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Termelétricas |
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Ciclo Combinado |
O
trabalho que se segue procura descrever o que sejam as termelétricas
a gás natural de ciclo combinado ("Combined cycle power
stations" , CCPS's" ), um tipo de usina térmica que
vem sendo adotado em todo o mundo, desde a década de oitenta,
e que deverá ser a solução escolhida para a quase
totalidade das termelétricas brasileiras a gás natural
a serem construídas nos próximos anos - cerca de 35 usinas,
totalizando mais de 12.000 megawatts (MW).
Uma
usina a ciclo combinado usa turbinas a gás e a vapor associadas
em uma única planta, ambas gerando energia elétrica a
partir da queima do mesmo combustível. Para isto, o calor existente
nos gases de exaustão das turbinas a gás é recuperado,
produzindo o vapor necessário ao acionamento da turbina a vapor.
Vejamos abaixo as principais características das CCPS's.
1.
PRINCIPAIS COMPONENTES DAS CCPS's
1.1
Turbinas a Gás
O
principal elemento das termelétricas de ciclo combinado são
as turbinas a gás, uma tecnologia em grande parte proveniente
dos jatos desenvolvidos para as aeronaves militares e civis, onde o
combustível é o querosene. Nas termelétricas, o
combustível vem sendo cada vez mais o gás natural, embora
seja quase sempre dada a possibilidade de operar com um segundo combustível,
como o diesel, para evitar interrupções no caso de problemas
no suprimento do gás.
Podemos
distinguir três componentes principais em uma turbina à
gás: o compressor, o sistema de combustão e a turbina
propriamente dita, esta última sendo a fonte de acionamento tanto
do compressor como de um gerador de energia elétrica. O ar atmosférico
captado pelo compressor é comprimido no sistema de combustão
à pressão de cerca de 13 bar, e temperatura da ordem de
375º C, a qual se eleva a 1250º C com a queima do gás.
A energia gerada na expansão que se segue à queima do
gás aciona a turbina, reduzindo-se a pressão à
atmosférica e a temperatura a cerca de 550º C nos gases
de exaustão da turbina.
Se
uma turbina estiver operando isoladamente, ou em ciclo aberto ( open
cycle mode ), como nas aeronaves, sua eficiência térmica
é baixa, da ordem de 36%, ou seja, mais de 60% do calor gerado
pela queima do combustível é perdido nos gases de exaustão.
É verdade que a eficiência térmica pode ser melhorada
com temperaturas e pressões de entrada mais elevadas, mas isto
exigiria materiais mais caros ao longo do caminho do gás, com
limitações técnicas e econômicas que podem
ser relativizadas no caso de unidades aeronáuticas (especialmente
militares), mas são relevantes nas turbinas industriais. Nestas,
é fundamental compatibilizar temperaturas e pressões com
custos iniciais e de manutenção, esta sempre trabalhosa
e demorada.
Assim,
não é de se esperar que, mesmo com os desenvolvimentos
técnicos já antevistos, as turbinas industriais em ciclo
aberto venham a ter eficiência térmica acima de 40%, o
que torna este sistema desinteressante para a geração
de energia elétrica. A Fig. 1 abaixo mostra este esquema, com
o fluxo numérico de energia da unidade.
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Turbina
a Gás em Ciclo aberto
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1.2
Caldeira de recuperação de calor - HRSG
Como
dissemos acima, as CCPS's têm como um dos seus principais elementos
um gerador de vapor capaz de recuperar parte do calor dos gases de exaustão
das turbinas a gás (Heat Recovery Steam Generator - HRSG). Com
isto, a eficiência térmica eleva-se substancialmente, como
se vê na Fig. 2 abaixo, pois o vapor assim produzido aciona uma
turbina, sem necessidade de queima de combustível adicional.
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Ciclo
combinado
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A
temperatura máxima que, nestas condições, pode
ser obtida no vapor depende da temperatura dos gases de exaustão,
que, como vimos, é da ordem de 550º C. Um bom número
é vapor a 520º C, e 105 bar de pressão. A quantidade
de vapor produzida é suficiente para acionar uma turbina capaz
de gerar a metade da energia elétrica da turbina a gás
correspondente. Em consequência, um dos arranjos clássicos
de uma CCPS são duas turbinas a gás e uma a vapor, todas
da mesma capacidade - p.ex., 150 MW cada uma.
Diferentemente
dos gases de exaustão de uma turbina a óleo ou de um motor
diesel, os gases provenientes de uma turbina a gás ainda contém
oxigênio, o que permite a queima suplementar de combustível,
se for desejado vapor a temperaturas mais elevadas ou em maior quantidade.
Nas instalações comerciais, entretanto, este esquema é
pouco usado, pois a eficiência térmica global é
menor.
1.3
Turbina a Vapor
O
terceiro elemento básico nas CCPS's é a turbina a vapor,
cuja função é gerar energia elétrica adicional
a partir do vapor produzido no HRSG. Seu funcionamento não difere
das turbinas usadas em termelétricas convencionais a vapor, com
queima de carvão ou óleo. O vapor saído da turbina
é condensado e volta a ser usado como água de alimentação
do HRSG.
