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SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL SENAI EM CAPIVARI DE BAIXO - SC TÉCNICO EM PROCESSOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA IMPLANTAÇÃO DE UM SUPERVISÓRIO PARA O SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE HIDROGÊNIO DOS GERADORES DA UTLB (UNIDADES 5 E 6) RANGEL MARTINS NUNES Relatório de Estágio CAPIVARI DE BAIXO - SC 2017
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SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL
SENAI EM CAPIVARI DE BAIXO - SC
TÉCNICO EM PROCESSOS DE GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA
IMPLANTAÇÃO DE UM SUPERVISÓRIO PARA O SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE
HIDROGÊNIO DOS GERADORES DA UTLB (UNIDADES 5 E 6)
RANGEL MARTINS NUNES
Relatório de Estágio
CAPIVARI DE BAIXO - SC
2017
RANGEL MARTINS NUNES
IMPLANTAÇÃO DE UM SUPERVISÓRIO PARA O SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE
HIDROGÊNIO DOS GERADORES DA UTLB (UNIDADES 5 E 6)
Proposta para o Relatório de Estágio apresentado ao curso de Técnico em Processos de Geração de Energia Elétrica do Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial - SENAI em Capivari de Baixo - como requisito parcial para conclusão do curso. Professor Orientador: Prof. Edcarlo da Conceição. Co-orientador: Prof. Antônio Cesar Luz
CAPIVARI DE BAIXO - SC
2017
FOLHA DE IDENTIFICAÇÃO
DADOS DO ESTÁGIO:
1. Professor Orientador: Edcarlo da Conceição
2. Co-orientador: Antônio Cesar da Luz
3. Área de realização: U. O. Termelétrica Jorge Lacerda 5 e 6 - UTLB
4. Período de Realização: (03/02/2017 a 31/12/2017).
5. Carga horária: 1600 Horas.
DADOS DA UNIDADE CONCEDENTE:
6. Razão Social: Engie Energia S.A
7. Nome Fantasia: Complexo Termelétrico Jorge Lacerda - CTJL
8. Supervisor de estágio: Fabio Kleveston.
9. Cargo do supervisor: Engenheiro de Operação.
10. Endereço da Unidade Concedente: Av. Paulo Santos Mello, s/n – Capivari de Baixo –
CEP: 88.745-100.
11. Telefone da unidade concedente: (48) 3621-4071 / (48) 3621-400
DEDICATÓRIA
A todos os meus amigos e familiares,
em especial minha esposa, pai e mãe (em
memória) que me apoiaram e
incentivaram nesta jornada de
aprendizado e desafios, de quase três
anos. Que apesar das dificuldades que
surgiram neste decorrer, seria um sonho
possível e promissor.
AGRADECIMENTOS
A Deus por ter me dado saúde e força para superar as minhas dificuldades.
Ao SENAI de Capivari de Baixo e corpo docente pelos ensinamentos e
oportunidades;
A minha esposa e família, pelo amor, incentivo, apoio e paciência;
A ENGIE e colaboradores (Operação, Instrumentação e Almoxarifado) que
proporcionaram toda dedicação, orientação e paciência para o aperfeiçoamento dos
meus conhecimentos.
Aos colaboradores da Air Products, pelas dúvidas esclarecidas.
E a todos que direta ou indiretamente fizeram parte da minha formação.
.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Evolução dos turbogeradores com refrigeração a ar e a hidrogênio. 25
Figura 2: Curva de capabilidade dos geradores da UTLB. 27
Figura 3: Diagrama simplificado da circulação de água nos refrigeradores dos
geradores da UTLB (sistema idêntico nos dois lados com 6 refrigeradores). 28
Figura 4: Curva da capabilidade do gerador da unidade 6. A seta indica o limite
operacional da máquina definida pela pressão de hidrogênio. 33
Figura 5: Entrada (seta superior) e saída (seta inferior) de água de um dos
resfriadores de hidrogênio do gerador da unidade 5 da UTLB. Fonte: autor. 35
Figura 6: a) refrigerador superior do gás hidrogênio. b) válvula manual de água para
resfriamento do hidrogênio. 36
Figura 7: Vista das duas unidades geradoras da UTLB: unidade 6 a esquerda e
unidade 5 a direita. 37
Figura 8: Central de armazenagem de hidrogênio nas proximidades da unidade 5 da
UTLB. 38
Figura 9: Saída de cada bateria: 1: manômetro, 2: válvulas de segurança; 3: válvula
de isolação e 4 retenções (da bateria reserva) 39
Figura 10: 1: válvula reguladora de pressão da B.P., 2: manômetro indicado da
pressão de saída, 3: válvula reguladora de pressão B.R., 4: saída de gás para
distribuição, 5: válvula de interligação das duas baterias. No detalhe, válvula
reguladora de pressão. 40
Figura 11: Termômetro de medição de temperatura do gás. 41
Figura 12: Saída da central de hidrogênio para UTLA e UTLB. 41
Figura 13: Central de abastecimento de H2 e CO2 da unidade 5 - UTLB 44
Figura 14: Fluxômetros/transmissor de fluxo tipo coriolis que será utilizado para
controle de abastecimento dos geradores da UTLA. 48
Figura 15: Telas do supervisório da unidade 6 da UTLB. 49
Figura 16: Esquema simplificado do percurso do sinal emitido por transmissor até a
tela do supervisório. 50
Figura 17: Transmissores de pressão do gás hidrogênio no interior dos geradores. 51
Figura 19: Esquema da leitura e processamento dos valores de pressão e
temperatura obtidos da central de armazenamento de H2. 56
Figura 20: Esquema lógico da parte do supervisório destinado ao controle do H2 nos
geradores da UTLB. 66
Figura 21: Esquema lógico da parte do supervisório destinado ao controle do H2
nos geradores da UTLA. 67
Figura 22: esquema lógico para implementação de rotina para determinar volume
(V) abastecido em intervalo de 24h00. 68
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Dados físico-químicos sobre o gás hidrogênio;
Tabela 3 - Transmissores de pressão e temperatura;
Tabela 2 – Média de consumo dos geradores da UTLB em 24h00 e tempo médio
decorrido entre dois abastecimentos sucessivos.
LISTA DE GRÁFICOS
GRÁFICO 1: Variação de pressão do H2 no gerador da unidade 5 num intervalo de
aproximadamente 2 meses
GRAFICO 2: Variação de pressão em 24h no gerador da unidade 5
GRÁFICO 3: Variação da pressão de hidrogênio (18 dias) no gerador da unidade 6
GRÁFICO 4: Variação de pressão em 24h no gerador da unidade 6
GRÁFICO 5: histórico de consumo de hidrogênio (pela variação de pressão) do
gerador da unidade 4 da UTLA
GRÁFICO 6: histórico de consumo de hidrogênio (pela variação de pressão) do gerador da unidade 1 da UTLA.
LISTA DE SIGLAS
H2 – Símbolo químico do gás hidrogênio;
MW – Mega Watt (um milhão de watts);
CO2 – símbolo químico do gás carbônico;
Kgf/cm² - Quilograma força por centímetro quadrado (unidade inglesa de pressão);
°C – Unidade da escala termométrica Celsius;
v – volts (unidade de tensão elétrica);
Kv – Quilo volts (mil volts);
U – 238 – Isótopo de urânio com massa atômica 238 u m a;
U – 335 – Isótopo de urânio com massa atômica de 235 u m a;
GW – Giga watt (um bilhão de watts);
P&D – Pesquisa e desenvolvimento;
Kg – quilograma (unidade de massa);
Cal – Calorias (unidade de calor);
Kcal - Quilo caloria (mil calorias);
VA – Volt ampere (unidade de potência aparente);
KVA – Quilo volt ampere (mil volts amperes);
MVA – Mega volt ampere (um milhão de volt ampere);
Mol – Massa molar (massa de 6,02 x 10²³ átomos);
K – Kelvin (unidade termométrica de escala absoluta);
m³ - metro cúbico (unidade volumétrica);
Psi – Pound force per square inch, em português, libras por polegada quadrada
(unidade inglesa de pressão);
Psig – Medida em Psi ao nível do mar;
Bar – Unidade inglesa de pressão;
SH – superaquecedor;
s – segundos;
RH – Reaquecedor;
mA – Miliampère (um milésimo de ampere);
PT – Transmissor de pressão;
TT – Transmissor de temperatura;
TF – Transmissor de fluxo;
IT – Instrução de trabalho.
