-
SISTEMAS DE CONTROLE DE TURBINAS A GS
APLICADAS GERAO DE ENERGIA ELTRICA
Igor Afonso Fragoso
10 / 2012
-
SISTEMAS DE CONTROLE DE TURBINAS A GS APLICADAS GERAO DE ENERGIA
ELTRICA
Igor Afonso Fragoso
Monografia apresentada ao Programa de Ps-
graduao em Engenharia Naval e Ocenica da
COPPE, da Universidade Federal do Rio de
Janeiro, como parte dos requisitos necessrios
obteno do ttulo de Doutor em Especializao
em Engenharia de Mquinas Navais e Offshore.
Orientador: Prof. Jos Marcio do Amaral Vasconcellos, D.Sc.
Rio de Janeiro
Outubro de 2012
-
iii
Ficha Catalogrfica
Fragoso, Igor Afonso
Sistemas de Controle de Turbinas a Gs Aplicadas
Gerao de Energia Eltrica/ Igor Afonso Fragoso Rio
de Janeiro, 2012.
89f.
Monografia (Curso de Especializao em Engenharia
de Mquinas Navais e Offshore) COPPE UFRJ
1. Turbinas a Gs. 2. Modelagem Matemtica.
3. Controle.
I. Ttulo.
-
iv
SISTEMAS DE CONTROLE DE TURBINAS A GS APLICADAS GERAO
DE ENERGIA ELTRICA
Igor Afonso Fragoso
MONOGRAFIA SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO INSTITUTO ALBERTO
LUIZ COIMBRA DE PS-GRADUAO E PESQUISA DE ENGENHARIA
(COPPE) DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE
DOS REQUISITOS NECESSRIOS PARA A OBTENO DO TTULO DE
ESPECIALIZAO EM ENGENHARIA DE MQUINAS NAVAIS E OFFSHORE.
Aprovada por:
________________________________________________
Prof. Jos Marcio do Amaral Vasconcellos, D.Sc.
________________________________________________
________________________________________________
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
OUTUBRO DE 2012
-
v
Agradecimentos
Deus, causa primria de todas as coisas, por mais essa
oportunidade de aprender.
minha mulher, Vera, pelo incentivo constante, pela pacincia e
pelo amor que me
dedica, me amparando e suportando sempre, para que eu no
desistisse em vrios
momentos.
Aos meus pais, pelo eterno incentivo e por serem meus
verdadeiros amigos, ainda que a
distncia.
Eletrobras Furnas, representada pelos tcnicos da Diviso de
Manuteno Eletro-
Eletrnica, baseada na Usina Termeltrica de Santa Cruz, pela
imensa boa vontade e
ateno com que me receberam nas dependncias da Usina.
-
vi
Resumo da Monografia apresentada COPPE/UFRJ como parte dos
requisitos
necessrios para a obteno do grau de Especialista em Engenharia
de Mquinas Navais
e Offshore
SISTEMAS DE CONTROLE DE TURBINAS A GS APLICADAS GERAO
DE ENERGIA ELTRICA
Igor Afonso Fragoso
OUTUBRO DE 2012
Orientador: Prof. Jos Marcio do Amaral Vasconcellos, D.Sc.
Programa: Engenharia Naval e Ocenica
Turbinas a gs vm sendo cada vez mais empregadas na gerao de
energia eltrica
devido as suas melhores caractersticas, frente a mquinas de
ciclo Otto, no s em
usinas termeltricas, como tambm em estruturas offshore, como
plataformas e FPSOs.
Como mquinas complexas, necessitam de um controle eficiente que
mantenha os
nveis de eficincia em patamares elevados, sem descuidar da
segurana, independente
das solicitaes de carga.
O presente trabalho descreve os princpios envolvidos no
funcionamento de turbinas a
gs, seus componentes principais e aborda a simulao matemtica
dessas mquinas
como ferramenta de anlise de funcionamento e otimizao de
controle. Alm disso, faz
aluso aos controles tpicos para tais mquinas, encontrados na
literatura e como
aplicao prtica, enfocar o sistema de controle das turbinas a gs
existente na Usina
Termeltrica de Santa Cruz, de propriedade de Eletrobras Furnas,
recentemente
implantadas como parte do programa de modernizao e aumento de
capacidade
geradora das usinas dessa estatal.
-
vii
Abstract
Gas turbines are being increasingly used in power generation due
to its attractive
features, compared to Otto cycle engines, not only in power
plants, as well as in
offshore structures, such as platforms and FPSO's.
How complex machines requiring efficient control that maintains
efficiency levels at
high levels, without neglecting safety, regardless of load
requests.
This paper describes the principles involved in the operation of
gas turbines, its major
components and discusses the mathematical simulation of such
machines as a tool for
analysis and optimization of operational control. Also alludes
to typical controls for
such machines, as found in the literature and practical
exemplification, will focus on the
control system of gas turbines existing at Eletrobras Furnass
Thermoelectric Plant in
Santa Cruz district, recently deployed as part of the
modernization program to increase
the generating capacity of their power plants.
-
viii
Sumrio
1
Introduo...................................................................................................................1
1.1 Uso de Turbinas a Gs na Gerao de Energia
Eltrica...............................1
1.1.1 Gerao de Energia Eltrica
Offshore..........................................1
1.1.2 - Gerao de Energia Eltrica Onshore Usinas
Termeltricas......4
1.2 - Turbina a
Gs...............................................................................................5
1.3 Modelagem Matemtica
.............................................................................7
1.4 - Sistemas de
Controle....................................................................................8
2 - Turbinas a
Gs..........................................................................................................10
2.1
Conceituao..............................................................................................10
2.2
Caractersticas............................................................................................12
2.3 - Componentes
Principais.............................................................................15
2.3.1 - Compressor de
ar.........................................................................15
2.3.2 - Combustor (cmara de
combusto).............................................15
2.3.3 - Turbina a gs propriamente
dita..................................................17
2.3.4 - Filtro de
ar...................................................................................21
2.3.5 - Duto de
expanso........................................................................21
2.3.6 - Sistema de
partida.......................................................................22
2.3.7 - Sistema de
combustvel...............................................................23
2.3.8 - Sistema de
ignio.......................................................................23
2.3.9 - Sistema de
lubrificao................................................................24
3
Modelagem...............................................................................................................25
3.1 Modelagem de Sistemas
Dinmicos..........................................................25
3.2 - O Problema da
Modelagem........................................................................25
3.3 - O Procedimento de
Modelagem.................................................................26
3.4 - Modelagem de uma turbina a
gs..............................................................29
4 Controle de uma turbina a
gs.................................................................................36
4.1
Partida.......................................................................................................37
4.2
Preparao.................................................................................................37
4.3
Purga.........................................................................................................37
4.4
Ignio.......................................................................................................38
4.5 - Aquecimento
(Warm-up)...........................................................................38
-
ix
4.6
Operao....................................................................................................38
4.7 - Resfriamento
(Cool-down)........................................................................38
4.8
Parada........................................................................................................38
4.9 -
Ps-lubrificao..........................................................................................38
5 A Usina Termeltrica de Santa
Cruz........................................................................45
5.1
Histrico.....................................................................................................45
5.2 Dados Tcnicos das unidades geradoras utilizando
TGs..........................47
5.3 Descrio do sistema de controle das turbinas
SW501FD.........................49
5.3.1
Hardware......................................................................................53
5.3.2
Sensores.......................................................................................57
5.3.3
Supervisrio.................................................................................62
5.3.4 Sistemas de
apoio.........................................................................66
5.3.5 Problemas de
funcionamento.......................................................75
6
Concluso..................................................................................................................76
7
Bibliografia................................................................................................................77
-
1
1 Introduo
1.1 Uso de Turbinas na Gerao de Energia Eltrica
1.1.1 - Gerao de Energia Eltrica Offshore
O sistema de turbogerao importante tanto para a sustentao da
vida a bordo como
tambm para o funcionamento industrial da plataforma. Alm disso,
diversos sistemas
de segurana dependem do correto suprimento de eletricidade,
portanto a gerao de
energia eltrica o corao das plataformas, j que sem energia, no h
possibilidade de
funcionamento de nenhum dos equipamentos necessrios para a
explorao/explotao
do petrleo (bombas, equipamentos de controle, medidores, etc.).
Sendo uma atividade
vital na plataforma, deve ser monitorado todo o tempo, incluindo
manutenes
freqentes.
Figura 1.1.1.1 Turbina Siemens SGT-400 de 12,9 MW igual a
instalada no FPSO
Cidade de Itaja (fonte:
http://www.elektorbrasil.com.br/noticias/siemens-equipa-navio-fpso-para-extracao-de.1819028.lynkx-11/2012).
-
2
As turbinas utilizadas nas plataformas martimas de produo de
petrleo tm potncias
de 15 MW a 25 MW e rotao de 12 a 20.000 rpm (AVELINO, J. A. A.
2008i). Na
figura 1.1.1.2 mostrada uma representao esquemtica,
exemplificando um sistema
de gerao de energia eltrica que pode ser usado em uma
plataforma, dependendo da
capacidade requerida.
Figura 1.1.1.2 - Exemplo de formao de um sistema de gerao de
energia eltrica em
uma plataforma.
A configurao indica que o sistema composto de trs turbinas a gs
acopladas em
srie a geradores de corrente alternada. Os trs conjuntos
turbogeradores esto
conectados em paralelo, e para atender potncia requerida pela
carga da plataforma
apenas dois turbogeradores so suficientes, assim o terceiro fica
como reserva. A
utilizao de uma mquina reserva muito importante, a fim de evitar
eventuais falhas
do sistema.
Em algumas plataformas esse sistema reserva feito com motores
diesel e no com
turbinas a gs, dependendo do projeto, das especificaes
requeridas e peculiaridades da
plataforma em que o sistema ser implantado. A figura 1.1.1.3
refora o esquema de
funcionamento das turbinas a gs, e o ciclo de Brayton tambm
revisto.
-
3
Figura 1.1.1.3 - Diagrama esquemtico de uma turbina a gs.
A potncia eltrica utilizada nas plataformas geralmente produzida
no prprio local,
embora, s vezes, seja utilizada a energia excedente de outra
plataforma, transmitida por
cabos submarinos.
