Estratégia de Controle de Turbina a Gás

Victor dos Santos Assumpo

Estratgia de Controle de Turbina a Gs

Dissertao de Mestrado

Dissertao apresentada como requisito parcial para obteno do ttulo de Mestre pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da PUC-Rio.

Orientador: Prof. Sergio Leal Braga

Co-orientador: Dr. Sandro Barros Ferreira

Rio de Janeiro Junho de 2012

DBDPUC-Rio - Certificao Digital N 0912546/CA


Estratgia de Controle de Turbina a Gs

Dissertao apresentada como requisito parcial para obteno do ttulo de Mestre pelo Programa de Ps-Graduao em Engenharia Mecnica da PUC-Rio. Aprovada pela Comisso Examinadora abaixo assinada.

Prof. Sergio Leal Braga Orientador

Departamento de Engenharia Mecnica PUC-Rio

Dr. Sandro Barros Ferreira Co-orientador GT2 Energia

Prof. Jos Alberto dos Reis Parise Departamento de Engenharia Mecnica PUC-Rio

Dr. Carlos Eduardo Reuther de Siqueira PETROBRAS

Prof. Jos Eugnio Leal Coordenador Setorial do Centro

Tcnico Cientfico PUC-Rio

Rio de Janeiro, 05 de Junho de 2012


Todos os direitos reservados. proibida a

reproduo total ou parcial do trabalho sem

autorizao da universidade, do autor e do

orientador.


Graduado em engenharia de controle e automao.

Trabalha na GT2 Energia, como engenheiro de

projetos, uma empresa voltada para o

desenvolvimento de softwares de usinas trmicas,

onde o controle destas usinas reproduzido ou

desenvolvido.

Ficha Catalogrfica

CDD: 621

Assumpo, Victor dos Santos

Estratgia de controle de turbina a gs /

Victor dos Santos Assumpo ; orientador:

Srgio Leal Braga ; co-orientador: Sandro

Barros Ferreira. 2012.

108 f. : il. (color.) ; 30 cm

Dissertao (mestrado)Pontifcia

Universidade Catlica do Rio de Janeiro,

Departamento de Engenharia Mecnica, 2012.

Inclui bibliografia

1. Engenharia mecnica Teses. 2.

Turbinas a gs. 3. Controle de turbinas a gs.

4. Gerao trmica. I. Braga, Srgio Leal. II.

Ferreira, Sandro Barros. III. Pontifcia

Universidade Catlica do Rio de Janeiro.

Departamento de Engenharia Mecnica. IV.

Ttulo.


Aos meus pais, que me deram educao e condies para alcanar este objetivo.


Agradecimentos

Aos meus pais, Osvaldir e Ftima, e minha irm.

Ao meu orientador, professor Sergio Leal Braga, pelo suporte junto PUC-Rio.

Ao meu co-orientador, Dr. Sandro Barros Ferreira, pela oportunidade e

orientao neste estudo.

Ao Vincius Pimenta de Avellar, por todo o apoio e sugestes durante este

trabalho.

PUC-Rio, pela bolsa de iseno de ps-graduao.


Resumo

Assumpo, Victor dos Santos; Braga, Sergio Leal. Estratgia de

Controle de Turbina a Gs. Rio de Janeiro, 2012. 108p. Dissertao de

Mestrado Departamento de Engenharia Mecnica, Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro.

Aps um perodo de baixa nas bacias hidrogrficas, o Brasil investiu em

novas fontes de gerao de energia eltrica. O gs natural um dos exemplos

destas novas fontes de energia. Dentre as usinas usurias deste combustvel,

existem aquelas que operam com turbinas a gs. Muitos estudos sobre

modelagem de turbinas a gs, simulao de desempenho, diagnstico e controle

comearam devido a importncia dessas usinas. Assim, torna-se necessrio que

estas usinas trabalhem com segurana e confiabilidade. Para garantir esta

estabilidade, necessrio o desenvolvimento de um sistema de controle, capaz

de realizar esta operao de gerao de energia eltrica de forma satisfatria. O

sistema de controle utilizado por estes equipamentos o objeto de estudo deste

trabalho. Neste trabalho, foi utilizado um modelo computacional de uma turbina

a gs com duas caractersticas principais: um modelo computacional do sistema

de controle, desenvolvido com base em uma nova metodologia de controle de

turbina a gs, e um modelo termodinmico existente de uma turbina a gs ligado

rede brasileira. O sistema de controle utiliza a temperatura de sada da turbina

a gs (TET), como um fator de correo, para ajustar a temperatura da entrada da

turbina (TIT). Esta temperatura (TIT) utilizada como referncia para o controle

de fluxo de combustvel injetado no interior da cmara de combusto. O modelo

tambm controla o VIGV (ps diretoras mveis na entrada do compressor)

atravs de uma curva utilizada no controle desta turbina a gs ligada rede

brasileira. O modelo computacional ainda apresenta um clculo simplificado da

composio molar dos gases de exausto desta mquina trmica. Esta

caracterstica pode ser usada em combinao com um modelo de uma caldeira de

recuperao de calor (HRSG), para simular uma condio de queima

suplementar (duct burner), onde o principal objetivo aumentar a potncia

produzida no ciclo. Os resultados da simulao foram comparados com os dados

operacionais da usina brasileira.


Palavras-chave

Turbinas a gs; Controle de Turbinas a Gs; Gerao Trmica.


Abstract

Assumpo, Victor dos Santos; Braga, Sergio Leal (Advisor). Control

Strategy of a Gas Turbine. Rio de Janeiro, 2012. 108p. MSc. Dissertation

Departamento de Engenharia Mecnica, Pontifcia Universidade Catlica do Rio de Janeiro.

After a period of water shortage, Brazil invested in new sources of

electricity generation. Natural gas is an example of these new energy sources.

Among these plants, some operate with gas turbines. Many studies about gas

turbine modeling, performances simulation, diagnosis and control have started

due the importance of these power plants. Thus, it is necessary that these plants

work safely and reliably. To ensure this stability, it is necessary to develop a

control system capable of performing this operation for generating electricity in

a satisfactory manner. Then, the control system used by this equipment becomes

the objective of this study. In this work, a computational model of a gas turbine

was used with two main features: a developed computational model of control

system based on a new methodology of gas turbine control and an existing

thermodynamic model of a gas turbine connected to the Brazilian grid. The

control system uses the turbine exhaust temperature (TET) as a corrective factor

to adjust the turbine inlet temperature (TIT). TIT was used as a setpoint to

control the fuel flow injected inside the combustor. The model also controls the

IGV (Inlet Guide Vanes) by a control curve used in control of a specific gas

turbine. There is a simplified calculation of the molar composition of the exhaust

gas. This feature could be used in combination with a model of a heat recovery

steam generator (HRSG) to simulate a condition with duct burners where the

main objective is increase the cycle power. The results of simulation were

compared to the operational data from the Brazilian power plant.

Keywords

Gas Turbine; Gas Turbine Control; Thermal Generation.


