03 - Centrais Termoeléctricas Partes Constituintes

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<p>1</p><p>Partes que a constituem</p><p>A. Centrais de Turbina a Vapor (CTV)</p><p>Resfriada - refrigerada</p><p>Arrefecimento - refrigeração</p><p>1- Parque transportador e cinta transportadora,</p><p>2- Tremonha - Recipiente em forma de pirâmide ou cone invertido, com uma abertura na parte</p><p>inferior, que serve para fazer seu conteúdo passar pouco a pouco para outro local ou recipiente</p><p>com boca mais estreita</p><p>3- Moinho</p><p>4- Caldeira –</p><p>5- Cinzeiro – recipiente no qual são lançadas as cinzas.</p><p>6- Superaquecedor</p><p>GV</p><p>Caldeira</p><p>2</p><p>7- Reaquecedor</p><p>8- Economizador</p><p>9- Aquecedor de ar</p><p>10- Precipitador</p><p>11- Dessulfurador - remove o enxofre ou seus compostos</p><p>12- Chaminé</p><p>13- Turbina de Alta Pressão</p><p>14- Turbina de Média Pressão</p><p>15- Turbina de Baixa Pressão</p><p>16- Condensador</p><p>17- Transformadores</p><p>18- Torre de refrigeração</p><p>19- Aquecedores</p><p>20- Geradores/Alternadores</p><p>21- Linhas de Transporte de Energia</p><p>Partes Principais duma CTV</p><p>1. Caldeira</p><p>Economizador – Dispositivo de recuperação de calor, que garante que o calor que sai com os gases de</p><p>escape seja reutilizado. Este calor é utilizado para pré-aquecer a água de alimentação de modo que menos</p><p>calor seja necessário para levar a água a uma temperatura suficientemente alta para produzir vapor. Pode-</p><p>se considerar um economizador de um gerador de vapor, um aquecedor de água de alimentação, que</p><p>assegura que a água utilizada para alimentar o gerador de vapor se torne mais quente para que este não</p><p>tenha que despender muita energia para transformá-la em vapor.</p><p>Economizador</p><p>Superaquecedor</p><p>Reaquecedor</p><p>3</p><p>Superaquecedor – Dispositivo que se encontra nos geradores de vapor, que é usado para converter o</p><p>vapor saturado húmido em vapor seco. Os superaquecedores são um elemento muito importante do ciclo</p><p>de vapor, porque o vapor seco contém mais energia térmica e aumenta a eficiência global do ciclo. Para</p><p>além</p><p>disto, o vapor seco também é menos susceptível de se condensar no interior dos cilindros de um motor</p><p>alternativo ou numa turbina a vapor, evitando desta forma a cavitação. Nos geradores de vapor existem</p><p>três tipos de superaquecedores a saber: superaquecedores radiantes, superaquecedores convectivos e</p><p>superaquecedores aquecidos fora do gerador de vapor. A temperatura final do vapor superaquecido está</p><p>na faixa de 540 a 570 ° C para grandes usinas e a pressão a cerca de 175 bar.</p><p>Reaquecedor – O vapor da exaustão do primeiro estágio da turbina, volta a caldeira para o reaquecimento</p><p>e é retornado para a expansão no segundo estágio. O reaquecedor de serpentinas que se encontra no</p><p>percurso do gás de escape do gerador de vapor é quem reaquece o vapor retornado do primeiro estágio.</p><p>O vapor reaquecido encontra-se a uma pressão muito mais baixa do que o vapor superaquecido, mas a</p><p>mesma temperatura. Reaquecer o vapor a altas temperaturas melhora a produção e eficiência da Usina.</p><p>As temperaturas finais do vapor reaquecido encontram-se geralmente na gama de 560 a 600 °C e a</p><p>pressão em torno de 45 bar.</p><p>Pré-aquecedores de ar – São utilizados apenas durante o arranque da caldeira para evitar a corrosão a</p><p>baixa temperatura. Este aquecedor de ar não contribui para a melhoria da eficiência da caldeira, mas é</p><p>proporcionado para melhorar a disponibilidade. Como durante o arranque a probabilidade de corrosão</p><p>devido a baixa temperatura é elevada, torna-se evidente a necessidade de prover o gerador de calor de</p><p>aquecedores de ar de serpentina. Tanto os economizadores, como os pré-aquecedores de ar, são</p><p>chamados sistemas de recuperação de calor de uma caldeira. Se não fosse devido a estes sistemas de</p><p>recuperação de calor, as caldeiras actuais estariam a operar a níveis de eficiência muito mais baixos.