Cogeração de Energia

Usina de Inovações |

Brasil – Novembro 2008

Cogeração de Energia

Angelo Kaiser Regini

Novembro 2008

• Introdução

• Geração de Energia: Produto ou Sub Produto?

• Típicos Ciclos de Vapor em Usinas de Açucar

• Influencias de Vapor de Entrada

• Linha de Produtos

Mercado de Açúcar e Etanol no Brasil

Definição da planta de Cogeração

Pontos a serem considerados:

• Combustivel (bagaço somente ou bagaço + palha…)

• Parametros de Vapor

• Redução do consumo de vapor de processo

• Conexão à rede pública

• Operação da Usina

• Novas tecnologias

Geração de Energia

Produto ou Sub Produto?

USINA

Bagaço (variável)

Geração com

média

eficiencia

Cana de

Açucar

Produtos

Açucar

Etanol

Palha

(queimada)

Sub-produtos

Bagaço Excedente

Vinhaça

Energia!!

Energia!!

Geração de Energia

Produto ou Sub Produto?

USINA

Bagaço (variável)

Geração com

ALTA

eficiencia

Cana de

Açucar

Produtos

Açucar

Etanol

Eletricidade

Biogas

Energia!!

Energia!!

Energia!!

Conceito Básico – Turbina a Vapor

η

Água

Combustível

Turbina

Vapor de Entrada

Vapor de Saída

Acionamento:

Compressores

Ventiladores

Bombas

Gerador Energia

Elétrica

Caldeira

Diagrama Típico de Usina

Tradicional

Processo

Turbo gerador

Turbo Acionamento

Energia

Vapor @2,5 bar (a)

Caldeira

Agua de

Reposição

Condensado

Vapor @

21 bar/

300 ºC

Ainda adotado em muitas usinas não

dedicadas à cogeração

Ainda adotado em muitas usinas não

dedicadas à cogeração

Diagrama Típico de Usina

Tradicional

• Bagaço ainda considerado como um problema ambiental

è deve ser

descartado

• Caldeiras de baixa pressão e temperatura

è baixa eficiencia

• Cogeração com baixa eficiencia

è não atendem à demanda da usina

• Acionamentos mecanicos com pequenas turbinas

è baixa

eficiencia

Diagrama Típico de Usina

Otimizado

Processo

Turbo Acionamentos

Vapor @

65 bar /

480 ºC

Vapor @2,5 bar saturado

Caldeira

Condensado

~

Adotado pela

maioria das

usinas

Adotado pela

maioria das

usinas

Energia

Turbo gerador

Agua de

Reposição

Diagrama Típico de Usina

Otimizado

• Geração começa a ficar mais efetiva

è melhor eficiencia

• Par pressão/temperatura mais adequado

è ainda abaixo

das

reais possibilidades

• Nova geração de caldeira

è melhor eficiencia

• Ainda acionamentos mecanicos por turbinas

è baixa eficiencia

• Performance da planta como um todo é melhor

è porém

ainda

não é sériamente considerada

Diagrama Típico de Usina

Melhor Tecnologia

Processo

Motorizado

Vapor @2,5 bar saturado

Caldeira

Condensado

Energia

Turbo gerador

~

condensador

Novo conceito já

sendo adotado

Novo conceito já

sendo adotado

Vapor

@ 90 bar

520 ºC

Agua de

Reposição

Diagrama Típico de Usina

Melhor Tecnologia

• Geração de Energia é um dos produtos da usina;

• Elevados parametros de vapor (pressão e temperatura)

è

caldeiras de alto rendimento;

• Acionamentos motorizados

è melhoria da eficiencia

• Eficiencia de toda a planta é considerada

è uso da palha e

das pontas de cana

è foco em equipamentos com alta

performance

• Avaliação técnica da gaseificação da palha e bagaço

è

Falando sobre Turbo Geradores

• Equipamentos atualmente usados nos projetos mais recentes:

Turbinas com palhetas de reação;

