Estudo de Caso - Kalaeloa Partners Oahu, Havaí

A Usina de Co-geração Kalaeloa (KCP) é uma usina termelétrica a gás natural de ciclo combinado localizada em Kapolei no Havaí. A usina converte energia química do combustível em energia elétrica e calor que são vendidos como eletricidade e vapor. A KCP supre aproximadamente 20 por cento da necessidade de eletricidade de toda a ilha de Oahu.

Com a parceria entre a ABB Energy Ventures e Kalaeloa Investment Partners (KIP), a usina de cogeração supre uma porção da demanda de vapor para a Tesoro Hawaii Corporation, umas das duas refinarias de petróleo do estado do Havaí. Eles também suprem 180 megawatts (MW) da capacidade líquida de energia elétrica para a Hawaiian Electric Company, Inc. (HECO).

Em 1997, a Kalaeloa Partners L.P. decidiu examinar o projeto da termelétrica para determinar quais melhorias de capital poderiam ser executadas a fim de aumentar a produção e eficiência da usina. Eles descobriram que um sistema de resfriamento evaporativo era o tipo de sistema que poderia proporcionar esse aumento.

A produção de energia e o consumo de combustível de uma caldeira que aciona a turbina a gás dependem altamente do fluxo de massa, qualidade e temperatura ambiente do ar que entra na câmara de combustão.

"Quanto mais limpo e mais frio for o ar sugado pela turbina, maior é a sua eficiência, o que resulta em uma produção maior de energia," disse Randy Koncelik, engenheiro de projeto da termelétrica de Cogeração Kalaeloa. "Por outro lado, se a temperatura do ar aspirado sobe, a eficiência diminui." A Kalaeloa Partners sabia que poderia recuperar a perda de energia refrigerando o ar aspirado antes que ele entrasse na turbina.

Após uma análise cuidadosa, a Kalaeloa Partners L.P. decidiu fazer uma renovação (retrofit) de ambas as turbinas a gás ABB 11N com TURBIdek® , um sistema autônomo de resfriamento evaporativo projetado e desenvolvido pela Munters para aumentar os níveis de produção e melhorar a eficiência térmica.

Uma Olhada de Perto no Projeto do Sistema

A usina de ciclo combinado possui duas turbinas a gás do modelo ABB 74.6 MW tipo 11N, uma turbina de extração/condensação com alimentação a vapor ABB 51.5 MW e duas caldeiras de recuperação de calor (HRSG), além de uma série de equipamentos que completa o ciclo combinado. Embora o óleo de baixo enxofre seja o combustível principal, o óleo diesel é usado como fonte reserva e para partida de curta duração e parada das turbinas a gás. O gás propano é usado para acender as turbinas.

Como parte do processo de conversão, o ar entra no compressor da turbina a gás através do aspirador de ar. Depois que o ar é comprimido, ele entra no combustor para ser misturado ao combustível e então queimado. Enquanto o combustível é queimado, a energia química do combustível é transformada em calor (ou energia térmica) na forma de gás quente. O gás quente então entra na turbina onde parte da energia térmica do gás é convertida em energia mecânica para acionar o gerador através de um de rotor de eixo comum.

Aproximadamente dois terços dessa energia mecânica são necessários para acionar o compressor, e a energia restante aciona o gerador, onde a energia mecânica é convertida em energia elétrica que é vendida a HECO.

O gás de exaustão da turbina contém uma quantia significativa de energia térmica restante, que passa pelas caldeiras de recuperação de calor a fim de produzir vapor. O vapor é produzido em dois níveis de pressão e transportado através dos coletores de vapor de alta e baixa pressão.

Dali o vapor é direcionado para a turbina a vapor, onde a energia térmica é convertida em energia mecânica para girar o eixo do rotor conectado a um gerador, completando assim o ciclo combinado. A operação normal implica em que todo o vapor que entre na turbina e que todo o vapor exigido pela refinaria Tesoro adjacente seja extraído, e assim maximizando a eficiência da usina. Alternadamente, o vapor pode tanto seguir por uma passagem secundária (by-pass) pela turbina diretamente ao condensador principal ou para as linhas de processo de vapor que vão para a Tesoro Hawaii Corp.