</p><p>Economizador</p><p>Superaquecedor</p><p>4</p><p>Válvulas de Segurança – As válvulas de segurança e de alívio de pressão, são dispositivos que protegem</p><p>automaticamente os equipamentos do processo, de um eventual excesso de pressão. As caldeiras e vasos</p><p>de pressão, obrigatoriamente necessitam desses dispositivos de segurança para sua proteção.</p><p>Sistemas de controle de água de alimentação – regulam o abastecimento de água ao tubulão superior</p><p>para manter o nível entre limites desejáveis. Esses limites devem ser observados no indicador de nível. A</p><p>Reaquecedor</p><p>Pré-aquecedores de ar</p><p>5</p><p>quase totalidade das caldeiras, são equipadas com sistemas automatizados, que proporcionam maior</p><p>segurança, maiores rendimentos e menores gastos de manutenção.</p><p>Tratamento De Água Para Caldeiras – a água para caldeiras deve receber tratamento que permita a</p><p>remoção total ou parcial de sais de cálcio e magnésio, os quais produzem incrustações e levam à ruptura</p><p>dos tubos. O processo, designado por abrandamento da água pela cal soldada, consiste na injeção de</p><p>soluções de CaO (cal) e NaCO3 (carbonato de sódio ou soda) para precipitar o carbonato de cálcio e formar</p><p>hidróxido de magnésio floculado, de modo a serem removidos antes de a água ser bombeada para a</p><p>caldeira. — As principais grandezas de controle da qualidade da água são:</p><p>- Dureza total</p><p>- PH</p><p>2. Turbinas a Vapor</p><p>Turbinas a Vapor – Definição – são Máquinas Térmicas que utilizam a energia do vapor sob forma de</p><p>energia cinética. Deve-se transformar em energia mecânica a energia contida no vapor sob a forma de</p><p>energia térmica e de pressão.</p><p>As turbinas de uma forma geral, são motores rotativos que convertem em energia mecânica a energia de</p><p>uma corrente de água (turbinas hidráulicas), vapor d'água (turbinas a vapor) ou ar (turbinas a gás). O</p><p>elemento básico da turbina é a roda ou rotor, que conta com palhetas, hélices, lâminas ou cubos</p><p>colocados ao redor de sua circunferência, de forma que o fluido em movimento produza uma força</p><p>tangencial que impulsiona a roda, fazendo-a girar.</p><p>6</p><p>Princípios Básicos de Funcionamento</p><p>Numa turbina a vapor a transformação de energia do vapor em trabalho é feita em duas etapas:</p><p>a. Inicialmente, a energia do vapor é transformada em energia cinética. Para isso o vapor é</p><p>obrigado a escoar através de pequenos orifícios, de formato especial, denominados</p><p>expansores, onde, devido à pequena área de passagem, adquire alta velocidade, aumentando</p><p>sua energia cinética, mas diminuindo, em consequência, sua entalpia (energia). Num</p><p>expansor, além do aumento de velocidade e da diminuição da entalpia, ocorrem também</p><p>queda na pressão, queda na temperatura e aumento no volume específico do vapor.</p><p>Figura 1 – Turbina “Tipo Francis”,</p><p>utilizada na Hidrelétrica de Itaipu</p><p>7</p><p>b. Na segunda etapa da transformação, a energia cinética obtida no expansor é transformada</p><p>em trabalho mecânico. Esta transformação de energia pode ser obtida de duas maneiras</p><p>diferentes: segundo os princípios da Acção eu Reacção. Assim sendo os princípios da Acção e</p><p>Reacção são as duas formas básicas como podemos obter trabalho mecânico através da</p><p>energia cinética inicialmente obtida.</p><p>✓ Se o expansor for fixo e o jato de vapor dirigido contra um anteparo móvel, a força de acção do</p><p>jato de vapor irá deslocar o anteparo, na direção do jato, levantando o peso W.