Relatório Técnico - Microturbina a gás PDF

Preview

Summary

Esse documento tem a finalidade de elaborar um projeto preliminar de uma microturbina a gás com potência elétrica de 65 kWe, utilizando gás natural, nas condições ISO....

Description

Relatório Técnico NBR ISO 15/06/2018

Contratante:

UAITurbine Eng. Lourival Jorge Mendes Neto Campus Prof. José Rodrigues Seabra – Bloco IEM

Projeto Microturbina a Gás

Av. BPS, 1303, Bairro Pinheirinho, Itajubá – MG [email protected]

____________________________________________________________ Eng. Responsável: Pedro Henrique Prado da Cruz Maduro Equipe Técnica: Eng. Ádria Camila Fernandes, de Carvalho Eng. Guilherme Ribeiro Nunes da Costa Eng. Leonardo Perli Ribeiro e Silva

Eng. Natanael Job de Salles Eng. Raphael Alvarez Barsotti

Projeto Microturbina a Gás

Projeto Microturbina a Gás

Sumário 1 – OBJETIVO...................................................................................................................4 2 – PARÂMETROS DE PROJETO...................................................................................5 2.1

Cálculos do Ciclo Termodinâmico......................................................................6

3 – COMBUSTÃO DO GÁS NATURAL.........................................................................10 4 – CÁLCULOS DO COMPRESSOR.............................................................................15 4.1 Parâmetros utilizados nos cálculos do compressor...............................................15 4.2

Geometria do compressor................................................................................15

4.2.1

Cálculo dos parâmetros na entrada do rotor: Ca1 e de

αet : 4.2.2 4.3

αer

e

16 Cálculo dos parâmetros na saída do rotor:................................................17

Verificação do número de Mach.......................................................................19

4.3.1

Na entrada do rotor....................................................................................19

4.3.2

Mach na saída do rotor..............................................................................20

4.3.3

Mach com relação à componente radial....................................................20

4.4

Dimensionamento do difusor............................................................................20

4.5

Verificação do número de Mach.......................................................................25

4.5.1

No bordo de ataque do difusor..................................................................25

4.5.2

Cálculos para a saída do difusor...............................................................25

5 – TURBINA...................................................................................................................28 6 – REFERÊNCIAS.........................................................................................................29

1 – Objetivo

Projeto Microturbina a Gás

Esse documento tem a finalidade de elaborar um projeto preliminar de uma microturbina a gás com potência elétrica de 65 kWe, utilizando gás natural, nas condições ISO, solicitadas pelo cliente UAITurbine.

Figura 1 – Logo da UAI Turbine.

Projeto Microturbina a Gás

2 – Parâmetros de Projeto Com as condições e parâmetros exigidos pelo cliente, que estão detalhados nas Tabelas 1 e 2, deu-se início ao projeto preliminar da microturbina a gás. Para a realização de todos os cálculos do projeto foram utilizados esses parâmetros e adotados outros que serão explicitados mais adiante. Tabela 1 – Composição em volume do Gás Natural. CH4

90%

C2H6

7%

C3H8

3%

Tabela 2 – Condições ISO. Pressão Absoluta

1 bar

Temperatura

15°C

Umidade Relativa

60%

Projeto Microturbina a Gás

2.1

Cálculos do Ciclo Termodinâmico

O ciclo utilizado no projeto será um ciclo regenerativo representado pela Figura 1, a numeração dos fluxos utilizadas nos cálculos também seguirão as da figura.

Figura 1 – Esquema do Ciclo Regenerativo. A adição do regenerador ao projeto, mesmo que isso aumente os custos da turbina, foi feito pois aumentará a eficiência do ciclo, já que o calor residual no ponto 4 aquecerá o fluxo 5, necessitando assim de menos combustível para a produção dos 65 kWe exigidos pelo cliente, ocasionando uma economia financeira ao longo do tempo.

