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k�l m l n o l p q r s1l n t – Cogeração, Ciclo combinado, Ciclo

simples de turbina a vapor, Ciclo simples de turbina agás.u�t p v w�x

- Este artigo apresenta uma síntese dametodologia e descrição de um programa de computadorpara determinação da viabilidade de projetos decogeração. Este trabalho foi desenvolvido no âmbito doPrograma Anual de Pesquisa e Desenvolvimento daCoelba, Ciclo 2000-2001.

No contexto energético atual, que tende a valorizar fontessecundárias, confiáveis e ecologicamente adequadas como objetivo de garantir o fornecimento de eletricidade deforma econômica e independente de flutuaçõesconjunturais, a cogeração ocupa um espaço significativo.

As plantas que produzem calor para processo são, nagrande maioria, tecnicamente aptas a gerar eletricidade,constituindo um notável potencial elétrico complementarainda não aproveitado. Entretanto nem sempre osinvestimentos podem ser conciliados com o rápidoretorno do capital investido.

Daí o interesse de empreendedores e companhiasconcesionárias como a COELBA, em dispor, para finsestratégicos e de planejamento, de meios confiáveis eprecisos, para avaliar o potencial e viabilidade desistemas cogerativos.

y z { |�}�~������������O presente projeto foi formulado para apresentarrespostas para perguntas como as seguintes:

É determinada planta apropriada para produzireletricidade por cogeração?

Quais seriam os equipamentos necessários?

Quais as capacidades deles?

Quais os combustíveis?

Quais os novos consumos?

É tecnicamente possível a plena satisfação da demandaelétrica, permanecendo inalterada a demanda de calor?

Haverá eletricidade excedente a ser exportada ouinsuficiente a ser comprada?

Qual será o investimento necessário?

É economicamente viável o empreendimento?

Qual a taxa interna de retorno do capital investido?

Quais são as alternativas possíveis, qual o grau deatratividade de cada uma delas?

Outras questões são avaliadas, como por exemplo asalterações a serem introduzidas num sistemaconvencional, as vazões e parâmetros operacionais dosfluidos envolvidos (combustíveis, gases, água, vapor),elementos básicos de dimensionamento dosequipamentos necessários.

Foram previstas as seguintes duas fases principais deestudo:

Criar a metodologia para a determinação de soluçõescogerativas básicas, técnica e economicamente viáveis,contemplando sistemas de ciclo simples e combinado,dentro do limite de potência (eletro-mecânica) de 25MW.

Desenvolver programa computacional do tipo interfacegráfica, de fácil aplicação e uso, implementando ametodologia concebida.

Foi também estabelecido que o programa se limitasse atratar da grande maioria dos casos que se apresentam naprática, sem todavia abranger estudos especializados deengenharia básica mais apropriados a estágios avançadosde projeto.

Optou-se então por delimitar o escopo do trabalho a novemodelos típicos de plantas que, admitindo uma largafaixa de variação de parâmetros, pudessem cobrir amplocampo de soluções, e apresentassem condição desatisfazer as exigências de qualquer usuário nãonecessariamente especialista, mas razoável conhecedordo assunto.

Os sistemas escolhidos se referem a plantas industriais depotência elétrica compreendida entre 1500 e 25000 kW, ecom capacidade utilizada superior a 5000 horas por ano.

Foram incluídas as plantas de ciclo combinadocondensante, ou seja plantas propriamente termoelétricasque em princípio são cogerativas (o calor, ao invés de irpara o processo, é utilizado para gerar mais eletricidade),mas que, por extração, podem fornecer algum vapornecessário ao processo. Estas últimas plantas, dispondode uma turbina a vapor condensante além da turbina agás, poderão gerar uma potência elétrica total bem maiorque a potência de 25000 kW admitida como máximo paraa turbina a gás.

Foram considerados sistemas de turbina a gás e/ou avapor, apresentando tipicamente relações kWterm/kWelentre 0/1 e 6,5 /1. Para situações onde as soluções

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cogerativas não permitem a paridade elétrica, esta éobtida acrescentando eletricidade importada, ousubtraindo eletricidade exportada, à eletricidaderealizável calculada pelo programa.

Não obstante a preferência para o uso do gás naturalcomo combustível, foi admitido o uso, quando aplicável,de qualquer outro combustível, como por exemplo o óleoleve das turbinas a gás e o bagaço de cana das usinassucro-alcooleiras.

Em resumo, o escopo do projeto foi de criar metodologia,desenvolver um programa de computador, comprovar suacapacidade de obter os resultados propostos e, enfim,permitir a fácil utilização de tal capacidade.