</p><p>✓ Se, entretanto, o expansor puder mover-se, a força de reacção, que actua sobre ele, fará com que</p><p>se desloque, em direção oposta do jato de vapor, levantando o peso W.</p><p>Em ambos os casos a energia do vapor foi transformada em energia cinética no expansor e esta</p><p>energia cinética, então, convertida em trabalho.</p><p>Newton afirmou que é necessário exercer uma força para mudar a velocidade (tanto em módulo</p><p>como em direção) de um corpo em movimento. Este princípio está ilustrado na caixa D da figura</p><p>2. O jato de vapor (um corpo em movimento) tem sua velocidade modificada pelo anteparo</p><p>circular, colocado no seu caminho. A força resultante move o anteparo, na direção do jato, e</p><p>levanta o peso W. Este é o Princípio da Acção. Entretanto, se fizermos um furo num dos lados da</p><p>caixa e colocarmos neste furo um expansor, haverá,</p><p>através do expansor, um jato de vapor e a</p><p>pressão no expansor será menor do que a pressão no ponto correspondente da parede oposta. O</p><p>desbalanceamento de forças, então produzido, fará a caixa mover-se na direção oposta a do jato</p><p>de vapor. Este é o Princípio da Reacção.</p><p>Elementos de Construção de Turbinas a Vapor</p><p>Uma turbina a vapor é composta basicamente dos seguintes componentes:</p><p>✓ Estator (roda fixa);</p><p>✓ Rotor (roda móvel);</p><p>✓ Expansor;</p><p>✓ Palhetas;</p><p>✓ Diafragmas;</p><p>8</p><p>✓ Disco do rotor;</p><p>✓ Tambor rotativo;</p><p>✓ Coroa de palhetas;</p><p>✓ Aro de consolidação;</p><p>✓ Labirintos;</p><p>✓ Deflectores de Óleo;</p><p>✓ Carcaça;</p><p>✓ Mancais de deslizamento e escora;</p><p>✓ Elementos de controle (periféricos).</p><p>ESTATOR (RODA FIXA)</p><p>É o elemento fixo da turbina (que envolve o rotor) cuja função é transformar a energia potencial</p><p>(térmica) do vapor em energia cinética através dos distribuidores;</p><p>ROTOR (RODA MÓVEL)</p><p>É o elemento móvel da turbina (envolvido pelo estator) cuja função é transformar a energia cinética</p><p>do vapor em trabalho mecânico através dos receptores fixos.</p><p>EXPANSOR</p><p>A função do expansor é orientar o jato de vapor sobre as palhetas móveis. No expansor o vapor perde</p><p>pressão e ganha velocidade. Podem ser convergentes ou convergentes-divergentes, conforme sua</p><p>pressão de descarga seja maior ou menor que 55% da pressão de admissão. São montados em blocos</p><p>com 1, 10, 19, 24 ou mais expansores de acordo com o tamanho e a potência da turbina e</p><p>consequentemente terão formas construtivas específicas, de acordo com sua aplicação.</p><p>PALHETAS</p><p>Palhetas móveis são aquelas fixadas ao rotor, enquanto que palhetas fixas são fixadas no estator. As</p><p>palhetas fixas (guias, diretrizes) orientam o vapor para a coroa de palhetas móveis seguinte. Podem ser</p><p>encaixadas directamente no estator (carcaça) ou em rebaixos usinados em peças chamadas de anéis</p><p>suportes das palhetas fixas, que são, por sua vez, presos à carcaça. As palhetas móveis têm a finalidade</p><p>de receber o impacto do vapor proveniente dos expansores (palhetas fixas) para movimentação do rotor.</p><p>São fixadas ao aro de consolidação pela espiga e ao disco do rotor pelo “malhete” e, ao contrário das fixas,</p><p>são removíveis.</p><p>9</p><p>DIAFRAGMAS</p><p>São constituídos por dois semicírculos, que separam os diversos estágios de uma turbina de ação multi-</p><p>estágio. São fixados no estator, suportando os expansores e “abraçando” o eixo sem tocá-lo. Entre o eixo</p><p>e o diafragma existe um conjunto de anéis de vedação que reduz a fuga de vapor de um para outro estágio</p><p>através da folga existente entre diafragma-base do rotor, de forma que o vapor só passa pelos expansores.