Projeto Ciclo Combinado Brayton-Rankine: Análise de Retrofit com HRSG para Aumento da Cogeração de Energia Elétrica

Projeto Ciclo Combinado Brayton Rankine Considere o sistema de cogeração avaliado pelo seu grupo no projeto 2 Uma vez que a necessidade de eletricidade na região esta aumentando significativamente o gerente decidiu avaliar a possibilidade de um retrofit na planta para aumentar os excedentes de energia elétrica que podem ser vendidos para a rede Para isso seu grupo recebeu a missão de avaliar o potencial de produção de energia elétrica que se teria ao substituir a caldeira do sistema de cogeração do ciclo a vapor do projeto 2 por uma caldeira de recuperação HRSG Heat Recovery Steam Generation que utilizaria os gases de combustão de uma turbina a gás Neste caso o combustível para a turbina a gás seria gás natural pode assumir a composição molar do gás natural como CH4 A razão de pressão no compressor da turbina a gás é 22 e a temperatura máxima dos gases de combustão na entrada da turbina a gás é de 1280 ºC Após a combustão do gás natural na câmara de combustão os gases resultantes são expandidos na turbina a gás até uma pressão 10 kPa acima da pressão ambiente Ao deixar a turbina a gás o calor presente nos gases de combustão é aproveitado no HRSG Heat Recovery Steam Generation O dispositivo consiste de três trocadores de calor colocados em sequência superaquecedor evaporador e economizador que são utilizados para produção de vapor superaquecido A troca de calor na caldeira de recuperação pode ser demonstrada segundo a Figura 1 Figura 1 Distribuição de temperatura e energia transferida no HRSG Nesta figura temos uma comparação entre a temperatura dos fluidos quente gases de combustão e frios água e a uma representação da quantidade de energia transferida entre eles ao longo do HRSG O HRSG é dividido em três partes economizador onde a água é pré aquecida desde a temperatura de entrada até a uma temperatura próxima a saturação o evaporador onde ocorre a mudança de fase da água e o superaquecedor onde o vapor é superaquecido até a temperatura necessária a sua utilização no ciclo combinado Por questões de projeto não é recomendável que ocorra vaporização da água no economizador assim existe a necessidade de se garantir que a água que entra no evaporador ainda no estado de líquido comprimido o que é obtido garantindose que a temperatura na saída do economizador tenha um valor abaixo da saturação definindose assim a chamada temperatura approach também chamado de approach point como mostrado na figura Outro parâmetro importante da caldeira de recuperação é o chamado Pinch Point que se constitui a mínima diferença de temperatura entre o fluido quente e o fluido frio no HRSG Tais parâmetros são importantes no projeto de um HRSG para determinar a área de troca de calor em cada um dos equipamentos economizador evaporador superaquecedor Considere um approach point de 5ºC e um Pinch Point de 15ºC Dados adicionais A linha de gás natural fornece o produto a 500 kPa Eficiência isentrópica dos compressores 085 Eficiência isentrópica das turbinas a gás 092 A temperatura de saída dos gases de combustão do HRSG deve ser no mínimo 20ºC acima da temperatura do ponto de orvalho destes gases de combustão A diferença entre a temperatura de saída dos gases de combustão da turbina a gás e a temperatura do vapor superaquecido produzido no HRSG deve ser de no mínimo 30C caso não seja atendida essa condição reduza a temperatura do vapor gerado no HRSG Dimensione o sistema por paridade térmica o vapor produzido na HRSG deve ser o suficiente para atender só os processos Observação Em caso de que a irreversibilidade na turbina tenha resultado negativa no projeto 2 consulte com o professor para corrigir o enunciado A figura 2 apresenta o esquema da turbina a gás e o HRSG compressor gás compressor ar câmara de combustão turbina a gás Superaquecedor Economizador Evaporador turbina a vapor processo 1 Projeto de Sistemas de Cogeração Tipo 1 Sua equipe foi designada para realizar um estudo de desempenho no sistema de cogeração de uma usina que produz açúcar e álcool a partir da canadeaçúcar A planta de cogeração é baseada no ciclo Rankine ciclo de potência a vapor e é utilizada para atender a demanda térmica de dois processos produtivos na planta a desidratação do etanol e a evaporação do caldo A pressão máxima do vapor no ciclo é de 3 MPa e a temperatura máxima é de 300ºC A pressão mínima do ciclo é 10 kPa Cada processo produtivo demanda o fornecimento de vapor saturado a temperaturas diferentes O vapor necessário é produzido em dois trocadores de calor P1 