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Instituto Superior de Engenharia de Lisboa

Ensaio com Simulador de Central Termoeléctrica com Turbina a Vapor Curso: Engenharia Mecânica Termodinâmica Aplicada Cadeira: Termodinâmica

Docente: Eng. João Monteiro Marques Data: 16 de Novembro de 2011

Trabalho realizado por: Acácio Azevedo nº 35868 Jorge Fidalgo nº 31387 Leopoldo Santos nº 32108 Luís Figueira nº 37516 Sérgio Martins nº 23352

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

ÍNDICE INTRODUÇÃO ............................................................. ................................................................................................................................ ................................................................... 2 CALDEIRA ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... 2 TURBINA ................................................................................................................................ ................................................................................................................................ 3 PRÉ-AQUECEDORES............................................................................................................... ............................................................................................................... 3 REAQUECEDOR ...................................................................................................................... ...................................................................................................................... 5 PROCEDIMENTOS .......................................................................................................................... .......................................................................................................................... 5 APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS ...................................................................................... ................................................................................................. ........... 6 CÁLCULOS PARA SIMULAÇÃO COM REAQUECEDOR .................................................................... .................................................................... 8 1 - CÁLCULO DO TRABALHO MECÂNICO DA TURBINA .......................................................... 8 2 - CÁLCULO DOS RENDIMENTOS ....................................................................................... ....................................................................................... 10 3 - CÁLCULO DOS BALANÇOS ENERGÉTICOS E MÁSSICOS .................................................. .................................................. 11 4 – DIAGRAMA T/s.............................................. T/s............................................................................................................... ................................................................. 14 5 – COMPARAÇÃO DOS DADOS OBTIDOS COM OS SIMULADOS ........................................ 14 CÁLCULOS SEGUNDA SIMULAÇÃO SEM REAQUECEDOR ............................................................ 15 1 - CÁLCULO DO TRABALHO MECÂNICO DA TURBINA ........................................................ 15 2- CÁLCULO DOS RENDIMENTOS ........................................................................................ 16 3 - CÁLCULO DOS BALANÇOS ENERGÉTICOS E MÁSSICOS .................................................. .................................................. 17 COMPARAÇÃO DOS DADOS OBTIDOS COM E SEM REAQUECEDOR ........................................... 19 CONCLUSÃO ............................................................... ................................................................................................................................ ................................................................. 20 BIBLIOGRAFIA .............................................................................................................................. .............................................................................................................................. 21

1 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

INTRODUÇÃO O trabalho que desenvolvemos no software de simulação de uma turbina a vapor (TS102D) da Didacta tem como objectivo uma caracterização termodinâmica (através das propriedades entalpia, entropia, volume específico e título de vapor, escolhidas em função das posteriores necessidades de cálculo) de todos os pontos importantes do Ciclo, representandoos num diagrama (T, s) de forma a estudar a influência do reaquecedor de vapor no ciclo regenerativo em causa, comparando os dados obtidos com o sistema em pleno funcionamento e com o sistema de reaquecimento desactivado. O sistema estudado é constituído pela caldeira, turbina, reaquecedor, condensador, pré-aquecedores (tendo um deles também a função de desarejador) e um economizador. É na caldeira que se dá a transformação da água da fase líquida para vapor, tal como estudado no trabalho anterior, que irá então ser expandido na turbina de forma a gerar energia eléctrica com diminuição da sua entalpia. De seguida apresenta-se o esquema da central:

Esquema da Central e Painel de Controlo

CALDEIRA Na caldeira está presente o economizador, que eleva a temperatura da água de forma a que a mesma passe para o estado de líquido saturado através do fornecimento de calor sensível. De seguida esta passa para os painéis de vaporização, onde recebe calor latente para que o seu estado passe a vapor saturado, sendo posteriormente possível a passagem a vapor sobreaquecido no sobreaquecedor, através de um novo fornecimento de calor sensível. Entre

2 Termodinâmica Aplicada

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os painéis de vaporização e o sobreaquecedor existe o barrilete, onde é separada a fase líquida do vapor.