</p><p>Estes anéis podem ser fixos no próprio diafragma ou no eixo. Este tipo de vedação é chamado de selagem</p><p>interna.</p><p>DISCO DO ROTOR</p><p>É a peça da turbina de acção destinada a receber o empalhetamento móvel.</p><p>TAMBOR ROTATIVO</p><p>É basicamente o rotor da turbina de reação, que possui o formato de um tambor cônico onde é montado</p><p>o empalhetamento móvel.</p><p>COROA DE PALHETAS</p><p>Exemplos de palhetas/pás Fixação de palhetas/pás móveis</p><p>Diafragma com anel de</p><p>palhetas/pás</p><p>10</p><p>É o empalhetamento móvel montado na periferia do disco do rotor e dependendo do tipo e da potência</p><p>da turbina pode existir de uma a cinco coroas em cada disco do rotor.</p><p>LABIRINTOS</p><p>São peças metálicas circulantes com ranhuras existentes nos locais onde o eixo sai do interior da máquina</p><p>atravessando a carcaça cuja função é evitar a saída de vapor para o exterior nas turbinas não</p><p>condensantes e não permitir a entrada de ar para o interior nas turbinas condensantes. Esta vedação é</p><p>chamada de selagem externa. Nas turbinas de baixa pressão utiliza-se vapor de fonte externa ou o próprio</p><p>vapor de vazamento da selagem de alta pressão para auxiliar esta vedação, evitando-se assim não</p><p>sobrecarregar os ejetores e não prejudicar o vácuo que se obtém no condensador.</p><p>DEFLECTORES DE ÓLEO</p><p>Tem por finalidade evitar que um possível vazamento axial de óleo, venha a contaminar o sistema de</p><p>alimentação por intermédio da drenagem do engaxetamento, ou vice-versa, que o vapor venha a se</p><p>condensar no mancal, causando a contaminação do óleo que ali trabalha.</p><p>CARCAÇA</p><p>A carcaça de uma turbina nada mais é que o suporte das partes estacionárias tais como diafragmas,</p><p>palhetas fixas, mancais, válvulas, etc. Na grande maioria das turbinas são de partição horizontal, na altura</p><p>do eixo, o que facilita a manutenção.</p><p>MANCAIS DE APOIO (RADIAIS)</p><p>São distribuídos, normalmente, um em cada extremo do eixo da turbina com a finalidade de manter o</p><p>rotor numa posição radial exata. Os mancais de apoio suportam o peso do rotor e também qualquer outro</p><p>esforço que atue sobre o conjunto rotativo, permitindo que o mesmo gire livremente com um mínimo de</p><p>atrito. São na grande maioria mancais de deslizamento, como mostra a Figura 12, constituídos por</p><p>casquilhos revestidos com metal patente, com lubrificação forçada (uso especial) o que melhora sua</p><p>refrigeração e ajuda a manter o filme de óleo entre eixo e casquilho.</p><p>11</p><p>MANCAIS DE ESCORA</p><p>O mancal de escora é responsável pelo posicionamento axial do conjunto rotativo em relação às partes</p><p>estacionárias da máquina, ou seja, pela manutenção das folgas axiais.</p><p>VÁLVULAS DE CONTROLE DE ADMISSÃO</p><p>Após estabilizada, a turbina opera entre condições de vapor estáveis, nas quais as variações da carga</p><p>devem ser atendidas por meio do controle da vazão de vapor admitida na máquina. Esta função é</p><p>executada, automaticamente, pelas válvulas de controle de admissão, sob controle de um dispositivo, o</p><p>regulador (governador). O regulador é ligado ao eixo da turbina, directamente ou por meio de uma</p><p>redução, girando, portanto, a uma rotação igual ou proporcional à rotação da turbina, e sente as</p><p>flutuações da carga por intermédio de seu efeito sobre a velocidade da turbina. Assim, quando ocorre,</p><p>por exemplo, um aumento de carga, se a vazão do vapor permanecer inalterada, haverá uma queda da</p><p>velocidade da turbina. O regulador sente esta queda de velocidade incipiente e comanda uma abertura</p><p>maior das válvulas de controle de admissão, permitindo a passagem de uma vazão maior de vapor,</p><p>necessária ao aumento da carga e ao estabelecimento da velocidade inicial. Existem dois tipos básicos</p><p>para as válvulas de controle de admissão: a construção “multi-valve” e a construção “single-valve”.