cogeração a ciclo combinado

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ 
CENTRO DE TECNOLOGIA 
PROGRAMA DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ASPECTOS FUNDAMENTAIS DA COGERAÇÃO A CICLO 
COMBINADO GÁS/VAPOR 
 
 
 
 
 
 
 
Paulo Eduardo Dutra Mota Filho 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fortaleza 
Dezembro de 2010 
 
 
ii
PAULO EDUARDO DUTRA MOTA FILHO 
 
 
 
 
 
 
 
ASPECTOS FUNDAMENTAIS DA COGERAÇÃO A CICLO 
COMBINADO GÁS/VAPOR 
 
 
 
Monografia submetida à Universidade Federal 
do Ceará como parte dos requisitos para 
graduação em Engenharia Elétrica. 
 
Orientador: Prof. Dr. José Almeida do 
Nascimento 
 
 
 
 
 
Fortaleza 
Dezembro de 2010 
 
ASPECTOS FUNDAMENTAlS DA COGERA<;AO A CICLO
COMBINADO GASN APOR
Esta monografia foi julgada adequada para obteny3.o do titulo de Graduado em Engenharia
Eletrica e aprovada em sua forma final pelo programa de Graduay3.o em Engenharia Eletrica
na Universidade Federal do Ceara.
~~~-
. Prof.Alexandre Rocha Filgu~~
/ A J
7O/YYVOdYdProf. Tomaz Nunes Cavalcante Neto, MSc.
 
 
iv
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
“Aprenda com o ontem, viva o hoje, 
 tenha esperança no amanhã. 
 O importante é não parar de questionar.” 
(Albert Einstein) 
 
 
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A Deus, 
Aos meus pais, Paulo e Inúbia. 
 
 
vi
AGRADECIMENTOS 
 
A Deus, pelo dom da vida e pela força que Ele me deu ao longo de toda a minha 
trajetória. 
Aos professores do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do 
Ceará, que transmitiram seus conhecimentos e experiências durante todos esses anos de 
graduação e são responsáveis diretos pelo profissional que estou me tornando. 
Ao professor José Almeida do Nascimento, pelo tempo dedicado à orientação deste 
trabalho e pelas palavras de incentivo. 
Aos meus amigos e colegas de graduação cujos nomes não citarei por risco de cometer 
algum esquecimento imperdoável. É nos momentos difíceis que descobrimos quem está 
realmente disposto a nos ajudar. Juntos, fomos mais fortes. 
Aos amigos que fiz durante meu estágio na França, pelo material fornecido e a 
disponibilidade para contribuir, mesmo de longe. 
A toda minha família, meus amigos e à minha namorada pelo suporte, a ajuda, as 
palavras de apoio, o incentivo, as broncas, a compreensão nos momentos de ausência e a 
paciência nas horas de mau humor. 
 A todos que, direta ou indiretamente, contribuíram para a realização deste trabalho, 
meus sinceros agradecimentos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
vii
RESUMO 
 
Mota Filho, P. E. D. e “Estudo sobre a cogeração à ciclo cominado gás/vapor”, Universidade 
Federal do Ceará – UFC, 2010, 66p. 
 
Este trabalho apresenta uma revisão bibliográfica sobre a cogeração de energia elétrica a ciclo 
combinado. Para a sua compreensão é feita uma análise dos princípios básicos de 
funcionamento, bem como configurações de montagem e classificação da turbina a gás e da 
turbina a vapor. São expostos também seus principais componentes e descrição de suas 
funções e características. Sobre a geração a ciclo combinado, além da mesma análise de 
princípios básicos e sistemas auxiliares, são mostrados cálculos de rendimento e eficiência de 
cada ciclo, para diferentes esquemas de montagem. São passadas ainda as informações 
iniciais que devem ser levadas em consideração no levantamento de custos de instalação de 
uma central deste tipo. Ao final, é feita uma exposição das características de projeto do 
modelo K26 de central a ciclo combinado, fabricado e montado pela fabricante ALSTOM. 
 
 
 
Palavras-Chave: Ciclo Combinado, turbina a gás, turbina a vapor, cogeração, geração 
termelétrica, K26. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
viii 
ABSTRACT 
 
Mota Filho, P.E.D. e “Studies of cogeneration with gaz/steam combined cycle.”, Universidade 
Federal do Ceará – UFC, 2010, 66p. 
 
This work presents a bibliographical revision on the cogeneration of electric energy in 
combined cycle power plants. For its understanding, an analysis of the basic principles of 
functioning is made, as well as the presentation of assembly configurations and classification 
of the gas turbine and the steam turbine. Its main components and description of its functions 
and characteristics are also displayed. About the combined cycle generation, besides the same 
analysis of basic principles and systems auxiliary, calculations of efficiency of each cycle, for 
different projects of assembly, are shown. In addition, the initial data required to cost analyses 
of a . To the end, the combined, manufactured cycle is made an exposition of the 
characteristics of project of central office the K26 model and mounted for the ALSTOM. 
 
 
Keywords: Combined Cycle, Gaz Turbine, Steam Turbine, cogeneration, 
Thermoelectric Generation, K26. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ix
LISTA DE FIGURAS 
Figura 1.1 - Matriz energética mundial . .................................................................................... 1 
Figura 2.1 - Esquema do Ciclo Aberto. ...................................................................................... 5 
Figura 2.2 - Esquema do Ciclo Fechado..................................................................................... 6 
Figura 2.3 - Turbina a Gás ALSTOM GT8C. ............................................................................ 6 
Figura 2.4 - Sistema de exaustão (e parte da caldeira de recuperação). ................................... 13 
Figura 3.1 - Aeolipyle, máquina a vapor rudimentar proposta por Hero em 150 a.C. ............. 15 
Figura 3.2 - Foto de uma Turbina a Vapor utilizada em uma central térmica (ALSTOM). .... 17 
Figura 3.3 - Esquema de conversão de energia. ....................................................................... 17 
Figura 3.4 - Princípios de Ação e Reação. ............................................................................... 18 
Figura 3.5 - Estágio de ação e de reação. ................................................................................. 19 
Figura 3.6 - T urbinas tandem-compound. .............................................................................. 20 
Figura 3.7 - Turbinas cross-compound. .................................................................................... 21 
Figura 3.8 - T urbina a Vapor (ALSTOM). .............................................................................. 22 
Figura 3.9 - Sistema de válvulas de controle. ........................................................................... 23 
Figura 4.1 - Esquema básico da geração a ciclo combinado. .................................................. 26 
Figura 4.2 - Vista superior de uma central a ciclo combinado mono-eixo. .............................. 27 
Figura 4.3 - Tipos de centrais termelétricas de ciclo combinado gás – vapor: ......................... 28 
Figura 4.4 - Arranjo de Central em multi-eixo. ........................................................................ 29 
Figura 4.5 - Arranjo de Central em mono-eixo. ....................................................................... 30 
Figura 4.6 - Fotos ilustrativas do sistema de acoplamento. (SSSClutch). ................................ 30 
Figura 4.7 - Curvas de partida e parada do clutch. ...................................................................31 
Figura 4.8 - Elementos da caldeira de recuperação do tipo vertical. ........................................ 33 
Figura 4.9 - Gerador. ................................................................................................................ 33 
Figura 4.10 - Fluxo de calor e energia (Central em série). ....................................................... 34 
Figura 4.11 - F luxo de calor e energia (Central em paralelo).................................................. 36 
Figura 4.12 - Fluxo de calor e energia (Central em série/paralelo). ......................................... 38 
Figura 4.13 – Arranjo da termelétrica exemplo, operando em ciclo combinado. .................... 41 
Figura 4.14 - Variação do rendimento e da potência total produzida em função da temperatura 
ambiente. .......................................................................................................................... 44 
Figura 4.15 - Variação da potência da turbina a gás e da temperatura de saída em função da 
pressão de saída na turbina a gás. ..................................................................................... 45 
Figura 4.16 - Variação da potência da turbina a vapor e da eficiência da caldeira de 
recuperação. ...................................................................................................................... 45 
Figura 4.17 - Variação da eficiência da caldeira de recuperação em função da pressão do 
condensado. ...................................................................................................................... 46 
Figura 4.18 - Variação da potência da turbina a vapor e da eficiência da caldeira em função da 
pressão de alta na turbina a vapor. .................................................................................... 46 
 
 
x
Figura 4.19 - Heat rate x Carregamento. .................................................................................. 48 
Figura 4.20 - Esquema e foto das palhetas do compressor e da turbina axial. ......................... 48 
 
 
xi
LISTA DE TABELAS 
Tabela 4.1 - Dados característicos dos equipamentos a gás da usina termelétrica. .................. 40 
