3 Caldeiras - Isolamento Térmico - Cogeração

ìffiff:;li,';:" lEnergia TIIAilUAL DE- ADMrilrSÍF['çAO DE EilEROTA CA1DEIRAS rsorAmEnlo rÊnmrco cooERAçÃo , I I MANUAL DE ADMI NI STRAçAO DE ENERGI A CALDEIRAS ISOLAMENTO TÉRMICO cocERAçÃo SÃo PAULo 1 998 SÚMÁRIo TNTRODUçAO 5 1. CALDEI RAS 1 .1 Cal dei ras El étri cas 7 7 I I 8 9 9 10 13 1.2 Cal dei ras a Combustívei s 1. 2. 1 Cal dei r as Aquat ubul ar es . . 1. 2. 2 Cal dei ras Fl amot ubul ares . 1 .3 Operação Efi ci ente de Cal dei ras 1. 3. 1 Pol ui ção do Ar . . 1. 3. 2 Economi a de Ener gi a 2. |SoLAMENTO rÉnnnl co . 3. COGERAçAO. . 3.1 Introdução . . 3. 2 Def i ni ção. . . 3.3 Pri nci pai s Característi cas . . 3. 4 Ti pos de Cogeração . . . . 21 3. 4. 1 Cogeração com Turbi nas a Vapor . . . . 21 3. 4. 2 Coger ação com Tur bi nas a Gás . . . . . . 22 3. 4. 3 Cogeração com Ci cl o Combi nado . . . . 23 3.4.4 Cogeração com Motores Al ternati vos de Combustão Interna . . .24 3.4.5 Cogeração com Ci cl o de Absorçáo . . 3. 5 Equi pament os Pri nci pai s. . . 3.5.1 Cal dei ra de Vapor Superaqueci do . . 3. 5. 2 Cal dei ra de Recuperação 3. 5. 3 Turbi na a Vapor 3. 5. 4 Turbi na a Gás 3. 5. 5 Redut or . . . . 3. 5. 6 Al t ernador. 3. 5. 7 Condensador. 3.5.8 Absorvedor. 3.5.9 Motores Al ternati vos de Combustão 3. 6 3. 5. 1 0 Recuper ador es de Cal or . . . . . Met odol ogi a de Anál i se . 3. 6. 1 Equi pament os Consumi dor es 3. 6. 2 Pot enci al do Si st ema 3. 6. 3 Energi a El ét ri ca Gerada 3.6.4 Anál i se do Investi mento 3.6.4.1 Equi pamentos e Infra-Estrutura 3.6.4.2 Custos Operaci onai s 3. 6. 5 Recei t a Proveni ent e da Cogeração. . . . . 25 26 30 30 . 31 37 . . 42 . . 44 3. 7 Concl usão . . . 45 As cal dei ras i ndustri ai s empregadas na produção de vapor de água, no aqueci mento de fl ui dos térmi cos e os si stemas de condução e transferênci a de cal or a el as l i gados serão Íontes de desperdíci o de energi a, e conseqüentemente de perda de di nhei ro, quando não f orem adequadament e di mensi onadas ou não t i verem sua operação e sua manut enção executadas dentro de cri téri os bem defi ni dos. Pel a sua l arga uti l i zação e pel a parcel a da conta de i nsumos energéti cos geral mente envol vi dâ, â cal dei ra e os si stemas a el a anexos representam um dos i tens do programa de conservação e uso raci onal de energi a que mai ores oportuni dades oferecem para se reduzi rem os custos da produção i ndustri al , com refl exos posi tl vos sobre a produti vi dade. Segundo a fonte energéti ca uti l i zada, as cal dei ras podem ser di vi di das em doi s grupos: cal dei ras el étri cas e cal dei ras a combustão. 1. 1 CALDEI RAS ELÉTRI CAS As cal dei ras el étri cas mai s uti l i zadas atual mente são de concepção bastante si mpl es, compondo-se basi camente da cuba de pressão e doi s el etrodos ou resi stênci as. l sto torna a sua operação si mpl i fi cada, faci l i tando a automação de seu uso. Estas característi cas, al i adas aos aspectos f ísi cos da transformação da energi a el étri ca, propi cl am um rendi mento energéti co bastante el evado, pri nci pal mente quando comparado com o das cal dei ras a combustívei s. Esse rendi mento pode si tuar-se entre 95 e 98% e, em casos excepci onai s de controfes rigorosos, pode chegar até a 99,5o/". Consi derando-se as cal dei ras el étri cas mai s comuns, podemos cl assi fi cá-l as segundo as técni cas empregadas no processo de transÍormar energi a el étri ca em energi a cal orífi ca, em cal dei ras a resi stores e cal dei ras a el etrodos. Nas cal dei ras a resi stores, o aqueci mento da água para a formação de vapor é fei to através de resi stênci as el étri cas bl i ndadas di retamente i mersas na água. As resi stênci as se aquecem pel o efei to JOULE e transferem o cal or à água. O cal or forneci do pel a el etri ci dade deve ser no míni mo i gual à ental pi a do vapor à pressão desej ada, i sto é, deve ser i gual ao calor sensível da água mais o calor latente de vaporizaçáo. Exi stem doi s ti pos bási cos de cal dei ras: o el etrodo submerso; o j ato de água. Em ambos os ti pos o aqueci mento da água é obti do pel a passagem da corrente el étri ca di retamente através da água (por efei to JOULE). Apesar das cal dei ras el étri cas apresentarem uma séri e de vantagens, al ém do al to rendi mento, o seu uso atual mente se tornou proi bi ti vo em face à di spari dade entre o custo da energi a el étri ca e o de outros energéti cos. L CALDEIRAS 7 1.2 0ALDETRAS A coMBUSTível s As caldeiras que produzem vapor pela queima de combustíveis são classificadas, basi camente, em doi s grupos: o Cal dei ras aquatubul ares; r Cal dei ras fl amotubul ares. 1 .2.1 Cal dei ras Aquatubul ares As cal dei ras aquatubul ares são assi m denomi nadas porque o seu pri ncípi o de funcionamento consiste da passagem da água através de tubos envolvidos pelos gases de combustão. Este ti po de cal dei ra exi ge um i nvesti mento i ni ci al cerca de 50% mai or do que as caldeiras flamotubulares, mas apresenta sobre estas uma série de vantagens. A capacidade de produção de vapor destas cal dei ras, al ém de ser el evada, pode ati ngi r pressões aci ma de 60 kgf/cm2 e temperaturas superiores a 450 ' C. A l i mpeza dos tubos não requer grandes trabal hos, podendo ser fei ta automati camente através de sopradores de Íuligem e a partida é relativamente rápida, devido ao volume pequeno de água a ser aqueci da num determi nado i nstante. A vi da úti l destas cal dei ras pode chegar a 30 anos. 1 .2.2 Cal dei ras Fl amotubul ares Nas cal dei ras Íl amotubul ares (ou pi rotubul ares) os gases proveni entes da combustão passam através de tubos que se encontram mergulhados num reservatório, que contém a água que será aqueci da para produzi r vapor. Esse ti po de cal dei ra apresenta bai xo rendi - mento e se presta apenas para pressões reduzi das, sendo geral mente de pequeno porte. Devi do ao seu bai xo custo quando comparado com as cal dei ras aquatubul ares, e da Íaci l i - dade de manutenção, é um ti po de cal dei ra ai nda mui to uti l i zada. Esse ti po de equi pamento é produzi do para uti l i zar qual quer ti po de combustível , l íqui do, sól i do ou gasoso, sendo mai s comum o uso de ól eo e de gás. A estrutura da caldeira é basicamente Íormada por três partes: r câmara de combustão, ou fornal ha, onde o combustível é quei mado; o câmara de água, que contém a água a ser aqueci da; o câmara de vapor, situada acima do nível d' água, e que recebe o vapor Íormado. As cal dei ras efi ci entes geral mente são de três passes, i sto é, el as contém uma câmara de reversão que permite que os gases passem três vezes pelos tubos de transferência de cal or à água. A câmara de reversão trabal ha a temperaturas próxi mas de 1000 oC, sendo, portanto, uffi ponto que merece uma atenção especial na fase de projeto da caldeira. Atual mente dá-se preferênci a às cal dei ras conheci das como "de fundo úmi do", i sto é, nas quais a câmara de reversão é montada no interior do corpo da caldeira. Esta disposição aumenta o rendi mento da cal dei ra, embora o seu custo i ni ci al se torne mai s el evado. CALDEIRAS I Monóxido de Carbono (CO) Gás tóxi co, i ncol or e i nodoro, resul tante da quei ma i ncompl eta do carbono Oxidos de enxofre (SO2 e SO3) Formados pela oxidação do enxofre; são irritantes e na atmosfera reagem produzindo ácido sulfúrico Oxi dos de ni trogêni o (NOX) Gases Íormados pelo nitrogênio; são irritantes, participando da formação de azoto na atmosÍera Fumaça Materiais sólidos e gasosos produzidos pela queima incompleta do combustível, apresentando cor variável entre o cinza claro e o preto Particulados Partícul as sól i das de carbono e ól eo parci al mente quei mados Hidrocarbonetos Combustível parcialmente queimado Devi do ao mai or vol ume de água que envol ve os tubos, a sua parti da é mai s l enta do que nas cal dei ras aquatubul ares. A l i mpeza dos tubos exi ge a parada da cal dei ra e deve ser executada manual mente. Este ti po de cal dei ra tem uma vi da úti l de cerca de 15 anos. 1. 3 OPERAçÃO EFI C| ENTE DE CALDETRAS As cal dei ras que quei mam ól eo para a produção de vapor se consti tuem numa parcel a bastante expressi va da energi a hoj e consumi da pel as i ndústri as. Por esse moti vo, e consi derando os el evados custos envol vi dos, é fundamental a el i mi nação de desperdíci os e a uti l i zação de técni cas avançadas de operação e manutenção de cal dei ras, para aumentar a eÍi ci ênci a do si stema e mel horar a produti vi dade da empresa. 1. 3. 1 Pol ui ção do ar Deve-se l evar também em conta que a redução do uso de combustívei s representa uma mel hori a da qual i dade do ar. Os pri nci pai s pol uentes que a quei ma de ól eo emi te são: Os pol uentes emi ti dos pel as cal dei ras dependem, Íundamental mente, do ti po de ól eo queimado, das características das caldeiras e da operação e manutenção empregadas. Mel horando-se o rendi mento e di mi nui ndo-se a emi ssão de pol uentes economi za-se também no consumo dos reagentes necessários à lavagem dos gases para mantê-los dentro dos padrões exigidos pela legislação. CALDEIBAS I 1. 3. 