TURBINA O vapor dirige-se para a turbina, onde a sua expansão faz girar as pás presentes nos corpos de alta, média e baixa pressão. Estes corpos são tanto maiores quanto menor a pressão e entalpia do vapor, tendo em conta a crescente necessidade de espaço para a expansão à medida que a pressão e entalpia descem. A estas pás está associado o veio da turbina que transmite este movimento ao gerador, responsável pela transformação da energia cinética em energia eléctrica. Ao corpo de alta pressão está ligado o circuito do reaquecedor, que após a expansão encaminha o vapor novamente para a caldeira antes do mesmo passar para o corpo de média pressão. A anulação deste circuito pode ser feita através da actuação na válvula de saída, sendo automaticamente aberta outra que permite a passagem directa do vapor entre os corpos referidos. Existem duas picagens neste corpo, uma para o pré-aquecedor IVST e outra para o IIIST. Após o reaquecimento, ou apenas da expansão caso o sistema referido se encontre desactivo, o vapor dá entrada no corpo de média pressão ao qual se encontra associada nova picagem, desta vez para o pré-aquecedor IIST. Através de passagem directa do vapor, após expansão, este entra no corpo de baixa pressão, estando a ele associada a última picagem para o pré-aquecedor IST, para onde se dirige uma parte do vapor. O restante dirige-se para o condensador, onde através da utilização de um fluido de refrigeração externo o fluido passa à fase líquida.

PRÉ-AQUECEDORES Os pré-aquecedores IST, IIST e IVST presentes nesta central são do tipo Tube and  Shell, existindo válvulas nas picagens para desactivação dos mesmos. O pré-aquecedor IIIST é do tipo mistura tendo como funções não só o aquecimento regenerativo mas também de desarejador, não sendo possível a sua desactivação. Esta função é essencial ao correcto funcionamento do sistema, uma vez que o ar presente no sistema poderá danificar o circuito (em especial as pás da turbina), para além de diminuir a sua eficácia. Estes componentes são inseridos mediante picagens na turbina, uma para cada pré-aquecedor. Tal como referido anteriormente, estes componentes têm como objectivo o aquecimento regenerativo através do fornecimento de energia térmica à fase líquida proveniente do condensador. À entrada da caldeira a temperatura da água de alimentação é bastante inferior à média das temperaturas. O aquecimento regenerativo permite a

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aproximação destas o que irá originar uma transferência de calor a maior temperatura na caldeira, aumentando o rendimento do processo por ser necessária uma menor quantidade de energia química nesta fase. Idealmente o número de regeneradores seria infinito e as diferenças de temperatura proporcionadas deveriam ser o mais pequenas possíveis para que o ciclo se aproxime do ciclo reversível. Isto é conseguido através da colocação dos pré-aquecedores, fazendo com que à saída do condensador o primeiro regenerador seja o que tem a menor entalpia e à medida que se aproxima da caldeira a entalpia destes siga uma lógica crescente. Ou seja, a eficiência é tanto maior quanto menor a diferença entre os ganhos entálpicos em cada um dos préaquecedores, para sistemas não reaquecidos. Na prática a grande maioria das centrais é reaquecida, e como é óbvio não é possível inserir um número infinito de pré-aquecedores nem é rentável a inserção de um grande número destes componentes, devendo estabelecer-se uma relação entre custo e benefício. Na grande maioria das centrais termoeléctricas utilizam-se entre 1 pré-aquecedor para instalações mais simples e de menor potência até 8 ou 9 para centrais de grande potência, necessariamente mais complexas.

Melhoria na taxa de calor com aquecimento regenerativo em centrais sem reaquecimento.

