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O que é um gerador de vapor de recuperação de calor (HRSG)?
Um Gerador de Vapor de Recuperação de Calor, comumente abreviado como HRSG, é um equipamento especializado projetado para recuperar calor de gases quentes. Esses gases quentes geralmente são provenientes da exaustão de turbinas a gás (gases de combustão), ou de um processo industrial que gera muito calor. O calor recuperado é então utilizado para aquecer água e produzir vapor, que pode ser empregado na geração de energia ou em outros processos industriais.
Geradores de Vapor de Recuperação de Calor
Por que precisamos de geradores de vapor de recuperação de calor?
Eficiência e Sustentabilidade
Uma das principais razões para utilizar um HRSG é aumentar a eficiência de um sistema. Por exemplo, ao recuperar o calor residual de um processo de combustão, reduzimos a quantidade de calor desperdiçado e, assim, aumentamos a eficiência geral do sistema. Um aumento na eficiência da planta está associado a custos operacionais reduzidos e menor impacto ambiental.
Economia de Custos
Embora o investimento inicial em um HRSG possa ser significativo, os ganhos de eficiência a longo prazo tornam o investimento vantajoso. Ao longo da vida útil do HRSG (potencialmente >20 anos), ele se pagará várias vezes. A alta confiabilidade de um HRSG também significa que seu tempo operacional é elevado, garantindo um bom retorno sobre o investimento.
Flexibilidade
HRSGs podem ser integrados em diversos processos industriais, oferecendo flexibilidade em termos de aplicação. Seja para geração de energia, aquecimento distrital ou outras aplicações industriais, um HRSG pode aumentar consideravelmente as eficiências do sistema (porque recupera calor que de outra forma seria perdido).
Aplicações de HRSG
Um HRSG é tipicamente instalado a jusante de uma turbina a gás (turbina de combustão) ou outro processo de combustão dentro de uma usina de energia. Por exemplo, uma usina de ciclo combinado (CCPP) utiliza uma turbina a gás e um HRSG instalados em série. Dentro de uma CCPP, uma turbina a gás é usada para gerar eletricidade, enquanto seus gases de exaustão são direcionados para o HRSG, que é usado para gerar vapor. Com essa configuração, as turbinas a gás são tipicamente alimentadas com gás natural, embora seja possível usar muitos outros tipos de combustível.
O vapor do HRSG é então utilizado para acionar uma turbina a vapor, que também gera eletricidade. Em ambientes industriais, HRSGs também podem ser encontrados onde quer que haja necessidade de recuperar calor residual para produção de vapor, como em refinarias ou plantas químicas.
Partes de Usina de Ciclo Combinado
Quais são as principais partes de um HRSG?
Apesar do tamanho da maioria dos HRSGs, eles possuem relativamente poucas partes principais e sistemas. Um HRSG típico terá um sistema de vapor de alta pressão, pressão intermediária e baixa pressão. Cada sistema tem um tambor de vapor associado, economizador, evaporador e superaquecedor. O fluxo através do HRSG é do economizador, para o tambor de vapor, para o evaporador e depois para o superaquecedor.
Esse fluxo ocorre primeiro no sistema de vapor de baixa pressão (LP), depois no de pressão intermediária (IP) e finalmente no de alta pressão (HP). Cada sistema de vapor também tem uma turbina a vapor correspondente, ou seja, turbina a vapor de alta pressão, turbina a vapor de pressão intermediária e turbina a vapor de baixa pressão.
O economizador, evaporador e superaquecedor são construídos a partir de tubos para que tenham uma grande área de contato com os gases de exaustão; isso significa que eles também têm uma grande capacidade de transferência de calor. É melhor pensar nessas partes principais como trocadores de calor, pois essa é sua função principal. Cada uma dessas três partes atua como um trocador de calor para produzir vapor (evaporador e superaquecedor), ou mistura de água/vapor (economizador).
Partes do Gerador de Vapor de Recuperação de Calor
Os quatro principais componentes de um HRSG são listados abaixo.
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Economizador – a água de alimentação é introduzida primeiro na base do economizador. O economizador pré-aquece a água de alimentação. A água da caldeira é descarregada do economizador para o tambor de vapor do sistema associado. O pré-aquecimento da água de alimentação aumenta a eficiência do sistema, garantindo que a água que entra no tambor de vapor já esteja quente (sem risco de choque térmico).
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Tambor de Vapor – a água da caldeira do economizador é descarregada para seu respectivo tambor de vapor. O tambor de vapor separa vapor e água. O vapor sobe para o topo do tambor de vapor e é enviado para o superaquecedor. A água é descarregada do fundo do tambor de vapor para o evaporador. A água da caldeira é recirculada dentro do evaporador até se tornar vapor.
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Evaporador – onde ocorre a produção de vapor. A água flui através de tubos que são aquecidos por gases de exaustão quentes. A água absorve calor dos tubos à medida que viaja através do evaporador, e isso faz com que ela mude de fase/estado para vapor. Nem toda a água muda de fase para vapor, portanto, é uma mistura de vapor/água (vapor úmido) que é descarregada do evaporador para o tambor de vapor. A água que não mudou de estado para vapor é recirculada novamente através do evaporador.