</p><p>VÁLVULAS DE CONTROLE DE EXTRAÇÃO</p><p>Algumas turbinas possuem uma retirada parcial de vapor, em um estágio intermediário, e, portanto, a</p><p>uma pressão intermediária entre a de admissão e a de descarga, conhecida como extração. Como a</p><p>pressão em um ponto qualquer ao longo da turbina varia, quando variam as condições de carga da turbina,</p><p>se a extração consistir simplesmente em um flange, através do qual poderemos retirar vapor, após um</p><p>determinado estágio da máquina, a pressão do vapor extraído será influenciada pelas condições de carga</p><p>da turbina. As válvulas de controle de extração funcionam de maneira semelhante às válvulas de controle</p><p>de admissão, só que controladas pela pressão do vapor extraído, através do controlador de pressão de</p><p>extração, e não pela velocidade da turbina, através do governador.</p><p>12</p><p>VÁLVULAS DE BLOQUEIO AUTOMÁTICO</p><p>A maneira usual de parar uma turbina a vapor é pelo fechamento rápido de uma válvula, chamada válvula</p><p>de bloqueio automático, colocada em série com válvula de controle de admissão, o que corta totalmente</p><p>a admissão de vapor para a turbina. Esta válvula é também conhecida como válvula de desarme rápido e</p><p>como válvula de "trip". O dispositivo de desarme por sobrevelocidade protege a turbina, impedindo que</p><p>opere em velocidades superiores à velocidade de “trip”, onde as tensões resultantes da força centrífuga</p><p>poderiam ser perigosas para a resistência mecânica do conjunto rotativo da turbina.</p><p>Projecto e dimensionamento de turbinas a vapor</p><p>O projecto e dimensionamento de uma</p><p>turbina a vapor, passa fundamentalmente pelos seguintes</p><p>aspectos:</p><p>✓ Definição da potência que se deseja gerar;</p><p>✓ Estudo termodinâmico da quantidade de energia que deseja-se produzir;</p><p>✓ Dimensionamento da turbina para a potência desejada: esquema de velocidades, quantidade de</p><p>palhetas por estágios, quantidade de estágios, materiais a serem empregados (temperaturas de</p><p>trabalho);</p><p>✓ Dimensionamento dos demais elementos de construção.</p><p>Dispositivos de regulação e segurança</p><p>Os dispositivos de regulação e segurança são fundamentais para uma operação eficiente e segura do</p><p>sistema, quais sejam:</p><p>✓ Controle das variáveis do sistema de vapor:</p><p>• Pressão de admissão de vapor (válvulas garganta, parcializadora e contorno);</p><p>• Temperatura de admissão de vapor;</p><p>• Pressão do anel dos expansores;</p><p>• Pressão após o estágio de regulação;</p><p>13</p><p>• Pressão de extração do vapor;</p><p>• Temperatura de extração de vapor;</p><p>• Pressão de escape de vapor;</p><p>• Temperatura de escape de vapor;</p><p>• Pressão de selagem de vapor.</p><p>✓ Controle da Variáveis do sistema de óleo lubrificante:</p><p>• Nível de óleo no tanque;</p><p>• Temperatura de óleo no tanque;</p><p>• Temperatura na entrada/saída do resfriador de óleo;</p><p>• Pressão após a bomba;</p><p>• Pressão diferencial do filtro;</p><p>• Pressão do óleo de lubrificação;</p><p>• Pressão do óleo de regulação;</p><p>• Temperatura dos mancais da turbina e redutora.</p><p>✓ Controle de variáveis relativas ao posicionamento dos eixos e</p><p>mancais:</p><p>• Posicionamento axial;</p><p>• Vibração do eixo e ou caixa dos mancais.</p><p>✓ Controle dos desarmes (“TRIPS”)</p><p>• Desarme de sobrevelocidade (TRIP de velocidade);</p><p>• Desarme de baixa pressão de óleo lubrificante (TRIP OL);</p><p>3. Condensador</p><p>O condensador tem duas funções principais:</p><p>✓ Recuperar o fluido de trabalho na forma de condensado.</p><p>✓ Trabalhar a pressão reduzida com o vapor vindo da turbina para optimizar a eficiência do</p><p>ciclo.