J – joules (unidade de energia);
SUMÁRIO
1- INTRODUÇÃO ............................................................................................................................... 14
2- JUSTIFICATIVA ............................................................................................................................ 15
1- OBJETIVOS ................................................................................................................................... 16
1.1 OBJETIVOS GERAIS .............................................................................................. 16
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................... 16
2 GERAÇÃO DE NERGIA ELÉTRICA ......................................................................................... 17
2.1 OS PRIMÓRDIOS DA GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ....................... 17
2.2 AS DIVERSAS FONTES PRIMÁRIAS DE ENERGIA. ............................................. 18
2.3 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA DE ENERGIA. ........................................................ 19
3 O GÁS HIDROGÊNIO NA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA. ...................................... 22
3.1 ASPECTOS GERAIS SOBRE O GÁS HIDROGÊNIO (H2). ..................................... 22
3.2 GÁS HIDROGÊNIO NA PRODUÇÃO DE ENERGIA. .............................................. 23
3.3 GÁS HIDROGÊNIO COMO FLUIDO REFRIGERANTE EM TURBOGERADOREs. 24
3.4 A CURVA DE CAPABILIDADE DOS GERADORES. ............................................... 26
4 A ENGIE E O COMPLEXO TERMELÉTRICO JORGE LACERDA ..................................... 29
4.1 A ENGIE. ................................................................................................................. 29
4.2 O COMPLEXO TERMOELÉTRICO JORGE LACERDA. ......................................... 30
4.3 A USINA TERMOELÉTRICA JORGE LACERDA B – (UTLB). ................................. 31
4.3.1 Caldeiras ......................................................................................................... 31
4.3.2 Turbinas. ......................................................................................................... 32
4.3.3 Os geradores. ................................................................................................. 33
4.3.4 Dados gerais da usina. ................................................................................... 36
4.3.5 O controle de temperatura do gás hidrogênio. ............................................ 34
5 ARMAZENAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE HIDROGÊNIO PARA UTLB E UTLA. ......... 38
5.1 A CENTRAL DE ARMAZENAMRNTO DE HIDROGÊNIO. ...................................... 38
5.2 O CONTROLE DE PRESSÃO E TEMPERATURA NA CENTRAL DE
HIDROGÊNIO. ................................................................................................................... 42
5.3 O ABASTECIMENTO DA CENTRAL DE ARMAZENAMENTO DE HIDROGÊNIO. . 42
5.4 CENTRAL DE ABASTECIMENTO DOS GERADORES DA UTLB. .......................... 43
5.5 O ABASTECIMENTO DE HIDROGÊNIO NOS GERADORES DA UTLB. ................ 45
5.6 AS PERDAS DE HIDROGÊNIO NOS GERADORES DA UTLB. ............................. 46
5.7 CONSUMO DE HIDROGÊNIO PELOS GERADORES DA UTLA. ........................... 47
6 IMPLANTAÇÃO DE UM SUPERVISÓRIO PARA O SISTEMA DE ABASTECIMENTO
DE HIDROGÊNIO DOS GERADORES DA UTLB (UNIDADES 5 E 6). ...................................... 52
6.1 SISTEMA SUPERVISÓRIO DA UTLB. ................................................................... 49
6.2 O SISTEMA SUPERVISÓRIO DE CONSUMO DE H2. ........................................... 52
6.3 MONITORAMENTO CENTRAL DE ARMAZENAMENTO. ...................................... 53
6.4 MATERIAIS NECESSÁRIOS PARA IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA. ............... 52
6.5 CÁLCULO DE VOLUME (E MASSA) DE H2 NA CENTRAL. ................................ 54
6.6 ESQUEMA LÓGICO DO SUPERVISÓRIO PROPOSTO. ...................................... 56
6.7 MONITORAMENTOS DE CONSUMO DE H2 NOS GERADORES
CONSUMIDORES. ............................................................................................................. 57
6.8 HISTÓRICO DE CONSUMO DE HIDROGÊNIO PELOS GERADORES DA UTLB. 57
6.9 HISTÓRICO DE CONSUMO DE HIDROGÊNIO PELOS GERADORES DA UTLA . 62
6.10 ESQUEMA LÓGICO PARA O MONITORAMENTO DO CONSUMO DE H2 PELOS
GERADORES .................................................................................................................... 64
7 REVISÃO DA LITERATURA ....................................................................................................... 69
8 RESULTADOS ESPERADOS. ................................................................................................... 71
9 CONCLUSÃO ................................................................................................................................ 72
10 REFERÊNCIAS ............................................................................................................................. 73
14
1- INTRODUÇÃO
A ENGIE Energia, anteriormente GDF SUEZ, é um grupo empresarial
francês que atua na implantação e operação de usinas de geração de energia
elétrica. A companhia conta com usinas termoelétricas e hidroelétricas de grande
potência além de plantas de geração complementar de menor potência: Pequenas
Centrais Hidrelétricas (PCHs), plantas solares e eólicas. Totalizando 8790 MW de
potência instalada e operada pela companhia.
O projeto proposto visa ser implementado na Unidade Termoelétrica
Jorge Lacerda B – UTLB - (potência total instalada de 262 MW) pertencente ao
complexo Termoelétrico Jorge Lacerda, situado na cidade de Capivari de Baixo –
SC.
Os geradores do Complexo Termoelétrico Jorge Lacerda possuem como
fluído de refrigeração interna gás hidrogênio (H2). O gás hidrogênio é armazenado
em uma central de armazenamento e é composta por uma bateria principal de 6
tanques e uma bateria reserva composta por dois tanques. A central de
armazenamento fornece gás para UTLA (Unidade Termelétrica Jorge Lacerda A) e
UTLB. A pressão deste gás no interior do gerador está associada a potência máxima
que cada equipamento é capaz de gerar (delimitado na curva de capabilidade). Nos
dois geradores da UTLB está pressão é de 2,0 Kgf/cm² para geração de 131 MW por
máquina.
A implementação de um supervisório para o sistema de abastecimento
de hidrogênio a ser instalado na sala de comando da UTLB, visa monitorar em
tempo real o consumo de H2 injetado nos geradores da UTLB indicando, de acordo
com a pressão dos tanques da central de H2, a necessidade emergencial de
abastecimento dos tanques principais da central de H2 assim como o consumo dos
tanques reservas (emergência). A proposta é estendível aos 4 geradores da UTLA
também consumidores da central de hidrogênio.
A proposta também se estende ao monitoramento dos gases nos próprios
geradores: n° de abastecimento, frequência de abastecimento e volume consumido.
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2- JUSTIFICATIVA
A inspeção dos níveis de pressão dos cilindros da central de hidrogênio é
feita uma vez por dia ao final do turno 3 (23h30 min as 7h30 min) pelo subchefe de
turno na própria central de H2. Não há verificação da pressão dos cilindros em
outros horários e nem há indicação de pressão e taxa de consumo do gás na própria
sala de comando. Assim a pressão (quantidade) do hidrogênio nos cilindros pode
cair a níveis muito baixos, no decorrer de duas leituras sucessivas, comprometendo
o abastecimento seguro dos geradores consumidores. Além dos geradores da
UTLB, os geradores da UTLA também são consumidores de mesma central de
abastecimento de hidrogênio.
A inspeção da central de hidrogênio é delegada a UTLB, porém os geradores
da UTLA são também utilizadores da central H2. Assim parte importante deste
trabalho é a indicação em tempo real e via supervisório da pressões nas baterias da
central. A indicação visa a solicitação imediata da recarga (AIR PRODUCTS)
bem como fornecer uma margem de segurança (número de abastecimento após
solicitação de recarga) para as unidades consumidoras.
Visando um monitoramento global o sistema supervisório proposto visa
inspecionar também o consumo de H2 pelos geradores, a quantidade de gás
abastecida, número e intervalo de recargas de cada gerador. Assim o sistema
proposto visa monitorar o consumo de H2 verificando continuamente se as perdas de
H2 estão dentro do máximo admissível (consumo dos analisadores de pureza e
absorção pelo sistema de óleo de selagem).
Terá também importância no quesito segurança que uma rápida queda de
pressão e intervalos curtos de abastecimento poderão ser indicativos de
vazamentos, bastante perigosos devido as características de inflamabilidade deste
gás.
16
1- OBJETIVOS
1.1 OBJETIVOS GERAIS
Criação de um supervisório para a central de abastecimento de hidrogênio e
monitoramento do gás hidrogênio nos geradores da unidade.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Monitorar em tempo real e pressão nos tanques de H2 via supervisório;
Indicar (via alarme) baixa pressão na bateria principal e necessidade de
acionamento da AIR PRODUCTS para abastecimento;
Indicar via alarme entrada da bateria reserva;
Monitoramento da unidade consumidora;
Monitorar a frequência de abastecimento dos geradores;
Monitorar a frequência da taxa da queda de pressão de H2 nos geradores por
vazamento;
Aumentar os níveis de segurança em relação a utilização do H2.
17
2 GERAÇÃO DE NERGIA ELÉTRICA
2.1 OS PRIMÓRDIOS DA GERAÇÃO E DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA
Até o inicio do século 19 a eletricidade foi apenas objeto de curiosidade.
Conheciam-se os fenômenos da eletrostática e a eletricidade era tratado como um
fluido que emanava dos corpos eletrizados. Em 1746, Pieter van Musschenbroek
cria a garrafa de Leyden podendo armazenar energia de forma rudimentar
(semelhante aos atuais capacitores).
Em inglês Michael Faraday descobre a relação entre eletricidade e
magnetismo. Observou que movimentando um imã entre condutores em circuito
fechado fazia o ponteiro de um galvanômetro se movimentava e movimentado as
espiras de fio próximo ao imã também movimentava o ponteiro do galvanômetro, ou
seja, tendo movimento relativo entre os condutores e o campo magnético uma
corrente elétrica era indicada pelo galvanômetro.
Estavam abertas as portas para o uso da eletricidade como conhecemos
hoje, convertendo energia mecânica em elétrica. Os passos seguintes seriam dados
por Thomas Edson e em especial, Nicola Tesla. Tesla foi o inventor do motor elétrico
de corrente alternada e junto com Edson desenvolveu o primeiro gerador elétrico de
grande porte. A sociedade entre Tesla e Edson não durou muito devido a
discordância de ideias; Edson defendia a geração e distribuição de eletricidade em
corrente contínua e Tesla em corrente alternada. Tesla deixou de trabalhar com
Edson e aliou-se a George Whestenhouse. Teve inicio ao episódio que ficou
conhecido como batalha das correntes (ou batalha dos padrões): Edison defendendo
a utilização da corrente contínua e Whestenhouse e Tesla, a utilização da corrente
alternada. A utilização da corrente contínua esbarrava em limitações práticas: As
usinas precisavam ser instaladas juntas aos centros de carga devido ao
aquecimento e perda de tensão nos cabos. A corrente alternada defendida por tesla
apesar de oferecer maior perigo possibilitava a instalação das usinas longe dos
centros de carga. Além disso, a possibilidade de conversão da tensão através de
18
transformadores e a invenção do motor de corrente alternada pelo próprio Tesla
consolidou a corrente alternada como padrão utilizado até hoje.
2.2 AS DIVERSAS FONTES PRIMÁRIAS DE ENERGIA.
Hoje a energia elétrica pode ser obtida de diversas formas sempre
utilizando uma forma de energia primária que será convertida em elétrica. A maior
parte da energia elétrica gerada no mundo tem como fonte primária a energia
química dos combustíveis fósseis (carvão e petróleo e derivados) queimados em
usinas termoelétricas. A energia nuclear e os combustíveis fósseis se enquadram
nas energias não renováveis, pois o combustível utilizado não é em curto prazo
reposto na natureza. Em detrimento a estes, ganham cada vez mais espaços as
fontes renováveis de energia que não se esgotam (ou podem ser repostas em curto
prazo na natureza); são recursos ilimitados dentre os quais podemos a citar a
energia eólica, energia solar (termossolar e fotovoltaica) e energia de biomassa
(material orgânico). Outras energias renováveis estão em fase de desenvolvimento
como a geotermal e a mare motriz.
Uma característica importante das fontes renováveis é o menor impacto
ambiental, geralmente local. As energias renováveis não contribuem de forma
significativa para poluição atmosférica e a descarga excessiva de CO2 que segundo
os ambientalistas esta contribuindo para o efeito estufa e as mudanças climáticas.