O gerador acoplado turbina por meio de uma caixa de reduo de
velocidades
porque a rotao da turbina de 5 a 10 vezes maior que a do
gerador. Como a gerao
trifsica em 13,8 kV, a sada da potncia eltrica passa por um
transformador abaixador
para a tenso de consumo, que de 440 Volts. A figura 1.1.1.4
demonstra as fases
depois da gerao de potncia mecnica feita pela TG (turbina a gs)
at a formao da
energia eltrica, passando pela caixa de reduo, o gerador,
disjuntor e o transformador.
Figura 1.1.1.4 - Arranjo do gerador e dos perifricos que compem
a gerao de
eletricidade.
-
4
No Brasil, praticamente todas as plataformas da Petrobras tm
turbinas a gs no seu
sistema de gerao de energia eltrica.
1.1.2 - Gerao de Energia Eltrica Onshore - Usinas
termeltricas
Segundo a ANEEL, O Brasil possui hoje um total de 2.692
empreendimentos em
operao, gerando 119.497.635 kW de potncia. Alm disso, est
prevista para os
prximos anos uma adio de 48.687.708 kW na capacidade de gerao,
proveniente
dos 177 empreendimentos atualmente em construo e mais 558
outorgadas (Fonte:
www.aneel.com.br, acesso em 08/12/1012).
Ainda segundo essa Agncia, dos empreendimentos em operao, as
usinas
termeltricas respondem por 27,13% da potncia gerada (Figura
1.1.2.1).
Figura 1.1.2.1 Mapa de localizao das UTEs existentes no Brasil
(Fonte:
http://decom.cesnors.ufsm.br - acesso em 08/12/2012)
-
5
1.2 - Turbina a Gs
Os primeiros estudos sobre um sistema de propulso, utilizando um
jato de ar quente,
foram registrados em 120 AC e creditados a Hero, filsofo e
matemtico de Alexandria,
que desenvolveu um sistema denominado eolpila. Este dispositivo
demonstra a
capacidade de gerar trabalho com vapor de gua quente sendo
expelido, sendo
considerado o rudimento de uma turbina a gs (Figura 1.2.1).
Figura 1.2.1 Rplica da eolpila de Hero e seu funcionamento.
Outros sistemas que exploravam tal conceito foram desenvolvidos
por outros filsofos e
engenheiros e vrias patentes foram registradas por franceses,
ingleses e alemes. Os
marcos histricos, na era moderna, so devidos aos trabalhos de
Ren de Lorin e de
Frank Whittle. O primeiro patenteou um motor baseado em propulso
a jato em 1913
(Figura 1.2.2), mas que no pde ser implementado devido s
restries de tecnologia
de materiais disponveis poca.
Figura 1.2.2 Desenho da mquina de Lorin, 1909 Fonte:
http://tanks45.tripod.com/Jets45/ListOfEngines/EnginesOther.htm
-
6
O segundo desenvolveu, em 1930, um sistema que forma a base das
turbinas a gs
atuais (Figura 1.2.3).
Figura 1.2.3 Demonstrao da primeira turbina de Frank Whittle,
1937. Fonte:
http://www2.eng.cam.ac.uk/~bcb/whittle/images/rodlove1.jpg
Graas aos esforos contnuos e aperfeioamento das idias e
conceitos envolvidos
neste sistema, as turbinas a gs tm sido usadas, atualmente, em
diversas aplicaes,
principalmente as relacionadas gerao de energia eltrica e
propulso de aeronaves.
Sua capacidade de gerar valores elevados de potncia, nos casos
onde existe limitao
de espao fsico, a faz atrativa tambm em motores para navios,
helicpteros e centrais
de potncia de plataformas de petrleo, como j mencionado.
-
7
1.3 Modelagem Matemtica
A modelagem matemtica de um sistema dinmico definida como um
conjunto de
equaes que representam a dinmica do sistema com preciso ou, pelo
menos, de
forma bastante aceitvel.
A dinmica de muitos sistemas sejam eles mecnicos, eltricos,
trmicos, econmicos
ou biolgicos, pode ser descrita em termos de equaes
diferenciais. Tais equaes
diferenciais podem ser obtidas utilizando-se as leis fsicas que
governam um sistema
particular, como por exemplo, as leis de Newton dos sistemas
mecnicos e as leis de
Kirchhoff dos sistemas eltricos. Uma vez obtido um modelo
matemtico de um
sistema, vrias ferramentas analticas e computacionais podem ser
usadas para fins de
anlise e de sntese.
possvel melhorar a preciso de um modelo matemtico aumentando
sua
complexidade. Em alguns casos, incluem-se centenas de equaes
para descrever um
sistema completo. Na obteno de um modelo matemtico, no entanto,
deve-se
estabelecer um compromisso entre a simplicidade do modelo e a
preciso dos resultados
da anlise. Em geral, na soluo de um novo problema, considera-se
desejvel construir
inicialmente um modelo simplificado de modo a se adquirir um
conhecimento bsico e
geral para a soluo. Posteriormente, um modelo matemtico mais
completo poder ser
ento elaborado e utilizado para uma anlise mais detalhada.
Embora muitas relaes fsicas sejam representadas freqentemente
por equaes
lineares, na maioria dos casos as relaes reais no so exatamente
lineares. De fato, um
estudo meticuloso de sistemas fsicos, revela que mesmo os
chamados "sistemas
lineares" realmente o so apenas em faixas limitadas de operao.
Na prtica muitos
sistemas eletromecnicos, hidrulicos, pneumticos, dentre outros,
envolvem relaes
no-lineares entre as variveis.
A complexidade de uma turbina a gs e as diferentes configuraes
possveis para este
sistema aumentam os esforos necessrios tanto para a modelagem
esttica quanto
dinmica. Grande parte dos trabalhos publicados refere-se a
modelos em regime
-
8
permanente, o que restringe sua aplicabilidade em projetos de
sistemas de controle, ou
so baseados em modelos proprietrios de fabricantes de turbinas a
gs e o acesso a
estes restrito. Alm disso, uma reviso da literatura nacional
evidencia a escassez de
trabalhos sobre a modelagem da dinmica no-linear de turbinas a
gs e de aplicaes
de tcnicas de controle automtico a tal tipo de sistema. A
maioria dos trabalhos que
investigam o desempenho de turbinas a gs refere-se ao regime
permanente das
mesmas, caracterizado por mapas de operao.
No que se refere literatura internacional, os trabalhos de
modelagem apresentados, em
sua maioria, referem-se dinmica obtida a partir de tcnicas de
identificao de uma
turbina a gs real operando em torno de um ponto de operao
especfico. Os estudos
realizados com modelos no-lineares esto, geralmente, ligados a
laboratrios de
fabricantes de turbinas a gs e, portanto, sem acesso pblico.
Alguns poucos trabalhos
desenvolvem modelos a partir da descrio mecnica e termodinmica
de cada bloco
constituinte de uma turbina a gs e da interao entre os
mesmos.
1.4 - Sistemas de Controle
Devido necessidade crescente de melhorar a eficincia e, por
conseguinte, a
aplicabilidade deste equipamento, muito se espera do desempenho
do sistema de
controle de uma turbina a gs. A dinmica deste tipo de motor
extremamente no-
linear, variante no tempo, multivarivel e sensvel s condies de
operao, como a
altitude e temperatura ambiente. Alm disso, os atuadores lidam
com altas temperaturas
e presses.
Pela complexidade e diversidade de aplicaes, o estudo de
sistemas de controle de
turbinas a gs tem despertado interesse da comunidade cientfica
em geral. Literatura
existe principalmente internacional, discutindo tcnicas de
controle variadas.
Os projetos abordam modelos lineares multivariveis, com uso de
tcnicas de controle
robusto como H ii, LQG/LTR iii, QFT (Quantitative feedback
design) iv, Descentralised
control v, e modelos no-lineares, em que so usadas ferramentas
de otimizao
-
9
multiobjetivo para definir os parmetros do controlador vi. Os
projetos baseados em
modelos no-lineares enfrentam problemas devido complexidade e
custo
computacional despendido na obteno dos parmetros.
Figura 1.4.1 Tela do Mark V, sistema de controle de turbinas a
gs da General Electric (fonte:
http://www.nest.unifei.edu.br/portugues/pags/downloads/files/Descricao_Simulador.pdf).
-
10
2 - Turbinas a Gs
2.1 - Conceituao
A turbina a gs uma mquina de fluxo classificada como motriz. Ou
seja, a partir de
um escoamento de fluido ela retira o trabalho necessrio para
movimentar uma aeronave
ou girar um eixo, por exemplo. A complexidade deste motor
decorre da interao de
seus subsistemas e dos diversos conceitos mecnicos e
termodinmicos envolvidos em
seu funcionamento.
Existem diversos tipos e configuraes de turbinas a gs. Estas so
classificadas,
principalmente, quanto s caractersticas de construo e quanto ao
nmero de eixos. As
caractersticas de construo referem-se s diferenas entre motores
aeronuticos e
industriais.
Os primeiros possuem restries quanto ao tamanho, peso e nvel de
rudo, decorrentes
de sua aplicao. J nas indstrias, peso e tamanho no so to
importantes, mas
durabilidade, eficincia e custo so fatores imprescindveis.
Quanto ao nmero de eixos, as turbinas a gs podem ser de eixo
duplo ou simples.
Quando se requer que o motor opere em rotaes fixas, como em
sistemas de gerao de
energia, por exemplo, configuraes de nico eixo so preferidas.
Neste sistema, o
mesmo eixo que aciona o compressor aciona a turbina e a carga
acoplada. As que
possuem eixo duplo, por sua vez, so assim denominadas devido
presena de um eixo
que conecta compressor e turbina de alta presso (HP),
alimentando o sistema chamado
de gerador de gs, e um outro eixo que interliga a turbina de
baixa presso (LP), ou
turbina de potncia, a carga.
Este sistema adotado quando a flexibilidade de operao de grande
importncia,
como em propulsores de veculos martimos. Nas Figuras 2.1.1 e
2.1.2 h o esquema
bsico de uma turbina a gs de nico eixo e uma de duplo eixo
(split-shaft),
respectivamente.
-
11
Figura 2.1.1 Esquema de Turbina a Gs de nico eixo.