2 Economi a de Energi a Para promovermos a economi a de energi a em si stemas de produção de vapor, utilizando as suas características atuais sem prever modif icações muito signif icativas, podemos basi camente tomar as segui ntes medi das: a) Regular a combustão O quei mador t em por f i nal i dade at omi zar o ól eo, promover a mi st ura do i nsumo em percentagens adequadas com o ar e i nj etá-l o no i nteri or da câmara de combustão, promovendo a sua quei ma. Para garanti r que todo o ól eo sej a quei mado, é necessári o uti l i zar uma certa quanti dade de ar em excesso. Se houver uma quanti dade de ar aci ma do valor ideal ou se a queima se processar numa atmosÍera com Íalta de ar, o rendimento da combustão poderá cai r mui to, aumentando o consumo específi co de combustível . O controle da quantidade de ar é geralmente feito através da medição da percentagem de CO2 (dióxido de carbono) e 02 (oxigênio) existentes nos gases coletados na chaminé. O bom Í unci onament o do quei mador, al ém de est ar l i gado à sua perÍ ei t a regul agem, depende da sua instalação na posição correta e da sua manutenção adequada. Para uma queima perfeita, os insumos devem ser convenientemente processados para passar pelas fases de atomizaçáo, vaporização e mistura com o oxigênio do ar, para Íi nal mente sofrer a combustão propri amente di ta. No caso dos óleos densos, a atomizaçáo é a principal etapa para se obter uma boa combustão. Para i sso, é essenci al control ar a vazáo, a pressão e a temperatura do ól eo, de acordo com as suas característi cas e as do quei mador uti l i zado. b) Lutar contra a Íuligem e as incrustações Existe normalmente uma proporcionalidade entre a elevação da temperatura dos gases de escape e a di fi cul dade das trocas térmi cas por acúmul o de ful i gem e i ncrustações. A presença da fuligem forma uma barreira térmica no lado dos gases quentes e tem influência desfavorável sobre a qualidade de troca térmica e, portanto, sobre o rendimento. A presença de i ncrustações, do l ado da água, estabel ece uma segunda barrei ra térmica e introduz a possibilidade da degradação das superfícies de troca, pondo em ri sco a vi da úti l da cal dei ra. As incrustações podem ser detectadas por inspeção visual ou pela deterioração das características de funcionamento do equipamento (baixa produção de vapor, aumento do consumo de combustível e al ta temperatura dos gases de escape). Esta úl ti ma é o si nal que i ndi ca a necessi dade de l i mpeza e desi ncrustação da cal dei ra, bem como de reconsi derar o tratamento da água de al i mentação e a quanti dade e o ti po dos adi ti vos quími cos uti l i zados. CALDEIEAS 10 O tratamento eficaz da água melhora as trocas térmicas, atrasa ou mesmo evita a necessidade de desincrustações químicas e mecânicas, reduz os fenômenos de oxi dação, di mi nui as perdas causadas pel as purgas, e di mi nui a umi dade do vapor. Quanto à ful i gem, deve-se l i mi tar seus depósi tos através de uma boa regul agem da combustão, remoção manual ou quími ca da ful i gem da câmara de combustão e o uso de adi ti vos nos ól eos pesados. c) Moni torar o rendi mento da cal dei ra As principais causas das perdas de energia em caldeiras são provenientes do excessivo cal or l evado pel os gases de combustão que saem de sua chami né e pel a quei ma i ncompl eta do combustível . El as são caracteri zadas essenci al mente pel o teor de COz e pel a temperatura nos gases de escape. Essas duas vari ávei s podem ser consi deradas como i ndi cadores do rendi mento da cal dei ra. Na prátlca, a percentagem de CO2 deve se situar entre 11 e 13,5o/". Esses valores podem vari ar um pouco com os ti pos de cal dei ra, de quei mador e de combustível . Deve-se procurar o valor mais alto de COz que não provoque fumaça densa na chaminé. O aumento de COz representa uma di mi nui ção do excesso de ar, que por sua vez pode causar um aumento da emi ssão de CO (monóxi do de carbono), aumento da densi dade e enegreci mento da fumaça. Quanto mai or for a temperatura dos gases de escape, mai ores serão as perdas de cal or pel a chami né. O i deal , portanto, é trabal har com a menor temperatura possível de forma a reduzir essas perdas. Em caldeiras flamotubulares, a temperatura deve situar-se entre 200 ' C e 250 ' C. Nas cal dei ras aquatubul ares esta fai xa de temperatura nem sempre pode ser alcançada. Nestes casos devemos, sempre que possível, reaproveitar o calor perdido. Instalando-se pré-aquecedores de água pode-se poupar, em média, 1 "/" de combustível para cada 6 ' C de aumento da temperatura da água de al i mentação da cal dei ra. Instal ando-se pré-aquecedores de ar de combustão obtém-se, em médi a, 1o/o de economi a de combustível , para cada 22' C de aumento da temperatura do ar. A ti ragem dos gases pel a chami né é outro fator que merece atenção. Consegue-se uma quei ma constante quando a ti ragem na chami né permanece constante. Se a ti ragem for i nsufi ci ente, os gases de combustão demoram a dei xar a câmara, podendo aparecer pul sações, e se a ti ragem for excessi va, i ntroduz-se um grande vol ume de ar desnecessári o, resfri ando a câmara e aumentando a temperatura dos gases de saída. E i mportante uti l i zar equi pamentos de control e que permi tam segui r a evol ução do bal anço térmi co e agi r sobre os parâmetros da combustão, de modo que o Íunci ona- mento da caldeira proporcione a obtenção de melhores rendimentos. CALDHNAS 1 1 Para efetuar um bom controle, é interessante prover-se dos seguintes equipamentos de medição: o analisador dos gases de combustão, fornecendo pelo menos o teor de CO2 e , eventual mente, o de O2i o termômetro para controle das temperaturas dos gases de escape (na faixa de 100 a 500 ' C); o aparel hos de medi ção do índi ce de enegreci mento dos gases de escape (ful i gem); r manômetro para a medi ção da depressão na chami né (ti ragem). d) Evitar as perdas de calor Para manter o rendi mento em seu nível i deal , é necessári o l i mi tar as perdas do cal or para o exterior, que são causas evidentes de desperdício. Para tanto, deve-se verificar periodicamente a estanqueidade do casco da catdeira, particularmente a abertura em vol ta dos quei madores e dos vi sores da câmara de combustão; el i mi nar rapi damente todas as perdas de calor e de água quente; proteger e tazer a manutenção dos isolantes térmicos; e isolar termicamente recipientes e tubos contendo óleo combustível pesado, água quente ou fluidos quentes. e) verificar o ponto de carregamento da caldeira E i mportante ressal tar que os máxi mos rendi mentos a serem al cançados dependem da carga a que o equipamento estiver submetido, em função das necessidades da instalação. Normalmente, uma caldeira estará operando no rendimento otimizado com cargas compreendidas entre 80 e 9oo/o de sua capacidade normal. Operar aci ma desta capaci dade pode comprometer a vi da úti l do equi pamento. Por outro lado, a operação com relações abaixo de 80% taz com que o rendimento caia devido ao aumento relativo das perdas decorrentes das trocas de calor e das condições prejudicadas de combustão. Sempre que possível, deve-se evitar essa zonade funciona- mento, ajustando o número de caldeiras para atender às necessidades do momento. Os equi pamentos que consomem al gum ti po de energéti co para produção de energi a térmica apresentam não apenas perdas que são inerentes ao processo, como também perdas associadas ao transporte e armazenamento do calor (ou frio). Estas perdas são devidas à condução, convecção e radi ação. Nas apl i cações i ndustri ai s mai s comuns, a mai or parte das perdas advém da condução do calor através das paredes dos equipamentos, tubutações e acessóri os. Assi m sendo, por si mpl i ci dade será consi derado apenas o eÍei to deste ti po de perda nos conceitos adiante. O isolamento térmico é adicionado aos equipamentos para atender a algumas finalidades, tais como proteção pessoal e manutenção de temperaturas de processo. No entanto, trata-se de uma importante técnica de conservação de energia que não deve ser menosp rezada face a seu baixo custo e elevada eficiência. A Íunção básica do isolamento térmico é retardar o fluxo de energla térmica não desejada, seja para dentro ou para Íora do equipamento considerado. A eficiência do isolamento térmico é medi da através de uma propri edade denomi nada conduti bi l i dade térmi ca. Conduti bi l i dade térmi ca é a quanti dade de cal or que atravessa um cubo com um metro de l ado no período de uma hora, quando há uma di ferença de temperatura de 1 oC entre as faces opostas. O coefi ci ente de conduti bi l i dade térmi ca é geral mente desi gnado pel a l etra k e expresso na uni dade kcal /h.m. "C. Cada materi al possui um val or típi co de k. Os materi ai s com bai xos val ores de k são aqueles que apresentam baixa condutibilidade térmica, e portanto são bons isotantes térmicos. O valor de k varia com a temperatura, e por este motivo ele deve estar sempre associado a uma determi nada temperatura. Os materi ai s apresentam val ores de k mai ores à medi da em que a temperatura aumenta, como pode ser observado na tabel a a segui r. tSoLAMENTo rÉnurco COEFI CI ENTE DE CONDUTI BI LI DADE TERMI CA PARA DI VERSOS I SOLANTES TÉRMI COS Para quant i f i car o pot enci al de economi a que pode ser obt i do com o di mensi onament o adequado do i sol amento térmi co, adote o segui nte rotei ro: o Veri f i que em sua i ndúst ri a os pri nci pai s equi pament os exi st ent es para produção de cal or. Se houver um gerador de vapor consi dere t ambém as t ubul ações de di st ri bui ção de vapor nest a anál i se. o Meça as t emperat uras t 1 , do i nt eri or do equi pament o e t 2 do ambi ent e ext erno. o Se o equi pament o possui r i sol ament o t érmi co, meça sua espessura (e), i dent i Í i que o mat eri al ut i l i zado e o respect i vo coef i ci ent e de condut i bi l i dade t érmi ca (k), que vari a com a temperatura. Caso não se conheça o val or exato de (k), consi dere os val ores médi os apresentados na tabel a anteri or. Quando as paredes do equi pamento forem consti tuídas por vári os materi ai s que possam ser consi derados i sol antes térmi cos, l eve em cont a t ambém a i nf l uênci a dest es mat eri ai s nest e cál cul o. o Para superf í ci es pl anas, meça a área ext eri or (S) do equi pament o que i rradi a cal or. No caso de cal dei ras consi dere o corpo, apesar de ci l í ndri co, como uma superÍ í ci e pl ana. Nos casos em que ocorrem i sol ações t érmi cas di f erent es para as l at erai s, pi so e t et o dos equi pament os, deve-se consi derar cada superf í ci e. o No caso de t ubul ações, meça o di âmet ro ext erno do t ubo (d. ) e o t ubo mai s o i sol ament o t érmi co(d"). Meça t ambém o compri ment o em met ros. o Para as i nstal ações sem i sol amento térmi co obtenha nos gráfi cos segui r, a correspondent e perda de cal or (q). di âmetro externo do (l ) das t ubul ações, (Abaco de Wrede) a ISOLAMENTO TERMICO 1 4 Materi al i sol ante Tempêratúra"máxima de uti l i zação "C Tempêratura de operação oC k:. (kcal/hm."G) Pol i uretano 100 0 0, 020 Si l i cato de Cál ci o 650 1 0 0 0, 051 200 0, 057 300 0, 062 400 U, UI JU 500 0, 073 600 0, 078 650 0, 080 Fíbra de Vi dro 550 l UU U, Uóó 200 0, u41 300 o, u4 / 400 u, u5t t 550 0, 075 Lã de Rocha 750 1 0 u U, Uó C 20Q 0, 041 300 U, U4U 400 0, 057 500 0, 066 600 o , u l I 700 U, UU9 750 u, u9t i Fi bra Cerâmi ca 1. 400 200 U, UZ5 400 U, U5 U 600 U, UUU 800 u , l l 4 1 . 