Os componentes principais que formam um ciclo combinado são a turbina a gás, a turbina a vapor e a caldeira de recuperação (HRSG).
A Figura 2.6 mostra uma central de ciclo combinado típico com um nível de pressão na caldeira de recuperação. Em uma usina de ciclo combinado, uma pressão de vapor elevada não significa necessariamente uma maior eficiência térmica da planta. Expandindo o vapor a partir da pressão mais elevada pode provocar um aumento do teor de umidade na saída da turbina a vapor. O aumento do teor de umidade cria uma maior erosão e problemas de corrosão nas fases finais da turbina. O limite é de 10% de umidade (titulo do vapor 90%). (BOYCE, 2002).
Existem varias configurações de ciclos combinados para a geração de vapor. Eles podem variar desde um nível de pressão até três níveis de pressão.
De acordo com Boyce (2002), num ciclo combinado, a turbina a gás produz cerca de 60% da potência e a turbina a vapor cerca de 40%. As eficiências térmicas individuais dos ciclos a gás e a vapor estão na faixa de 30-40%. O ciclo a vapor utiliza a energia recuperada do gás de exaustão da turbina a gás. Para as condições fora do ponto de projeto, as palhetas guia de entrada (Inlet Guide Vanes, IGV) são usadas para regular o ar e manter uma alta temperatura na caldeira de recuperação. Existem dois métodos diferentes que se aplicam quando uma turbina a gás num ciclo combinado trabalha em carga parcial. O primeiro é chamado de controle de combustível. Neste método, o fluxo de combustível é reduzido abaixo do valor de carga nominal (tal como determinado pelo sistema de controle) até que a carga desejada é atingida. O segundo método é denominado de controle de palhetas guia. Neste método, o fluxo de ar na turbina a gás é reduzido fechando o primeiro conjunto de pás (IGV) na entrada do compressor. Girando o sistema de IGV permite reduzir a potência da turbina a gás mantendo uma temperatura de queima elevada na câmara de combustão. O controle de palhetas guia também mantém uma temperatura de exaustão elevada, o que é necessário para a operação da caldeira de recuperação (HRSG). Devido a isso, o controle de palhetas guia é o método preferido nas Centrais de Ciclo Combinado (GAY et al., 2004).
Uma sequência genérica para uma turbina a gás, quando ela se move a partir da sua carga nominal até uma condição de carga parcial usando o método de controle de palhetas guia é mostrada na Figura 2.7. A partir da condição de carga nominal (ponto A na Figura 2.7), a turbina irá diminuir ligeiramente a sua temperatura de queima. Essa queda de temperatura inicial é implementada para a proteção da turbina, e não com finalidades de eficiência. A queda inicial da temperatura de queima provoca uma queda de alguns graus (aproximadamente 2°C a 8°C) na temperatura de exaustão (B na figura 2.7).
Figura 2.7. . Desempenho típico com carga parcial de uma Turbina a Gás usando o método de controle de palhetas guia (Adaptado de Gay et al., 2004).
Quando novas reduções na carga são necessarias, a turbina começa a fechar suas palhetas guia de entrada, então, o fluxo de ar diminui e, por conseguinte a relação de pressão tambem diminui. Como o algoritmo de controle tenta manter uma temperatura de queima constante, quando a relação de pressão decresce, a temperatura de exaustão aumenta.
No ponto C, a temperatura de exaustão atingiu o seu valor máximo permitido. Novas reduções na potência requer redução simultânea na temperatura de queima e no fluxo de ar (através de virar as palhetas) para que a temperatura de escape não exceda seu limite. No ponto D, as palhetas terem atingido a posição "totalmente fechado". Isso ocorre em algum lugar entre 60-70% da carga nominal. A redução de potência abaixo deste ponto só pode ser conseguido através da redução da temperatura de queima. Alguns tipos de turbinas podem não atingir o limite máximo da temperatura de exaustão, particularmente a temperaturas ambientes mais frias. Neste situação o controle de palhetas guia podem ser usados até que as palhetas estão completamente fechadas (GAY et al., 2004).