Caso
a instalação esteja à beira-mar ou próxima
de um rio, a preferência é pelo condensador a água,
com passagem única. Se isto não for possível, pode-se
ter torres de resfriamento (as enormes torres de concreto com perfil
parabólico são típicas de termelétricas)
ou mesmo, caso não haja água disponível, radiadores
resfriados a ar. Neste último caso, os investimentos tendem a
crescer e a eficiência térmica da planta fica reduzida.
2.
CAPACIDADE PRODUTIVA DAS CCPS's
A
escolha das turbinas a gás determina a capacidade de produção
de uma termelétrica de ciclo combinado. Não se pode, porém,
arbitrar livremente a potência de uma turbina, pois os poucos
fabricantes mundiais têm suas máquinas padronizadas. Encontram-se
turbinas a gás desde 1 MW a 330 MW, mas a grande maioria das
termelétricas a gás natural usa unidades entre 120 e 330
MW. As capacidades são referidas às condições
"ISO" , ou seja, temperatura ambiente de 15º C e nível
do mar, e serão reduzidas para temperaturas mais elevadas e altitudes
maiores.
Como
vimos, o vapor gerado em uma caldeira de recuperação de
calor permite acionar uma turbina de potência igual à metade
da turbina a gás correspondente. Isto significa turbinas a vapor
de 60 a 165 MW, e o tamanho prático de uma instalação
com uma turbina a gás e sua correspondente a vapor será
de 180 MW ou maior.
3.
CONFIGURAÇÃO DAS CCPS's
3.1
Instalações com uma turbina a gás
Em
instalações de uma única turbina a gás,
a que nos referimos no parágrafo anterior, dois arranjos são
possíveis: o mais tradicional prevê geradores elétricos
separados, acoplados à turbina a gás e à turbina
a vapor, mas é possível acoplar as duas para acionarem
um único gerador. A Fig. 3 abaixo mostra um esquema deste tipo
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Fluxograma
típico de uma Termelétrica a Ciclo combinado (CCPS)
Tipo 1+1 em eixo único
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A
opção por uma única turbina a gás limita
a capacidade total da usina a cerca de 500 MW, e traz problemas de parada
total se uma das máquinas apresentar problemas. Desta forma,
a preferência é para as instalações com mais
de uma turbina a gás, que veremos a seguir.
3.2
Instalações com mais de uma turbina a gás:
A
maioria das térmicas a gás natural em funcionamento ou
construção adota a configuração de mais
de uma turbina a gás, pois desta forma não há limite
à capacidade da usina, e os riscos de paralisação
são reduzidos. Como já vimos, um modelo clássico
é o chamado 2 + 1, com duas turbinas a gás iguais, cada
uma com seu HRSG, e uma a vapor de mesma capacidade. Desta forma, é
possível usar três geradores elétricos de mesmo
porte para as três turbinas, com transformadores e demais equipamentos
elétricos também padronizados. Um arranjo deste tipo pode
ser visto na Fig. 4, abaixo
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Fluxograma
típico de uma Termelétrica de Ciclo combinado (CCPS) -
Tipo 2+1
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Neste
tipo de configuração é possível parar uma
turbina a gás e seu HRSG reduzindo a capacidade total à
metade. Caso a turbina a vapor pare, pode-se operar com o chamado ciclo
aberto (vide item 1.1), com grande redução na eficiência
térmica.
Com base na potência comercialmente disponível
das turbinas a gás, conclui-se que uma usina tipo 2 + 1 terá
capacidade total entre 360 e 990 MW, embora este limite superior seja
na prática de cerca de 800 MW. Uma atenção especial
em instalações deste tipo (mais de uma turbina) deve ser
dada à divisão de carga entre as máquinas a gás,
de forma a equalizar temperaturas e pressões no vapor produzido
por seus HRSG's.
A
combinação de turbinas a gás e a vapor não
está limitada ao arranjo 2 + 1. Há exemplos de até
5 turbinas a gás associadas a uma a vapor, e arranjos de 3 +
1 e 4 + 1 estão em uso comercial em diferentes localizações.
O emprego de grandes turbinas a vapor, entretanto, traz dificuldades
técnicas a medida que aumenta o número das caldeiras de
recuperação de calor que, em paralelo, a alimentam.
4.
EFICIÊNCIA E DISPONIBILIDADE
4.1
Eficiência Térmica
A
eficiência térmica das CCPS's é melhor que as maiores
e mais modernas usinas a carvão ou a óleo. Como exemplos,
temos a usina de Drax, na Inglaterra, uma termelétrica a carvão
de 4.000 MW, que chega a 40% de eficiência, ou os melhores motores
diesel, que podem atingir 44%.
A
estas instalações comparam-se as CCPS's - termelétricas
a gás natural de ciclo combinado, capazes de atingir 56% de eficiência
térmica. Mesmo usinas mais antigas ficam acima de 47%, valores
que, com a tecnologia hoje disponível, não são
encontrados em nenhuma outra térmica comercialmente em uso.