Figura 2.1.2 Esquema de Turbina a Gs de eixo duplo
(split-shaft).
O funcionamento bsico consiste em admisso e compresso do ar
(compressor),
ignio (combusto) gerando maior energia e velocidade do fluido e,
por fim, expanso
(turbina), que promove o giro do eixo acoplado ao compressor e
uma potncia lquida
para gerao de energia ou propulso. O ciclo termodinmico, no qual
as turbinas a gs
operam, denominado Ciclo Brayton ou aberto (Figura 2.1.3). Neste
processo, as etapas
ocorrem continuamente e em locais diferentes. Alm disso, a reao
de combusto
acontece, idealmente, a presso constante. Estas caractersticas
diferem do ciclo Otto,
em que as etapas de admisso, compresso, combusto e exausto
ocorrem em um
mesmo local (cilindro) em tempos diferentes e a combusto ocorre
a volume constante.
-
12
Figura 2.1.3 Ciclo Brayton ideal
2.2 - Caractersticas
Motores trmicos so mquinas usualmente projetadas para
transformar a maior parcela
possvel da energia liberada pela queima de um combustvel em
trabalho no eixo.
A queima de um combustvel em um espao aberto produziria apenas
calor. A
transferncia da energia liberada pela queima de um combustvel em
um motor trmico
para o eixo de sada obtida pelo uso apropriado de um fludo de
trabalho gasoso,
normalmente o ar, que obrigado a escoar atravs da mquina. A
maneira usual de
tratar o fludo de trabalho o ciclo termodinmico composto pelas
fases de admisso,
compresso, aquecimento, expanso e descarga. Em um motor
alternativo, estes
processos so realizados seqencialmente em um mesmo espao
fechado, formado entre
o pisto e o cilindro onde atua intermitentemente uma quantidade
definida de massa. Ao
contrrio, em uma turbina a gs, o fluido de trabalho escoa sem
interrupo, passando
continuamente em cada componente que possui uma funo especfica
para este fim.
O arranjo bsico de uma turbina a gs de ciclo simples mostrado na
Figura 2.2.1. O
compressor tem como funo conduzir o fludo de trabalho at o
aquecimento. O fludo
-
13
aquecido por combusto interna num ciclo aberto, ou por troca de
calor com uma
fonte externa em um ciclo fechado. A turbina acionada pela
expanso do fludo de
trabalho comprimido e aquecido e tem como funo, alm de acionar o
compressor,
produzir um saldo positivo de potncia no eixo, que pode ser
usado para acionar uma
carga qualquer.
Figura 2.2.1 Desenho esquemtico de uma turbina aeronutica.
A turbina a gs tem seu desempenho afetado pela variao da vazo
mssica de ar que o
compressor comprime, pela relao de compresso em que a mquina
opera e a
temperatura limite de operao (temperatura do gs que entra na
turbina). Da, os
fatores que influenciam o desempenho so:
Perdas de carga na suco e descarga; Variao da temperatura
ambiente; Variao da umidade relativa do ar; Altitude; Temperatura
limite de operao; Tipo de combustvel.
A baixa eficincia das turbinas a gs, quando usadas para
acionamento mecnico,
decorrente da alta temperatura dos gases descarregados no
exausto e de sua presso
muito baixa para produzir trabalho. A eficincia pode ser
melhorada pela recuperao
deste calor residual (os gases saem a aproximadamente 510 C)
para aquecer gua para
-
14
gerao de vapor que por sua vez pode ser usado em uma turbina
vapor ou
diretamente no processo para aquecimento.
Os ciclos de cogerao e combinados so ciclos que recuperam o
calor dos gases de
exausto da turbina. Como a eficincia das turbinas a gs em ciclo
simples variam de
valores inferiores a 20% para unidades de at 3 MW e de valores
prximo a 40% para
mquinas aeroderivativas de potncia em torno de 35 MW, significa
que de 80% a 60%
da energia trmica perdida para a atmosfera, da a importncia dos
ciclos de
Cogerao e Combinados.
Entretanto, devemos observar que todos os sistemas de recuperao
provocam uma
perda adicional de potncia na turbina, j que aumentam a presso
de exausto da
mquina.
Figura 2.2.2 Ciclos de trabalho.
-
15
2.3 - Componentes Principais
2.3.1 - Compressor de ar
o componente da turbina a gs onde o fludo de trabalho
pressurizado. O compressor
usado em turbinas a gs sempre do tipo dinmico. Quando usado um
compressor
axial temos um grande nmero de estgios (15 aprox.) porque este
trabalha com
relaes de compresso bastante baixas. Entretanto, h casos em que
as vazes de ar
chegam at 700 Kg/s.
2.3.2 - Combustor (cmara de combusto)
A combusto em uma turbina a gs um processo contnuo realizado a
presso
constante. Um suprimento contnuo de combustvel e ar misturado e
queimado a
medida que escoa atravs da zona de chama. A chama contnua no
toca as paredes da
cmara, sendo estabilizada e modelada pela distribuio do fluxo de
ar admitido, que
tambm resfria toda a cmara de combusto. O projeto da cmara de
combusto deve
garantir resfriamento adequado da camisa, combusto completa,
estabilidade da chama,
e baixa emisso de monxido de carbono, fumaa, hidrocarbonetos e
xidos de
nitrognio. O volume da cmara de combusto pequeno em relao a taxa
de calor
liberada porque a combusto realizada a presses elevadas. Em
turbinas aeronuticas
este volume pode ser de apenas 5% do volume necessrio em uma
caldeira, por
exemplo, com a mesma taxa de liberao de calor.
O combustor a primeira parte da chamada seo quente de uma
turbina a gs, onde
ocorrem as condies mais severas de temperatura e presso.
-
16
Figura 2.3.2.1 Esquema de uma cmara de combusto de uma turbina a
gs.
A temperatura mxima na zona de combusto no interior da cmara est
na faixa de
1800 a 2000 C. Aps a combusto completa os produtos da combusto
passam para a
zona de diluio em que o excesso de ar reduz esta temperatura
para os nveis
compatveis com os materiais da turbina (850 a 900 C). Devemos
notar que apenas 20 a
35 % da massa total de ar utilizado na combusto, o restante
utilizado para o
resfriamento da cmara de combusto. Assim sendo, temos 80 a 65%
de excesso de ar
sendo possvel, se desejado, a queima adicional de combustvel aps
a descarga da
turbina.
Os combustores podem ser internos ou externos. Os combustores
internos podem ser
tubulares, tubo-anulares ou anulares.
Internos mais eficientes, mais compactos (anular), melhor
distribuio de temperatura, maior durabilidade;
Externos queima uma ampla faixa de combustveis, pior distribuio
de temperatura, mais adequado para turbinas industriais.
-
17
Figura 2.3.2.2 Distribuio de temperatura em uma cmara de
combusto.
2.3.3 - Turbina a gs propriamente dita
A turbina, 2 parte da seo quente, a parte motriz da unidade e a
parte da mquina
que opera em condies mais severas e em conseqncia a que exige a
nossa maior
ateno. O gs ao escoar atravs da turbina perde presso e
temperatura, medida que
se expande e transforma a sua energia em trabalho.
-
18
As turbinas podem ser do tipo radial (baixas potncias) e do tipo
axial (mais comum -
altas potncias). Aproximadamente 2/3 da energia trmica disponvel
nos produtos da
combusto so para o acionamento do compressor de ar e sistemas
auxiliares.
O rotor a parte mvel da turbina e consiste de rodas
dinamicamente balanceadas com
palhetas mveis fabricadas em superligas e so fixadas ao disco
rotativo. Normalmente
as palhetas so unidas por uma cinta no seu topo (shrouded)
formando uma banda no
permetro externo das palhetas que serve para reduzir a vibrao
das mesmas.
Figura 2.3.3.1 Rotor.
As palhetas esto sujeitas a alta velocidade do gs, alta
temperatura e esforos elevados
devido ao escoamento dos gases e fora centrfuga gerada pela
rotao da mquina.
A temperatura dos gases na seo quente muito elevada em
conseqncia no so
permitidas grandes diferenas de temperatura ao longo de uma
determinada seo
(360). Por isso os desvios so controlados para evitar distores
na mquina e, em
conseqncia pontos de alta concentrao de tenso.
-
19
Para evitar que a temperatura dos materiais da turbina atinjam a
temperatura do gs
quente, uma certa quantidade de ar do compressor desviada para
resfriar os
componentes que esto em contato com o gs.
Figura 2.3.3.2 Esquema de resfriamento das palhetas do primeiro
estgio.
O ar em baixa presso usado, principalmente, para resfriamento da
selagem dos
mancais e da carcaa. O ar em alta presso utilizado para
resfriamento da cmara de
combusto, para resfriamento dos gases de combusto, das palhetas
fixas e mveis e dos
discos suporte das palhetas, bem como outras partes da seo
quente.
-
20
Figura 2.3.3.3 Esquema de resfriamento das palhetas fixas e
mveis.
Figura 2.3.3.4 Esquema de resfriamento da turbina.
-
21
2.3.4 - Filtro de ar
O sistema de suco de ar da turbina a gs tem que ser protegido
com um filtro o qual
projetado com trs objetivos principais (Figura 2.3.5.1):
Proteger a turbina do efeito da contaminao do ar ambiente
(abraso, depsitos de fuligem, corroso qumica);
Evitar danos mquina devido a entrada de corpos estranhos em sua
suco; Minimizar a freqncia de manuteno da mquina e exigncias de
troca dos
elementos do filtro.
2.3.5 - Duto de expanso
o sistema de descarga dos gases da turbina a gs (Figura
2.3.5.1). Este sistema que
inicia no flange de escapamento da turbina constitudo dos
seguintes elementos
principais:
Junta de expanso; Duto de exausto; Silenciador da descarga;
Chamin.
Alm destes elementos, muitas vezes utilizada uma caldeira de
recuperao com a
finalidade de gerar vapor para aquecimento de um processo
industrial no caso de um
ciclo de cogerao, para gerao de energia atravs de uma turbina a
vapor em um ciclo
combinado, ou ainda, para injetar vapor na prpria turbina a gs
para aumento de
potncia ou reduo dos nveis de xidos de nitrognio (NOx).