Como o Resfriamento Evaporativo Funciona

No resfriamento evaporativo, o ar aspirado passa por uma ou mais mantas umedecidas para simultaneamente absorver a umidade e resfriar o ar. O ar frio e úmido é então direcionado para a área onde ele é necessário. O sistema TURBIdek® resfria o ar aspirado, criando um ar mais denso e suprindo as turbinas a gás com uma taxa de fluxo de massa e proporção de pressão mais elevada, resultando num aumento da produção e eficiência de energia.

"Ao deixar o ar significantemente mais denso, o sistema de resfriamento evaporativo TURBIdek® da Munters otimiza o processo de combustão da turbina ao elevar os níveis de oxigênio," disse Larry Klekar, gerente de vendas da Munters. "Concomitantemente, os efeitos de lavagem do ar produzidos pelo sistema GLASdek® remove muitas impurezas e partículas contaminadoras transportadas pelo ar antes que entrem na turbina. Isso diminui a manutenção necessária aos filtros e a outros equipamentos, reduzindo assim os custos operacionais. Esse sistema também aumenta a vida útil das turbinas a gás o que gera uma economia em gastos de capital".

Segundo Koncelik, a Kalaeloa projetou um aumento aproximado de 2.1 MW em cada turbina de combustão (TC), gerando com isso um aumento total de produção de 4.2 MW. "Os aumentos atuais de energia têm sido maiores do que o esperado - perto de um total de 5 MW," disse Koncelik. "Alem de aumentar a produção da TC, nós vimos um aumento quase total de MW na turbina a vapor também. Isso tudo é devido ao aumento de energia térmica no gás de exaustão o que permitiu que a caldeira (HRSG) produzisse mais vapor para o ciclo combinado."

Outros importantes benefícios do sistema de resfriamento evaporativo em Kalaeloa:

Uma queda de pressão reduzida na entrada do compartimento do filtro da turbina a gás: "Nós a princípio tínhamos instalado um filtro separador inicial (ISF) que eliminava partículas grandes no ar aspirado no primeiro estágio de filtragem," disse Koncelik. "O projeto do sistema Munters previa a remoção do ISF e a instalação do resfriador evaporativo. Esse procedimento reduz a queda de pressão no ar lateral aspirado de 1.3 polegadas de água para 0.3 polegadas de água. O ar encontra uma queda de pressão menor no caminho que leva ao compressor da TC, melhorando com isso o fluxo de massa e produzindo maior eficiência e produção de energia."

O sistema TURBIdek® é de baixa manutenção: "O velho sistema ISF possui seis motores de 40 HP que precisavam receber manutenção continuamente", observou Koncelik. "O sistema Munters tem apenas um motor de 10-HP funcionando, portanto espera-se uma menor manutenção ao longo da vida útil do equipamento. Nós apenas temos que nos certificar de que os coletores de água estão fornecendo continuamente água de boa qualidade e que a membrana esteja umedecida uniformemente. O sistema vem funcionando desde 1998 e a membrana ainda está em boas condições. A membrana tem uma vida útil estipulada de cinco a sete anos dada as condições da água em nossa usina."

Segundo Klekar, foi registrada uma recuperação de 15% da produção da turbina com o uso de resfriamento evaporativo quando a umidade relativa esteve no nível mais baixo e a demanda de energia esteve no seu pico.

"Com o sistema TURBIdek® e uma temperatura ambiente úmida de 60ºF, é possível recuperar até 15 por cento da perda de energia simplesmente com o resfriamento do ar aspirado" , disse Klekar. "E essa energia recuperada pode gerar uma receita significante ao longo do tempo de operação de uma turbina a gás."
A Munters proporcionou a Kalaeloa Partners um aumento na produção de energia de aproximadamente 5 MW.

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