Associadas ao aquecimento regenerativo surgem ainda vantagens adicionais. Numa dada condição de funcionamento, o caudal mássico à entrada da turbina aumenta e à saída da mesma diminui, permitindo um aumento de altura das pás da turbina onde estas são curtas demais, assim como uma diminuição onde tendem a ser demasiado compridas. Devido à menor pressão e temperatura no corpo de baixa pressão existe o risco de surgir fase líquida, factor prejudicial ao funcionamento. As picagens neste corpo têm um efeito de drenagem desta fase líquida em excesso evitando danos na turbina, que ocorrem normalmente através de uma interacção entre as partículas na fase líquida e as pás da turbina denominada por cavitação. Entre os dois tipos de pré-aquecedores estudados está o Tube and Shell , que é constituído por um corpo dentro do qual circula um fluido e que em contacto com um

4 Termodinâmica Aplicada

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conjunto de tubos interiores fornece calor ao segundo fluido que circula no interior destes. No caso da central em estudo o vapor é o fluido que fornece calor à fase líquida de duas fases presente nos tubos interiores. Nos pré-aquecedores de mistura, tal como o nome indica, os fluidos referidos não circulam separados. O vapor e fase líquida entram em contacto directo, sendo desta forma que é feita a transferência de calor.

REAQUECEDOR Pela descrição dos estágios por onde circula o vapor no circuito denota-se que o reaquecedor presente no circuito tem como função promover a circulação do vapor entre o corpo de alta pressão e a caldeira antes de dar entrada no corpo de média pressão. O reaquecedor não tem influência na temperatura a que o fluido perde calor no condensador, que continua a ser a temperatura de saturação para a pressão neste componente. Irá aumentar o rendimento do ciclo caso a temperatura média também aumente, o que acontece desde que a pressão a que é feito o reaquecimento não seja demasiadamente baixa, sendo um dos principais parâmetros relacionados com este componente essa mesma pressão. Os valores de pressão óptima para um ciclo reversível não regenerativo são de cerca de um quarto da pressão da caldeira, enquanto para ciclos irreversíveis o valor desce para cerca de um décimo. Em ciclos regenerativos o valor da pressão volta a subir para cerca de um quinto ou um quarto da pressão da caldeira. Um reaquecedor no ciclo irreversível pode permitir um ganho de 4% a 5% de rendimento, tendo em conta a perda de pressão neste componente e para além destas vantagens teóricas na implementação do reaquecedor temos também uma diminuição do título à saída da turbina, tendo-se concluído que para o maior ganho de rendimento e de título deverão implementar-se dois estágios de reaquecimento.

PROCEDIMENTOS De forma a ser processada a simulação foram seguidos os seguintes passos: 1  – Ligaram-se o ventilador e a bomba de combustível, denominados por Fan e Fuel  Pump respectivamente no painel de controlo da central, de forma a criar as condições para a combustão na caldeira; 2 – Iniciou-se a combustão, ligando-se o queimador - Burner ; 3  – Através do ajuste cuidadoso e sucessivo do caudal de ar e de combustível separadamente aumentou-se a pressão da caldeira até que a mesma, sem se modificarem os caudais referidos, aumentasse lentamente (o que aconteceu por volta dos 80 Bar).

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Enquanto se aguardava que a pressão da caldeira atingisse um valor mínimo de 90Bar (que permite a activação do modo automático) e não superior ao assinalado a vermelho no manómetro foram efectuados os procedimentos 4 e 5. 4  – Accionaram-se as bombas relativas ao condensador (tanto a de alimentação do fluido de refrigeração - Condenser Pump, como a de circulação do condensador para os préaquecedores - Cond. Pump); 5 – Ligou-se a bomba de vácuo - Vacuum Pump; 6  – Ao ser atingida uma pressão de 90 Bar é disponibilizado o modo automático, através do respectivo botão. Optámos por deixar a pressão subir até cerca dos 100 Bar (valor aleatório) até accionarmos este modo. A pressão é mantida constante de forma automática, através de regulação dos caudais de combustível e ar, tendo-se obtido o valor exacto de 99,1 Bar; 7  – Abriu-se na totalidade a válvula de admissão de vapor para a turbina - Delivery  Valve e abriram-se igualmente as válvulas dos injectores - Nozzle Valves. Desta forma a turbina encontrava-se nas condições de produção máxima para a pressão definida no ponto 6; 8  – Após registar todos os valores do 1º ensaio procedeu-se ao fecho da válvula do reaquecedor, anulando este sistema. A válvula que permite passagem directa do corpo de alta para o de média pressão foi assim automaticamente aberta. Registaram-se os valores deste 2º ensaio. De notar que o nível de água no barrilete é mantido automaticamente. Foi apenas necessário verificar se o seu nível estaria correcto antes do início da simulação, o que se verificou.