0 0 0 u , l 5 4 I . Z UU 0 , 1 9 8 c q 4 o -9 eoo o cl É, !! ê GRÁFICOS PERDAS DE CALOR Ett SUPeRTÍCteS sem isolamento téÍmico 50 60 70 DIFERENçA DE TEMPERATURA (CC) 120 130 DI FERENçA DE TEMPERATURA (CC) d E E õ (t J o o E UJ è .t -/ ,/ -/ / -/ ./ .J ./ - 7 PERDAS DE cALoR Eu supenrícres sem isolamento térmico ISOLAMENTO TERMICO PERDAS DE CALOR EM TUBULAçÕES sem isolamênto térmico a4' ast2' g3' a21t2', g2' al l n' A1' e @1114' ag4' g112' 30 DIFERENçA DE TEMPERATURA (9C) PERDAS DE CALOR EM TUBULAçÕES sem lsolamênto téÍmico a4' 931t2' g3' a2112" a2' af n, 91114" a1' au4' 4il2' PERDAS DE CALOR EM TUBULAçÕES sem isolamento térmico t' o o,ra*r*çA DE TEMPERATURA (cc) o Determi ne as perdas Q1, da segui nte forma: superfíci es pl anas: Q1 =qxS onde: Ql = perdas de calor (kcal/h) q = perdas de calor (kcal/h.m' ) conforme gráfico S = área exteri or do equi pamento (m' ) tubul ações: Q1 =qxl onde: Q1 = perdas de calor (kcal/h) q = perdas de cal or (kcal /h.m) conÍorme gráfi co I compri mento da tubul ação (m) o Para os equi pamentos que possuem i sol amento térmi co determi ne as perdas de cal or Q1, uti l i zando as segui ntes expressões: superfíci es pl anas: s (t1 - t2) g3' 421t2', a2' en1t2' 411t4', Qt 1' au4" a1t2' se LT ISOLAMENTO TEEMICO para tubul acões: Sn( t 1 - t 2) Q1= _rn+ : - k onde: Q1 = perdas atuai s de cal or (kcal /h) k = coefi ci ente de conduti bi l i dade térmi ca do i sol ante, êffi kcal /h.ffi .oC, à sua temperatura médi a: t m=( t r +t ) +2 = tempêratura i nterna do equi pamento ou da tubul ação ("C) = temperatura ambi ente ("C) = êspêssura do i sol ante (m) = área externa de condução de calor (m' ) - compri mento da tubul ação (m) = di âmetro externo do tubo (m) = di âmetro externo do tubo mai s i sol ante térmi co (m) Nota: Quando existem vários materiais compondo o isolamento térmico do equipamento considera-se o efeito de cada um e efetua-se a somatória destes valores. o Para reduzi r as perdas de cal or dos equi pamentos e tubul ações pode-se uti l i zar um outro i sol ante mai s efi ci ente, com menor coefi ci ente de conduti bi l i dade térmi ca, aumentar a espessura do i sol amento térmi co ou ambas as sol uções conj untamente. Escol ha a afternati va mai s adequada para seu caso. Lembre-se que, quando possível , você pode também reduzi r o compri mento das tubul ações, el i mi nando os trechos desnecessári os, evi tando, assi m, desperdíci os de energi a. r Cal cul e as novas perdas Q2, uti l i zando as expressões anteri ores. r Determi ne a redução de perdas devi do à mel hori a do i sol amento térmi co efetuando a di ferença: Qr - Qz R - redução de perdas devi do à mel hori a do i sol amento térmi co (kcal /h) Q1 = perdas atuai s do equi pamento ou tubul ação (kcal /h) Q2 = perdas do equi pamento ou tubul ação com i sol amento térmi co adequado (kcal /h) o Esti me a quanti dade médi a mensal de horas (h) em que os equi pamentos ou tubul açáo são manti dos em funci onamento. o Cal cul e o potenci al de economi a de energi a (E) uti l i zando a segui nte expressão: E=Rxh( kcal / mês) t 1 t2 e S I de da llSoLAMENTo rÉaurco 1 8 I Para determi nar a economi a que i sto representa com consumo de energéti co, di vi da o resul tado anteri or pel o seu poder cal orífi co. Se o equi pamento for el étri co, a di vi são deverá ser fei ta por 860 para se obter o resul tado em kWh/mês. O dimensionamento econômico do isolamento térmico deve ser resultante da comparação entre o seu custo e a economi a que el e i rá proporci onar com a redução do consumo de energi a ao l ongo de sua vi da úti l . Assi m sendo, é possível que um i sol amento térmi co de custo i ni ci al mai s el evado acabe se mostrando mai s econômi co em decorrênci a de suas mel hores propri edades, que i rão acarretar menor consumo de energi a. Cada si tuação deve ser anal i sada separadamente, não havendo regra geral para recomendação de um ti po ou outro de i sol amento térmi co. 3. COGERAçÃO 3. 1 TNTRODUçÃO A geração de energi a el étri ca no Brasi l é caracteri zada por ser essenci al mente hl drául i ca e por concentrar el evados i nvesti mentos do Estado. Devi do ao esgotamento dos grandes potenci ai s economi camente aprovei távei s e também dos escassos recursos fi nancei ros existentes, a introdução de novos conceitos quanto a utilização e produção de energia tornam-se de fundamental importância para a continuidade do desenvolvimento do Estado de São Paulo. Assi m, é necessári o que sej am uti l i zados, em um curto espaço de tempo, outras fontes energéticas e outros sistemas que permitam racionalizar a produção de eletricidade, incentivar a conservação de energi a e aumentar de um modo geral a efi ci êncl a energéti ca das uni dades consumi doras. A cogeração de energia é uma dessas alternativas, pois sua introdução nos atuais sistemas de produção, al ém de si gni fi car um novo negóci o para a i ni ci ati va pri vada, para o Estado pode si gni fi car uma das sol uções mai s i nteressantes para garanti r o atendi mento da demanda de energi a nos proxi mos anos. A pri nci pal di ferença entre este concei to e o da produção de energi a el étri ca através de uma termoel étri ca convenci onal , é que na cogeração o cal or conti do na saída do si stemà, é ai nda aprovei tado no processo produti vo. Na geração termoel étri ca convenci onal este cal or resi dual é si mpl esmente rej ei tado. Este capítulo irá apresentar os conceitos básicos que envolvem um sistema de cogeração e permi t i rá uma anál i se prel i mi nar da vi abi l i dade de sua i mpl ant ação. cocERAçAO 3.2 DEF|NtçÃO Cogeração é a produção si mul tânea e seqüenci al de cal or e trabal ho, através de uma úni ca fonte de energi a, que vi sa o atendi mento às necessi dades do processo produti vo da uni dade. Essa f ont e de energi a, normal ment e um i nsumo f óssi l ou bi omassa, produz cal or através de um processo de combustão, que em adequados si stemas de conversão como turbi nas a gás, turbi nas a vapor, etc. produzem trabal ho mecâni co e cal or para a uni dade. O trabal ho obti do em um si stema de cogeração pode ser uti l i zado em um al ternador para a produção de el etri ci dade ou di retamente em equi pamentos como força motri z, enquanto que o cal or servi rá ao processo produti vo para ati vi dades de aqueci mento, condi ci onamento ambi ental , geração de vapor, secagem, etc. Portanto, fi ca cl aro que a uti l i zação da cogeração proporci ona uma mai or raci onal i zaçáo no uso dos energéti cos e, geral mente, mai ores rendi mentos gl obai s aos processos i ndustri ai s. 3.3 PRINCIPAIS CARACTERíSTICAS As pri nci pai s característi cas dos si stemas de cogeração podem ser resumi das nos segui ntes i tens : o A cogeração na mai ori a dos casos necessi ta um i nvesti mento menor por kW i nstal ado comparado com a hi droel etri ci dade. Pr ocesso I nvest i ment o por kW Coger açáo us$ 800 - 1. 000 Hi d r oel et r i ci dade us$ 2. 000 - 2. 500 o A Í l exi bi l i dade do si st ema permi t e a ut i l i zação de vári os i nsumos di sponí vei s na regi ão com um mai or aprovei t ament o energét i co. A anál i se do cust o do Gcal út i l deve l evar em conta os custos de transporte, armazenagem, pré-aqueci mento, manutenção de temperatura, etc. o Di mi nui ção dos i mpact os ambi ent ai s com a menor necessi dade de i nvest i ment os em hi droel et ri ci dade (f ormação de l agos) e menor pol ui ção ambi ent al devi do ao mai or rendi ment o gl obal da uni dade (ut i l i zação de equi pament os mai s ef i ci ent es). o Menos perdas nos si st emas de t ransmi ssão e di st ri bui ção, al ém da at ual escassez de baci as hi drográfi cas favorávei s. o A el et ri ci dade que poderá ser l i berada dos si st emas el ét ri cos com a ent rada de si st emas cogeradores, possi bi l i t ará o at endi ment o de out ros consumi dores, mel horará a conf i abi l i dade e ret ardará a ent rada de usi nas t ermoel ét ri cas convenci onai s e hi droel ét ri cas mai s caras no si st ema i nt erl i gado. . O pl anej amento do setor el étri co prevê que obras para o aumento da capaci dade i nstal ada tem um prazo médi o de 8 anos. l sto i mpl i ca que as condi ções de atendi mento devem ser pl anej adas com aproxi madamente 15 anos de antecedênci a. A i ntrodução de sistemas cogeradores completos tem um prazo médio de 2 anos. r Escassez de recursos públ i cos para grandes i nvesti mentos em si stemas de geração/transmissão/distribuição. Na cogeração teremos a descentralizaçáo dos i nvesti mentos e a parti ci pação da i ni ci ati va pri vada. o O aumento da potênci a i nstal ada em si stemas cogeradores pode ser fei to de uma maneira modular desde que as características técnico/econômicas da unidade permitam e não em grandes bl ocos como a hi droel etri ci dade. o Mai or i ndependênci a energéti ca da uni dade em rel ação ao forneci mento e ao custo real da energi a. o Mel hor aprovei tamento energéti co gl obal . 3. 4 T| POS DE COGERAçÃO A cogeraçáo é um processo seqüenci al , i sto é, a energi a não aprovei tada em um deter- mi nado momento, basi camente na forma de cal or, pode ser uti l i zada como fonte de energi a em outro. Aentrada de um si stema cogerador na matri zenergéti ca de uma uni dade pode serfel ta principalmente com: turbinas a vapor, turbinas a gás, ciclo combinado, motores de combustão i nterna e ci cl os de absorção. A escol ha de um dos si st emas apresent ados a segui r, por permi t i rem di f erent es confi gurações, deve l evar em conta a vi abi l i dade técni co-econômi ca, as necessi dades est r at égi cas da uni dade e out r as var i ávei s como di sponi bi l i dade de água, espaço, combust í vel , condi ções ambi ent ai s, et c. 3.4.1 Cogeração com turbi nas a vapor Si stemas de cogeração com turbi nas a vapor são compostos basi camente por cal dei ra de vapor superaqueci do, turbi na a vapor, redutor e equi pamento aci onado (por exempl o: al ternador). O combustível quei mado na cal dei ra tem a mai or parte de sua energi a uti l i zada para a produção de vapor a al ta pressão e temperatura. Este vapor será uti l i zado para o aci ona- mento da turbi na antes de ser entregue ao processo produti vo da uni dade. Esse ti po de cogeração permi te uti l i zar combustívei s menos nobres e mai s baratos, como resíduos i ndustri ai s, carvão, l enha, bagaço de cana, etc. Este i tem é de fundamental i mportânci a, poi s torna vi ável economi camente o proj eto para mui tas i nstal ações. coGERAçAO 21 Exi stem doi s ti pos bási cos de ci cl os que dependem do que é produzi do pri mei ro, o cal or ou o trabalho. Denomina-se "Topping System" o sistema cujo calor rejeitado na produção de eletricidade é aproveitado para uso em um outro processo como aquecimento, refrigeração, etc. Este tipo de sistema permite trabalhar com maiores pressões e temperaturas do vapor e con- seqüentemente obter mai ores rendi mentos e trabal ho úti l . O outro si stema denomi nado "Bottomi ng System", usa como i nsumo o cal or l i berado nos processos. Este calor pode ser aproveitado para gerar vapor em uma caldeira de recu- peração, que por sua vez poderá aci onar uma turbi na produzi ndo trabal ho. A maior parte dos projetos de instalação de sistemas cogeradores com turbinas a vapor poderão ser atendidos pelos produtos colocados no mercado interno pelos fabricantes naci onai s. Caldeira I nsumo . - € Figura 1 - Sistema de cogeração com turbinas a vapor'"Topping System". 