GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA DE ELÉTRICA

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Universidade do Estado de Mato Grosso

Campus Sinop

Faculdade de Ciências Exatas e Tecnológicas

GERAÇÃO, TRANSMISSÃO E DISTRIBUIÇÃO DE

ENERGIA DE ELÉTRICA

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Prof. Msc. Rogério Lúcio Lima Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica 2

Centrais Termoelétricas

Principais componentes das centrais termoelétricas

Define-se central termoelétrica como o tipo de central geradora que utiliza uma máquina térmica (MT) para geração de energia elétrica.

Combustão – reação química que ocorre entre duas substâncias, uma denominada combustível e outra oxidante, com liberação da energia do processo. A combustão é semelhante à reação de oxi-redução, mas difere desta pela alta velocidade.

Os combustíveis fósseis mais usados são: o carvão mineral, os derivados do petróleo (óleos combustíveis, gasolina, diesel, o gás liquefeito de petróleo (GLP)), o xisto e seus derivados e o gás natural. Ainda são utilizados os derivados da biomassa: a madeira, carvão vegetal, bagaço da cana e outros resíduos agrícolas.

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Descrição e classificações

Há diversos critérios segundo os quais as centrais termoelétricas podem ser classificadas. Algumas classificações possíveis são as seguintes:

• Quanto ao tempo de esgotamento da fonte;

• Quanto à duração do ciclo de renovação da fonte de energia; • Quanto ao tipo de máquina elétrica;

• Quanto ao tipo de turbina utilizada; • Quanto ao uso do vapor;

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1ª Classificação: quanto ao tempo de esgotamento da fonte: • Centrais que utilizam fontes inesgotáveis;

• Centrais que que utilizam fontes esgotáveis;

2ª Classificação: quanto à duração do ciclo de renovação da fonte de energia: • Centrais que utilizam fontes renováveis;

• Centrais que utilizam fontes não renováveis;

3ª Classificação: quanto ao tipo de máquina térmica: • Centrais a vapor;

• Centrais a gás; • Centrais a diesel.

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As centrais a vapor são aquelas em que a água vaporizada num equipamento denominado gerador de vapor impulsiona uma TV. Nas centrais a gás, uma turbina é impulsionada pelos gases provenientes da queima combustível.

Nas centrais a diesel, o gerador é diretamente acionado por um MCI movido a óleo diesel. Em centrais de pequena potência ou de emergência, é possível encontrar MCI movidos a álcool, gasolina, GLP, gás de biomassa, etc. Os componentes das centrais variam bastante dependendo do tipo de central.

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4ª Classificação: quanto ao tipo de turbinas utilizadas • Centrais de ciclo simples;

• Centrais de ciclo combinado;

As centrais de ciclo simples utilizam uma TV ou uma TG. As centrais de ciclo combinado utilizam uma TV e uma TG funcionando em conjunto, sendo os gases de exaustão da TG aproveitados para gerar vapor para a TV.

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4ª Classificação: quanto ao tipo de turbinas utilizadas • Centrais de ciclo combinado;

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5ª Classificação: quanto ao uso do vapor • Centrais convencionais a vapor; • Centrais de cogeração a vapor;

Nas centrais convencionais, vapor é utilizado apenas para movimentar a TV. Nas centrais de cogeração, ele é utilizado para outras aplicações, dentre a quais pode-se citar processos industriais (aquecimento ou limpeza de peças, catalisações de reações químicas, tingimento de tecidos, etc), lavagem e secamento de roupas, acionamento de centrais de ar condicionado. Esta classificação não é exclusivas das centrais a vapor. É possível utilizar uma TG num ciclo de cogeração, extraindo parte do gás para gerar vapor de processo. Uma aplicação típica das centrais de cogeração é em hospitais de grande porte. A energia elétrica gerada torna a unidade independente da rede nacional, enquanto o vapor é utilizado na lavanderia, na cozinha e na limpeza.

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6ª Classificação: quanto ao número de fluídos. • Centrais convencionais a vapor;

• Centrais de ciclo binário a vapor;

As centrais de ciclo binário a vapor utilizam dois fluidos de trabalho distintos. Isso se deve ao fato da água não ser o fluido ideal em todas as circunstâncias, caso em que torna-se interessante aproveitar as características de outro fluido.