Tal programa, do ponto de vista estratégico da COELBA,representa uma útil ferramenta a fim de conhecer opotencial cogerativo dos consumidores industriais, definirpolíticas de comercialização de excedentes de energia,otimizar os investimentos em áreas críticas do sistemaelétrico e prestar serviços na área de cogeração.

O software, incluindo explicações e instruções de uso,poderá ser divulgado ou comercializado em benefício deoutras empresas de distribuição de eletricidade,consultores, universidades e consumidores industriais.Para o usuário em geral, não necessariamenteespecialista, poderá constituir um guia nos procedimentosde cálculo e reduzir o trabalho de vários dias para poucashoras, minimizando as possibilidades de erro.

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A metodologia adotada incluiu:

• Pesquisa e revisão de literatura relevante.

• Definição e análise dos casos específicos emsuas peculiaridades e variedades.

• Compilação de bancos de dados para turbinas agás.

• Análise de custos médios de equipamentos e deinsumos (alteráveis no programa).

• Construção e concatenação de algoritmos demodo a constituir um conjunto funcional paracada equipamento e modelo cogerativo.

• Programação lógica e digital. O software,desenvolvido inicialmente em "MS Excel", apósas devidas verificações e correções foiconvertido para "Visual Basic".

• Testes e devidos aperfeiçoamentos.

• Elaboração do Manual de uso do Programa.

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Para desenvolvimento de uma metodologia ecorrespondente programa de computador com o objetivode avaliar a viabilidade de projetos de cogeração, foram

considerados 3 tipos de sistemas cogerativos, baseadosem: 1) ciclo simples de turbina a vapor, 2) ciclo simplesde turbina a gás, 3) ciclo combinado de turbina a gás eturbina a vapor.

1) Ciclo Simples - Turbina a Vapor

• Turbina a Vapor TV - Caldeira primáriaconvencional. Turbina a vapor de contrapressão.Vapor superaquecido para turbina, saturado paraprocesso.

• Turbina a Vapor TV2N - Caldeira primáriaconvencional. Desaerador. Turbina a vaporcondensante com extrações em 2 níveis paraprocesso.

2) Ciclo Simples - Turbina a Gás

• Turbina a Gás TG - Caldeira de recuperaçãocom pós-combustão. Vapor saturado paraprocesso. Controle de temperatura (baixa) naentrada do preaquecedor. Controle do pinch-point.

• Turbina a Gás TG2N - Caldeira de recuperaçãocom pós-combustão, dois níveis de pressão.Vapor saturado de baixa pressão e vapor de altapressão (superaquecido ou não) para processo.Com ou sem desaerador, com ou semsuperaquecedor. Controle de temperatura (baixa)na entrada do preaquecedor.

• Turbina a Gás TGB - Caldeira de recuperaçãocom pós-combustão. Desaerador. Vaporsuperaquecido para o processo. Controle detemperatura (alta-baixa) na entrada dopreaquecedor. Controle do pinch-point.

3) Ciclo Combinado

• Ciclo Combinado CC - Turbina a gás. Caldeirade recuperação com pós-combustão. Turbina avapor de contrapressão. Vapor superaquecidopara turbina, saturado para processo. Controle detemperatura (alta-baixa) na entrada dopreaquecedor. Controle do pinch-point.

• Ciclo Combinado CC2N - Termoelétrica -Turbina a Gás, 2 níveis. Caldeira de recuperaçãocom pós-combustão, dois níveis de pressão.Turbina a vapor con-densante. Controle detemperatura (baixa) na entrada do preaquecedor.Controle do pinch-point.

• Ciclo Combinado CCA - Turbina a gás. Caldeirade re-cuperação com pós-combustão. Semdesaerador (até 30 bar). Turbina a vapor decontrapressão, vapor saturado para processo.

• Ciclo Combinado CCB - Turbina a gás. Caldeirade recuperação com pós-combustão. Comdesaerador. Turbina a vapor condensante. 1Extração de vapor saturado (ou não) para oprocesso.

A metodologia e programas propostos apresentam osseguintes recursos e características inovadoras:

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• O programa apresenta inicialmente gráficos deplantas que podem incluir caldeirasconvencionais e de recuperação de calor com ousem combustão suplementar, com ou sem pré-aquecedor de alimentação e superaquecedor,turbinas a vapor com ou sem extrações,desaeradores e condensadores, turbinas a gás oumotores de combustão interna.