 APRESENTAÇÃO DE RESULTADOS O simulador da central fornece pressões relativas e para conseguimos recolher os parâmetros termodinâmicos no STEAM, é necessária a conversão destas pressões para valores absolutos. PRESSÕES 1 - Pressão caldeira 2 - Pressão saída sobreaquecedor 3 - Pressão entrada de HP da turbina 4 - Pressão saída de HP da turbina 5 - Pressão de entrada no reaquecedor 6 - Pressão de saída no reaquecedor 7 - Pressão entrada de IP da turbina 8 - Pressão entrada no condensador 9 - Pressão vapor à entrada I estágio

100,1 98,3 96,2 17,2 16,7 14,9 14,5 0,032 0,61

1ª Simulação bar 10010 bar 9830 bar 9620 bar 1720 bar 1670 bar 1490 bar 1450 bar 3,2 bar 61

kPa kPa kPa kPa kPa kPa kPa kPa kPa

100,2 98,4 96,3 17,3 7,2 7,2 17,1 0,03 0,61

2ª simulação bar 10020 kPa bar 9840 kPa bar 9630 kPa bar 1730 kPa bar 720 kPa bar 720 kPa bar 1710 kPa bar 3 kPa bar 61 kPa

6 Termodinâmica Aplicada

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10 - Pressão vapor à entrada II estágio 11 - Pressão vapor à entrada III estágio 12 - Pressão vapor à entrada IV estágio TEMPERATURAS 1 - Temperatura água alimentação à caldeira 2 - Temperatura saída sobreaquecedor 3 - Temperatura entrada de HP da turbina 4 - Temperatura saída de HP da turbina 5 - Temperatura de entrada no reaquecedor 6 - Temperatura de saída no reaquecedor 7 - Temperatura entrada de IP da turbina 8 - Temperatura entrada do condensador 9 - Temperatura vapor à entrada I estágio 10 - Temperatura vapor à entrada II estágio 11 - Temperatura vapor à entrada III estágio 12 - Temperatura vapor à entrada IV estágio

4,4 17,2 46,4 262 531 526 311 305 525 514 25 131 347 306 425

bar 440 kPa bar 1720 kPa bar 4640 kPa 1ª simulação °C 535 K °C 804 K °C 799 K °C 584 K °C 578 K °C 798 K °C 787 K °C 298 K °C 404 K °C 620 K °C 579 K °C 698 K

4,4 16,6 46,5 262 532 527 311 168 168 309 25 85 179 308 437

bar 440 kPa bar 1660 kPa bar 4650 kPa 2ª simulação °C 535 K °C 805 K °C 800 K °C 584 K °C 441 K °C 441 K °C 582 K °C 298 K °C 358 K °C 452 K °C 581 K °C 710 K

De

forma análoga efectuamos a conversão de todos os caudais mássicos por unidade de tempo de t/h para kg/s.

FORNECIMENTOS Fornecimento de ar Fornecimento de fuelóleo Calor disponível no fuelóleo Fornecimento de água ao condensador Ratio Água / Vapor - (X) - Título Fornecimento de água Fornecimento de vapor

1ª simulação 3 75002 m /h 1,76 kg/s 266656 MJ/h 5063,6 m3/h 0,913 20,59 kg/s 25,11 kg/s

TEMPERATURAS DE ÁGUA e CONDENSADOS Temperatura da água - Entrada condensador Temperatura da água - Saída condensador Temperatura da água - 1ª Extracção Temperatura da água - 2ª Extracção Temperatura da água - 3ª Extracção Temperatura da água - 4ª Extracção Temperatura condensados entrada condensador Temperatura condensados entrada - 1ª Extracção Temperatura condensados entrada - 2ª Extracção Temperatura água alimentação à caldeira OUTROS DADOS Temperatura do ar Temperatura dos gases de exaustão Calor perdido nos gases de exaustão Calor extraído do condensador Outras perdas (radiação, mecânicas, etc…) Potência eléctrica produzida Potência mecânica produzida veio gerador Consumo específico de fuelóleo Consumo específico de vapor Eficiência