Em contrapartida a geração de energia utilizando fontes fósseis de energia não esta
tão sujeita a sazonalidades quanto às fontes renováveis de energia.
No Brasil grande parte da energia elétrica é gerada em usinas hidroelétricas,
mas devido ao crescimento da demanda e secas prolongadas, nos últimos anos
voltou-se a investir em usinas termoelétricas como garantia de fornecimento de
potencia para o SIN (Sistema Integrado Nacional) com as reduções de carga das
hidroelétricas.
19
2.3 GERAÇÃO TERMOELÉTRICA DE ENERGIA.
Como visto grande parte da energia utilizada no planeta tem origem nas
usinas térmicas. Estas usinas podem ser nucleares (termonucleares) ou de queima
em caldeiras (termoelétricas). Nestas últimas, um combustível líquido sólido ou
gasoso (anteriormente processado ou não) é queimado em uma caldeira onde a
água é aquecida e vaporizada e este vapor, passando por um estágio de
superaquecimento (gás sem umidade) é utilizado para acionar um turbogerador, ou
seja, um conjunto de turbinas ligadas acopladas ao gerador. Nas turbinas o fluído de
transferência vindo da caldeira (vapor superaquecido) executara trabalho mecânico
na forma de energia cinética rotacional. A rotação da turbina será transmitida ao
gerador e este convertera energia mecânica em eletricidade.
As caldeiras de grande porte das usinas termoelétricas são do tipo
aquatubulares (classificação quanto a circulação de água e dos gases). Quanto a
queima pode ser em grelhas (caldeiras para queima de biomassa, por exemplo) ou
em suspensão, como é utilizado para gases, líquidos atomizados e materiais sólidos
pulverizados.
Nestas caldeiras a água utilizada é previamente tratada e desmineralizada
para evitar o ataque dos sais nos metais dos tubos da parede d’água. Mesmo
durante o processo a qualidade da água é monitorada quanto a concentração de
sais, especialmente sílica.
Tomando como exemplo as termoelétricas a carvão, o processo de geração
de energia elétrica, de forma sucinta:
A caldeira é inicialmente acesa e aquecida com um combustível auxiliar –
óleo diesel ou óleo pesado. O aquecimento é gradual e segue uma rampa de
aquecimento dos metais. Estando a temperatura adequada o carvão previamente
moído em moinhos é soprado para dentro da caldeira, seco e arrastado pelos
ventiladores de ar primário. Tem inicio a queima do carvão na fornalha.
Simultaneamente os ventiladores de ar forçado fornecem o ar necessário para
combustão – ar secundário - (tiragem forçada) e para suprimento dos ventiladores
de ar primário. Na descarga de gases da caldeira atuam os ventiladores induzido.
20
Devido ao efeito de sucção destes ventiladores as caldeiras trabalham com pressão
levemente negativa.
A água nos tubos da parede d’água é aquecida e vaporizada e esta mistura é
encaminhada para o tambor (quando houver). Neste componente, presente na
maioria das caldeiras subcríticas, a água e o vapor são separados. O vapor é
encaminhado para os superaquecedores e a água retorna para parede d’água por
circulação natural via dowcomers (ou circulação forçada através de bombas).
O vapor superaquecido, com pressão em torno de 110 Kgf/cm² e temperatura
em torno de 500°C, é canalizado para turbina de alta pressão. Após executar
trabalho na turbina de alta pressão o vapor é direcionado ou para turbina de baixa
pressão ou para os reaquecedores da caldeira. As caldeiras com ciclo de
reaquecimento, mais modernas, oferecem um rendimento térmico melhor. Neste
caso há também uma turbina de média pressão.
O vapor exaurido da turbina de alta pressão perde pressão e temperatura e é
direcionado para os reaquecedores onde ganha temperatura sem no entanto ganhar
pressão. Este vapor reaquecido é direcionado para turbina de média pressão
executando trabalho. Da descarga da turbina de média pressão o vapor é
direcionado para turbina de baixa pressão.
Da turbina de baixa pressão o vapor é condensado em condensador, a água
condensada é bombeada para o ciclo passando por aquecedores que utilizam como
fonte térmica extrações das próprias turbinas. A água aquecida é encaminhada para
o tanque de alimentação.
Do tanque de alimentação á água é bombeada para o tambor da caldeira,
passando antes pelo economizador (aquecedor que reaproveita o calor dos gases
da combustão), dando inicio novamente ao ciclo de água e vapor.
Em plantas antigas e de menor porte a caldeira não possuem ciclo de
reaquecimento e a turbina apresenta somente estágios de alta e baixa pressão.
Ainda dentro das caldeiras aquatubulares temos as caldeiras com queima
em grelha. As grelhas são esteiras no fundo da caldeira onde é depositado o
21
material combustível. Estas caldeiras são utilizadas para queimas de materiais de
alta granulometria, como por exemplo, cavacos de madeira (biomassa)
Em usinas termonucleares o ciclo de água e vapor é similar, mas ao invés de
caldeira temos um reator nuclear como elemento gerador de calor. Num reator um
material radioativo como urânio enriquecido (U-238 e 0,7% de U-235 físsil) ou
plutônio 237 é bombardeado com neutros dando inicio a uma reação em cadeia
(controlada) de fissão com formação de elementos mais leves e desprendimento de
calor. A reação é controlada por absorvedores de neutros a base de grafite. O calor
desprendido aquece um circuito primário de água (em contato com o combustível e
pressurizada) que por sua vez ira vaporizar a água de um circuito secundário. Este
vapor é que acionara as turbinas e gerador.
A tensão de saída do gerador é elevada em uma subestação para tensões
mais elevadas como 230 Kv, por exemplo. Esta tensão é lançada nas redes de
distribuição.
22
3 O GÁS HIDROGÊNIO NA GERAÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA.
3.1 ASPECTOS GERAIS SOBRE O GÁS HIDROGÊNIO (H2).
O hidrogênio é o elemento químico mais abundante no universo embora não
seja o mais abundante na Terra, mas é um dos componentes da água. Apresenta-
se naturalmente na forma de um gás diatômico (H2) incolor, inodoro, insipido e
combustível. Nos últimos anos o gás hidrogênio despertou grande interesse
econômico devido a série de aplicações: na síntese e obtenção de materiais na
indústria e na geração de energia. Na Tabela 1 são listados algumas propriedades
físico químicas do gás hidrogênio.
Tabela 1 Propriedades físicas e químicas do gás hidrogênio.
Fonte: Wikipédia (acessado 10/10/2017)
O gás hidrogênio por ser combustível, e com elevado poder calorífico,
inflama-se facilmente na presença de ar atmosférico e fonte de ignição. Seu limite de
explosividade situa-se na faixa de 4% - 75,60% devendo haver sempre uma série de
cuidados na sua manipulação e armazenagem. O gás hidrogênio pode ser obtido
comercialmente, com elevado grau de pureza (tipicamente entre 98% e 99,5% de
pureza) apresentando quantidades traço de gás oxigênio e dióxido de carbono,
pelas seguintes rotas. Há várias formas de obtenção:
Eletrólise da água;
Reação de ácidos e bases com metais;
Nome e símbolo Gás hidrogênio, H2
Série química do H
Densidade 0,08988 g/ml
Massa molar 2,02 mol-1
Estado da matéria Gasoso a t. ambiente, líquido a -253°C
Ponto de fusão -259,1°C
Ponto de ebulição -252,76°C
Volume molar 11,42 x 10-6 m³/mol
Calor específico 3,48 cal/g.°C ou 14304J/kg.K
Condutividade elétrica
Condutividade térmica 0,1815W/(m . K)
Temperatura de alto ignição 500°C a 571°C
Poder energético 38 KWh/kg (gasolina 14 kWh/kg)
23
Reformação catalítica de gás natural (hidrocarboneto). As altas
temperaturas (700 a 1100ºC) o vapor de água reage com metano para
produzir monóxido de carbono e gás hidrogênio.
Este último método é o utilizado para produção de gás em massa para
utilização em processos industriais.
3.2 GÁS HIDROGÊNIO NA PRODUÇÃO DE ENERGIA.
O hidrogênio tem despertado enorme interesse como fonte de energia limpa,
considerado por alguns como o combustível do futuro, possuindo vantagens em
relação aos combustíveis tradicionais:
Na sua queima, libera apenas água como subproduto da combustão (2H2 +
O2 → 2 H20)
Possui elevado poder calorífico (vide tabela);
Misturado a gasolina, por exemplo, aumenta seu poder calorífico e reduz a
emissão de poluentes no processo de combustão.
O gás hidrogênio pode ser utilizado diretamente para geração de energia
elétrica. Ele é utilizado como combustível em Células a Combustível com membrana
de troca iônica (PEMFC Próton Exchange Membran Fuel Cell). Nesta tecnologia
ocorre o processo inverso da eletrólise da água. O gás hidrogênio é oxidado em um
catalizador e os dois ânions H+ passam por uma membrana. No outro lado da
membrana os ânions H+ são reduzidos em um catalizador na presença de oxigênio
gasoso e como resultado obtém-se vapor de água, eletricidade e calor.
A tecnologia de células a combustível que utilizam hidrogênio tem encontrado
maior aplicação em veículos elétricos onde a célula a combustível atua como
bateria. O limitante da tecnologia tem sido a dificuldade em se armazenar o H2
(devido às altas pressões de armazenamento) e o peso e tamanho dos dispositivos.
Outra aplicação futura do H2 será em reatores nucleares de fusão, com
rendimento térmico muito superior aos reatores convencionais de fissão e mais
seguros, pois os produtos envolvidos são gás hidrogênio e hélio. Porém, nos
24
reatores experimentais, a energia utilizada para fundir o gás hidrogênio é maior que
a energia produzida.
3.3 GÁS HIDROGÊNIO COMO FLUIDO REFRIGERANTE EM
TURBOGERADORES.
O hidrogênio também é aplicado na área de energia como fluido refrigerante
dos modernos geradores elétricos de alta potência. A utilização de hidrogênio para
refrigeração interna faz com que os geradores consigam gerar uma potência
considerável a mais do que simplesmente refrigerado a ar.