-
22
Figura 2.3.5.1 Esquema de filtro de ar e duto de expanso.
2.3.6 - Sistema de partida
Em operao normal o acionador do compressor de ar para a turbina
a gs a prpria
turbina a gs, j que esta produz em seu eixo energia suficiente
para acionar o
compressor e ainda acionar outro equipamento qualquer. Mas na
partida quem aciona o
compressor um acionador auxiliar, como um motor a combusto
interna, motor
eltrico, ou sistema eletro hidrulico.
Primeiro a turbina acelerada at a velocidade de purga de ar,
quando ento a mesma
estabilizada durante o perodo de purga. A finalidade desta purga
remover todo leo
ou gs do sistema que poderiam causar exploso. Logo que o ciclo
de purga
completado o gerador de gs acelerado at a velocidade em que a
alimentao de
combustvel iniciada e os ignitores so acionados.
Neste ponto, o motor de partida e a combusto aceleram a mquina
at um ponto onde o
motor de partida desacoplado e a velocidade da turbina auto
sustentada.
-
23
2.3.7 - Sistema de combustvel
Os combustveis normalmente usados em turbinas a gs so do tipo
lquido ou gasoso.
Existem tambm sistemas de combustvel duplos que podem operar ora
com
combustvel lquido ora com combustvel gasoso.
As turbinas a gs devem operar com combustveis de alto poder
calorfico. A medida
que usamos combustveis de poder calorfico menor necessitamos de
cmaras de
combusto maiores para gerar a mesma quantidade de energia.
Como o fluido precisa ser injetado na cmara de combusto numa
presso levemente
superior, o sistema de combustvel compreende os equipamentos que
garantem esta
condio, ou seja:
Bombas ou compressores e seus acionadores; Filtros; Tubulaes e
vlvulas; Sistema de controle.
2.3.8 - Sistema de ignio
Um sistema de ignio consiste basicamente de um sistema eltrico
de alta voltagem
(algumas dezenas de Volts) e dois ignitores capazes de gerar
centelhas a uma freqncia
de aproximadamente 20 vezes por segundo. O sistema de ignio
ligado antes que o
combustvel seja pulverizado no interior da cmara de combusto e
mantido ligado
por meio de um rel de tempo, at um determinado momento em que a
combusto
iniciada e mantida.
-
24
2.3.9 - Sistema de lubrificao
A funo de um sistema de lubrificao fornecer leo limpo e frio
para os mancais da
turbina bem como para as unidades acionadas hidraulicamente. Os
sistemas de
lubrificao de turbinas a gs so semelhantes aos das demais turbo
mquinas sendo que
as nicas e principais diferenas so:
Utilizao de lubrificantes sintticos; Utilizao de post lube oil
pumps (operam com baixa presso pois no h ar); Utilizao de pre lube
oil pumps (operam com baixa presso pois no h ar); Scavenge pumps e
selo de ar nos mancais.
Figura 2.3.9.1 Exemplo de um sistema de lubrificao forada para
turbinas a gs.
-
25
3 Modelagem
3.1 Modelagem de Sistemas Dinmicos
A modelagem de sistemas dinmicos vem sendo desenvolvida h vrios
anos e existem
metodologias e tcnicas (especficas e generalizadas), baseadas em
hipteses, que
permitem determinar um conjunto de equaes (diferenciais e/ou
algbricas) que
definem o comportamento (dinmico e/ou esttico) do sistema no
tempo. O principal
objetivo de se determinar um modelo matemtico reside no fato
dele ser necessrio para
predizer o funcionamento do sistema, o que permite a sua anlise,
simulao e
identificao, possibilita sua sntese e otimizao, e viabiliza o
projeto de seu controle.
Alguns dos procedimentos de modelagem conhecidos so conceituais,
trazendo na sua
formulao uma carga terica bastante elevada, porm de emprego
prtico
relativamente reduzido. Existem, porm, outras metodologias,
menos conceituais, sem
entretanto deixar de ser consistentes e bem formuladas, que so
bem mais operacionais,
ou seja, que efetivamente resolvem o problema de engenharia.
Nas ltimas dcadas, com o avano das ferramentas computacionais,
as tcnicas
operacionais de modelagem vm evoluindo rapidamente e, grande
parte do esforo de
pesquisa na rea de Dinmica de Sistemas tem se concentrado em
desenvolver
aplicaes e aplicativos utilizando estas metodologias. Atualmente
possvel modelar,
simular e analisar um sistema dinmico, representativo de um
dispositivo real, em
computador.
3.2 - O Problema da Modelagem
O problema de modelagem consiste em saber determinar
corretamente qual a
representao fsica e qual o conjunto de equaes que pode definir a
dinmica do
sistema, dentro de certas hipteses, o que depende
fundamentalmente do emprego a ser
dado ao modelo. Tanto o estabelecimento da representao fsica que
simplifica a
estrutura do sistema real, quanto a deciso sobre que tipo de
modelo matemtico utilizar
-
26
esto nas mos do engenheiro, cuja experincia no tratamento de
problemas similares
deve conduzir melhor escolha tendo em vista a aplicao
desejada.
3.3 - O Procedimento de Modelagem
A Figura 3.3.1 ilustra o procedimento adotado para resolver o
problema de modelagem
e o emprego dado aos modelos desenvolvidos. Apesar da fronteira
entre a modelagem
fsica e a matemtica em alguns problemas pode ser bastante
nebulosa, havendo casos
em que no existe essa primeira etapa, considerou-se que
normalmente os passos
representados nesta figura esto presentes no processo de
modelagem de um sistema
real.
Figura 3.3.1 Etapas de um processo de modelagem.
Na etapa de modelagem fsica desenvolvida uma verso simplificada
do sistema real,
baseada em hipteses sobre a sua estrutura e seus elementos, de
modo que se possa, a
partir da, obter um modelo matemtico. Dentro do que se espera do
modelo, deve-se
sempre procurar uma estrutura suficientemente simples, mas que
ao mesmo tempo seja
a mais completa possvel para representar o sistema, o que
depende exclusivamente da
formao conceitual e da experincia prtica do autor. No trivial
obter um bom
modelo fsico. Esta a engenharia no processo de modelagem.
-
27
No primeiro estgio da modelagem matemtica so definidas as relaes
que
caracterizam o comportamento dos elementos do sistema. Aqui
tambm se depende
muito do engenheiro, pois equacionar componentes reais (ou mesmo
idealizados) e
estabelecer as relaes de restrio exige um bom conhecimento do
funcionamento do
sistema e dos conceitos bsicos de engenharia. Estando o modelo
descrito atravs de um
conjunto de equaes bsicas constitutivas, de compatibilidade e de
continuidade, deve-
se proceder manipulao delas, a fim de obter uma das formas de
representao. Este
segundo estgio pode ser realizado automaticamente.
Atualmente existem cdigos que realizam a manipulao das equaes e
geram, como
resultado, o modelo de estado em sua forma numrica, ou at mesmo
literal, desde que
se utilize uma tcnica apropriada para tal tratamento
computacional. Tambm possvel
passar de algumas formas de representao para outras atravs de
procedimentos
numricos, ou de manipulao simblica. A partir da obteno de uma
forma de
representao adequada, o modelo se encontra disposio do
engenheiro para ser
utilizado de acordo com a necessidade.
Observa-se que na maioria das vezes o processo de modelagem
iterativo e a
convergncia s alcanada quando o modelo desenvolvido realmente se
presta para o
fim a que foi proposto. A ttulo de exemplo, a Figura 3.3.2 a
seguir mostra os modelos
fsicos e matemticos para a anlise do problema de vibraes de um
veculo terrestre
sobre suspenso, utilizados para o projeto de suspenses passivas
e ativas.
-
28
Figura 3.3.2 - Modelo Fsico x Modelo Matemtico de uma suspenso
veicular.
Uma dificuldade que geralmente companha o procedimento de
modelagem a
determinao dos valores numricos ou dos prprios modelos que
determinam os
parmetros envolvidos na representao matemtica dos sistemas
dinmicos. Existem
expresses, curvas e bacos, desenvolvidos por vrios autores e
pesquisadores, que
simplificam o clculo de alguns parmetros. Entretanto, em alguns
problemas, h que se
desenvolver tais expresses. A identificao pode auxiliar na
tarefa de determinar certos
coeficientes, porm deve-se ter o modelo em escala, o prottipo ou
o sistema real, para
que se possam realizar testes sobre eles.
-
29
3.4 - Modelagem de uma turbina a gs
As investigaes e as anlises sobre o comportamento dinmico de
turbinas a gs
comearam na dcada de 50. Muitos modelos e mtodos para predio
do
comportamento transitrio foram propostos desde ento. Nos
primeiros estgios destes
trabalhos, o modelo de uma turbina a gs foi aproximado para um
sistema linear de
primeira ordem, relacionando a velocidade de rotao do eixo com o
fluxo de
combustvel.
Posteriormente, no incio da dcada de 80, procurou-se obter um
modelo mais elaborado
estimando a temperatura na sada da cmara de combusto. Em
publicaes mais
recentes, os autores procuraram dividir o problema de modelagem
de turbinas a gs em
partes. Os principais componentes do motor so modelados
individualmente e depois
agrupados, podendo compor diversos tipos de turbinas a gs. Esta
abordagem modular
j era muito aplicada em modelos estticos, no entanto, s na dcada
de 90 foram
apresentados estudos aplicando tal metodologia para modelagem do
comportamento
transitrio. Com base nestas publicaes, foram desenvolvidos
diversos outros trabalhos
com a mesma abordagem.
A modelagem da turbina complexa se todos os elementos que compem
a turbina
forem modelados detalhadamente. Para estudos na rea de sistemas
de potncia,
modelos simplificados so usados. Basicamente o modelo deve
incluir o controle de
velocidade e carga, o sistema de controle de combustvel e ar, a
cmara de combusto, a
turbina a gs, o sistema de controle de temperatura de exausto e,
no caso de unidade de
ciclo combinado, outros elementos associados ao processo de
troca de calor e turbina a
vapor.
Um estudo muito citado na literatura ROWEN, W. I - 1983 vii,
revisado em 1989.