• A partir de “inputs” básicos relativos aocombustível a ser usado (comercial oubiomassa), são calculados a combustão, acomposição dos gases e o conteúdo de calor emfunção das temperaturas.

• São feitos os devidos balanços e fornecidostodos os dados úteis relativos aos fluxos dosdiversos fluidos.

• São fornecidos os dados relativos à transmissãodo calor no interior das caldeiras convencionaise de recuperação de calor com posição do pinch-point, permitindo uma fácil representaçãográfica.

• São calculadas as eficiências de turbinas,caldeiras e ciclos.

• São especificados excedentes ou insuficiência depotência elétrica gerada.

• Quando necessário, em função dos dados doproblema, é sugerida uma turbina a gás genéricae, posteriormente, uma turbina a gás real éadaptada às condições operativas locais, quepode ser escolhida em banco de dadosdisponível.

• É calculado o consumo de combustível e o custoda eletricidade produzida (também incidindo aoperação). É feita a comparação com o sistemanão cogerativo. É indicada a economiarealizável.

• É avaliado o investimento e taxa interna deretorno (TIR) do capital em função do tempo deamortização.

• É verificado o atendimento aos requisitosmínimos de racionalidade energéticaestabelecidos pela ANEEL.

� z ~�� ��'}����������������|����������Todos os resultados esperados foram alcançados de formasatisfatória.

Para isso, uma numerosa série de problemas teve que seranalisada e resolvida. São destacados a seguir apenas osprincipais.

Eles exigiram estudo aprofundado, adequado tratamentomatemático e execução de testes operacionais antes quecada procedimento pudesse ser introduzido no programade maneira confiável.

� � � ����x w�� v p � x&t� l p t p �Go x � v � � � x p ��� t w���t o l � v o l��r l m x o�t'n � r t q n t o p l �

A combustão de qualquer combustível conhecido podeser obtida sem dificuldade, mas a necessidade de disporda temperatura de uma mistura qualquer de gasesresultantes conhecendo-se o calor contido, ou entãodispor do calor contido em função da temperatura,obrigou a criar equações adequadas.

Elas foram obtidas por integração das conhecidasequações do calor específico a pressão constante relativasa cada gás. Os resultados produzidos pelo programa sãoagora imediatos e de notável precisão.� � � ��� l ��x o���� � 1v l p l � v o l � x�� w�� � x � p t r x t

p v ��t o l v t r � � x �A preferência pelo uso de equações ao invés da poucoprática consulta dos diagramas de Mollier ou do uso debanco de dados (tabelas do vapor d'água) levou a estudare desenvolver rotinas de programa baseadas nas equaçõesoriginais do próprio Mollier.

As várias sub-rotinas obtidas e amplamente testadas nocampo de valores aplicáveis às caldeiras e às turbinas avapor possibilitam a resolução de qualquer problema,com resultados decididamente satisfatórios.

� � ! ��� v o � � "1l p�l�n l ��x o � u't "�� � w�t " � x p � #�$ � o l % & t p �O problema da avaliação preliminar do rendimento deuma turbina a vapor, não dispondo de catálogo ouinformações do fabricante, não é de fácil solução. Foidecidido fazer referência aos diagramas estatísticos de DeLaval, incluídos no programa.

O próprio programa, baseando-se neles, sugere valoresaproximados de rendimento, mas o usuário pode adotarqualquer valor julgado mais adequado ou correto.

Qualquer número e nível de extrações de vapor da turbinapode ser calculado pelo programa.

Para se conseguir valores suficientemente satisfatórios detemperatura em função da pressão ou vice-versa foinecessário utilizar e adaptar as rotinas de programacitadas anteriormente.� � � ��� v o � � "1l p l'�� p �)(*� w�t " p � x "1l w�t " � x+� l,� v o � � "1l

1t "�- o � r l �+.*� l ��� l % x/� l0� v o � � "1l o t l m21 pr x "�� � % & t p�� t�� o l � l m s1x �

Um estudo particularmente novo e preciso foi necessáriopara que o programa pudesse sugerir e calcular os dadosbásicos de uma turbina a gás genérica operando emcondições ambientais locais.

Essa turbina genérica, capaz de satisfazer às exigênciasdo caso em exame, e operando a 100% de sua capacidadelocal, deveria representar um paradigma útil para aescolha de uma turbina real presente (disponível emcatálogo interno) ou futura.

O procedimento adotado, partindo de poucosindispensáveis inputs de valor médio, apresentou naprática resultados de alto grau de aproximação.