@ 90 bar/ 520 ºC

Unidades maiores de geração ao invés de dividir em dois ou maios

turbos

è melhor eficiencia

Uma máquina de condensação com extração ao invés de

1 x BPE + 1 x Cond

• Turbinas selecionadas para o ponto de operação mais frequente

è

otimização do projeto

• Turbinas de condensação usadas para assegurar geração todo o ano e

não somente quando há processo de produção;

• Os investimentos são definidos com base também na melhor

performance dos equipamentos

Influencia dos Parametros de

Vapor Turbina de Contrapressão

Influencia dos Parametros de Vapor Turbina de

Condensação

Classificação das Turbinas a Vapor

Ação e Reação

Vapor P1

W

Força de ação

AÇÃO

REAÇÃO

W

Vapor P1 Força de reação Pressão Volume Velocidade

Injetor

Palheta

Pressão Volume Velocidade

Injetor

Palheta

Classificação das Turbinas a Vapor

Ação e Reação

Ação

• Palhetas montadas sobre discos;

• Expansão do vapor somente nas

palhetas fixas;

• Menor velocidade de rotação;

• Palhetas maiores (maior área exposta

para impacto do vapor);

• Menor diâmetro de rotor;

• Menor eficiência devido a transformação

de energia em duas etapas: potencial em

cinética e cinética em mecânica;

• Menor número de estágios (menor

flexibilidade para processo industrial);

Classificação das Turbinas a Vapor

Ação e Reação

Reação

• Palhetas montadas diretamente no rotor;

• Expansão do vapor nas palhetas fixas e

móveis;

• Maior velocidade de rotação

(balanceamento em alta velocidade);

• Palhetas menores;

• Maior diâmetro de rotor;

• Transformação de energia em apenas um

etapa: potencial em mecânica;

• Maior número de estágios;

• Dotado de porta palhetas (menor número

de pontos de fixação-fácil manutenção);

• Recomendado para processos industriais,

diversos pontos e variação de carga e alta

velocidade.

Classificação das Turbinas a Vapor

Condensação

Æ

Necessita de condensador

de vapor, sistema de

vácuo, bombas de

condensado, etc;

Æ

Necessita de sistema de

injeção de vapor nas

extremidades para

selagem;

Æ

Normalmente tem extração

e/ou tomadas;

Æ

Carcaça de escape pode

ser fundida ou de chapas

soldadas.

Classificação das Turbinas a Vapor

Contrapressão

Æ

Buchas para selagem mais

compridas;

Æ

Vapor de fuga;

Æ

Carcaça de escape pode ser

fundida junto com a carcaça

de entrada;

Æ

Pode ter extrações e

tomadas;

Æ

Vapor de escape da turbina

vai para o processo.

Classificação das Turbinas a Vapor

Avanços Tecnológicos

Rotor Carcaça Válvulas Controle Carcaça Bucha de Selagem Segmento Injetor Mancal Frontal Mancal Posterior Porta Palhetas Válvula Fecho Rápido

Rotor

1

7

6

5

4

3

2

8

9

§Suporte das

palhetas móveis

§Transmissão do

torque mecânico

§Maior velocidade =

maior eficiência

§Maior número de

estágios

1.

Estagios Alta Pressão

2.

Estágios baixa Pressão

3.

Roda Regulagem

4.

Pistão Compensação

5.

Mancal Axial

6.

Colo do mancal radial

7.

Area de vedação

8.

Roda dentada (para

giro-lento)

Porta Palhetas

Porta-palhetas 1

Porta-palhetas 2

Porta-palhetas 3

Porta-palhetas 4

Porta-palhetas 5

Palhetamento

Palhetas cilíndricas usinadas com

Palhetas usinadas

torcidas, sem fitas de

cobertura, com arame

de amortecimento

Palheta torcida

forjada, com pé

Converter a energia do vapor em

movimento do rotor Æ Perfil de

Reação = maior número de

estágios = maior eficiência

Palhetamento de Condensação

• Arame de amortecimento em titânio Æ evita vibração nos estágios de

condensação;

• Recomendado para aplicações onde há variação de carga na turbina

em função do processo;

Fita de Cobertura

Acabamento Rebitado

Acabamento Usinado

• Mais suscetível a soltura e danificação da turbina;

• Folgas que podem gerar vibração na turbina.