A técnica convencional de resfriamento é proporcionar a circulação de ar pelo
interior da máquina. Porém a partir de meados da década de 50 começou a ser
introduzido o conceito de resfriamento utilizando o hidrogênio, o que possibilitou o
desenvolvimento de turbogeradores de maior potência.
Com o aumento da eficiência na dissipação do calor pôde-se extrair uma
maior potencia para um mesmo volume de material. Em termos de relação peso
potência, em 1930 tinha-se 2,5 kg/KVA caindo para 0,5 Kg/KVA em 1980. Este
índice tende a cair para 0,2 Kg/KVA com o desenvolvimento de materiais
supercondutores. Hoje o uso do hidrogênio como fluído refrigerante é praticamente
indicado em todos os turbogeradores com potência nominal acima dos 100 MW.
25
A Figura 1 abaixo mostra a evolução – aumento da potencia dos
turbogeradores – traçando um comparativo entre a refrigeração a ar e a gás
hidrogênio.
Fonte: LORA (2004)
Os geradores aquecem por diversos fatores: efeito joule gerado pelas
correntes de excitação, aquecimento dos mancais de deslizamento, aquecimento do
estator (armadura), efeitos magnéticos decorrentes de absorção de potencia reativa,
por exemplo.
Algumas propriedades fazem com que o gás hidrogênio seja adequado para o
resfriamento interno dos geradores, tais como:
Baixa viscosidade: o gás hidrogênio devido a seu pequeno peso molecular
não apresenta significativa força de atrito com a parte girante (e produção de calor)
devido a sua grande capacidade de escoamento.
Elevado calor especifico/ capacidade térmica: O gás hidrogênio possui um
calor específico de 3,4 cal/g°C, ou seja, absorve 1 calorias para aumentar 1 grama
de gás em 1°C. Por comparação, a água absorve apenas 1 cal para que o grama de
água tenha sua temperatura elevada de um °C. Portanto o gás hidrogênio tem maior
capacidade de absorver calor da fonte térmica para elevar sua temperatura de 1°C.
Alta condutividade térmica: o gás hidrogênio é o que possui maior
condutividade térmica entre os gases: 458,72 cal/(cm².s.°C). Em comparação: ar
0,026 J/(s.m²k) e água 0,61 J/(s.m².K).
Figura 1: Evolução dos turbogeradores com refrigeração a ar e a hidrogênio.
26
Atmosfera inerte: Inexistência de oxidação de partes metálicas em uma
atmosfera de hidrogênio.
Como principal desvantagem tem-se a periculosidade do manuseio de
hidrogênio devido a sua alta taxa de explosividade. Para evitar este contato durante
uma parada e manutenção do turbogerador é inserido um gás inerte, como o CO2,
para remoção do gás hidrogênio. Para recolocação de H2 o gerador é novamente
purgado com CO2 para remoção do ar e, após a purga completa do ar, o gás
hidrogênio é inserido ocupando o lugar do CO2.
Devido a elevada faixa de explosividade do gás hidrogênio e a manutenção
da eficiência térmica do gás, o hidrogênio e inserido e mantido no interior dos
geradores com elevado grau de pureza, na ordem dos 96% a 98,5% de pureza em
operações normais.
O hidrogênio também deve ser mantido seco motivo pelo qual se empregam
secadores de gás composto por materiais higroscópicos. Os secadores são ligados
ao gerador para circulação do gás.
3.3.4 A CURVA DE CAPABILIDADE DOS GERADORES.
A curva de capabilidade (Figura 2), ou carta de capabilidade, é o lugar
geométrico no plano cartesiano definido pelas potencias ativas e reativas que
apresenta os limites operativos de um gerador. Define até que potencia um gerador
pode trabalhar sem que a absorção de calor fique comprometida, provocando
sobreaquecimento. O carregamento de uma máquina além de sua capacidade pode
causar elevação de temperatura resultando em uma redução da sua vida útil.
A capabilidade de um gerador de alta potência é limitada pela temperatura. O
aquecimento dos componentes internos, devido a efeitos elétricos e mecânicos,
limita a capacidade de geração de energia de um gerador. Pode-se aumentar a
capacidade de geração de energia de forma segura retirando calor de seu interior
com um fluido refrigerante que apresente grande superfície de contato com as
partes internas. O gás empregado é o hidrogênio pressurizado, seco e com elevado
grau de pureza. A capabilidade do gerador fica limitada pela pressão do gás
refrigerante no interior do gerador.
27
Geradores mais antigos podem ser refrigerados somente a ar tendo sua
capacidade de geração limitada pela temperatura. Em contrapartida geradora mais
moderna são refrigerados a gás hidrogênio (e a água - refrigeração de estator).
Fonte: IT – OP – UTLB – 01- 02- 202
Na curva de capabilidade e delimitada a capacidade de geração de potencia
ativa e reativa em função da pressão de hidrogênio. Exceder este limite operacional
implica em sobreaquecimento e comprometimento da vida útil da máquina.
Na refrigeração por gás hidrogênio, o gás circulante é forçado a passar por
um conjunto de trocadores de calor inseridos na carcaça do próprio gerador. No
interior de feixe tubular circula água tratada geralmente vinda do sistema de água de
refrigeração de mancais da usina.
Figura 2: Curva de capabilidade dos geradores da UTLB.
28
Na Figura 3 esquema simplificado de circulação de água para os
refrigeradores de hidrogênio.
Fonte: do autor (2017)
Figura 3 - Diagrama simplificado da circulação de água nos refrigeradores dos
geradores da UTLB (sistema idêntico nos dois lados com 6 refrigeradores).
29
4 A ENGIE E O COMPLEXO TERMELÉTRICO JORGE LACERDA.
4.1 A ENGIE.
A ENGIE anteriormente GDF SUEZ S.A é um grupo empresarial francês, o
segundo maior do mundo em ramo de energia. Atua na Geração, distribuição de
eletricidade, gás natural e energias renováveis. A empresa está presente em mais
de 70 países e no Brasil a ENGIE é a maior geradora privada de energia elétrica do
país operando uma capacidade instalada de 10290 MW em 32 usinas em todo
Brasil.
O grupo possui 90% de sua capacidade instalada no país proveniente de
fontes limpas, renováveis e com baixa emissão de gases estufa. A ENGIE inaugura
em dezembro de 2016 a 4ª maior hidrelétrica do país, a usina hidrelétrica Jirau com
3,75 GW de potência, localizada no Rio Madeira em Rondônia.
Apesar do foco do grupo ser energias renováveis, o parque gerador da
ENGIE conta com usinas termoelétricas a como a UTE Willian Arjona (a gás natural),
UTE Pampa Sul (em construção) e o complexo termoelétrico Jorge Lacerda, estas
duas últimas tendo como combustível o carvão mineral.
O complexo termoelétrico Jorge Lacerda, situado no município de Capivari de
Baixo SC é considerado o maior complexo termoelétrico a carvão da américa latina.
Em resumo os números globais da ENGIE:
Nº 1 na produção independente de energia;
117,1 GW de capacidade instalada;
8,1 GW em construção;
Nº 1 em serviços de eficiência energética;
Operações em 70 países;
Mil pesquisadores e especialistas em 11 centros de P&D.
30
4.2 O COMPLEXO TERMOELÉTRICO JORGE LACERDA.
Localizado no município de Capivari de Baixo, o Complexo Termoelétrico
Jorge Lacerda tem sua história vinculada a mineração de carvão em SC. A região
sul de Santa Catarina desde os anos 30 é uma grande produtora de carvão devido
ao grande número de minas. Em 1941, na era expansionista de Getúlio Vargas,
para suprir a demanda interna e externa de aço, é criada a CSN (Companhia
Siderúrgica Nacional) que viria a ser grande consumidora do carvão catarinense.
Neste mesmo ano a carbonífera metropolitana passa a concessão da nina de
Siderópolis para a CSN.
Como o carvão catarinense não era apropriado para produção de coque foi
criado em 1943, no então bairro de Capivari pertencente a Tubarão o lavador para o
beneficiamento do carvão. O local foi escolhido pela proximidade com a linha férrea
e a grande oferta de água. Para suprir as necessidade do lavador é criada a UTCA
(Usina Termoelétrica Capivari) com 500 KW de potência, posteriormente ampliada
para 6 MW com um gerador mais moderno comprado pela CSN.
Com a diminuição da demanda de carvão catarinense para uso siderúrgico e
com a crescente necessidade de energia elétrica foi criada em 1957 a SOTELCA
(Sociedade Termoelétrica Capivari) que geraria uma potência estimada em 100 MW.
Em 1958 começam os trabalhos de construção, mas em 1962 é que
efetivamente tem inicio a construção da primeira unidade geradora, concluída em
1964 com 50 MW de potência. Neste mesmo ano as obras da unidade 2 já estão
bem avançadas.
Em 1965 a unidade 1 é inaugurada por Castello Branco e no ano seguinte a
unidade 2 é inaugurada ampliando a capacidade geradora para 100 MW.
Em 1968 é assinado contrato para construção das unidades 3 e 4, com
potência estimada de 66 MW cada. Neste ano a SOTELCA é incorporada pela
Eletrobrás através de sua subsidiária, a Eletrosul.
31
Em 1973 a unidade 4 é sincronizada pela primeira vez. Com a entrada das
unidades 3 e 4 a UTLA atinge sua capacidade de fornecimento de 232 MW de
potência.
Nos anos de 1979 e 1980 entram em operação as unidades 5 e 6 da UTLB e
com a inauguração da última unidade geradora, UTLC, com 363 MW de potência o
complexo atinge a potencia geradora atual de 857 MW.
4.3 A USINA TERMOELÉTRICA JORGE LACERDA B – (UTLB).
A usina Jorge Lacerda B pertence ao Complexo Termoelétrico Jorge Lacerda
e é composta por duas unidades geradoras de 156,2 KVA sendo 131 KW de
potencia ativa cada. Em 1974 antes mesmo da entrada definitiva em operação das
unidades 3 e 4 já havia o projeto para a construção das duas novas unidades, 5 e 6.
Em 1979 a unidade 5 foi sincronizada pela primeira vez. A unidade 6 foi oficialmente
inaugurada em dezembro de 1980.
As unidades da UTLB foram projetadas para entradas como usinas de
ponta para suprir picos de demanda.
