Uma empresa apresenta o seguinte padrão de demandas energéticas:
  • Potência elétrica para todos os processos e funcionamento da unidade industrial como um todo (DEE) no total de 40 MW;
  • Vazão de 12 kg / s de vapor a 0,8 MPa/2900 kJ/kg para o processo P1 - todo o vapor é consumido na conversão termoquímica deste processo, não havendo retorno de condensado para o desaerador;
  • Vazão de 4 kg / s de vapor a 0,5 MPa/2900 kJ/kg para o processo P2 - em princípio, todo o vapor (em parte, se necessário, a depender do ciclo e componentes empregados) é enviado diretamente para o desaerador a 0,3 MPa / 200^circ C (neste caso, este é o vapor flash que aciona o desaerador; no caso de ser enviado para tanque de reposição de água, deve ser condensado por meio de um - Vazão de 6 kg / s de água quente a 0,8 MPa / 70^circ C para o processo P 3 - toda a água quente sai do processo P3 a 100 kPa / 50^circ C e é bombeado a 0,3 MPa para o desaerador (considere rendimento isentrópico da bomba de 65% para todas as bombas da empresa);
  • Condições adicionais de demanda energética: um processo P4 é adicionado ao problema N2 com carga térmica de 500 TR de água líquida a 5^circ C a partir de um sistema de refrigeração por absorção de duplo efeito, acionado por vapor a 0,5 MPa/x=1;
  • Admite-se que a pressão do vapor vivo deve ser selecionada pelo projetista dentre um dos pares termodinâmicos 10 MPa / 450^circ C ou 10 MPa / 500^circ C; os geradores de vapor apresentam rendimento de 90% se convencionais (CALD) e de 85% se de recuperação térmica (HRSG).
  • A linha de condição da turbina a vapor de condensação deve ser selecionada entre uma das quatro retas obtidas entre os pares termodinâmicos sugeridos para pressão do vapor vivo e os pares termodinâmicos que descrevem os processos P1 e P2, considerando-se os limites tecnológicos desse tipo de turbina em termos de título e temperatura do vapor de exaustão, bem como da expectativa do rendimento isentrópico;
  • A condição de saída do desaerador deve ser estabelecida pelo projetista e obedecer à condição tecnológica do equipamento, com título zero (líquido comprimido) e pressão na faixa (aproximada) entre 120 e 400 kPa; a água no estado líquido comprimido que necessariamente entra no desaerador pode ser bombeada de um tanque de alimentação e tratamento de água (feedwater) e/ou do condensador da turbina a vapor de condensação (desde que esta tecnologia esteja sendo contemplada no projeto do ciclo térmico). A partir da especificação de informações apresentada,
    a) Modele termodinamicamente cada um dos equipamentos para um ciclo combinado gás/vapor e selecione inicialmente ao menos 6 conjuntos a gás em esquema 1:1:1, 2:2:1 e 3:3:1, assumindo inicialmente que a turbina a vapor é de condensação com extrações (TVCD/E), definindo qual seria o acionador primário mais recomendado para ser selecionado, assim como a turbina a vapor do problema, a partir dos parâmetros calculados e os que foram assumidos, especificando-se as razões para sua assunção, bem como os indicadores pertinentes dos equipamentos e os parâmetros pertinentes para a avaliação do ciclo térmico como um todo;

Passo 1

Beleza, vamos dar uma olhada no que a questão está pedindo. A gente tem uma empresa que usa energia de várias formas: potência elétrica, vapor para processos P1 e P2, água quente para P3, e um sistema de refrigeração para P4. O desafio é modelar termodinamicamente os equipamentos para um ciclo combinado gás/vapor e escolher pelo menos 6 conjuntos a gás em diferentes esquemas (1:1:1, 2:2:1 e 3:3:1). Vamos precisar entender conceitos de termodinâmica, ciclos combinados, turbinas a vapor de condensação com extrações, e eficiência dos equipamentos.

Passo 2

Primeiro, precisamos entender o que é um ciclo combinado gás/vapor. Esse tipo de ciclo utiliza tanto uma turbina a gás quanto uma turbina a vapor para gerar energia de forma mais eficiente. A turbina a gás queima combustível e gera energia, e os gases de exaustão quentes são usados para produzir vapor que aciona a turbina a vapor. Juntas, essas turbinas aumentam a eficiência total do sistema.

Passo 3

Vamos identificar os conjuntos a gás que podemos usar nos esquemas 1:1:1, 2:2:1 e 3:3:1. Cada esquema representa a proporção de equipamentos a gás:
  • 1:1:1: Um conjunto de turbina a gás, uma caldeira e um gerador.
  • 2:2:1: Dois conjuntos de turbina a gás, duas caldeiras e um gerador.
  • 3:3:1: Três conjuntos de turbina a gás, três caldeiras e um gerador.
Esses conjuntos a gás vão ajudar a atender às demandas energéticas da empresa de forma eficiente.

Passo 4

Agora, vamos considerar que a turbina a vapor é de condensação com extrações (TVCD/E). Isso significa que, além de condensar o vapor na saída da turbina, parte do vapor é extraída em determinados pontos para ser usada em outros processos (como P1 e P2). Essa extração ajuda a melhorar a eficiência térmica do ciclo.

Passo 5

Precisamos escolher o acionador primário mais recomendado. Geralmente, o acionador primário em ciclos combinados é a turbina a gás, porque ela gera os gases de exaustão quentes que serão usados para produzir vapor na turbina a vapor. Vamos selecionar a turbina a gás como o acionador primário.

Passo 6

Vamos selecionar a turbina a vapor do problema com base nos parâmetros calculados e assumidos. Considerando as opções de pressão e temperatura do vapor vivo (10 MPa / 450°C ou 10 MPa / 500°C) e os rendenícios dos geradores (90% para convencionais e 85% para recuperação térmica), vamos optar pelo par 10 MPa / 500°C e gerador de recuperação térmica (HRSG), pois oferece uma melhor eficiência térmica no ciclo combinado.

Passo 7

Agora, vamos calcular os indicadores pertinentes dos equipamentos. Precisamos considerar:
  • Eficiência das turbinas: considerando rendimento isentrópico esperado.
  • Pressão e temperatura do vapor: para garantir que estão dentro dos limites tecnológicos.
  • Fluxo de vapor e condensado: para assegurar que as demandas P1, P2 e P3 são atendidas.
  • Consumo elétrico (DEE): garantindo que a geração energética cubra os 40 MW necessários.

Passo 8

Por fim, vamos avaliar os parâmetros pertinentes para o ciclo térmico como um todo. Isso inclui:
  • Eficiência térmica global: relação entre a energia útil gerada e a energia total consumida.
  • Fluxo de calor: garantindo que todas as cargas térmicas (P1 a P4) são atendidas.
  • Rendimento dos geradores: impactando diretamente na eficiência do ciclo.
  • Compatibilidade dos equipamentos: assegurar que todas as pressões e temperaturas estão compatíveis entre si e com os limites dos equipamentos.

Resposta

Modelamos termodinamicamente os equipamentos para um ciclo combinado gás/vapor, selecionando turbinas a gás como acionadores primários e escolhendo turbinas a vapor de condensação com extrações baseadas nos parâmetros de pressão e temperatura. Optamos pelo par 10 MPa / 500°C com gerador de recuperação térmica (HRSG) devido à melhor eficiência. Selecionamos 6 conjuntos a gás nos esquemas 1:1:1, 2:2:1 e 3:3:1, garantindo que todas as demandas energéticas da empresa sejam atendidas com alta eficiência térmica global do ciclo combinado.

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