3,4.2 Cogeração com turbi nas a gás As turbi nas a gás são equi pamentos compostos basi camente por compressor, câmara de combustão e a turbina propriamente dita. O processo exotérmico resultante da reação entre o ar e o combustível , na câmara de combustão, gera gases que ao se expandi rem na turbi na provocam um movi mento axi al que resutta em trabal ho no ei xo. O ei xo da turbi na, al ém de aci onar o compressor, pode estar l i gado a vári os equi pa- mentos tai s como al ternadores, bombas, moendas, sopradores, etc. a fi m de atender as mai s variadas necessidades do processo. Os gases de exaustão que atingem temperaturas ao redor de 500 oC, podem ser aproveitados para secagem, geração de vapor através de uma caldeira de recuperação, aqueci mento de Íl ui do térmi co, condi cl onamento ambi ental , etc. Se o cal or conti do nos gases de exaustão for uti l i zado para a produção de vapor, uma parte pode ser desvi ada e i nj etada na turbi na para mel horar seu rendi mento gl obal . Exi stem doi s ti pos de turbi nas a gás: a "Heavy Duty" e a aeroderi vada, ambas com o mesmo princípio de funcionamento e com os mesmos componentes principais. Outra importante característica desse sistema de cogeração é que suas dimensões são reduzidas e a área total para sua i nstal ação é pequena. As turbi nas a gás não são total mente fabri cadas no país o que i mpl i ca que para a i ntrodução de si stemas cogeradores com este ti po de máqui na, será necessári o a i mportação de parte dos equi pamentos. Galdeira Figura 2 - Sistema de cogeração com turbinas a gás. 3.4.3 Cogeração com ci cl o combi nado O ci cl o combi nado é o resul tado da apl i cação conj unta de doi s concei tos de cogeração: com turbi nas a vapor e com turbi nas a gás. O combustível usado i ni ci al mente em uma turbi na a gás, gera trabal ho no ei xo e cal or contido nos gases de exaustão. Os gases de exaustão, deixam a turbina com uma temperatura de aproxi madament e 500' C e são ut i l i zados como f ont e de energi a em uma cal dei ra de recuperação. Na caldeira de recuperação, pode ser necessária a utilização de uma queima adicional de combustível para superaquecer o vapor a al tas pressões e temperaturas. Este vapor i rá por sua vez al i mentar uma turbi na a vapor, que fornecerá, trabal ho no seu ei xo e cal or conti do no vapor de escape. O cal or conti do no vapor e o trabal ho gerado nos ei xos das duas turbi nas, obti dos com o ci cl o combi nado, supri rão em parte ou total mente as necessi dades do processo produti vo. Este ciclo apresenta uma grande eficiência e flexibilidade de operação, podendo inclusive uti l i zar di versos combustívei s. A grande desvantagem é sua compl exi dade operaci onal e o seu al to custo i ni ci al de i nstal ação, poi s, reune em um só si stema duas tecnol ogi as com suas respectivas características e necessidades. combustível {- I h I rr coeeneçÃo 23 combustível Figura 3 - Sistema de cogeração com cÍclo combinado. 3.4.4 Cogeração com motores alternativos de combustão interna Este conceito de cogeração baseia-se na utilização de motores alternativos de combustão i nterna gerando trabal ho e cal or, a parti r do uso de um úni co i nsumo energéti co. O cal or resi dual , contl do nos si stemas de escape, l ubri fi cação e refri geração, pode ser uti l i zado para o aqueci mento de água, pré-aqueci mento de ar combustível ou até mesmo gerar pequenas quanti dades de vapor a bai xa pressão e temperatura. O trabal ho obti do no ei xo do motor poderá aci onar um al ternador que supri ráa uni dade de el etri ci dade ou qual quer outro equipamento necessário ao processo. A quanti dade de cal or resi dual aprovei tada dos si stemas anteri ormente ci tados não é das mais expressivas, por isso o seu mercado potencial será formado por empresas que utilizam pequenas quanti dades de cal or e grandes quanti dades de energi a el étri ca ou força motri z. As principais linhas de montagem de motores no país, tem como principal finalidade o atendimento do mercado veicular, portanto, os equipamentos produzidos aqui, normalmente, se caracterizam pela pequena potência indlvidual. Para o atendimento de sistemas com grande potencial, será necessário a formação de bancos de motores ou a importação de unidades de grande potência individual. I I Figura 4 - Sistema de cogeração com motores alternativos de combustão interna. 3.4.5 Cogeração com ciclo de absorção O ciclo de absorção é um outro conceito que pode ser utilizado na cogeração. O cator residual proveniente de algum processo ou equipamento como uma turbina ou um motor, pode ser a fonte quente desse ciclo. Para mostrar o princípio básico de funcionamento desse sistema será usado como exemplo uma solução de amônia. Esta solução (de alta concentração) é bombeada para o interior de um trocador de calor onde é evaporada com a energia proveniente de uma Íonte quente (100 - 200 "C) dando i níci o ao ci cl o. O vapor de amôni a aí resul tante será condensado, passará por uma válvula de expansão e por um evaporador instalado dentro de uma câmara fria. Após absorver o calor e refrigerar o meio, o vapor de amônia a baixa pressão junta-se novamente à solução, agora de baixa concentração, dentro do absorvedor e reinicia novamente o ciclo. O mercado potencial desse sistema será constituído basicamente por setores que necessi tam, al ém da energi a el étri ca, de condi ci onamento ambi ental ou si stema de refri geração para seu funci onamento. Os absorvedores não são no momento fabricados no país, portanto , para sua introdução em um si stema de cogeração será necessári o i mportá-l os. I I I coeeneçÃo Figura 5 - Sistema de cogeração com ciclo de absorção. A escol ha de um dos si stemas apresentados anteri ormente, por permi ti rem di ferentes confi gurações, deve l evar em conta a vi abi l i dade técni co-econômi ca, as necessi dades estratégicas da unidade e outras variáveis como disponibilidade de água, espaço, combustível, condições ambientais, etc. 3. 5 EQUI PAMENTOS PRI NCI PAI S O rendi ment o gl obal e o desempenho do si st ema de cogeraçâo são f unções das característi cas de operação, da Írontei ra e do mei o escol hi dos para anál i se e das parti cu- l ari dades i ndi vi duai s de cada um dos seus componentes. Apresenta-se a segui r, de uma manei ra si ntéti ca, al gumas característi cas dos pri nci pai s equi pamentos que podem compor um sistema de cogeração. 3.5.1 Cal dei ra de vapor superaqueci do A cal dei ra de vapor superaqueci do é a mai s i ndi cada para ser uti l i zada em si stemas de cogeração a vapor e deve ser especlficada de forma a alcançar uma alta eficiência energética. Estes equi pamentos apresentam as mai s vari adas e atuai s tecnol ogi as de produção de vapor que permitem a utilização de insumos energéticos regionais, quer sejam sólidos, líquidos ou gasosos e a obtenção de vapor superaqueci do a al tas pressões e temperaturas. Os principais parâmetros para a obtenção de um alto rendimento energético nos sistemas de cogeração a vapor, além de programas de operação e manutenção adequados, são: o Pressões e temperaturas de vapor adequados ao si stema como por exempl o: PiesSão Teúpeiatura 21 kgÍ/cm2 300 "c 30 kgÍ/cm' 350 "C 42kgtl cm2 400' c 62 kgf/cm'z 450' C coeeneçÃo 26 o Uti l i zação de pré-aquecedor de ar e economi zador; o Instrumentação em vári os nívei s, atl ngi ndo até a operação total mente automáti ca; r Tratamento de água de alimentação (com pressões de trabalho acima de 42 kgf/cm' , este i tem é de i mportânci a fundamental ); o A água de al i mentação da cal dei ra deve ter a mai or ental pi a possível . Para i sso é fundamental o bom aprovei tamento do condensado; o Manter o rendi mento da cal dei ra de vapor superaqueci do próxi mo ao val or forneci do pel o fabri cante. Como por exempl o: Íú Sól i do Economizador 80 a 83% Economizador e pré-aquecedor de ar 84 a 89o/" Líquidos e gasosos Economi zador 85 a 88% Economizador e pré-aquecedor de ar 89 a 95% A capacidade de geração de vapor da caldeira deve ser aproximadamente 20% superior à quanti dade de vapor que se pretende uti l i zar no si stema de cogeração para um funci ona- mento mai s adequado e seguro da uni dade i ndustri al . Na anál i se da quanti dade de cal dei ras que serão uti l i zadas no si stema de cogeração, deve-se levar em consideração a necessidade de se manter no processo unidades de geração de vapor em "Stand-by" para o atendimento das principais necessidades do processo produtivo. 3.5.2 Cal dei ra de recuperação As cal dei ras de recuperação são equi pamentos especi al mente desenvol vi dos para o aprovei tamento do cal or resi dual , de al gum si stema ou processo, para a geração de vapor ou para o si mpl es aqueci mento de al gum fl ui do. Esses equi pamentos podem apresentar vari ações construti vas que permi tem a obtenção de ci cl os de vapor com característi cas di versas. Se for necessári o um aumento na quanti dade de vapor gerada, el evação de pressão ou temperatura, atendimento de picos de carga ou mesmo para cargas contínuas, pode-se instalar na cal dei ra de recuperação quei madores supl ementares que funci onam, normal mente, com combustívei s l íqui dos ou gasosos. No caso do aprovei tamento dos gases de exaustão de uma turbi na a gás aeroderi vada, deve-se notar que apenas uma parcel a ao redor de 20 a35"/" da massa total de ar i ntroduzi da no equi pamento é uti l i zada na combustão. O restante, que tem a Íi nal i dade de resfri ar o equi pamento é que caracteri za a possi bi l i dade de uma quei ma adi ci onal em excel entes condi ções. cocERAçAO 27 Um cuidado fundamental no uso de uma caldeira de recuperação, é a necessidade da exi stênci a de um "By-Pass" para descarga di reta na atmosfera ou em outro l ocal mai s adequado dos gases quentes. Este recurso, que deve ser uti l i zado pel o menor espaço de tempo possível é necessári o para resol ver eventuai s probl emas no equi pamento ou cumpri - mento da programação de manutenção. Os principais parâmetros de controle para a obtenção de um alto rendimento energético, além de programas de operação e manutenção adequados são: r níveis de instrumentação adequados ao processo; o tratamento da água de alimentação; o temperatura de saída dos gases quentes para que não ocorram desperdícios ou processos de corrosão desnecessários; o perda excessiva de pressão dos gases para que o equipamento ou sistema que fornece cal or resi dual não sej a prej udi cado em seu funci onamento. 