Sumrio

Nomenclatura 15

1 Introduo 17

2 Reviso Bibliogrfica 21

3 Turbinas a Gs 38

3.1. Ponto de Projeto (design point) 38

3.2. Off-design 39

3.3. Regime Transitrio 40

3.3.1. Transitrio Trmico 40

3.3.2. Transitrio Termodinmico 40

3.3.3. Transitrio Mecnico 42

4 Descrio da turbina a gs estudada 43

5 Melhorias no modelo da turbina a gs 45

5.1. Composio dos gases de exausto 45

5.2. Injetores de combustvel 47

6 Controle de Processos 50

6.1. Controlador On-Off 52

6.2. Controladores Proporcional, Proporcional Integral e Proporcional

Integral Derivativo (PID) 52

7 Controle de Turbinas a Gs 55

7.1. Estratgias de Controle de Turbinas a Gs 58

7.2. Metodologia de controle da turbina a gs estudada 63

7.3. Metodologia de controle OTC 64

7.4. Metodologia utilizada 66


8 Simulao 69

9 Resultados da simulao 74

9.1. Resultados para simulao de ponto de projeto 74

9.2. Resultados para simulao em off-design 75

9.3. Resultados para simulao em regime transitrio 77

10 Concluso 87

11 Trabalhos futuros 90

12 Referncias Bibliogrficas 92

13 Anexo 95


Lista de figuras

Figura 1 Diagrama de blocos simplificado para uma turbina de eixo

simples para uma operao isolada [4]. 21

Figura 2 Diagrama de blocos esquemtico de controle de turbinas a gs,

com controle de VIGV [5]. 23

Figura 3 Diagrama de blocos do controle do modelo da turbina

a gs, apresentado em [15]. 29

Figura 4 Sistema de controle MFA em cascata [20]. 32

Figura 5 Configurao bsica de uma turbina a gs de ciclo simples e

ciclo aberto. 38

Figura 6 Comportamento dos injetores de combustvel do

modelo computacional de uma turbina a gs, quando aplicado uma

reduo de carga. 49

Figura 7 Representao de um processo a ser controlado [35]. 51

Figura 8 Sistema de malha aberta, sem realimentao [35]. 51

Figura 9 Representao de um sistema de malha fechada [35]. 51

Figura 10 Nvel hierrquico do DCS (Distributed Control System

Sistema de Controle Distribudo) apresentado por Boyce [37]. 56

Figura 11 Estratgia de controle de vazo de combustvel baseado em

Rowen [4], onde TET a temperatura de exausto da turbina. 60

Figura 12 Estratgia de controle para turbina a gs com

compressor de geometria varivel [39]. 61

Figura 13 Exemplo de configurao de uma usina em ciclo combinado

com duas turbinas a gs, duas caldeiras de recuperao de calor e uma

turbina a vapor [40]. 63

Figura 14 Desenho esquemtico com a estratgia de controle OTC

(Outlet Temperature Corrected) para uma turbina a gs especfica [26]. 66

Figura 15 Dados operacionais da potncia mecnica (MW) requerida

pelo sistema energtico, usadas como entrada do modelo computacional. 70

Figura 16 Curvas com o comportamento da temperatura de sada da

turbina, para diferentes valores de temperatura ambiente e aplicada uma


reduo de carga [41]. 71

Figura 17 Curva de configurao do modelo da turbina a gs, utilizada

para avaliar o comportamento do modelo contra o resultado apresentado

em [41]. 72

Figura 18 Curva com a variao de potncia nominal e variao de heat

rate em funo da temperatura ambiente, de uma turbina a gs especfica [42]. 75

Figura 19 Curva de comparao entre a curva de operao de uma turbina

a gs especfica com os resultados do modelo computacional para regime

fora do ponto de projeto. 76

Figura 20 Comparao entre os dados operacionais da velocidade de

rotao do equipamento e os valores calculados pelo modelo da turbina a gs. 78

Figura 21 Erro percentual entre os dados de operao e os resultados do

modelo computacional para a velocidade de rotao. 78

Figura 22 Comparao entre os dados operacionais da temperatura de

descarga do compressor e os valores calculados pelo modelo da turbina a gs. 79

Figura 23 Erro percentual entre os dados de operao e os resultados

calculados pelo modelo computacional para a temperatura de sada

do compressor. 80

Figura 24 Comparao entre os dados operacionais da presso de

descarga do compressor e os valores calculados pelo modelo da turbina a gs. 80

Figura 25 Erro percentual entre os dados de operao e o resultado

calculado pelo modelo computacional para a presso de sada do compressor. 81

Figura 26 Comparao entre os dados operacionais do ngulo de

fechamento das ps diretoras mveis do compressor e os valores calculados

pelo modelo da turbina a gs. 82


calculado pelo modelo computacional para as ps diretoras mveis do

compressor. 82

Figura 28 Comparao entre os dados operacionais da vazo mssica

de combustvel inserida na cmara de combusto e os valores calculados

pelo modelo da turbina a gs. 83

Figura 29 Erro percentual entre os dados de operao e o resultado do

modelo computacional para a vazo mssica de combustvel. 84


Figura 30 Comparao entre os dados operacionais da temperatura de

sada da turbina e os valores calculados pelo modelo da turbina a gs. 85


calculado pelo modelo computacional para a temperatura de sada da turbina. 85


Lista de tabelas

Tabela 1 Capacidade de gerao de energia eltrica do Brasil ANEEL [3]. 18

Tabela 2 Legenda para os tipos de empreendimento ANEEL [3]. 18

Tabela 3 Lista de empreendimentos de gerao de energia eltrica

em construo no Brasil ANEEL [3]. 19

Tabela 4 Tabela que relaciona o valor percentual de carga com a

temperatura corrigida pelo OTC [26]. 35

Tabela 5 Tabela com o ajuste de temperatura realizado pelo OTC [26]. 35

Tabela 6 Tabela com ajuste multiplicador em funo do valor

percentual da carga [26]. 35

Tabela 7 Dados de ponto de projeto da turbina a gs Siemens W501F,

utilizada neste estudo [34]. 44

Tabela 8 Comparao entre os dados operacionais e o modelo

computacional para a condio de ponto de projeto para uma turbina

a gs especfica. 74

Tabela 9 Erro percentual entre a curva do fabricante e o modelo

computacional para operao em off-design. 76

Tabela 10 Resultados calculados pelo modelo computacional de uma

turbina a gs especfica, utilizada neste estudo. 95


Nomenclatura

c Velocidade do fluido

CIT Temperatura de entrada no compressor

e Sinal de erro

E Energia total

F Fora

g Acelerao da gravidade

h Entalpia

I Momento de inrcia

k Ganho do controlador

L Quantidade de movimento angular

m Massa

m Vazo mssica

M Peso molecular

OTC Outlet Temperature Corrected (Temperatura de sada corrigida)

p Presso

PCI Poder calorfico inferior

Q Taxa de transferncia de calor

R Constante universal dos gases

t Tempo

T Temperatura

T2T Temperatura de sada do compressor

u Sinal controlado

V Volume

VIGV Variable Inlet Guide Vanes (Ps diretoras mveis do compressor)

VSV Variable Stator Vanes (Guias mveis no estator)

W Taxa de transferncia de trabalho potncia

y Frao molar

z Altura


Letras gregas

Razo entre o calor especfico a presso constante e o calor

especfico a volume constante

Eficincia

Velocidade angular

ndices

d Derivativo

i Integral

p Proporcional

t turbina


1 Introduo

O sistema energtico brasileiro est em fase de reestruturao nos ltimos

anos. Segundo a Cmara de Comercializao de Energia Eltrica [1], a reforma do

Setor Eltrico Brasileiro comeou em 1993 com a Lei n 8.631, que extinguiu a

equalizao tarifria vigente e criou os contratos de suprimento entre geradores e

distribuidores, e foi marcado pela promulgao da Lei n 9.074 de 1995, que criou

o Produtor Independente de Energia e o conceito de Consumidor Livre. E, em

1996, foi implantado o Projeto de Reestruturao do Setor Eltrico Brasileiro

(Projeto RE-SEB), coordenado pelo Ministrio de Minas e Energia.

As principais concluses do projeto foram: a necessidade de implantar a

desverticalizao das empresas de energia eltrica, ou seja, dividi-las nos

segmentos de gerao, transmisso e distribuio, incentivar a competio nos

segmentos de gerao e comercializao, e manter os setores de distribuio e

transmisso de energia eltrica, considerados como monoplios naturais, sob-

regulao do Estado.

Durante o ano de 2001, o pas passou por uma crise no abastecimento de

gua das usinas hidreltricas, que resultou em um racionamento de energia

eltrica. Este problema levou a discusses sobre os rumos do setor eltrico e, em

2002, constituio do Comit de Revitalizao do Modelo do Setor Eltrico, que

resultou em propostas de modificaes no setor.

Uma das propostas adotadas para novos projetos de usinas para gerao de

energia eltrica foi a utilizao de usinas termeltricas. Segundo Lora et al. [2], as

projees de consumo de eletricidade e as perspectivas de expanso do sistema

eltrico em todo o mundo indicam que as participaes dos leos combustveis, da

hidroeletricidade e da energia nuclear devem cair nos prximos 20-25 anos. Por

outro lado, as participaes do gs natural e fontes renovveis, exceto a

hidroeletricidade, tendem a crescer.

Assim, a utilizao de usinas trmicas que utilizam gs natural como

combustvel apresentou uma das melhores oportunidades de negcio para a rea


Introduo 18

de gerao de energia, incentivada pela disponibilidade e baixa de preos do gs

natural. As usinas termeltricas que utilizam turbinas a gs, seja para ciclo simples

ou ciclo combinado, ganharam fora, e se tornaram uma das principais fontes de

energia eltrica.

Segundo a Agncia Nacional de Energia Eltrica, ANEEL [3], a capacidade

de gerao de usinas trmicas no Brasil de aproximadamente 27 (26,62) %,

divididas em 1492 usinas, totalizando uma potncia outorgada1 de 32.579.453

kW, porm, com uma potncia fiscalizada2 de 31.011.369 kW. Estes dados so

apresentados na Tabela 1. A legenda para o tipo de empreendimento de gerao

de energia eltrica apresentada na Tabela 2.

Tabela 1 Capacidade de gerao de energia eltrica do Brasil ANEEL

[3].

Tabela 2 Legenda para os tipos de empreendimento ANEEL [3].

1 Potncia outorgada igual considerada no Ato de Outorga.

2 A Potncia Fiscalizada igual considerada a partir da operao comercial da primeira

unidade geradora.

Tipo Quantidade Potncia Outorgada (kW) Potncia Fiscalizada (kW) %

CGH 364 211.046 208.225 0,18

EOL 66 1.333.638 1.324.242 1,14

PCH 417 3.863.909 3.818.207 3,28

UFV 6 5.087 1.087 0.00

UHE 180 78.718.073 78.141.904 67,07

UTE 1.492 32.579.453 31.011.369 26,62

UTN 2 2.007.000 2.007.000 1,72

Total 2.527 118.718.206 116.512.034 100.00

Empreendimentos em Operao

CGH Central Geradora Hidreltrica

CGU Central Geradora Undi-Eltrica

EOL Central Geradora Eolieltrica

PCH Pequena Central Hidreltrica

SOL Central Geradora Solar Fotovotaica

UFV Usina Fotovoltaica

UHE Usina Hidreltrica de Energia

UTE Usina Termeltrica de Energia

UTN Usina Termonuclear

Legenda


Introduo 19

Porm, h uma lista de empreendimentos em construo, totalizando 41

novas usinas termeltricas, que geraro 4.641.385 kW de potncia outorgada,

conforme a Tabela 3.

Tabela 3 Lista de empreendimentos de gerao de energia eltrica em

construo no Brasil ANEEL [3].

Assim, o desenvolvimento de projetos com a utilizao de turbinas a gs

como mquina motriz geradora tem um potencial de crescimento considervel.

Por ser uma rea relativamente nova no setor eltrico do pas, muitos estudos

foram iniciados. Dentre estes estudos, encontram-se a modelagem de turbinas a

gs, diagnsticos e controle.

Este estudo visa simular uma nova metodologia de controle, aplicada a este

tipo de mquina trmica. Apesar de existirem muitos fabricantes de controle de

turbinas a gs no mundo (o mesmo no acontece aqui no Brasil), h um alto grau

de complexidade associado ao controle deste equipamento. Existem vrias

estratgias de controle associadas a vrias configuraes deste equipamento, sem

contar em inmeras variveis controladas e na qualidade da operao, que so

fundamentais para a utilizao desta mquina trmica no processo de gerao de

energia eltrica.

Para este trabalho, a turbina a gs escolhida (Siemens Westinghouse

W501F) composta por um nico eixo, um compressor de geometria varivel

com 16 estgios de compresso, uma cmara de combusto composta por 16

combustores (com quatro tipos de injetor por combustor piloto, estgio A,

estgio B e estgio C) e uma turbina com 4 estgios de expanso.