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Partes componentes de uma central a vapor

As centrais a vapor são sistemas de conversão de energia altamente complexos. É possível, entretanto, distinguir alguns constituintes principais que estão presentes na maioria das centrais. São eles:

• Gerador de vapor; • Turbina a vapor; • Condensador; • Acessórios.

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Geradores a vapor

Os geradores de vapor (GV) são os equipamentos responsáveis pelo processo de mudança de fase da água de liquido para vapor, para atender às demandas industriais.

Sua estrutura é bastante complexa e diversificada, em nível geral, os GV classificam-se em três tipos:

• Aquotubulares; • Famotubulares; • Elétricos.

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Os GVs aquatubolares tem uso abrangente, sendo encontrados desde pequenas fábricas até em grandes centrais termoelétricas. Nelas, a água a ser vaporizada circula por dentro de tubos. Frequentemente eles são utilizados em centrais equipadas com economizadores e superaquecedores.

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Os GVs flamotubulares têm uso limitado a instalações de pequeno porte, com pressões de 1,5 MPa (aproximadamente 15 atm) e vazão inferior a 15 ton/h de vapor saturado. No GV deste tipo, os gases da combustão é que circulam por dentro dos tubos. Sua aplicação é restrita a operações que exijam apenas vapor saturado e elas raramente são usadas para geração de energia elétrica

Os GV aquotubulares são constituídos pelos seguintes componentes: • Fornalha ou câmara de combustão;

• Caldeira;

• Superaquecedor; • Economizador; • Aquecedor de ar.

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Turbinas a vapor

As TV são máquinas responsáveis pela transformação de energia contida no vapor (pressão, térmica e cinética) em trabalho mecânico de rotação de um eixo que acionará o gerador elétrico. Diversas são as classificações possíveis para as TV. Alguns critérios de classificação habitualmente encontrados na literatura são as seguintes:

• Quanto ao principio de funcionamento; • Quanto ao numero de estágio;

• Quanto a pressão de saída do vapor; • Quanto à extração de vapor.

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1ª Classificação: quanto ao número estágios: • TV de simples estágio;

• TV de múltiplos estágios.

As TVs de simples estágio são compostas apenas por um rotor e um sistema diretor, como as THs. O sistema diretor é um conjunto de pás fixas, nominalmente denominadas pás, sendo o conjunto denominado roda fixa ou bocal injetor. O rotor é um conjunto de pás moveis normalmente denominada palhetas, cujo conjunto é denominado roda móvel. As TVs de múltiplo estágios, são compostas por mais de um conjunto de rotor e sistema diretor

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2º Classificação: quanto ao principio de funcionamento. • Ação ou impulso;

• Reação.

Nas TV de impulso, toda variação de pressão ocorre na passagem pelo sistema diretor do primeiro estágio, chamado bocal injetor. A subsequente passagem pelos rotores e sistemas diretores dos demais estágios se dá à pressão constante. Nas turbinas de reação, a pressão varia na passagem pelos sistemas diretores e rotores de todos estágios e não há bocal injetor nesse caso.

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3º Classificação: quanto à pressão de saída do vapor. • Turbinas sem condensação;

• Turbinas de condensação.

As turbinas de condensação são aquelas em que o vapor apresenta uma pressão de saída igual à pressão de saturação e até 10% em volume de líquido condensado. Este vapor é diretamente enviado ao condensador. Nas turbinas sem condensação, o vapor sai com pressão mais elevada, portanto sem liquido presente e é utilizado como calor de processo. As TV de condensação são usadas quando o único objetivo da instalação é a geração de energia elétrica.

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4º Classificação: quanto à extração de vapor. • TV sem extração de vapor;

• TV com extração de vapor.

A extração do vapor tem por objetivos ou melhorar eficiência do ciclo termodinâmico da central ou utilizar o vapor extraído em processos industriais. No primeiro caso, o aumento de eficiência é obtido ou pelo reaquecimento do vapor realizado no reaquecedor do GV ou pelo processo denominado regeneração em que a água de alimentação é aquecida depois das bombas e antes de entrar no economizador.

Condensador – é um dispositivo trocador de calor, no qual o vapor proveniente da TV é

resfriado por um fluido de refrigeração. O fluido de refrigeração é geralmente a água, proveniente de um rio, lago ou do oceano, nas grandes centrais.

