Geracao_Eletrica_aula_8_Centrais_Termeletricas

Prévia do material em texto

Centrais Termoelétricas 
Prof. Dr. Eng. Paulo Cícero Fritzen 
1 
Geração Elétrica 
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA 
Introdução 
2 
 O processo fundamental de funcionamento das centrais termelétricas 
baseia-se na conversão de energia térmica em energia mecânica e esta em 
energia elétrica. 
 A conversão de energia térmica em mecânica é feita com o uso de 
um fluído que produzirá, em seu processo de expansão, trabalho em turbinas 
térmicas. O acionamento mecânico de um gerador elétrico acoplado ao eixo 
da turbina converte energia mecânica em elétrica. 
 A produção da energia térmica pode ser dada pela transformação da 
energia química dos combustíveis, por meio do processo da combustão, ou 
da energia nuclear dos combustíveis radioativos, com a fissão nuclear. 
Centrais cuja geração é baseada na combustão são conhecidas como 
termoelétricas. As baseadas na fissão nuclear são chamadas de centrais 
nucleares. 
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA 
Introdução 
3 
 As centrais termoelétricas (convencionais) são classificadas de 
acordo com o método de combustão utilizado. 
 Combustão Externa: O combustível não entra em contato com o fluído de 
trabalho. Este é um processo usado principalmente nas centrais 
termoelétricas a vapor, nas quais o combustível aquece o fluído de trabalho 
(em geral a água) em uma caldeira até gerar o vapor que, ao se expandir 
em uma turbina, produzirá trabalho mecânico; 
 
 Combustão interna: A combustão se efetua sobre uma mistura de ar e 
combustível. Dessa maneira, o fluído de trabalho será o conjunto de 
produtos da combustão. A combustão interna é o processo usado 
principalmente nas turbinas a gás e nas máquinas térmicas a pistão 
(motores a diesel). 
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA 
Introdução 
4 
A figura a seguir mostra um diagrama simplificado de uma central 
termoelétrica com combustão externa (a vapor). 
Central termelétrica com combustão externa (a vapor) 
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA 
Introdução 
5 
 O vapor se expande (a pressão passa de alta à baixa) na turbina, 
gerando energia. Este vapor que sai da turbina vai ao condensador, onde 
o calor é retirado e se obtém líquido. O líquido é bombeado de volta à 
caldeira, fechando o ciclo. 
 
 
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA 
Introdução 
6 
 Os principais combustíveis usualmente aplicados nas centrais a 
vapor são o óleo, o carvão, a biomassa (madeira, bagaço de cana, lixo, etc.) 
e derivados pesados de petróleo. 
 Os principais combustíveis usados nas máquinas térmicas a gás 
são o gás natural e o óleo diesel. 
 
 No caso da central nuclear, o calor para o aquecimento da água 
não é produzido por processo de combustão, mas sim pela energia gerada 
pelo processo de fissão nuclear (reação nuclear controlada em cadeia). 
 
 As centrais a vapor, a gás e nucleares formam os grandes grupos 
de centrais termelétricas. 
 
 Em muitas aplicações, centrais térmicas são utilizadas, no sistema 
de co-geração, para produção conjunta de eletricidade e vapor para uso em 
processos industriais. 
GERAÇÃO TERMOELÉTRICA 
Introdução 
7 
 Na produção exclusiva de energia elétrica, podemos usar como 
elemento no circuito um vapor ou um gás. 
 
 Na utilização de vapor, temos as centrais a vapor de condensação, 
com turbinas a vapor. 
 Na utilização do gás, temos as centrais a gás, com motores a 
pistão diesel ou turbina a gás. 
 Quando pretende-se produzir energia elétrica e vapor para 
processo industrial, o elemento utilizado no circuito é a água na forma 
líquida em parte do circuito e na forma de vapor na outra. 
 
 Este tipo de utilização (co-geração) faz simultaneamente a geração 
de energia elétrica e térmica a partir de um único combustível, tais como gás 
natural, carvão, biomassa ou derivados de petróleo. 
Centrais Térmicas 
8 
 Os principais tipos, esquemas e configurações das 
centrais térmicas são: 
 Centrais à Diesel, 
 Centrais à Vapor, 
 Centrais à Gás. 
 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
9 
Os motores diesel fazem parte de um amplo grupo de máquinas térmicas 
chamado motores de combustão interna (MCI). 
 
Os MCI recebem esta denominação porque a liberação de energia do 
combustível ocorre em seu interior, como nas turbinas a gás e nos motores de 
foguete. Em contraste, numa máquina a vapor (turbina a vapor) a combustão 
se processa fora da máquina. 
 
Os MCI foram criados no final do século XIX e tomaram-se populares devido à 
sua aplicação em automóveis. Com o passar dos anos, os MCI foram se 
tomando mais confiáveis, passando então a equipar outros meios de 
transporte como trens, aeronaves e embarcações. 
 