Tipo Quantidade Potncia Outorgada (kW) %

CGH 1 848 0.00

EOL 33 913.29 3,36

PCH 51 645.179 2,37

UHE 12 19.660.000 72,25

UTE 41 4.641.385 17,06

UTN 1 1.350.000 4,96

Total 139 27.210.702 100.00

Empreendimentos em Construo


Introduo 20

Um modelo computacional ser utilizado para anlise e implantao de um

modelo de sistema de controle baseado na literatura. Esta turbina a gs est

disponvel para operao, seja em ciclo simples ou em ciclo combinado.


2 Reviso Bibliogrfica

Rowen [4] apresenta uma representao matemtica simplificada de uma

turbina a gs, adequada para uma anlise dinmica do equipamento. O objetivo

deste estudo a investigao da estabilidade dos sistemas de potncia, o

desenvolvimento de estratgias de distribuio e planos de contingncia para

sistemas com distrbios. As turbinas a gs descritas nesse artigo so turbinas a gs

de ciclo simples, de eixo nico, utilizadas para gerao de energia. A Figura 1

representa um diagrama de blocos simplificado para uma turbina a gs de eixo

simples, seus controles e sistema de combustvel, representada como um servio

isolado de gerao.

Figura 1 Diagrama de blocos simplificado para uma turbina de eixo

simples para uma operao isolada [4].

O sistema de controle inclui o controle de velocidade (rotao), temperatura,

acelerao e limites mnimos e mximos de combustvel. A representao do

regulador de velocidade adequada para o controle iscrono e droop, e atua no

erro de velocidade formado entre a velocidade de referncia somada a um setpoint

digital, e a velocidade atual do sistema ou rotor. O regulador droop um

controlador de velocidade puramente proporcional onde a sua sada proporcional

ao erro de velocidade. Um regulador iscrono um controlador de velocidade

formado por um controlador proporcional um controlador de reset, onde a taxa de


Reviso Bibliogrfica 22

mudana proporcional ao erro de velocidade. O controle de temperatura o

mtodo utilizado para limitar a sada de temperatura de turbina a gs atravs de

um valor de temperatura de queima pr-determinada, onde este valor

independente da variao da temperatura ambiente ou caractersticas do

combustvel. Devido dificuldade de medio desta temperatura no interior da

cmara de combusto (temperatura de entrada na turbina, da sigla TIT, que

significa turbine inlet temperature), a medio realizada atravs de pares de

termopares com escudos de radiao incorporados, localizados ao final do ltimo

estgio de expanso. Esta temperatura a temperatura do blade path ou TOT

(turbine outlet temperature) Importante notar, que h um pequeno erro no

transitrio devido s constantes de tempo associadas ao sistema de medio. O

controle de acelerao usado, principalmente, durante a partida da turbina a gs,

para limitar a taxa de acelerao do rotor antes de ele atingir a velocidade

controlada. Assim, reduz-se o esforo trmico encontrado durante a partida. Esse

controle tambm possui uma funo secundria durante a operao normal,

atuando na reduo da vazo mssica de combustvel injetada e, com isso,

limitando a tendncia de sobre velocidade no evento onde a turbina

dessincronizada com o sistema.

Essas trs funes de controle velocidade de rotao, temperatura de

exausto e acelerao so todas entradas de uma funo de seleo de valor

mnimo. A sada desta funo, que chamada de VCE, o menor valor dessas

trs entradas, resultando em um menor valor de vazo de combustvel.

Transferncias de um tipo de controle para outro so feitas sem amortecimentos e

sem nenhum atraso de tempo. O valor de sada desse seletor de valor mnimo

comparado com valores limitadores (mximo e mnimo). O limite superior (valor

mximo) serve como um backup para o controle de temperatura e no utilizado

em uma operao normal. J o limite inferior tem maior importncia durante a

dinmica do sistema, ou seja, este limite escolhido para manuteno da vazo de

combustvel adequada para garantir que a chama de combusto seja mantida no

interior do sistema de combusto.

O mesmo Rowen acrescenta, em um novo artigo [5], o controle das VIGVs

(Variable Inlet Guide Vanes), as palhetas mveis no primeiro estgio do

compressor, que regulam a vazo mssica de ar que entra no compressor. Alm de

garantir a estabilidade do compressor (evitar efeitos de stall), este controle



importante para a manuteno da temperatura de exausto da turbina a gs,

quando esta opera em condio de ciclo combinado. Ainda h a presena de

elementos chamados de bleed valves, que so utilizados para proteger a turbina a

gs dos efeitos de surge e stall durante os procedimentos de partida e parada.

Porm, o autor no aborda estes equipamentos Outra abordagem dada ao

comportamento das caractersticas desses sistemas adicionais, a maneira como

podem afetar o funcionamento das turbinas a gs durante a gerao de energia

eltrica, considerando uma velocidade rotacional fixa, referente frequncia da

rede. Assim, h um novo diagrama de blocos, Figura 2. possvel notar,

comparado ao diagrama de blocos apresentado pela Figura 1, existem algumas

modificaes, por exemplo, o controle das VIGVs. A lgica utilizada mantida, e

assim, o sinal de VCE o menor valor entre a velocidade de rotao de entrada, a

acelerao e partir de agora, de uma relao entre a temperatura de exausto e o

ngulo da IGV que controla a vazo mssica de ar que entra no compressor.

Figura 2 Diagrama de blocos esquemtico de controle de turbinas a

gs, com controle de VIGV [5].

Ravi et al. [6] apresentam um estudo de caso de uma turbina a gs

especfica utilizada para operaes em terra, voltada para a propulso de veculos.

Esta turbina projetada para abranger uma maior faixa de pontos de operao

(velocidades) comparado com uma turbina de aplicaes aeronuticas. Uma

turbina de dois eixos, onde a turbina de alta presso movimenta o compressor, e

uma turbina livre de baixa presso que gera a potncia para a transmisso do

SPEED GOVERNOR

RAMPs

s

83.0

)183.0(3 LOW

VALUE SELECT

NOTE 2

X

XXXX

MAX

MIN

FUELLIMITS

NOTE 3

105.0

1

s

RATIO VALVEPOSITIONER

1

1

sCD

105.0

1

s

GAS CONTROL VALVE POSITIONER

14.0

1

s

GAS FUEL SYSTEM

eCDSE

COMBUSTOR

1

1

1 s

2f

s

100

ACCELCONTROL

NROTORSPEED

DIFFERANTIATOR

SS

LOAD TORQUECOEFFICIENT

s

s

T

13.3

FUELTEMP.

CONTROL

1f

eCDSE

0.8

X

15.2

1

s

115

1

s

UP

DOWN

GOVERNORSETPOINT

1.0

0.1 PU/SEC

TURBINETORQUE

3fMAX

MIN

IGVLIMITS

13

1

s

IGVACTUATOR

s

s

4

)1(2.0

THERMOCOUPLE

TM

TRA

150(MAX = 30)

FUEL OVERRIDEBIAS

ROTOR

TURBINE

IGV TEMPCONTROL

1.0

+

+

+

+

+

+ +

+

RADIATION SHIELD

TX

Wf

-

-

-+

-

+

+



veculo. A turbina apresenta um recuperador inserido no caminho do ar, com o

objetivo de pr-aquecer o ar que entra no combustor, resultando em uma maior

eficincia. Outra caracterstica do equipamento o bocal de rea varivel da

turbina, que ajuda a controlar a diviso do trabalho entre as duas turbinas.

O artigo apresenta boas informaes sobre o controle da turbina a gs

estudada. Apesar de no ser uma turbina a gs industrial, o mtodo utilizado para

o controle semelhante ao caso de gerao de energia, onde os parmetros

controlveis so os mesmos. Outra diferena o fato desta turbina a gs possuir

dois eixos.

Camporeale e Fortunato [7] apresentam a simulao do comportamento de

turbinas a gs de alta eficincia, baseadas em ciclos avanados obtidos com

recuperador, intercooler, economizador, injeo de vapor ou de gua. Descreve

metodologias numricas para resolver equaes governantes no lineares e

equaes diferenciais. O controle de velocidade de um rotor, operando atravs da

vazo de combustvel, foi considerado em dois casos transitrios diferentes, onde

h uma reduo repentina de potncia.

Os autores apresentam uma breve descrio sobre esses equipamentos, junto

com o mtodo numrico utilizado para resolver as principais equaes no

lineares e, finalmente, o sistema de controle a ser adotado. O modelo matemtico

computacional configurado de acordo com os equipamentos auxiliares utilizados

na turbina a gs e seu comportamento em operaes fora de ponto de projeto e

regime no permanente so descritos utilizando as variveis: temperatura, presso

e a taxa de vazo mssica. A composio do combustvel tambm considerada

para o modelo computacional. O modelo numrico definido por equaes

algbricas no lineares e por equaes diferenciais. O mtodo utilizado com as

equaes diferenciais o algoritmo de Newton-Raphson, com avaliao numrica

da matriz Jacobiana atravs das diferenas finitas. Para a soluo de trocadores de

calor, uma abordagem de diferenas finitas tambm utilizada com uma

aproximao de segunda ordem da derivada parcial da temperatura no tempo e no

espao. O sistema de controle utiliza um modelo dinmico no linear (( [8]) apud

[7]) definido por uma matriz de estados.

O modelo apresentado apresenta resultados que no so comparados com

valores reais, portanto, no possvel validar esses valores. Falta informao



sobre como definir essas matrizes de estado, alm de no definir cada elemento da

equao. Por fim, no insere nenhuma referncia sobre o mtodo utilizado.

