Alimentação da Caldeira: Motor ou Turbina?

Estamos trabalhando em vários projetos de novas plantas que contemplam a instalação de caldeiras de alta pressão para a venda de energia elétrica. São normalmente caldeiras com capacidade na faixa de 200 a 300 t/h de vapor, dependendo do horizonte final de capacidade de moagem.

Com pressões de 67 bar absoluto vamos necessitar de bombas com altura manométrica de aproximadamente 900 m.c.a.. Como a vazão recomendada para estas bombas é de 130% da capacidade nominal da caldeira, para uma caldeira de 250 t/h teríamos uma bomba com capacidade de 325 m³/h e uma potência instalada de aproximadamente 1.600 CV.

A solução usual tem sido instalar bombas com motores elétricos de 130% de capacidade para operação a plena carga e instalar bombas com motores elétricos de 65% da capacidade para partidas e para eventual operação com baixa carga. E instalar uma bomba acionada por turbina de simples estágio de 130% de capacidade para situações de emergência, quando há falta total de energia elétrica, inclusive de fontes alternativas.

Esta solução, além de implicar na instalação de motores elétricos de grande capacidade e portanto de média tensão, torna necessário manter a turbina de simples estágio e as suas respectivas linhas de vapor permanentemente aquecidas, pois a mesma deve estar preparada para partir rapidamente sem tempo para aquecimento.

Verificamos na literatura de que dispomos que, ao contrário do esquema acima indicado, as grandes centrais termoelétricas operam com turbinas a vapor para a carga plena e com motores elétricos para carga parcial. Resolvemos estudar esta possibilidade para as usinas de açúcar, que tem particularidades específicas.

O grande argumento para usar motores elétricos com bombas de 130% de capacidade é que a com a turbina a vapor haveria perdas na venda de energia elétrica excedente. Isto é verdade se a turbina é de simples estágio, mas não é verdade se usarmos turbina de múltiplos estágios. Embora a turbina de múltiplos estágios que aciona a bomba tenha uma eficiência menor do que as grandes turbinas que acionam os geradores, esta diferença é plenamente compensada pelas perdas no redutor e no gerador, nas linhas de transmissão e painéis elétricos e no motor elétrico propriamente dito. Pudemos assim comprovar que a venda de energia elétrica seria praticamente a mesma se usarmos turbinas de múltiplos estágios com eficiência mínima de 70%.

Foi comparado também o custo de instalação entre as duas soluções. Primeira solução: motor elétrico com 65%, motor elétrico com 130% (operando) e turbina a vapor simples estágio com 130%. Segunda solução: dois motores elétricos com 65% e uma turbina a vapor múltiplos estágios com 130% (operando). A segunda solução apresentou menor custo de investimento.

Uma característica importante das usinas de açúcar é que necessitamos em vários pontos do processo de vapor com temperatura na faixa de 150 a 200 C. Por exemplo: centrífugas de açúcar, secador de açúcar, desidratação por MEG ou peneira molecular, secador de levedura, etc. Se juntarmos a estes consumidores diversos de vapor a 10 / 12 bar uma turbina de múltiplos estágios com potência na faixa de 1.600 CV, estaremos justificando a necessidade de um turbo gerador com extração controlada numa pressão aproximada de 15 bar.

Desta maneira, uma usina totalmente eletrificada teria turbinas de múltiplo estágio com extração controlada a 15 bar na casa de força e teria turbinas de múltiplos estágios a 15 bar para acionar as grandes bombas das caldeiras. As bombas acionadas por motor elétrico teriam metade da capacidade.

Este arranjo acabou permitindo a adoção de outra idéia muito interessante do Sr. Marcos Alasmar, especialista em automação de processos. Já que temos uma turbina de múltiplos estágios na operação normal, porque não variar a sua rotação em função de pressão na descarga da bomba? É possível variar a rotação da turbina de forma a manter constante o diferencial de pressão na válvula de controle da água de alimentação da caldeira. E trabalhar com um diferencial constante é tudo o que uma válvula de controle mais deseja, mesmo para as mais variadas condições de carga da caldeira.

Falando de válvulas de controle lembramos da estação redutora de pressão de vapor, que geralmente tem sido instalada em cascata. Por exemplo, de 65 bar para 21 bar e daí para 1,5 bar (escape).

A estação redutora de pressão (ERP) necessita de válvulas de grande capacidade, pois precisa atender condições específicas de variação de carga nos geradores. Por exemplo, quando a concessionária sai do paralelo com a usina a plena carga. Ou quando a moenda para repentinamente mas o processo continua exigindo a mesma demanda de vapor. Ou ainda quando estamos liquidando o processo para uma parada mais prolongada.

Estas condições são muito distintas e implicam em vazões totalmente diferentes nas válvulas. Implicam também em grandes dificuldades na instalação e na operação dos saturadores (desuperaquecedores) de vapor, pois os saturadores de linha necessitam de uma velocidade mínima do vapor para garantir uma boa homogeinização da mistura e a conseqüente vaporização da água.

Estas dificuldades na ERP podem ser solucionadas pelo uso de válvulas redutoras mais modernas que cumprem simultaneamente as funções de reduzir a pressão e de saturar o vapor. São válvulas desenhadas para receber a água de saturação no próprio corpo, procurando aproveitar a grande turbulência que existe no vapor e que proporciona uma excelente homogeinização. Outra vantagem é que a resposta pode ser antecipada, ou seja, em função do curso da haste da válvula a água de saturação começa a ser injetada automaticamente. Nos saturadores de linha, embora a automação possa também ser planejada para ser preditiva, esta operação fica mais difícil em função dos tempos de resposta e em função da dificuldade de homogeinização da mistura quando as velocidades estão abaixo do ideal para a mistura.

Com este tipo de válvulas, praticamente desaparece a ERP em cascata. Agora será possível ter válvulas redutoras da alta pressão até a pressão do vapor de escape, que são normalmente as de grande capacidade, e ter válvulas de menor capacidade da alta pressão até a pressão intermediária. É uma solução mais barata e com maior confiabilidade.

Outra possibilidade que surge são os saturadores de vapor instalados nas tubulações de descarga das grandes turbinas dos geradores de energia elétrica, com potência de 25 a 40 MW. A instalação de saturadores dedicados, além de permitir a possibilidade de um controle preditivo, favorecem muito a homogeinização da mistura por se tratar de região onde as velocidades são normalmente mais elevadas.

E assim as usinas vão ficando cada vez mais com cara de central termoelétrica.