Universidade do Vale do Rio dos Sinos
PPGEM – Programa de Pós-Graduação de Engenharia Mecânica
SIMULAÇÃO DE CICLO TÉRMICO COM DUAS CALDEIRAS EM
PARALELO: COMBUSTÃO EM GRELHA E EM LEITO FLUIDIZADO
Herson Vargas da Costa
Orientadora: Profa. Dra. Maria Luiza Sperb Indrusiak
Co-orientador: Prof. Dr. Paulo Roberto Wander
São Leopoldo, Agosto de 2011.
RESUMO:
Neste trabalho foram realizadas simulações
matemáticas de um processo real, com caldeira queimando
carvão em grelha. Os dados experimentais foram obtidos na
planta, de propriedade da Eletrobrás (CGTEE).
O software IPSE-Pro®, foi aplicado na simulação
matemática, considerando variáveis importantes na análise
de sistemas de energia térmica, tais como a eficiência
térmica do ciclo, potência disponível no eixo, condição do
vapor na saída da turbina, vazão mássica, potência da
bomba, calor trocado no gerador de vapor e condensador,
etc.
INTRODUÇÃO:
O presente trabalho é parte de um projeto que tem
como objetivos:
- Realizar um estudo em uma usina termelétrica existente
em São Jerônimo, RS, aplicando uma ferramenta
computacional específica para simular, inicialmente, o
sistema original, com o ciclo de vapor operando com
uma caldeira de combustão em grelha e, em uma
segunda etapa, funcionando com dois geradores de
vapor em paralelo, sendo o segundo de leito fluidizado.
- Avaliar o desempenho da planta em várias condições
reais de operação.
FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA:
Existem diversos sistemas conhecidos e em uso
atualmente para conversão de calor em trabalho, através de
um ciclo termodinâmico. Dentre eles, o mais comum é o
ciclo a vapor ou ciclo Rankine. Seus componentes básicos
são:
CICLO RANKINE:
Os processos mostrados no diagrama T-s são idealizações dos
processos reais. Assim, o bombeamento da água (1 a 2) é modelado como
um processo de compressão reversível e adiabático. O mesmo acontece
com a expansão na turbina (3 a 4). Estes processos são mostrados no
diagrama T-s como linhas verticais, ou seja, processos isoentrópicos. o
gerador de vapor, onde a água é aquecida pela combustão dos gases a alta
temperatura (2 a 3), é modelado como um processo reversível a pressão
constante. O mesmo ocorre com o condensador, onde calor é transferido
do fluído para as vizinhanças (4 a 1).
O rendimento térmico do ciclo η é dado pela seguinte
expressão:
O rendimento depende
das temperaturas médias
nas quais o calor é
fornecido na caldeira e
rejeitado no condensador.
Diagrama T - s
O rendimento térmico do ciclo
• O rendimento depende das temperaturas
médias nas quais o calor é fornecido na
caldeira e rejeitado no condensador:
– Se aumentarmos a temperatura média da
caldeira, o rendimento do ciclo aumentará.
– Se diminuirmos a temperatura de condensação, o
rendimento do ciclo também aumentará.
Modelagem dos componentes do ciclo
 Bomba;
A modelagem
componentes
matemática
do
dos
ciclo
 Condensador;
 Gerador de Vapor;
termodinâmico é a etapa inicial
imprescindível para a simulação do
processo.
 Turbina a vapor;
 Tubulações;
 Regeneradores;
 Bombas:
Para a hipótese de uma bomba adiabática trabalhando em regime permanente:
considerando desprezíveis as variações de energia cinética e potencial do
sistema;
resulta da primeira lei da termodinâmica a seguinte expressão:
Wb  mh1  h2 
Onde: Wb é o trabalho realizado pela bomba,
m é a vazão em massa do fluido bombeado e
h1 e h2 são as entalpias especificas na entrada e saída da bomba.
 Bombas:
 As relações matemáticas dos parâmetros de desempenho das bombas
podem ser obtidas através do ajuste de curvas dos dados fornecidos pelos
fabricantes.
 Desta forma, equações de pressão x vazão para bombas podem ser
modeladas por uma equação quadrática com o seguinte formato:
H  H 0  RQ  SQ
2
Onde: H é a pressão na saída da bomba, expressa como altura de elevação do
líquido,
H0 é a pressão de elevação do líquido com vazão nula;
Q é a vazão em volume do líquido e
R e S são os parâmetros da equação, característicos de cada bomba.
 Condensador
O condensador é modelado pela hipótese da transferência de calor
ser expressa por dois volumes de controle, sendo um no lado do condensado
(fluido de trabalho) e o outro no lado do refrigerante (água de resfriamento).
Sendo assim, as expressões correspondentes são dadas, respectivamente, por:
Qc  mh4  h1 
Qref  mcp ref Trefo  Trefi 
Pela conservação da energia:
Onde:
Qc  Qref  Q
Qc é o calor cedido pelo ciclo de Rankine no condensador,
h4 e h1 são as entalpias do fluido na entrada e na saída do condensador,
respectivamente,
Qref é o calor recebido pelo circuito do refrigerante que circula no condensador,
para as temperaturas respectivas de entrada e saída Trefi e Trefo.
 Condensador
A equação base de projeto para um trocador de calor (condensador) em
termos de quantidades médias é:
Q  UATml
Onde:
Q é o calor trocado no condensador,
U é o coeficiente global de transferência de calor,
A é a área total de troca térmica e
Tml é a diferença de temperatura média logarítmica dada pela equação:
Trefo  Trefi
Tml 
 Tc  Trefi
ln 
 Tc  Trefo




