo esquemático destes processos de conversão de energia na central pode ser verificado na Figura 3.3 (PESCIA, 2017).

É importante compreender que ocorrem perdas de energia durante cada um dos processos de conversão, além disso, de acordo com a Segunda Lei da termodinâmica energia térmica não pode ser totalmente convertida em energia mecânica, sendo que uma parcela não conversível deve ser liberada ao ambiente através de um sistema de resfriamento, configurando perdas inerentes a este tipo de sistema de geração de energia (PESCIA, 2017).

Figura 3.3 - Processo de Conversão de Energia para usinas térmicas. Fonte: (PESCIA, 2017).

O princípio de funcionamento de centrais a vapor, como é o caso das centrais a carvão, é baseado no ciclo Rankine, que consiste em um ciclo idealizado de um motor térmico que converte calor em trabalho mecânico. No ciclo um fluido de trabalho passa continuamente por diferentes mudanças de estado, mas não deixa o ciclo.

Os parâmetros típicos de operação de unidades de geração a carvão são de vapor subcrítico, com 163 bar / 538°C / 538°C, ou seja, com único reaquecimento, atingindo eficiência abaixo de 40% (base PCI) (BEÉR, 2007).

Importantes conceitos termodinâmicos são aplicados para o ciclo Rankine. Da Primeira Lei da Termodinâmica tem-se que o trabalho líquido desenvolvido por um sistema submetido a um ciclo de potência deve ser igual à energia líquida adicionada por transferência de calor para o sistema, e da Segunda Lei da Termodinâmica exige-se que a eficiência térmica de um ciclo de potência seja menor que 100% (MORAN et al., 2014).

Um ciclo Rankine ideal é idealizado assumindo uma série de condições, tais como a ausência de irreversibilidades e de perda de calor. Nesta situação não há queda de pressão na caldeira e no condensador, assim como os processos na turbina e na bomba são isentrópicos. Desta forma um ciclo Rankine ideal passa por quatro principais processos internamente reversíveis, como pode ser verificado na Figura 3.4 (BORGNAKKE; SONNTAG, 2009; ÇENGEL; BOLES, 2006; MORAN et al., 2014).

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Processo 1-2: expansão isentrópica do fluido através da turbina; Processo 2-3: Rejeição de calor no condensador a pressão constante; Processo 3-4: Compressão isentrópica na bomba;

Processo 4-1: Transferência de calor para o fluido de trabalho na caldeira a pressão constante.

Figura 3.4 - (a) Representação esquemática dos componentes principais do ciclo Rankine; (b) Diagrama Temperatura-Entropia do ciclo Rakine ideal.

Fonte: (MORAN et al., 2014).

O ciclo Rankine ideal inclui também a possibilidade de superaquecimento do vapor, como pode ser verificado na Figura 3.4 (b), indicado no ciclo 1’ – 2’ – 3 – 4 – 1’.

A área sob a curva de um processo representado em um diagrama Temperatura- Entropia (T-s) fornece a transferência de calor para os processos internamente reversíveis, sendo que a área abaixo do processo 4 – 1 (ou 4 – 1’) representa o calor transferido para a água na caldeira, e a área sob a curva 2 – 3 (ou 2’ – 3 ) representa o calor rejeitado no condensador. E a diferença entre estes dois fornece o trabalho líquido produzido durante a operação do ciclo (ÇENGEL; BOLES, 2006).

A eficiência de um ciclo Rankine pode ser aumentada pela redução da pressão no condensador, ou através do aumento da pressão durante a adição de calor, pelo superaquecimento do vapor, e pelo reaquecimento do vapor. O superaquecimento do vapor é extremamente importante visto que evita excesso de umidade nos estágios de baixa pressão da turbina, que se exceder cerca de 10% não só reduz significativamente a eficiência como provoca a erosão das pás da turbina. O reaquecimento do vapor também é fundamental para evitar o aumento da umidade do vapor nos estágios de baixa pressão da turbina, principalmente quando se aumenta a pressão durante o processo de adição de calor, por

exemplo, como ocorre em ciclos supercríticos. Na Figura 3.5 é apresentado o esquema simplificado e o Diagrama T-s para um ciclo Rankine ideal com único reaquecimento (BORGNAKKE; SONNTAG, 2009; MORAN et al., 2014).

Figura 3.5 - (a) Representação esquemática dos componentes principais do ciclo Rankine ideal com reaquecimento; (b) Diagrama Temperatura-Entropia do ciclo Rakine ideal com reaquecimento.

Fonte: (ÇENGEL; BOLES, 2006).

Outra variação importante do ciclo Rankine ideal consiste no ciclo regenerativo, que se baseia na utilização de aquecedores de água de alimentação. Parte do vapor que entra na turbina é extraído após a expansão, entrando então no aquecedor de água de alimentação, onde calor é transferido do vapor para a água de alimentação, misturando as duas correntes de fluido (aquecedores abertos) ou sem misturá-las (aquecedores fechados). A proporção de vapor extraído é o suficiente para levar o líquido que sai do aquecedor ao estado saturado. O aspecto principal que proporciona melhoria na eficiência do ciclo é que a temperatura média a que o calor é fornecido é aumentada. O uso do ciclo regenerativo não só aumenta a eficiência do ciclo, mas também é um meio prático de promover a desaeração da água de alimentação evitando corrosão de componentes da caldeira, auxilia também no controle da grande vazão volumétrica de vapor nos estágios finais da turbina, sendo assim a regeneração tem sido utilizada em todas as modernas plantas a vapor há muito tempo (BORGNAKKE; SONNTAG, 2009; ÇENGEL; BOLES, 2006).

Em aquecedores fechados o vapor condensado após a troca de calor com a água de alimentação é bombeado para a linha de alimentação, ou encaminhado para outro aquecedor ou para o condensador através de um dispositivo denominado purgador (no inglês Trap). Este dispositivo permite o estrangulamento do líquido para uma região de pressão mais baixa,

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mantendo a entalpia constante durante este processo. Um aquecedor fechado de água de alimentação pode ser observado na Figura 3.6.

Figura 3.6 - Representação esquemática de um aquecedor fechado de água de alimentação. Fonte: (BORGNAKKE; SONNTAG, 2009).