No final do século XIX o engenheiro alemão Dr. Rudolf Diesel desenvolveu o 
motor que levou o seu nome a partir de tentativas mal sucedidas de criar um 
motor a carvão pulverizado. 
 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
10 
Em termos de geração de energia elétrica raramente se utiliza um MCI que 
não seja diesel. As maiores vantagens dos motores diesel são sua 
disponibilidade no mercado, a facilidade de manutenção, sua boa eficiência e 
(no Brasil) o menor custo do combustível relativamente ao álcool e à gasolina. 
 
Em geral, o rendimento dos motores estacionários de grande porte é 
semelhante ao das turbinas a vapor. A utilização mais comum em termos de 
geração de energia elétrica é em pequenas centrais, com alguns MW, em 
hospitais, grandes lojas de departamentos, etc., inclusive em esquemas de co 
geração. 
 
Nestes casos, a pequena central diesel serve como central de auto-geração, 
como central de emergência (em caso de falta de energia) e ainda como 
central de pico, para evitar a sobre taxação. 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
11 
 
Outra utilização das centrais a diesel é a geração de energia elétrica para 
sistemas isolados, que têm o seu uso disseminado em regiões longínquas 
sem outra fonte de geração (Região Amazônica). 
 
As centrais a diesel apresentam, no entanto, limitações relacionadas com 
potência, ruído e vibração, além de problemas como dificuldade de aquisição 
de peças de reposição e seu transporte, assim como, principalmente nos 
locais distantes, os altos custos de combustível e a emissão de gases 
poluente. 
 
Suas vantagens são a rápida entrada em carga, a simplicidade de operação, 
compactas e o fácil plano de manutenção. 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
12 
Figura - MCI a diesel de 2610 HP, 327 rpm (esquerda) e painel de comando (direita acima). 
 Grupo gerador a diesel (direita abaixo). 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
13 
Diversas classificações são possíveis para os MCI. As principais são: 
 
 Quanto ao tipo de ignição do combustível 
 Quanto ao ciclo de funcionamento 
 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
14 
1) Quanto ao tipo de ignição do combustível: 
 
a) Ignição por centelha: a mistura ar – combustível, depois de admitida e 
comprimida na câmara de combustão, é incendiada por uma centelha 
produzida pela passagem de corrente elétrica entre dois eletrodos num 
dispositivo denominado vela de ignição. 
 
a) Ignição por compressão: o ar é admitido na câmara de combustão, 
inicialmente sem o combustível, e depois comprimido. O combustível é 
então injetado e entra em combustão devido à alta temperatura do ar 
comprimido. A maior vantagem deste sistema é, talvez, a sua boa 
eficiência térmica. Outra é a ausência do sistema elétrico necessário à 
produção da centelha. 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
15 
2) Quanto ao ciclo de funcionamento: 
 
a) Motores de dois tempos: o ciclo é realizado numa única volta completa 
do eixo de manivelas (ou virabrequim). O MCI de dois tempos podem ser 
de ignição por compressão ou por centelha. Em qualquer caso, os dois 
tempos são: admissão-compressão e expansão-exaustão. 
 
b) Motores de quatro tempos: o ciclo é realizado em duas voltas completas 
do eixo de manivelas. Os MCI de quatro tempos também podem ser de 
ignição por compressão ou por centelha e os quatro tempos são:admissão, compressão, expansão e exaustão. 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
16 
2) Quanto ao ciclo de funcionamento: 
 
a) Motores de dois tempos: admissão-compressão e expansão-exaustão. 
Tempo de admissão e compressão (esq) Tempo de expansão e exaustão (dir). 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
17 
2) Quanto ao ciclo de funcionamento: 
 
b) Motores de quatro tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão. 
Tempo de admissão (1) Tempo de compressão (2) 
Centrais Térmicas 
à Diesel 
18 
2) Quanto ao ciclo de funcionamento: 
 
b) Motores de quatro tempos: admissão, compressão, expansão e exaustão. 
Tempo de expansão (3) Tempo de exaustão (4) 
Centrais Térmicas 
à Vapor 
19 
 As centrais a vapor são aquelas em que a água vaporizada 
num equipamento denominado gerador de vapor impulsiona uma 
turbina a vapor. 
 Podem-se classificar as centrais a vapor: 
 
 Quanto ao uso do vapor 
 Quanto ao número de fluidos de trabalho 
Centrais Térmicas 
à Vapor 
20 
1) Quanto ao uso do vapor: 
 
a) Centrais convencionais a vapor: o vapor é utilizado apenas para 
movimentar a turbina a vapor. 
 
b) Centrais de co-geração a vapor: o vapor é utilizado para outras 
aplicações, dentre as quais pode-se citar processos industriais 
(aquecimento ou limpeza de peças, catalisação de reações químicas, 
tingimento de tecidos, etc), preparo de alimentos, acionamento de 
centrais de ar condicionado, etc. 
 
