CICLO COMBINADO COM INJEÇÃO DE VAPOR (STIG ou

A injeção de vapor na turbina aumenta o desempenho da mesma devido ao aumento de fluxo mássico (LORA e NASCIMENTO, 2004a).

A seguir é apresentado um resumo do histórico deste ciclo, descrito de forma detalhada por Tuzson (1992).

A injeção de vapor foi usada na Noruega em 1903 por Aegidius Ellving, um dos primeiros investidores em turbinas a gás. A partir de 1976, com as patentes e trabalhos de D. Y. Cheng, esta tecnologia ganha novo impulso quando foi testada em laboratório uma pequena turbina de 65 kW, a Solar T45. Em 1981 foram realizados testes com uma turbina Allison 501 KB de 3,5 MW. A partir dessa data Tuzson (1992) realiza uma série de experiências, incluindo estudos sobre a pureza e custo do vapor utilizado, concluindo que o custo da água era de aproximadamente 5% do custo do combustível. É interessante mencionar que em 1986 uma experiência com uma turbina LM5000 mostrou um aumento de potência de 34 MW para 49 MW e um aumento de eficiência de 37 para 41%.

Finalmente o autor menciona que os ciclos combinados são econômicos para potências acima de 50 MW, que para potências menores o custo da turbina a vapor começa a ter uma proporção maior no custo total da instalação e que para pequenas potências a injeção de vapor sem o uso de uma turbina a vapor pode ser atrativa. Também resulta interessante a aplicação se levado em conta que este ciclo se adapta melhor do que o ciclo convencional na operação com carga parcial.

Penning e de Lange (1996) indicam a pouca flexibilidade que existe num ciclo combinado convencional, o qual, ao variar a relação de demanda elétrica e térmica, exige descartar vapor para o ambiente ou desviar gases de escape da turbina a gás para atmosfera, sendo nos dois casos um desperdício de energia.

Indicam que para resolver essa situação existe uma possibilidade baseada num ciclo de cogeração utilizando uma turbina a gás com injeção de vapor (STIG, steam injected gas

turbine). Indicam que um exemplo dessa solução é um ciclo patenteado como “Ciclo Cheng”, cujo esquema é mostrado na Figura 2.10, onde, por simplicidade, são mostradas apenas as partes que o descrevem.

Os gases da turbina a gás alimentam uma HRSG através da linha d. A HRSG produz vapor saturado para algum processo (linha b) e vapor superaquecido que é injetado na câmara de combustão (linha a). A água de alimentação entra na HRSG pela linha c. A qualidade dessa água deve ser apropriada para sua utilização na turbina a gás. A queima suplementar

(queimador e) permite uma flexibilidade razoável do ciclo para diversas proporções entre as demandas elétrica e térmica requeridas.

É interessante observar que o queimador é posicionado de forma a acrescentar calor no evaporador e no economizador, e não no superaquecedor (PENNING e LANGE, 1996). Isto ocorre porque o propósito do ciclo é fornecer maiores quantidades de vapor saturado4 para o processo, quando necessário, mantendo a quantidade de vapor superaquecido limitada a um máximo, que é característica de cada TG. Tal fato pode ser observado em casos mais complexos, nos quais há queima suplementar no superaquecedor, como encontrado em COEN (2004). Penning e de Lange (1996) indicam que no caso estudado a eficiência da TG sem injeção é de 27% e que se todo o vapor produzido pelos gases de combustão (sem queima suplementar) é injetado a eficiência aumenta para 37%. Não pode ser ignorado o fato de que a eficiência indicada refere-se apenas à eficiência da TG e não à do ciclo, já que a economia de combustível na TG é diminuída pelo consumo na queima suplementar da HRSG.

4

A vazão e temperatura dos gases de exaustão definem a quantidade e nível de temperatura do vapor produzido na HRSG. A composição destes gases também altera o calor específico dos mesmos, valor que também tem influência na quantidade de calor recuperado. Este aspecto é estudado com detalhe na seção correspondente a HRSG´s. a b c d e

Tuzson (1992) confirma a flexibilidade de operação do ciclo Cheng e salienta a vantagem de não ser necessária uma TV. Confirma o melhor desempenho desse ciclo em cargas parciais e menciona a diminuição de NOx para até 25 ppm, valor também indicado por

Cârdu e Baica (2002), que tratam de injeção de água. Tuzson (1992) indica ainda que a tendência é incrementar o STIG em TG existentes, devido ao custo e tempo necessário para desenvolver novos projetos de turbinas com injeção de vapor.

A principal consideração deve ser em relação à confiabilidade da turbina modificada, que em princípio foi construída para uma vida útil de vinte anos ou mais, ou seja, existe um compromisso entre a melhoria da eficiência e uma possível diminuição da confiabilidade. Tuzson (1992) indica que as turbinas de eixo único permitem uma forma simples de injeção de vapor. O vapor pode ser pré-misturado com o combustível e injetado no bocal modificado de combustível. Como as câmaras de combustão têm sido adequadas para uma grande variedade de combustíveis, a adaptação das TG é fácil. O vapor também pode ser misturado com o ar de combustão primário ou secundário, facilitando o resfriamento do revestimento (liner) da câmara de combustão e aumentando sua durabilidade.

O aumento do fluxo de massa (até 15%) cria uma contrapressão no compressor, sendo então que o limite de descolamento (surge limit) controla a quantidade de vapor que pode ser injetado sem modificar a turbina. Deve ser verificado também o aumento de esforço em eixos, rolamentos, etc.

