PLANTAS DE TURBINA A VAPOR E CICLO SIMPLES

Plantas de geração termelétrica baseadas no ciclo Rankine são largamente utiliza- das para gerar grandes quantidades de energia elétrica, utilizando carvão, gás, óleo ou bio- massa. Devido ao grande número de centrais termelétricas a vapor instaladas em todo o mun- do, à experiência e ao conhecimento acumulado, a confiabilidade das mesmas é alta e recur- sos de manutenção estão amplamente disponíveis. Com a aplicação de melhoria nos sistemas de combustão e os avanços em tecnologia, a poluição, que é uma das principais preocupações da utilização de combustíveis fósseis, tem sido reduzida significativamente (SURYANARAY-ANA; ARICI, 2003).

Os componentes básicos de uma central termelétrica a vapor, com queima de combustíveis fósseis ou biomassa, são:

• Caldeira, para produzir vapor; • Turbina, para acionar o gerador;

• Condensador, para condensar o vapor da turbina;

• Bomba de água de alimentação, para bombear o condensado para a caldeira. Embora estes quatro componentes sejam suficientes para produzir energia, vários outros itens são adicionados para aumentar a eficiência da central termelétrica, tais como: aquecedores de água, economizadores (pré-aquecedores de água através dos gases da combus- tão), superaquecedores e pré-aquecedores de ar.

A Figura 2.10 é um diagrama esquemático simplificado do processo de um tipo de central termelétrica a vapor utilizada como referência no desenvolvimento deste trabalho.

As paredes de água (bancos de tubos verticais) da caldeira absorvem o calor radi- ante na fornalha, advindo da combustão. Os superaquecedores recebem o calor por radiação e convecção dos gases quentes saindo da fornalha. O vapor gerado nas paredes de água é sepa- rado da água no tubulão de vapor, de onde o mesmo flui através dos superaquecedores primá-

rio e secundário. Entre o superaquecedor primário e o secundário é feita uma pulverização de água para dessuperaquecimento e controle da temperatura do vapor superaquecido. Na se- qüência, o vapor é conduzido à turbina, sendo o fluxo de vapor controlado pela válvula go- vernadora. O gerador elétrico recebe energia mecânica do eixo da turbina e a transforma em energia elétrica.

Parte do vapor enviado para a turbina é extraído em estágios intermediários da turbina para ser utilizado no reaquecimento (processo de regeneração) da água de alimentação da caldeira.

O vapor de saída da turbina é conduzido ao condensador, que é um trocador de ca- lor, geralmente mantido resfriado a água. Deve existir um circuito separado de água para o resfriamento do condensador. Em geral, utilizam-se torres de resfriamento, entretanto, em usinas instaladas no litoral, também é possível utilizar água do mar para o resfriamento do condensador.

O vapor condensado se transforma novamente em água, que é conduzida pela bomba de condensado ao circuito de água da unidade. Neste circuito a água passa por proces- sos de reaquecimento, tratamento químico e desaeração, para então retornar à caldeira através da bomba de água de alimentação. Na prática, duas ou três bombas são instaladas em cada aplicação, mantendo-se uma delas como reserva, em espera, de maneira a garantir a disponibi- lidade operacional da planta no caso de ocorrência de falha em uma bomba que esteja em fun- cionamento e também proporcionar facilidades para manutenção.

Uma descrição detalhada sobre os componentes comumente utilizados em centrais termelétricas a vapor, incluindo informações de características construtivas e de funcionamen- to dos mesmos pode ser vista na referência LORA & NASCIMENTO (2004).

3 MODELAGEM

Este capítulo aborda a modelagem de componentes que constituem o circuito de vapor de uma central termelétrica com caldeira de circulação natural.

3.1 INTRODUÇÃO

Nos dias atuais, a crescente preocupação com mudanças climáticas e seus impac- tos ambientais tem levado pesquisadores a buscar fontes de energia renováveis para a produ- ção de energia. A divulgação de projetos sobre a utilização de biomassa e o reaproveitamento de resíduos agrícolas, resíduos urbanos ou subprodutos industriais como fontes de energia são cada vez mais freqüentes. Nesse contexto, as centrais termelétricas a vapor têm grande aplica- ção, pois elas podem suprir os processos industriais com vapor para aquecimento e ao mesmo tempo produzir energia elétrica.

A representação de componentes de centrais térmicas em modelos matemáticos possibilita ao engenheiro de automação conhecer previamente o comportamento dinâmico da planta, analisar a sua estabilidade e projetar o sistema de controle, em conformidade com os requisitos a serem atendidos. Os modelos possibilitam a implementação de simuladores que podem ser utilizados para o treinamento de operadores, anteriormente à partida da unidade, permitindo a realização de testes de procedimentos de emergência, não convencionais, e po- dem também auxiliar no ajuste dos melhores parâmetros de controle para obter o melhor de- sempenho técnico e econômico da planta. Adicionalmente, a representação por meio de mo- delos matemáticos possibilita a transcrição dos mesmos em diferentes linguagens de progra- mação computacionais, fornecendo meios de testar diferentes alternativas de controle (sendo

possível agregá-los a pacotes de programas existentes no mercado), avaliar propostas de oti- mização e auxiliar na elaboração de procedimentos de segurança.

Os modelos apresentados a seguir constituem a junção de vários modelos descri- tos na literatura de referência, incluindo adaptações para melhor representar as plantas de ge- ração termelétrica existentes na ArcelorMittal Tubarão (Companhia Siderúrgica de Tubarão - CST), localizada na região da Grande Vitória, constituída de seis unidades, sendo duas uni- dades de 68 MW, duas de 75 MW e outras duas de 98 MW. Esses modelos retratam as princi- pais dinâmicas do circuito de vapor e da conversão da energia mecânica em energia elétrica, podendo ser utilizados na implementação de simuladores, visando à realização de testes de estratégias de controle ou para treinamento de operadores.

O processo comentado na seção 2.5 foi considerado como base para o desenvol- vimento dos modelos a seguir.