4. MONITORAMENTO E DIAGNÓSTICO UTILIZANDO A ANÁLISE ENERGÉTICA
4.3 Trabalhos de Diagnóstico Exergético em Usinas Nucleares
nucleares visam, especialmente, diagnosticar as usinas nucleares em relação ao real estado de operação e eficiência dos equipamentos e das usinas realizando ou não mudanças termodinâmicas nos circuitos das usinas. Os resultados do diagnóstico das usinas nucleares também são utilizados para poderem compará-las com outras usinas térmicas convencionas. Em sequência são descritos alguns trabalhos realizados.
Dunbar et al. (1994) realizou um estudo de análise exergética em uma usina nuclear BWR de capacidade 1140 MWe, buscando mensurar as irreversibilidades dos equipamentos bem como a eficiência da usina nuclear. Os resultados apontaram que a maior parte das irreversibilidades geradas na usina nuclear estão concentradas no reator nuclear.
Lior (1997) propôs uma modificação no circuito secundário de uma usina nuclear PWR com capacidade de 585 MWe, permitindo que opere em formato híbrido (energia do urânio e óleo combustível). As modificações consistiram em adicionar um superaquecedor e um economizador no circuito secundário da usina nuclear, nesta condição, a entrada e a saída de água e vapor do gerador de vapor são aquecidas pelo gás de combustão do óleo combustível. Para diagnosticar as modificações realizadas foram utilizadas as análises energética e exergética. Assim, para o aumento da temperatura promovido pelo superaquecedor na entrada da turbina de alta pressão, constataram-se uma elevação de potência e eficiência da usina nuclear, de modo que, quanto maior a temperatura de entrada da turbina a vapor de alta pressão, maior serão as eficiências energética e exergética obtidas para a usina nuclear.
Rosen (2001) realizou um trabalho utilizando-se as análises energética e exergética para comparar duas usinas térmicas com a mesma potência instalada de 500 MWe, sendo a primeira, uma usina nuclear PWR e, a segunda, uma central térmica convencional a carvão. As usinas estão localizadas em regiões próximas, proporcionando, assim, operações no mesmo ambiente de referência. As eficiências energética e exergética para a central térmica a carvão foram de 37 % e 36 %, respectivamente. No caso da central nuclear PWR, as eficiências energética e exergética foram ambas de 30 %. Dando procedimento ao trabalho, Rosen mostra que existe uma similaridade quando lida com as perdas de energia na análise energética, de maneira que, em ambas as usinas grande parte da energia é desperdiçada no processo de resfriamento do vapor (condensador). Por outro lado, a análise exergética indica que as perdas energéticas ou as irreversibilidades presentes estão particularmente localizadas, no caso da central térmica a carvão, no processo de combustão e para a usina nuclear PWR nas reações nucleares (fissão). As irreversibilidades presentes decorrem principalmente pela diferença de temperatura encontradas nos processos de combustão e fissão.
Durmayaz e Yavuz (2001) realizaram um trabalho clássico em análise exergética. Para uma usina nuclear PWR de capacidade de 4250 MWt, os autores utilizaram a ferramenta de análise exergética para quantificar as irreversibilidades geradas nos equipamentos que compõem o circuito primário e secundário da usina nuclear. Os autores verificaram que por meio da análise energética grande parte do calor é perdida no condensador (2698.1 MWt) quando comparada com a energia gerada no reator nuclear (4250 MWt). No entanto, uma análise equivocada pode ser concebida pelos resultados apresentados, uma vez que, boa parte da energia perdida por transferência de calor no condensador apresenta baixa exergia. A análise exergética torna-se oportuna em analises de perda energética, como descrito pelos autores. O trabalho conclui que, por meio da análise exergética, grande parte das irreversibilidades geradas no sistema estão localizadas, em ordem decrescente; no núcleo do reator nuclear, no gerador de vapor, nas turbinas a vapor, no condensador e nos aquecedores (regeneradores e superaquecedores).
Sayyadi e Sabzaligol (2009) realizaram um estudo de otimização dos parâmetros térmicos para um reator nuclear PWR de capacidade de 1000 MWe utilizando a análise energética e exergética. A modelagem termodinâmica baseou-se nas análises energética e termoeconômica como critério de escolha da função objetivo. O trabalho conclui que no caso da análise termoeconômica, utilizada como critério de otimização, a eficiência exergética (38.7%) é maior em relação à escolha do método energético (37.7%). Por outro lado, no método energético, um
menor custo de geração de 29.8 $/MW h é alcançado em relação a analise termoeconômica (30.5 $/MW h). Os autores ainda concluem que dependendo do tipo de escolha a ser tomado, ou prioridades a serem atingidas, uma função multi-objetivo pode ser usada, que neste caso, permite atender de forma parcial tanto o método energético como o termoeconômico.
Darwish et al. (2010) seguindo a mesma linha de Lior (1997) propôs uma modificação para a usina nuclear PWR AP600, permitindo operar em ciclo combinado híbrido a gás/nuclear e, consequentemente, um maior rendimento energético seja alcançado na usina nuclear. A análise exergética foi utilizada para diagnosticar as mudanças realizadas. Um trabalho similar também foi realizado Sayyadi e Sabzaligol (2010). Assim, Darwish adicionou um superaquecedor e um economizador com o intuito de receber gás de exaustão da turbina a gás e por meio da transferência de calor aqueçam o vapor saturado de baixa qualidade que sai do gerador de vapor e a água de retorno para o gerador de vapor na usina nuclear. O aumento de temperatura proporcionado na linha de vapor principal e, portanto, um aumento de exergia e melhor qualidade vapor fazem com que as turbinas a vapor tenham maiores eficiências. Ainda foi possível observar um aumento da qualidade de vapor na expansão da turbina, que neste caso, colabora para amenização dos processos corrosivos. A eficiência energética sem as modificações apresentadas para a usina nuclear foi de 33 %. Após as modificações, uma eficiência de 49 % foi atingida. O trabalho conclui realizando uma análise de custo entre a usina nuclear de ciclo combinado a gás/nuclear, como proposto pelo trabalho, e uma usina térmica convencional de ciclo combinado a gás/vapor. Os resultados apresentados foram de 49.82 $/MW h para a usina nuclear e de 91.6 $/MW h para a usina térmica convencional. No caso da usina nuclear, o custo da energia está principalmente relacionado ao capital inicial empregado para a construção da usina. Já no caso da usina térmica convencional de gás/vapor está no custo de aquisição do combustível.
Terzi et al. (2016) utilizou a análise exergética para diagnosticar o real estado de operação e eficiência dos equipamentos e da usina nuclear PWR de capacidade de 1200 MWe. Os resultados alcançados são apresentados neste trabalho no capítulo 6 (Resultado e Discussão) e mostraram que, o reator nuclear, o gerador de vapor, as turbinas a vapor e o condensador são os equipamentos com as maiores taxas de irreversibilidade geradas na usina nuclear.