Silva et al. [9] apresentam o desenvolvimento de sistemas de controle para

sistemas no lineares, que envolvem o uso de modelos computacionais de alto

custo. Com o intuito de acelerar o processo de desenvolvimento e, permitir que

outros projetos sejam avaliados, uma abordagem de baixo custo introduzida

usando uma modelagem de complexidade varivel (VCM). Um modelo

termodinmico no linear de uma turbina a gs utilizado para avaliar a seleo

de projeto parar configuraes de controladores PI multivariveis. A anlise de

regresso utilizada nos modelos para vrias respostas de controle. Estes modelos

so usados para o projeto de um controlador feito com algoritmo gentico de

mltiplos objetivos (MOGA), que combina as caractersticas de uma poderosa

estratgia de otimizao evolucionria com o conceito de melhor resultado, para

produzir solues ilustrativas de um problema de trade off. O resultado

comparado ao modelo no linear original.

A forma de controle apresentada no artigo dependente de uma boa

utilizao de algoritmo gentico. Montar estas superfcies de respostas requer

treinamento e familiarizao com o mtodo, pois os autores utilizam um mtodo

de multidisciplinar, porm, no explicado de forma clara. Eles apenas fazem

referncias a alguns trabalhos. O desenvolvimento do controle, junto com os seus

ganhos tambm no est bem definida, gerando incertezas sobre como o

controlador PI foi utilizado. Por fim, os resultados finais no mtodo MOGA no

so confrontados com dados reais do equipamento. Assim, por melhores que

sejam os resultados, no possvel verificar se estes resultados representam bem o

equipamento estudado pelos autores.

Kim et al. [10] apresentam uma nova modelagem de turbinas a gs, o

sistema de controle aplicado e tambm os resultados da simulao de duas

turbinas a gs durante o regime transitrio (partida, mudanas de carga,

desligamento do equipamento, bem como condies anormais de operao como

um caso de emergncia). O comportamento dinmico de um sistema que consiste

de um fluido de trabalho e de partes girantes descrito atravs das leis de

conservao e atravs de equaes de movimento. Para uma anlise completa das

caractersticas dinmicas, clculos em regime transitrio tridimensionais so

utilizados. Segundo os autores, a simulao unidimensional prov resultados com



uma preciso suficiente para a simulao do equipamento como um todo. Para

evitar uma maior complexidade na derivao das equaes governantes bsicas,

os autores utilizam uma forma integral das equaes de conservao. Estas formas

integrais das equaes so descritas pela equao da continuidade, equao do

momento e equao da energia.

Os autores utilizam compressores axiais de mltiplos estgios de turbinas a

gs industriais geralmente so equipados com VIGV (Variable Inlet Guide Vane)

e VSVs (Variable Stator Vanes). Trs variveis so dadas como condies limite:

temperatura de entrada, presso de entrada e presso de sada. O mtodo

multivarivel de Newton-Raphson utilizado para a soluo do conjunto de

equaes. A equao de rotao considerando as inrcias, torques e cargas,

tambm utilizada, onde o torque de carga alterado. Assim, h um

desbalanceamento entre o torque desenvolvido e o torque de carga, resultando em

uma alterao da velocidade rotacional.

A funo de controle da rotao est associada ao controle do combustvel,

modelando a vazo de combustvel que ser injetada. A temperatura de sada da

turbina (TET) geralmente controlada no nvel mais alto possvel durante

operaes em regime transitrio. controlada atravs do ngulo das VIGVs ou

VSVs existentes no compressor. Este controle representado por uma

combinao de um governador, atuadores e um sistema de medio. O sistema de

controle inclui controle de rotao, temperatura, VIGV, acelerao e limitadores

mximos e mnimos de vazo de combustvel e ngulo de VIGV. Os

controladores so baseados na lgica de controle proporcional-integral (PI). Os

parmetros do sistema descrevendo as caractersticas em regime permanente esto

de acordo com os dados do fabricante, indicando que a modelagem dos

componentes, especialmente o de compressor com geometria varivel, simulam a

operao muito bem.

Chivers e Milanovic [11] apresentam uma viso geral da rede eltrica no

Reino Unido, onde a distribuio feita em uma tenso de 132 kV e est

diretamente conectada aos clientes finais. Comenta tambm sobre a utilizao de

fontes renovveis como a potncia resultante de um ciclo combinado de calor

(combined heating power CHP). Outra fonte utilizada so as turbinas a gs com

uma configurao de ciclo combinado, ou uma configurao CHP. A modelagem

e a simulao da turbina a gs foi realizada atravs da famlia do software



MATLAB/Simulink, utilizando uma ferramenta j existente no software chamado

de Power System Blockset (PSB) especfica para anlises de sistemas de potncia.

O artigo apresenta uma forma de controle para o sistema eltrico. Os autores

s comentam sobre o controle, e os tipos de controle utilizados. No h uma

descrio mais completa do controlador, s uma informao sobre a configurao

do tipo de controle escolhido.

Chakrabarti e Bandyopadhyay [12] apresentam uma proposta de controle

eletrnico, usando uma realimentao peridica e constante. Algumas tcnicas de

controle, dentre elas, o controle de realimentao de estado e o controle linear

quadrtico, tambm so citadas no artigo.

O artigo apresenta uma aplicao de controle interessante. Os resultados

apresentados mostram uma boa resposta s perturbaes do sistema. A maior

dificuldade reduzir a ordem do sistema, pois necessita de ajuda de um comando

do programa MATLAB. Este mtodo provavelmente deve ser desenvolvido neste

ambiente de programao, tornando-o limitado a este software. Mas apesar destes

resultados, o artigo no mostra uma representao clara do modelo da turbina a

gs, assim, no possvel dizer se o modelo est bem representado, e com isso,

avaliar se o controle to bom quanto os resultados mostram.

Oceanak e Baker [13] apresentam alguns elementos chave para o

desenvolvimento e projeto de um sistema de controle digital genrico para o

controle da vazo de combustvel de uma turbina a gs. Apresenta uma descrio

de detalhes do desenvolvimento do controle, processo de desenvolvimento e ainda

enfatiza a necessidade de uma modelagem com alta fidelidade e ferramentas para

simulao, para promover um software robusto inicial de controle. A capacidade

de processamento digital e as ferramentas de programao de softwares flexveis

atuais permitem aos desenvolvedores de sistemas controle para turbinas a gs,

desenvolver um sistema de controle simples que incorpora muitas opes sua

funcionalidade. Os usurios podem, ento, configurar as opes necessrias

dependendo do tipo de turbina a gs que desejam controlar. Esse tipo de controle

genrico possui a capacidade de alcanar as especificaes da turbina de mltiplos

projetos de fabricantes em vrias aplicaes de mercado.

Apesar de mostrarem uma tcnica para desenvolver um controle genrico, a

falta de resultados numricos um fator que atrapalha a verificao sobre a

eficcia do modelo apresentado. O artigo apenas apresenta uma forma de



desenvolvimento de um controlador para uma ou vrias turbinas a gs. Outro

detalhe importante o fato dos autores ficarem presos ao sistema CORE (sistema

de controle de combustvel), ou seja, todo o desenvolvimento do controle feito

ao redor dele. provvel que seja um sistema comercial e, com isso, seria

necessria aquisio de licena para sua utilizao.

Schulke [14] apresenta uma estratgia de controle de rede redundante, que

est longe de sistemas complexos, trplex caros ou TMR (Triple Modular

Redundant) e segue em direo ao sistema de controle de rede e de dupla

redundncia. O artigo se concentra na apresentao de um hardware de controle.

O modelo de controle de combustvel e combusto utilizado baseado no pacote

de turbinas a gs aero derivativas. O uso das comunicaes de rede em controle de

turbinas a gs apresenta algumas vantagens, como reduo do custo total, reduo

do tempo de instalao e do tempo de comissionamento. Expansibilidade do

sistema e distribuio do processo so outras vantagens. O grande objetivo

reduzir os custos para o desenvolvimento de um equipamento de controle

utilizado em turbinas a gs aero derivativas. Os testes foram realizados em uma

turbina a gs aero derivada com aplicao marinha, utilizando redundncia dupla

e rede de I/O distribuda, para reduzir custos e melhorar sua disponibilidade.

Outro objetivo utilizado para a reduo de custos minimizar a quantidade de

cabos utilizados para montar essa rede, minimizando tambm atrasos enquanto se

mantm um desempenho timo.

O autor apresenta uma forma de construir um controlador. A parte lgica, o

tipo de controle a ser utilizado no estudado nesse artigo. O grande objetivo

construir um sistema fsico de controle que reduza os custos de montagem e

tempo para comear a operao, substituindo grandes cabeamentos por sistemas

de medio montados mais prximos a cada equipamento.

Jurado e Carpio [15] apresentam um modelo de controle preditivo (Model

predictive control MPC) que usado para minimizar, amortecer, as oscilaes

da turbina a gs quando o sistema de distribuio de potncia submetido a algum

distrbio. O modelo da turbina a gs utilizado foi dividido em sees. Atravs de

cada seo, o estado termodinmico foi assumido como constante localmente, mas

variante em relao ao tempo. A Figura 3 mostra o diagrama de blocos de controle

da turbina a gs.



Figura 3 Diagrama de blocos do controle do modelo da turbina a gs,

apresentado em [15].

A estratgia de controle MPC usa um modelo do sistema a ser controlado

para prever a resposta em um intervalo futuro, chamado horizonte de previso.

Esse controle foi baseado no Speedtronic Mark IV. O artigo apresentou o modelo

de Hammerstein para a planta de uma turbina a gs e o mtodo MPC. O modelo

se mostra adequado para uso em estudos de estabilidade de sistemas de potncia.

O MPC projetado para turbinas a gs com o intuito de melhorar o desempenho

dinmico do sistema. O modelo foi testado em um sistema simples de

distribuio, e os resultados da simulao dos sistemas com e sem o MPC foram

comparados. O modelo do MPC melhora o desempenho dinmico do sistema.

Apesar de apresentar alguns resultados, considerados satisfatrios pelos

autores, o artigo no cita nenhuma fonte de onde os dados reais foram retirados e

usados para a comparao presente nas figuras. Este modelo de controlar

apresenta um grande custo computacional, devido necessidade de refazer

configuraes de horizontes de previso a cada instante que o controlador

acionado.

