CRITICAL ANALYSIS OF THE COGENERATION PLANT PERFORMANCE

• Main Author: LUIZ GUSTAVO DO VAL
• Other Authors: ALCIR DE FARO ORLANDO
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2001
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=26481@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=26481@2

CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO === No presente trabalho, foi desenvolvido uma metodologia teórico-experimental para a avaliação de plantas de cogeração, incluindo o confronto com os dados dos fabricantes dos equipamentos, a análise de incerteza de medição dos principais parâmetros e a análise termoeconômica. Como resultado, o trabalho visa apresentar critérios mais otimizados para especificação e operação de sistemas de cogeração. Para o seu desenvolvimento, foram analisadas a planta da Companhia Cervejaria Brahma, localizada em Campo Grande, RJ, que é constituída de três turbinas a gás de 4,90 MW acopladas a três caldeiras de recuperação que utilizam Pós-Queima, com capacidade nominal de até 36000 kg/h, cada uma, e a planta do Parque Gráfico do InfoGlobo, localizada na rodovia Washington Luis, Duque de Caxias, RJ, que é constituída de dois motores alternativos de combustão interna de 2,90 MW, duas caldeiras de recuperação e um chiller de absorção de 800 TR s. Para a Companhia Cervejaria Brahma, foi utilizado a metodologia do balanço de massa das reações químicas, usando as medições das emissões e da composição do gás natural na planta, para obtenção da vazão mássica do ar admitido pela turbina e, consequentemente, a vazão mássica dos gases de exaustão. Essa metodologia foi empregada devido a não existência de um medidor de vazão de ar nas turbinas, que é um parâmetro essencial para avaliação do desempenho da planta. Esta metodologia também foi empregada, para a avaliação das caldeiras de recuperação que utilizam queima adicional de combustível. Foi realizada, também, a análise de incertezas dos resultado de desempenho obtidos na planta, de modo a identificar problemas operacionais como, o economizador sujo da caldeira de recuperação. Também, pode-se ver verificar, que o aproveitamento global do combustível utilizado, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado da água foi inferior ao aproveitamento deste, para geração de energia elétrica e térmica pelo lado dos gases. A menor diferença encontrada destes valores na escala percentual, foi de 6 porcento. Como esta diferença não é desprezível, chega-se à conclusão que a medida do desempenho da planta de cogeração deve ser feito com base na energia térmica transferida para a água, e não a que é transferida dos gases, como normalmente é feito, sem levar em consideração as perdas térmicas. Por fim, foi realizado uma análise técnico-econômica da utilização dos equipamento empregados na planta, com a finalidade de determinação de custo-benefício. Para o Parque Gráfico do InfoGlobo, foi realizada uma simulação do desempenho dos equipamentos utilizados nesta planta, devido a impossibilidade de se obter dados experimentais em determinados pontos da planta. Para isto, foram utilizados dados de projeto dos equipamentos, admitindo que estes pouco variam com as condições ambientais. Desta forma, não foram realizadas as análises de incertezas dos resultados encontrados. Com a metodologia empregada, pôde-se identificar problemas operacionais como o fato de que a bomba da água de alimentação de caldeira, estar fora doe seu ponto de projeto. De um modo geral, o percentual de aproveitamento da energia do combustível varia muito durante o dia, indicando um acoplamento insatisfatório entre a demanda e oferta de energia. Foi desenvolvido um modelo computacional, para a simulação da turbina a gás de eixo duplo THM 1203 Hispano Suiza, modo a obter todos os parâmetros essenciais que possam ser utilizados para o projeto de sistemas de cogeração. É previsto neste modelo a operação em cargas parciais com a variação das condições ambientais. === A theoretical-experimental methodology was developped in this work for evaluating the performance of cogeneration plants, including the data comparison with manufacturer specifications, uncertainty analysis of main parameters and thermoeconomic analysis. As a result, this work aims the establishment of an optimized criteriumfor especifying and operating cogeneration systems. Two existing cogeneration plants were analyzed in this work, (a) Companhia Cervejaria Brahma, located in Campo Grande, RJ, consisting of three 4,90 MW gas turbine generators, three heat recovery boilers, including after burners, with a nominal capacity of 36000 kg/h of steam, each one, and (b) Parque Gráfico do InfoGlobo, located in the Wshington Luis Highway, Duque de Caxias, RJ, consisting of two 2,90 MW reciprocating engine gas generators, two heat recovery boilers and 800 TR absorption chiller. A chemical reaction mass balance methodologywas used in the BRAHMA plant.It uses the measurement of pollutant emissions and natural gas compositionfor estimating the turbine inlet air and exhaust gas flow rates, which are important for evaluating the plant performance. Thei methodology was preferred due to the fact that no air and exhaust gas flow rate measurement instrument was installed in the plant, which is usually the case. This methodology was also used for evaluating the performance of heat recovery boilers with after burners. An uncertainty analysis procedure was developed and used to identify operational problems like fouling, reducing the effectiveness of the heat recovery economizer. One of the main results of this work was the fact that as least a 6 percentual point difference between the gas and the steam sides was measured for the overall fuel chemical energy usage, demonstrating the need of a more careful analysis of component performance for designing and specifying a cogeneration plant, which takes into account the heat losses. Thus, one suggests that the heat transfer to the water be specified, rather than the one from the hot gases. A technical-economic analysis of the plant was carried on, and its cost-benefit determined. Due to difficuties in obtaining experimental data, a simulation procedure had to be used for analyzing the performance of the InfoGlobo plant. Design data for several equipments were used in the calculations, supposing that they do not vary too much with ambient conditions. Thus, the uncertainty analysis was not carried on. The used methodology identified the fact that the boiler feedwater pump was not operating in the design point. In a general way, it was observed that the overall fuel chemical energy usage varies too much along the day, indicating a mismatching between load and energy supply. Finally, as a tool for the plant analysis, a computational model was developped for estimating the cogeneration plant component parameters, to be used for design purposes. Partial load operation of the turbines is contemplated in this model, as a function of ambient conditions.