Válvulas de Controle

• Até 4 válvulas de assento

simples separadas

• Boa eficiencia em cargas

parciais

• Sistema de óleo de alta

pressão

• Rapida resposta

`mudanças das

condições de operação

• Válvula de emergencia

hidraulicamente operada

Pistão de Balanceamento

Função: compensação do empuxo axial do rotor

Tubulação AK1

AK I

Válvulas de Extração/ Drehchieber

Válvula de

extração tipo

“Gate”

Estágio

adaptativo

“Drehchieber”

Ganho de 0,3 a 0,4% de

eficiência na turbina em

função da redução das

perdas

Bloco de

válvulas

Ganho de 0,2 a 0,3% de

eficiência na turbina em

função da redução das

perdas

Sistemas Auxiliares

Sistema Hidráulico de controle em alta pressão

Caixa de

ligação

Refrigerador de

óleo

Filtro duplo

Bloco

de

Tanque

Acumulador

hidráulico

Bombas de

óleo

Bombas de

óleo

Bloco de

solenóides de

trip

Sistemas Auxiliares

Instrumentação e Sistema de Controle

Monitoração remota do TG, Análise de tendências de vibração

G

PLC I/O-card (counter)

- + 24 Volt PCS7 I/O-bus

Cog Wheel

on turbine shaft

Probe (Eddie

Current)

Bentley Nevada S>110%

Sign.

conditioner

+ -24 Volt + -24 Volt 5 Volt

24

Volt

Beräkning av periodtid t_p Counter Timer Time base 1 Mhz Trip contact

Instalação

Arranjo com Escape Axial

Escape Axial

Escape Radial

• Casa de Força e Fundações menores

Æmenores custos de instalação;

• Menores perdas no escape comparado com o escape radial Æ melhor

eficiencia

• Nenhuma junta de expansão requerida

Æ instalação mais fácil e barata;

• Esforços entre a turbina e condensador neutralizados;

Turbinas de alta eficiência

Porque usar uma turbina de alta performance

Considerando um adicional de

1,0 MW

, temos:

• Período de 1 ano (safra e entre-safra)

1,0 MW *

157

R$/MWh * 8000 horas/ano =

R$ 1.256.000,00

EO SU Turbinas Industriais a Vapor

Görlitz

Brno

Rep Tcheca

Frankenthal

Alemanha

Jundiaí

Brasil

Finspång

Suécia

Nürnberg

Alemanha

Vadodara

India

Presença Regional em Mercados Importantes

Engenharia, geenciamento de projetos, vendas, fabricação e serviços. 118

DEU Nüremberg

Foco: Mercados Americas Central e do Sul. Mudou em 2006 de Taubaté para Jundiai.. 140

BRA Jundiai

Aquisição da antiga KK&K em Nov-06. Prquenas turbinas a vapor, até 10 MW. Integração em andamento. 581

DEU Frankenthal

Antiga fábrica Alstom. P&D, projetos, fabricação e serviços (grandes máquinas). 117

SWE Finspång

Segunda maior fábrica (antiga Alstom). Produção dividida com Görlitz para otimização dos custos. 558

CZE Brno

Escritórios Centrais, P&D e maior parte das funções centrais. Maior fábrica. 727 DEU Görlitz