10 16,2 35 85 145 204 82 141 253 262

1ª simulação °C 283 °C 289,2 °C 308 °C 358 °C 418 °C 477 °C 355 °C 414 °C 526 °C 535

2ª simulação 3 64169 m /h 1,5 kg/s 228141 MJ/h 5063,6 m3/h 0,852 20,59 kg/s 25,11 kg/s

K K K K K K K K K K

1ª simulação 16 °C 289 K 163 °C 436 K 15657 MJ/h 131536 MJ/h 16631 MJ/h 28590 kW 102922 MJ/h 3,16 kg/kWh 0,222 kg/kWh 0,386

10 15,6 36 85 145 201 82 141 253 262

2ª simulação °C 283 °C 288,6 °C 309 °C 358 °C 418 °C 474 °C 355 °C 414 °C 526 °C 535

K K K K K K K K K K

2ª simulação 16 °C 289 K 163 °C 436 K 13319 MJ/h 119036 MJ/h 12156 MJ/h 23230 kW 83630 MJ/h 3,89 kg/kWh 0,233 kg/kWh 0,367

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VAPOR PRODUZIDO / CONSUMIDO Fornecimento de vapor 1 - Fornecimento de vapor - 1ª extracção 2 - Fornecimento de vapor - 2ª extracção 3 - Fornecimento de vapor - 3ª extracção 4 - Fornecimento de vapor - 4ª extracção Ratio Água/vapor - (X) - Título

1ª simulação 25,11 kg/s 1,56 kg/s 1,98 kg/s 2,03 kg/s 2,76 kg/s 0,913

2ª simulação 25,11 kg/s 1,66 kg/s 1,875 kg/s 2,308 kg/s 2,88 kg/s 0,852

Gráfico comparativo do fornecimento de vapor versus caudal para cada extracção.

CÁLCULOS PARA SIMULAÇÃO COM REAQUECEDOR 1 - CÁLCULO DO TRABALHO MECÂNICO DA TURBINA Para calcular o trabalho desenvolvido pela turbina no corpo de alta pressão assumimos que a primeira picagem foi executada dentro do corpo da turbina, sendo a segunda picagem executada após a expansão do vapor dentro do corpo da turbina devido ao facto da pressão de entrada no terceiro pré-aquecedor ser igual a pressão de saída do corpo alta pressão da turbina. Se a picagem fosse efectuada dentro do corpo de alta pressão a entalpia teria de ser superior à entalpia de saída do corpo de alta pressão da turbina.

1.1 - Trabalho mecânico no estágio de Alta Pressão da turbina

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Esquematização do corpo de alta pressão

1.2 - Trabalho mecânico nos estágios de Média e Baixa Pressão da turbina Ao efectuarmos os cálculos do trabalho para os estágios de baixa e alta pressão assumimos que não existem perdas de entalpia e de carga aquando da transição do corpo de média pressão para o corpo de alta pressão.

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 ̇                        ̇  

Esquematização da turbina.

9 Termodinâmica Aplicada

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1.3 - Trabalho total da turbina O trabalho calculado difere ligeiramente do indicado pela simulação pois nos cálculos efectuados não tivemos em consideração as perdas mecânicas na turbina. Como no manual as perdas são consideradas como um total, sem serem descriminadas, não é possível calcular o valor do trabalho sem que surjam alguns erros.

 ̇   ̇   ̇        2 - CÁLCULO DOS RENDIMENTOS Os valores dos rendimentos calculados diferem dos valores fornecidos pelo simulador uma vez que não se tiveram em conta as perdas, cujo valor não é dado. Relativamente ao rendimento eléctrico, o trabalho mecânico efectivo transmitido ao gerador é inferior ao trabalho da turbina que foi considerado, sendo o rendimento eléctrico ligeiramente superior ao calculado.

