O documento trata de turbinas a gás e cogeração industrial. Apresenta informações sobre portfólio de turbinas a gás Siemens, princípios de operação, componentes, fatores que influenciam o desempenho, combustíveis alternativos e viabilidade de projetos de cogeração. Fornece detalhes técnicos sobre turbinas a gás e casos de estudo para geração combinada de energia elétrica e vapor.

1. Segundo Seminário SULGÁS de
Climatização e Cogeração Industrial
•Turbinas a Gas – Conceitos Principais
•Cogeração Industrial
•29 de Setembro de 2011
Pág. 1

2. Turbinas a Gás Industriais
Portifólio Siemens
SGT-800 45 SGT-100-1S SGT-100-2S SGT-200-1S
SGT-700 30
SGT-600 25
SGT-500 17
SGT-400 13
SGT-300 8 SGT-200-2S SGT-300
SGT-200 7
SGT-100 5
SGT-400
SGT-500 SGT-600 SGT-700 SGT-800
Pág. 2

3. Pág. 3

4. Turbinas a Gás Siemens – Segmento Industrial
 Mercados Principais: Óleo &
Gas, Cerâmicas, Bebidas, Químicas & Petroquímicas
 Empregados: 4,000 (UK, Suécia, USA)
 Experiencia
( 5 -13 MW ): 3,500 turbinas em 89 países
(15 – 45 MW): 500 turbinas em 57 países
Pág. 4

5. Turbinas a Gás – Princípio de Operação
Comparison of Gas Turbine and Reciprocating Engine Cycle
Pág. 5

6. Turbina a Gás – Temperaturas Operação
Pág. 6

7. Turbinas a Gás
Componentes Principais
Compressor
Pág. 7

8. Compressor da Turbina a Gás
- Air compression -
Pág. 8

9. Compressor Centrifugo - Rotor
Pág. 9

10. Compressor Axial - Rotor
Pág. 10

11. Compressor - Estator
Pág. 11

12. Turbinas a Gás
Componentes Principais
A Câmara de Combustão
Pág. 12

13. Câmara de Combustão
- Combustion -
Pág. 13

14. Queimador
Pág. 14

15. Qeimador
Pág. 15

16. Queimador
Montagem Câmara Combustão
Combustor Installation
Pág. 16

17. Turbinas a Gás
Componentes Principais
Turbina
Pág. 17

18. Turbina
- Turbine section -
Pág. 18

19. Turbina
A Turbina converte energia dos gases
quentes em energia mecânica para :
O compressor da turbina
O equipamento acionado
Pág. 19

20. Turbina
Cada estágio da turbina possui duas sessões :
 O Injetor:
Direciona gases quentes para o estágio da turbina
Converte pressão em velocidade
 O estágio da turbina:
Roda em alta velocidade para fornecer a potência mecânica
Pág. 20

21. Turbinas a Gás Industriais
Módulo de Geração Compacto
Exhaust with silencer Air intake filter
Electrical and
Control module
Ventilation Inlet
Fire extinguishing
Ventilation Outlet
Signal handling
Generator
module
Generator air intake
Generator air outlet
Lube oil sys. Lube oil cooler
Pág. 21

22. Gás Natural
Ciclos para geração de energia e cogeração
Ciclos para geração de energia com base em
turbina a gás:
- Ciclo aberto: Apenas turbina a gás (ou motor)
- Ciclo Brayton: Turbina a gás (ou motor) + aproveito da energia térmica
- Ciclo Combinado: Turbina a gás + gerador de vapor + turbina a vapor
Pág. 22

23. Eficiência (Combustível)
Geração x Cogeração
90
80
Power Generation only
Geração Energia Cogeração
Fuel Efficiency (%)
70
60
50
40
30
20
10
0
Turbina a
New Large Turbina
Gas Turbine Turbina a Gás
Gas Turbine Ciclo Combinado
Combined Heat
Steam Turbine
vapor Simple Cycle
A Gás Combined Cycle and+Power (CHP)
Ciclo Combinado Cogeração
Pág. 23