desidratação do etanol e P2 evaporação do caldo O trocador de calor P1 produz 53 kgs de vapor saturado a 1588ºC ponto 19 e o trocador de calor P2 produz 596 kgs de vapor saturado a 1274ºC ponto 21 em ambos os processos o vapor retorna ao respectivo trocador de calor como líquido comprimido 5C abaixo da temperatura de saturação correspondente à pressão de operação Na saída do processo P1 ponto 11 e do processo ponto 12 a condição do fluido de aquecimento é de líquido saturado despreze perdas de pressão tanto do lado do fluido quente quanto do lado do fluido frio para os dois trocadores A diferença de temperatura entre a saída do fluido quente e a saída do fluido frio é de 20ºC em ambos trocadores de calor P1 e P2 A eficiência isentrópica da turbina é 80 enquanto a eficiência isentrópica da bomba de 75 Uma torre de resfriamento reduz a temperatura da água de resfriamento que deixou o condensador a 35C ponto 14 e a faz retornar ao condensador novamente a 20ºC ponto 13 Para isso usa ar úmido a 18C e 30 de umidade relativa ponto 16 e que deixa a torre a 25ºC e 90 de umidade ponto 17 parte da água de resfriamento evapora com o ar úmido e deve ser reposta ponto 18 Bagaço de cana é utilizado como combustível no processo o poder calorífico inferior do bagaço nas condições como ele é queimado na caldeira é 7650 kJkg A quantidade de bagaço disponível na usina em função da taxa de cana processada é 272kgt cana dependendo dos requerimentos de calor e eletricidade do processo pode haver uma sobra de bagaço ou um déficit que deve ser coberto com um combustível auxiliar assuma como combustível auxiliar cascas de eucalipto com PCI de 572 MJkg caso seja necessário O consumo de eletricidade do processo produtivo é de 28 kWht cana Assuma uma eficiência térmica da caldeira de 85 85 da energia do combustível é transferida para a água na caldeira A exergia química específica do bagaço de cana é 9979 kJkg enquanto a das cascas de eucalipto é 696 MJkg Se a usina processa cana a uma taxa de 500 th e a turbina tem uma capacidade máxima de produzir potência de até 60 MW determine a Qual o consumo de cada combustível para se atender só a demanda térmica em kgs Especifique qual a composição de combustíveis utilizados existe sobra de bagaço Existe excedente de eletricidade Analise seus resultados b Qual é a potência líquida produzida na planta considerando que a caldeira queima todo o bagaço disponível kW c Se a turbina for utilizada em sua máxima capacidade qual seria o consumo de combustível em kgs Especifique qual a composição de combustíveis utilizados em massa e em energia Para as condições determinadas no item c determine d A potência líquida produzida na planta kW e A irreversibilidade gerada em cada equipamento através de balanços de exergia f A eficiência exergética desta planta e o fator de utilização de energia FUE g A quantidade de potência elétrica que pode ser vendida para a rede de distribuição de energia elétrica kW h Determine se sua planta atende os critérios da cogeração qualificada de acordo com a ANEEL httpwww2aneelgovbrcedocren2006235pdf i Considerando os valores de tarifa de energia elétrica httpswwwenelcombrptsaopauloCorporativoeGovernotabelade tarifashtml e o custo das cascas de eucalipto em 180R ton determine a receita apurada com a venda da energia elétrica excedente e descontando o custo de aquisição das cascas de eucalipto Considere a operação de 24 horas por dia durante 30 dias Analise seus resultados Assuma as hipóteses que considere necessárias P1 P2 combustivel TV Wt COND TR GV B3 B2 B1 Uma notícia foi cadastrada na turma virtual ESTE01417 SISTEMAS TÉRMICOS 48h Turma NA2ESTE01417SA 20231 Projeto 3 complemento do enunciado Prezados Para complementar o enunciado do projeto 3 a partir dos balanços de massa e energia no ciclo combinado determinar a A vazão mássica de combustível gás natural na TG Turbina a gás em kgs b A relação arcombustível em base mássica na TG c A vazão de vapor gerado na caldeira de recuperação HRSG d A temperatura dos gases de combustão na saída do economizador do HRSG e A irreversibilidade em todos os componentes do ciclo combinado f A potência líquida da planta ciclo combinado g a potência elétrica que pode ser vendida para a rede h A eficiência energética de toda a planta ou FUE i A eficiência exergética de toda a planta j Determine se a planta atende os critérios de cogeração qualificada da ANEEL compressor gás compressor ar câmara de combustão turbina a gás Superaquecedor Evaporador Economizador COND TR P1 P2 Tv Wt B3 B1 B2 27 28 24 25 23 26 29 33 30 34 32 31 1 2 3 4 19 20 21 22 11 12 5 14 13 15 18 17 16 10 9 8 7 6