Tabela 4.2 - Valores de saída da central. .................................................................................. 47 
Tabela 4.3 - Valores de pressão e temperatura para os níveis do ciclo a vapor (KA26). ........ 47 
Tabela 4.4 – Características do Gerador. .................................................................................. 49 
 
 
 
 
xii
SUMÁRIO 
 
AGRADECIMENTOS .............................................................................................................. vi 
RESUMO ................................................................................................................................. vii 
ABSTRACT ............................................................................................................................ viii 
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................... ix 
LISTA DE TABELAS .............................................................................................................. xi 
SUMÁRIO ................................................................................................................................ xii 
1 INTRODUÇÃO .................................................................................................................. 1 
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO ................................................................................................... 1 
1.2 JUSTIFICATIVAS E MOTIVAÇÃO ................................................................................. 1 
1.3 OBJETIVOS E METODOLOGIA ...................................................................................... 3 
2 TURBINA A GÁS ............................................................................................................. 4 
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ........................................................................................... 4 
2.2 EVOLUÇÃO HISTÓRICA ................................................................................................. 4 
2.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO E TIPOS DE CIRCUITO ................. 4 
2.5 CARACTERÍSTICAS DOS PRINCIPAIS COMPONENTES DA TURBINA A GÁS .... 6 
2.5.1 CÂMARA DE COMBUSTÃO .................................................................................... 7 
2.5.2 COMPRESSORES AXIAIS ........................................................................................ 9 
2.5.3 TURBINAS AXIAIS .................................................................................................. 11 
2.5.4 SISTEMA DE ENTRADA DE AR ............................................................................ 12 
2.5.5 SISTEMA DE EXAUSTÃO ...................................................................................... 12 
2.6 DESEMPENHO NO PONTO DE PROJETO ................................................................... 13 
2.6.1 PARÂMETROS DE DESEMPENHO NO PONTO DE PROJETO DA TURBINA 13 
3 TURBINA A VAPOR ...................................................................................................... 15 
3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ......................................................................................... 15 
3.2 EVOLUÇÃO HISTÓRICA ............................................................................................... 15 
3.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO ......................................................... 16 
3.4 CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR ........................................................... 18 
3.4.1 PRINCIPIO DE AÇÃO E REAÇÃO ......................................................................... 18 
3.4.2 - TURBINA DE AÇÃO E TURBINA DE REAÇÃO ................................................ 18 
3.4.3 CONFIGURAÇÕES DAS TURBINAS A VAPOR ................................................... 20 
3.5 PRINCIPAIS COMPONENTES DA TURBINA A VAPOR ........................................... 21 
4 ESTUDO QUALITATIVO E QUANTITATIVO DA GERAÇÃO À CICLO 
COMBINADO ......................................................................................................................... 25 
4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS ......................................................................................... 25 
4.2 MOTIVAÇÃO E HISTÓRICO ......................................................................................... 25 
4.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................................. 26 
 
 
xiii 
4.4 CLASSIFICAÇÃO DE CENTRAIS DE CICLO COMBINADO .................................... 27 
4.4.1 QUANTO À CONFIGURAÇÃO DOS CICLOS TERMODINÂMICOS ................. 27 
4.5.2 QUANTO AO ACOPLAMENTO DAS MÁQUINAS .............................................. 29 
4.6 PRINCÍPIOS TERMODINÂMICOS ................................................................................ 31 
4.7 SISTEMAS AUXILIARES ............................................................................................... 32 
4.8 EFICIÊNCIA ................................................................................................................. 34 
4.8.1 EFICIÊNCIA DA CENTRAL EM SÉRIE ............................................................ 34 
4.7.2 EFICIÊNCIA DA CENTRAL EM PARALELO ....................................................... 36 
4.7.3 EFICIÊNCIA DA CENTRAL EM SÉRIE/PARALELO ...................................... 38 
4.8.4 INFLUÊNCIA DE VARIÁVEIS TERMODINÂMICAS NO RENDIMENTO DAS 
CENTRAIS ........................................................................................................................... 39 
4.9 “K26 POWER PLANT” ....................................................................................................47 
4.9.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS ......................................................................... 47 
4.8.2 TURBINA A GÁS - GT26 ......................................................................................... 48 
4.8.3 GERADOR ................................................................................................................. 49 
5 CONCLUSÃO ....................................................................................................................... 50 
5.1 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS .............................................................. 50 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ..................................................................................... 51 
ANEXOS .................................................................................................................................. 53 
ANEXO I - FOTOS DA CENTRAL DE CICLO COMBINADO DE COMBIGOLFE, 
FRANÇA. MODELO K26 ....................................................................................................... 53 
 
 
 
1
1 INTRODUÇÃO 
 
1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO 
 
O aproveitamento das fontes de energia é de indiscutível importância no 
desenvolvimento do homem e da sociedade. Desde tempos primórdios a humanidade vem 
descobrindo e aprimorando técnicas para converter a energia disposta na natureza em trabalho 
útil para suas atividades. 
 Sendo assim, é natural que estudos que busquem entender e melhorar as formas de 
disponibilizar a energia existentes estejam sempre em destaque, em termos de geração, 
transmissão e distribuição. 
 
1.2 JUSTIFICATIVAS E MOTIVAÇÃO 
 
Abordando o aspecto da geração e, mais especificamente, da geração termelétrica, 
podemos ressaltar uma série de vantagens deste tipo de conversão. Deve-se primeiramente 
levar em conta que, como mostrado no gráfico na figura 1.1, a matriz energética mundial é 
composta em sua maioria por insumos para esse tipo de energia. 
 
 
Figura 1.1 - Matriz energética mundial (International Energy Agency - IEA. Key World Energy Statistics, 2009). 
[1] 
 
Além da disponibilidade de insumos, a versatilidade e a facilidade de integração de 
centrais térmicas, aliadas à possibilidade de altas variações nos níveis de reservatórios de 
 
 
2
água, as tornam uma opção altamente atrativa para o setor elétrico brasileiro. 
É importante ressaltar que, apesar do potencial hidráulico abundante, esses recursos 
estão normalmente disponibilizados em áreas distantes dos centros consumidores. 
Outro aspecto relevante sobre a geração termelétrica, é o seu menor impacto 
ambiental, possibilitado por áreas de ocupação cada vez menores e técnicas avançadas de 
recuperação e limpeza dos gases produzidos. 
Podemos lembrar ainda que no início da década de 2000 o Brasil se encontrou em uma 
situação de déficit energético, largamente mostrada pela mídia e que culminou em apagões e 
outros problemas na rede. Essa crise evidenciou a necessidade de se aumentar a capacidade de 
geração instalada no país. 
 Com isso, a implantação de sistemas térmicos está tomando um volume cada vez mais 
significativo no Brasil, seguindo o exemplo de países europeus e dos Estados Unidos. 
Segundo o sítio eletrônico da Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), a parcela da 
capacidade de geração instalada no Brasil referente a usinas termelétricas (UTE) tem crescido 
ininterruptamente desde 2001. O percentual aumentou de 14% (10.481 MW) em dezembro 
deste ano para 22,34% (22.999 MW) em dezembro de 2008. Nosso país conta atualmente com 
1374 UTEs em operação e mais 43 em construção. [2] 
Além da geração através do uso do gás natural, a eletricidade pode ser produzida, 
principalmente, pelas usinas de açúcar e álcool, através da biomassa proveniente do bagaço. 