EO SU Localizações

●

●

Finspång, SWE

Frankenthal, DEU Goerlitz, DEU

Brno, CZE Nuremberg, DEU Wuhan, CHN (JV) Vadodara, IND Jundiai, BRA

7 plantas

5 países

~ 2’300

colaboradores

●

●

●

●

●●

EO SU – Diferentes Culturas e Tecnologias

Power Generation

KWU

Aplicações

Industriais

KWU AG

2000

1990

1980

1970

1960

2003

Westinghouse

Mannesmann Demag

Delaval

DemagDelaval

Alstom

ABB

GEC

Alsthom

Alsthom

GEC

BBC

ASEA

ABB

Alstom

Power

Segmento

Industrial

Alstom

Ruston

STAL LAVAL

AEG KANIS

AKZ

Industrie

Turbinen

AEG

2006

Turbinas a Vapor no Brasil

AKZ

1976 up to 1992

De 1999 até 2000

De 1992 até 1999

De 2000 até 2003

De 2003 até 2005

Cravinhos - SP

Taubaté - SP

Cravinhos - SP

Cravinhos - SP

Taubaté - SP

Jundiaí - SP

A partir de Jan/2006

Principais Produtos

Especiais

Muito Padronizada

Modulos padrão com

_{várias configurações}

Energy Supplying Processos Industriais

Complexos [ESCO] Complexos [IND]

até 180 MW, 165 bar / 585 °C

_{até 150 MW, 140 bar / 540 °C}

até 65 MW, 120 bar / 520

°C

Linha de Produtos

150

300

3

9

10

50

65

85

100

200

250

700

KK&K

SST-900

SST-800

130+

SST-700

SST-600

SST-500

SST-400

SST-300

SST-200

SST-100

SST-050

1.900

SST-9000

1.100

SST-8000

1.200

SST-6000

SST-5000

SST-4000

SST-3000

SST-1000

180+

0,45 - 5

Turbinas Industriais a

Vapor – EO SU

1500 U/min

Origem da Linha de Produtos

140 120 100 80 60 40 20 0 3 4 5 6 7 8 910 20 30 40 50 60 80100 150

Potencia Aproximada [MW]

P

re

s

s

ã

o

d

e

V

a

p

o

r

[b

a

r]

140 bar/540 °C

Tipo HN

Tipo N

Tipo WK

30 bar/350 °C

P

re

s

s

ã

o

0

d

e

V

a

p

o

r

[b

a

r]

Potencia Aproximada [MW]

140 120 100 80 60 40 20 0 160 3 4 5 6 7 8 910 20 30 40 50 60 80100 150180 165 bar/585 °C

ST6

140 bar/540 °C

ST5

120 bar/520 °C

ST4

110 bar/510 °C

ST3

80 bar/480 °C

ST2

65 bar/480 °C

ST7

Linha Local de Produtos

Tipo HN

Tipo N

Tipo WK

P

re

s

s

ã

o

d

e

V

a

p

o

r

[b

a

r]

Potencia [MW]

140 120 100 80 60 40 20 0 160 3 4 5 6 7 8 910 20 30 40 50 60 80100 150180

140 bar/540 °C

ST5

ST4

ST3

ST2

ST7

65 bar/480 °C 80 bar/480 °C 110 bar/510 °C

30 bar/350 °C

ST6

120 bar/520 °C 140 bar/ 540 °C

SST-200

SST-300

Turbina de

Reação

Totalmente

fabricada

no Brasil

SST-300

SST-400

SST-600

SST-200

_SST-400

SST-600

Trubinas de

Reação

fabricadas

no Brasil

com siporte

da

Alemanha

Fábrica em Jundiai - SP

Projetada e construída para a produção local de todas as linhas de turbinas a

vapor oferecidas pela Siemens

Estratégicamente localizada, junto aos princpais clientes e fornecedores,

utiliza os mesmos processos de engenharia e produção das demais fábricas

Forte Presença no Mercado Externo

Africa do Sul

Alemanha

Argentina

Belgica

Chile

Colombia

Etiopia

India

Mexico

Peru

Tailandia

Venezuela

Frota Instalada Siemens

MW

5,714

912 unds

Total

MW

681

692 unds

Total (Turbinas Simples Estágios)

MW

5,033

220 unds

Total (Turbinas Multi-estagios)

MW

1,183

Açucar e Etanol (com Alimentos e Bebidas)

MW

1,455

Papel e Celulose

MW

1,166

Geração de Energia

MW

53

Outros

MW

120

Oil & Gas (On Shore + Off Shore)