 
Centrais Térmicas 
à Vapor 
21 
2) Quanto ao número de fluidos de trabalho: 
 
a) Centrais ciclo simples a vapor: A operação da central se dá com o uso de 
um só fluido de trabalho, geralmente a água. 
 
b) Centrais de ciclo binário a vapor: A central utiliza dois fluidos de trabalho 
distintos. Isso se deve ao fato da água não ser o fluido de trabalho ideal 
em todas as circunstâncias, caso em que tornase interessante aproveitar 
as características de outro fluido. O ciclo binário causa o aumento de 
potência específica da máquina, ou seja, redução do volume e preço da 
máquina para igual potência, aumento do rendimento do ciclo teórico, 
segurança (em circuitos com energia nuclear). 
 
 
Centrais Térmicas 
à Vapor 
22 
2) Quanto ao número de fluidos de trabalho: 
 
b) Centrais de ciclo binário a vapor: 
 
Nestas usinas a energia utilizada é resultante da queima de um combustível 
fóssil, como carvão, óleo ou gás. O calor gerado por esta queima transforma 
a água em vapor na gerador de vapor. 
 
Este vapor, a alta pressão, é utilizado para girar a turbina, que por sua vez, 
aciona o gerador elétrico. Por fim, o vapor, que após passar na turbina ainda 
tem uma temperatura alta, é condensado, transferindo o restante de sua 
energia térmica para um circuito independente e isolado de resfriamento. Em 
seguida a água é bombeada para a caldeira, completando o ciclo. 
 
Estas usinas operam com eficiência entre 30 e 42%. Há a flexibilidade em 
relação ao tipo de combustível utilizado (pode ser trocado, com adaptações). 
Na conversão de calor em energia o rendimento para a potência de saída é 
de aproximadamente 25% a 40%. 
Centrais Térmicas 
à Vapor 
23 
2) Quanto ao número de fluidos de trabalho: 
 
b) Centrais de ciclo binário a vapor: 
Diagrama esquemático de uma central termelétrica a vapor 
- A localização deve ser próxima a lagos, rios e mar, pois esta necessita de 
muita água em seu funcionamento para ser utilizado no condensador. 
Centrais Térmicas 
à Vapor 
24 
3) Principais partes constituintes: 
 
 Assim como as centrais hidrelétricas, 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: 
 
a) Gerador de vapor: São os equipamentos responsáveis pelo processo de 
mudança de fase da água de líquido para vapor. Eles são construídos de 
forma a melhor aproveitar a energia liberada na queima do combustível. 
b) Turbina a vapor: As turbinas a vapor são as máquinas responsáveis pela 
transformação da energia contida no vapor (pressão, térmica e cinética) 
em trabalho mecânico de rotação de um eixo que acionara o gerador 
elétrico. 
c) Condensador: É um dispositivo trocador de calor, no qual o vapor 
proveniente da turbina é resfriado por um fluido de refrigeração, 
retornando à fase líquida, estado no qual ele pode ser bombeado de 
volta para o gerador de vapor com facilidade. 
Centrais Térmicas 
à Vapor 
25 
3) Principais partes constituintes: 
 
d) Acessórios: Alguns são fundamentais na operação de uma central a 
vapor. Pode-se citar: As tubulações conduzem o fluido de trabalho entre 
os diversos componentes da central. Os purgadores são válvulas que 
permitem retirar o fluido condensado, ocasionalmente formado na linha 
de vapor. As bombas transferem energia ao fluido de trabalho, sob forma 
de pressão e cinética, com o objetivo de transportá-lo, vencendo os 
gradientes de pressão e as perdas de carga do sistema. As válvulas 
podem ser de mais de um tipo. As redutoras e controladoras de pressão 
mantém a pressão de saída do vapor constante num nível determinado. 
As controladoras de temperatura elementos sensores de temperatura e 
são projetadas para atuar sobre o gerador de vapor em caso de 
necessidade. Os filtros são dispositivos cujo objetivo é o de reter as 
partículas sólidas existentes. O isolamento térmico é composto por 
materiais de revestimento aplicados nas linhas de tubulações e demais 
componentes com o objetivo de reduzir as perdas de calor para o 
ambiente. 
Centrais Térmicas 
à Vapor 
26 
4) As desvantagens das centrais térmicas à Vapor são: 
 