Nesse trabalho o autor prope um modelo matemtico simplificado
para turbinas a gs
do tipo single-shaft (eixo nico), desenvolvido com base em
turbinas General Electric,
abrangendo potncias de 18 MW at 106 MW, aproveitando-se da
extensa experincia
adquirida em testes e inmeras instalaes (Figura 3.4.1).
-
30
Figura 3.4.1 Diagrama de blocos do modelo de Rowen para turbinas
de eixo nico
(reviso de 1989).
De acordo com CARRERA, R.A.S 2006 viii, ...para estudos de
engenharia, um dos
passos iniciais a obteno de um modelo do sistema capaz de
representar
suficientemente as caractersticas do processo de acordo com os
objetivos traados
para o trabalho. A complexidade de uma turbina a gs e as
diferentes configuraes
possveis para este sistema aumentam os esforos necessrios tanto
para a modelagem
esttica quanto dinmica. Grande parte dos trabalhos publicados
referem-se a modelos
em regime permanente, o que restringe sua aplicabilidade em
projetos de sistemas de
controle, ou so baseados em modelos proprietrios de fabricantes
de turbinas a gs e
o acesso a estes restrito.
Alm disso, uma reviso da literatura nacional explicita a
escassez de trabalhos sobre
a modelagem da dinmica no-linear de turbinas a gs e de aplicaes
de tcnicas de
controle automtico a tal tipo de sistema. A maioria dos
trabalhos que investigam o
-
31
desempenho de turbinas a gs refere-se ao regime permanente das
mesmas,
caracterizado por mapas de operao.
No que se refere literatura internacional, os trabalhos de
modelagem apresentados,
em sua maioria, referem-se dinmica obtida a partir de tcnicas de
identificao de
uma turbina a gs real operando em torno de um ponto de operao
especfico. Os
estudos realizados com modelos no-lineares esto, geralmente,
ligados a laboratrios
de fabricantes de turbinas a gs e, portanto, sem acesso pblico.
Alguns poucos
trabalhos desenvolvem modelos a partir da descrio mecnica e
termodinmica de
cada bloco constituinte de uma turbina a gs e da interao entre
os mesmos.
O modelo desenvolvido pelo autor baseia-se na estratgia modular,
considerando as
peculiaridades de cada subsistema de uma turbina a gs de nico
eixo e suas interaes.
Nele so considerados um compressor axial, uma cmara de combusto
e uma turbina
(Figura 3.4.2).
Figura 3.4.2 Diagrama bsico de uma turbina a gs.
Cada componente modelado e simulado em separado e depois todos
so agrupados em
um nico modelo (Figura 3.4.3), que dinmico e no-linear. Tal fato
permite a
familiarizao com aspectos de operao, construo e avaliao de
diversos parmetros
do motor, bem como o estudo e aplicaes de tcnicas de controle
automtico.
-
32
Figura 3.4.3 - Diagrama de simulao (CARRERA, R.A.S 2006).
J o modelo proposto por REBOUAS, R. R. 2009 ix considera seis
componentes a
serem tratados individualmente: compressor, cmara de combusto,
turbina, eixo,
bocais de admisso e de exausto. Utilizando a mesma metodologia
de [6], no qual cada
componente modelado em separado e posteriormente agrupado de
maneira adequada,
o autor demonstra ser possvel descrever alguns tipos de turbinas
a gs. Neste trabalho
d-se foco aos modelos dos motores dos tipos turbo eixo e turbo
jato. Os modelos destes
dois motores retratam os principais aspectos do comportamento
transitrio necessrios
ao projeto de um sistema de controle.
Os modelos destes componentes so baseados em equaes de conservao
de massa,
energia e momento. No caso especfico do compressor e da turbina,
utilizam-se tambm
mapas de desempenho para modelar suas principais
caractersticas.
No trabalho do autor so propostos dois tipos de turbinas a gs
que foram modeladas e
simuladas, um motor industrial do tipo turboeixo (Figura 3.4.4)
e um motor aeronutico
do tipo turbojato (Figura 3.4.5). Nele so apresentados os
modelos dos componentes, e a
maneira como estes foram combinados para descrever estes dois
tipos de motores. Com
base nos modelos, realizaram-se simulaes e anlises dos
resultados, principalmente
com relao aos aspectos que possam levar o sistema
instabilidade.
-
33
Figura 3.4.4 - Diagrama de blocos de uma turbina de eixo
nico.
Figura 3.4.5 - Diagrama de blocos de um turbojato.
Em MORISHITA, M. e FARIA, V. P. 2006 x, apresentada a modelagem
e simulao
de um sistema de controle de uma turbina a gs estacionria. So
utilizados conceitos de
mecnica dos slidos e termodinmicos, para a modelagem dos
componentes da turbina.
A turbina analisada considerada de grande porte (Heavy-Duty), em
torno de 100 MW.
No trabalho em questo, o sistema dinmico da turbina foi baseado
na seguinte equao
de segunda ordem:
-
34
onde:
J o momento de inrcia; B o atrito viscoso; Tturbina -Tdemanda a
diferena entre o torque fornecido pela turbina e o
torque de demanda.
A aplicao da Transformada de Laplace na equao anterior leva
obteno da Funo
de Transferncia do sistema dinmico:
A implementao do sistema de controle abordada no item 4.
Em FARIA, V. P. (2009)xi, o autor desenvolve um modelo de uma
turbina a gs do tipo
split-shaft (eixo duplo) e seu sistema de controle (Figura
3.4.6). O modelo foi
desenvolvido a partir da geometria bsica da turbina (Figura
3.4.7), aplicando-se os
fundamentos de termodinmica, mecnica newtoniana e mecnica dos
fluidos,
mencionando os usos da primeira lei da termodinmica, teoria de
momento angular e
atrito viscoso entre outros.
-
35
Figura 3.4.6 Modelo fsico da turbina split-shaft modelada.
Figura 3.4.7 Diagrama da turbina split-shaft modelada.
-
36
4 Controle de uma turbina a gs
Atualmente, os sistemas de controles de turbinas a gs so
responsveis pela partida,
equipamentos auxiliares, lubrificao e regulao do motor.
Monitoram diversas
variveis, como temperatura, presso, fluxo de combustvel, rotao e
torque com o
objetivo de manter uma operao com melhor desempenho e segurana
possvel, sem
transgredir limites fsicos impostos pelos materiais ou tornar a
operao instvel. Todos
os sistemas usam sensores (exemplo, termopares) e atuadores
(exemplo, vlvula de
combustvel).
O sistema de controle pode ser feito em malha aberta ou em malha
fechada.
O controle em malha aberta manipula a varivel de controle
dependendo da entrada e
no utiliza nenhuma medio. O controle em malha fechada utiliza
uma ou mais
medies para manipular a varivel de controle.
O controle em malha fechada pode ser em alimentao direta ou
realimentao ou
ambos. No controle com realimentao, as variveis a serem
controladas so
comparadas com valores de referncia. A diferena entre essas
variveis e a referncia
utilizada pelo controlador e este tem o objetivo de minimizar
esta diferena. No controle
com alimentao direta, o controle usa o carregamento medido para
posicionar a
varivel de controle de modo a minimizar o desvio resultante.
Muitas vezes os dois
tipos de controle so usados juntos. A Figura 4.1 mostra um
diagrama de blocos tpico:
Figura 4.1 Diagrama de blocos com controle de alimentao direta e
realimentao.
-
37
Um controle clssico pode ter parmetros proporcionais, integrais,
derivativos, de atraso
entre outros. Os parmetros devem ser cuidadosamente escolhidos
para que no haja
nem inefetividade e nem instabilidade da planta.
A varivel mais comum de controle a injeo de combustvel, j que
por meio do
controle do fluxo, interfere-se diretamente em diversas variveis
do sistema.
Turbinas a gs mais sofisticadas possuem ainda outros sistemas
que permitem variar a
geometria do compressor e bocais na sada da turbina, permitindo
controle da admisso
e expanso do ar, respectivamente.
A filosofia de sequenciamento de uma turbina a gs consiste nos
procedimentos que
devem ser adotados na partida, operao e desligamento da mquina.
Em linhas gerais,
as etapas que caracterizam tal sequenciamento so:
4.1 - Partida
Condies do nvel de leo, gua, energia e outros aspectos que so
verificados para
permitir a partida da mquina;
Os sistemas auxiliares encontram-se desligados.
4.2 - Preparao
Bomba de emergncia testada e bomba auxiliar inicia lubrificao do
sistema at que
a presso do leo encontre-se no valor adequado.
4.3 - Purga
O sistema de partida, geralmente um motor eltrico, acionado e
retira o eixo da
inrcia acelerando-o at atingir 20% da rotao mxima;
Esta acelerao permite que haja fluxo de ar limpo dentro da
turbina a gs necessrio
para realizar sua purga.
-
38
4.4 - Ignio
H a ignio e o motor acelerado at atingir a velocidade de marcha
lenta (idle),
nesta velocidade o sistema torna-se auto-sustentado;
Os sistemas auxiliares e de partida so desligados.
4.5 - Aquecimento (Warm-up)
A turbina a gs mantida acelerada (idle) a fim de que haja uma
uniformizao da
temperatura antes da colocao da carga.
4.6 - Operao
Nesta etapa, a carga acoplada e o sistema de controle atua para
permitir uma
regulao da velocidade respeitando os limites de operao e
segurana.
4.7 - Resfriamento (Cool-down)
A turbina a gs desacelerada (idle) a fim de que haja uma
uniformizao da
temperatura antes do desligamento da mquina.
4.8 - Parada
As vlvulas de combustvel so fechadas e a bomba auxiliar e os
ventiladores so
acionados.
4.9 - Ps-lubrificao
Sistema de lubrificao acionado visando principalmente o
resfriamento da mquina.
Na Figura 4.2 tem-se a representao grfica das etapas
descritas.
-
39
Figura 4.2 Filosofia de sequenciamento de uma turbina a gs.