24. Planta com turbina gás
em ciclo aberto
COMBUSTÍVEL
1112 oC 380 oC
14 bar 14 bar EXEMPLO
Energia
Elétrica
. Geradores
Energia
T C
Acionamentos Mecânica
. Bombas
. Compressores 534 oC 15 oC
. Ventiladores 1 bar 1 bar
. Outros Energia Térmica GÁS AR Energia Térmica
. Alta Pressão . Baixa Pressão
. Alta Temperatura Eficiência = de até 38%
. Baixa Temperatura
. Alta Entalpia . Baixa Entalpia
. Baixo Volume Específico . Alto Volume Específico
Pág. 24

25. Planta de cogeração (ciclo Brayton)
com turbina a gás
Perdas na
Caldeira:
13%
EXEMPLO
Fator Q/P = 1.5
Eficiência = 87%
Processo: 53%
(50 t/h)
Potência: 34%
(24.6 MW) Combustível: 100%
(143,800m3/dia)
G turbina a gás
Pág. 25

26. Produção de vapor em Cogeração com e sem queima
adicional
Notes:
SGT-800
200 1. Steam values are
indicative only. Actual
values depend on site
175 configuration
2. Firing to 850ºC only.
Steam (tonnes/hr) [12 bar saturated]
Higher firing is available
150
SGT-700
Unfired
SGT-500
SGT-600
Fired
125
100
SGT-400
75
SGT-300
SGT-100
50
25
0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Power (MWe)
Pág. 26

27. Turbinas a Gás
Disponibilidade de Funcionamento
Programa de Manutenção Turbinas de 4 até 13 MWe Turbinas de 17 até 45 MWe
Preventiva Tipo de Paradas Tipo de Paradas
Inspeção (Dias) Inspeção (Dias)
Ano 1 ou 8,000 hrs: A 5 A 5
Ano 2 ou 16,000 hrs: A 5 B 15
Ano 3 ou 24,000 hrs: B 15 A 5
Ano 4 ou 32,000 hrs: A 5 C 15
Ano 5 ou 40,000 hrs: A 5 A 5
Ano 6 ou 48,000 hrs: C 15 D 15
Total dias Total dias
50 60
parados parados
Tempo total 2190 Tempo total 2190
Disponibilidade* 97.7% 97.3%
Pág. 27

28. Turbinas a Gas - Performance
Eficiência da turbinas a gás são comparadas
em condições similares ( Condições ISO ) :
 15OC = temperatura ar ambiente
 760mm hg = pressão barometrica
 60% = humidade relativa do ar
Pág. 28

29. Turbinas a Gas
Fatores de Influência
Performance / Potência
Fatores de Influência :
Características de projeto
Tamanho do equipamento
Condições de Ambiente
Pág. 29

30. Turbina a Gas Performance
Fatores de Influência
Influência Tamanho do Equipamento
Maiores Dimensões
Maior fluxo ar
Maior Potência
Pág. 30

31. Performance Turbinas a Gas
Fatores de Influencia
Influência Condições Ambientais :
* Pressão ar ( altitude ) (P0)
* Temperatura Ambiente (T0)
* Umidade Relativa Ar (RH)
Pág. 31

32. Influencia da Altitude
Pressão Atmosférica diminui
com a altitude
Densidade do ar diminui
Fluxo de ar que passa pela turbina diminui
( piora combustão )
Potência diminui com altitude
Pág. 32

33. Influencia da Temperatura
Aumento da Temperatura diminui
a densidade do ar
Fluxo ar que passa pela turbina diminui
Potência diminui com elevação temperatura
Pág. 33

34. Influencia da Temperatura
Pág. 34

35. Influencia da Temperatura
Pág. 35

36. Influencia da Umidade Relativa do Ar
Umidade Aumenta
Presença de Vapor no ar
Aumento calor específico na câmara de combustão
( maior expansão turbina )
Potência aumenta com aumento umidade
Pág. 36

37. Turbinas a Gas
Consumo de Combustivel
Gas Natural
250 a 330 m3/h
Geração Energia Elétrica = 1 MWh
Pág. 37

38. Turbinas a Gas
Combustíveis Alternativos
Etanol
400 a 500 Litros/h
Geração Energia Elétrica = 1 MWh
Pág. 38

39. Turbinas a Gas
Combustíveis Alternativos
Diesel
250 a 300 Litros / h
Geração Energia Elétrica = 1 MWh
Pág. 39

40. Turbinas a Gas
Combustíveis Alternativos
Biogás
500 m3/h Biogás
Geração Energia Elétrica = 1 MWh
Pág. 40

41. Viabilidade Projeto de Cogeração
EXEMPLO

42. Viabilidade projeto Cogeração Industrial
EXEMPLO
Dados da Planta Industrial :
Energia = 7 MW
Vapor de Processo = 18 t/h ( 10 bar saturado )
Operação = 8500 horas/ano
Combustível caldeira : Gás Natural
Obs : Todos os valores deste estudo estão sem ICMS
Pág. 42