Yee, Milanovic e Hughes [16] apresentam uma comparao entre alguns

modelos existentes de turbina a gs. O primeiro modelo apresentado pelos autores

um modelo derivado diretamente das propriedades e leis da Termodinmica,

baseados no ciclo de Brayton. O segundo modelo considerado foi o modelo de



Rowen [4]. Este modelo descrito e analisado junto com um terceiro modelo, o

modelo da IEEE ( [17] apud [16]). Ainda apresentam outros modelos, porm os

comentrios detalhados se restringem aos modelos discutidos anteriormente.

Dentre eles, esto os modelos de turbinas a gs aeroderivativas, GAST,

WECC/GG0V1, CIGRE e o modelo dependente da frequncia.

O artigo apresenta apenas a comparao entre os modelos. Os resultados

apresentam o mesmo comportamento, apesar de algumas variveis possurem

valores distintos. Por ser uma comparao entre modelos, pode-se analisar em

termos de controle, qual apresenta o melhor resultado, por exemplo, menor

overshoot, menor tempo de assentamento, caractersticas tpicas de anlise de um

controlador. Entretanto, somente com os resultados apresentados, no possvel

dizer qual possui o melhor desempenho no controle da turbina a gs, pois no h

comparao com dados, ou valores reais.

Nelson e Lakany [18] investigam os benefcios da aplicao de estratgias

de controle baseados na lgica fuzzy (FLC Fuzzy logic control) para turbinas a

gs industriais. Eles investigam diferentes mtodos de projeto, desenvolvem uma

estratgia FLC, utilizam uma simulao da usina em um ambiente de teste para

melhorar a FLC e realizam testes para comparar a FLC com controles

convencionais mais conhecidos. Abordam o caso do controle de temperatura de

uma turbina a gs. O controle da vazo do combustvel regulado para controlar a

potncia do equipamento. Por fim, citam alguns problemas, junto com a

importncia de regular bem esse controle de combustvel, para reduzir ao mximo

a emisso de poluentes, como a emisso de NOx. Novamente o modelo de Rowen

[4] utilizado, onde o controle de temperatura configurado para alcanar o

ponto timo de temperatura de queima. Algumas simplificaes foram feitas no

modelo. Os controladores de velocidade e acelerao foram configurados para que

o nico controlador atuante seja o da temperatura de sada da turbina. Este modelo

possui um seletor de menor sinal onde o menor sinal vindo de cada controlador

utilizado.

Apresentam um controlador fuzzy que aparenta obter bons resultados. Porm

existe uma dificuldade, que a configurao dos conjuntos fuzzy de entrada e o

conjunto de sada, que no so apresentados. A configurao desses conjuntos

algo que deve ser feito por um especialista, testado e talvez, reconfigurado,

considerando apenas o controle de temperatura. Uma turbina a gs apresenta mais



variveis controladas, tornando bem complexa esta configurao dos conjuntos

fuzzy.

Li [19] apresenta uma abordagem de adaptao do desempenho de ponto de

projeto de uma turbina a gs, baseada na integrao de uma modelagem

termodinmica e um algoritmo gentico desenvolvido com o intuito de se estimar

os parmetros dos componentes em ponto de projeto. O autor ainda define uma

funo objetivo (OF), que avalia o potencial de uma soluo x

(simulada) e a

forma (fitness), utilizada para representar a qualidade de potencial de qualquer

soluo de adaptao e maximizada no processo de busca do algoritmo gentico

com o intuito de alcanar a melhor soluo possvel. Apresenta o PYTHIA, um

software de desempenho de turbinas a gs e diagnstico desenvolvido pela

Universidade de Cranfield, que tem sido testado e validado durante muitos anos.

Xu, Zheng e Yu [20] apresentam uma viso geral da tecnologia de controle

de turbinas a gs existentes na poca do artigo. Os autores apresentam, tambm, a

teoria de controle de modelo livre, um mtodo de definio deste modelo de

controle, algoritmos de controle para o modelo livre adaptativo e suas vantagens,

incluindo os problemas no resolvidos pelo controle considerado tradicional e o

porqu de se utilizar esse novo mtodo proposto. Eles citam os tipos de

controladores existentes e desenvolvem um novo mtodo. Este novo mtodo o

controle adaptativo de modelo livre (MFA model-free adaptive), que uma

tcnica de controle adaptativo sem a necessidade de se conhecer o modelo a ser

controlado, usando os dados de I/O do sistema controlado para projetar o

controlador, mesmo sem qualquer informao do sistema. Essa nova teoria foi

estudada e desenvolvida por alguns professores como Han Zhigang e Wang Dejin

( [21] apud [20]). O algoritmo bsico de controle adaptativo do modelo livre

apresentado nesse artigo baseado em redes neurais. Utilizando-se de conexes

ajustveis para se extrair vantagens das mudanas de entrada, sada ou efeitos

diferenciais da sada para entrada para melhorar estabilidade, velocidade e

adaptabilidade do algoritmo. Utiliza uma estratgia de controle feedforward para

eliminar distrbios. A Figura 4 um sistema com feedforward-feedback MFAC

para controlar com vrios distrbios.



Figura 4 Sistema de controle MFA em cascata [20].

Neste artigo proposto aplicar o controle de modelo livre para turbinas a

gs baseados em requisitos e condies atuais de tecnologias usadas em turbinas a

gs. Os autores ainda afirmam que existem muitos aspectos que necessitam de

uma pesquisa mais completa, principalmente quando se usa um modelo de

controle livre para turbinas a gs, como: qual algoritmo do modelo de controle

adotado, quando necessrio melhorar o algoritmo, como combinar MFA e outras

abordagens de controle, como desenvolver as vrias estratgias de controle e

algoritmos, como configurar os parmetros dos vrios controladores, como

resolver problemas de aplicao prticas, entre outros. Apresentam uma forma de

controle interessante, onde no necessrio utilizar um modelo matemtico do

objeto e/ou equipamento a ser controlado. No entanto, o artigo s apresenta

formas de configurao do controlador, sem apresentar uma simulao para testar

o controlador. Com isso, no apresenta resultados, dados reais e muito menos a

comparao para a validao do controlador proposto pelos autores.

Parulekar e Gurgenci [22] apresentam um estudo sobre modelagem

dinmica para se analisar a influncia da queima de um SYNGAS (gs resultante

da mistura de monxido de carbono e hidrognio, que pode ser convertido em

hidrognio ou queimado em uma turbina a gs para o ciclo combinado de

potncia) no desempenho dinmico de uma turbina gs e tambm avaliar o

comportamento da extrao de ar realizada em um compressor axial no

desempenho geral da turbina a gs. O modelo dinmico consiste de um

compressor de 17 estgios (controle de VIGVs e modelagem estgio por estgio),

um modelo termodinmico do combustor, um modelo de resfriamento de turbina,

um modelo de turbina de quatro estgios e por fim, modelagem do eixo. Ainda h

uma avaliao sobre o comportamento da substituio do gs natural por este

combustvel SYNGAS.



Os autores apresentam resultados satisfatrios na modelagem da turbina a

gs. Ainda apresentam resultados para respostas dinmicas baseados em dados de

desempenho com extrao de ar mais uma diluio do SYNGAS em nitrognio.

Estas respostas so testadas em situaes de rejeio de carga de at 66% por

minuto. Entretanto, pelo fato de no terem acesso aos parmetros do projeto de

turbinas a gs, o artigo levado com um mtodo genrico para a modelagem de

turbinas a gs com SYNGAS como combustvel queimado. O modelo da malha

de controle foi bem sucedido, utilizando malhas bsicas de controle usadas em

turbinas a gs.

Avellar [23] utiliza o modelo computacional de uma turbina a gs DESTUR

[24], capaz de simular o desempenho deste equipamento. O autor apresenta a

estratgia de desenvolvimento de seu modelo, apresentando a modelagem da

turbina a gs em trs etapas, modelagem do ponto de projeto (baseado em [24] e

[25]), modelagem da operao fora do ponto de projeto (baseado em [24] e [25]),

tanto em plena carga quanto em carga parcial e, por fim, a modelagem do regime

transitrio [24].

Porm, este modelo computacional no possua um sistema de controle.

Ento, o autor desenvolveu um sistema de controle para esta modelagem. Este

sistema de controle baseado na metodologia tradicional, descrita por Rowen [5].

Neste sistema de controle, so utilizados dois controladores PID, responsveis

pelo controle da rotao e da temperatura de exausto da turbina, onde h a

regulao da vazo de combustvel e a modulao da VIGV. Aps a insero das

configuraes da turbina a gs modelada e das condies ambientais (presso,

altitude e presso atmosfricas, a potncia requerida e a variao da temperatura

ambiente so as principais entradas para a simulao do comportamento desta

mquina trmica em diferentes condies de operao (ponto de projeto, off-

design e regime transitrio).

Junto ao modelo computacional (modelo computacional da turbina a gs

[24] e o modelo computacional do controle desenvolvido pelo autor), Avellar [23]

apresenta os resultados das simulaes para cada uma destas modelagens.

Gadde et al. [26] apresentam uma nova metodologia de controle de turbinas

a gs que baseada no controle de temperatura de exausto deste equipamento.

Este tipo de controle realizado atravs de trs controles: controle de carga,

controle OTC (Outlet Temperature Corrected), onde estes dois influenciam a



insero de combustvel no interior do combustor e, por fim, o controle da posio

das ps diretoras mveis do compressor. O autor apresenta duas equaes

utilizadas nesta correo de temperatura. A equao(1) [26] e a equao (2) [26].

