Exercícios Usinas Termelétricas

Exercícios

Os exercícios sobre usinas termelétricas abrangem combustíveis, máquinas térmicas e seus ciclos termodinâmicos.

Índice

Combustíveis 

  1. Considerando o preço do carvão igual a 100 US$/ton, as usinas com igual eficiência e o poder calorífico dos combustíveis da Tabela, determine o preço dos combustíveis Lenha, Bagaço de Cana e Coque de Petróleo para que o custo variável de combustível [US$/MWh] seja igual para todos os combustíveis.
  2. Determinada distribuidora de gás natural fornece seu produto para geração térmica com Poder Calorífico Superior (PCS) de 10,932 kWh/m3 @20°C e 0,1 MPa. Considerando o gás natural composto apenas por Metano, estime o Poder Calorífico Inferior (PCI) nas mesmas condições ambientais. Considere a entalpia de vaporização da água constante e igual a 39,5 kJ/mol. Compare o resultado obtido e o valor do PCI da Tabela e explique as eventuais diferenças.

Poder Calorífico Combustíveis

wdt_ID Combustível PCS [MJ/kg] PCI [MJ/kg] Densidade unidade
1 Gás Natural 52,0 47,0 777,0 g/m3
2 Diesel 45,8 42,7 0,9 g/l
3 Óleo combustível 42,2 39,5 1,0 g/l
4 Carvão 24,0 22,7
5 Lenha 20,6 19,6
6 Bagaço de cana 16,4 15,0
7 Coque Petróleo 31,3 29,5

Máquinas Térmicas

  1. Os fabricantes de turbinas a gás e motores de combustão interna definem o rendimento de suas máquinas como sendo a relação entre o calor de entrada, fornecido pelo combustível, e a potência de saída. Esta relação, chamada de Heat Rate, tem como unidade kJ/kWh. Como converter, se possível, esta relação para %?
  2. Uma turbina a gás possui um Heat Rate de 9.464 kJ/kWh e taxa de compressão de 16,2. Calcule seu rendimento teórico e compare com o Heat Rate. Considere Cp/Cv igual a 1,4 e Cp igual a 1,006 kJ/(kg.K).

Ciclos Termodinâmicos

Ciclo Combinado

  1. Analise o sistema de geração da Figura 1 e determine os estados termodinâmicos dos pontos 1 a 7 considerando:
      • os trocadores de calor sem perdas;
      • a temperatura da água na entrada do trocador de calor #2 igual a 10°C;
      • a temperatura da água na saída do trocador de calor #2 igual a 45°C;
      • o ar nas condições nominais da turbina;
      • a temperatura dos gases liberados para a atmosfera de 250 °C;
      • o calor específico da água líquida igual a 4,1813 kJ/(kg.K))

Dados Turbina a Gás

wdt_ID Heat Rate [kJ/kWh] Potência Mecânica [MW] Relação de Pressão Fluxo de Exaustão [kg/s] Temperatura de exaustão [ºC]
1 9.464,0 184,9 16,2 450,0 604,0

Dados Turbina a Vapor

wdt_ID Temperatura Entrada [ºC] Potência Mecânica [MW] Pressão Entrada [MPa] Pressão saída [MPa]
1 540,0 65,0 12,5 0,0

Ciclo Combinado
Figura 1. Ciclo Combinado

2. Calcule a potência elétrica líquida gerada, o consumo de gás natural e o rendimento da usina termelétrica do problema anterior operando a plena carga?

3. Calcule o fluxo de água de resfriamento necessário para a usina termelétrica operar a plena carga?