Deve-se destacar que a colheita da cana-de-açúcar ocorre no período de menor 
disponibilidade de água (secas), quando um melhor aproveitamento do bagaço gerado pela 
indústria da cana poderia gerar um excedente de energia elétrica para ser vendido às 
concessionárias distribuidoras de energia elétrica, ligando, intimamente, a cogeração à 
geração distribuída. 
 No entanto, a participação da cogeração nos números apresentados ainda é baixa. 
Definida como a produção combinada de eletricidade e calor obtida pelo uso seqüencial de 
energia a partir de um combustível, a cogeração é largamente utilizada nos processos de 
grandes indústrias. O aproveitamento seqüencial da energia térmica traz basicamente três 
grandes benefícios. O primeiro é o aumento do rendimento global energético, contribuindo 
para a redução da demanda global de combustível e, conseqüentemente, para a queda no 
preço do combustível. O segundo, as emissões de carbono e de outros poluentes atmosféricos 
são diminuídas, pois menos combustível é queimado. Por último, os impactos causados ao 
meio ambiente devido à liberação de calor por grandes plantas geradoras diminuem muito. 
 
 
 
3
1.3 OBJETIVOS E METODOLOGIA 
 
Com o intuito de trazer um resumo das informações técnicas básicas sobre sistemas de 
cogeração a ciclo combinado, esse trabalho busca fazer uma introdução para uma primeira 
análise sobre o assunto. Serão apresentados os principais equipamentos utilizados na 
cogeração bem como os ciclos de funcionamento. 
Para atingir tal objetivo este trabalho foi dividido em quatro capítulos. O capítulo 
introdutório traz uma apresentação das suas motivações e suas pretensões, além da 
delimitação do estudo. 
Nos capítulos 2 e 3 são mostradas informações sobre princípio de funcionamento e 
classificações dos dois principais componentes de uma central a ciclo combinado: a turbina a 
gás e a turbina a vapor. 
O capítulo 4 aborda as principais características de uma central de geração a ciclo 
combinado e dos seus sistemas auxiliares, além de trazer as equações e os parâmetros 
utilizados no cálculo de rendimento e eficiência de centrais desse tipo. Por fim, este capítulo 
traz como exemplo dados e características do modelo K26 de centrais de ciclo combinado 
desenvolvidos pela fabricante ALSTOM POWER. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4
2 TURBINA A GÁS 
 
2.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS 
 
Neste capítulo faremos um estudo sobre o elemento que participa do início do ciclo de 
operação de uma planta a ciclo combinado: a turbina a gás. Após um breve apanhado 
histórico, serão apresentadas suas características, seus componentes principais e diferentes 
classificações 
. 
2.2 EVOLUÇÃO HISTÓRICA 
 
 Historicamente, muitas foram as tentativas frustradas de se obter um funcionamento 
satisfatório da turbina a gás. O ciclo a vapor e as máquinas a pistão eram muito mais fáceis de 
projetar, construir e operar, uma vez que o trabalho e a sofisticação da compressão são muito 
menores, comparados aos da turbina a gás e isso retardou seu desenvolvimento. 
 A primeira patente de uma turbina a gás foi obtida por John Barber em 1791, mas nada 
resultou disso. A primeira tentativa bem sucedida a produzir trabalho foi em 1903, por 
Aegidius Elling. Seu protótipo produziu um trabalho de eixo de 11 hp, com câmara de 
combustão a pressão constante. Já a primeira turbina industrial comercializada com sucesso 
foi vendida pela Brown Boveri e, 1939 e foi colocada em uma locomotiva. 
 Atualmente são vários os fabricantes de turbinas a gás para aplicação industrial, 
podendo-se citar General Eletric, ALSTOM, Rolls-Royce e Siemens. 
 Nos últimos 40 anos, desde o final da II Guerra Mundial, seu desenvolvimento tem 
acontecido com grande rapidez e as maiores evoluções foram, basicamente, na aerodinâmica 
dos compressores e no aumento da temperatura máxima do ciclo, obtidos graças ao 
desenvolvimento de matérias resistentes a altas temperaturas associados a novas tecnologias 
de resfriamento. [3] 
 
2.3PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO E TIPOS DE CIRCUITO 
 
 Primeiramente, é importante mostrar que uma turbina a gás pode funcionar em dois 
 
 
5
tipos diferentes de circuito: aberto e fechado. 
 Em ambos os casos, o fluido de trabalho é comprimido pelo compressor, passando para 
a câmara de combustão, onde recebe energia do combustível, aumentando sua temperatura. 
Saindo da câmara de combustão, o fluido de trabalho é direcionado para a turbina, onde é 
expandido, fornecendo potência para o compressor e potência útil. No ciclo aberto, o fluido de 
trabalho é misturado ao combustível e a mistura é depois enviada ao ambiente através do 
sistema de exaustão. [4] 
 
Figura 2.1 - Esquema do Ciclo Aberto. 
 
 A máxima potência útil fornecida pela turbina a gás está limitada pela temperatura com 
que o material da turbina, associada às tecnologias de resfriamento, pode suportar e pela vida 
útil requerida. Dois fatores que afetam o desempenho das turbinas são a eficiência dos 
compressores e a sua temperatura. 
 Outro fator que pode influenciar seu desempenho é o tipo de câmara de combustão. 
Existem câmaras a pressão constante e a volume constante. 
 Teoricamente, a eficiência termodinâmica do ciclo a volume contante é maior que a 
pressão constante, mas as dificuldades mecânicas são muito maiores. 
 Já no circuito fechado, o processo de funcionamento é o mesmo do ciclo aberto, com a 
diferença que o fluido de trabalho permanece dentro do sistema e o combustível é queimado 
em um trocador de calor externo. 
 
 
6
 
Figura 2.2 - Esquema do Ciclo Fechado. 
 
 A maior vantagem desta configuração é a possibilidade de uma maior pressão através de 
todo o circuito, o que resulta numa redução no tamanho das turbomáquinas para uma dada 
potência útil, e possibilita a variação da potencia útil pela variação do nível de pressão no 
circuito. Esta forma de controle permite que uma grande faixa de potência possa ser obtida 
sem alterar a máxima temperatura do ciclo e com pequena variação na eficiência. 
 
2.5 CARACTERÍSTICAS DOS PRINCIPAIS COMPONENTES DA TURBINA A GÁS
 
 A figura 2.3 traz um exemplo de uma turbina a gás onde são mostrados seus 
componentes básicos. 
 
 
Figura 2.3 - Turbina a Gás ALSTOM GT8C. 
 
 
7
2.5.1 CÂMARA DE COMBUSTÃO 
 
 A câmara de combustão tem a finalidade de queimar uma quantidade de combustível 
fornecida pelo injetor, com uma grande quantidade de ar proveniente do compressor e liberar 
o calor de tal maneira que o ar é expandido e acelerado para dar uma corrente suave e 
uniforme de gás quente, necessária à turbina. Isso deve ser alcançado com a mínima perda de 
pressão e a máxima eficiência. [5] 
 
 
Figura 2.4 - Câmara de combustão em corte. 
 
 A quantidade de combustível adicionada à corrente de ar dependerá do aumento de 
temperatura requerida. Entretanto, a temperatura máxima é limitada pelo material das palhetas 
da turbina. Uma vez que a temperatura requerida do fluido de trabalho na entrada varia com o 
empuxo e o trabalho, a câmara de combustão deve ser capaz de realizar uma combustão 
estável e eficiente em toda a faixa de operação da turbina. 
 
 
 
8
 
Figura 2.5 - Evolução da câmara de combustão. 
 
 A figura 2.5 ilustra o desenvolvimento lógico de uma câmara de combustão 
convencional na sua forma geral. Como era de se esperar, existem muitas variações do 
modelo básico, mas, em geral, todas as câmaras incorporam os seguintes componentes: 
carcaça, difusor, tubo de chama e bico injetor de combustível. 
 Na figura 2.5 (a) vemos a câmara de combustão mais simples possível. O combustível 
é pulverizado com um tubo no centro do tubo. A velocidade de corrente onde se localiza a 
combustão é igual à velocidade do ar na saída do compressor, e ela é da ordem de 150 a 200 
m/s. Logo, o maior problema deste sistema é que a perda da pressão fundamental (perda 
quente) é excessivamente grande e seria impossível queimar combustível a esta velocidade. 
Esta perda de pressão seria da ordem de 25% da pressão de saída do compressor. A figura 2.5 
(b) mostra como a velocidade pode ser reduzida na região de queima, para valores toleráveis 
da perda de pressão fundamental, simplesmente adicionando um difusor. Por exemplo, a 
velocidade é reduzida de 1/5 do valor original e a perda de pressão reduzida a cerca de 1%, 
tornando-se valores aceitáveis. 
 Mesmo após adicionar um difusor, a velocidade na região de queima continua ainda 
muito elevada para estabilizar a combustão e sustentá-la. Assim, para resolver este problema, 
foi colocada uma placa plana atrás do injetor de combustível para criar um escoamento 
reverso que cria uma região de baixa velocidade de recirculação, visando à estabilização da 
chama, conforme mostra a figura 2.5 (c). Tal arranjo é necessário para prevenir a extinção da 
chama e facilitar e reignição em altitudes elevadas. No entanto, o sistema mostrado na figura 
 
 
9
2.5 (c) ainda não é suficiente para manter a combustão. Para uma câmara de combustão típica 
produzir o aumento de temperatura desejado, o valor global da razão ar/combustível na 
câmara deve ser por volta de 50, o que está bem acima dos limites da chamabilidade da 
mistura ar/hidrocarboneto. Idealmente, a razão de equivalência na zona primária de 
combustão deve ser por volta de 0,6 a 0,8. Assim, é necessário admitir somente parte do ar na 
zona primária de combustão, de maneira que a razão ar/combustível fique próxima do ótimo. 
A figura 2.5 (d) mostra um tubo de chama acoplado à placa plana, admitindo ar através de 
orifícios com tamanho e número suficientes para atingir a razão ar/combustível necessária. 