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Superaquecedor – leva o vapor produzido no evaporador e aumenta ainda mais sua temperatura (e energia), garantindo que esteja na condição ideal para a turbina a vapor ou consumidor industrial. Superaquecedores adicionam calor sensível ao vapor, eles não adicionam calor latente porque não há mudança de fase nesta etapa (nenhuma mudança de água para vapor).
Como funciona um gerador de vapor de recuperação de calor?
Para entender como um HRSG funciona, é melhor estudar o diagrama abaixo.
Caminho de Fluxo do HRSG
Observe que a água entra no HRSG na parte mais fria (mais distante da fonte de calor) e é aquecida gradualmente à medida que avança em direção à fonte de calor. Observe também que há um padrão de fluxo padrão, que começa com o economizador, depois o tambor de vapor, evaporador, tambor de vapor novamente, superaquecedor e finalmente para as turbinas a vapor. Se o HRSG tiver um sistema de vapor de HP, IP e LP, o caminho de fluxo é o mesmo, pois cada sistema tem seu próprio economizador, evaporador e superaquecedor.
O princípio de funcionamento do HRSG é resumido abaixo.
1. Recuperação de Calor – gases de exaustão de uma turbina a gás ou outra fonte de calor, tipicamente a temperaturas de 900°F a 1.100°F (482°C a 593°C), são direcionados para o HRSG.
2. Pré-aquecimento no Economizador – a água de alimentação é pré-aquecida no economizador. Este processo eleva a temperatura da água próxima ao seu ponto de ebulição, preparando-a para o evaporador.
3. Tambor de Vapor – a água do economizador é entregue ao tambor de vapor, muitas vezes também passando por um desareador. Vapor saturado é descarregado dos tambores de vapor.
4. Geração de Vapor no Evaporador – a água pré-aquecida flui através dos tubos do evaporador e é aquecida pelos gases de exaustão quentes. A troca de calor resulta na ebulição da água e na mudança de estado para vapor. A temperatura no evaporador pode variar de 250°F a 600°F (121°C a 315°C), dependendo da pressão do sistema.
5. Superaquecimento – o vapor gerado no evaporador é direcionado para o superaquecedor. O vapor dentro do superaquecedor é exposto a gases de exaustão mais quentes devido a estar mais próximo da fonte de calor. O superaquecedor pode elevar a temperatura do vapor até 1.022°F (550°C), que é o que é necessário por uma turbina de alta pressão típica de uma estação de energia. As turbinas a vapor requerem vapor superaquecido devido ao seu alto conteúdo energético e reduzido teor de umidade (vapor superaquecido seco é o que é entregue a uma turbina a vapor).
A quantidade de energia que o vapor contém corresponde a quanta energia a turbina a vapor pode extrair e, consequentemente, quanta energia elétrica seu gerador pode produzir.
6. Geração de Energia pela Turbina a Vapor – o vapor superaquecido seco é descarregado do HRSG para uma ou mais turbinas a vapor. A turbina a vapor converte a energia térmica do vapor em energia mecânica e a passa para um gerador (ambos são instalados em um eixo comum).
O gerador converte a energia mecânica em energia elétrica (eletricidade).
7. Descarga de Gases de Exaustão – após os gases de exaustão terem transferido a maior parte de sua energia térmica para os sistemas de água e vapor, eles são descarregados para a atmosfera a uma temperatura entre 250°F a 300°F (121°C a 149°C). É importante que o fluxo de gás quente não tenha uma temperatura excessivamente baixa, pois caso contrário pode ocorrer condensação dentro da chaminé e um ambiente corrosivo será criado.
Bom saber – uma 'chaminé' é semelhante a uma 'torre' embora 'chaminé' seja o termo mais comum usado em engenharia.
HRSGs de Pressão Múltipla e de Pressão Única
Se um HRSG opera em um nível de pressão único, ele terá um único tambor de vapor, uma única seção de economizador, uma única seção de evaporador e uma única seção de superaquecedor. Se um HRSG opera em múltiplos níveis de pressão, ou seja, níveis de pressão LP, IP e HP, ele também terá múltiplos tambores de vapor, economizadores, evaporadores e superaquecedores. Um sistema HRSG que opera em um nível de pressão único é referido como um HRSG de pressão única. Um sistema HRSG que opera em múltiplos níveis de pressão é referido como um HRSG de pressão múltipla. Usinas de energia usam HRSGs de pressão múltipla, enquanto HRSGs de pressão única são mais propensos a serem usados para outras aplicações industriais.
HRSGs Verticais e HRSGs Horizontais
É possível classificar geradores de vapor de recuperação de calor com base em sua orientação:
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HRSG Tipo Vertical - gases de exaustão fluem verticalmente sobre tubos horizontais.
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HRSG Tipo Horizontal - gases de exaustão fluem horizontalmente sobre tubos verticais.