onde Tc é a temperatura do vapor saturado no condensador.
 Gerador de Vapor

No presente projeto, o gerador de vapor utiliza carvão.
 Para o equacionamento do gerador de vapor no desenvolvimento da
simulação e modelagem matemática, considera-se a transferência de calor
QH, para o fluido em uma única representação:
QH 
m( h3  h2 )
 cal
Onde: h2 é a entalpia do vapor na entrada do gerador de vapor,
h3 é a entalpia do vapor na saída do gerador de vapor e
cal é a eficiência do gerador de vapor.
QH é o calor gerado na caldeira, pela combustão do carvão.
 Regeneradores
 Calor é transferido para a água de alimentação do gerador de vapor através
do processo de transformação do vapor extraído da turbina em líquido
saturado que passa por seus tubos interno.
 Este calor pode ser calculado de acordo a primeira lei da Termodinâmica:
QR   mhvs  hl 
Onde:
 é a parcela da vazão total de vapor extraída da turbina;
hvs é a entalpia do vapor extraído que entra no regenerador e
hl é a entalpia da água condensada (ou sub-resfriada) que é retirada pelo
purgador.
O calor recebido no regenerador é dado por:
QR  m p c p To  Ti   m p ho  hi 
 Tubulação
 A expressão geral de perda de carga para qualquer fluido, proposta por
Darcy e Weisbach, é:
L V2
H  f
D 2g
 A perda de carga, também é dada, em termos de vazão em volume, por:
LQ 2 8
H  f
D5  2 g
 Para a simulação de sistemas, é conveniente representar a perda de carga em
tubulações por uma equação, como a proposta por Haaland:

 6.9   1.11 
f  0,7817 ln
   
 Re  3,7  



2
Onde:  é a rugosidade relativa da parede interna do tubo;
Re é o número de Reynolds do escoamento interno.
 Turbina
 Transformação de energia térmica em energia mecânica;
Hipótese da turbina a vapor:
 considera uma vazão inicial de vapor na entrada da turbina igual à vazão de
sua saída;
 considerando desprezíveis as variações de energia cinética e potencial;
resultada primeira lei da termodinâmica a seguinte expressão:
W  mh3  h4 
Onde: Wturb é a potência da turbina,
m é a vazão em massa do fluido bombeado e
h3 e h4 são as entalpias especificas na entrada e saída da turbina.
Informações gerais sobre IPSE-pro®
A simulação de um sistema consiste em observar e resolver
um sistema sintético, formado por um conjunto de equações
algébricas, lineares ou não, que imita o desempenho do sistema
real (Stoecker, 1989).
A simulação de sistemas é utilizada para se avaliar condições
tais como operação em carga parcial, operação com modificações
no processo e identificar possíveis gargalos na operação.
 Há vários aplicativos comerciais para a simulação;
 O IPSE-pro®, desenvolvido pela empresa SIMTECH.
 Dois módulos principais:
 MDK (Model Development Kit) ; e
 PSE (Process Simlulation Enviroment).
Informações gerais sobre IPSE-pro®
 linguagem de programação visual;
 apresenta estrutura para a composição de componentes (bombas, caldeiras,
condensadores, turbinas e outros equipamentos) disponíveis em uma biblioteca;
 Estes componentes são arrastados para área de projeto onde são interligados.
Informações gerais sobre IPSE-pro®
RESULTADOS PRELIMINARES
A primeira etapa do projeto consistiu no
levantamento de campo dos dados reais da planta e da
simulação de um ciclo térmico bastante simplificado, em
que não se considerou os regeneradores.
Foi simulado o ciclo original com a caldeira de
combustão em grelha.
Também foi realizada uma primeira tentativa de
simular as duas caldeiras em paralelo.
Simulação (dados reais)
data:01/Jan./2011
Simulação preliminar do ciclo térmico com uma caldeira
Simulação (dados reais)
data:01/Jan./2011
Simulação preliminar do ciclo térmico com duas caldeiras em paralelo
Dados da planta obtidos da planilha de operação
Potência do gerador
7,2 MW
Temperatura de entrada no condensador
48,8 ºC
Temperatura de saída no condensador (com sub-resfriamento)
45 ºC
Temperatura de entrada da água de resfriamento
27 ºC
Temperatura de saída da água de resfriamento
35 ºC
Pressão do vapor na saída da caldeira
18 bar
Temperatura do vapor na saída da caldeira
376 ºC
Eficiência térmica do ciclo (uma caldeira)
12,5 %
Eficiência térmica do ciclo (duas caldeiras em paralelo)
12,6 %
Resultados da simulação
Vazão de vapor
10,04 kg/s
Vazão de água de resfriamento
674,8 kg/s
Potência de bombeamento (usando uma caldeira)
Potência de bombeamento (usando duas caldeiras
em paralelo)
35,46 kW (estimando eficiência de 80 %)
41,23 kW (estimando eficiência de 80 %)
Os resultados apresentados são coerentes com os valores encontrados na prática
para usinas deste tipo, considerando que o projeto é de 1951 e as condições de operação
estão fora dos padrões atuais.
Conclusões parciais
Este trabalho encontra-se em desenvolvimento.
Com base na simulação atual, espera-se poder avaliar possíveis ganhos
de eficiência a partir de alterações nas condições de operação e substituição de
alguns componentes do ciclo.
As extrações de vapor da turbina para aquecimento da água de
alimentação (regeneradores) deverão ser incluídas na simulação.
O próximo passo será o acréscimo, ao modelo de simulação, dos dados
reais de caldeira experimental leito fluidizado, que opera em paralelo com a
caldeira principal do ciclo, e avaliação dos rendimentos com parâmetros
operacionais nestas condições.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a bolsa de estudos à Rede
Carvão e ao CNPq.
A todos que de uma forma ou outra
contribuíram para o trabalho de
pesquisa.
Obrigado a todos pela atenção!