Turbinas a gás

Definição e Funcionamento da Turbina a Gás

As turbinas a gás são equipamentos considerados máquinas térmicas, que transformam a energia potencial termodinâmica presente nos gases da combustão, que ocorre no interior da mesma, em energia mecânica, energia esta que pode ser reaproveitada em qualquer outro processo. O termo gás diz respeito ao fluido de trabalho da turbina, que vai ser a mistura de gases resultantes da combustão.

Este equipamento é constituído por três partes: um compressor, uma câmara de combustão e uma turbina. Estas partes vão funcionar em ciclo aberto, pois o fluido de trabalho, o ar, é recebida à pressão atmosférica e os gases de escape, após passarem pela turbina, são libertados de novo na atmosfera, sem que retornem ao equipamento.

Figura 1 - Representação esquemática de uma turbina a gás. ^[1]

O compressor vai comprimir o ar atmosférico até à camara de combustão, utilizando para isso parte do trabalho mecânico realizado pela turbina. Nesta fase há o aumento da pressão e temperatura do fluido.

O combustível que vai ser queimado na câmara de combustão vai aumentar a temperatura dos gases, e estes quando aquecidos entram na turbina e expandem-se, realizando assim trabalho mecânico, que vai acionar o compressor. O combustível pode ser gasoso, como gás natural, gás liquefeito de petróleo (GPL), gás de síntese, ou então líquido, como querosene, óleo diesel ou até outros óleos mais pesados.

Como já foi referido, os gases de saída são libertados na atmosfera, arrefecendo até à temperatura ambiente.

Funcionamento de uma turbina de gás

Ciclo simples e ciclo combinado

Ciclo simples - o objetivo da instalação do equipamento gerador é a recuperação térmica.

Ciclo combinado - combinação de um sistema com turbinas a gás e um sistema com turbinas a vapor, onde os gases provenientes da turbina a gás, que advém da queima, podem ser utilizados numa queima suplementar através de uma caldeira de recuperação, pois ainda têm energia. Este ciclo tem vantagens a nível do aumento da eficiência, flexibilidade da produção de energia elétrica e ainda a redução de custos de funcionamento. O ciclo combinado não se trata de um processo de cogeração.

Classificação/Aplicações industriais da Turbina a Gás

As turbinas a gás são classificadas de acordo com a sua aplicação (aeroderivativas ou industrais), o projeto da câmara de combustão (tipo silo, anelar ou tubo anelar) e o respetivo número de eixos (eixo único ou multi-eixo).

As turbinas aeroderivativas, que são concebidas para fins aeronáuticos, produzem energia elétrica. Estas apresentam alta fiabilidade e alta potência, bem como uma maior versatilidade de operação, e o seu arranque não é um passo critico, comparando com outras turbinas a gás. Já as turbinas a gás industriais, concebidas, também, para a produção de eletricidade, são de elevada dimensão e com grande peso, requerendo a sua manutenção no local e de forma menos frequente.

Nas turbinas a gás em que a câmara de combustão é do tipo silo, estas apresentam a câmara na parte superior da turbina. Quando a câmara de combustão é anelar, esta é orientada axialmente em um cilindro montado em torno do eixo, com apenas um tubo de chama única, e normalmente empregues em turbinas aeroderivativas. No caso da câmara de combustão de tubo anelar, o design consiste numa série de tubos ao redor do eixo, distribuídos uniformemente, apresentando uma resistência estrutural melhor do que a do tipo anelar, mas com menores rendimentos.

Quando se fala do tipo de eixo, quando o eixo é único, o compressor, a turbina e o gerador de expansão giram em solidariedade com um único eixo de rotação, normalmente empregue em grandes turbinas de produção de energia elétrica. Por outro lado, quando temos o tipo de multi-eixo, a turbina divide-se em duas secções, a primeira turbina ou de alta pressão, está ligada ao compressor axial que lhe fornece a energia necessária para o seu funcionamento. A segunda secção partilha o eixo com o gerador, aproveitando a energia transmitida na produção de electricidade. Esta tecnologia é utilizada em turbinas aeroderivativas e de pequena potência, e oferece um melhor desempenho contra as variações de carga.

Para além das aplicações referidas, aeronáutica e industrial, estas podem também ser empregues em autocarros, helicópteros, comboios, tanques de guerra, bombas e compressores (externos ao ciclo da turbina).

Figura 2 - Exemplos de turbinas: turbina aeroderivativa e turbina high-industry, respectivamente. ^[8]

Ciclo termodinâmico de uma turbina a Gás

Considerando a turbina a gás uma maquina térmica ideal, o ciclo termodinâmico que ocorre é denominado de ciclo de Brayton, onde é necessário ter em conta algumas considerações:

•   O fluido de trabalho é um gás perfeito e que apresenta um calor específico e composição contantes;

•   Os processos de compressão e expansão são reversíveis, isotrópicos e adiabáticos;

•   As parcelas de energia cinética são desprezíveis;

•   Não existem perdas de pressão;

•   O fluxo de massa é constante em todo o ciclo;

•   O processo de combustão é representado por um processo de transferência de calor a partir de uma fonte quente;

•   O ciclo é completado pela transferência de calor para o meio ambiente;

•   Todos os processos são reversíveis.