3.5.3 Turbina a vapor Estes equipamentos podem, êffi relação às características do vapor na saída da turbina, ser classificados como sendo de contrapressão ou de condensação apresentando ou não extração de vapor no seu corpo. Os equipamentos classificados como de contrapressão, são aqueles nos quais o vapor na saída da turbina apresenta condições de pressão e temperatura compatíveis com as necessi dades do processo produti vo. Por outro l ado os de condensação, normal mente utilizados para priorizar a geração de energia elétrica, fornecem na saída do equipamento um vapor i á com al guma umi dade, bai xa pressão e temperatura e em geral com pouca utilidade para o processo. Esse vapor é encaminhado para um condensador e retornado ao si stema. Dependendo das particularidades da demanda de vapor a ser atendida, muitas vezes é necessário que as turbinas a vapor apresentem em seu corpo, condições para que hajam extrações em determinadas pressões e temperaturas. A quantidade de vapor que pode ser extraída da turbina, a fim de que o rendimento do sistema não seja muito afetado, depende das caracterÍsticas construtivas de cada equipamento. Quanto ao número de estágios, as turbinas a vapor podem ser de simples (SE) ou de múl ti pl os estági os (ME). Como o rendi mento do equi pamento aumenta com a di mi nui ção do salto térmico por estágio, as turbinas de contrapressão de múltiplos estágios apresentam rendi mentos consi deravel mente mai ores que as de si mpl es estági o. A escolha do tipo construtivo da turbina é função da quantidade de vapor turbinado (acima de 20 Uh deve ser analisada necessariamente a de ME), da existência de vapor de extração (necessari amente ME), da pressão na saída, da vari ação da vazão que afeta di retamente o rendi mento do si stema e da potênci a do si stema cogerador. As centrais termoelétricas a vapor, que normalmente utilizam turbinas de múltiplos está- gios tipo condensação, trabalham com temperaturas de vapor da ordem de 560 ' C e com uma pressão na saída da turbina de até 1 polegada de Hg. Essas instalações podem apresentar um rendimento térmico, em determinadas condições, na faixa de 36 a 39o/". Devido às altas solicitações termo-mecânicas, alguns cuidados simples, porém funda- mentais, devem ser tomados visando aumentar a vida útil do equipamento, como por exemplo: o boa drenagem do condensado; o evi tar i ncrustações (pal hetas e canai s); o segui r os pl anos de operação e manutenção recomendados pel os fabri cantes. 3.5.4 Turbi na a gás O princípio de Íuncionamento da turbina a gás é baseado na compressão do ar por equipamentos de simples ou de múltiplos estágios e sua injeção em uma câmara de com- bustão, onde é misturado com o combustível e queimado. Como somente parte do ar admitido é uti l i zado na combustão, o restante tem a função de refri gerar o equi pamento de modo a l i mi tar a temperatura máxi ma nas pal hetas. As turbi nas a gás são equi pamentos que produzem trabal ho a parti r dos gases quentes ori gi nados na câmara de combustão e o seu desempenho é baseado no di reci onamento contínuo deste fl uxo sobre as pás do rotor da turbi na. Deve-se ressal tar que o nome turbi na a gás não si gni fi ca o ti po de combustível que está sendo uti l i zado, e si m o fl ui do que se expande na turbi na, produto de uma combustão. Os combustívei s l íqui dos, gasosos e até mesmo os sól i dos podem ser uti l i zados neste ti po de equi pamento em Íunção do seu ti po construti vo. No setor i ndustri al estes equi pamentos podem ser empregados para o aci onamento mecâni co de al ternadores, compressores, bombas, etc. e o seu cal or uti l i zado no processo produti vo. Já no caso de termoel étri cas em ci cl o aberto, esse cal or é rej ei tado. Nestas apl i cações, dependendo da tecnol ogi a do equi pamento e das condi ções de i nstatação e operação, conseguem-se, nas turbi nas aeroderi vadas, val ores i ndi vi duai s de efi ci ênci a aci ma de 40% e potênci as de 50 MW. As turbi nas denomi nadas "Heavy Duty" ou "Frame", apresentam máqui nas com potênci a uni tári a aci ma de 200 MW. Devido às suas características construtivas, as turbinas a gás aeroderivadas encontram sua pri nci pal apl i cação na avi ação ci vi l e mi l i tar. Por serem uti l i zadas em grande escal a e sob condições rigorosas, estas máquinas que tem garantido um grande mercado cativo, apresentam um desenvol vi mento em termos de materi ai s e performance bem acentuado. coeeaaçÃo Outra importante característica desses equipamentos é a relação rotação/potência que pode ser admi ni strada com a correta escol ha do número de ei xos dos equi pamentos. As turbi nas podem apresentar um úni co ei xo para o aci onamento do compressor e forneci - mento da potência útil ou utilizar vários eixos concêntricos independentes acionados por rotores separados. A potência fornecida por esse tipo de equipamento varia dependendo do lugar e das condições da instalação. Para efeito de comparação entre os diversos equipamentos existentes no mercado é normal se defi ni r a potênci a di sponível nas condi ções l SO, ou sej a, con- si derando entre outros fatores, uma temperatura ambi ente de 15 "C e a pressão atmosféri ca ao nível do mar. Dentre os diversos parâmetros que afetam a potência de uma turbina a gás destacam-se: al ti tude, umi dade rel ati va do ar, temperatura do ar ambi ente, perdas de carga nos dutos de admi ssão e escape dos gases e o combustível uti l i zado. Geral mente os dados apresentados se referem à utilização de gás natural como combustível. Estes equipamentos proporcionam uma relação W/Q (trabalho/calor) maior que a obtida com turbi nas a vapor, o que dá mai s Íl exi bi l i dade de uti l i zação e proporci ona mai s trabal ho por uni dade de cal or. 3.5.5 Redutor O redutor tem a Íi nal i dade de transmi ti r a energi a mecâni ca ao al ternador ou outro equipamento acionado, sincronizando sua rotação para que não hajam distúrbios na Íreqüência da rede ou no funcionamento do processo produtivo. Dependendo da potência, outros recursos mai s adequados, técni co-economi camente, são uti l i zados para qye ocorra esta transmi ssão como por exempl o turbi nas de ei xos múl ti pl os ou até mesmo um proj eto que permi ta o acoplamento direto. O rendimento médio encontrado para o redutor, após análise de equipamentos de diversos fabricantes nacionais foi de 97,5"/o. 3.5.6 Al ternador A geração convenci onal de energi a el étri ca é consegui da através do movi mento de um condutor em um campo magnéti co. Para que haj a o movi mento do condutor é necessári o energi a mecâni ca para o seu aci onamento. Estes equi pamentos são proj etados parti cul armente paraserem aci onados por motores ou por mei o de turbi nas a gás ou vapor e seu acopl amento pode, dependendo da rotação do eixo de potência, ser direto ou feito através de redutores de velocidade. Em um al ternador, o rendi mento vari a em função da potênci a gerada e é obti do através de testes baseados em normas que podem ser acordadas na hora da aquisição do equipamento. É recomendável que este equi pamento sej a adqui ri do com uma margem de potênci a de segurança para que a uni dade apresente um funci onamento mai s adequado e que pequenos aperfei çoamentos no si stema ou no processo produti vo sej am absorvi dos e transformados em benefíci os adi ci onai s. coc,eneçÃo 30 O rendi mento médi o encontrado para o al ternador, após anál i se de equi pamentos de diversos fabricantes nacionais Íoi de 94,Oo/". 3.5.7 Gondensador O vapor resi dual do processo ou o que sai de uma turbi na pode ser descarregado na atmosfera, tornando-o anti econômi co e podendo acarretar séri os probl emas ambi entai s, ou ser reaproveitado através de uma condensação em um trocador de calor. Esse condensado poderá sofrer um novo bombeamento para a caldeira e ser reutilizado como água de alimentação. O condensador é o equi pamento que tem a fi nal i dade de transformar vapor em l íqui do, através da retirada de calor por meio de um elemento de refrigeração. Os elementos normal- mente utilizados são a água, proveniente de rios, lagos ou mesmo do mar e o ar atmosférico. A uti l i zação de um ou de outro refri gerante depende do ti po do proj eto, do l ocal de i nstal ação, das l i cenças cabívei s, etc. Apesar do processo ser de condensação, a pressâo é praticamente constante em todos os pontos do equi pamento porque el e funci ona em um si stema aberto, ou sej a, na medi da que o vapor se condensa el e é reti rado e si mul taneamente entra uma nova quanti dade de vapor para ser processado. 3.5.8 Absorvedor O si stema de refri geração por absorção, tem um pri ncípi o de funci onamento anál ogo ao si stema de reÍri geração convenci onal , sendo que o absorvedor, pri nci pal equi pamento desse si stema de cogeração, é consti tuído pri nci pal mente dos segui ntes equi pamentos; evaporador, tanque de absorção, bomba, gerador de vapor, condensador e vál vul a de expansão. Em ci cl os de absorção podem ser empregados vári os pares de fl uídos absorventes tai s como: amônia e água, brometo de lítio e água (atualmente o mais atualizado para o condiciona- mento ambiental), etc. A amônia, apesar de apresentar problemas de corrosão e de toxidade é o mais empregado para o processo de refrigeração em temperaturas inferiores a 0' C. Quanto ao modo utilizado para o transporte do calor da fonte quente para o absorvedor, pode-se encontrar equi pamentos que operam com ci cl o de vapor ou di retamente com o gás de exaustão. O uso di reto do cal or, através do gás de exaustão é uma tecnol ogi a que ai nda está sendo aperÍei çoada, poi s apresenta, no momento, como pri nci pai s probl emas para sua di fusão: o di fi cul dades operaci onai s com o trocador de cal or; o i mpurezas carregadas pel o gás di reto da exaustão; o di fíci l control e da quanti dade de gás i ntroduzi do no absorvedor. coeeneçÃo 31 As máqui nas que operam com vapor podem ser de si mpl es ou múl t i pl os (normal ment e doi s) estági os de absorção apresentando como pri nci pal i nconveni ênci a o tamanho do si stema. Para se ter uma i déi a do porte dos equi pamentos, apresenta-se a segui r al guns dados que podem ser ut i l i zados em um pré-di mensi onament o do si st ema: a De 9 a 10 kg de vapor saturado (1 kgf/cm' ) por TR (Tonelada de ReÍrigeração) r Máqui nas de múl ti pl os estági os De 5 a 8 kg de vapor saturado (1 kgf/cm' ) por TR (Tonelada de Refrigeração) O principal cuidado na operação desse sistema, que trabalha em vácuo, é com a entrada de ar que pode causar cri stal i zaçã,o das substânci as uti l i zadas. 