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Acessórios

As centrais a vapor são instalações bastante complexas e por isso apresentam um enorme número de acessórios. Alguns são fundamentais à sua operação. Pode-se citar:

• Tubulações – conduzem o fluído de trabalho entre os diversos componentes da central;

• Purgadores – são válvulas que permitem retirar o fluido condensado, ocasionalmente formado na linha de vapor;

• Bombas – são máquinas hidráulicas que transferem energia ao fluido de trabalho, sob forma de pressão e cinética;

• Válvulas – podem ser redutoras mantém a pressão de saída do vapor constante, as controladoras possuem elementos sensores de temperatura e são projetadas para atua sobre o GV;

• Filtros – são dispositivos colocados na linha antes de qualquer instrumentação;

• Isolamento térmico – composto por materiais de revestimento aplicados nas tubulações.

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Partes componentes de uma central nuclear a vapor

Energia nuclear é o tipo de energia contida no núcleo dos átomos, mais especificamente nas interações nucleares. As reações nucleares mais conhecidas são a fissão e a fusão nuclear, em que os núcleos dividem e se agrupam, respectivamente.

As centrais a vapor que utilizam a energia nuclear como fonte de aquecimento para o fluido de trabalho, são denominadas centrais nucleares. Elas não são essencialmente diferentes das centrais a vapor convencionais, mas o GV encontra-se integrado ao circuito de resfriamento do reator nuclear, não constituindo um elemento isolado.

Histórico

1938 – Otto Hahn e Fritz Strassmann inicia o estudo das reações nucleares na Alemanha, foi bastante rápido, movido pela vontade de desenvolver armas de extermínio em massa;

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Partes componentes de uma central nuclear a vapor

Histórico

1939 – Albert Einstein, já vivendo no EUA, escreveu uma carta histórica ao presidente Hoosevelt, chamando a atenção para a possibilidade do desenvolvimento de uma bomba atômica;

1939 – Werner Heinsenberg, cientista alemão, percebeu a potencialidade das reações nucleares para a produção de energia elétrica;

1942 – o primeiro reator de que se tem notícia entrou em operação, produzindo 0,5 W durante alguns minutos e provando que o projeto era factível. O primeiro reator a produzir energia elétrica potencialmente comercializável foi uma pequena unidade de 5 MW, construída próximo de Moscou. O submarino nuclear USS Nautilus foi (segundo a literatura americana) o primeiro veículo propelido a força nuclear.

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Energia Nuclear.

Fissão e Fusão Nuclear

Na fissão, um núcleo pesado é dividido em dois ou mais núcleos leves, enquanto na fusão dois ou mais núcleos leves são fundidos num mais pesado.

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Energia Nuclear.

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Energia Nuclear.

Tipos de reatores

Os reatores nucleares podem ser classificados segundo diversos critérios. Os mais usados são:

• Quanto ao tipo de nêutron responsável pela fissão; • Quanto ao tipo de refrigerante;

• Quanto ao tipo de água utilizada

• Quanto ao espectro energético coberto por seus nêutrons • Quanto ao número de nêutrons disponíveis.

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Energia Nuclear.

Quanto ao tipo de nêutron responsável pela fissão • Reatores rápidos;

• Reatores térmicos.

Quanto ao tipo refrigerante

• Reatores de água pressurizada (PWR); • Reatores de água em ebulição (BWR); • Reatores refrigerados a gás (GCR);

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Energia Nuclear.

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Energia Nuclear.

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Energia Nuclear.

Quanto ao tipo de água utilizada • Reatores de água normal; • Reatores de água pesada.

Esta classificação, evidentemente, só se aplica aos reatores refrigerados a água. Os reatores dos tipos PWR e BWR utilizam água normal. Tipo PHWR usa água pesada.

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Geração, Transmissão e Distribuição de Energia Elétrica

EL-SHARKAWI, M. A. Electric Energy – An Introduction. Third Edition, CRC Press, 2013.

Sistema de energia elétrica: análise e operação/ editado por Antonio Gómez-Espósito, Antônio J. Conejo, Cláudio Cañizares; tradução e revisão técnica Antônio Padilha Feltrin, José Roberto Sanches Mantovani, Rubén Romero. Rio de Janeiro: LTC, 2011.