 A maior parte do ar é adicionada na zona da diluição, com o objetivo de abaixar a 
temperatura dos gases quentes que vêm da zona primária. Nenhuma combustão é realizada na 
zona de diluição. 
 Em algumas câmaras de combustão, a zona intermediária é incluída entre a zona 
primária e a de diluição. A zona intermediária serve para completar a combustão que começa 
na zona primária e resfria um pouco os gases quentes, visando permitir que os produtos 
dissociados se recombinem e liberem energia. 
 
2.5.2 COMPRESSORES AXIAIS 
 
 O compressor axial é constituído de uma série de palhetas, com perfil aerodinâmico, 
colocadas ao longo de um disco, chamado de rotor, e um conjunto estacionário de palhetas, 
também com seção de perfil aerodinâmico, colocadas ao longo da carcaça, chamado de 
estator, conforme figura 2.6. O rotor, seguido do estator, é chamado de estágio. Um 
compressor é formado por uma série de estágios seqüenciais. 
 
 
Figura 2.6 - Compressor de uma turbina a gás. 
Palhetas do Rotor 
Palhetas do Estator 
 
 
10
 Da entrada para a saída do compressor, existe uma redução gradual da área anular. Isto 
é necessário para manter a velocidade média axial do ar aproximadamente constante na 
medida em que a densidade aumenta através do comprimento do compressor. 
 Alguns projetos de compressores têm dois ou mais compressores ou “carretéis” os 
quais são acionados por diferentes turbinas e são, portanto, livres para girar com diferentes 
velocidades. O compressor simples consiste em vários estágios, montados sobre um único 
eixo, para atingir a razão de pressão e a vazão em massa desejadas. 
 O compressor de múltiplos eixos consiste de dois ou mais rotores com vários estágios, 
cada um acionado por turbinas diferentes, com rotações diferentes, para alcançar altas razões 
de pressão e dar grande flexibilidade de operação. Compressores axiais têm a vantagem de 
serem capazes de alcançar altas razões de pressão com eficiências relativamente altas, se 
comparados com os compressores radiais. 
 O fluido de trabalho é inicialmente acelerado pelo rotor e, então, desacelerado pelo 
estator, onde a energia cinética transferida no rotoré convertida em pressão estática. O 
processo é repetido em vários estágios, tantos quantos forem necessários para atingir a razão 
de pressão desejada. 
 O escoamento está sempre sujeito a um gradiente adverso de pressão e, quanto maior 
for a razão de pressão, maior será a dificuldade do projeto do compressor. O processo consiste 
em uma série de difusões, no rotor e no estator. Embora a velocidade absoluta do fluido seja 
aumentada no rotor, a velocidade relativa do fluido no rotor é reduzida. Isto é, existe difusão 
no rotor. Limites de difusão devem ser impostos para garantir uma compressão com alta 
eficiência. Estes limites de difusão em cada estágio significam que um compressor simples, de 
um único estagio, pode produzir somente uma razão de pressão relativamente pequena, e 
muito menor do que pode ser usada pela turbina que tem um gradiente de pressão favorável, 
palhetas com passagem convergente e escoamento acelerado. Por isso, uma turbina de um 
único estágio pode acionar um compressor de vários estágios. 
 Quando o compressor esta operando numa condição de vazão e rotação muito 
diferente daquela de projeto, podemos observar o fenômeno do stall. No caso de um aerofólio 
isolado, o stall surge do aumento excessivo do ângulo de incidência. O cuidadoso projeto das 
palhetas do compressor é necessário para evitar perdas e minimizar este problema, 
especialmente se a razão de pressão for alta. 
 Quando o compressor está operando a uma rotação mais baixa do que a de projeto, a 
densidade do fluido de trabalho nos últimos estágios estará bem diferente do valor de projeto, 
resultando em uma velocidade axial incorreta, a qual acarreta stall nas palhetas e o 
 
 
11
compressor atingirá o que chamamos de surge line (linha de surto). 
No início, o escoamento no interior dos compressores era totalmente subsônico. Com 
o aumento da razão de pressão para ganhar mais eficiência térmica no ciclo, os compressores 
passaram a ter escoamento subsônico e supersônico, o que permitiu reduzir o tamanho do 
compressor. O escoamento supersônico ocorre no primeiro e segundo estágio, próximos à 
ponta das palhetas. Assim, tornou-se necessário projetar compressores transônicos, onde em 
uma parte das palhetas o escoamento é subsônico e supersônico na outra parte. 
 
2.5.3 TURBINAS AXIAIS 
 
 A turbina tem a tarefa de fornecer potência para acionar compressor e acessórios e, no 
caso de turbinas a gás as quais não fazem o uso somente da propulsão, potência de eixo. Ela 
faz isso extraindo energia dos gases quentes liberados na câmara de combustão e expandindo-
os para uma pressão e temperatura mais baixas. Altas tensões são desenvolvidas nesse 
processo e para uma operação eficiente as pontas das palhetas podem atingir uma velocidade 
acima de 457 m/s. O escoamento contínuo de gás, ao qual a turbina esta exposta, pode ter uma 
temperatura de entrada entre 1123 K e 1973 K e alcançar velocidades acima de 761 m/s em 
algumas partes da turbina. Para produzir o torque necessário, a turbina pode ter vários 
estágios, cada um tendo um empalhetamento estacionário (estator) chamado de bocais e um 
empalhetamento que se move chamado de rotor. Vale lembrar que o estator e o rotor da 
turbina não possuem nenhuma relação com o estator e rotor do compressor. 
 
 
Figura 2.7 - Turbina de ciclo a gás (no caso do desenho, de 4 estágios). 
 
 
 
12
 O número de estágios depende da relação entre a potência necessária retirada do gás, a 
rotação que deve ser produzida e o diâmetro de turbina permitido. 
 
2.5.4 SISTEMA DE ENTRADA DE AR 
 
Os compressores da turbina são muito sensíveis a depósitos em suas palhetas, logo, 
poeira, insetos, vapores, entre outros, devem ser eliminados para manter a máxima eficiência. 
Com o intuito de remover partículas que possam afetar os elementos da turbina a gás, o 
sistema de entrada de ar é composto por uma canalização direcionadora e uma série de filtros. 
Além disso, em alguns casos, o sistema de entrada de ar é utilizado para possibilitar o 
resfriamento do ar que entra no compressor. A figura 2.4 mostra um sistema de filtragem de 
ar. 
 
Figura 2.8 - Entrada de ar com e estágios de filtração. 
 
2.5.5 SISTEMA DE EXAUSTÃO 
 
Após deixarem o último estágio da turbina, os gases de exaustão são encaminhados 
para a atmosfera ou direcionados para o equipamento de recuperação de calor. O sistema de 
exaustão possui uma chaminé na saída da turbina a gás. O exaustor direciona o gás a uma 
tubulação que transportará o gás quente para a chaminé ou para dentro do equipamento de 
recuperação de calor. A figura 2.9 mostra o sistema de exaustão da caldeira de recuperação. 
 
 
13
 
Figura 2.4 - Sistema de exaustão (e parte da caldeira de recuperação). 
 
2.6 DESEMPENHO NO PONTO DE PROJETO 
 
 O estudo do desempenho do ponto do projeto é essencial à concepção da turbina. A 
configuração do motor, os parâmetros do ciclo, os níveis de desempenho e o tamanho dos 
componentes são selecionados para uma dada especificação. O desempenho do ponto do 
projeto deve ser definido antes que qualquer análise ou condição de funcionamento seja 
possível. O desempenho total resultante do motor final será crucial ao seu sucesso comercial. 
Os cálculos genéricos do ponto dos diagramas de ponto do projeto e do projeto de amostra 
serão apresentados para alguns tipos principais da turbina de gás. [6] 
 
2.6.1 PARÂMETROS DE DESEMPENHO NO PONTO DE PROJETO DA TURBINA 
 
No inicio da determinação, a condição de funcionamento onde a turbina passará a 
maior parte do tempo é tradicionalmente escolhida como o ponto do projeto. Para uma 
unidade industrial, esta seria normalmente a carga padrão alimentada por ela. 
Alternativamente, alguma condição importante de potência superior pode ser escolhida. Na 
configuração do ponto de projeto os parâmetros do ciclo dos componentes devem ser 
otimizados. Cada vez que os parâmetros da entrada são mudados, o procedimento do cálculo 
deve ser repetido, já que a mudança exigiria uma geometria diferente do motor, na condição 
de funcionamento. Para a fase de concepção do projeto os componentes estão geralmente na 
 
 
14
mesma condição de funcionamento que o ponto do projeto do motor, ainda que em uma fase 
de projeto mais avançada isto não pode ser verdadeiro. 
Um número de parâmetros chave que definem o desempenho de motor total são 
utilizados para avaliar a conformidade de um projeto à sua aplicação, ou comparar diversos 
projetos possíveis do motor. Estes parâmetros de desempenho do motor são descritos abaixo: 
• Potência de saída: 
A potência de saída requerida é quase sempre o objetivo fundamental para o projeto do 
motor e é função do fluxo de massa através da turbina, da variação de entalpia e da variação 
de temperatura entre a entrada e a saída. 
• Potência Específica ou Torque. 
Esta é a quantidade de potencia ou de torque na saída pela unidade de fluxo mássico 
que entra na turbina. Fornece uma boa indicação inicial do peso, da área frontal e do volume 
do motor. É particularmente importante maximizar este parâmetro nas aplicações onde o peso 
ou o volume do motor são cruciais, ou para os aviões que voam nos números de Mach 
elevados onde o arrasto da área frontal da unidade é elevado. 
• Consumo específico de combustível (Specific Fuel Consumption - SFC) 
 É a massa do combustível queimado por unidade de tempo, por unidade de potencia 
ou de torque de saída. É importante minimizar SFC para as aplicações onde o peso e/ou o 
