Alimentação de Combustível Gasoso
Consulte a Seção 2 deste manual
para informações sobre as vantagens e desvantagens gerais dos sistemas de combustível
gasoso em relação a outras alternativas.
Os grupos geradores acionados por
combustível gasoso (também chamados de “grupos geradores com ignição por centelha”)
podem utilizar gás natural ou gás propano líquido (PL), ou ambos. Sistemas de
duplo combustível, com gás natural como combustível principal e propano como
reserva, podem ser utilizados em áreas propensas a abalos sísmicos e onde
ocorram eventos naturais que possam interromper o sistema de gás da
concessionária pública.
Independentemente do combustível
utilizado, os principais fatores para o sucesso da instalação e operação de um sistema
de combustível gasoso são:
• O gás fornecido ao grupo
gerador deve ser de qualidade aceitável, no mínimo.
• O suprimento de gás deve ter
pressão suficiente. Deve-se certificar de que o suprimento de gás no grupo gerador,
e não apenas na fonte, tenha pressão correta para seu funcionamento. A pressão
especificada deve estar disponível enquanto o grupo gerador é operado sob plena
carga.
• O gás deve ser suprido ao grupo
gerador em volume suficiente para operar o grupo gerador. Normalmente, isto
depende do diâmetro da linha de combustível que deve ser largo o suficiente
para transportar o volume necessário de combustível. Para sistemas que utilizam
combustível PL, o tamanho e a temperatura do tanque de combustível também
afetam este requisito.
O não atendimento dos requisitos
mínimos do grupo gerador nestas áreas resultará na impossibilidade de funcionamento
do grupo gerador, ou na impossibilidade de suportar a carga nominal, ou ainda
em fraco desempenho de transientes.
Qualidade do Combustível Gasoso
Os combustíveis gasosos são na
verdade uma mistura de vários gases hidrocarbonetos diferentes como metano, etano,
propano e butano, outros elementos gasosos como oxigênio e nitrogênio, água
vaporizada, vários contaminantes, alguns dos quais são potencialmente danosos
ao motor ao longo do tempo. A qualidade do combustível é uma função da
quantidade de energia por unidade de volume do combustível e da quantidade de contaminantes
no combustível.
Teor Energético: Uma das características mais importantes dos
combustíveis gasosos utilizados em um grupo gerador é o valor calorífico do
combustível. O valor calorífico de um combustível indica a quantidade de
energia existe armazenada em um volume específico do combustível. O combustível
gasoso possui um baixo valor calorífico (BVC) e um alto valor calorífico (AVC).
O baixo valor calorífico é o calor disponível para o funcionamento do motor
após a água no combustível ter sido vaporizada. Se o baixo valor calorífico de
um combustível for muito baixo, mesmo que o motor receba um volume suficiente
de combustível, o motor não será capaz de manter plena potência de saída,
porque não foi disponibilizada a energia suficiente ao mesmo para ser convertida
em energia mecânica. Se o BVC for inferior a 905 BTU/pé3 o motor não poderá
produzir a potência nominal em condições de temperatura ambiente padrão.
Se o combustível tiver um teor
energético superior a 1000 BTU/pé3, os requisitos reais de fluxo em pés3/min serão
menores e os requisitos de pressão cairão levemente.
Inversamente, se o combustível
tiver um teor energético inferior a 1000 BTU/pé3, os requisitos reais de fluxo
em pés3/min serão maiores e será necessária uma maior pressão mínima de
alimentação para atingir o desempenho indicado para qualquer grupo gerador.
Cada motor poderá ter características de desempenho ligeiramente diferentes com
base no tipo de combustível fornecido, devido às diferenças na taxa de
compressão do motor e se o motor é naturalmente aspirado ou turbocomprimido.
Gás Natural Canalizado: O
combustível mais comum para grupos geradores é chamado de “gás natural
canalizado”. Nos Estados Unidos, o “gás natural canalizado seco” possui qualidades
específicas, com base nas normas federais.
Em outros países, o gás
canalizado pode variar em teor e, portanto, as características do combustível
devem ser verificadas antes de seu uso em um grupo gerador. Nos Estados Unidos,
o gás canalizado é uma mistura composta e aproximadamente 98% de metano e
etano, com os outros 2% formados por hidrocarbonetos como propano e butano,
nitrogênio, dióxido de carbono e vapor de água.
“Seco” significa isento de hidrocarbonetos líquidos como a gasolina,
porém NÃO isento de vapor de água. Geralmente o gás canalizado SECO possui um
BVC de 936 BTU/pé3 e um AVC de 1.038 BTU/pé3.
Gás de Campo: A composição do “gás natural de campo” varia
consideravelmente entre regiões e entre continentes. É necessária uma analise
cuidadosa antes de se utilizar o gás natural de campo em um motor. O gás
natural de campo pode conter gases hidrocarbonetos “mais pesados” como pentano,
hexano e heptano, que podem exigir uma redução da potência de saída do motor.
Outros contaminantes, como enxofre, também podem estar presentes no combustível.
Um gás de campo típico pode ter um BVC de 1.203 BTU/pé3 e um AVC de 1.325
BTU/pé3.