A equao(1) [26] utilizada para calcular valores de temperatura de

exausto corrigida, que so utilizadas como referncia para o controle. Os

parmetros utilizados: T2T (temperatura de sada do compressor), CIT

(temperatura de entrada no compressor), RPM (velocidade de rotao da turbina a

gs) e as constantes K1 (0.000022), K2 (0.00055), K3(0.36) e K4 (332.2),

parmetros com nomenclatura difenciadas das apresentadas na norma ASME PTC

223 [27] e norma ANSI/ISA S5.1

4 [28]. Estas constantes so determinadas de

acordo com as condies ou parmetros de operao especficos do local onde o

equipamento se encontra, como altitude, condies ambientais de operao,

perdas de presso na entrada e sada da turbina a gs, composio dos gases

durante operao, temperatura do combustvel durante operao, folgas no

compressor/turbina, temperatura do ar de resfriamento do rotor, temperatura de

queima em carga base e posio da VIGV (ps diretoras mveis do compressor).

3600

RPM-1K4-CITKI3- CITK2CITK1-T2T=OCT 23 (1)

O valor desta temperatura novamente corrigido de acordo com alguns ajustes,

apresentados na

Tabela 4, na Tabela 5 e na Tabela 6, que permitem o controle do equipamento

para a temperatura corrigida baseado nas condies citadas anteriormente, como

variaes na temperatura ambiente e rotao. Com relao a esta condio

ambiental de temperatura, a temperatura de sada ser corrigida atravs de uma

condio padro de 0 F, para que comparaes entre emisses e desempenho

possam ser feitas mais facilmente para vrias condies ambientais.

3 De acordo com a norma ASME PTC 22 [27], T2T a temperatura de exausto da turbina

(TET turbine exhaust temperature), CIT a temperatura de entrada no compressor (compressor inlet temperature) e RPM a velocidade de rotao da turbina (turbine speed).

4 De acordo com a norma ANSI/ISA S5.1 [28], as nomenclaturas corretas so T para

temperatura (seguido do identificador do local onde esta temperatura medida) e S para

velocidade de rotao (speed).



Tabela 4 Tabela que relaciona o valor percentual de carga com a

temperatura corrigida pelo OTC [26].

% Carga OTC (F)

50% 1066

60% 1066

70% 1066

80% 1066

90% 1066

98% 1066

Tabela 5 Tabela com o ajuste de temperatura realizado pelo OTC

[26].

CIT Ajuste OTC (F)

-20 35,7

0 28,7

20 20,7

40 11,7

60 0,0

80 -2,3

100 -11,3

120 -28,0

Tabela 6 Tabela com ajuste multiplicador em funo do valor

percentual da carga [26].

% Carga Multiplicador

50% 0

60% 1

70% 1

80% 1

90% 0,6

98% 0

A determinao do valor de referncia da OTC baseado em caractersticas

de operao da turbina a gs, que pode ser selecionada por uma das seguintes

condies: Temperatura de exausto mxima (1160 F), Setpoint ajustvel do

OTC em carga parcial e setpoint mximo do OTC em carga parcial (equao (2)

[26]).



A lgica de controle para a modulao da VIGV e a demanda de

combustvel pode ser configurada para selecionar a menor temperatura de setpoint

do OTC, dentre essas trs condies citadas. A seleo do menor valor de

temperatura protege o equipamento da sobre-queima, que causa danos srios

turbina a gs. Tambm evita erros manuais como configurar um valor de

temperatura acima dos limites de operao, gerando um desligamento da mquina.

Em um sistema incorporado, a relao deve ser desenvolvida para evitar que a

temperatura de queima ultrapasse uma temperatura mxima de aproximadamente

2584 F na entrada da turbina, assim como o sistema da turbina W501F, utilizada

como exemplo.

A equao (2) [26] permite calcular um setpoint mximo para o valor de

OTC para cargas parciais, baseado CIT (temperatura de entrada do compressor),

%Load (carga normalizada da turbina a gs), RPM (rotao da turbina a gs),

C0(1475.4), C1(0.74), C2(-690.8), C3(288.8), C4(-0.75), C5(-332.2), que so

constantes relacionadas a curva de carga normalizada.

3600

RPM-1C5+(%Load)CITC4+

(%Load)C3+(%Load)C2+CITC1+C0=OCT 2P

(2)

Esta patente apresenta um sistema de controle desenvolvido por um

fabricante de turbinas a gs. No h resultados numricos apresentados para a

turbina a gs especfica. H apenas uma comparao entre este sistema de controle

e outro sistema de controle, tambm desenvolvido por este fabricante. Pelos

autores da patente, o novo sistema de controle apresenta melhorias, permitindo ao

equipamento uma operao mais linear, sem a presena de patamares.

Assim, a proposta deste trabalho foi iniciar o estudo acadmico da

metodologia de controle de temperatura corrigida (OTC - Siemens) de uma

turbina a gs, utilizando um modelo computacional existente desta mquina

trmica, o DESTUR [24] O modelo computacional semelhante ao apresentado

por Avellar [23]. Este modelo computacional da turbina a gs [24] j possua um

sistema de controle, desenvolvido por Avellar [23]. Porm, este modelo utiliza a

metodologia de controle tradicional para turbinas a gs.



Para este trabalho, algumas configuraes foram alteradas, para que as

caractersticas da turbina a gs Siemens - Westinghouse W501F fossem inseridas

no modelo. E, assim, o objetivo deste trabalho o desenvolvimento de um modelo

computacional de controle baseado em uma adaptao desta nova estratgia de

controle de turbinas a gs em conjunto com este modelo computacional de turbina

a gs j existente [26], para ser utilizado como uma ferramenta de avaliao de

desempenho. A avaliao dos resultados ser realizada atravs da comparao dos

dados do modelo computacional com os dados operacionais de uma turbina a gs

utilizada na gerao de energia do sistema brasileiro.


3 Turbinas a Gs

Nos ltimos anos, as turbinas a gs foram utilizadas de vrias formas. O

foco deste trabalho so as turbinas a gs industriais, utilizadas para a gerao de

energia eltrica. Uma turbina a gs consiste basicamente de trs componentes,

compressor, cmara de combusto e expansor como apresentado pela Figura 5.

Figura 5 Configurao bsica de uma turbina a gs de ciclo simples e

ciclo aberto.

A modelagem, utilizada neste trabalho, realizada atravs do mtodo de

anlise do caminho do gs (GPA Gas Path Analysis) e est dividida em trs

etapas, modelagem do ponto de projeto (design point), modelagem de off-design e

a modelagem em regime transitrio. Esta modelagem a mesma apresentada por

Cohen et al. [25], Alves [24], citada e utilizada por Avellar [23].

3.1. Ponto de Projeto (design point)

O primeiro passo no projeto de uma turbina a gs o clculo termodinmico

do ponto de projeto, levando-se em considerao as caractersticas e a finalidade

para qual a mquina foi projetada. Nesta primeira etapa, devem ser conhecidos

todos os parmetros de operao da turbina a gs, isto , as condies ambientes


Turbinas a Gs 39

de operao (usualmente as condies ISO), a potncia requerida, a eficincia dos

componentes, as perdas de presso, a temperatura mxima do ciclo, que a

temperatura na entrada da turbina, a razo de compresso e a vazo de

combustvel.

A modelagem matemtica para o clculo do comportamento e do

desempenho trmico de projeto da turbina a gs foi baseada no mtodo

apresentado por Cohen et al. [25], citado por Lora et al. [2] e Ferreira [29].

3.2. Off-design

Aps a configurao do ponto de projeto da turbina a gs, Avellar [23]

apresenta uma simulao do desempenho do motor operando fora do seu ponto de

projeto. Diferentemente da simulao no ponto de projeto, a operao fora do

ponto de projeto da turbina a gs fortemente dependente das caractersticas do

compressor e da turbina. Estes mapas so levantados durante o perodo de projeto

dos equipamentos, no sendo disponibilizado pelos fabricantes. Para fins de

simulao, usualmente so utilizados mapas conhecidos de outros compressores,

disponveis na literatura e diferentes do componente que compe a turbina a gs

analisada, porm com caractersticas semelhantes ao compressor em questo,

viabilizando a utilizao destes nas simulaes.

A modelagem da operao fora das condies de projeto baseada (i) nos

parmetros aerodinmicos adimensionais e semi-adimensionais, (ii) na

compatibilidade de rotao, na conservao da massa e na conservao de energia

entre os componentes da turbina a gs, e (iii) no uso das caractersticas de cada

um dos componentes, em particular, do compressor e da turbina.

A seleo adequada dos parmetros adimensionais e semi-adimensionais

permite determinar o desempenho da turbina a gs para todos os pontos de

operao. Os parmetros adimensionais para a anlise de operao fora das

condies de projeto so: rotao adimensional e vazo mssica adimensional

Cohen et al. [25] e Walsh et al. [30].


Turbinas a Gs 40

3.3. Regime Transitrio

A modelagem do regime transitrio de uma turbina a gs consiste na

modelagem da inrcia das partes girantes, dinmicas do gs no volume de cada

componente e a transferncia de calor entre as partes metlicas e o fluido (onde

esta transferncia de calor influencia na dimenso dos seus componentes). Para

uma anlise completa das caractersticas da dinmica de uma turbina a gs,

clculos nas trs dimenses devem ser utilizados. Entretanto, essa simulao em

trs dimenses requer um grande esforo computacional. Segundo Kim et al. [10],

a simulao em uma nica dimenso apresenta resultados com uma preciso

satisfatria.

3.3.1. Transitrio Trmico

A turbina a gs, durante um regime transitrio, apresenta uma transferncia

de calor entre o gs e suas partes metlicas, resultando em um acmulo de energia

trmica nessas partes metlicas. Esta energia trmica resultante da energia

qumica liberada durante o processo de combusto do combustvel, alterando,

assim, o seu regime de funcionamento. Durante a acelerao da turbina a gs, as

partes metlicas absorvem energia do fluido (gs), enquanto que, durante a

desacelerao, o processo oposto ocorre, ou seja, o metal retorna esta energia

trmica para o fluido [24]. Neste trabalho, este transitrio trmico foi ignorado,

pois no apresentou influncia significativa nos resultados do modelo

computacional [31].