custo do combustível são significativos. Ao citar valores de SFC é imperativo indicar o valor 
calorífico do combustível. É uma função decrescente com relação à potência. 
• Eficiência térmica de turbinas de potência 
 É a potência de saída do motor dividida pela taxa de entrada de energia (combustível), 
expressageralmente como uma porcentagem. É eficazmente a recíproca do SFC, mas é 
independente do valor calorífico do combustível. Para aplicações de ciclo combinado os 
termos eficiência térmica bruta e líquida da rede são usados. A eficiência térmica bruta não 
deduz a potência exigida para conduzir os auxiliares da planta a vapor, ao contrario dos 
valores líquido. 
 
 
 
 
 
 
 
 
15
3 TURBINA A VAPOR 
 
3.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS 
 
Reaproveitando a energia térmica nos gases quentes de exaustão da turbina a gás, a 
turbina a vapor é também parte integrante da geração seqüencial proposta pela cogeração a 
ciclo combinado. Neste capítulo serão mostrados seus princípios de funcionamento e seus 
principais componentes. 
 
3.2 EVOLUÇÃO HISTÓRICA 
 
 Os primeiros passos em direção ao desenvolvimento de um dispositivo térmico 
trabalhando sobre o princípio de reação foram dados por volta de 150 a.C., com a famosa 
aeolipyle, proposta por Hero, da Alexandria. Embora considerada por alguns autores como a 
primeira turbina, ela não possui um elemento considerado obrigatório pelas definições mais 
aceitas hoje em dia: as pás. 
 
Figura 3.1 - Aeolipyle, máquina a vapor rudimentar proposta por Hero em 150 a.C. 
 
 Desde Hero, quase dois mil anos transcorreram antes que qualquer idéia fosse dada 
para utilização real do vapor para produzir energia ou trabalho mecânico. Na década de 1780, 
 
 
16
foi construída a primeira máquina a vapor que teve aplicações práticas e que se tornou um dos 
impulsos da Revolução Industrial que aconteceria no século seguinte. 
 O aparecimento da primeira turbina a vapor é associado, em primeiro lugar, aos 
engenheiros Carl Gustaf de Laval (1845 - 1913), da Suécia, e Charles Parsons (1854 - 1931), 
da Grã-Bretanha. 
 Desde o início da utilização de turbinas a vapor para a geração de energia elétrica, elas 
aumentaram significativamente suas capacidades e eficiências e tornaram-se mais complexas 
e sofisticadas. 
 Nos últimos 85 anos, desenvolvimentos técnicos contínuos de turbinas a vapor fizeram 
deste acionado primário o principal equipamento em centrais de geração elétrica. Para 
aumentar a eficiência térmica, foi introduzido, em 1930, o conceito de reaquecimento do 
vapor na fase de expansão, e tornou-se comum a sua aplicação em meados do século XX. 
A necessidade de economia de escala e o aumento na eficiência térmica levou os 
projetistas a aumentar a temperatura e a pressão de operação, além do aumento da potência. 
Atualmente, a capacidade unitária média instalada é de 600 MW, enquanto que na época de 
1920 estas potências não alcançavam 30 MW. Também houve um incremento significante na 
pressão e na temperatura do vapor. Estas passaram de no máximo 1,4 MPa e 290 oC em 1920, 
para cerca de 16 MPa e 540 oC. 
 
3.3 PRINCÍPIOS BÁSICOS DE FUNCIONAMENTO 
 
Na turbina ocorre a transformação da energia potencial do vapor em energia cinética 
devido a sua expansão. Há, portanto, a transformação desta energia em energia mecânica em 
decorrência da força do vapor que atinge as pás, produzindo a rotação. Basicamente a turbina 
é constituída por um rotor apoiado em mancais, onde se localizam as pás (móveis), as palhetas 
(imóveis) e a carcaça (invólucro). Em resumo, é uma máquina que transforma a energia 
térmica do vapor, medida na forma de entalpia, em trabalho mecânico. 
 
 
 
17
 
Figura 3.2 - Foto de uma Turbina a Vapor utilizada em uma central térmica (ALSTOM). 
 
O trabalho mecânico realizado pela máquina pode ser o acionamento de um 
equipamento qualquer, como, por exemplo, um gerador elétrico, um compressor ou uma 
bomba. A energia, que permanece no vapor descarregado pela máquina, é, em muitos casos, 
simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Em outras situações, entretanto, 
é possível aproveitar o vapor descarregado pela máquina para fins de aquecimento, por 
exemplo. Aproveita-se assim sua energia residual, melhorando, em conseqüência, de forma 
significativa o rendimento global do ciclo. 
 
 
Figura 3.3 - Esquema de conversão de energia. 
 
 
 
18
3.4 CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR 
 
3.4.1 PRINCIPIO DE AÇÃO E REAÇÃO 
 
 Existem basicamente duas formas de utilizar a energia cinética do vapor, para 
realização de trabalho mecânico: o princípio da ação e o princípio da reação. 
Se a saída de vapor for fixa e o jato de vapor dirigido contra um anteparo móvel, a 
força de ação do jato irá deslocar o anteparo, em sua direção. O jato de vapor (o qual podemos 
considerar um corpo em movimento) tem sua velocidade modificada pelo anteparo circular, 
colocado em seu caminho. Este é, em essência, o princípio da ação. 
 
 
Figura 3.4 - Princípios de Ação e Reação. 
 
No entanto, se a saída de vapor puder mover-se, a força de reação que atua sobre ela, 
fará com que se desloque, em direção oposta do jato de vapor. Este é o princípio da reação. 
Em ambos os casos a energia do vapor foi transformada em energia cinética e esta 
energia cinética foi, então, convertida em trabalho. Newton, no século XVII, estabeleceu as 
leis que explicam exatamente os dois princípios apresentados acima. 
 
3.4.2 - TURBINA DE AÇÃO E TURBINA DE REAÇÃO 
 
Se tivermos uma câmara de expansão (ou expansores), montada em uma câmara de 
vapor estacionária, dirigindo um jato de vapor para uma palheta, montada na periferia de uma 
roda, teremos uma turbina de ação rudimentar. Agora, se montarmos a própria câmara de 
vapor com a câmara nas bordas da roda e conseguirmos levar vapor, de forma contínua, a esta 
 
 
19
câmara, através de um eixo oco, teremos construído uma turbina de reação elementar. A 
construção de uma turbina de reação como descrita acima, apresenta dificuldades de ordem 
prática, pois a condução do vapor através do eixo de rotação não caracteriza uma solução 
simples e isso impede a construção de turbinas de reação pura. 
Embora turbinas apresentadas no parágrafo anterior ilustrem os princípios básicos 
envolvidos, algumas modificações são necessárias para convertê-las em unidades práticas. Em 
turbinas de ação reais teremos normalmente não apenas uma, mas várias câmaras de expansão 
em paralelo, constituindo um arco ou um anel. Os anéis de câmaras de expansão são também 
conhecidos como rodas de palhetas fixas. Eles direcionam o jato de vapor na direção de uma 
roda de palhetas móveis, conforme ilustra a Figura 3.5. 
Em turbinas de ação, toda a conversão de energia do vapor (entalpia) em energia 
cinética ocorrerá nos expansores. Conseqüentemente, no arco ou no anel de expansores 
haverá uma queda na pressão e temperatura do vapor e um aumento da sua velocidade. 
 
 
Figura 3.5 - Estágio de ação e de reação. 
 
Em turbinas de reação comerciais teremos vários estágios, dispostos em serie, sendo 
cada estágio constituído de um anel de expansores (também chamado de roda de palhetas 
fixas), seguido de uma roda de palhetas móveis (como mostrado esquematicamente na Figura 
3.5). Tanto as palhetas fixas, como as móveis têm seção assimétrica, o que resulta em áreas de 
passagens convergentes, para o vapor, em ambas. Por esta razão, parte da expansão do vapor 
ocorrerá nas palhetas fixas e parte ocorrerá nas palhetas móveis. Isto representa um desvio do 
princípio de reação puro, segundo o qual toda a expansão deveria ocorrer nas palhetas móveis. 
Na realidade o que chamamos comercialmente de turbina de reação é uma combinação com 
 
 
20
saltos de entalpia. Grandes variações, no entanto levariam a velocidades excessivas nas 
palhetas e trariam problemas de ordem mecânica. 
Para contornar o problema, divide-se o aproveitamento do salto de entalpia em vários 
saltos menores subseqüentes, que chamamos de estágios. Máquinas de grande potência têm 
vários estágios, colocados em série,podendo ser tanto de ação como de reação. Nas palhetas 
fixas teremos uma expansão parcial do vapor, resultando em uma queda de pressão e em um 
aumento da velocidade. Nas palhetas móveis ocorrerá o restante da expansão, resultando em 
uma segunda queda de pressão e em um aumento da velocidade do vapor em relação à 
palheta. 
Entretanto, mesmo havendo um aumento da velocidade do vapor em relação à palheta 
móvel, causada pela expansão, a velocidade absoluta do vapor nas palhetas móveis cairá, pois 
estas atuam, não só como expansores, mas também pelo princípio da ação, transformando a 
velocidade gerada em trabalho mecânico. Define-se como grau de reação de um estágio de 
reação a proporção entre a parte do salto de entalpia que ocorre nas palhetas móveis e o salto 
de entalpia total do estágio. É bastante usual a construção de estágios com grau de reação 
igual a 50%, embora outras proporções possam também ser admitidas. 
 
3.4.3 CONFIGURAÇÕES DAS TURBINAS A VAPOR 
 
As turbinas térmicas a vapor podem ser dos tipos tandem-compound ou cross-
compound. Na configuração tandem-compound, que é apresentada na Figura 3.6, os estágios 
são conectados em série e acoplados a um único gerador, tudo em um mesmo eixo. 
 
 
Figura 3.6 - Turbinas tandem-compound. [7] 
 
Na configuração cross-compound, mostrada na Figura 3.7, a turbina apresenta dois 
eixos distintos, acoplados a dois geradores e acionados por um ou mais estágios da turbina. 
 
 
21
Apesar da existência de dois eixos e dois geradores diferentes, a turbina constitui ainda um 