</p><p>É no condensador onde ocorre a maior perda do aproveitamento entálpico da água-vapor num</p><p>ciclo convencional.</p><p>O vapor exausto, proveniente da saída da turbina de baixa pressão, que não tenha sido sangrado</p><p>é necessário que esteja no estado líquido para ser novamente bombeado de volta para a caldeira</p><p>a alta pressão. Para conseguir-se a mudança de fase, retira-se a energia do vapor húmido</p><p>mediante a transferência de calor para um refrigerante. Todo esse calor é energia não aproveitada</p><p>e, portanto, perdida.</p><p>Do ponto de vista termodinâmico, a forma de minimizar essas perdas é operando na pressão</p><p>mínima possível no condensador, de modo que a turbina possa extrair a máxima potência. A</p><p>14</p><p>mudança de fase em si já produz um vácuo parcial, tendo uma enorme quantidade de vapor que</p><p>reduz acentuadamente o volume ao condensar.</p><p>Uma vez que o condensador trabalha com vapor saturado, a pressão de saturação na mudança</p><p>de fase é determinada pela temperatura de saturação. Isso supõe que quanto menor for a</p><p>temperatura na qual o refrigerante está disponível, menor pressão de trabalho poder-se-á</p><p>alcançar no condensador.</p><p>No entanto, atingir pressões tão baixas traduz-se numa diminuição do título do vapor, o que por</p><p>sua vez põe em risco a integridade da turbina. Ademais, o trabalhar em equipamento por debaixo</p><p>da pressão atmosférica permite que o ar penetre no sistema e que o oxigênio nele contido se</p><p>dissolva em água fria (quanto mais baixa a temperatura da água, maior a solubilidade do</p><p>oxigênio).</p><p>O ar de entrada leva a um aumento na pressão no condensador e, portanto, o aumento da</p><p>temperatura de condensação do vapor – diminuindo o desempenho/rendimento do ciclo. Por</p><p>esta razão o condensador possui evacuadores de ar para purgar as quantidades que entram no</p><p>equipamento.</p><p>Normalmente, o refrigerante utilizado é água a uma temperatura de baixa (exemplo 11ºC) com</p><p>fluxo volumétrico alto (exemplo 14.324 m3/h) que funciona em circuito semifechado a</p><p>contracorrente com um sistema de bomba e uma torre de refrigeração. A água de refrigeração é</p><p>controlada de modo a permitir que a temperatura do vapor seja extraída sem que sua</p><p>temperatura ultrapasse determinado valor (exemplo 49ºC).</p><p>4. Bombas: B-01 e B-02</p><p>O sistema de bombeamento do fluido de trabalho opera com duas bombas de vazão, cada uma</p><p>com determinada capacidade e rendimento.</p><p>A primeira bomba está localizada após o condensador e a sua função é de enviar fluxo de</p><p>condensado (exemplo 970.000 kg/h) para o desgaseificador para reencontro com o caudal de</p><p>água com extração de vapor. Aumenta a pressão de um determinado valor (exemplo 0,06 bar)</p><p>para um valor de pressão de operação de desgaseificação. A segunda bomba tem por função</p><p>elevar a pressão da água proveniente do desgaseificador (por exemplo: de 1.247.000 kg/h até 170</p><p>bar).</p><p>5. Desgaseificador: DG-01</p><p>O desgaseificador permite misturar as correntes de vapor e água saturada com a correspondente</p><p>troca de calor. A sua principal função é de remover o oxigênio dissolvido na água de baixa</p><p>temperatura que o condensador não foi capaz de remover.</p><p>A pressão de operação do desgaseificador é de 16 bar (The Babcock & Wilcox Co, 2007), que é</p><p>uma pressão de trabalho comum para este tipo de equipamento.</p><p>6. Condutas</p><p>A condutas permitem a circulação do fluído, sendo que estas ligam diferentes equipamentos,</p><p>sendo de destacar os indicados desde 1 a 5. Devem estar dimensionadas para a quantidade de</p><p>fluído a ser transportado, as temperaturas e pressões do processo.</p>