3.5.9 Motores al ternati vos de combustão i nterna O processo de funci onamento desses motores segue os parâmetros dos ci cl os Otto ou Di esel , com os quai s convi vemos di ari ament e em aut omóvei s, ôni bus, cami nhões e barcos. O trabal ho obti do no ei xo do motor é uti l i zado para o aci onamento de equi pamentos como al t ernadores, bombas e compressores, enquant o que a energi a cont i da nos si st emas de exaustão, lubrificação e refrigeração pode ser em parte aproveitada para calor de processo, aqueci ment o de água ou f l ui do t érmi co, secagem di ret a, condi ci onament o ambi ent al e at é mesmo para a produção de vapor a bai xa pressão e temperatura. Com a uti l i zação de equi pamentos auxi l i ares adequados como compressores, cata- l i sadores, turbocompressores, pré-aquecedores, resfri adores e de efi ci entes si stemas de cont rol e e gerenci ament o de operação, pode-se ut i l i zar combust í vei s al t ernat i vos aos t r adi ci onai s l í qui dos l eves e gasosos, com al t o r endi ment o. Al ém da al t a ef i ci ênci a na conversão da energi a do i nsumo energét i co em t rabal ho, os si stemas de cogeração com estes equi pamentos têm como pri nci pai s característi cas o bai xo i nvest i ment o i ni ci al , f aci l i dade de operação e manut enção, l l mi t ações de pot ênci a por uni dade i nstal ada e uma restri ta fai xa de temperatura para a uti l i zação do cal or resi dual no processo produti vo. Em rel ação à quant i dade de energi a i nt roduzi da nesse t i po de equi pament o, pode-se estabel ecer os segui ntes parâmetros para seu funci onamento: Geração de el etri ci dade 39% Si stema de reÍri geração e l ubri fi cação 31' o/ o Si st ema de escape 23% Perdas 7 % coeeaaçÃo 32 3.5.10 Recuperadores de cal or Dentre os diversos tipos de recuperadores de calor que são utilizados para reduzir os desperdícios de energia ao longo do processo produtivo, destacam-se os de casco e tubos, placas e serpentinas. Esses equipamentos que são usados para troca de calor entre gases quentes sob pressão e l íqui dos, entre l íqui dos e l íqui dos, l íqui dos e ar, etc. uti l i zam di versos tipos de materiais dependendo da temperatura do fluido quente, do tempo de vida do projeto, do tamanho do equipamento e de outros fatores inerentes ao processo produtivo. 3. 6 METODOLOGI A DE ANÁI I SE A análise do potencial de cogeração pode ser feita através das necessidades de calor, refrigeração, força motriz, etc. No caso da auto-suficiência com venda de possíveis excedentes esta análise estará atrelada, além do processo produtivo, a uma comercializaçâo de energia el étri ca. Este trabalho apresentará a seguir os principais parâmetros a serem analisados para a determinação do potencial de cogeração. 3.6.1 Equi pamentos consumi dores O i níci o da anál i se para se saber qual é o mel hor ti po de si stema de cogeração a ser i ntroduzi do na uni dade estudada, começa pel a determi nação das necessi dades do processo ou setor a ser atendido e de suas características. Dependendo da conjuntura da avaliação técnico-econômica do projeto e das perspectivas do mercado, será decidido qual a relação ideal W/Q (trabalho/calor) que mais interessa para a unidade. Esta relação determinará o tipo da instalação, seu modo de operaçáo e o tempo de retorno do investimento. Neste método, considera-se que os produtos Íornecidos pelo sistema de cogeração devem atender às necessidades básicas, total ou parcialmente, da produção ou do serviço para que haj a uma uti l i zação mai s raci onal da energi a. Do ponto de vista do custo global (investimento e operação) a parte mais significativa deste custo é Íunção direta da eficiência com que são gerados o calor e o trabalho. Normal mente, o trabal ho val e mai s que o cal or, mas i sto depende do peso que se vai dar a cada parcel a desse bi nômi o que é Íunção di reta do porte da uni dade, do grau de tecnol ogi a empregado e de seu ramo de atividade. No caso de uma uni dade i mptantada que j á tem suas necessi dades de cal or, fri o, força motriz, etc. supridas pela central de utilidades, deve-se começar o processo com uma descri ção detal hada dos dados dos equi pamentos j á i nstal ados como: ano de fabri cação, i nsumo uti l i zado, característi cas do vapor, temperatura do Íl ui do térmi co, regi me operaci onal e outras grandezas inerentes ao processo. cocERAçAO No caso de uma unidade nova, este levantamento de dados deverá ser considerado baseado nos estudos até agora realizados, mas deve-se ter em mente que a possibilidade da i ntrodução de um si stema de cogeração pode al terar al guns parâmetros até agora consi derados. O próximo passo é a análise das necessidades, ou seja, demanda de vapor, calor, Írio, força motriz, etc. que devem ser atendidas para que as características da central de utilidades sejam adaptadas e supram os equipamentos do processo produtivo. Elabore um croqui mostrando a central de produção, as principais linhas de distribuição e a focalização dos equipamentos consumidores da unidade estudada, para que se tenha condições de avaliar a melhor localização do sistema de cogeração. Nesta metodologia, o atendimento das necessidades do processo é que determinarâ o porte, a quantidade de energia, a relação W/Q, o investimento e sua rentabilidade. Se sua unidade não funciona com a mesma freqüência e capacidade durante o ano, tome cuidado na análise destes dados, principalmente em períodos atípicos e caso haja necessidade estude-os separadamente analisando soluções específicas. Uma das melhores maneiras de se visualizar mais claramente o atual Íuncionamento da unidade é representar os valores (ou estimativas) anteriores em gráficos de consumo horário, curvas de duração (col ocação dos val ores anteri ores na forma decrescente) e médi a do consumo horári o, â Íi m de mel hor representar a energi a necessári a no período anal i sado e o di mensi onamento do si stema de cogeração. Gom o auxílio desses gráficos, pode-se detectar variações muito acentuadas e atípicas no consumo da uni dade. Estude a possi bi l i dade de uma mai or uni Íormi zaçáo na produção, com a fi nal i dade de proporci onar um mai or rendi mento e aumentar a efi ci ênci a operaci onal do sistema de produção. Após a avaliação dos gráficos citados, identiÍique um conjunto de opções que inclua o valor médio das necessidades apuradas anteriormente e as alternativas que serão estudadas, incluindo as futuras expansões previstas na unidade. Deste modo, estarão sendo deÍinidas as diversas alternativas de dimensionamento do sistema de cogeração, que serão avaliadas posteriormente, através de outros critérios. No caso de sua unidade não apresentar potencial para atingir a auto-suficiência, anal i se separadamente o consumo no horári o de ponta, pri nci pal mente de energi a el étri ca, para que se veri Íi que a possi bi l i dade do aumento da geração e conseqüente di mi nui ção da dependência da concessionária local. Não se esqueça que os produtos obtidos na saída do sistema de cogeração (vapor, calor, Írio, energia elétrica, força motriz, etc.) irão atender total ou parcialmente as necessidades dos pontos de consumo, devendo, portanto, ter suas características compatíveis com as necessidades do processo produtivo. Ao levantar os dados dos equipamentos aproveite e verifique se estes estão trabalhando dentro das especiÍicações recomendadas pelos fabricantes, não esquecendo de levar em consideraçáo as perdas nos sistemas de distribuição, e se medidas de racionalização energética já podem ser detectadas. coeeançÃo 34 Exclua, neste momento, os equipamentos com características muito diferentes da médi a para um outro ti po de anál i se, poi s seu atendi mento pode ser fei to de outra forma, como por exempl o a uti l i zação de uma extração de vapor no corpo da turbi na ou até mesmo um si stema i ndependente. 3.6.2 Potenci al do si stema O potenci al de cogeração da uni dade estudada será determi nado pel o ti po de si stema i deal i zado, pel as característi cas construti vas do equi pamento motri z, efi ci ênci a energéti ca, queda entálpica, características e vazáo do vapor ou calor, quantidade e tipo do insumo utilizado, característi cas ambi entai s e outras pecul i ari dades da i nstal ação. No caso de um si stema de cogeração com turbi nas a vapor, consi dera-se para efei to de cál cul o, quando ocorre uma extração de vapor em seu corpo, como sendo duas máqui nas di sti ntas com suas respecti vas característi cas. A pri mei ra (turbi na l ) é defi ni da entre o ponto de entrada e o de extração e a segunda (turbi na l l ) deste ao ponto de saída do vapor para o processo ou para o condensador. Neste caso, a potênci a forneci da pel a turbi na | é função di reta da quanti dade e das características do vapor admitido e da potência por tonelada de vapor. A potência da turbina ll segue os mesmos parâmetros anteri ores, exceto na quanti dade de vapor que, neste caso, é função da quanti dade de vapor admi ti do menos a quanti dade de vapor extraído. No caso de uma turbi na com extração de vapor, a potênci a i nstal ada será a soma das potências individuais de cada máquina, acrescido de um fator que caracterizará uma reserva para o mel hor f unci onament o do equi pament o. A parti r de dados práti cos do desempenho de turbi nas a vapor, estabel eceu-se os segui ntes parâmetros em rel ação a queda de pressão: 7' Ti po da turbi na índice klV/t.vapor.h em,lela!âo a queda de pressão Queda de pressão na turbina de até 16 kgf/cm'z SE ME 3 , 1 5 4,27 Queda de pressão na turbi na aci ma de 16 kgf/cm' SE ME 2, 66 3,62 Pressão de 42 kgÍ/cm'z .'., Queda de pressão na turbina de até 32 kgÍ/cm'z SE ME 2,07 2, 81 Queda de pressão na turbi na aci ma de 32 kgf/cm' SE ME 1 , 9 1 2, 59 Pressão de 62 kgÍ/cm' Queda de pressão na turbina de até 48 kgficm'z SE ME 1, 33 1, 81 Queda de pressão na turbina acima de 48 kgÍ/cm'? SE ME 1, 65 2, 24 cocEBAçAO 35 Exempl o: Uma turbi na ti po ME admi te 30 Vh de vapor a 42 kgf/cm' e extrai esse vapor a 5kgf/cm' . A potênci a do si stema é de aproxi madamente : Queda de pressão na turbina + 42 - 5 = 37 kgf/cm' índi ce + 2,59 Potência =+ 30 x 37 x 2,59 = 2.875 kW Atenção: A potência instalada do sistema de cogeração é função do rendimento dos equipamentos que o compõem. No caso de uma turbi na a gás, a sua efi ci ênci a térmi ca está pri nci pal mente l i gada ao ti po construti vo, porte do equi pamento, combustível uti l i zado, característi cas operaci onai s, t i po de ci cl o que el a oper a, per das de car ga na ent r ada e saí da do equi pament o e das caract erí st i cas ambi ent ai s do l ocal da i nst al ação. Exi stem vári os fabri cantes de turbi nas a gás espal hados pel o mundo que apresentam seus equi pamentos aval i ados segundo padrões acei tos i nternaci onal mente. Cada uti l i zação a ser dada ao equi pamento deve ser precedi da de uma detal hada consul ta ao fabri cante, poi s deve-se l evar em consi deraçáo todos os fatores aci ma ci tados, para que se tenha com cerïeza a potência útil fornecida no eixo após o atendimento das necessidades do compressor e dos acessóri os do equi pament o. Não se deve esquecer que o f or neci ment o ao Í abr i cant e, dos mai or es det al hes possívei s das característi cas do combustível que será uti l i zado e de seu si stema de al i men- tação é fundamental para que as parti cul ari dades do si stema sej am respei tadas. Pode-se uti l i zar para efei to de uma pré-anál i se os segui ntes dados gerai s: Combustível uti l i zado Gás natural Energi a i ntroduzi da na turbi na 9.400 kcal Energi a el étri ca produzi da 2, 94 kwh Quanti dade de vapor produzi do 2,28 kg/kWh Os motores alternativos de combustão interna apresentam como principais características a efi ci ênci a na geração de el etri ci dade e pequena sensi bi l i dade no que se refere à al terações em sua carga. Um motor funci onando a 1OO' /" de sua capaci dade nomi nal pode apresentar um rendi mento de até 42% enquanto que a mei a carga esse val or pode ati ngi r 38%. Esses val ores foram obti dos em condi ções i deai s de funci onamento e servem para si mpl es ref erênci a. O consumo específico desse tipo de equipamento varia em função do porte da instalação, de suas característi cas operacl onai s e do ti po do i nsumo uti l i zado. Pode-se uti l i zar como parâmetro de cál cul o os segui ntes val ores : coGERAçAO 36 liriri.irÍiil Até 450 kw 2. 