conjunto único com vários estágios, sendo submetida à ação de um conjunto, também único, 
de sistemas de controle. Esta configuração traz a vantagem de ter maior capacidade de 
geração e permitir o aumento da eficiência. No entanto sua construção envolve custos mais 
elevados. 
 
 
Figura 3.7 - Turbinas cross-compound. 
 
De uma forma geral as turbinas do tipo tandem-compound giram a 3600 rpm, 
enquanto que as do tipo cross-compound têm velocidade angular de 3600 rpm em seus dois 
eixos, ou alternativamente, 3600 rpm em um eixo e 1800 rpm no outro eixo. 
As turbinas térmicas a vapor podem ser classificadas, também, em função da 
existência ou não de etapas de reaquecimento. Assim, é possível considerar os seguintes tipos: 
sem reaquecimento; com reaquecimento simples e com duplo reaquecimento. 
Aquelas sem reaquecimento têm um único estágio e são aplicadas em unidades 
geradoras de até 100 MW. Em instalações de maior porte, consideram-se as turbinas térmicas 
como simples ou duplo reaquecimento, que possibilitam uma maior eficiência. O desempenho 
do ciclo é influenciado por estas diferentes configurações e também por parâmetros de 
operação. 
 
3.5 PRINCIPAIS COMPONENTES DA TURBINA A VAPOR 
 
Serão apresentados agora os principais componentes encontrados na montagem de 
uma turbina a vapor. Alguns deles já foram citados nas sessões anteriores: 
 
 
22
 
 
Figura 3.8 - Turbina a Vapor (ALSTOM). 
 
• Carcaça, geralmente dividida longitudinalmente em duas partes para facilitar o 
acoplamento e desmontagem, e que contém o sistema de pás fixas ou distribuidores; 
• Rotor com pás em sua periferia. É nele que incide o vapor e onde é feita a 
transformação na direção e magnitude da velocidade do vapor; 
• Acoplamento mecânico para conexão com o gerador elétrico; 
• Dispositivo de expansão, sempre constituído de um bocal fixo ou móvel 
(diretrizes), no qual a energia de pressão do vapor se transforma em energia cinética; 
• Junta de labirinto, necessária para reduzir o calor gerado quando acontece o 
contato rotor/estator, diminuindo o risco de danos ao material do rotor ou até mesmo do eixo. 
Além destes componentes, a montagem de uma turbina a vapor inclui uma série de 
válvulas utilizadas para direcionar o vapor de maneira a maximizar a conversão da entalpia 
em energia mecânica. As válvulas principais associadas à turbina a vapor são mostradas na 
Figura 3.9. [8] 
 
 
 
23
 
Figura 3.9 - Sistema de válvulas de controle. 
 
• Válvulas Principais de Parada 
 
Também chamadas de válvulas de estrangulamento, têm como principal função prover 
proteção de retaguarda para a turbina a vapor quando não há atuação das válvulas de controle. 
É também responsável pelo controle do vapor durante a partida. 
 
• Válvulas de Controle de Vapor 
 
As válvulas de controle de vapor são responsáveis pelo controle primário da turbina. 
Têm a função de regular o fluxo de vapor para a turbina e, conseqüentemente, controlar a 
potência gerada dentro das condições especificadas pelo usuário. A liberação de maior ou 
menor quantidade de vapor é realizada mediante sinal do regulador de velocidade que emite o 
comando de abrir ou fechar as válvulas de controle. 
 
• Válvulas de Interceptação e Válvulas de Parada de Vapor Reaquecido 
 
A utilização das válvulas de interceptação permite o estrangulamento do fluxo de 
vapor para a turbina de pressão intermediária controlando dessa maneira a velocidade, que 
 
 
24
pode ser sobre-elevada em função da energia existente no vapor proveniente do reaquecedor. 
Tal condição também pode ser verificada durante o desligamento da unidade, sendo as 
válvulas de interceptação utilizadas no controle da velocidade. 
Uma proteção de retaguarda para a turbina a vapor é oferecida pelas válvulas de 
parada do vapor reaquecido no caso de um distúrbio da rede ou uma falha da válvula de 
interceptação. Durante grandes variações de carga e desligamento as válvulas de interceptação 
controlam a velocidade protegendo a turbina de sobrevelocidade destrutiva. 
 
• Válvula de bypass 
 
Um sistema de bypass de vapor permite que a caldeira seja operada 
independentemente da turbina. Desse modo, o fluxo de vapor na saída da caldeira dependerá 
somente da capacidade das válvulas de bypass. O aquecimento em combinação com o estresse 
ocasionado pela sobrevelocidade na turbina, e conseqüente saída de operação, pode danificar 
a turbina de alta pressão. Uma forma de evitar que este fato ocorra é a solicitação da válvula 
de bypass para sangrar o vapor para o condensador. Além dos equipamentos principais como 
caldeiras e turbinas, uma central termelétrica a vapor possui os denominados equipamentos 
auxiliares, que são de importância vital para o funcionamento da central. Alguns componentes 
são o condensador, a torre de resfriamento, o sistema de água de circulação, o desaerador e a 
bomba de condensado. 
Todos os aparelhos por onde circula a água já condensada, compreendidos entre a 
turbina e a caldeira, compõem o sistema de condensado e água de circulação. O vapor ao sair 
da turbina é condensado, criando uma zona de baixa pressão na exaustão da mesma. Em 
seguida, ocorre o descarregamento da água no desaerador para a eliminação de gases 
impróprios. Há ainda uma compensação da água de alimentação que vai entrar na caldeira 
através do vapor extraído da turbina completando-se assim o ciclo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
25
4 ESTUDO QUALITATIVO E QUANTITATIVO DA GERAÇÃO À CICLO 
COMBINADO 
 
4.1 CONSIDERAÇÕES INICIAIS 
 
Após um breve apanhado histórico sobre o assunto, esse capítulo abordará os 
princípios de funcionamento da geração a ciclo combinado, bem como cálculos para a 
determinação da eficiência do ciclo, esquemas e tipos de montagem. Será feito também 
uma apresentação de alguns sistemas auxiliares que, juntamente com as turbinas a gás e a 
vapor, compõem uma usina baseada nesse tipo de geração termelétrica. 
 
4.2 MOTIVAÇÃO E HISTÓRICO 
 
A geração por aproveitamento de ciclos combinados a gás e vapor começou a ser 
questionada seriamente a partir dos anos 1950 e 1960. Na época, os ciclos a vapor eram os 
mais utilizados para a geração de potência e as pesquisas para seu aperfeiçoamentoeram 
intensas. No entanto, na mesma época, os fundamentos termodinâmicos e as vantagens 
oferecidas pela utilização de ciclos combinados, principalmente em termos de eficiência, já 
eram conhecidos, apesar das dificuldades tecnológicas que impediam o seu 
desenvolvimento. 
Encontra-se na literatura que as primeiras instalações de ciclo combinado foram 
viabilizadas nos Estados Unidos e na Europa, no ano de 1971. As primeiras instalações 
norte-americanas tinham, em média, uma capacidade de geração que variava entre 15 MW 
e 20 MW, sendo a planta química de Dow, no Texas, uma das maiores, com 63 MW (dos 
quais 43 MW eram produzidos pela turbina a gás). Na Europa, a instalação “Koneuburg-
A” foi a de maior capacidade (75 MW) que operou naquele ano, com uma eficiência de 
32,6%. 
 Nos anos 1970 e 1980, com o desenvolvimento tecnológico apresentado, pode-se 
observar uma expansão na faixa de mercado da geração de eletricidade com emprego dos 
ciclos combinados. 
 
 
26
A partir dos anos 1990, a instalação de centrais de grande porte que utilizam o gás 
natural como combustível foi feita de maneira extensiva. 
 
4.3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO 
 
A expressão “Ciclo Combinado” caracteriza uma produção de energia ou uma central 
que utiliza mais de um ciclo termodinâmico. Os motores térmicos transformam uma parte 
da energia armazenada no combustível em trabalho mecânico que pode ser, em seguida, 
convertido em eletricidade por meio de um gerador. 
Em termos mais técnicos, um ciclo simples com turbina a gás (Ciclo de Brayton) 
associado a um ciclo simples com turbina a vapor (Ciclo de Rankine) compõem a geração 
a ciclo combinado. [9] 
 
 
Figura 4.1 - Esquema básico da geração a ciclo combinado. [10] 
 
Dessa maneira, torna-se possível um maior aproveitamento da energia inicial contida 
no combustível, através da colocação em “cascata energética” dos dois ciclos. 
O processo se inicia com a geração de eletricidade na turbina a gás. A energia liberada 
na explosão do combustível faz girar as pás da turbina e essa energia mecânica é transferida 
 
 
27
para o gerador. A cascata energética é feita utilizando a energia térmica dos gases de exaustão 
da turbina a gás para aquecer a água de uma caldeira de recuperação (CR). O vapor gerado na 
caldeira aciona a turbina a vapor que, por sua vez, transmite energia mecânica para um 
gerador (que pode, como veremos a seguir, ser o mesmo que está acoplado à turbina a gás). O 
vapor é então condensado e reenviado para a caldeira. Esse processo está ilustrado na Figura 
4.1. 
 
 
Figura 4.2 - Vista superior de uma central a ciclo combinado mono-eixo (ALSTOM). 
 
4.4 CLASSIFICAÇÃO DE CENTRAIS DE CICLO COMBINADO 
 
De acordo com diferentes parâmetros as centrais a ciclo combinado podem ser 
categorizadas de diversas formas para melhor compreensão e estudo destes sistemas. 
 
4.4.1 QUANTO À CONFIGURAÇÃO DOS CICLOS TERMODINÂMICOS 
 
Com relação à disposição das turbinas, existem três tipos centrais de ciclos combinados 
para a geração de eletricidade. Estes são: 
• Central de Ciclo Combinado em Série; 
• Central de Ciclo Combinado em Paralelo; 
 
 
28
• Central de Ciclo Combinado em Série/Paralelo. 
 
 
(a) 
 
(b) 
 
(c) 
Figura 4.3 - Tipos de centrais termelétricas de ciclo combinado gás – vapor: 
a) série; b) paralelo; c) série-paralelo. [11] 
 