 Riscos de vazamento, com ou sem incêndio e explosão; 
 Riscos de choques térmicos na água de refrigeração devolvida para os rios, 
lagos ou litorais vizinhos às usinas; 
 Ruídos e vibrações; 
 Alterações atmosféricas e climáticas: 
 Fuligens, fumaças (eventualmente contendo óxidos ou sulfetos 
metálicos); 
 Gases carbônicos (CO e CO2); 
 Gases nitrogenados (NOx, dando origem a oxidantes foto-químicos, 
como o ozônio, a acidez atmosférica e a precipitação de nitratos no solo 
e nas águas); 
 Gases sulfurosos (SOx , dando origem a acidez e a precipitação de 
sulfatos e sulfetos) e materiais residuais sólidos. 
Centrais Térmicas 
à Gás 
27 
 Nas centrais a gás, uma turbina a gás é impulsionada pelos gases 
provenientes da queima de um combustível. Essas centrais podem ter ciclo 
simples utilizando apenas uma turbina a gás, ou, apresentar um ciclo 
combinado, o qual utiliza uma turbina a gás e uma turbina a vapor funcionando 
em conjunto, sendo os gases de exaustão da turbina a gás, aproveitados para 
gerar vapor para a turbina a vapor. 
 
 Estas usam máquinas de combustão interna. Necessitam de um 
combustível de qualidade, por exemplo: gás natural e há uma menor relação 
peso por potência (kg/kW) - menor relação espaço ocupado por potência 
(m3/kW). 
Centrais Térmicas 
à Gás 
28 
A figura a seguir mostra um diagrama esquemático de uma central térmica a gás. 
Diagrama de uma central termelétrica a gás 
 
Centrais Térmicas 
à Gás 
29 
 Nestas centrais, os gases resultantes da queima do combustível 
fóssil, como o óleo diesel ou gás natural, aciona diretamente uma turbina a 
gás, que está acoplada a um gerador. O calor liberado pela queima do 
combustível é transformado em potência mecânica na turbina que é 
transformada em potência elétrica no gerador. Após passar na turbina os 
gases tem ainda um grande conteúdo de energia a temperaturas 
relativamente altas. 
 Os componentes essenciais de uma central a gás são: 
 Compressor 
 Câmara de combustão 
 Turbina 
Centrais Térmicas 
à Gás 
30 
 Compressor: Sua função é aumentar a massa específica do ar 
encaminhando para a câmara de combustão. 
Compressor de uma turbina a gás. 
Centrais Térmicas 
à Gás 
31 
 Câmara decombustão: É o espaço físico da turbina a gás no qual a 
mistura ar-combustível é injetada e onde será processada a combustão. 
Câmara de combustão de uma turbina a gás. 
Centrais Térmicas 
à Gás 
32 
 Turbina: É responsável por retirar energia dos gases de combustão e 
entregar trabalho mecânico de rotação ao eixo de saída. 
Turbina a gás. 
Centrais Térmicas 
à Gás 
33 
 Turbina: 
 A turbina a gás atinge eficiências termodinâmicas bem mais 
elevadas porque o pico do ciclo de temperatura das turbinas modernas a 
gás (aproximadamente 12000C) é bem mais elevado do que o das turbinas 
a vapor (aproximadamente 5400C). 
 
 A eficiência global do ciclo termodinâmico das turbinas a gás 
modernas varia de 35 a 42%, enquanto que o das turbinas a vapor varia de 
30 a 40%, dependendo do combustível utilizado. 
 
Centrais Térmicas 
à Gás 
34 
 Turbina: 
 Uma vantagem termodinâmica inerente às turbinas a gás é 
aproveitar o calor de escape para, por exemplo, produzir vapor numa caldeira 
de recuperação, que pode ser usada em processos industriais numa 
configuração de co-geração ou no Ciclo Combinado que é a geração de 
energia elétrica, através de um processo que combina a operação de uma 
turbina à gás com uma turbina a vapor, ambas diretamente acopladas a um 
gerador. 
 Os gases de escape da turbina a gás, devido à alta temperatura, 
promovem a transformação da água em vapor para o acionamento de uma 
turbina a vapor, nas mesmas condições descritas no processo de operação 
de uma termelétrica convencional. 
Centrais Térmicas 
à Gás 
35 
A figura a seguir mostra o diagrama de uma central térmica a gás com ciclo 
combinado. 
Diagrama de uma central termelétrica a gás com ciclo combinado 
Centrais Térmicas 
à Gás 
36 
 São menos Poluente que as demais usinas a vapor, possuem 
uma rápida disseminação, a combustão é livre da emissão de SOx (gás 
que contribui para a chuva ácida) e com a menor taxa de emissão de 
NOx (gás que ataca a camada de ozônio) entre os combustíveis. Esta 
elimina o tratamento de efluentes dos produtos da queima. Porém 
possuem os riscos para a biodiversidade dos locais cortados pelos 
gasodutos e também riscos de incêndio e explosão em caso de 
vazamentos.