2.1 - Rendimento da central

 ̇     ̇           ̇            ̇    2.2 - Rendimento do ciclo

 ̇  ̇           ̇            ̇  

2.3 - Rendimento Carnot 

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10 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

2.4 - Rendimento máximo

         2.4 - Rendimento eléctrico

 ̇           ̇  

3 - CÁLCULO DOS BALANÇOS ENERGÉTICOS E MÁSSICOS 3.1 - Cálculo do calor retirado no condensador pela água

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11 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

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Para caracterizar os pré-aquecedores “Tube and Shell” é necessário fazer o balanço energético correspondente.

3.2.1 – Pré-aquecedor I

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3.2.2 – Pré-aquecedor II

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3.2.3 – Pré-aquecedor IV

  ̇          ̇     12 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

   ̇           ̇ Como se pode verificar nos três pré- aquecedores “Tube and Shell”, os valores de entalpia por unidade de massa têm valores muito próximos, o que indica que a central está, à partida, bem dimensionada.

3.2.4 – Pré-aquecedor III Como este pré-aquecedor é do tipo “Mistura”, o cálculo do seu ganho tem que

considerar o balanço mássico e o balanço energético.

̇      (̇   )  ̇       ̇                          

   

3.3 - Cálculo da entalpia fornecida no reaquecedor A sua função é aumentar a temperatura do vapor proveniente do corpo de alta pressão, onde este se expandiu e arrefeceu. O vapor que sai dos elementos de alta pressão da turbina volta a entrar na caldeira depois de reaquecido a uma temperatura adequada, sendo reencaminhado para os elementos de média e baixa pressão da turbina com um título bastante superior ao que tinha quando saiu do corpo de alta pressão.

                    

            13

Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

         

4 – DIAGRAMA T/s

5 – COMPARAÇÃO DOS DADOS OBTIDOS COM OS SIMULADOS

1ª simulação Potência eléctrica produzida na turbina Eficiência

28590 kW 0,386 = 38,6%

Dados obtidos 30740 0,41 = 41%

kW

14 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

CÁLCULOS SEGUNDA SIMULAÇÃO SEM REAQUECEDOR 1 - CÁLCULO DO TRABALHO MECÂNICO DA TURBINA 1.1 - Trabalho mecânico no estágio de Alta Pressão da turbina

 ̇  ̇   (    )  ̇   ̇   (    )  ̇                ̇     

Esquematização do corpo de alta pressão.

1.2 - Trabalho mecânico nos estágios de Média e Baixa Pressão da turbina

 ̇  ̇   ̇   ̇   (    )  ̇   ̇   ̇   ̇          ̇   ̇   ̇   ̇   ̇        

 ̇                                    ̇ 7497,4 + 8674,45 



15 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

1.3 - Trabalho total da turbina

 ̇ = 9119,26 + 16171,85 



2- CÁLCULO DOS RENDIMENTOS 2.1 - Rendimento da central

 ̇          ̇             ̇  

2.2 - Rendimento do ciclo

 ̇          ̇

            ̇ 

2.3 - Rendimento Carnot 

   

      

2.4 - Rendimento máximo

         16 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

2.5 - Rendimento eléctrico

 ̇           ̇ 

3 - CÁLCULO DOS BALANÇOS ENERGÉTICOS E MÁSSICOS 3.1 - Cálculo do calor retirado no condensador pela água

̇                      ̇  

     

 ̇      ̇     (     )  ̇           

3.2 - Cálculo do calor ganho pela água nos pré-aquecedores Tabela 2ª Simulação Pré-aq

P in (kPa) T in1 (ºC) T out (ºC) T in2 (ºC)

1-A 1-B

36

85

85

82

85

145

179

141

145

201

308

201

201

262

437

253

-39

2-A 2-B

336

3-A 3-B

1560

4-A 4-B

4550

 ̇   ̇  

̇      ̇

    

141

……… 253

…….