Projeto Microturbina a Gás

Antes de se iniciar os cálculos foi necessário escolher o material da turbina, o material escolhido foi o Inconel 600, que é a uma liga de níquelcromo, que suporta grandes esforços mecânicos, resistente à corrosão e suporta temperaturas de até 1200 ºC (REALUM, 2019). Para a temperatura na entrada da turbina de expansão foi considerada uma margem de segurança, com o intuito de proteger a turbina de uma possível fadiga térmica, então para os cálculos do projeto foi adotado uma temperatura de 950 ºC. Com a temperatura de entrada do expansor definida, é possível calcular a razão de pressão ótima, representada pela Equação 2. √ t =r

k−1 ótimo k

(1)

k 2∗( k−1 )



(2) r ótimo =t t é a relação entre a temperatura de entrada no expansor (T 03) e a temperatura de entrada no compressor (T01) e é igual a 4,24;



Considerando a modelagem do ar como gás ideal, o coeficiente de expansão adiabática k é considerada 1,4;



O

r ótimo

se dá quando a

temperatura de saída de ar do

compressor é igual à temperatura de saída da turbina, ou seja, T 2 =T 4 .

Assim: r ótimo =12,55 Mesmo tendo em mente que o

r ótimo

tem este valor, o ideal ao projeto

será muito abaixo, com a intenção de economizar energia no ciclo. Com uma razão de pressão mais alta, o ar comprimido sairá a uma temperatura mais elevada, o que vai a favor da economia de combustível na câmara de combustão, porém essa economia é proveniente do aumento de temperatura de saída do ar e não do aumento da pressão, isso permite trabalhar numa menor razão de pressão utilizando-se de um regenerador colocado logo à frente do compressor. Este regenerador trocará calor com a linha de gás da

Projeto Microturbina a Gás

saída da turbina de expansão, aumentando a temperatura do ar na entrada da câmara de combustão, assemelhando-se ao que uma alta razão de pressão faria, mas com um compressor mais compacto e consumindo menos trabalho. Uma análise de sensibilidade foi feita variando a razão de pressão possibilitando escolher a razão utilizada no ciclo regenerativo. A partir desta variação, foram obtidos parâmetros de temperatura dos pontos referentes à saída do compressor, entrada da câmara de combustão e saída da turbina, juntamente com balanços de energia foi escolhida a nova razão, como pode ser visto na Tabela 3.

Tabela 3 – Análise de sensibilidade da razão de pressão Razão de Pressão Eficiência Energia recuperada em kJ/kg gás Trabalho Específico Líquido kJ/kg 12,553 51,46% 0,000 325,570 12 52,08% 6,964 325,470 11 53,26% 20,656 324,719 10 54,52% 36,049 323,049 9 55,87% 53,561 320,172 8 57,33% 73,773 315,668 7 58,92% 97,524 308,915 6 60,69% 126,094 298,927 5 62,69% 161,550 284,057 4 64,99% 207,535 261,292 3 67,76% 271,315 224,381 2 71,28% 370,593 157,431

O valor escolhido para a razão de pressão foi 4, na tentativa de trabalhar com parâmetros adequados ao funcionamento da microturbina na menor razão de pressão possível, fazendo com que o equipamento final tenha um menor tamanho e robustez, trazendo economia em relação ao material e construção. Também foi utilizado como critério, o uso de uma razão de pressão que trouxesse maior ganho de trabalho líquido do que calor recuperado. Para validar os resultados, foram utilizados 2 gráficos, mostrados na Figura 2 a seguir:

Projeto Microturbina a Gás

Figura 2 – Trabalho específico líquido e eficiência térmica pela razão de pressão Com o primeiro gráfico da Figura 2, pode-se observar que o trabalho específico líquido produzido por essa razão de pressão se encontra em um ponto da curva relativamente próximo ao máximo, além de evidenciar o motivo pelo qual uma razão de pressão menor não foi utilizada (ficaria em um ponto muito abaixo do máximo devido à inclinação da curva a esquerda do ponto escolhido) e com o segundo, percebe-se que a eficiência térmica aumenta muito ao se usar um regenerador, passando de um valor próximo a 35% a um valor de quase 65%.