3.3.2. Transitrio Termodinmico

O regime transitrio termodinmico definido por variaes nas equaes

de conservao governantes (conservao de massa, momento e energia), que

descrevem o comportamento da turbina a gs. Componentes volumosos, como a

cmara de combusto, influenciam o desempenho durante este regime transitrio.

Dentro destes volumes, um acmulo de massa ocorrer devido a variaes em


Turbinas a Gs 41

temperatura e presso, resultando em uma diferena entre a vazo mssica de ar a

montante e a jusante do componente.

Segundo [32] e [33], as equaes de conservao de massa (3), momento (4)

e energia (5) so as equaes bsicas da modelagem do transitrio termodinmico

de uma turbina a gs.

mmmdt

dmoi

(3)

iioo cmcm

dt

mcdF

(4)

o

o

ooi

i

ii gzc

hmgzc

hmWQdt

dE

22

22

(5)

Segundo Avellar [23], estas equaes de conservao de massa, energia e

movimento precisam ser reescritas para possibilitar a determinao da variao

dos parmetros de presso, temperatura e vazo mssica dentro do volume dos

componentes da turbina a gs. Assim, torna-se necessrio utilizar a equao de

estado para um gs ideal (equao (6)).

mRT

pV

dt

d

(6)

Portanto, estas modificaes das equaes de conservao de massa, energia

e movimento, com a utilizao da equao de gs ideal, representam o

equacionamento utilizado na modelagem do equipamento estudado. O ponto de

operao deve satisfazer as condies de conservao de massa e o balano de

energia entre o compressor e a turbina (conectados pelo mesmo eixo). Estas

condies resultam em um sistema de equaes no lineares, que so resolvidas

pelo mtodo numrico de iterao de Newton-Rapshon. Avellar [23] apresenta as

equaes semi-adimensionais que representam o comportamento termodinmico

em cada componente da turbina a gs.

De acordo com Camporeale, et al. [7], o modelo transitrio de cada

componente da turbina a gs pode ser aproximado por seus modelos em off-

design. No entanto, necessrio considerar um volume (chamado de plenum), que


Turbinas a Gs 42

consideram diferentes volumes de diferentes componentes (compressores, cmara

de combusto, turbina, entre outros). Este plenum foi conectado a um

componente, por exemplo, o compressor. Assim, o autor [7] considera toda a

termodinmica do regime transitrio (conservao de massa, momento e energia)

de cada equipamento. Segundo Avellar [23], os resultados apresentados pelo

modelo computacional mostram que esse volume plenum pode ser ignorado.

Alm disso, o esforo computacional foi reduzido, resultando em um menor

tempo de execuo [23]. Assim, o transitrio termodinmico foi removido do

modelo computacional.

3.3.3. Transitrio Mecnico

O transitrio de rotao de eixo (transitrio mecnico) fortemente

dependente do momento de inrcia das partes girantes da turbina a gs (gerador,

rotor do compressor e rotor da turbina). Uma variao entre os momentos

angulares, que resultado de um desbalanceamento entre a potncia consumida

pelo compressor e a potncia gerada pelo expansor, causado pela variao do

torque entre estes componentes. Quando a potncia da turbina aumentada para

um valor maior do que a potncia do compressor, a velocidade de rotao da

turbina a gs acelerada. J quando o processo inverso ocorre, ou seja, a potncia

consumida pelo compressor maior do que a potncia gerada pela turbina h uma

desacelerao da velocidade de rotao da turbina a gs. Este transitrio mecnico

definido pela equao (7).

exLdt

dI

(7)

Assim, somente o transitrio mecnico foi mantido [23] no modelo

computacional. Mesmo presente, este modelo no apresentou variaes bruscas

durante seu regime transitrio. Este efeito explicado pelo fato de o modelo da

turbina a gs estar ligado frequncia da rede (considerao adotada para realizar

uma simulao do comportamento do modelo da turbina a gs), que possui uma

inrcia muito maior. Desta forma, a turbina a gs mantm uma velocidade de

rotao prxima de 3600 RPM (60 Hz), com uma pequena faixa de oscilao.


4 Descrio da turbina a gs estudada

A turbina a gs adotada para este estudo, uma turbina a gs Siemens

Westinghouse W501F, uma turbina a gs industrial, utilizada para a gerao de

energia em ciclo simples ou em ciclo combinado, onde, neste ltimo, utiliza

caldeiras de recuperao de calor com queima suplementar e uma turbina a vapor.

Esta mquina trmica est ligada ao sistema energtico brasileiro e possui a

configurao bsica com um compressor, uma cmara de combusto e a turbina,

com eixo nico.

O compressor desta turbina a gs conta com 16 estgios de compresso,

com uma razo de compresso de 16,1, eficincia de compresso em torno de

88% e extrao de ar em torno de 17,5% para resfriamento. Este compressor ainda

conta com ps diretoras mveis (VIGV), responsveis para o controle da

estabilidade de operao do compressor, bem como para a manuteno da

temperatura de sada da turbina a gs. Por estar ligado ao sistema energtico

brasileiro, este compressor possui uma velocidade de rotao proporcional a 60

Hz. Portanto, sua velocidade de rotao de 3600 RPM.

A cmara de combusto composta por 16 combustores, onde cada

combustor possui quatro tipos de injetores de combustvel (injetor piloto, injetor

estgio A, injetor estgio B e injetor estgio C), com perda de presso em torno de

6% e uma eficincia de combusto de aproximadamente 98%.

O expansor (turbina) possui 4 estgios de expanso com eficincia de 91%

para o processo de expanso e com um rendimento mecnico em torno de 99%.

Assim como o compressor, a turbina tambm possui uma velocidade de rotao de

3600 RPM, pois compressor e turbina esto no mesmo eixo.

Esta turbina a gs est conectada diretamente a um gerador atravs do

mesmo eixo que conecta o compressor e a turbina. Este equipamento no foi

objeto de estudo, porm, foi considerada uma eficincia de gerador em torno de

98%.


Descrio da turbina a gs estudada 44

A Tabela 7 apresenta as caractersticas em ponto de projeto desta turbina a

gs, utilizada neste estudo. As caractersticas apresentadas desta mquina trmica

referem-se utilizao do gs natural como combustvel e condies de operao

ISO (presso de 1 atm, temperatura ambiente de 59 F ou 15 C, umidade relativa

do ar em 60%, perdas de presso na entrada de 3,4 in H20 e perda de presso na

sada de 5,0 in H2O), [34].

As caractersticas apresentadas so a potncia produzida, a vazo mssica de

exausto da turbina, a temperatura de exausto da turbina, a vazo mssica de

combustvel e o poder calorfico do gs natural.

Tabela 7 Dados de ponto de projeto da turbina a gs Siemens W501F,

utilizada neste estudo [34].

Turbina a Gs Unidade

Potncia 183745 kW

Vazo de sada 457,45 kg/s

Temperatura de sada 1100 (594) F (C)

Vazo de combustvel 9,938 kg/s

PCIGN 50038,80 kJ/kg


5 Melhorias no modelo da turbina a gs

O modelo da turbina a gs utilizada neste estudo contou com algumas

modificaes. Essas modificaes foram inseridas para atender uma demanda de

anlise da composio dos gases de exausto e, tambm, para ilustrar o

comportamento dos injetores existentes em cada combustor da turbina a gs.

5.1. Composio dos gases de exausto

A composio dos gases de exausto um fator importante para a anlise de

emisso desses gases. Alguns dos novos sistemas de controle desenvolvidos

consideram essa anlise, buscando a reduo de alguns elementos, dentre eles o

monxido de carbono (CO) e os xidos de nitrognio (NOx). Importante ressaltar

que a combusto considerada completa neste estudo. Logo, a emisso de alguns

poluentes descartada (considerada nula ou zero). Existem modelos mais

completos que tratam da combusto incompleta (combusto real que ocorre em

turbinas a gs).

Neste estudo, a insero do clculo da composio dos gases de exausto foi

utilizada para complementar um modelo de ciclo combinado de gerao de

potncia, onde o modelo da caldeira de recuperao de calor (HRSG Heat

Recovery Steam Generator) possua uma opo de queima suplementar. Uma

breve descrio sobre o ciclo combinado e sobre sua estratgia de controle ser

apresentada na seo 7.1.

A queima suplementar ocorre atravs da injeo de uma pequena vazo

extra de combustvel nos gases de exausto da turbina a gs. Essa nova injeo

visa um aumento da temperatura desse gs, que utilizado para elevar a

temperatura do vapor que alimenta uma turbina a vapor. Assim, h um aumento

da potncia gerada pelo sistema de vapor, consequentemente, um aumento na

potncia total do ciclo. Apesar deste aumento de potncia, a eficincia total do


Melhorias no modelo da turbina a gs 46

ciclo se reduz, devido a este aumento na vazo total de combustvel inserida no

ciclo combinado.

Portanto, este estudo no teve como objetivo o controle de emisses de

poluentes, mas pode ser um ponto de partida para um novo estudo. Segundo a

modelagem utilizada nesta HRSG, a composio dos gases de exausto seria

necessria, como um parmetro de entrada do modelo. Portanto, era necessrio

usar uma modelagem de clculo de emisses.

Devido a esta demanda de queima suplementar, foi necessrio inserir no

modelo da turbina a gs uma metodologia de clculo de composio de gases.

Este clculo da composio dos gases de exausto baseado nas rotinas

desenvolvidas e descritas por Ferreira [29]. Essas rotinas de clculo so AIR,

FAR_FINDER e MIXER_RED.

A primeira rotina utilizada AIR que calcula a composio do ar. Ela tem

como entradas a altitude em metros, a temperatura do ar em Kelvin e a umidade

relativa. Tem como retorno a presso e a composio qumica dos componentes

do ar (nitrognio (N2), oxignio (O2), dixido de carbono (CO2), gua (H2O) e

argnio (Ar)).

A rotina FAR_FINDER recebe como parmetros de entrada o poder

calorfico inferior (PCI), composio qumica molar e temperatura do

combustvel, a composio qumica molar e temperatura do ar e a eficincia da

combusto. Os valores calculados por essa rotina so a razo combustvel-ar e a

composio molar dos produtos da combusto.