MW

591

Metalurgia e Mineração

MW

465

Química e Petroquímica

Potencia Total

Segmento de Mercado

Referencias Recentes (1/3)

11 BP + E SST300N 1 Nov-06 Food & Beverage

ARG Ac Gal Dehesa 17 BP + E SST300N 1 Oct-06 Pulp & Paper

BRA RIPASA 25 BP SST300N 1 Oct-06 Sugar & Ethanol

BRA Usina Sta Cruz 1

63 Cond+EE

SST600 1

Jul-06 Pulp & Paper

BRA Klabin M Alegre 44 BP SST300 2 May-06 Metals & Mining

BRA Alumar 32 BP SST300 2 Apr-06 Metals & Mining

BRA Alunorte 63 Cond+E SST600 1 Apr-06 Metals & Mining

BRA Usiminas 61 BP SST600 1 Nov-05 Pulp & Paper

BRA Bahiasul 61 Cond+E SST600 1 Nov-05 Pulp & Paper

BRA Bahiasul 15 Cond+E SST300N 1 Oct-05 Metals & Mining

COL Cem Argos 17 Cond+E SST300N 1 Oct-05 Metals & Mining

COL Cem Paz del Rio

17 Cond+E

SST300N 1

Oct-05 Metals & Mining

COL Cem del Valle

27 BP + E

SST300 1

Jul-06 Food & Beverage

ARG Molinos Unit MW Tipo Turbina Qt Venda Segmento Pais Cliente

Referencias Recentes (2/3)

12 BP + E SST300 1 Sep-07 Power Generation URU Urufor 23 Cond+EE SST300 1 Aug-07 Sugar & Ethanol

PER Paramonga 25 Cond+EE SST300 2 Aug-07 Sugar & Ethanol

BRA Pioneiros 25 Cond+E SST300N 1 Jul-07 Sugar & Ethanol

BRA Usina Santa Cruz 3

25 BP

SST300N 1

Jul-07 Sugar & Ethanol

BRA Usina Santa Cruz 2

10 Cond SST300N 1 Jul-07 Power Generation URU Fenirol 12 Cond SST300N 2 Jun-07 Power Generation BRA UTE Rondon II 30 BP SST300N 2 Apr-07 Sugar & Ethanol

BRA Usina Quatá 30 BP SST300N 2 Apr-07 Sugar & Ethanol

BRA Usina São Jose

55 Cond+EE SST600 1 Mar-07 Power Generation BRA Petrobras RPBC 43 Cond+EE SST600 1 Feb-07 Sugar & Ethanol

BRA Usina Colorado 81 Cond+EE SST800 2 Feb-07 Pulp & Paper

BRA VCP 3 Lagoas Unit MW Tipo Turbina Qt Venda Segmento Pais Cliente

Referencias Recentes (3/3)

82 BP+E SST600 1 Jun-08 Pulp & Paper

BRA Aracruz 82 Cond+E SST600 1 Jun-08 Pulp & Paper

BRA Aracruz 45 Cond SST400 1 May-08 Chemical BRA Copesul 33 BP SST300 2 Apr-08 Sugar & Ethanol

BRA COSAN Bonfim 40 Cond SST400 1 Apr-08 Sugar & Ethanol

BRA COSAN Bonfim 14.1 Cond SST300N 1 Apr-08 Oil & Gas

ARG Petrobras Argent 38.1 Cond+EE SST600 1 Dec-07 Sugar & Ethanol

ARG Tabacal 34 Cond SST300N 1 Dec-07 Sugar & Ethanol

BRA COSAN Jataí 34 BP SST300N 2 Dec-07 Sugar & Ethanol

BRA COSAN Jataí 41 BP+E SST300N 1 Nov-07 Sugar & Ethanol

BRA Usina Sta Vitória

31 Cond SST300N 1 Aug-07 Power Generatio BRA UTE Sykué I 18.5 BP+E SST400 1 Aug-07 Pulp & Paper

COL Smurfit Unitaty MW Model Turbine Type Qty Award Segment Country Customer