As usinas de ciclo combinado operam integrando um gerador de uma Turbina a Gás (TG) e um gerador de um Turbina a Vapor (TV) com o seu vapor de acionamento proveniente de uma Caldeira de Recuperação, conhecidas também como Heat Recovery Steam Generator (HRSG). No entanto, durante alguns modos de operação da planta – por exemplo, partida, parada, operação de ciclo simples – é desejável isolar a TV do HRSG. O isolamento do HRSG da TV facilita-se por meio do sistema de by-pass de vapor.
Contudo sem um sistema de by-pass, o vapor gerado no HRSG deve ser descarregado na atmosfera até que a Turbina a Vapor esteja disponível para aceitar vapor. O vapor é descarregado por meio de válvulas de ventilação e/ou válvulas de descarga atmosférica (válvulas Sky Vent) instaladas nas linhas de saída do HRSG. A saída de vapor na atmosfera não é desejável, pois resulta em perda de água desmineralizada além da poluição sonora.
O sistema de by-pass de vapor é geralmente usados durante os seguintes modos de operação: partida e desligamento, desarme da turbina a vapor, operação sem carga ou baixa carga da turbina a vapor e operação de ciclo simples.
Para uma planta de ciclo combinado com vários HRSG’s e uma única TV, o sistema de desvio permite uma partida sequencial das TG’s. Se uma ou mais TG’s já estiverem on-line e um HRSG adicional precisar ser colocado on-line, o sistema de bypass de partida facilita a partida permitindo o aquecimento gradual do HRSG que está entrando em operação.
O sistema de by-pass de vapor também é usado quando o HRSG está em carga enquanto a TV está off-line ou sob condições de carga baixa/sem carga. Como a partida da TV leva muito mais tempo do que a partida da TG (devido à maior massa de metal que precisa ser aquecida gradualmente antes da partida), a TV pode estar em condições de carga baixa ou sem carga enquanto a TG está com uma carga significativamente maior. Isso resulta em excesso de geração de vapor do HRSG que é desviado para o sistema de by-pass.
Durante o desligamento, o sistema de by-pass de vapor permite o desligamento da TV independentemente da operação da TG. A TG/HRSG permanecem carregados enquanto o vapor gerado no HRSG segue desviado para o condensador através do sistema de by-pass. No entanto, em um desligamento controlado, gradualmente reduz a carga da TG e o excesso de geração de vapor segue para o sistema de by-pass. Pode acionar a TV com carga reduzida e posteriormente isolada.
Configurações do Steam By-pass
Utiliza-se dois tipos de sistemas de bypass de vapor em usinas de energia termelétricas de ciclo combinado:
– By-pass paralelo: (também conhecido como by-pass “direto” ou by-pass “seco” do reaquecedor);
– By-pass em cascata: (também conhecido como by-pass “europeu” ou by-pass “úmido” do reaquecedor).
A escolha do sistema de by-pass se baseia na economia e nas características da turbina a vapor. A maioria das plantas modernas usa o sistema de by-pass em cascata.
By-pass em Paralelo
O sistema de desvio consiste em uma estação de condicionamento de vapor e uma tubulação de descarga para o condensador. A estação de condicionamento de vapor é composta por uma válvula redutora de pressão e um atemperador alimentado com água de pulverização da bomba de condensado ou da descarga da bomba de água de alimentação. O tubo de descarga instala-se a jusante da estação de condicionamento de vapor na entrada do condensador.
Nesta Figura 01, o vapor gerado na partida no tambor HP, IP e LP do HRSG segue para o condensador após ser temperado. Nesse sentido, não há fluxo através do reaquecedor, que opera “seco” quando o sistema de by-pass está em serviço.
Desvantagem By-pass em Paralelo
Com o reaquecedor operando no modo “seco” na partida, o metal do tubo do reaquecedor tende a superaquecer.
Por exemplo, outra desvantagem do sistema de desvio paralelo é que ele requer o uso de longos comprimentos de tubulação de vapor do HRSG ao condensador. Com a válvula de redução de pressão e a estação de atemperação localizada perto do condensador, a maior parte da tubulação de desvio para vapor HP é uma tubulação de liga cara que aumenta o custo de capital da planta. Em uma planta de ciclo combinado com uma configuração de múltiplos, os comprimentos dos tubos de desvio paralelo aumentam com o número de HRSG’s instalados. Contudo para minimizar o custo, a tubulação de desvio paralelo de vários HRSG’s é frequentemente combinada em única linha com única estação de condicionamento de vapor. Com esse projeto, a capacidade geral do sistema de by-pass fica reduzida, introduzindo restrições operacionais durante a partida da TV. Por exemplo, pode não ser possível (i) manter todos as TG’s em carga de base após um TRIP da TV.
By-pass em Cascata
No arranjo da Figura 02, o vapor HP gerado na partida segue para a linha de reaquecimento a frio (CRH).
A linha de derivação está equipada com válvula redutora de pressão e atemperador usando água de pulverização da descarga da bomba de água de alimentação. O vapor desviado então se mistura com o vapor do tambor IP e enviado através do reaquecedor. A linha de reaquecimento a quente fornecida com outra estação de redução/temperatura de pressão direciona o vapor para o condensador. Com este sistema se mantem um fluxo no reaquecedor, enquanto proporciona um efeito de resfriamento para o tubo metálico do reaquecedor.
O sistema de derivação em cascata usa comprimentos comparativamente curtos de tubulação de vapor. Em outras palavras, isso ocorre porque a tubulação do by-pass de HP para o CRH está localizada perto do HRSG, enquanto a tubulação de HRH para o condensador está localizada perto do condensador. Esses comprimentos de tubo não dependem da distância entre o HRSG e o condensador, que tende a aumentar proporcionalmente com vários HRSG’s.
Desvantagem do by-pass em cascata
A principal desvantagem do by-pass em cascata é que a TV tem que partir com um reaquecedor pressurizado, o que levanta eventualmente preocupações sobre o superaquecimento da exaustão da turbina de HP, especialmente durante as condições de baixo fluxo experimentadas durante a partida.
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