Projeto Microturbina a Gás

3 – Combustão do Gás Natural Para calcular o PCI, será considerada a combustão completa de 1 mol de gás natural cuja composição em base volumétrica é de 90% de CH 4 de C2 H 6 e 3% de

C3 H 8 .

0,9 CH 4 + 0,07 C 2 H 6 + 0,03 C3 H 8 

b CO 2 +

,7%

c H 2O

+

a O 2 + 3,76aN2

(3)

+ 3,76 a N 2

Para temperatura dos gases de exaustão de 298K e pressão de 1 atm a solução do sistema resulta em:

O 2=a=2,19 mol

CO2 =b=1,13 mol H 2 O =c=2,13 mol

N 2=3,76 a=8,23 mol Portanto, o PCI será:

PCI=

∑ n hreagente (298 )−∑ n h produto (298 )[

PCI=36.116

kJ 3 m

PCI=49.455

kJ kg

v

J ] 3 m

Para calcular a razão combustível/ar teórica

(4)

considerou-se a

ft

combustão completa de 1 mol do gás natural conforme a seguir:

0,9

CH 4

3,76 g

+

0,07 C 2 H 6

N 2  b CO 2 +

+

0,03

c H 2O

+

C3 H 8

+

g O2

3,76 g N 2+β O2

+ (5)

Projeto Microturbina a Gás

Para resolver o sistema e determinar o número de mol de ar necessário e de cada produto da combustão, foi feito o balanço de massa para o carbono, para o hidrogênio e para o oxigênio. Além disso, foi considerada a equação da energia para a temperatura dos gases de combustão igual a temperatura da entrada da turbina (1223K). O resultado obtido foi: Tabela 4 – Composição dos gases de exaustão. Produtos CO2 H 2O N2 O 2 (Reagente) O 2 (Produto)

Número de mol 1,13 2,13 54,22 14,42 12,23

Porcentagem (%) 1,62 3,05 77,78 17,55

Portanto, para manter a temperatura gos gases de exaustão em 1223 K, o excesso de ar necessário é de cerca de 558%. Assim, o valor de f t

f t=

é:

1 =0,0146 ( 14,42 + 54,22 )

(6)

Para obter a razão combustível/ar real

fr

foi considerada a equação

de combustão incompleta a seguir para 1 mol de combustível e cerca de 12 mol de oxigênio, conforme encontrado na combustão completa para manter aproximadamente o mesmo excesso de ar.

0,9

CH 4

+ 0,07 C2 H 6

3,76 g

N 2  b CO

3,76 g

N 2 +12O 2

+

+

g

O2

+

c CO 2 +d H 2 O+e CH 4

+

f H2

+

+ 0,03

C3 H 8

(7)

Tem-se 6 variáveis e 3 equações do balanço de massa de cada elemento. Portanto, para resolver o sistema foram utilizadas 2 equações de equilíbrio e a equação de energia, para a temperatura de exaustão de 1233K e pressão de 380982 Pa.

Projeto Microturbina a Gás

As equações de equilíbrio escolhidas são linearmente independentes (Rank = 3): CO + H 2 0=CO2 + H 2

(8)

H 2+ 0.5 O 2= H 2 0

(9)

Equação deequilibrio I

Equação deequilibrio I I O=∑ n h produto (1223)−∑ n hreagente ( Ti )

(10)

Equação deequilibrio II I Os resultados obtidos da solução do sistema, em porcentagem, são apresentados na Tabela 5: Tabela 5 – Produtos da reação de combustão Produtos CO CO2 H 2O CH 4 H2 N2 O 2 (Reagente) O 2 (Produto) Portanto, o valor de