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Com procedimento parecido ao adotado para a turbinagenérica, a adaptação de uma turbina real escolhida emcatálogo não se revelou mais laboriosa e não apresentoudificuldades em particular.� � � � .�n l m � l % x � x��Go x n � n t m r v p � x � l ��m l " � l �Para conseguir uma razoável avaliação preliminar docapital envolvido no investimento relativo aos váriostipos de planta, foi necessário recorrer às poucasinformações disponíveis na literatura internacionalconsultada e diagramar valores dentro dos limitesestabelecidos preliminarmente.

Os diagramas foram substituídos por equações. Ousuário, entretanto é livre para alterar os valoressugeridos em US$ (atualizados ano 2000) com valoresestimados em US$ ou R$, adaptados à maior ou menorsofisticação da planta e ao mercado nacional.

Como afirmado anteriormente, o programa desenvolvidoconfirmou as expectativas e pode-se dizer que constituium conjunto orgânico funcional e de operação agradável.

Testes teóricos exaustivos e testes práticos aplicados acasos reais foram executados.

Resultados satisfatórios foram obtidos analisandoempresas existentes potencialmente cogeradoras: 1empresa petroquímica, 1 empresa petrolífera, 1 fábricatêxtil, 1 fábrica de pneus, 2 fábricas de cerâmica, 1fábrica de óleo e sabão e 5 usinas sucro-alcooleiras.

� z �G~�����~��� � �� �'��� �G��}�������~ ����~���'} ��~��{ |������� ���������{ }�� ����{ ���'{ ��{ ����� �� �G~���� ��}���� ����������~�������

O programa de computador para determinação expeditada viabilidade de projetos de cogeração, intituladoFirefly, aplica a metodologia exposta.

Trata-se de um programa simples de usar, para aquelesfamiliarizados com as questões relativas aos sistemascogerativos, oferecendo resultados rápidos com ummínimo de dados necessários à apresentação de dadossignificativos.

O Firefly permite o armazenamento, alteração de cálculosidentificados por uma descrição. A criação de um cálculose dá através da seleção de um dos modelos de cada umtipos de sistemas cogerativos descritos anteriormente.

A tela de Cálculos é a primeira tela apresentada nosistema.

Os diagramas dos modelos estão disponíveis paraconsulta e impressão através da ajuda do sistema etambém a partir da tela de criação de novo cálculo,apresentada quando é pressionado o botão + na telainicial.

Quando é selecionado um modelo para criação de umnovo cálculo, o mesmo vem já preenchido, com valorestípicos, que podem ser aceitos para exames superficiais, eservem também como parâmetro de referência nomomento em que são cadastrados dados específicos deum problema.

A entrada e saída de dados dos cálculos foi dividida nasseguintes páginas:

� � � ����x w�� v p � � n t mEsta página permite selecionar o combustível a ser usadono modelo corrente. Ela permite também introduzir umnovo combustível a partir do peso ou volume dos seuscomponentes.

Ela calcula ar estequiométrico, ar efetivo e gasesresultantes da combustão. Para os gases de combustão,calcula o calor contido em função da temperatura outemperatura em função do calor contido.

Cada combustível poderá ser utilizado como combustívelatual para um determinado modelo e, posteriormente,para outros modelos.

� � � ����x "�� � % & t p .�w�� � t " � l � pEsta página permite definir a localidade e fixar ascondições ambientais do local onde o modelo correnteestá ou será instalado.

É permitido também cadastrar os dados relativos a umanova localidade, que poderão ser usados em qualquer umdos modelos.� � ! � ��t r t p p � � l � t pNesta página devem ser indicados os dados básicos deprojeto. Assim como as demais páginas, ela vêmpreenchida com valores adequados a um caso escolhido atítulo de exemplo. Os valores devem ser alteradosconforme o necessário.

� � � ����x "�� � % & t p�� �Gt o l r � x "1l � pNesta página devem ser indicadas as condiçõesoperacionais do projeto.� � � � (�l � x p�� � p � r x p�t�k�o � w�t � o x p�u't p v m � l � x p��x v (�l � x p

� � p � r x p�t�u�t p v m � l � x p Para os modelos que possuem turbina a gás, sãoapresentados os dados básicos de projeto e os primeirosresultados.

Também nesta página, devem ser determinados o valordo calor contido (Qg) e do calor total introduzido (Qd),por tentativas. É especificada uma turbina a gás genéricade capacidade adequada. Para os modelos que possuemapenas turbina a vapor, são apresentados os dados básicose os resultados finais.� � � ��� v o � � "1l l ��� p�u�t l m�� l ��t "1l p���l o l x p�w�x � t m x p�r x w

� v o � � "1l�l��� p �Nesta página deve ser escolhida uma turbina a gás docatálogo, similar à turbina genérica e deve ser feita aequalização entre o calor total e o calor disponívelnecessário.