A rotina MIXER_RED recebe como parmetros de entrada a vazo mssica

e composio molar de dois gases distintos. Ela tem como parmetro calculado a

composio molar final desses dois gases misturados. Este clculo realizado

atravs da equao (8).

2

2

1

1

2

22,

1

11,

,

M

m

M

m

M

my

M

my

y

ii

finali

(8)



Onde finaliy , a frao molar de cada elemento presente no gs resultante da

mistura, 1,iy , 1m e 1M so frao molecular, vazo mssica e peso molecular,

respectivamente, do primeiro gs, enquanto 2,iy , 2m e 2M so frao molecular,

vazo mssica e peso molecular, respectivamente, do segundo gs.

Para a realizao destes clculos, foram necessrias algumas modificaes

na modelagem em dois dos principais componentes da turbina a gs (cmara de

combusto e turbina).

O primeiro ponto de insero no interior do modelo da cmara de

combusto, onde h o clculo da composio do ar que entra na cmara de

combusto. Em seguida, utiliza-se a rotina FAR_FINDER para se descobrir a

composio dos gases resultantes da combusto.

A partir do valor de composio molar dos gases resultantes da combusto

encontrados dentro do combustor, necessrio descobrir a nova composio

resultante da mistura desse gs resultante com o ar retirado do compressor,

utilizado para resfriamento dos componentes da turbina a gs. Assim, o segundo

ponto de calculo inserido no interior do modelo da turbina, onde a composio

deste gs resultante calculada.

Os gases principais resultantes do clculo do so nitrognio (N2), oxignio

(O2), dixido de carbono (CO2), gua (H2O) e argnio (Ar). A variao dos

valores de cada um desses gases muito pequena. Porm, ela pode ser vista se

avaliarmos as curvas separadamente. Entretanto, por serem valores pequenos, sua

alterao no tem importncia.

5.2. Injetores de combustvel

A cmara de combusto da turbina a gs utilizada neste estudo possui

dezesseis combustores, onde em cada combustor, existem quatro diferentes tipos

de injetores. Cada injetor tem uma responsabilidade, desde o processo de partida

da turbina a gs, deix-la autossustentvel (sem auxlio do motor de partida) e, por

fim, alcanar sua carga de base.

Os injetores existentes nessa turbina a gs so chamados de injetor Piloto,

estgio A, estgio B e estgio C. O injetor Piloto um injetor convencional (a

mistura com o ar feita pouco antes de sua queima) enquanto os injetores do



estgio A, B e C so do tipo pr-misturado, ou seja, a mistura combustvel ar

feita antes do ponto de combusto. Este tipo de combustor ainda possui os

chamados swirlers que provocam uma rotao no ar, permitindo uma melhor

mistura entre ar e combustvel.

O injetor Piloto o principal responsvel durante o perodo de partida do

equipamento. Conforme a velocidade de rotao e a carga normalizada da turbina

a gs aumentam, at que ela se torne autossustentvel, a vazo de injeo de

combustvel atravs do injetor Piloto diminui enquanto o estgio A aumenta at

injetar uma vazo de combustvel superior.

Aps a sincronizao com a rede e, com o aumento de demanda da carga

(potncia) normalizada, o estgio B comea a injetar combustvel (em proporo

igual ao dos outros injetores). Por fim, a partir de 50% de carga normalizada, o

estgio C entra em ao. A partir deste momento, o estgio A e estgio B so os

principais responsveis pela manuteno do funcionamento da turbina a gs. Os

valores relacionados ao percentual de injeo de cada um desses injetores foram

retirados de uma curva de configurao da turbina a gs especfica, objeto de

estudo deste trabalho.

A Figura 6 apresenta o resultado da simulao com o comportamento desses

quatro injetores, ao longo de uma simulao de reduo de carga aplicada ao

modelo da turbina gs. Estes resultados so frutos da utilizao das equaes de

customizao do percentual de injeo em cada injetor. Esta curva relaciona a

potncia normalizada com o valor percentual de injeo. A reduo de carga

utilizada na simulao ser apresentada na seo 8.



Figura 6 Comportamento dos injetores de combustvel do modelo

computacional de uma turbina a gs, quando aplicado uma reduo de

carga.

Esta modificao foi realizada para atender a uma necessidade de exibio

dos valores de injeo de combustvel em cada um dos injetores. A configurao

deste valor de injeo de combustvel feita de acordo com a curva de operao

desta turbina a gs, que relaciona o valor de carga normalizada com o valor

percentual de injeo de cada um deles.

A alterao deste valor dada no interior do modelo da cmara de

combusto, onde o valor de vazo de combustvel necessria para o controle do

equipamento calculado. A partir deste valor total de combustvel, o valor de

cada injetor , ento, calculado.


6 Controle de Processos

Em muitos processos h a necessidade de se alcanar um desempenho ideal

e de forma automtica. A engenharia de controle foi fundamentada a partir destas

premissas. Existem muitos processos que a preciso exigida superior

capacidade humana, ou ento, estes processos ocorrem em um ambiente que pode

trazer riscos a integridade fsica e mental do homem. Assim, transformar este

processo em um processo autocontrolvel foi um passo fundamental para o

desenvolvimento da humanidade.

Segundo Dorf, et al. [35], os engenheiros de controle esto preocupados

com o conhecimento e o controle de seus ambientes, geralmente chamados de

sistemas, para promover produtos de grande utilizao e econmicos para a

sociedade. Os objetivos dessa dupla formada pelo conhecimento e controle so

complementares entre si, pois sistemas de controle efetivos necessitam ser bem

interpretados e modelados. O desafio atual de engenheiros de controle a

modelagem e o prprio controle de sistemas complexos como sistemas de controle

de trfego, processos qumicos e sistemas robticos. Controle baseado na teoria

da realimentao e na anlise linear de sistemas, integrando o conceito de redes e

comunicao.

Um sistema de controle uma interconexo de componentes formando uma

configurao de sistema que promover uma resposta desejvel do sistema. A

base para essa anlise desse sistema obtida atravs de uma anlise linear, que

assume uma relao de causa-efeito para os componentes do sistema. Um

componente ou processo a ser controlado pode ser representado atravs de um

bloco (Figura 7). A relao entre entradas/sadas representam esta relao de

causa-e-efeito do processo, que por sua vez, representa o processamento dos sinais

de entradas disponibilizados nas variveis de sada.


Controle de Processos 51

Figura 7 Representao de um processo a ser controlado [35].

O controle de malha aberta utiliza um atuador e um controlador para obter a

resposta desejada. Um sistema de malha aberta um sistema sem realimentao

(Figura 8). Em sistemas de controle que utilizam esta abordagem, o sinal de sada

raramente alcana o valor desejado, valor de setpoint, deixando um offset (termo

utilizado para indicar uma diferena residual) entre o sinal de sada e o valor

desejado.

Figura 8 Sistema de malha aberta, sem realimentao [35].

J os sistemas de controle que utilizam a realimentao, chamados de

sistemas de malha fechada (Figura 9), utilizam esse offset deixado pelo controle

de malha aberta como entrada para gerar uma nova sada adequada. Em sistemas

de malha fechada, este offset utilizado como um sinal de erro, que a diferena

entre o sinal de sada e o valor de setpoint desejado.

Figura 9 Representao de um sistema de malha fechada [35].

A partir dos controladores de malha fechada, possvel introduzir as

definies dos controladores utilizados. Todos estes controladores recebem este

sinal de erro como entrada. Dentre estes controladores, possvel classifica-los

como controladores de duas posies ou on-off, controladores proporcionais,

controladores integrais, controladores proporcional-integrais, controladores

proporcional-derivativos e controladores proporcional-integral derivativos.

ProcessoEntrada Sada

Controlador Atuador ProcessoSada

DesejadaSada

Controlador Atuador ProcessoSada

DesejadaSada

SensorSinal de Instrumentao

Erro

-



6.1. Controlador On-Off

O primeiro deles o controlador on-off (liga-desliga). Neste tipo de

controlador, a sada assume apenas dois valores, o sinal igual a zero, que

representa o modo desligado e um sinal igual a um valor definido, que representa

o modo ligado.

Este tipo de controlador o mais simples e barato, por isso bastante

utilizado em sistemas de controle domsticos. Pode ser utilizado para controlar a

temperatura de um ambiente, sala, quarto, atravs de um aparelho condicionador

de ar ou um aquecedor. Exemplo, a temperatura desejada da sala 20 C e a

temperatura atual da sala 25 C. O controlador on-off ligaria o aparelho

condicionador de ar at que a temperatura alcance o valor de 20 C. Quando esta

temperatura se torna inferior a este valor, o controlador desliga o aparelho. A

temperatura volta a aumentar at que o controlador ligar novamente o aparelho.

Este tipo de controle no adequado para utilizaes onde se deseja uma grande

preciso no sinal de sada do processo.

6.2. Controladores Proporcional, Proporcional Integral e Proporcional Integral Derivativo (PID)

O segundo tipo de controlador citado o controlador proporcional. Neste

tipo de controlador, o sinal de controle um sinal proporcional ao erro. Assim,

sempre haver um erro estacionrio, ou erro residual. O controlador proporcional

representado pela equao (9), onde u(t) o sinal de sada do controlador, Kp

representa o ganho proporcional e, e(t), representa o sinal de erro, que a

diferena entre o sinal de medido pela instrumentao e o sinal de referncia

(setpoint).

)t(eK)t(u p (9)

Com o objetivo de corrigir, ou reduzir, este erro residual, um termo integral

inserido no controlador proporcional, transformando este controlador em

proporcional integral. A ao integral ocorre como resultado da integrao ou



somatrio do erro. Porm, a insero do termo integrador pode resultar em uma

desvantagem devido a uma m configurao do ganho integral, um somatrio

excessivo de erro, mesmo quando este erro se torna muito pequeno. Assim, o

s

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Estratégia de Controle de Turbina a Gás