H in

h out

150,68

355,71

2661

2647

355,71

610,32

2820,2

2734,377

610,3

856,6

3054

2791,5

856,6

1144,7

3292,1

2800

ṁ(kg/s) 1.66 1.875 2.308 2.88

       17

Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

3.2.1 – Pré-aquecedor I

 ̇          ̇       ̇             ̇

3.2.2 – Pré-aquecedor II

 ̇          ̇       ̇             ̇

3.2.3 – Pré-aquecedor IV

 ̇          ̇       ̇             ̇

3.2.4 – Pré-aquecedor III

̇      (̇   )  ̇       ̇                          

   

18 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

Compilámos os dados numa tabela, fazendo o respectivo gráfico: Pré-aquecedor VS H_(unid.massa) Pré-aquecedor I Pré-aquecedor II Pré-aquecedor IV r

1ª simulação kJ/kg 209,2 kJ/kg 251 kJ/kg 242,67

2ª simulação kJ/kg 205 kJ/kg 251 kJ/kg 255,22

234,29

237,07

(1ªs - 2ª s)/100 0,042 kJ/kg 0 kJ/kg -0,1255 kJ/kg

300    S    ) 250    V   a    r    s    o   s 200    d   a    e    m    c  . 150    e    i    d    u   n    q   u    a   -    (_ 100     é    r    H    P 50

1ª Simulação 2ª Simulação

0 Pré-aquecedor I Pré-aquecedor II Pré-aquecedor IV

r

COMPARAÇÃO DOS DADOS OBTIDOS COM E SEM REAQUECEDOR Ao desligarmos o reaquecedor um dos factores que surge como uma causa de problemas é o valor do título do vapor, pois este baixa para níveis muito próximo do limite aceitável para o funcionamento da turbina (x = 0,85). Um título com um valor demasiado baixo pode, como anteriormente referido, trazer problemas de fiabilidade à turbina.

As entalpias no corpo de média e baixa pressão da turbina são substancialmente mais baixas na segunda simulação em relação à primeira simulação, sendo um dos factores que vai determinar um rendimento mais baixo da turbina e por sua vez uma redução do rendimento eléctrico da central.

19 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

Ao desligarmos o reaquecedor vamos ter uma redução significativa do consumo de combustível mas essa redução tem como custo um menor rendimento do ciclo: menos 9,5% de rendimento do ciclo. Esta diferença directa traduz-se numa perda relativa, face ao cic lo com reaquecimento usado como referência, de 17,9%, o que é bastante significativo. Todos os outros rendimentos à excepção do rendimento de Canot equivalente sofrem uma descida, tendo a diferença na comparação rendimento do ciclo versus Carnot tido uma diferença relativa de 17,9% à semelhança do rendimento do ciclo. A diferença relativa de rendimento eléctrico é desprezável (1%), e a eficiência mostra uma diferença de 3,4% relativamente à primeira simulação. Estabelecendo uma comparação entre quanto permite 1 kg/s de caudal de combustível produzir em energia eléctrica (objectivo último da central), verifica-se que com reaquecedor esse valor é de 16244,32 kW/(kg/s), enquanto para o sistema sem reaquecedor passamos a ter 15486,67 kW/(kg/s). Trata-se de uma diferença relativa de 4,7%.

CONCLUSÃO Tendo em conta que se tratam de instalações que geralmente têm uma grande actividade qualquer diferença de eficiência e de consumos tem grandes efeitos, senão a curto a médio prazo. À partida poderíamos ser levados a concluir que o reaquecedor aumenta o consumo de combustível, no entanto tal facto acontece para níveis de produção de energia eléctrica diferentes. Assim, e estabelecendo as devidas comparações, verificamos que para o mesmo nível de produção o reaquecedor diminui o consumo de combustível. Aliados estes factos ao aumento do título do vapor nos corpos de média e baixa pressão da turbina, que previne efeitos de cavitação entre partículas de água e as pás da mesma, concluímos que a inserção do reaquecedor se mostra bastante vantajosa, senão indispensável, numa central deste tipo.

20 Termodinâmica Aplicada

Ensaio com simulador de Central termoeléctrica com turbina a vapor

BIBLIOGRAFIA HAYWOOD, Richard (1975). Analysis of Engineering Cycles. Pergamon International Library Didacta Italia (2006). TS102D Simulation of a steam turbine unit. Manual de Simulador.

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