4.3.1 CALDEIRAS
As duas caldeiras, com capacidade de produção de 415 ton/hora de produção
de vapor superaquecido (510°C), foram fabricadas pela tcheca Slovenske
Energeticke Strojarne e projetadas para queima de carvão mineral CE 4500
(pulverizado) com poder calorífico de 4500 Kcal/kg e teor de cinza entre 39% e 49%.
As caldeiras são de queima frontal e com ciclo de reaquecimento. Seu
sistema de queima conta com quatro filas de queimadores, com quatro queimadores
em cada fila. Além de carvão pode ser utilizado também óleo diesel e óleo
combustível como combustível de sustentação (partida e aquecimento). O carvão
pulverizado é fornecido por quatro moinhos de rolos, e cada moinho abastece uma
32
fila de queimadores. Por sua vez cada moinho é alimentado por um alimentador,
cuja capacidade de fornecimento de carvão depende da carga da unidade, o carvão
é proveniente de silo. (total de quatro, um para cada conjunto alimentador e moinho).
O rendimento é em torno de 700 toneladas de carvão por MW. O carvão que
chega aos pátios do complexo é fornecido por minas de cidades da região sul de
Santa Catarina. O sistema de queima (moinhos, alimentadores e queimadores)
foram fornecidos pela alemã Babcock.
4.3.2 TURBINAS.
Cada gerador é acionado por um conjunto de turbinas – também fabricadas
pela tcheca Skoda - de três estágios de pressão. O estágio de alta pressão é de
fluxo reverso trabalhando com vapor a 510°C e 110 kgf/cm².
Na turbina de alta pressão o fluxo de vapor é controlado por quatro válvulas
parcializadoras e duas válvulas de bloqueio. A turbina de média pressão, também de
fluxo reverso, trabalha com vapor reaquecido a 510°C e 25 Kgf/cm² de pressão. A
turbina conta com duas válvulas interceptadoras.
A turbina de baixa pressão, o último estágio de acionamento, conta com fluxo
duplo e o vapor está a 110°C e 2,5 Kgf/cm². Da turbina de baixa pressão o vapor vai
para o condensador de onde o condensado retorno para o processo.
As turbinas contam ainda com sistema de aquecimento de flanges e sistema
de selagem e as entradas e extrações de vapor contam com sistema de drenos e
retenções para evitar ingresso de água no equipamento.
33
4.3.3 OS GERADORES.
Os geradores da UTLB foram fabricados pela empresa tcheca Skoda. Com
potência nominal de 156,2 KVA/131 KW, refrigerados a hidrogênio, produzem
tensão nominal de saída de 13800 volts com frequência nominal de 3600 RPM (60
Hz).
Os dois geradores possuem potencia nominal, com pressão de 2 Kgf/cm² de
gás hidrogênio, de 156,25 MVA. Reduzida a pressão ao valor de 0.05 Kgf/cm² a
capacidade de geração fica reduzida a 83 MVA. Podem também ser refrigerados a
ar com potencia máximo também de 83 MVA. Na Figura 4, curva de capabilidade do
gerador da unidade 5 obtido do supervisório. Na Figura 5, a curva de capabilidade
do gerador da unidade 5 retirado do supervisório; na imagem a seta indica o limite
operacional (potência) que o gerador pode entregar em função dos 2,0 Kgf/cm² de
pressão de H2.
Fonte: do autor (2017)
Figura 4: Curva da capabilidade do gerador da unidade 6. A seta indica o
limite operacional da máquina definida pela pressão de hidrogênio.
34
Os geradores são do tipo auto excitados (originalmente haviam excitatrizes
acopladas aos eixos das máquinas). Cada gerador conta com um sistema de
excitação/ regulação de tensão RTX 400. A tensão de excitação é de 375v e
corrente de 1410A, com um fator de potencia de 0,84 com carga nominal.
4.3.3.1 O CONTROLE DE TEMPERATURA DOS GERADORES.
Na UTLB os geradores são refrigerados com gás hidrogênio de alta pureza.
Recomenda-se hidrogênio eletrolítico ou hidrogênio Técnico de qualidade A com
99,5% de pureza. Na falta deste, hidrogênio Técnico de qualidade B com pureza de
98%. O hidrogênio usado não deve conter mais de 0,5% de O2.
O hidrogênio aquecido, por sua vez, é resfriado pelo sistema de água de
mancais (água industrial) que circula pelos tubos dos seis refrigeradores que se
encontram no interior da carcaça do gerador.
No interior do gerador dois ventiladores no próprio eixo do gerador forçam o
gás a passar por entre os feixes tubulares dos refrigeradores localizados no interior
da carcaça da máquina. O gás circulante aquecido cede calor para água que esta
passando nos tubos.
A pressão nominal do gás no interior dos geradores é de 2,0 Kgf/cm². Com
pressão de hidrogênio de 1,80 Kgf/cm² atua no supervisório alarme de baixa
pressão. Os geradores podem trabalhar com pressões abaixo de 1,80 kgf/cm² e
potências próximas a nominal, porém, a extração de calor ficara ineficiente gerando
superaquecimento dos componentes internos da máquina. Excedido certo limite,
atuarão alarmes de alta temperatura.
35
Na Figura 5 abaixo, detalhe da entrada e saída de água do refrigerador
lateral esquerdo do gerador n° 5.
Fonte: do autor (2017).
O controle da temperatura é feito manualmente através da abertura ou
fechamento de válvula manual situada no térreo da sala de máquinas. Esta válvula
controla o fluxo de água que circula pelos refrigeradores (Figura 7b).
Todos os seis refrigeradores possuem termômetros que registram a
temperatura de entrada e saída do gás hidrogênio. A seleção do refrigerador bem
como termômetro de entrada e saída é efetuado em chave seletora localizada no
painel vertical da sala de comando.
Na prática para o controle de temperatura, é selecionado o refrigerador
superior frontal (e temperatura de saída) – Figura 6a - no lado acoplado a turbina de
baixa pressão. Na saída deste refrigerador é que se verifica a maior temperatura do
gás.
Figura 5: Entrada (seta superior) e saída (seta inferior) de água de um dos
resfriadores de hidrogênio do gerador da unidade 5 da UTLB. Fonte: autor.
36
O controle é feito fechando ao abrindo de forma gradual a válvula manual de
água de mancais para os refrigeradores até que se atinja a temperatura ideal de
operação em torno de 40°C (temperatura da saída do gás no refrigerador superior
frontal).
Fonte: do autor (2017)
4.3.4 DADOS GERAIS DA USINA.
A UTLB foi concebida como uma unidade geradora para entrar em operação
em horários de picos de consumo, possuindo algumas peculiaridades como
aquecedor tubular (ar primário e secundário) e by pass das turbinas.
Cada unidade possui Trafo elevador de tensão de 13800 volts para 230 mil
volts para distribuição; Trafo de unidade (de 13,8 Kv para 6,3 Kv para serviços da
unidade) e de serviços gerais (que reduz a tensão de 230 Kv a 13,8 Kv para os
serviços internos da usina quando o gerador esta fora).
Figura 6: a) refrigerador superior do gás hidrogênio. b) válvula manual de água para resfriamento do hidrogênio.
37
O sistema de resfriamento do condensador (água de circulação) é do tipo
aberta sendo a tomada d’água (canal de adução) afluente do Rio Tubarão.
Fonte: do autor (2017).
Figura 7: Vista das duas unidades geradoras da UTLB: unidade 6 a esquerda e unidade 5 a direita. Fonte: o autor.
38
5 ARMAZENAMENTO E DISTRIBUIÇÃO DE HIDROGÊNIO PARA UTLB E UTLA.
5.1 A CENTRAL DE ARMAZENAMRNTO DE HIDROGÊNIO.
Atualmente os geradores da UTLB e UTLA são abastecidos por uma central
comum de armazenamento de hidrogênio sob a concessão da Air Products. No
casa de máquinas, próximos aos geradores, existe a possibilidade de se fornecer o
gás através de garrafas caso a central de armazenamento esteja indisponível.
A central é constituída de 6 cilindros (“titan tubes”) de 1,49 m³ interligados em
paralelo com pressão de trabalho de 2200 psi (pressão máxima de 2400 psi) e 2
cilindros de mesmas características que ficam como reserva. Estes vasos de
pressão são testados com pressão de 2400 psi, são também realizados testes de
emissão acústica, de ultrassom e partículas magnéticas. Na Figura 8 panorama
geral da central de armazenamento de hidrogênio.
Podemos citar como vantagem da central de hidrogênio em relação ao
método tradicional de abastecimento por garrafas, a questão da segurança.
Os cilindros foram retirados das áreas, evitando o risco do manuseio pelo
pessoal e acidentes com as instalações.
Fonte: do autor (2017)
Figura 8 - Central de armazenagem de hidrogênio nas proximidades da unidade 5 da UTLB.
39
A saída de cada bateria esta associada duas retenções em série, um
manômetro e duas válvulas de alívio (uma como reserva), como mostrado na Figura
9.
Fonte: do autor (2017)
As saídas das baterias são direcionadas para caixa de controle antes da linha
de distribuição (Figura 10). Na caixa de controle estão as válvulas reguladoras de
pressão das baterias principal e reserva, válvulas de isolação, válvula de interligação
e manômetro da pressão de saída para distribuição.
Cada válvula reguladora conta com dois manômetros que indicam a pressão
antes (dos tubos) e após o ajuste de pressão. A pressão na válvula reguladora
ligada a bateria reserva fica ajustada para valor em torno de 8 Kgf/cm². Caso a
pressão fornecida pela bateria principal, após reguladora de pressão, fique abaixo
de 8 Kgf/cm² a válvula reguladora da bateria reserva libera o gás para manter a
pressão dentro do ajuste (pressão de saída da rede de distribuição).
Figura 9: Saída de cada bateria: 1: manômetro, 2: válvulas de segurança; 3: válvula de isolação e 4 retenções (da bateria reserva)
40
Na figura 10, temos os componentes de controle da central de H2 e no
detalhe a válvula reguladora de pressão utilizada na regulagem de pressão de saída
das duas baterias.
Fonte: do autor (2017)
A cada válvula redutora de pressão estes associados manômetros anteriores
e posteriores a válvula e uma válvula de segurança. Nas redutoras a pressão de
distribuição é ajustada para uma saída de aproximadamente 8 Kgf/cm². A bateria
reserva entra em linha quando a pressão da bateria principal esta em 600 psi. A
bateria reserva é colocada em linha pela ação da válvula reguladora de pressão que
detecta baixa pressão da bateria principal e libera o gás da bateria reserva.
