Modelagem da operação em regime de cargas parciais de uma planta de cogeração a biomassa integrada a um campo solar Linear Fresnel

Abstract

Sistemas híbridos que combinam o uso de biomassa e energia solar têm sido apresentados como uma promissora alternativa para reduzir as emissões de gases de efeito estufa e superar as limitações inerentes à energia solar, como sua intermitência e instabilidade. No entanto, alguns componentes da planta funcionarão em condições fora do projeto quando a energia solar for incorporada ao ciclo. Nesse contexto, o objetivo deste estudo é avaliar o desempenho de um gerador de vapor a biomassa existente em cargas parciais e regime permanente, integrado a um campo solar Linear Fresnel no modo de economia de combustível. O equipamento consiste em um gerador de vapor a biomassa com capacidade de produzir até 50 t/h de vapor superaquecido a 420 °C/45 bar(a) para alimentar uma planta de cogeração. Dados operacionais foram coletados no local para calcular a eficiência do gerador de vapor em cargas parciais de acordo com a norma ASME PTC4. Os principais componentes do gerador de vapor foram modelados usando a ferramenta OpenModelica® e a biblioteca ThermoSysPro®. Os modelos foram validados em diferentes cargas com os dados operacionais coletados e as fichas técnicas do fabricante. Durante a operação híbrida, a análise em carga parcial do gerador de vapor revelou uma redução significativa no consumo de biomassa, variando de 20,5% em um dia com céu claro a 13,6% em um dia parcialmente nublado. Isso resultou em uma economia anual de combustível de aproximadamente 12,1%, o que equivale a 18.792 toneladas de biomassa por ano. A redução na carga de vapor devido à integração do campo solar impactou na temperatura dos gases de combustão, influenciando o processo de transferência de calor nos componentes após a fornalha. A análise dos coeficientes combinados de transferência de calor ressaltou a predominância da convecção sobre a radiação nos trocadores, especialmente em condições de carga de vapor reduzida, evidenciando uma redução nesses coeficientes conforme a carga diminui. Em conclusão, os modelos implementados permitiram reproduzir o desempenho do gerador de vapor em diferentes cargas, possibilitando a avaliação do impacto da integração do campo solar e da operação híbrida do gerador de vapor a biomassa.

Abstract: Hybrid systems that combine biomass and solar energy have emerged as a promising alternative to reduce greenhouse gas emissions and address the limitations of solar energy, such as its intermittency and instability. However, integrating solar energy into the cycle can cause some plant components to operate under off-design conditions. This study aims to evaluate the performance of an existing biomass steam generator at partial loads and steady-state conditions, integrated with a Linear Fresnel solar field in fuel-saving mode. The equipment includes a biomass steam generator capable of producing up to 50 t/h of superheated steam at 420 °C/45 bar(a) to supply a cogeneration power plant. Operational data were collected on-site to calculate the steam generator's efficiency at partial loads following the ASME PTC4 standard. The primary components of the steam generator were modeled using the OpenModelica® tool and the ThermoSysPro® library. These models were validated at various loads using available measurement data and manufacturer datasheets. During hybrid operation, the partial load analysis of the steam generator revealed a significant reduction in biomass consumption, ranging from 20.5% on a clear day to 13.6% on a partially cloudy day. This resulted in annual fuel savings of approximately 12.1%, equivalent to 18,792 tons of biomass per year. The reduction in steam load due to the integration of the solar field affected the temperature of the combustion gases, influencing the heat transfer process in the components downstream of the furnace. Analysis of the combined heat transfer coefficients highlighted the predominance of convection over radiation in the heat exchangers, especially under reduced steam load conditions, indicating a decrease in these coefficients as the load decreases. In conclusion, the implemented models accurately reproduced the steam generator's performance at different loads, enabling the assessment of the impact of the solar field integration and the hybrid operation of the biomass steam generator.