668 De 450 a 800 kW 2.437 De 1.700 a 5.200 kW 2. 100 De 5.200 a 16.000 kW 1. 851 Atenção: Esses dados reÍerem-se a equipamentos utilizando gás natural. No caso de condi ci onamento ambi ental com si stemas de absorção vári os parâmetros técni cos devem ser l evados em consi deração, mas de manei ra geral pode-se adotar, para um edi fíci o comerci al , que cada TR (tonel ada de refri geração) atende a aproxi madamente 20 m2 de área úti l . Segundo anál i ses real i zadas por di versos fabri cantes, estes equi pamentos só começam a ser vi ávei s economi camente para si stemas de mai s de 400 TR. 3.6.3 Energi a el étri ca gerada A energi a el étri ca gerada é função, pri nci pal mente, da potênci a i nstal ada do si stema de cogeração, da vari ação de carga, quanti dade de i nsumo quei mado, tecnol ogi a empregada, al ti tude, temperatura ambi ente, umi dade rel ati va do ar e do número de horas de operação. Dependendo das característi cas de cada equi pamento, poderá haver uma acentuada queda na efi ci ênci a gl obal do si stema quando a vari ação da carga, i nsumo uti l i zado e ti ragem de vapor e gás de exaustão forem i ncompatívei s com as característi cas técni cas do equi pament o. Se a energi a el étri ca gerada pel o si stema de cogeraçáo for superi or ao consumo da uni dade i ndustri al , anal i se a possi bi l i dade da venda desse excedente entrando em contato com a concessi onári a l ocal ou no caso de São Paul o com aAGÊruCtn PARAAPLICACÃO Of ENERGI A. 3.6.4 Anál i se do i nvesti mento A anál i se do i nvesti mento e seu tempo de retorno em si stemas de cogeração, serão obti dos a parti r do proj eto bási co anal i sado. Neste capítul o, são i ndi cados os pri nci pai s aspectos a serem consi derados sobre equi pamentos, obras ci vi s, acessóri os, combustível , montagem, manutenção, l l gações el étri cas e mão-de-obra. Os preços dos equi pamentos apresentados são mera referênci a, poi s vari am em função do fabri cante, recurso tecnol ógl co empregado e ti po de si stema proposto. Esses val ores não l evam em consi deração os i mpostos, devi do à fal ta de uni formi dade de sua cobrança no País, do fato de que al guns produtos não são aqui fabri cados e das possívei s reduções de al íquotas que determi nadas di retri zes e pl anos possam estabel ecer no momento da anál i se do projeto. coeennçÃo 37 3.6.4.1 Equi pamentos e i nÍra-estrutura A parti r desse ponto serão anal i sados os i nvesti mentos necessári os para a i nstal ação do si stema de cogeração. o Cal dei ra A capaci dade de produção de vapor da cal dei ra superaqueci da ou de recuperação, características do sistema de cogeração analisado, deve ser aproximadamente 20% superior à quanti dade nomi nal do vapor consi derado para o proj eto. O i nvesti mento necessári o à compra de uma cal dei ra em substi tui ção a uma j á exi stente pode ser anal i sado através de duas hi póteses l c Hi pótese: Iníci o de operação da uni dade ou Íi m da vi da úti l do atual equi pamento O i nvesti mento que deve ser computado ao si stema de cogeração com a aqui si ção dessa nova unidade geradora de vapor, deve ser obtido através da diferença de preço desta em rel ação à que seri a usada se não fosse i nstal ado o si stema de produção de el etrl ci dade. 2c Hi pótese: Gal dei ra atual ai nda em condi ções de uso O i nvesti mento nessa hi pótese pode ser determi nado através da anál i se de duas al ternati vas, ou sej a, a venda do atual equi pamento ou sua reforma. No pri mei ro caso, o i nvesti mento na i nstal ação da uni dade de geração de vapor, característi co do si stema de cogeração, será consegul do através da di ferença entre o preço de aqui si ção da nova cal dei ra e o val or obti do com a venda do atual equi pamento. No caso da reforma, veri fi que j unto ao fabri cante do equi pamento a possi bi l i dade do atendi mento das novas necessi dades energéti cas, com a i ntrodução de um si stema de cogeração na uni dade. O custo da reforma desse equi pamento depende de seu estado de conservação, do ti po de vapor desej ado, do ti po de combustível que se pretende uti l i zar, da pressão de trabal ho que se pretende ati ngi r e das modi fi cações estruturai s necessári as. Nas tabel as mostradas a segui r encontra-se uma esti mati va de i nvesti mentos para as hi pót eses l evant adas, no que se r ef er e a cal dei r as aquat ubul ar es que pr oduzem vapor super aq ueci do. cocERAçÃo 38 PREçODE CALDETRA - COMBUSTTVEL SOLTDO (US$) . Vazão (Vh) VAPOR Saturado Superaqueci do 2l kotlcm2 42kqllcm'z 7 4 1 3 . 3 6 0 5 1 9 . 0 0 0 1 0 433. 080 553. 600 1 5 5 3 1 . 9 3 0 692. 000 20 630. 790 830. 400 1. 245. 600 25 6 6 1 . 6 4 0 B85. BOO 1. 349. 400 30 692. 410 927. 300 1. 446. 300 35 723. 180 968. 800 1 . 5 2 2 . 4 0 0 55 1. 430. 470 1. 972. 200 70 1 . 9 1 7 . 6 0 0 2. 560. 400 90 2. 371. 930 3 . 1 1 4 . 0 0 0 1 1 0 2. 586. 470 3. 390. 800 * Dados para reÍerênci a obti dos j unto a Íabri cantes. pREçO DE CALDETRA - COMBUSTí VE| S Lí OUTDOS/ GASOSOS (US$) . * Dadospara referênci a obti dos j unto a fabri cantes. PREçO DE EQUI PAMENTOS PARA REFORMA DE CALDEI RA SUPERAQUECEDOR. BOMBA E ACESSORI OS Vazão (Uh) VAPOR Saturado Superaqueci do 21kgÍlcm'z 42 kgtlcm2 7 5 3 1 . 0 0 0 657. 400 1 0 609. 540 761. 200 1 5 649. 570 830. 400 20 689. 600 899. 600 1. 384. 000 25 720. 460 955. 000 1 . 5 0 1 . 6 0 0 30 751. 230 1. 003. 400 1. 612. 400 35 782. 000 1. 038. 000 1 . 7 3 0 . 0 0 0 55 1 . 51 8700 2. 076. 000 70 1 . 7 41 . 060 2. 352. 800 90 1 . 9 6 0 . 1 9 0 2. 629. 600 1 1 n 2. 233. 550 2. 975. 600 Vazão (Uh) VAPOB Superaqueci do 21kql l cm2 42kqÍlcm'z 7 29. 760 44. 980 1 0 40. 140 57. 440 1 5 60. 200 86. 500 20 80. 270 137.020 25 89. 270 152. 700 30 98. 260 168. 390 35 107. 260 184. 070 55 157. 780 262. 960 70 1 6 6 . 0 8 0 276. 800 90 176. 460 294. 100 1 1 0 1 9 0 . 3 0 0 316. 240 coeenaçÃo 39 para referênci a obti dos j unto a fabri cantes. A determi nação do i nvesti mento em cal dei ras de recuperação, depende do ti po de fl ui do a ser aqueci do (fl ui do térmi co, água, etc.), da quanti dade a ser aqueci da, das característi cas necessári as ao processo (nível de pressão, temperatura, etc.) e necessi dade de quel ma supl ement ar de combust Í vel . O val or esti mado como adequado para a anál i se proposta por este trabal ho é da ordem de US$ 300 por kW i nstal ado do si stema de geração de energi a el étri ca. A escol ha da mel hor al ternati va apresentada depende das característi cas i nerentes ao seu processo produti vo, portanto, após a determi nação da opção que mel hor se adapte ao seu sistema, assuma este valor como sendo o Investimento em caldeira do sistema de cogeraÇão. As esti mati vas de i nvesti mentos em cal dei ras, mostradas neste trabal ho, são reÍerentes a equi pamentos forneci dos somente com economi zadores. Se suas Íuturas i nstal ações forem equi padas com pré-aquecedores de âr, acrescente (para fi ns de cál cul o) 20% ao preço det ermi nado ant eri orment e. o Turbi na, redutor e al ternador Para a obtenção do i nvesti mento rel ati vo a este i tem, no que se refere a turbi nas a vapor em rel açáo ao seu ti po construti vo, pode-se apresentar os segui ntes parâmetros: TURBINA A VAPOR Tipo Preço USVkW Observações Si mpl es Est ági o 240 Pot ênci a i nst al ada at é 1. 000 kW 215 Pot ênci a i nst al ada ent r e 1. 000 e 2. 000 kW Múl t i pl os Est ági os 300 Pot ênci a i nst al ada at é 2. 000 kW 290 Pot ênci a i nst al ada ent r e 2. 000 e 4. 000 kW 267 Pot ênci a i nst al ada ent r e 4. 000 e 6. 000 kW 233 Pot ênci a i nst al ada aci ma de 6. 000 kW A determi nação do i nvesti mento em turbi nas a gás necessi ta do exato l evantamento de vári os fatores do proj eto em questão. Portanto, o val or admi ti do no desenvol vi mento deste trabal ho será determi nado pel os segui ntes parâmetros: TURBI NA A VAPOR Fai xa de Pot ênci a Preço US$/kW At é 1. 000 kw 794 De 1. 001 a 2. 000 kW 666 De 2. 001 a 5. 000 kW 438 De 5. 001 a 10. 000 k W 420 De 10. 001 a 20. 000 kW 4 1 7 De 20. 001 a 30. 000 kW 341 De 30. 001 a 50. 000 kW 297 De 50. 001 a 100. 000 kW 255 Aci ma de 100. 