No cilindro superior da bateria reserva, existe um termômetro (Figura 11) para
aferição da temperatura do gás. Este termômetro é representativo para os demais
cilindros da central e é utilizado inclusive para o cálculo do volume de gás fornecido
no abastecimento.
Figura 10: 1: válvula reguladora de pressão da B.P., 2: manômetro indicado da pressão de saída, 3: válvula reguladora de pressão B.R., 4: saída de gás para distribuição, 5: válvula de interligação das duas baterias. No detalhe, válvula reguladora de pressão.
41
O termômetro é analógico de expansão a gás.
F
o
n
te: do autor (2017)
Da caixa de distribuição sai à linha de fornecimento que em seguida se
subdivide em duas: uma para UTLA e outra para UTLB. Cada linha possui uma
válvula de isolação, como mostrado na Figura 12.
Próximo à entrada das unidades a tubulação de transporte de hidrogênio é
encamisada como medida de proteção contra eventuais vazamentos.
Fonte: do autor (2017)
Figura 11: Termômetro de medição de temperatura do gás.
Figura 12: Saída da central de hidrogênio para UTLA e UTLB.
42
5.2 O CONTROLE DE PRESSÃO E TEMPERATURA NA CENTRAL DE
HIDROGÊNIO.
A aferição das pressões e temperaturas da central fica a cargo da UTLB. Nas
baterias principal e reserva são verificados todos os dias pelo subchefe de turno
entre 5h30 e 6h30 da manhã, a pressão de saída para distribuição, temperatura do
gás e pressão dos cilindros. Os valores são anotados em planilha mensal de
controle e quando a pressão da bateria principal atingir o valor de 625 psi (45
Kgf/cm²) o almoxarifado devera ser avisado para que se solicite a Air Products a
recarga da central de hidrogênio.
No intervalo de 24h, entre duas leituras sucessivas, não e feito qualquer
controle (leitura) na central de hidrogênio podendo haver consumo anormal sem que
se tenha o devido controle.
5.3 O ABASTECIMENTO DA CENTRAL DE ARMAZENAMENTO DE
HIDROGÊNIO.
Repassado pela UTLB a necessidade de carga dos cilindros da central de
armazenamento para o almoxarifado, o mesmo entra em contato com a Air
Products para que seja feito o abastecimento. Definido em contrato, o prazo para o
abastecimento é de dois dias corridos a contar da data de solicitação. Geralmente é
enviado caminhão com carga máxima para e reabastecimento da central de
hidrogênio da UTLB/UTLA, e também se necessário, da UTLC. Cada carreta de
abastecimento, quando completamente cheia, transporta 4200 m³ a uma pressão de
2600 psi (180 BAR). Algumas vezes o caminhão está abastecendo outros clientes
passando pelo complexo para o abastecimento parcial das centrais de hidrogênio.
O volume abastecido é calculado em função da diferença de pressão nos
tubos da carreta, após o abastecimento. A massa e volume abastecidos são
calculados pela fórmula PV = nRT (será vista posteriormente em maiores detalhes),
contando também com o valor da densidade do H2 a 1 atm e 20ºC.
43
As centrais de abastecimento de hidrogênio são abastecidas até a pressão
máxima de trabalho dos cilindros, em torno de 2100 psi e o faturamento é feito em
m³.
5.4 CENTRAL DE ABASTECIMENTO DOS GERADORES DA UTLB.
As duas centrais de abastecimento (Figura 13) da UTLB estão situadas no
andar térreo da sala de máquinas, logo abaixo dos geradores e são classificadas
como áreas com risco de explosão. A central serve para abastecer o gerador com
hidrogênio ou com gás carbônico quando o equipamento precisa ser purgado e até
mesmo ar. O sistema consiste de distribuição de gás carbônico, distribuição de
hidrogênio e um conjunto de válvulas (incluindo a válvula de distribuição) que
possibilitam:
Enchimento do alternado com CO2;
Enchimento com hidrogênio, em operação manual remota ou admissão
automática de hidrogênio para o alternador devido a queda de pressão;
Descarga do gás do alternador.
Nesta área estão também os seguintes equipamentos:
Baterias para garrafas de H2 e CO2. Ambas possuem válvulas de segurança
e a de CO2 possui sistema de aspersão de água para refrigeração dos
bocais das garrafas.
Analisadores de pureza de gás que verificam continuamente a pureza dos
gases no gerador: relação percentual entre H2 e CO2, H2 e ar e CO2 e ar
durante enchimento e esvaziamento do alternador. No modo normal de
operação os analisadores verificam continuamente a relação de ar no H2
(pureza do H2). Os analisadores conectados a extrações na válvula de
distribuição medem a composição do gás na saída do gerador dando uma
informação extada da pureza. Nos geradores da UTLB a pureza mínima
admissível é de 92%. Neste patamar será acionado alarme e necessidade
de purga do gerador com H2 fornecido por garrafas ou pela central de
armazenamento.
44
Dois secadores de hidrogênio utilizados alternadamente (enquanto uma
opera o outro é posto para regenerar a sílica e ficar como reserva).
Válvula redutora de pressão pré-ajustada para 3 Kgf/cm².
Através da central de abastecimento podemos abastecer o gerador parado ou
em funcionamento, mantendo a pressão e a pureza.
Quando o gerador esta parado para manutenção, especialmente quando se vai
executar serviços a quente, é preciso retirar o hidrogênio purgando o gerador com
gás carbônico. Para a purga são utilizados 16 garrafas de CO2 com 25 kg cada, ou
seja, 400 kg de gás ou 200 m³.
Para recarregar o gerador com gás hidrogênio (caso a central de
armazenamento não esteja disponível) são necessários 55 cilindros de 6 m³ cada,
num total de 330 m³. Das 55 garrafas, 35 são para o enchimento da máquina, ou
seja, 210 m³. Vinte cilindros, 120 m³, ficam como reserva para cinco dias de
operação (reabastecimento para incremento da pressão e/ou pureza do gás) com
máximo escape admissível de 24 m³ / dia. Atualmente este mesmo volume de gás é
abastecido pela central de armazenamento de hidrogênio.
O abastecimento com CO2, quando necessário purgar o H2 do gerador, é
efetuado exclusivamente com garrafas.
Fonte: do autor (2017).
Figura 13: Central de abastecimento de H2 e CO2 da unidade 5 - UTLB
45
Na Figura, foto parcial da central de abastecimento e em destaque alguns
componentes:
1) Válvulas de admissão de hidrogênio pela central de armazenamento;
2) Válvula redutora de pressão (de 8 Kgf/cm² para 3,0 a 3,5 Kgf/cm²).
3) Válvulas de abastecimento manual local e abastecimento remoto (válvula
elétrica).
4) Válvula de distribuição;
5) Válvula de abastecimento de CO2;
6) Linhas de descarga da válvula de distribuição para o gerador (inferior H2 e
superior CO2);
7) Bateria de cilindros de garrafas de CO2.
5.5 O ABASTECIMENTO DE HIDROGÊNIO NOS GERADORES DA UTLB.
Os geradores da UTLB trabalham com pressão de gás hidrogênio de 2,00
Kgf/cm² podendo trabalhar até mesmo com pressão de 0,05 Kgf/cm² desde que a
carga fique limitada a um máximo de 83 MW.
O abastecimento de gás hidrogênio (quando a pressão esta próxima de 1,90
Kgf/cm² acionando alarme quando em 1,80 Kgf/cm²) pode ser efetuado remotamente
via abertura de válvula elétrica, mas por questão de segurança a recarga é efetuada
com acompanhamento de operador de área externa na central de abastecimento.
Aberta a válvula elétrica por comando no quadro térmico (sala de comando) o
operador, na central de abastecimento, abre as válvulas manuais aguardando até
que a pressão chegue aos 2 Kgf/cm². Alcançada a pressão de 2 Kgf/cm² (indicada
na tela do supervisório nos painéis verticais) o operador externo é avisado para que
feche as válvulas manuais.
O volume de gás utilizado no abastecimento é calculado e salvo no relatório
de turno. Nos geradores da UTLB vale a seguinte relação. Cada 0.1 kgf/cm² (ou 100
gf/cm²) de acréscimo de pressão durante o abastecimento equivale a 4,8 m³ de gás
hidrogênio.
46
5.6 AS PERDAS DE HIDROGÊNIO NOS GERADORES DA UTLB.
O gerador pode perder hidrogênio pelas vedações, pelo sistema de óleo de
vedação, juntas conexões, válvulas e pelos analisadores de pureza de gás.
O sistema de óleo de vedação veda as possíveis fugas de gás hidrogênio
através do eixo e mancais. Pelo óleo de vedação são perdidos em média 7 m³ por
dia. Existem dois sistemas de selagem: lado ar (selagem externa vedação em
contato com o ar) e lado hidrogênio (selagem interna vedação em contato com o gás
hidrogênio). O sistema de óleo de vedação é fechado e o hidrogênio absorvido no
contato com o óleo de selagem passa pelo tanque separador de hidrogênio de onde
este é eliminado junto com outros gases.
Os geradores quando estão prestes a ser preenchidos com gás hidrogênio,
passam por testes de estanqueidade, onde se podem avaliar as perdas para
posteriores reparos.
O gerador é testado com 4 Kgf/cm² de hidrogênio, estando parado ou no
virador, por um período de 24 horas. As perdas são calculadas conforme a IT – OP-
UTLB-01-02-202 (revisão 3) página 9.
O ensaio somente será considerado satisfatório se a fuga calculada ser
menor ou igual a 15,56 m³/dia (intervalo das 24h de ensaio), que representa o índice
de reposição esperado, operando-se a uma pressão de 2,0 Kgf/cm². No valor de
perda de 15,56 m³/dia já estão incluídas as perdas por absorção de hidrogênio pelo
óleo de vedação e através dos analisadores, respectivamente 7 m³/dia e 0,7 m³/dia
(em torno de 20 a 30 litros por hora).
As perdas de hidrogênio com o gerador operando a pressão de 2,0 Kgf/cm²
são calculados pela relação Q H2,0 = 3,9 x ∆P e operando com pressão reduzida de
0,05 Kgf/cm², Q H0,05 = 0,061 x ∆P, onde:
QH2,0: perda esperada de hidrogênio operando-se a 2,0 Kgf/cm²;
QH0,05: perda esperada de hidrogênio operando-se a 0,05 Kgf/cm²;
∆P: Queda de pressão esperada durante uma hora a pressão inicial de 2,0
Kgf/cm².