De acordo com CAMPOS, M. e TEIXEIRA, H. (Controles Tpicos de
Equipamentos e
Processos Industriais 2 Edio, 2010), ... turbinas a gs so
compostas por trs
equipamentos complexos em srie: compressor, cmara de combusto e
turbina. A
operao estvel da mquina depende dos pontos de operao destes trs
equipamentos
que so acoplados (a rotao a mesma, a vazo do compressor e da
turbina so muito
correlacionadas, a presso na entrada da turbina a sada do
compresso etc). Na
prtica, a faixa de pontos possveis de operao fica extremamente
reduzida, pois o
compressor apresenta problemas de instabilidade em baixas vazes
e a cmara de
combusto tem o problema da estabilidade da chama.
A regio mais estvel de operao do compressor pode ser plotada em
um grfico que
correlaciona vazo com a presso de descarga, para evitar que o
equipamento opere em
vazes inferiores a um mnimo e ocorra uma instabilidade de
funcionamento
denominada surge (Figura 4.3).
-
40
Figura 4.3 Operao da turbina a gs na curva do compressor.
O fenmeno do surge se caracteriza pela ocorrncia de oscilaes
rpidas de presses de
descarga (entre 0,05 e 0,2 segundos dependendo da mquina), com
possibilidade de
ocorrncia de fluxo invertido da cmara para o compressor (vazo
reversa). Tal efeito
pode acarretar srios danos ao compressor j que, em geral, estes
no so projetados
para operarem com altas temperaturas, comuns na cmara de
combusto.
Caso o compressor venha a operar nessa regio, o procedimento
comum consiste em
abrir-se uma vlvula de alvio (blow-off ou bleed), ou mesmo
alterar o posicionamento
das vlvulas guias da suco (VIGV Variable inlet guide vanes).
A Figura 4.4 retrata as principais variveis manipuladas no
controle de uma turbina a
gs: a vlvula de combustvel, a vlvula VIGV que altera o ngulo de
entrada de ar no
compressor e a vlvula de alvio (blow-off). Esta figura tambm
mostra uma turbina do
tipo split-shaft, na qual a turbina que aciona o compressor no
est acoplada
mecanicamente da turbina que aciona a carga mecnica. Esta
separao resulta numa
maior flexibilidade de rotao para acionar a carga.
-
41
Figura 4.4 Variveis manipuladas da turbina a gs industrial.
Existem turbinas nas quais tambm se pode atuar em vlvulas guias
na entrada da
turbina, aps a cmara de combusto (NGV Nozzle Guide Vanes).
Entretanto, por ser
essa uma regio que opera em altas temperaturas, o sistema de
atuao torna-se mais
complexo e por isso um controle pouco utilizado.
Os transientes de uma turbina a gs so relativamente rpidos, da
ordem de 5 a 10
segundos e as principais restries so: a mxima temperatura
durante os transientes na
turbina, a proximidade de operao na regio do surge no compressor
e a relao
combustvel/ar na cmara de combusto, de forma a manter a
estabilidade da chama.
Na acelerao, aumenta-se a vazo de combustvel fazendo com que a
potncia e a
rotao tambm aumentem. Durante essa acelerao, a temperatura dos
gases na sada
da cmara de combusto aumenta, com risco de temperatura alta na
turbina. Com ela, a
presso de descarga do compressor, em funo da maior temperatura
dos gases e da
velocidade snica da turbina (choke), que limita a vazo at que a
inrcia permita um
aumento de rotao, pode lev-lo a operar na regio do surge.
Na ocorrncia do surge, a temperatura da turbina tambm tende a
subir muito e tal fato
deve ser detectado pelo monitoramento do diferencial de presso
no compressor. Acima
de certo valor a mquina estar em surge e, como j mencionado, o
controle deve atuar,
-
42
fechando a vlvula de alimentao de combustvel e abrindo as
vlvulas de alvio ou as
vlvulas guias de suco.
Como descrito, a vazo de combustvel deve aumentar de forma
controlada e uma forma
de evitar o surge, consiste no projeto de um controlador que
tenha uma folga de 22%,
considerando percentuais iguais para a dinmica e as incertezas
da curva de surge.
De igual forma, a vazo de combustvel deve ser controlada na
desacelerao, pois altas
razes entre as vazes de ar e de combustvel podem acarretar na
extino das chamas.
O que ocorre nessa situao que a vazo de combustvel cai de 20 a
50% do valor
nominal, diminuindo a presso de descarga da cmara de combusto e
aumentando a
vazo de ar comprimido.
Em caso de extino da chama, o controle dever ser capaz de atuar
rapidamente,
fechando a vlvula de alimentao de combustvel. Assim, evita a
autoignio do
combustvel fora da cmara de combusto, o que causaria danos s
palhetas da turbina,
que no foram projetadas para operar nessas condies.
Retornando Figura 4.4, observa-se que so poucos os pontos nos
quais a turbina opera
em equilbrio, j que para uma dada rotao haver apenas uma vazo de
entrada e uma
presso de descarga especficas, que equilibram a curva do
compressor com a da
turbina.
-
43
Figura 4.5 Esquema simplificado do controle de vazo de uma
turbina a gs do tipo
split-shaft.
Do exposto at agora, demonstra-se a complexidade dos transientes
envolvidos e a
obrigatoriedade de uma estratgia controle avanada, que evite as
instabilidades.
Atualmente, controles de turbinas so implementados em sistemas
que operam em
ciclos de 10 a 30ms, variando de acordo com o equipamento e
fabricante.
Tendo em vista que o objetivo a gerao de energia eltrica, o
controle de velocidade
da turbina deve ser preciso e a principal varivel manipulada a
vazo de combustvel.
Na Figura 4.5 mostrado um esquema simplificado do controle da
vazo de
combustvel de uma turbina a gs do tipo split-shaft.
-
44
Caso no haja nenhuma restrio ao funcionamento da turbina e esta
j tenha partido, o
controle da vazo de combustvel feito pelo controlador PID de
rotao do
equipamento. Contudo, se a temperatura na entrada da turbina de
potncia estiver acima
do valor mximo ajustado, quem assume o controle o controlador
TIC, atravs do
seletor de menor, cortando a vazo para que a restrio no seja
violada.
H tambm outro controlador PID que atua na funo de corte de
combustvel, quando
h sobre rotao do conjunto compressor/turbina de alta presso. Tal
controle para
evitar o surge e a alta temperatura na turbina de alta presso,
implementado na prtica
com uma tabela no linear de valores, que correlaciona a rotao do
conjunto, corrigida
por presso e temperatura, com a vazo de combustvel. Uma sada
desse controle
tambm atuar no bloco de seleo de menor, evitando que outros
controladores PIDs
solicitem uma vazo de combustvel maior que o determinado. Assim,
esse sistema atua
como proteo para a integridade da mquina.
De igual maneira na desacelerao, onde a vazo de combustvel deve
ser controlada em
funo da rotao do conjunto, aplicado outro bloco de clculo, com
uma tabela de
valores, que minimiza a chance de apagamento da chama. A menor
vazo atua em um
seletor de maior, protegendo a mquina de atuao bruscas dos
PIDs.
Por fim, no caso de ocorrncia de sobre velocidade por diminuio
brusca da carga, o
sistema de segurana deve atuar o mais rapidamente possvel,
cortando a alimentao de
combustvel.
-
45
5 A Usina Termeltrica de Santa Cruz.
5.1 Histrico xii
A Usina de Santa Cruz tem capacidade instalada de 932 MW,
distribudos por quatro
unidades geradoras a vapor e duas unidades geradoras a gs. Sua
construo, iniciada na
dcada de 60, foi fundamental para a interligao do sistema
eltrico do Rio de Janeiro
s demais regies do Pas e est localizada margem direita do Canal
de So Francisco,
na regio do Plo Industrial de Santa Cruz (RJ).
Figura 5.1 Usina Termeltrica de Santa Cruz Eletrobras
Furnas.
Inicialmente foram instaladas duas unidades geradoras de 82 MW
cada. A primeira
unidade entrou em operao comercial em setembro de 1967, tendo
sido inaugurada,
oficialmente, em 11 de maio de 1968. Aps estudos realizados pela
Eletrobrs Furnas a
usina teve sua capacidade instalada aumentada para 600 MW, com a
construo de mais
duas unidades a vapor de 218 MW cada, que entraram em operao
comercial em
fevereiro e agosto de 1973.
Projetada para operar por meio da utilizao de combustveis
lquidos derivados de
petrleo, a Usina, acompanhando o desenvolvimento de novas
tecnologias, em 1987
-
46
passou a utilizar o gs natural como fonte de energia, permitindo
assim, a melhoria da
qualidade do ar pelo uso de um combustvel mais limpo.
Em 2003, inicia-se a modernizao e ampliao da capacidade com a
instalao de duas
turbinas a gs (TGs), projetadas para queimar gs natural como
combustvel principal.
Estas unidades geradoras entraram em operao comercial em
dezembro de 2004 e abril
de 2010, disponibilizando ao sistema eltrico mais 332 MW. Este
empreendimento
tambm prev o emprego do ciclo combinado, onde um gerador de
vapor ser capaz de
recuperar o calor dos gases da exausto das turbinas a gs, com
isto elevando
substancialmente a eficincia trmica e melhorando as condies
ambientais da regio.
Figura 5.2 Turbinas da UTE de Santa Cruz.
-
47
5.2 Dados Tcnicos das unidades geradoras utilizando TGs
Unidades 11 e 21:
Turbina: SW 501 FD. Fabricante: Siemens Westinghouse.
Velocidade: 3.600 rpm.
Figura 5.2.1 Placa de identificao da turbina SW 501 FD.
-
48
Heat Rate - Condies ISO (International Organization for
Standardization):
Ciclo simples - 9.360 btu/kWh; Ciclo combinado - 5.595 btu/kWh;
Massa de fluxo de ar - 991lb/s - 449 kg/s; Combustores: 16; Estgios
do compressor axial: 16; Estgios da turbina (reao): 4; Taxa de
compresso: 15:1; Temperatura na entrada da turbina: 1.288 C;
Temperatura dos gases de exausto: 580 C; Eficincia em ciclo
simples: 36%; Eficincia em ciclo combinado: 54%.
Condio ISO (International Standard Organization):
Temperatura ambiente: 15 C; Presso ao nvel do mar: 14.969 psi;
Umidade relativa: 60%; Perdas na entrada: 4,5 inH2O; Perdas na
exausto: 5,0 inH2O.