A caldeira de recuperação (HRSG) é onde a energia dos gases de exaustão da turbina a gás é transferida para a água para a produção de vapor. Há muitas configurações diferentes das unidades HRSG. A maioria das unidades HRSG são divididas no mesmos níveis de pressão que a turbina a vapor. Na maioria dos casos, cada secção da caldeira de recuperação
tem pelo menos um pré-aquecedor ou economizador, um evaporador, e depois uma ou duas etapas de superaquecimento. A Figura 2.8 é um diagrama de uma caldeira de recuperação com três níveis de pressão. As caldeiras de recuperação, e especialmente aquelas com três níveis de pressão, são operadas a temperaturas elevadas procurando maximizar a sua eficiência. Enquanto isso, a fim de extrair o máximo de calor disponível, os gases de exaustão saem da HRSG à menor temperatura possível. Isto significa que, na maioria dos casos, estes ciclos só podem ser operados com gás natural (baixo teor de enxofre). Os usuários desses ciclos relatam que, já na presença de combustíveis com baixos níveis de enxofre, tais como o diesel, a temperatura de saída dos gases deve ser mantida acima de 149°C para evitar a corrosão por gases ácidos (BOYCE, 2002).
Figura 2.8. Diagrama de uma caldeira de recuperação com três níveis de pressão.
O condensado que entra na HRSG passa por um desaerador no qual os gases provenientes do vapor e/ou da água são removidos. Isto é importante porque um elevado teor de oxigênio pode provocar a corrosão dos tubos e componentes em contacto com o fluido de trabalho. Este tipo de corrosão ocorre geralmente nas superfícies expostas ao oxigênio diatómico dissolvido na água e é favorecida por altas temperaturas e altas pressões (por exemplo, nas caldeiras), causando perda no desempenho e na vida útil da instalação. Um teor de oxigênio de cerca de 7 a 10 partes por bilhão (ppb) é recomendad. O condensado é pulverizado pela parte superior do desaerador, o qual é normalmente colocado no topo do tanque da água de alimentação. A desaeração toma lugar quando a água é pulverizada e,
seguidamente, aquecida, liberando assim os gases que foram absorvidos no fluido de trabalho durante o ciclo. O ar é introduzido no sistema pelos selos das bombas e os flanges dos tubos que se encontram a vácuo. A desaeração deve ser um processo continuo (BOYCE, 2002).
O economizador do sistema é utilizado para aquecer a água até perto do seu ponto de saturação. Se não forem cuidadosamente projetados os economizadores podem gerar vapor o que bloquearia o fluxo de entrada neles. Para evitar isto, a água de alimentação à entrada do economizador é ligeiramente sub-resfriada. A diferença entre a temperatura de saturação e a temperatura da água na saída do economizador é conhecida como temperatura de aproximação. A temperatura de aproximação é mantida tão pequena quanto possível, entre 5,5 ° C a 11 ° C.
Outro parâmetro importante é a diferença entre a temperatura de saída do evaporador no lado do vapor e no lado dos gases de exaustão. Esta diferença é conhecida como o “Pinch Point”. Idealmente, para um Pinch Point menor, mais calor será recuperado (menor irreversibilidade), mas, é necessária uma área de troca de calor maior o que, aumenta os custos. As diretrizes gerais para a escolha do “Pinch Point” são de 8-22 ° C. A escolha final é, obviamente, com base em considerações econômicas (Boyce, 2002).
As turbinas a vapor em usinas maiores são divididas, pelo menos em duas seções principais: a seção de alta pressão (HP) e a seção de baixa pressão (LP). Algumas plantas apresentam três nívels de pressão, incluindo uma secção de média pressão (IP).
O desempenho da seção de baixa pressão da turbina a vapor (LP) também é afetado pela pressão de trabalho do condensador. O condensador é mantido sob um vácuo compreendido entre 0,13 e 0,033 bar, (BOYCE, 2002). Um aumento na pressão no condensador irá reduzir a potência produzida (menor salto entálpico), mas um valor muito pequeno pode causar o aumento da umidade presente no vapor nos últimos estágios da turbina. Se a umidade não é mantida dentro de valores aceitáveis, pode causar a erosão nas pás dos últimos estágios da seção de baixa pressão da turbina a vapor. A pressão de trabalho do condensador é influenciada pelo resfriamento (temperatura de condensação disponível) e pelas incrustações (queda de pressão por atrito).
Quando se trabalha com vapor de alta pressão se requer de um fluxo mássico menor para produzir a mesma potência que para níveis de pressão menores. Quanto menor for o fluxo de vapor, menor é o tamanho da secção de saída do vapor da turbina, reduzindo o tamanho das
pás das etapas finais. O fluxo de vapor menor também reduz o tamanho do condensador e a quantidade de água necessária para o resfriamento. Também reduz o tamanho da tubulação de vapor e as dimensões das válvulas. Tudo isso representa custos mais baixos, especialmente para usinas de potência com condensadores resfriados a ar. (BOYCE, 2002).