47
A máxima perda tolerável de hidrogênio por fuga, com o qual o gerador ainda
pode operar, é de 24 m³ por dia.
5.7 CONSUMO DE HIDROGÊNIO PELOS GERADORES DA UTLA.
A central de armazenamento de hidrogênio fornece hidrogênio para UTLA e
UTLB. Apesar do monitoramento da central ser responsabilidade da UTLB, a maior
consumidora é a UTLA. Esta arca com 83% dos custos de reabastecimento da
central, ficando a UTLB com 17%. Tais como nos geradores da UTLB as perdas
estão nas válvulas, juntas, conexões e pelo sistema de selagem. Até o presente
momento não há qualquer controle do hidrogênio consumido pelas máquinas da
UTLA apesar de contarem com fluxômetros (Figura 14) instalados nas centrais de
abastecimento de cada gerador. Quando os fluxômetros entrarem em
funcionamento, haverá um monitoramento efetivo do consumo por unidade. Os
dados lidos pelo medidor de vazão serão enviados para o supervisório.
Além dos abastecimentos para normalização da pressão, há um maior
consumo também decorrente dos abastecimentos para o aumento de pureza, mais
frequentes nas máquinas da UTLA.
Nas 4 unidades da UTLA a pureza deve ficar em torno de 97%, com 95% é
feito purga para aumento da pureza. Com 94% é acionado alarme na sala de
comando e 90% bloqueia a unidade.
Nas unidades 1 e 2 a pressão de H2 é em torno de 1,40 Kgf/cm² e nas
unidades 3 e 4 a pressão fica em torno de 1,55 Kgf/cm² (com reabastecimento
quando a pressão cai para aproximadamente 1,52 Kgf/cm²).
Os Em cada unidade da UTLA está sendo instalado fluxômetros/ transmissor
de fluxo para o controle do volume de gás hidrogênio abastecido. Os instrumentos
são do tipo Coriolis (EMERSON com pressão máxima de 19 BAR, faixa de
temperatura de 240°C a 204°C como mostrado na Figura 14.
48
Até a conclusão deste trabalho, apenas o fluxômetro da unidade 4 da UTLA
tinha sido posto em funcionamento.
Fonte: do autor (2017)
Figura 14: Fluxômetros/transmissor de fluxo tipo coriolis que será utilizado para controle de abastecimento dos geradores da UTLA.
49
6 O SISTEMA SUPERVISÓRIO
6.1 SISTEMA SUPERVISÓRIO DA UTLB.
A sala de comando da UTLB conta com sistema supervisório anexo aos
painéis verticais, tanto para unidade 5 quanto para unidade 6, onde é possível
acompanhar em tempo real os principais parâmetros dos diversos sistemas da usina
tanto da caldeira quanto do ciclo térmico. Por exemplo, podem ser monitorados em
tempo real:
Temperatura e pressão da rede principal de vapor (SH e RH);
Temperatura e pressão do ar e dos gases da caldeira;
Temperatura do classificador dos moinhos e carga dos alimentadores;
Temperatura pressão e vazão de condensado;
Pressão e temperatura nas turbinas e monitoramento de vibrações;
Pressão e pureza do hidrogênio no interior do gerador.
Estes e outros parâmetros estão distribuídos em quatro telas no painel
vertical: Ar e gases, Água e vapor, Moinhos e Turbina (Figura 15).
Fonte: do autor (2017).
Figura 15: Telas do supervisório da unidade 6 da UTLB.
50
Há também supervisório para curvas de tenências (de pressão temperatura
dos principais sistemas da usina) e temperatura da fornalha (supervisório do sistema
de pirometria acústica).
Cada monitor está ligado a um computador que roda o software Elipse E3
(ferramenta SACADA – Supervisory Control and Data Aquisition - para
monitoramento e controle de processos). O Elipse oferece recursos avançados de
programação e conectividade com mais de 400 equipamentos.
Ao supervisório chegam informações vindas do elemento sensor, após passar
por um conversor analógico digital.
A maior parte das indicações dos supervisórios é de temperatura, pressão e
fluxo. Uma indicação de pressão, por exemplo, faz o seguinte percurso até chegar à
tela do supervisório: A pressão é lida por um sensor e este sinal é convertido em
sinal elétrico em um conversor, geralmente em sinal de corrente de 0 a 20 mA. O
sinal analógico chega até a sala de reles de onde é distribuído. Da sala de reles o
cabeamento transporta o sinal até a sala de comando para dentro dos GBs
(divisórias do painel vertical da sala de comando).
Na sala de comando, cada unidade conta com 11 GBs (Gabinete B) onde estão as
telas dos supervisórios.
Fonte: do autor (2017)
Figura 16: Esquema simplificado do percurso do sinal emitido por transmissor até a tela do supervisório.
51
Nos GBs os sinais são convertidos de sinais analógicos para sinais digitais e
endereçados para que possa ser acessado pelo software supervisório (Figura 16).
As pressões de hidrogênio dos geradores (unidades 5 e 6) são indicadas na
tela “turbina” de cada unidade. Esta pressão é lida pelo transmissor de pressão
PT_170A, presente tanto no gerador das 5 quanto no da 6 (cada unidade conta com
um segundo transmissor, PT_170B, que indica pressão na mesa térmica) Na Figura
17, detalhes dos dois transmissores. Os valores de pressão enviados pelo PT_170A
e lidos no supervisório são salvos em banco de dados em intervalos de
aproximadamente 1 hora.
Os dois transmissores de pressão estão localizados abaixo do gerador
próximo aos refrigeradores de óleo de selagem
Fonte: do autor (2017).
Figura 17: Transmissores de pressão do gás hidrogênio no interior dos geradores.
52
7 IMPLANTAÇÃO DE UM SUPERVISÓRIO PARA O SISTEMA DE ABASTECIMENTO DE HIDROGÊNIO DOS GERADORES DA UTLB (UNIDADES 5 E 6).
7.1 O SISTEMA SUPERVISÓRIO DE CONSUMO DE H2.
O sistema supervisório proposto será composto de duas partes,
monitoramento da central de armazenamento e monitoramento nos geradores.
7.2 INVESTIMENTOS NECESSÁRIOS PARA IMPLEMENTAÇÃO DO SISTEMA.
A UTLB conta com pessoal capacitado para a implementação (escrita) do
software de monitoramento (plataforma elipse instalado nos computadores) e
definição alarmes, dentre outros serviços técnicos relacionados.
Os custos mais elevados estariam na instalação dos transmissores na
central de armazenamento de H2, que poderá ser bancado pela empresa ou pela Air
Products, como for acordado entre ambas.
Para a aquisição de dados de temperatura e pressão será necessário a
instalação, junto a central, de um transmissor de temperatura e três transmissores
de pressão, cujos aparelhos estão sugeridos e ilustrados na Tabela 2. Os
transmissores poderão ser alocados em gabinete hermético fixado na parede frontal
de alvenaria da central, como medida de proteção dos equipamentos. Até este
gabinete será levados cabeamento de alimentação dos aparelhos, tomada de
pressão (conectado ao ponto onde estão roscados os manômetros locais) e cabo do
termopar para aquisição da temperatura.
A maior parte dos materiais há em estoque. O maior custo é necessidade
de aquisição dos transmissores (caso não haja em estoque):
Dos geradores da UTLA, como complemento importante para o controle de
consumo da central, deverão ser obtidas as informações de fluxo dos fluxômetros
ligados ao abastecimento de cada gerador.
53
Os valores de fluxo de gás lidos pelos aparelhos serão mostrados nas telas
dos supervisórios da UTLA e devem ser trazidos para UTLB (sala de reles) para
serem direcionados para o supervisório proposto.
Sugere-se também, para aumentar a confiabilidade sobre a quantidade de
gás utilizado nos abastecimentos das máquinas da UTLB, a instalação de
fluxômetros (mesmo modelo utilizado na UTLA) na linha de abastecimento
(sugestão: após válvula de suprimento do sistema de distribuição).
A princípio será assumida a relação pressão e volume: 0,100 Kgf/cm²
equivalente a admissão ou perda de 4,8 m³ de H2.
Tabela 2: Transmissores de temperatura e pressão.
Fonte: do autor (2017)
54
7.3 MONITORAMENTO NA CENTRAL DE ARMAZENAMENTO.
Monitoramento/leitura da temperatura e pressão do H2 na bateria principal
(Pp) e reserva (Pr) e monitoramento na pressão da rede de distribuição(PRD). Com
alarmes:
Baixa pressão na bateria principal ALARME e informe solicitação de
abastecimento. (Pp ≤ 625 psi);
Entrada de bateria reserva ALARME (Pr ≤ 400 psi);
Baixa pressão na rede de distribuição ALARME (PRD < 8 Kgf/cm² / 114 psi).
Para implementação desta parte do sistema é necessário (já discutido em
investimentos) a aquisição dos dados de pressão e temperatura da central de
armazenamento. Com estas informações pode-se calcular, em tempo real, o volume
(e massa) de gás na centra.
7.3.1 CÁLCULO DE VOLUME (E MASSA) DE H2 NA CENTRAL.
O cálculo do volume de hidrogênio nos tubos da central de armazenamento
podem ser calculados, implementado no próprio supervisório, pela fórmula
termodinâmica PV = nRT (utilizando os valores de temperatura e pressão dos
transmissores) e pela densidade do hidrogênio.
Na fórmula PV = nRT:
R: constante dos gases perfeitos. Como a massa molecular do H2 é pequena
podemos aproximar o gás hidrogênio dos tubos como um gás perfeito. Aqui será
adotado R = 0,0820574587 (L. atm)/(K. mol).
n: número de moles;
P: pressão em atm (posteriormente convertida para psi).
V: volume em litros;
T: temperatura em kelvin.
55
Na central de armazenamento V é o volume geométrico de cada tubo (1,49
m³), P é a pressão interna de cada tubo e T é a temperatura interna do gás.
Este cálculo será implementado no supervisório para fornecimento de
informação complementar de massa e volume de H2 nos tubos da central.
Tomamos como exemplo, calcular a massa e volume de H2 na central com: P
= 2100 psi a 20°C.