Uma central de ciclo combinado em série é a que liga um ciclo Brayton com uma 
turbina a gás e um ciclo a vapor através de uma caldeira de recuperação. Neste caso, os gases 
de uma exaustão da turbina a gás (TG) são utilizados para a geração de vapor em dois níveis 
de pressão. Uma característica particular desta configuração é que a vazão volumétrica de 
vapor nos últimos estágios da turbina a vapor (TV) pode ser ate 70% maior em relação ao 
estágio de alta pressão. Isto tanto pelo fornecimento de vapor a uma pressão intermediária, 
 
 
29
como pela ausência de extrações para a regeneração no circuito de água de alimentação. 
Uma central em paralelo é aquela em que o combustível é utilizado para gerar o calor 
para os dois ciclos. Os gases obtidos no processo de combustão transferem calor diretamente 
às paredes de água colocadas na fornalha antes de se expandirem na TG. A maior dificuldade 
que se verifica nesta configuração é que se pode operar apenas com um combustível de alta 
qualidade, visando garantir um funcionamento estável e prolongado na TG. 
As centrais em série/paralelo funcionam como as em série, mas empregam a queima 
de combustível adicional na caldeira de recuperação. Uma central termelétrica com esta 
configuração pode ser encontrada em Moldova. 
 
4.5.2 QUANTO AO ACOPLAMENTO DAS MÁQUINAS 
 
Outra classificação das centrais termelétricas (ou blocos geradores) de ciclo combinado a 
gás e vapor, na sua forma mais geral, é feita segundo o acoplamento das máquinas. Segundo 
este princípio elas são: 
• De múltiplos eixos ou multi-eixo (multi-shaft): As turbinas se encontram em eixos 
diferentes, acopladas a geradores elétricos distintos. Tem como maior vantagem a 
facilidade de operação oferecida durante o período de construção da central, uma vez que 
permite a geração de eletricidade na instalação da TG enquanto se realiza a instalação da 
TV e da CR. Nesses casos, para a operação da turbina a gás em ciclo simples, é 
necessário o dispositivo de bypass dos gases de exaustão. Este dispositivo oferece 
vantagens adicionais como, por exemplo, o aquecimento mais controlado da caldeira 
durante a partida e a geração mais eficiente de vapor. 
 
 
Figura 4.4 - Arranjo de Central em multi-eixo. 
 
• De eixo único ou mono-eixo (single-shaft): A TG e a TV estão acopladas, no mesmo 
eixo, a um único gerador elétrico. Esta ligação é feita através de um sistema de 
embreagens que controla o sincronismo entre as velocidades de rotação das turbinas. Esta 
 
 
30
configuração apresenta uma série de vantagens, entre as quais podemos citar: 
simplificação no controle de operações, alta disponibilidade e confiabilidade, maior 
eficiência a cargas parciais e melhor economicidade no caso de repotenciação. 
 
Figura 4.5 - Arranjo de Central em mono-eixo. 
 
4.5.2.1 EMBREAGEM OU “CLUTCH” 
 
Localizado entre o gerador elétrico e a turbina a vapor, este acoplamento mecânico 
tem como fundamento de operação o acionamento da TV ao gerador elétrico quando o 
número de revoluções desta máquina atinge o da TG, ou tende a superá-lo. O desacoplamento 
acontece quando o número de revoluções da TV volta a ser inferior ao da TG. 
 
 
 
Figura 4.6 - Fotos ilustrativas do sistema de acoplamento. (SSSClutch). [12] 
 
 Nas figuras 4.7 observamos as curvas de partida e parada do clutch em um exemplo 
hipotético. 
 
 
31
 
Figura 4.7 - Curvas de partida e parada do clutch. 
 
4.6 PRINCÍPIOS TERMODINÂMICOS 
 
Usando a definição da temperatura média de fornecimento e de rejeição de calor do 
ciclo, escreve-se a eficiência térmica do ciclo de vapor como sendo a de um ciclo de Carnot. 
Logo: 
 
 
(4.1) 
 
 Sendo: 
T1m = Temperatura média de fornecimento de calor ao ciclo; 
 T2m = Temperatura média de rejeição de calor do ciclo. 
Onde a temperatura média Tm calcula-se como: 
 
 
 
(4.2) 
Sendo: 
Q = O calor fornecido ao ciclo (para T1m) ou rejeitado do ciclo (para T2m); 
∆s = A diferença de entropia durante o processo de fornecimento de calor ao ciclo (para T1m) 
ou durante o processo de rejeição do ciclo (para T2m). 
 A eficiência térmica de centrais termelétricas a vapor com parâmetros supercríticos, 
reaquecimento intermediário e com um desenvolvido sistema de regeneração pode atingir até 
45% no melhor dos casos. Este valor é maior do que a eficiência de uma central termelétrica 
 
 
32com ciclo a gás simples; que tem uma eficiência térmica máxima entre 36% e 39%. 
 
4.7 SISTEMAS AUXILIARES 
 
 Além da turbina a gás e da turbina a vapor, uma central de geração a ciclo combinado 
conta com uma série de sistemas que são responsáveis pelas diversas etapas no processo de 
geração de energia. Entre os principais sistemas auxiliares, podemos citar: 
 
• Sistema de Recuperação de Calor e Geração de Vapor 
 Mais conhecido como HRSG (do inglês, Heat Recovery Steam Generator), o Sistema 
de Recuperação de Calor e Geração de Vapor é responsável por realizar a troca de calor entre 
os gases quentes da exaustão da turbina a gás e gerar o vapor que alimenta o segundo ciclo. 
HRSGs consistem em três componentes principais: o evaporador, o superaquecedor, e o 
economizador. 
 Baseado no fluxo de gás de exaustão, HRSGs são classificados como verticais ou 
horizontais. No tipo horizontal, o gás de exaustão flui horizontalmente sobre os tubos verticais 
ao passo que no tipo vertical, fluxo do gás de exaustão incide verticalmente sobre os tubos 
horizontais. 
Baseado em níveis da pressão, HRSGs pode ser classificados como sendo de pressão 
única ou multi-pressão. HRSGs de pressão única possuem apenas um cilindro de vapor, ao 
passo que a multi-pressão HRSGs emprega dois ou três cilindros em diferentes níveis de 
pressão. Esses níveis, por sua vez, são classificados como LP (Baixa Pressão ou “Low 
Pressure”), IP (Pressão Intermediária, ou “Intermediate Pressure”) e HP (Alta Pressão, ou 
“High Pressure”). Cada cilindro de vapor possui uma seção do evaporador onde a água é 
convertida em vapor. Este vapor passa então através dos superheaters (super aquecedores) 
para levantar a temperatura e a pressão após o ponto de saturação e ser então direcionado para 
a turbina a vapor. 
 
 
 
33
 
Figura 4.8 - Elementos da caldeira de recuperação do tipo vertical. 
 
• Gerador 
É onde ocorre a transformação da energia mecânica em energia elétrica. Dependendo da 
configuração da planta (single-shaft ou multi-shaft) podemos encontrar um gerador acoplado 
às duas turbinas simultaneamente ou um gerador para cada turbina. 
O sistema de resfriamento dos geradores varia com a potência nominal do equipamento. 
Em centrais de maior escala os geradores resfriados a hidrogênio são os mais comuns, mas 
podemos ainda encontrar gerador com resfriamento a ar ou água. 
 
Figura 4.9 - Gerador. 
 
• Controle de Emissões 
Tem a função de reduzir a emissão de substâncias nocivas ao ambiente. Consiste 
 
 
34
normalmente de duas etapas. Primeiro, é pulverizada uma mistura de amônia e água nos gases 
que saem da turbina a gás. A nova mistura passa, então, por um reator catalítico, onde óxidos 
de nitrogênio em nitrogênio e água. 
 
• Transformadores 
Uma vez gerada, a energia elétrica que sai dos geradores passa por um conjunto de 
transformadores para se adequar aos valores de tensão da rede, para que possa então ser 
inserida. Uma parte desta energia é ainda para transformadores abaixadores e servira para 
alimentar todos os sistemas da central. 
 
4.8 EFICIÊNCIA DAS CENTRAIS TERMELÉTRICAS DE CICLO COMBINADO 
 
4.8.1 EFICIÊNCIA DA CENTRAL EM SÉRIE 
 
 Na figura 4.10 se apresenta um esquema simples do fluxo de calor e energia de uma 
central em série. O ciclo superior (CS) é, por exemplo, uma instalação de turbina a gás que 
opera em circuito aberto. A energia dos gases de exaustão da instalação da TG é parcialmente 
transferida ao ciclo inferior mediante uma caldeira de recuperação, equipamento onde existem 
determinadas perdas durante o processo de troca de calor. 
 
Figura 4.10 - Fluxo de calor e energia (Central em série). 
 
 A equação que calcula a eficiência térmica total da central de ciclo combinado em 
séria é: 
 
 
35
 
 
(4.3) 
 
Sendo: 
 
 
(4.4) 
 
Onde: 
QF = Fluxo de energia fornecida à central com o combustível, MW; 
mC = vazão mássica de combustível, kg/s; 
PCI = Poder Calorífico Inferior do combustível, MJ/kg; 
W = Potencia gerada pelos ciclos superior (CS) e inferior (CI), respectivamente, MW. 
 A eficiência térmica do ciclo superior será: 
 
 
(4.5) 
 
A eficiência do ciclo inferior é calculada como: 
 
 
(4.6) 
 
 O termo Qtransferido refere-se à parcela de energia contida nos gases de exaustão da 
instalação da TG que é transferida ao ciclo a vapor na caldeira de recuperação, mas: 
 
 
 
(4.7) 
Ou 
 
 
(4.8) 
 
Qperdas representa as perdas relativas à energia que não é transferida na CR e a energia 
dos gases de escape que é rejeitada à atmosfera pela chaminé, porém, 
 
 
 
36
 
 
(4.9) 
Ou 
 
 
(4.10) 
Sendo: 
 
 
 (4.11) 
 
Ou seja ξperdas é a relação entre a energia perdida na conexão dos ciclos e a energia 
total que é fornecida à central com o combustível. 
 
4.7.2 EFICIÊNCIA DA CENTRAL EM PARALELO 
 
 As centrais em paralelo estão compostas por dois subsistemas que operam em ciclos 
bem definidos, tal como se apresentam na figura 4.11. 
 O calor de escape do ciclo 1 pode ser o calor rejeitado à atmosfera com os gases de 
exaustão da TG, enquanto que o do ciclo 2 é o calor rejeitado no condensador da instalação da 
TV. 
 
Figura 4.11 - F luxo de calor e energia (Central em paralelo). 
 
 A eficiência térmica da central de ciclo combinado em paralelo é dada por: 
 
 
 
37
 
 
(4.12) 
 
Sendo: 
W = Potencia gerada pelos ciclos 1 e 2, MW. 
Sendo que: 
 
 