Figura 3 - Diagramas que representam o ciclo de Brayton, sendo: (a) temperatura em função da entripia, (b) pressão em função do volume. ^[1]

Estes diagramas descrevem os quatro estágios presentes no ciclo, começando com uma compressão isotrópica e adiabática, com um aumento de temperatura, e, consequentemente, um aumento de entalpia (1-2), seguida de uma adição de calor, a uma pressão constante (2-3), depois uma expansão, sem variação de entropia, onde vai ser gerada potência mecânica, através do trabalho exercido sobre as palhetas, reduzindo a pressão e a temperatura(3-4) e, por fim, uma retirada de calor, sendo que esta etapa não ocorre fisicamente, é representada pela transferência de calor do fluido para o ambiente (4-1).

A potência que vai ser extraída através do eixo da turbina vai ser usada para acionar o compressor, bem como para outros equipamentos.

Projeto da Turbina a Gás

O projeto de uma turbina a Gás apresenta dois parâmetros, a taxa de compressão, r_c, e o coeficiente de temperatura, t. Dados por: ${\begin{aligned}r_{c}={P_{2} \over P_{1}}\\t={T_{s} \over T_{1}}\end{aligned}}$

Onde temos que a taxa de compressão é a relação entre a pressão de saída e a de entrada do compressor, e o coeficiente de temperatura é a relação entre a temperatura na saída da camara de combustão e a do ar de entrada no compressor, em Kelvin.

O rendimento térmico (equação 4) e o trabalho específico (equação 3) do ciclo de Brayton são dados pelas equações abaixo: Falhou a verificação gramatical (MathML, com SVG ou PNG em alternativa (recomendado para navegadores modernos e ferramentas de acessibilidade): Resposta inválida ("Math extension cannot connect to Restbase.") do servidor "https://wikimedia.org/api/rest_v1/":): {\displaystyle \begin{align} w_{t}= (t-r_{c}^{(k-1)\over k})*η_{t}\\ η_{t}= 1-{1\over r_{c}^{(k-1)\over k}}\\ k={c_{po}\over c_{vo}} \end{align}} Onde,  é o calor especifico a pressão constante e  é o calor específico a volume constante. Para o desenvolvimento das expressões foi tido em conta que o calor específico é constante e considerando um gás ideal.Onde,  é o calor especifico a pressão constante e  é o calor específico a volume constante. Para o desenvolvimento das expressões foi tido em conta que o calor específico é constante e considerando um gás ideal.

Medidas de segurança e controlo do equipamento

São vários os sistemas que estão conectados à turbina para que seja possível o seu funcionamento e ainda, que este seja feito de forma segura e controlada:

•   sistema hidráulico de partida

•   sistema de gás combustível

•   sistema de injeção de água

•   sistema de fogo e gás

•   sistema de combate de incêndios

•   sistema de lavagem do compressor

•   sistema de vibração

•   sistema de controle

Vantagens

Em termos de vantagens, as turbinas a gás apresentam um fluxo contínuo, a ausência de movimento alternativo (máquina rotativa e menos problemas de balanceamento), a confiabilidade elevada, o facto de ser compacta e leve para a elevada potência que produz, bem como o facto de se poder usar diversos tipos de combustível.

Apresentam manutenção simples, com pouco tempo de paragem, são equipamentos de baixa poluição ambiental e com um arranque rápido de funcionamento.

Desvantagens

Como desvantagens, as turbinas a gás exibem a tendência de temperaturas elevadas, devido ao fluxo contínuo, sendo necessário o resfriamento, e ainda apresenta transientes muito lentos, com elevada inércia.

Ainda acarreta vários problemas mecânicos, apresentando por isso, um tempo de vida útil curto.

Custos

Ficam aqui alguns links como exemplo dos preços de turbinas a gás.

Preços em dólares por kW.

Preços em doláres por output.

Eficiência

A título de exemplo, apresentamos o catálogo da GE uma vez que a eficiência dependerá do tipo de equipamento e ciclo usado.

Este catálogo também inclui emissões e condições de operação.

Catálogo GE.

Características e condições de operação

Figura 4 - Representação da temperatura, pressão e velocidade axial ao longo do equipamento.^[3]

Condições ISO:

•   Temperatura – 15ºC

•   Pressão – 1 atm

•   Humidade do ar – 60%

Referências

[1] - Turbinas a Gás.

[2] - Tipos de turbinas a Gás.

[3] - Introdução de Turbinas a Gás.

[4] - Turbinas a Gás - Wikipédia.

[5] - Máquinas Térmicas.

[6] - Escalonamento de máquinas de cogeração utilizando programação inteira mista.

[7] - Operação de uma Turbina a Gás.

[8] - Modelos de Turbinas a Gás.

[9] - Preços consoante o modelo da Turbina em doláres por kW.

[10] - Preços consoante o modelo em dólares por output.

[11] - Vídeo de funcionamento da turbina a Gás.

Realizado por: Laura Nascimento e Mariana Simões, no âmbito da disciplina de Integração e Intensificação de Processos, pertencente ao Mestrado Integrado em Engenharia Química (Departamento de Engenharia Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade de Coimbra, 2016/2017).