Propano (GLP): O propano encontra-se disponível em dois graus,
comercial e trabalhos especiais. O propano comercial é utilizado onde a alta
volatilidade é uma exigência. Nem todos os motores de ignição por centelha
funcionam de forma aceitável com este combustível devido à sua volatilidade. O
propano para trabalhos especiais (também chamado de HD5) é uma mistura de 95%
de propano e outros gases, como o butano, que permite um melhor desempenho do
motor devido à redução de pré-ignição pela volatilidade reduzida. O gás
combustível propano para trabalhos especiais que atende à especificação D-1835
da ASTM D 1835 sobre propano para trabalhos especiais (equivalente ao propano
HD5 do Padrão 2140 da Associação dos Produtores de Gás) é adequado para a maioria
dos motores. O propano possui um BVC de cerca de 2.353 BTU/pé3 e um AVC de
2.557 BTU/pé3. O maior valor calorífico do combustível requer a mistura de
volumes diferentes de ar no sistema de combustível para o propano versus as
aplicações de gás natural, de modo que os motores para duplo combustível
possuem essencialmente duas disposições de combustível para esta finalidade.
Contaminantes: Os contaminantes mais prejudiciais em combustíveis
gasosos são o vapor de água e o enxofre.
O vapor de água é prejudicial a
um motor porque pode causar uma queima descontrolada, pré-ignição ou outros efeitos
que podem danificar o motor. O vapor ou as gotas do líquido devem ser removidas
do combustível antes de entrar no motor através de um “filtro seco” que é
montado no sistema de combustível antes do regulador principal de pressão do
combustível. O ponto de orvalho do gás combustível deve ser pelo menos 11º C
(20º F) menor que a temperatura ambiente mínima no local da instalação.
O enxofre e os sulfetos de
hidrogênio causarão corrosão e sérios danos a um motor em um período
relativamente curto.
Motores diferentes apresentam
níveis diferentes de tolerância à contaminação por enxofre e alguns motores simplesmente
não funcionam com um combustível que contenha um teor significativo de enxofre.
Consulte o fabricante do motor para aprovação de motores específicos com
combustíveis específicos. Os efeitos do enxofre no combustível podem ser
compensados em parte pelo uso de óleos lubrificantes para gás natural com alto
teor de cinzas. Em geral, os motores não devem ser operados com combustíveis
que contenham mais de 10 partes por milhão (ppm).
Alguns combustíveis, como aqueles
derivados de aplicações de aterros, podem ter um teor útil de energia química,
porém níveis muito altos de enxofre (>24 ppm). Estes níveis são freqüentemente
chamados de “gás ácido”. Se o teor de enxofre de tal combustível for eliminado,
o mesmo poderá ser utilizado como um combustível para muitos motores, desde que
apresente valor calorífico suficiente em BTU.
Análise do Combustível: O fornecedor do combustível gasoso pode
fornecer uma análise de combustível que descreva a composição química do
combustível a ser fornecido. Esta análise de combustível pode ser utilizada para
se certificar de que o combustível seja adequado para uso em motores
específicos propostos para uma aplicação específica, e também para
certificar-se de que o teor de BTU do combustível seja suficiente para fornecer
a saída necessária em kW da máquina. Os fornecedores de gás podem modificar a
composição do gás natural canalizado sem aviso, de modo que não existe uma
garantia de longo prazo do desempenho, porém o processo de avaliação do combustível
pode ser descrito resumidamente como:
• Relacione a porcentagem de cada
gás na composição do combustível.
• Calcule a porcentagem do total
do combustível que é inflamável. A porcentagem da porção inflamável do combustível
é igual a 100% menos as porcentagens dos componentes inertes. Os componentes
inertes incluem oxigênio, dióxido de carbono e vapor de água.
• Calcule a porcentagem de cada
componente inflamável do combustível.
• Verifique a aceitabilidade do
combustível segundo a porcentagem de cada elemento inflamável versus as recomendações
do fabricante do motor.
Por exemplo, para uma análise de gás de:
90% Metano
6% Etano
2% Hidrogênio
1% Pentano Normal
1% Nitrogênio
– Porcentagem total de elementos
inertes = 1%.
– Total inflamável =100%-1% =
99%.
– % Metano = 90%/99% = 91%.
– % Etano = 6%/99% = 6.1%.
– % Hidrogênio = 2%/99% = 2%.
– % Pentano Normal = 1%/99% = 1%.
Consulte a Tabela 6-8 para uma
listagem típica dos Inflamáveis Máximos Permitidos em grupos geradores a gás da
Cummins. Note que neste exemplo, o combustível será aceitável para um motor com
baixa taxa de compressão (geralmente em torno de 8,5:1), porém não para um
motor com uma taxa de compressão mais elevada. Um motor com taxa de compressão
mais elevada, terá requisitos mais rigorosos de composição do combustível,
porém poderá funcionar de modo satisfatório reduzindo-se sua potência de saída.
Consulte o fabricante do motor.
• Verifique a classificação do
grupo gerador com base no uso do combustível proposto. O teor total de BTU do
combustível determinará a classificação do grupo gerador para um combustível de
uma determinada composição. Se qualquer componente do combustível tiver um
valor específico maior que o permitido, a redução da potência será necessária.
Consulte o fabricante do motor quanto aos requisitos do combustível e as
instruções para a redução da potência.
Note que a redução de potência
devida ao combustível e a redução de potência devida à altitude/temperatura, (Consulte
o fabricante do motor ou do grupo gerador quanto aos fatores de redução de
potencia devidos à temperatura/altitude), não são somadas. Apenas o valor
máximo da redução de potência devida ao combustível ou da redução de potência
devida à altitude/temperatura deverá ser aplicado.
Os motores turbocomprimidos
possuem requisitos únicos de composição do combustível devido às pressões mais elevadas
nos cilindros. Para evitar problemas com préignição ou detonação, a redução da
potência de saída será necessária se o teor de propano e/ou iso-butano exceder as
porcentagens na Tabela 6-9.
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