Número de mol 0,0032 1,1106 2,0934 0,0162 0,0041 53,2371 14,1588 12

Porcentagem (%) 4,67e-3 1,62 3,06 0,02 5,99e-3 77,76 17,53

f r é:

f r=

1 (14,1588+53,2371)

(11)

f r=0,0148 Assim, a eficiência da combustão:

η=

f t 0,0146 = f r 0,0148

(12)

Projeto Microturbina a Gás

η=98,65 % Para determinar a massa de ar e a massa de combustível do ciclo, considera-se a potência elétrica WL de 65kW. Portanto, tem-se: WL=[ ( C par∗mar ) +( C p gas∗m gas ) ] η ∆ T turbina −( C p ar∗m ar ) ∆T (13) Colocando a equação em função da razão combustível ar, temos:

WL=( C p ar +C p gas) η m Ar ∆ T turbina −( C p ar∗m ar ) ∆T compressor

WL=65000 W , C par =

Para

1005 J kg K

,

cp gas=

1148 J kg K

(14)

e

η=0,98

obtém-se que: m Ar=0,4236 kg / s

m gas=f r∗m Ar

(15)

m gas=0,0063 kg / s

Assim, o trabalho líquido específico em relação à massa e ar

Wliq é

de:

Wliq=

65 kW =153,45 kW /kg 0,4236 kg/ s

(16)

A eficiência térmica do ciclo:

sfc=

3600 f r 3600∗0,0148 =0,3472 kg /kWh = 153,45 Wliq

(17)

3600 3600 =21,97 % = sfc∗PCI 0,3472∗49.455

(18)

ηT =

Projeto Microturbina a Gás

O Heat Rate (HR) do ciclo, que representa o calor necessário para produzir uma unidade de energia é:

HR = sfc∗PCI =0,3472∗49.455

HR=17.170,78

(19)

kJ KWh

Tabela 6 – Comparação com a turbina Capstone 65Kw. Parâmetro Potência Elétrica Eficiência Heat Rate

Mercado 65kW 29% 12,4 MJ/kWh

Projeto 65kW 22% 17,2 MJ/kWh

Projeto Microturbina a Gás

4 – CÁLCULOS DO COMPRESSOR 4.1 Parâmetros utilizados nos cálculos do compressor R [J/kgK]

287

Cpar [kJ/kgK]

1,005

k

1,4

T01 [K]

288,15

P01 [bar]

1

P 03

4

P 01

4.2

ηc

87,91%

m ´ ar

0,4236

Ψ

1,04

Npás

19

Dr [m]

0,13

Deye tip = 0,6*Dr [m]

0,078

Deye root = 0,5*Dt [m]

0,039

Geometria do compressor

Usando a correlação de Stanitz para pás radiais retas:

σ =1−

Logo σ =0,8958 Cálculo U2:

0,63∗π N pás

(20)

Projeto Microturbina a Gás

(

P 03 η ∗Ψ ∗σ∗U 22 = 1+ c Cpar∗T 01 P 01

)

k k−1

(21)

Isolando U2 na equação (21), chega-se a U2 = 414,5 m/s Cálculo rotação N:

U 2=π∗D r∗N

(22)

Isolando N em (22), chega a 1015 rps ou 60900 rpm. O trabalho do compressor é:

2 W c =m´ ar∗σ∗Ψ ∗U 2 kW

Portanto,

(23)

W c =67,82 kW

4.2.1 Cálculo dos parâmetros na entrada do rotor: Ca1 e de α er

e

α et : Admitindo escoamento totalmente axial na entrada do rotor, Ca1 é obtida pelo processo iterativo: C a1 =

[ ]

m ´ ar m ⍴1∗A 1 s

(24)

P01 R∗T 01

(25)

Onde ⍴1=

E A 1=

2 2 π∗(Det −D er ) 4

(26)

Projeto Microturbina a Gás

Logo, a partir do resultado do processo iterativo:

⍴1=1,16 kg /m ³

C a1 =102,3 m/ s

Assim, o ângulo na raiz do rotor:

α er =artg

(

Ca1 π∗Der∗N

)

(27)

(

Ca1 π∗D et∗N

)

(28)

O ângulo na ponta do rotor: α et =artg

Logo: α er =39,4 ° e

α et =22,4 °

As propriedades estáticas na entrada do rotor são:

T 1 =T 01−

P1 =

Assim,

T 1 =282,9 K

Ca 12 (K ) 2∗Cp ar

¯¿ P 01

( ) T1 T 01

k k −1

¿

(29)

(30)

e P1=0,938 ¯¿

4.2.2 Cálculo dos parâmetros na saída do rotor: Adotando Cr2 = Ca1 e que 50% das perdas ocorrem no rotor:

Cr 2=C a 1=102,3 m/ s

(31)

e

Projeto Microturbina a Gás

C w2 =σ∗U 2 m / s

(32)

Perdasno rotor=ηc∗ (1−0,5 )=0,06

(33)

C w2 =371, 3 m /s

A eficiência do rotor ηr

é:

ηr =1−Perdas no rotor=1 −0,06= 0,94

A partir da

(34)

ηr e da equação (21), pode-se calcular a razão de pressão

do rotor:

(

)

2 k−1 k

η r∗Ψ ∗σ∗U 2 P 02 = 1+ P 01 Cpar∗T 01

=4,32

Logo P02=4,32 ¯¿ Como todo o trabalho é consumido no rotor, então T03 = T02. Assim, T03 é dado por:

W c=m ´ ar∗Cpar∗( T 03− T 01)

(35)

Assim, isolando T03, chega-se a T03 = 447,4 K. Portanto, é possível achar as propriedades estáticas na saída do rotor:

T 2 =T 02 −

Logo, T2 = 373,6 K

(Cr 22 +C w 2 2 ) 2∗Cpar

(36)

Projeto Microturbina a Gás

( )

P2= P02∗

T2 T 02

k k−1

(37)

Assim, P2=2,30 ¯¿ Finalmente, calcula-se a massa específica na saída do rotor:

⍴2=

P2 =2,14 kg /m ³ R∗T 2

(38)

A área na ponta do rotor é dada por:

A 2=

Cr2 ⍴2∗m´ ar

(39)

Logo, A 2=0,00193 m ² A altura axial do rotor é obtida por meio de: hc =

A2 π∗D r

(40)

Assim, hc =0,00473 m A relação

hc / D r

resulta em 0,036, que está dentro da faixa

recomendada.

4.3

Verificação do número de Mach 4.3.1 Na entrada do rotor U 1 tip=π∗D et∗N

U 1 tip=248,7 m /s

(41)

Projeto Microturbina a Gás

V 1=√ U 1 tip2 +C a 12

(42)

V 1=268,9 m/s A velocidade do som no local é:

a= √ k∗R∗T 1

(43)

a=337,2m / s

Logo Mach:

Ma=

268,9 =0,80 337,2

(44)

O valor é igual a 0,8, que é recomendado.

4.3.2 Mach na saída do rotor a=387,5 m/s 2 2 C2 =√ C r 2 +C w2

C 2 =385,2m / s

Ma=

385,2 =0,994 387,5

4.3.3 Mach com relação à componente radial Ma '=

102,3 =0,29 387,5

(45)

Projeto Microturbina a Gás

4.4

Dimensionamento do difusor

Parâmetros adotados para o difusor: A geometria do canal divergente será do tipo bidimensional, conforme ilustra a Figura 3:

Figura 3 – Geometria do canal divergente.

Dessa forma, adotou-se uma relação N/W 1 igual a 8 e 12 pás para o difusor. A distância radial do espaço sem pás ( D sem pá ) é cerca de 10% a 20% do diâmetro do rotor (Notas de aul...