A navegação entre páginas é sempre feita com o uso dosbotões apresentados na figura 1, sempre disponíveis namesma posição da tela, facilitando o aprendizado dosistema.

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FIGURA 1

BOTÕES DE NAVEGAÇÃO

O botão apresentado na figura 2 é sempre utilizado paraindicar que o programa fará uma tentativa de obtenção devalores de entrada aceitáveis ou equalizados.

FIGURA 2BOTÃO TENTATIVA

Ele é usado também para sugerir uma turbina real a partirda turbina genérica calculada. Esta seleção, no entanto épreliminar e não significa que a melhor turbina disponívelfoi escolhida.

Os resultados finais do programa são apresentados noprograma, e podem, também ser exportados paraplanilhas no formato Microsoft Excel.

Alguns cálculos, como o de avaliação do investimento eretorno de capital são feitos exclusivamente nas planilhasde saída, em Excel.

Esta solução foi adotada, pois dá maior liberdade aousuário para trabalhar com os resultados obtidos,incluindo-os em outros documentos, enviando-os porcorreio eletrônico, e particularmente para os estudoseconômicos, adaptá-los à sua realidade.

� z } ��� � �� �� ���� ��� �G~�����~�� ��������� � ���'�Este exemplo apresenta uma tela de ajuda do programapara utilização do Ciclo Combinado CC, cujascaracterísticas são apresentadas a seguir:

CICLO COMBINADO CC

Caldeira de recuperação com pós-combustão. Turbina avapor de contrapressão. Vapor superaquecido paraturbina, saturado para processo. Controle de temperatura(alta-baixa) na entrada do preaquecedor. Controle dopinch-point.

Neste modelo são utilizadas as seguintes páginas(vejatambém as Notas Explicativas) :

1) Combustível,

2) Condições Ambientais,

3) Necessidades,

4) Condições Operacionais,

5) Dados básicos e Primeiros Resultados,

6) Turbina a Gás Real.

Notas Explicativas

Neste modelo se presume que o combustível usado tantopela turbina a gás quanto pela combustão suplementar(pós-combustão), seja o mesmo.

Suas características são levadas em conta nos cálculos.Pode ser gasoso ou líquido. No raro caso em que ocombustível usado para a pós-combustão seja diferentedaquele usado para a turbina, a eficiência da caldeirapraticamente não muda, portanto valem os cálculos feitoscom o mesmo combustível da turbina.

Bastará, no fim, substituir o consumo do combustívelutilizado para a pós-combustão pelo equivalente (empoder calorífico) do combustível verdadeiro.

Na avaliação econômica será ser levado em conta o custodos dois combustíveis.

� z ����|������� ����Como principal conclusão do trabalho, pode-se destacarque a pesquisa resultou em metodologia e programa decomputador que possibilita estabelecer de forma expeditaa viabilidade de projetos de cogeração enfatizando, noentanto, os aspectos práticos de plantas cogerativas deciclo simples e de ciclo combinado até o limite de 25MW.

� z ~������~��|��'{ �����'{ ���{ ����~���*{ �����[1] “De Laval engineering handbook”

[2] “Diesel and gas turbine Worldwide Catalog”

[3] “General Electric - Gas turbine reference library”

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[5] “Means - Mechanical cost data”

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[9] Boehm, Robert F. “Design analysis of thermalsystems”

[10] Ganapathy , V. “Waste heat boiler deskbook”

[11] IDAE. “Cogeracion 88 - Comunicaciones - JornadasTécnicas” . IDAE, 1988.

[12] IDAE. “Cogeracion 88 – Ponencias - JornadasTécnicas”. IDAE, 1988.

[13] Kehlhofer, Rolf H. “Combined-cycle gas and steamturbine power plants”.

[14] Kern, Donald Q. “Process heat transfer”

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[15] Mazzone, Vincenzo; Hayashi, Thamy. “Noções deCogeração de Ciclo Simples e Combinado”. UFBA,1997

[16] Nashchokin, V. “Engineering thermodynamics andheat transfer”

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[18] Osbourne, Alan. “Modern marine engineer’smanual”

[19] Press, W. H.; Teukolsky, S. A.;Vetterling,W.T.;Flannery, B. P. “Numerical Recipes in C : theart of scientific computing”. Cambridge: PressSyndicate of the University of Cambridge, 1996.

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