4.2
Disponibilidade
Diz-se
que uma planta perde disponibilidade quando cessa de gerar energia elétrica,
seja por paradas programadas, paradas imprevistas ou restrições
à produção de qualquer natureza. A disponibilidade
é avaliada em bases anuais e termos percentuais, comparando-se
a totalidade das horas do ano com as do efetivo funcionamento.
As
paradas programadas de uma CCPS são em geral determinadas pelas
turbinas a gás, que normalmente são previstas para trabalhar
até 8000 horas sem interrupção. Na prática,
a perda de disponibilidade situa-se entre 2 e 12% ao ano, fixando-se
em 5% em um horizonte de 5 anos. Os demais componentes de uma CCPS -
HRSG e turbina a vapor - terão sua manutenção contida
nestes prazos.
Dados
estatísticos mostram que as demais perdas de disponibilidade
situam-se entre 3 e 6%, o que significa que algo próximo a 90%
pode ser antecipado como disponibilidade média de uma CCPS.
5.
QUESTõES AMBIENTAIS
O
gás natural é, em princípio, isento de enxofre
e de cinzas, o que torna dispensáveis as custosas instalações
de desufurização e eliminação de cinzas
que são exigidas nas térmicas a carvão e a óleo.
O problema da chuva ácida é mínimo em uma térmica
a gás natural, e a contribuição para o aquecimento
global, por KW gerado, é muito menor que nas correspondentes
a carvão e óleo, por força da melhor eficiência
térmica. Como o gás natural é rico em hidrogênio
quando comparado aos demais combustíveis fósseis, a proporção
de gás carbônico gerado por sua queima é significativamente
mais baixa.
O
problema ambiental mais acentuado nas instalações a gás
natural é o de emissão de óxidos de nitrogênio,
conhecidos por "NOx". Uma turbina a gás tem níveis
maiores de NOx do que caldeiras a óleo ou carvão porque
a relação entre o ar e o combustível é muito
maior na queima do gás. Os últimos desenvolvimentos técnicos
prevêm a utilização de queimadores com injeção
de água ou vapor na zona de combustão das turbinas, o
que além de reduzir o NOx, ainda eleva a capacidade produtiva
de máquina por aumento do fluxo de massa através da turbina.
A
idéia popular de que turbinas a gás produzem alto nível
de ruído - impressão que vem das turbinas de avião
- não é verdadeira. Em CCPS's bem projetadas, a poluição
sonora não excede a de usinas equivalentes operando a vapor,
e situa-se facilmente nas exigências legais.
Uma
vantagem deste tipo de termelétrica é o de ocupar espaços
reduzidos em relação aos demais. Uma instalação
típica, 2 + 1, de 360 MW pode ser feita em um terreno de 200
x 400 metros, como pode ser visto na Fig. 5
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Arranjo
típico de uma Termelétrica a Ciclo combinado (CCPS)
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Também
na altura das chaminés as CCPS's trazem vantagens sobre térmicas
a carvão ou óleo. Como o gás é basicamente
isento de enxofre e cinzas, a chaminé de concreto com 250 m de
altura, típica de grandes usinas, pode ser substituída
por duas peças de 75 m , em aço. A não existência
de grandes áreas de estocagem de carvão ou parque de tanques
de óleo é ainda um ponto a favor das usinas a gás
natural, embora nelas existam, como se pode observar na Fig. 5, reservatórios
para combustíveis de reserva.
6.
TEMPO DE CONSTRUÇÃO, INVESTIMENTO E OPERAÇÃO
Atualmente,
com o número de CCPS's aumentando em todo o mundo, os prazos
de entrega de turbinas a gás têm se alongado, havendo verdadeiras
filas que tornam o tempo de espera incerto. A menos deste inconveniente,
o prazo de construção de uma usina tipo CCPS não
excede 2 anos, enquanto uma térmica a óleo ou carvão
equivalente leva em média 3 anos.
Os
investimentos necessários são também menores. Uma
usina a carvão, incluindo a unidade de desufurização
dos gases de escape da chaminé (hoje exigência em todo
o mundo) fica 80% mais cara que uma CCPS equivalente. O gás usado,
porém, deverá ser um produto de elevada qualidade, enquanto
as outras térmicas podem lançar mão do carvão
não tratado ou óleos combustíveis residuais, de
custo menor.
Não trataremos neste trabalho dos custos operacionais,
porém podemos indicar que, graças ao não manuseio
de combustível e ao alto grau de automação que
se pode alcançar em uma CCPS, o número de operários
é comparativamente pequeno em relação às
térmicas tradicionais - em uma termelétrica a gás
natural de ciclo combinado de 800 MW podemos esperar algo entre 30 e
60 homens.
Concluindo,
é possível afirmar que as CCPS oferecem vantagens competitivas
importantes sobre as convencionais. Tratando-se de uma tecnologia relativamente
recente, há oportunidades abertas para melhoramentos, seja na
eficiência térmica, seja na performance dos equipamentos
envolvidos, tornando ainda mais atrativa a economia global deste tipo
de empreendimento.
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