No caso de eixos múltiplos, Tuzson (1992) assinala que o vapor pode ser injetado em dois ou mais níveis de pressão e que pode ser necessário o ajuste das palhetas. Após definir o tipo de modificação é necessário verificar se a eficiência não será afetada de forma significativa quando a operação se fizer sem injeção de vapor, se o ar de resfriamento será suficiente, se as temperaturas das palhetas e câmara de combustão serão aceitáveis e se as cargas axiais não serão excessivas. Conclui que os custos com água são da ordem de 5% do combustível, sendo viável a aplicação do ciclo.

Saad e Cheng (1997) relatam testes efetuados numa turbina LM2500 da General Electric e mostram uma opção interessante de utilizar N2 pressurizado para as partidas,

visando controlar a pressão do sistema. Durante o aquecimento, um aumento de pressão permite a ebulição com temperaturas maiores, sendo possível realizar a partida pelo aumento gradual da pressão via N2 sem ebulição, aumentando a velocidade da partida. Com a injeção

de vapor foi conseguido que os valores originais de rendimento e potência produzida aumentassem de 37 para 45% e de 22.236 kW para 28.050 kW, respectivamente, com uma emissão de 25 ppm de NOx. Explicam que o ciclo Cheng avançado é similar ao ciclo STIG,

com a diferença de que o vapor usado para recuperar a energia dos gases opera com a máxima temperatura possível, tendo como conseqüência uma grande diminuição da quantidade de combustível usado para um posterior aquecimento do vapor até a temperatura de trabalho do gás. Este ciclo avançado é mais sofisticado no controle e na refrigeração das palhetas. A máxima temperatura do vapor é conseguida por variação da pressão na HRSG5.

Boyen (1980) se refere ao ciclo Cheng de várias formas. Primeiro afirma que o ciclo de múltiplas pressões é o ciclo Cheng. Depois se refere a STIG como injetando vapor produzido na HRSG na câmara de combustão, resfriando os gases da combustão. Afirma que alguns autores recomendam que a quantidade de vapor seja até 3% da massa de ar, resultando num aumento de potência de 10%. Informa que testes realizados mostraram um consumo de água de 17,7 lb/Hp.h (10,79 kg/kWh), maior que o equivalente numa turbina de condensação e que posteriores desenvolvimentos poderiam permitir até 20% de aumento da potência com a injeção de vapor. Mais adiante volta a se referir ao ciclo Cheng como um ciclo recente que diminui as perdas de água. Ainda mais à frente menciona o ciclo Cheng dual, que também é mencionado por Saad e Cheng (1997) com a mesma denominação. Este ciclo dual simplesmente é um ciclo em que os gases da TG produzem vapor, que é injetado na câmara de combustão tal como mostrado na Figura 2.10, distinguindo-se pelo fato de na descarga final dos gases ser instalado um condensador para recuperar água, e possivelmente seja o ciclo mencionado anteriormente por Boyen (1980) como sendo uma proposta recente.

Heppenstall (1998) indica que o sistema funciona somente se a pressão do vapor é maior que a de descarga do compressor e que até para altas razões de compressão a temperatura de saturação do vapor pode ser menor que 200 oC (∼ 1,5 MPa). Assinala que o modelo LM 5000 da General Electric é um projeto bem conhecido de injeção de vapor. No sistema convencional a turbina produz 30 MW com uma eficiência térmica de 36% e a injeção de vapor aumenta a potência para 42 MW e a eficiência para quase 42%.

Análises feitas numa turbina ABB GT10 sugerem uma melhoria de 40% na potência específica e uma eficiência de 44%, com potência da ordem da LM 5000. Nos casos descritos não há recuperação de água (alta pureza), cujo consumo típico é de 1,1 a 1,6 kg/kWh. O sistema de purificação para grande escala representa um custo da ordem de 5% do investimento, e os custos de operação aproximadamente 5% do custo do combustível.

Existem tentativas para recuperar a água, como o caso de uma turbina relativamente pequena (GE LM 2500) no Canadá. O vapor injetado pode atingir temperaturas da ordem de

5

Aparentemente o ciclo avançado não é um conceito diferente do ciclo Cheng ou STIG, e sim apenas um aprimoramento do projeto e controle.

1250 oC na câmara de combustão, sendo desejável que o vapor injetado esteja numa temperatura o mais próxima possível dessa temperatura (limitada pela temperatura dos gases de escape da TG), porém, maior temperatura do vapor significa menor recuperação de calor, devido ao pinch point. Segundo o autor, este problema seria resolvido utilizando uma HRSG de múltiplas pressões, o que exige um projeto complexo. Esta última afirmação não é condizente com a prática comum de HRSG´s com dois níveis de pressão (2P) e de 3 níveis em alguns casos. Stodola (1945b) menciona a injeção de vapor como uma possibilidade de reduzir a temperatura de entrada na TG, indicando como ponto negativo a possibilidade de condensação do vapor de água, acompanhada de corrosão no caso de haver enxofre no combustível. Faz cálculos termodinâmicos detalhados sobre os gases de combustão, considerando as pressões parciais dos componentes. Sobre este último assunto, Rice (1995) assinala que, para a faixa de trabalho das câmaras de combustão, o erro cometido ao considerar a pressão total no lugar da parcial pode ser desprezado.