Gerador:
Fabricante: Siemens - Westinghouse (EUA); Tipo: trifsico,
resfriado a ar, eixo horizontal; Freqncia: 60 Hz; Tenso: 16.500 V
entre fases; Velocidade: 3.600rpm; Potncia: 235.000 KVA.
-
49
Caldeira de Recuperao:
Fabricante: STF - Construzione Impianti Industriali (Itlia)
Capacidades:
o Vapor superaquecido: 204,8 ton/h; o Vapor reaquecido: 221,8
ton/h; o Presso de trabalho: 109 bar; o Condies de vapor:
Superaquecedor: 109 bar a 540 C; Reaquecedor: 30,4 bar a 540 C;
Caractersticas: Circulao natural; fluxo de gs horizontal;
produo de vapor superaquecido em dois nveis de presso, com
estgio intermedirio de resuperaquecimento de vapor.
5.3 Descrio do sistema de controle das turbinas SW501FDxiii
O sistema de controle e superviso das TGs o SPPA T3000 (Siemens
Power and
Process Automation T3000).
O T3000 (Figura 5.3.1) um sistema do tipo SDCD (Sistema Digital
de Controle
Distribudo), dotado de processadores e redes redundantes que
permitem uma
descentralizao do processamento de dados e decises, atravs do
uso de unidades
remotas na planta. Alm disso, o sistema oferece interfaces
homem-mquina (IHM) que
permitem o interfaceamento com controladores lgicos programveis
(CLP),
controladores PID, equipamentos de comunicao digital e sistemas
em rede. Atravs
das Unidades de Processamento distribudas nas reas, os sinais
dos equipamentos de
campo so processados de acordo com a estratgia programada. Estes
sinais,
transformados em informao de processo, so atualizados em tempo
real nas telas de
operao da Sala de Controle (Figura 5.3.2).
-
50
Figura 5.3.1 Arquitetura do sistema SPPA-T3000.
Figura 5.3.2 Sala de Controle das TGs da UTE de Santa Cruz.
-
51
A adoo da estratgia de thin clients diminui o requerimento de
hardware e software,
j que as aplicaes so rodadas em um servidor central: o cliente
apenas registra-se na
rede local, atravs um PC comum, para ter acesso a todo o
sistema. Alm disso, h
outros benefcios:
A Infra-estrutura de TI existente pode ser utilizada. Fcil
configurao da estao de trabalho para aplicaes de controle de
processos. Nenhum dado de engenharia ou de processo armazenado
no thin client. Sala de controle centralizada para vrias Usinas ou
salas de controle no
tripuladas ou diagnsticos remotos. H um servidor de aplicao com
redundncia, operando em modo de processamento duplo, possibilitando
um MTBF de 99,9995% (Figura 5.3.3).
Figura 5.3.3 Servidor de aplicao.
-
52
O sistema possui um servidor de automao e um add-on. Esse
servidor baseado em um CLP, projetado para operar em condies
severas de temperatura (at 60C) e com alta taxa de processamento
(Figura 5.3.4).
Figura 5.3.4 Servidor de Automao. Os mdulos de entrada e sada
operam com taxas de transmisso at 12 Mbit/s, atravs de conexo com
PROFIBUS-DP e permitem a troca a quente dos mdulos individuais.
Figura 5.3.5 Servidor de Automao.
-
53
5.3.1 Hardware O CLP um Siemens SIMATIC S7-400 (Figura 5.3.1.1)
e usa rede de instrumentao
redundante.
Figura 5.3.1.1 - CLP Siemens SIMATIC S7-400 (observar a
redundncia).
O CLP recebe informaes dos mdulos de entrada e envia sinais de
controle para os
mdulos de sada. Na Figura 5.3.1.2 v-se os mdulos de entrada e
sada de sinais
analgicos e digitais, agrupados em um quadro especfico.
-
54
Figura 5.3.2.2 Quadro com mdulos de entrada e sadas de sinais de
sensores e
transmissores.
Os mdulos de entrada recebem informao dos sensores e
transmissores que esto no
processo, enquanto os de sada se comunicam com os atuadores no
campo. H tambm
os barramentos das redes de instrumentao (Figura 5.3.1.3) e
ethernet (5.3.1.4) que
permitem o acesso pelo centro de controle, onde finalmente
tem-se as interfaces
homem-mquina (IHM), permitindo visualizar os dados e informaes
do processo,
alm de configurar parmetros operacionais, atravs do servidor de
aplicao (Figura
5.3.1.5). As IHMs so PCs comuns, rodando MS Windows 2003, mesmo
S.O. do
servidor de aplicao.
-
55
Figura 5.3.1.3 Barramento de rede de instrumentao.
Figura 5.3.1.4 Barramento de rede ethernet.
-
56
Figura 5.3.1.5 Servidor de aplicao.
As estaes de operao local, situadas em contineres
individualizados por turbina
(Figura 5.3.1.6), operam de forma independente. Na ocorrncia de
qualquer falha que
inabilite a central de controle, essas estaes possuem as mesmas
funcionalidades,
propiciando um grau maior de redundncia e confiabilidade.
-
57
Figura 5.3.1.6 Estao de trabalho remota.
Nesses mesmos contineres tambm esto instalados os CLPs e os
mdulos de entrada
e sada de sinais, j mencionados, dentre outros equipamentos.
5.3.2 Sensores
Esses so elementos importantes no controle das TGs e so
empregados sensores de
velocidade da turbina, vibrao nos mancais do eixo, temperatura
nos combustores e na
sada da turbina, alm de transmissores de vazo de gs (Figuras
5.3.2.1 a 5.3.2.8).
Muito embora as turbinas SW501FD tambm possam utilizar leo
diesel como
combustvel, possuindo sensores especficos para controle quando
opera com este
combustvel, no presente trabalho enfocaremos apenas aqueles que
estejam relacionados
operao com gs.
-
58
Figura 5.3.2.1 1 sensor de velocidade (observar a
redundncia).
Figura 5.3.2.2 2 sensor de velocidade.
-
59
Figura 5.3.2.3 Condicionadores para os sensores de
velocidade.
Figura 5.3.2.4 Sensores de vibrao (acelermetros).
-
60
Figura 5.3.2.5 Sensor de deslocamento.
Figura 5.3.2.6 Termopares dos combustores.
-
61
Figura 5.3.2.7 Termopares da cmara de combusto (em primeiro
plano) e sada de
gases.
Figura 5.3.2.8 Transmissor de vazo de gs.
-
62
Todos os sinais dos sensores so condicionados apropriadamente em
mdulos
especficos para tal finalidade e agrupados em quadros, como j
mencionado e mostrado
anteriormente.
Cada mdulo condicionador possui um endereo prprio, que o
identifica na rede de
instrumentao. Atravs desse endereamento, possvel ao operador
alterar parmetros
operacionais, via CLP, sem a necessidade de sair da Sala de
Controle ou do continer da
TG.
O CLP Siemens SIMATIC S7-400 possui 18 CPUs, 30MB de memria
interna
(expansvel at 64 MB) e tempo de execuo de 0,018s. Essas
caractersticas garantem um funcionamento seguro quanto ao tempo de
resposta e capacidade de processamento
e de armazenamento temporrio das variveis manipuladas no
programa residente no
CLP.
5.3.3 O Supervisrio
Convm observar que no foi possvel a captura direta das telas
(print screen) do
supervisrio (a qualidade das imagens seria muito melhor), mas no
foi dada permisso
para usar as estaes IHM para tal finalidade. No entanto, foi
autorizado o uso de
mquina fotogrfica digital e todas as fotos mostradas procuram
retratar, da melhor
forma possvel, o que se descreve no texto.
O supervisrio do T3000 possui todos os recursos de visualizao e
configurao
necessrios para o controle do funcionamento das TGs.
Cada integrante do sistema pode ser visualizado, configurado ou
mesmo emulado, como
no caso dos sensores e condicionadores de temperatura e
vibrao/deslocamento. Caso
haja dvida sobre o correto funcionamento de algum desses
componentes, pode-se
arbitrar e configurar um valor usual do sinal correspondente
numa tela dotada de
campos editveis, at que seja executada a verificao local da
integridade fsica do
sensor ou condicionador e atestado seu correto funcionamento.
Uma vez sanada a
anomalia, o operador retorna as configuraes ao padro de operao
para o sensor e/ou
-
63
condicionador. Dessa forma o sistema de proteo no atua de
imediato e essa
caracterstica permite que tanto os sensores como os
condicionadores possam ser
trocados, sem que seja necessrio parar a turbina.
A Figura 5.3.3.1 e detalhe na 5.3.3.2 mostram a tela referente
aos combustores de uma
das turbinas, que estava parada. Observar que para cada ponto de
medio h duas
indicaes de temperatura, correspondendo aos dois termopares (ver
Figura 5.3.2.6).
Caso haja algum indcio de anomalia com algum deles, a tomada de
temperatura no
ponto de medio poder ser direcionada para o outro termopar, at
que o defeito seja
resolvido. Notar igualmente que na parte inferior da tela,
outras informaes sobre o
comportamento da turbina esto disponveis.
Figura 5.3.3.1 Tela que representa os combustores.
-
64
Figura 5.3.3.2 Detalhe da tela que representa os
combustores.
O sistema T3000 possui vrias telas como as apresentadas at aqui,
que delimitam o
acesso aos componentes do controle, at o nvel das entradas e
sadas do CLP. Como j
mencionado, todas as alteraes, ajustes e configuraes podem ser
feitas diretamente
da Sala de Controle ou dos contineres de controle das TGs. A
exceo fica por conta
da alterao ou atualizao do firmware ou do programa de controle
gravado no CLP.
Essa operao realizada diretamente no equipamento.
As Figuras 5.3.3.3 a 5.3.3.5 mostram outras telas importantes do
controle da TG. Nelas
possvel observar inmeras informaes sobre as condies do
funcionamento da
mquina.
-
65
Figura 5.3.3.3 Tela de monitoramento de vibrao e
deslocamento.
-
66
Figura 5.3.3.4 Tela de monitoramento do sistema de resfriamento
da TG.
Figura 5.3.3.5 Tela de monitoramento da gerao e controle da
chama.
5.3.4 Sistemas de apoio
Os sistemas de apoio compreendem o de partida, leo de
lubrificao, leo de controle,
combate a incndio e alimentao de gs natural (GN).