(4.13) 
 
 Segundo o esquema apresentado Q1 e Q2 são os fluxos de calor fornecidos aos 
subsistemas compostos pelos ciclos 1 e 2, que apresentam eficiências η1 e η2, e permitem a 
obtenção das potências: 
 
 
(4.14) 
 
 
(4.15) 
 
 Substituindo as equações 4.13, 4.14 e 4.15 na equação 4.12, então, a eficiência térmica 
da central de ciclo combinado em paralelo pode ser calculada como: 
 
 
 
(4.16) 
 
 Desta forma, poder-se-ia colocar: 
 
 
 
(4.17) 
Ou 
 
 
(4.18) 
Sendo que: 
 
 
(4.19) 
 
 
38
E 
 
(4.20) 
 
representam a relação entre o calor fornecido aos ciclos 1 e 2 com relação ao calor total 
fornecido à central. 
 Assumindo que η1 > η2, percebe-se que o valor de eficiência de uma central deste tipo 
se encontra entre os valores de eficiência dos ciclos η1 e η2, separadamente. Por esse motivo, 
numa aplicação de repotenciação, o subsistema adicionado devera ter uma eficiência 
consideravelmente maior que o subsistema existente para atingir um ganho razoável de 
eficiência na central em conjunto. 
 
4.7.3 EFICIÊNCIA DA CENTRAL EM SÉRIE/PARALELO 
 
 A figura 4.12 apresenta o esquema simples de uma central de ciclo combinado em 
série/paralelo. 
 
Figura 4.12 - Fluxo de calor e energia (Central em série/paralelo). 
 
 Nesse caso, por exemplo, a central pode ter uma instalação de TG no ciclo superior 
combinada com uma instalação de TV no ciclo inferior, com queima suplementar de 
combustível na CR, sendo que esse equipamento segue o esquema tradicional da queima 
suplementar de gás natural. 
A eficiência térmica da central de ciclo combinado em série paralelo é dada por: 
 
 
39
 
 
 
(4.21) 
Sendo: 
 
 
(4.22) 
 
 
(4.23) 
 
 
(4.24) 
 Para o ciclo superior e o inferior a eficiência é calculada pelas equações a seguir: 
 
 
(4.25) 
 
 
(4.26) 
 No entanto, neste caso, o calor fornecido ao ciclo inferior QC é a soma do calor de 
escape do ciclo superior com o calor fornecido pela queima do combustível suplementar 
menos as perdas. 
 Com a equação 4.26 se demonstra que a queima suplementar de combustível não 
conduz ao aumento da eficiência da central em serie/paralelo com relaçãoà central em série. 
Nas centrais com queima suplementar, além das perdas por trocas de calor na CR, existem 
perdas na combustão que acarretam uma diminuição maior ainda da eficiência térmica. No 
entanto, comparativamente, com a queima suplementar, se consegue uma maior potência 
gerada e capacidade de resposta ante as mudanças da carga, o que pode ser um aspecto 
importante para centrais ou blocos gerados que operem na região de carga intermediaria ou 
ponta do sistema elétrico. 
 
4.8.4 INFLUÊNCIA DE VARIÁVEIS TERMODINÂMICAS NO RENDIMENTO DAS 
CENTRAIS 
 
 Esta sessão apresentará uma análise do rendimento e da capacidade geradora de uma 
central funcionando a ciclo combinado (a capacidade geradora será representada pelos valores 
de exergia do sistema. A exergia consiste no trabalho teórico máximo que pode ser obtido de 
 
 
40
um processo até que seja atingido o equilíbrio termodinâmico). 
Para tal, será tomada como exemplo numérico uma central padrão, com quatro 
turbinas a gás e duas turbinas a vapor, funcionando em temperatura ambiente de 25oC e 
pressão atmosférica de 101,3 kPa, ao nível do mar. A usina e, questão possui as seguintes 
características de projeto: 
Tabela 4.1 - Dados característicos dos equipamentos a gás da usina termelétrica. 
 
Rendimento isentrópico do compressor da turbina a gás 0,87 
Rendimento isentrópico do expansor da turbina a gás 0,92 
Rendimento do gerador da turbina a gás 0,91 
Razão de compressão do compressor da turbina a gás 15:1 
Poder Calorífico Inferior (PCI) do gás natural 50.006 kJ/kg 
Perda de carga na câmara de combustão da turbina a gás 2,50% 
Potência de eixo da turbina a gás (ISO) 70.140 kW 
Fluxo de massa na turbina a gás (ISO) 205,024 kg/s 
Heat Rate na turbina a gás (ISO) 10.105 Btu/kWh 
Rendimento isentrópico da turbina a vapor 0,89 
Rendimento isentrópico da bomba 0,9 
Rendimento do gerador da turbina a vapor 0,91 
Potência elétrica da turbina a vapor 58.423 kW 
Potência na bomba 354,2 kW 354,2 kW 
 
 
 
 
41
 
Figura 4.13 – Arranjo da termelétrica exemplo, operando em ciclo combinado. 
 
Para se fazer uma análise energética e exergética de uma planta devem ser realizados 
balanços de massa, energia e exergia, e definidas as eficiências pela primeira e segunda lei da 
termodinâmica, bem como as irreversibilidades, considerando um volume de controle para de 
cada um dos equipamentos que a compõem. [13] De uma forma geral, para processos em 
regime permanente e desconsiderando as variações de energia cinética e potencial, temos as 
seguintes equações de balanço de massa, energia e exergia. 
 
 
 
(4.27) 
 
 
(4.28) 
 
 
(4.29) 
 
 
 
42
Onde: 
 - Fluxo de massa que entra no volume de controle (kg/s); 
 - Fluxo de massa que sai do volume de controle (kg/s); 
 - Entalpia específica na entrada do volume de controle (kJ/kg); 
hs - Entalpia específica na saída do volume de controle (kJ/kg); 
exe - Exergia específica na entrada do volume de controle (kJ/kg); 
exs - Exergia específica na saída do volume de controle (kJ/kg); 
Ti - Temperatura superficial do volume de controle (K); 
T0 - Temperatura do fluido no estado de referência (K); 
 - Taxa de irreversibilidade no volume de controle (kW); 
 - Fluxo de calor no volume de controle (kW); 
 - Potência referente ao volume de controle (kW). 
 
As exergias específicas na entrada e saída de cada equipamento são calculadas, 
respectivamente, por: 
 
exe = ( h − ho )e − To( s − so )e (4.30) 
exs = ( h − ho )s − To( s − so )s (4.31) 
 
onde: 
h - Entalpia específica do vapor (kJ/kg); 
s - Entropia específica do vapor (kJ/kg K); 
ho - Entalpia da água para o estado de referência (104,86 kJ/kg); 
so - Entropia da água para o estado de referência (0,367 kJ/kg K). 
 
As eficiências pela primeira lei e segunda lei da termodinâmica (η e ψ) são calculadas 
para cada equipamento através das seguintes equações termodinâmicas clássicas: 
 
 
 
 
 
(4.32) 
 
 
43
 
 
 
(4.33) 
 
Onde: 
∆hiso - Diferença entre as entalpias de entrada e saída do equipamento, para processo 
isoentrópico (kJ/kg); 
∆hreal - Diferença real entre as entalpias de entrada e saída do equipamento (kJ/kg); 
 - Fluxo de massa (líquido ou vapor) no equipamento (kg/s). 
 
Além da definição da eficiência exergética para cada equipamento, a análise 
exergética também contempla a determinação da quantidade com que cada equipamento 
contribui na geração de irreversibilidade global do sistema, podemos definir uma equação que 
permite quantificar a porcentagem da irreversibilidade de cada equipamento (Iequip) em relação 
ao total da planta (It): 
 
 
(4.33) 
 
Para o cálculo da exergia específica do gás natural (exgn) é levado em conta a 
correlação entre a exergia química e o poder calorífico inferior do combustível, considerando 
a relação entre as frações em massa de oxigênio e carbono, a composição elementar do 
combustível, e o conteúdo de cinza e de umidade, conforme segue: 
 
 
 
 
(4.34) 
 
 
(4.35) 
sendo: 
exf - Exergia física do gás natural (tomado como gás ideal); 
exq - Exergia quimica do gás natural; 
 Xi - Fração molar de cada componente do combustível; 
- Peso molecular de cada componente do combustível (kg/kmol); 
Exi - Exergia química de cada componente do combustível (kJ/kg). 
 
 
 
44
A resolução do sistema de equações resultante foi efetuada utilizando-se o programa 
EES® (Engineering Equation Solver), que permite a determinação das propriedades 
termodinâmicas do sistema, como entalpia e entropia, possibilitando a realização de cálculos 
de uma maneira simples e eficiente, sem a necessidade de se recorrer a tabelas 
termodinâmicas. Vale lembrar que foi adotado como estado de referência o definido pela 
temperatura de 25 ºC e pressão de 101,3 kPa. 
Nas Figuras de 4.14 a 4.9 podem ser observadas as influências de alguns parâmetros 
no ciclo, tais como: temperatura ambiente, pressão na saída da turbina a gás, pinch point, 
pressão de circulação e pressão de alta, respectivamente. [14] 
 
 
Figura 4.14 - Variação do rendimento e da potência total produzida em função da temperatura ambiente. 
 
 
45
 
Figura 4.15 - Variação da potência da turbina a gás e da temperatura de saída em função da pressão de saída na 
turbina a gás. 
 
 
 
Figura 4.16 - Variação da potência da turbina a vapor e da eficiência da caldeira de recuperação. 
 
 
 
46
 
Figura 4.17 - Variação da eficiência da caldeira de recuperação em função da pressão do condensado. 
 
Figura 4.18 - Variação da potência da turbina a vapor e da eficiência da caldeira em função da pressão de alta na 
turbina a vapor. 
 
 Verifica-se assim que os parâmetros não construtivos que mais afetam a produção de 
potência do ciclo combinado são a temperatura ambiente e a perda de carga dos gases na 
caldeira de recuperação. No que diz respeito às características construtivas o principal 
parâmetro que influencia a potência é o pinch point. 
 
 
47
4.9 “K26 POWER PLANT” 
 
Com o intuito de exemplificar os conceitos passados neste capítulo, será apresentada 
agora a ficha técnica de um dos modelos de central a ciclo combinado fabricadas pela 
ALSTOM POWER: a K26 / SSPT. [15] 
 
4.9.1 CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS 
 
A KA26 é uma planta compacta e de rápida montagem. Seu arranjo mono-eixo permite 
um acesso fácil aos seus componentes para manutenção, com áreas de manobra espaçosas. A 
tabela 4.1 traz um resumo das suas características de potência (ponto de projeto). 
 
Tabela 4.2 - Valores de saída da central. 
KA26 
Potência de saída 378 MW 
Eficiência 57% 
Relação de