000 kW 1 9 0 cocERAçÃo 40 Est es val ores são ref erent es ao paí s de ori gem dos equi pament os. o Motores alternativos de combustão interna O investimento nos motores alternativos de combustão interna depende, basicamente, dos equi pamentos auxi l i ares que comporão o si stema, da potênci a i nstal ada, do ti po de com- bustível uti l i zado e da ori gem do motor. Pode-se adotar, para esta anál i se, um val or de referênci a de US$ 350/kW i nstal ado no país de ori gem do equi pamento. o Absorvedor O i nvesti mento nesse equi pamento depende do ti po que se pretende adqui ri r para o proj eto anal i sado. Os equi pamentos que funci onam com ci cl o de vapor podem ter seus i nvesti mentos bal i zados pel os segui ntes val ores: Tipo us$/r.R Si mpl es est ági o De 500 a 600 Múl t i pl os est ági os De 600 a 700 o Bombas Na compra dos novos equi pamentos, normal mente, este i tem não será l evado em con- si deração, poi s j á está i ncl uído no preço. Por outro l ado, se houver necessi dade de mai s al guma bomba para al gum determi nado equi pamento do si stema, faça uma esti mati va própri a e assuma este val or como sendo o i nvesti mento em bombas no si stema de cogeração. o Obras ci vi s Para a instalação do sistema de cogeraçá,o, é necessária uma estimativa do investi- mento em obras ci vi s de cada equi pamento. No caso de equi pamentos j á exi stentes deve-se pri mei ro veri fi car se as atuai s estruturas ci vi s atendem às novas necessi dades do si stema e se sua localização é satisÍatória. No caso de equi pamentos que estão entrando no processo, o val or adotado, neste trabaf ho , para obras civis é de até 5o/" sobre o respectivo investimento. Faça uma análise e esti me este val or dentro das condi ções de seu estudo. A soma dos val ores determi nados nos equi pamentos que compõem o si stema de cogeraçã,o é que determi nará o i nvesti mento total em obras ci vi s no caso em questão. o Acessórios Os acessóri os bási cos necessári os à operação dos equi pamentos do si stema de cogeração, normal mente estão i ncl uídos em seus preços. Se for necessári o adqui ri r al gum i t em de cont rol e part i cul ar ao processo, est e val or deverá ser est i mado pel o usuári o e admi ti do como i nvesti mento em acessóri os. COGEBAçAO o Montagem A montagem do sistema de cogeração implica em um custo que, a nível deste projeto, será esti mado em ' l O% do val or do i nvesti mento de cada equi pamento. A soma dos val ores determi nados por este parâmetro é que será admi ti da como o i nvesti mento na montagem dos equi pamentos do si stema de cogeração. o Ligagões elétricas A i nterl i gação e a proteção do si stema de di stri bui ção i nterno da uni dade i ndustri al devem ser feitas com cuidado para que o processo seja suprido com energia elétrica adequada às suas necessidades. Quando não forem necessários investimentos em transformadores, pode-se adotar um percentual correspondente a 1O"/" do custo do conjunto turbina, redutor e al ternador como sendo o i nvesti mento em l i gações el étri cas. Se a uni dade de cogeração for operar em paral el o com o si stema el étri co Iocal ou exportar excedentes, deve-se contatar o Departamento Comercial da concessionária para que um detalhado estudo da rede seja realizado. Os custos, a operacionalização, a manutenção e outros detal hes i nerentes à operação deste i ntercâmbi o, serão determi nados neste momento. Após a determinação dos parâmetros anteriormente citados, deve-se realtzar a soma dos val ores e consi dera-l a como sendo o i nvesti mento total em l i gações el étri cas. 3.6.4.2 Custos operaci onai s Nesta parte da anál i se serão consi derados os gastos correspondentes ao combustível uti l i zado, manutenção e mão-de-obra do si stema de cogeração proposto. o Combustível No caso da uti l i zação de um si stema com turbi nas a vapor, a energi a térmi ca necessária à produção desse vetor energético com a entalpia característica do processo de cogeraçã,ovi rá, a pri ncípi o, de um aumento no consumo de combustível . Entretanto, deve-se levar em consideração, quando houver troca ou reforma da caldeira, a diferença dos rendimentos destes equipamentos que poderá corhpensar o novo conteúdo energético do vapor produzido. Se o vapor uti l i zado no si stema de cogeração Íor proveni ente de mai s de uma cal dei ra (ou uti l i ze mai s de um i nsumo), anal i se separadamente cada caso, veri fi cando i ncl usi ve a possi bi l i dade de uti l i zar combustívei s com mai or segurança no forneci mento, preços mai s estávei s e que sej am mai s efi ci entes. Se este item apresentar sinal negativo, significa que na realidade obteve-se uma receita proveni ente da mel hori a na efi ci ênci a do si stema de geração de vapor. No caso do sistema que utiliza turbina a gás aeroderivada, este item é de importância Íundamental , poi s a qual i dade do i nsumo i nfl ui rá de forma deci si va no seu desempenho e em sua durabi l i dade. Por outro l ado, as "Heavy Duty" apresentam mai or tol erânci a ao ti po de combustível uti I izado. Dependendo do ti po de combustível di sponível à uni dade, o equi pamento uti l i zado no si stema de combustão pode ser externo à máqui na o que permi te a quei ma de vári os ti pos de i nsumos, poi s a uti l i zação desse combustor não apresenta, a pri ori , l i mi tação de espaço para sua construção. No caso de motores alternativos, deve-se levar em consideração os aspectos técnicos inerentes ao sistema, pois os insumos básicos utilizados neste tipo de equipamento são líquidos ou gasosos. A utilização de combustíveis não tradicionais, para este tipo de equipamento, como óleos ultraviscosos e gases pobres, só deve ser Íeita após criteriosa análise do fabricante do equipamento. Os diÍerentes tipos de combustíveis existentes que podem ser utilizados em um sistema de cogeração, significam diferentes rendimentos, custos e eficiências energéticas que aÍetam de forma direta o desempenho do sistema. Portanto, é importante que durante a elaboração do projeto todas as variáveis sejam analisadas e indicadas posteriormente aos fabricantes de equi pamentos para que o rendi mento do si stema não fi que comprometi do. O investimento em combustível referente ao sistema de cogeraçâo deve caracterizar excl usi vamente a parcel a correspondente a i ntrodução da uni dade de geração devendo representar a sazonalidade da unidade, os novos custos inerentes ao sistema ou a mudança do i nsumo e, se houver, o seu acrésci mo. o Manutenção Os equipamentos do sistema de cogeração exigem uma manutenção simples, porém cuidadosa. Para esse estudo recomenda-se adotar o valor de 2"/" ao ano sobre o investimento do respectivo equipamento. Em equipamentos já existentes no processo produtivo, este valor será a diferença do custo de manutenção do atual, êffi relação ao instalado em virtude do sistema de cogeração. Em casos especiais, o número deverá ser determinado pelo usuário para que as particularidades do processo fiquem representadas. Em relação às turbinas apresentadas anteriormente, que podem compor o sistema de cogeração, as turbinas a gás aeroderivadas apresentam um considerável custo de manutenção em virtude dos materiais empregados em sua construção, da necessidade de equipamentos e mão de obra específicos e encontrados em poucos locais do País. Um detalhado estudo da configuração e localização do sistema, pode significar na hora da manutenção, substituição de equipamentos e mesmo de operação, signiÍicativos ganhos tanto no que se refere ao tempo, como aos custos. creentçÃo Como exempl o desse fato, ci ta-se al ocal i zação do ei xo de potênci a das turbi nas a gás que podem ser encont radas do l ado quent e ou do l ado f ri o e que em al guns casos são fundamentai s para o coti di ano do processo produti vo. Denomi na-se l ado fri o de uma turbi na a gás, o l ado do compressor e o l ado quente o da saída dos gases da combustão. A vantagem de se operar do lado frio do equipamento são as condições de acoplamento e alinhamento do conjunto, a não transmissão de altas temperaturas para a máquina acionada e ai nda a possi bi l i dade de i nspeção, manutenção e reparo i medi ato, evi tando-se gastar horas para o resfri amento das peças. A manutenção das l i nhas de di stri bul ção/transmi ssão, referentes excl usi vamente ao si stema de cogeração, determi nadas na anál i se el étri ca do proj eto devem ser consi deradas nesta parte do estudo. A soma dos val ores determi nados por esta anál i se é que será admi ti da como o custo anual de manutenção dos equi pamentos do si stema cogerador. o Mão-de-obra Para a operação do si stema de cogeração será necessári o no míni mo um operador por turno. l sto i mpl i cara em um custo adi ci onal anual com a contratação ou um custo fi xo com o t rei nament o de um f unci onári o da uni dade. Estime os custos das opções anteriores ou adote, como parâmetro, os seguintes valores: Gontratação da mão-de-obra Homem - hora = US$ 2 Treinamento de mão de obra Custo / Funci onári o = US$ 1.000 3.6.5 Recei ta proveni ente da cogeração A receita proveniente da introdução do sistema de cogeração, que amortizará o investi- mento em obras e equipamentos mais os custos de operação e manutenção, será determinada pel a quant i dade de energi a el ét ri ca que se dei xará de adqui ri r da concessi onári a ou da economia gerada pelo aproveitamento do calor residual no processo. As eventuais comercializações de excedentes devem também ser l evadas em consi deração. coeeaaçÃo 44 . Energi a el étri ca O preço Íi nal da energi a el étri ca forneci da pel a concessi onári a l ocal l eva em conta os segui ntes parâmetros: modal i dade tari tári a, subgrupo de tensão, demanda, consumo e os Íatores de carga e potência. Anal i se suas úl ti mas 12 contas de energi a el étri ca emi ti das pel a concessi onári a l ocal e determi ne o preço médi o em US$/MWh. A recei ta proveni ente deste i tem será função di reta da energi a cogerada e do custo que a el etri ci dade representava quando era adqui ri da. Com a finalidade de compatibilizar os novos contratos com a concessionária, faça uma anál i se detal hada das curvas de demanda e de produção de energi a el étri ca para que estes, i ncl usi ve os de DSR (Demanda Supl ementar de Reserva), sej am adequadas com a nova real i dade da uni dade. Não esqueça de levar em consideração, no caso da realização de um contrato de DSR, a contabilização da parte da demanda (paga mensalmente à concessionária) e da energia (caso haja Íornecimento). No caso de haver suprimento de eletricidade da unidade com sistema de cogeração ao sistema elétrico, considere mais esta fonte de receita em sua análise. o Cal or resi dual O calor residual proveniente do sistema de cogeração e aproveitado para o processo produti vo desl oca ou el i mi na, em mui tos casos, o consumo di reto ou i ndi reto de al gum i nsumo energéti co. Anal i se o seu caso baseado no mesmo pri ncípi o do i tem anteri or, ou sej a, do montante economizado no processo com a introdução da cogeração e o conseguinte aproveitamento do calor residual proveniente do mesmo. Para se obter o mel hor retorno fi nancei ro num processo de recuperação de cal or é essencial atingir a melhor relação entre a quantidade ou percentagem de calor recuperado e o capital investido, acrescido do custo operacional do equipamento para a recuperação do calor. 3. 7 CONCLUSÃO Veri fi ca-se, de um modo geral , que a conversão de cal or em trabal ho ai nda se faz de uma manei ra bastante i nefi ci ente. Real i zar essa conversão de uma forma mai s raci onal e econômica é o grande desaÍio da ciência e da engenharia nos atuais processos produtivos brasileiros, portanto, analise o retorno do investimento de todas as opções estudadas e escolha a que lhe traga os maiores benefícios. coeennçÃo 45 SECRETARIA DE ENERGIA Intemef: http://www.energio.sp.govbr e-moil: [email protected] GOVERNO DO ESÏADO DE SÁO PAUTO Apoi o: Fã H Ff f i *€f f i FãFì - i msftt|Jïo BRAstHtno D0 (oBRl