No supervisrio, na parte inferior de todas as telas de
monitoramento, h a indicao das
condies atuais de funcionamento da TG. Uma dessas informaes
sobre a
velocidade de rotao da turbina (Figura 5.3.4.6), que mesmo
parada, deve manter-se
em movimento a uma velocidade aproximada de trs rpm (tunning
gear). Como o
eixo da turbina tem um peso elevado e s apoiado nas
extremidades, ele empenar se
permanecer parado numa mesma posio, ainda que por curto perodo
de tempo. Para
evitar esse empeno um sistema hidrulico, movido por um motor
eltrico CC,
responsvel por manter o eixo nessa rotao mnima
ininterruptamente, como retrata a
Figura 5.3.4.7, e faz parte do sistema de partida da turbina,
cujo esquema retratado na
Figura 5.3.4.8.
-
67
Figura 5.3.4.6 Indicao da rotao da turbina.
Figura 5.3.4.7 Sistema hidrulico de manuteno do movimento do
eixo da turbina
(tunning gear).
-
68
Figura 5.3.4.8 Sistema de partida da turbina.
O sistema de partida, alm do tunning gear, acelera a turbina at
a velocidade auto-
sustentada e tambm prov um modo de rotao denominado spin hold,
necessrio
para purga e resfriamento da turbina e lavagem do
compressor.
A Figura 5.3.4.9 retrata o diagrama do sistema de lubrificao da
turbina e gerador. Em
caso de falha, um sinal de trip (desarme ou parada) gerado e a
turbina desligada.
Figura 5.3.4.9 Sistema de leo de lubrificao.
-
69
O sistema de leo para controle, cujo diagrama retratado na
Figura 5.3.4.10,
responsvel por prover fluido hidrulico sob presso para operao
das vlvulas de
controle de presso de gs combustvel, vlvulas de controle de
presso e bloqueio de
combustvel, atuador de controle de posicionamento das aletas
varveis de entrada de ar
no compressor (IGV), atuador da vlvula by pass do combustor e
vlvula reguladora
de presso na descarga da bomba de leo combustvel (quando a
turbina opera com leo
diesel).
Figura 5.3.4.10 Diagrama dos sistema de leo para controle.
Em caso de falha nesse sistema, gerado um sinal de trip,
desligando a turbina. No
entanto, acumuladores (em primeiro plano na Figura 5.3.4.11)
garantem a presso
necessria at a parada total, evitando danos.
-
70
Figura 5.3.4.11 Sistema de bombeamento de leo lubrificante.
O sistema de combate a incndio compreende o controle e
monitoramento (Figura
5.3.4.12) e garrafas de p qumico, instaladas prximo entrada de
alimentao de GN,
como mostra a Figura 5.3.4.13. esquerda da Figura localizam-se
as garrafas de p
qumico e direita a entrada de GN para alimentao da turbina. Em
caso de deteco
de incndio, a alimentao de gs cortada e o p qumico lanado sobre
a unidade de
filtragem e alimentao de GN.
Figura 5.3.4.12 Controle e monitoramento do sistema de combate a
incndio.
-
71
Figura 5.3.4.13 Garrafas de p qumico e unidade de filtragem e
alimentao de GN.
O sistema de alimentao de gs composto por um compressor e uma
unidade de
filtragem, controle de presso e pr-aquecimento do gs. O
compressor alojado em
local prprio (Figura 5.3.4.14) e uma tubulao especfica e
identificada leva o GN at a
unidade de filtragem, controle de presso e pr-aquecimento do gs,
passando pelo
medidor de vazo (Ver Figura 5.3.2.8).
-
72
Figura 5.3.4.14 Compressor de GN.
-
73
O compressor ajustado para aproximados 448 psi, como retrata a
Figura 5.3.4.15, onde
se observa a IHM do CLP de controle.
Figura 5.3.4.15 Interface Homem-Mquina do controlador do
compressor de GN.
A unidade de filtragem, controle de presso e pr-aquecimento do
gs fica instalada
prxima turbina, mas em local externo s dependncias da turbina em
si, como
retratado na Figura 5.3.4.16 a seguir.
-
74
Figura 5.3.4.16 Unidade de filtragem, controle de presso e
pr-aquecimento do gs.
-
75
5.3.5 Problemas de funcionamento.
Segundo o relato dos tcnicos da Usina, no tm ocorrido problemas
srios que ponham
em risco a integridade da mquina ou mesmo s suas vidas. Todo o
sistema se mostra
bastante eficiente e confivel e o controle bastante robusto.
As nicas ressalvas ficam por conta de problemas de conexes dos
termopares e pelo
fato de que a alimentao de gs pela Petrobras no ser contnua.
Devido s vibraes e temperaturas envolvidas, as conexes internas
dos termopares
acabam por apresentar mal-contato. Com a turbina em operao, a
manuteno torna-se
difcil em virtude da alta temperatura do invlucro do termopar e
pela elevada
temperatura ambiente nas dependncias, a despeito do isolamento
trmico que reveste
as partes quentes da turbina. Assim, os operadores atuam de
forma a redirecionar a
informao de temperatura para um termopar que esteja no mesmo
ponto de medio e
funcionando normalmente. A, em surgindo a oportunidade, o
termopar defeituoso
consertado ou substitudo. Segundo informado, a empresa planeja a
substituio de
todos os termopares existentes, por modelo mais atual, nos quais
as conexes internas
sejam mais eficientes.
Quanto ao fornecimento do gs, a Petrobras vende o volume
solicitado pela Usina, em
funo da previso do tempo de operao previsto. Como esse processo
de compra nem
sempre gil o suficiente para atender s demandas de energia, a
Usina lana mo de
suas reservas de leo diesel para operar. Mas, consenso entre
todos os tcnicos
ouvidos, que a operao com GN mais simples, rpida, eficiente e
menos poluente.
-
76
6 Concluso
O presente trabalho foi estruturado de forma a permitir uma
melhor compreenso acerca
das vantagens na utilizao de turbinas a gs na gerao de energia
eltrica, frente aos
sistemas que usam motores a exploso (ciclo Otto) e igual forma,
foram descritos os
tipos de controles possveis, na atualidade, responsveis por
manter o funcionamento
dessas excepcionais, porm complexas mquinas, dentro dos
parmetros de segurana e
eficincia, determinados pelos fabricantes..
Foram detalhadas as principais caractersticas das turbinas a gs,
expostos alguns
estudos matemticos de simulaes, incluindo metodologias de
modelagem e por fim, a
descrio de uma aplicao prtica, que muito bem exemplificou essa
modalidade de
gerao de energia eltrica.
Ainda que a aplicao prtica descrita no esteja ligada ao ambiente
naval/offshore,
toda a estrutura e cuidados no controle sero sempre os mesmos,
independente do local
de operao.
Na descrio da aplicao prtica, pode-se observar certas semelhanas
entre modelos
matemticos apresentados e a turbina a gs Siemens SW501FD, mas
uma comparao
eficaz s seria possvel com a modelagem da turbina. No entanto,
no foi possvel essa
modelagem ou mesmo a obteno de um modelo pronto junto ao
fabricante e que
pudesse ser rodado, simulando situaes normais de funcionamento.
Esse futuro
modelo dever contemplar tambm a questo das vibraes e deformaes,
que no
foram abordadas em nenhum modelo pesquisado. Fica assim, como
uma tarefa futura a
obteno desse modelo mais completo, bem como a obteno de curvas
de desempenho
da turbina, junto Usina ou ao fabricante, para as anlises
pertinentes.
Por fim, entendemos que os objetivos iniciais foram plenamente
atingidos e fica o
desejo que no futuro, este texto sirva de orientao para outros
colegas, como ponto de
partida para o desenvolvimento de seus prprios trabalhos.
-
77
7 - Bibliografia
i SILVA, J. A. A. Modelagem e avaliao da extenso da vida til de
plantas industriais.
Tese de Doutorado, UERJ 2008.
ii BATES, D. G.; GATLEY, S. L.; POSTLETHWAITE, I.; BERRY, A. J.
Design and
piloted simulation of a robusted integrated flight and
propulsion controller. Journal of
Guidance, Control and Dynamics, Vol. 23, No 2, March-April
2000.
iii WATTS, S. R.; GARG, S. Comparison of multivariable control
design techniques for
a turbofan engine control. Proceedings of the International Gas
Turbine and Aeroengine
Congress and Exposition, 1995.
iv BOJE, E.; NWOKAH, O. D. I. Quantitative multivariable
feedback design for a
turbofan engine with forward path decoupling. International
Journal of robust and
nonlinear control, No 9, pp. 857-882, 1999.
v PEREZ, R. A.; LOU, K. N. Decentralised multivariable control
and stability of a gas
turbine engine. IEE Proceedings Control Theory and Applications,
Vol. 141, No 6, pp.
357-366, November 1994.
vi SILVA, V. V. R.; KHATIB, W.; FLEMING, P. J. Variable
complexity modelling for
evolutionary gas turbine control design. UKACC International
Conference on
CONTROL, N 455, pp. 1283-1288, 1998.
-
78
vii ROWEN, W. I. Simplified Mathematical Representations of
Heavy_Duty Gas
Turbines. Journal of Engineering for Power, 1983 pg. 865.
viii CARRERA, R. A. S. Modelagem Dinmica e Controle de Turbinas
a Gs. Tese de
Mestrado, ITA 2006.
ix REBOUAS, R. R. Modelagem, Simulao e Controle de Turbinas a
Gs. Tese de
Mestrado, ITA 2009.
x MORISHITA, M. e FARIA, V. P. Simulao e Controle de turbinas
Estacionrias
Gs para Aplicao em Gerao Termeltrica. Monografia final de curso,
Escola
Politcnica da USP 2006.
xi FARIA, V. P. Modelagem e Controle de Microturbina a Gs do
tipo Split-Shaft.
Monografia Dissertao de Mestrado, Escola Politcnica da USP
2009.
xii
http://www.furnas.com.br/hotsites/sistemafurnas/usina_term_stacruz.asp
- Acesso em
05/10/2012.
xiii Apostila sobre Turbinas a Gs Curso para Operadores de
Termeltricas
Eletrobras Furnas - 2002