43. Viabilidade projeto Cogeração - EXEMPLO
Caldeira
existente
Situação atual :
Energia Elétrica concessionária = 7 MW
Vapor Processo:
Geração de Vapor = 18 t/h
10 bar sat
( caldeira existente )
18 t/h
Energia
Consumo Concessionária
Gas natural
7 MW
caldeira existente:
1350 m3/h
Pág. 43

44. Viabilidade projeto Cogeração - EXEMPLO
Caldeira de
Recuperação
Situação Futura com Cogeração :
Vapor Processo:
10 bar sat
Energia Elétrica Gerada = 7.2 MW ( gross )
18 t/h
7.2 MW
Geração de Vapor = 18 t/h
Gases
Turbina a Gás :
Consumo Escape
Gas natural Consumo gás natural
turbina = 2300 m3/h
adicional na
caldeira :
0 m3/h
Pág. 44

45. Comparativo Custos Energia Elétrica
Situação Atual Futuro
Consumo Elétrico
Demanda Média 7.0 7.0 Mwe
Consumo Anual de Energia Elétrica 59,500 59,500 MWh/Ano
Geração de Energia Elétrica 0 7.2 MWe
Potência Líquida da Turbina a Gás 0 7 MWe
Geração Anual de Energia Eléctrica 0 59,500 MWh/Ano
Energia Elétrica Comprada da Rede
Consumo de Energia da Rede 59,500 5,950 Mwh/ano
Custo da Energia Consumida 200 200 R$/MWH
Demanda Contratada Mwh/ano
Custo da Demanda de Energia R$/MWH
Custo Total da Energia Comprada da Rede 11,900,000 1,190,000 R$/Ano
Consumo nominal de Gás pela Turbina 0 2,300 m3/h
Consumo Anual de Gás pela Turbina 0 19,550,000 m3/Ano
Custo Anual de Operação e Manutenção ( adicional ) 0 700,000 R$/Ano
Custo do Gás Natural annual 0 13,685,000 R$/Ano
Custo Total para Energia Elétrica ou gas 11,900,000 15,575,000 R$/Ano
Pág. 45

46. Comparativo Custos de vapor
Atual Futuro Unidades
Demanda de Vapor para Processo e Geração de Frio
Pressão 10 10 Bar(a)
Temperatura Saturated Saturated Deg C
Demanda Média Horária 18 18 Tons/hora
Demanda Anual 153,000 153,000 Tons/Ano
Geração de Vapor com Caldeira Existente 153,000 0 Tons/Ano
Geração de Vapor com Caldeira de Recuperação 0 153,000 Tons/Ano
Geração Total de Vapor 153,000 153,000 Tons/Ano
Custo Unitário do Gás Natural 0.7 0.7 R$/m3
Consumo de Gás pela Caldeira de Recuperação 0 m3/Ano
Consumo de Gás pela Caldeira Existente 11,475,000 0 m3/h
Custo de vapor atual por tonelada produzida 55 0 R$/TON
Custo Vapor annual 8415000 R$
Custo Anual para Geração de Vapor 8,415,000 0 R$/ANO
Pág. 46

47. Avaliação Economica
Taxa Anual de Inflação 4.00%
Taxa de Juros do Financiamento 9.00%
Atual Futuro Unidades
Estimativa do Custo de Investimento - 20,000,000 R$
Custo Total da Energia (Elétrica e Vapor) 20,315,000 15,575,000 R$/ANO
Economía Realizada - 4,740,000 R$/ANO
Taxa de Retorno Inteno - 23.70% %
Valor Presente Líquido (15 anos) - 28,335,992 R$
Pág. 47

48. Contato
Valdir Zerbini
SIEMENS Ltda.
Energy Sector - Oil & Gas Division
Industrial Steam Turbines (E O SU)
Av. Eng. João F. G. Molina, 1745
13213-080 - Jundiaí - SP - Brazil
Phone: +55 11 45855990 +55 11 73791675
e-mail: valdir.zerbini@siemens.com
www.siemens.com.br
Pág. 48