V = 1,49 m³ ou 1490L (definido pelo fabricante);
T = 20°C ou 293,15 K; (medido);
P = 2100 psi ou 142,896524 atmp (medido);
Massa molar (mol): 2,01588 g/mol;
R = 0,0820574587 (L. atm)/(K. mol).
m = massa de gás a ser calculada no volume em questão.
𝑃𝑉 = 𝑚
𝑚𝑜𝑙 𝑅𝑇 Isolando a massa m =
𝑃𝑉.𝑚𝑜𝑙
𝑅𝑇
m = 142,896524 .1490.2,01588
0,0820574587.293,15 , m = 17842,88 g → 17,843 kg.
Massa total será de 6 x 17842,88 = 107057,28 ou 107,05728 Kg nos 6 tubos da
bateria principal.
Para o volume consideramos a densidade do hidrogênio DH2 = 0,082 Kg/m³.
Se 1 m³ → 0,082 Kg, em 107,05728 Kg teremos um volume (a 1 atm) de
aproximadamente 1305,6 m³.
56
7.3.2 ESQUEMA LÓGICO DO SUPERVISÓRIO PROPOSTO.
A Figura 18 ilustra a lógica proposta para a primeira parte do supervisório,
monitoramento das pressões e volumes de gás na central de armazenamento
(bateria principal e reserva). Na figura foram omitidas válvulas de interligação,
válvulas de segurança e conexão com os caminhões de abastecimento.
Temos os estabelecimentos de alarmes: de baixa pressão na rede (valor que
deve ser ajustado e testado), alarme de baixa pressão na bateria principal; e alarme
de entrada de bateria reserva.
Outra parte visa o cálculo de volume de H2 na central com base nas
informações de pressão e temperatura. Os valores de pressão e temperatura devem
ser convenientes transformados para utilização da relação PV = nRT. Esta
determinação de volume complementa o segundo módulo de supervisão nos
geradores.
Fonte: do autor (2017).
Figura 18: Esquema da leitura e processamento dos valores de pressão e temperatura obtidos da central de armazenamento de H2.
57
Na Figura: B.P.: Bateria Principal, B.R.: Bateria Reserva P: pressão, T:
temperatura, PT: transmissor de pressão, TT: transmissor de temperatura, m: massa
(de H2), V: volume (de H2).
7.4 MONITORAMENTOS DE CONSUMO DE H2 NOS GERADORES
CONSUMIDORES.
O segundo módulo a ser implementado na tela de um supervisório corresponde
ao monitoramento de consumo de cada máquina individualmente:
o Monitoramento do volume admitido por abastecimento;
o Monitoramento do consumo em um intervalo de 24h (dentro da média
determinada pelo histórico de consumo);
o Monitoramento do intervalo entre abastecimentos sucessivos;
O consumo de cada máquina devera ser mostrado na tela do supervisório,
gravado no supervisório, num período entre duas recargas sucessivas. Pode-se
determinar o valor percentual de consumo de cada máquina sobre o volume da
central de H2.
Ativado alarme de baixa pressão na bateria principal (solicitação de recarga),
determinar o número de recargas possíveis para cada máquina, com base no
histórico de consumo no intervalo entre dois abastecimentos. Este número será
recalculado caso seja feito algum abastecimento de gerador até a recarga da central
(chegada do caminhão de abastecimento da Air Products).
Na UTLB os dados de pressão interna de gás no gerador são salvos com
periodicidade de 1h00.
7.5 HISTÓRICO DE CONSUMO DE HIDROGÊNIO PELOS GERADORES DA
UTLB.
Na UTLB, através do supervisório, é possível resgatar o gráfico da pressão
de hidrogênio no gerador (gravado por hora) num intervalo de ate três anos (e
períodos maiores consultando os backups, executados periodicamente). Na UTLA
este resgate fica limitado a um mês . Nestes gráficos é possível identificar os ciclos
58
de abaixamento de pressão e reabastecimento bem como eventuais anomalias na
pressão.
Estas informações gráficas serão importantes na elaboração conceitual e
programação do software supervisório bem como informações entre os intervalos
entre reabastecimentos, média de consumo de gás etc.
Através do gráfico podem-se determinar os ciclos normais de perda de
pressão (perda média de gás em 24h) e reabastecimento de todas as máquinas,
contando também com os dados do fabricante. Nas figuras abaixo são mostradas as
variações de pressão de H2 num intervalo de 3 meses (Figura) e em 24 horas
(Figura) no gerador da unidade 5.
Fonte: do autor (2017).
Gráfico 1: Variação de pressão do H2 no gerador da unidade 5 num intervalo de aproximadamente 2 meses.
59
Os gráficos de pressão da unidade 6 apresentam tendências semelhantes,
pois as duas máquinas são idênticas.
O gráfico de pressão de H2 permite obter um histórico de funcionamento do
gerador: No Gráfico 1 durante o intervalo 1 (dia 22/07 a 31/07) o gerador esteve
parado e o hidrogênio foi purgado. No intervalo 2 (11/08 a 13/08) houve parada de
máquina e a pressão de H2 caio a 1,53 Kgf/cm² e no intervalo 3 (18/08 a 20/08) o
gerador também esteve parado com a pressão de H2 até 1,51 Kgf/cm².
Com exceção destes três intervalos temos funcionamento normal do gerador
com ciclos de queda de pressão e abastecimento.
Do Gráfico 2 foi retirado um intervalo representativo de 24 horas, do dia
02/08/2017 a 03/08/2017. No intervalo das 13h18 min do dia 02 até às 13h16 min do
dia 03/08/2017 observa-se dois abastecimentos e duas descargas parciais.
No Gráfico 3, ciclo de queda de pressão e reabastecimento do gerador da
unidade 6 no intervalo de 18 dias, do dia 5/07 a 23/07.
Fonte: do autor (2017)
Gráfico 2: Variação de pressão em 24h no gerador da unidade 5.
60
F
o
n
t
e: do autor (2017).
As tabelas contendo as informações de pressão de hidrogênio dos geradores
(extraídos do supervisório) foram fornecidas pelo departamento de instrumentação
da usina. Os dados foram plotados e analisados no software ORIGIN 8.
Analisando os gráficos de consumo de hidrogênio em período de
funcionamento normal dos geradores pode-se determinar o intervalo médio entre
duas recargas. Na unidade 5 foi analisado intervalo de 01/07/2017 a 18/07/2017 do
Gráfico 1 (período sem anormalidades com carga de 110 MW) e chegou-se a um
tempo médio de 17h00 entre dois abastecimentos consecutivos. Na unidade 6,
pela análise de gráfico 3 no período de 30/7 a 20/8, chegou-se a um intervalo
médio de 17h50min. Estes intervalos podem variar de algumas horas para mais ou
para menos dependendo também do ajuste da temperatura devido ao fornecimento
de potencia reativa, que afeta a temperatura e consequentemente a pressão.
Gráfico 3: Variação da pressão de H2 (18 dias) no gerador da unidade 6.
61
No Gráfico 4 tem-se a variação de pressão (despressurização e recarga) num
período de 24h do gerador da unidade 6.
Analisando os gráficos mensais de consumo de H2 das unidades 5 e 6,
podem-se obter os seguintes valores médios de variação de pressão e variação de
volume de H2 em intervalos de 24h, mostrados na Tabela 2:
Fonte: do autor (2017)
Gráfico 4: Variação de pressão em 24h no gerador da unidade 6.
Tabela 2 Variações médias de pressão e volume de H2 nos geradores das unidades 5 e 6 em intervalo de 24h.
62
Nas unidades 5 e 6 o volume de gás dentro dos geradores é função da
pressão, e segundo o fabricante (Skoda) o volume de gás pode ser determinado
pela relação 0,100 kgf/cm² para 4,8 m³, ou seja, se a pressão baixa de 0,100
Kgf/cm² significa perda de 4,8 m³. Para calcular o volume de gás abastecido a lógica
é a mesma, o acréscimo de 0,100 Kgf/cm² corresponde a 4,8 m³ abastecidos.
Na prática a pressão não é unicamente função do volume de gás no interior
do gerador, também há a contribuição da temperatura (fornecimento de reativo,
temperatura da água de circulação etc.).
7.6 HISTÓRICO DE CONSUMO DE HIDROGÊNIO PELOS GERADORES DA
UTLA
Os geradores da UTLA são os maiores consumidores de gás da central de H2,
porém não existe controle sobre o consumo individual de cada máquina. Já estão
instalados fluxômetros/ transmissores de fluxo para determinar o consumo individual
dos geradores da UTLA. Até a conclusão deste trabalho o fluxômetros na unidade 4
está em fase de testes.
Portanto não se tem até o momento como determinar a quantidade que cada
unidade consome individualmente. Tal como na UTLB, pode-se obter via
supervisório, histórico de consumo de H2 utilizado na normalização da pressão de
trabalho e incremento de pureza em cada máquina. Pode-se obter valores de
pressão em uma determinada data e horário O gráfico 5 mostra o histórico de
consumo do gerador da unidade 4 da UTLA em um período de aproximadamente
um mês. O gráfico 6 refere-se ao gerador da unidade 1.
O gerador da unidade 3 é semelhante ao gerador da unidade 4 (construtiva e
operacional) e o gerador da unidade 1 é semelhante ao gerador da unidade 2
(construtiva e operacional). Este último estava em manutenção durante a execução
deste trabalho.
63
Os gráficos de histórico de consumo dos geradores da UTLA são bastante
irregulares, se comparados com os da UTLB, em decorrência do maior número de
abastecimentos para normalização de pressão e incremento de pureza do gás.
Assim os gráficos somente não fornecem dados importantes para implementação de
uma rotina de supervisão (via supervisório) de intervalo de abastecimento e
consumo de gás. Isso somente será viável com o funcionamento dos fluxômetros.
Fonte: do autor (2017)
Gráfico 5: histórico de consumo de hidrogênio (pela variação de pressão) do gerador da
unidade 4 da UTLA.
64
No gráfico do gerador da unidade 1 pode-se notar uma grande oscilação de
pressão, atribuídos a diversos fatores: paradas frequentes, fugas de H2, reposição
de pureza etc.
Fonte: do autor (2017)
7.7 ESQUEMA LÓGICO PARA O MONITORAMENTO DO CONSUMO DE H2
PELOS GERADORES
Na Figura 20 ilustra a lógica adotada para o controle de consumo de gás
nos geradores da UTLB. Este módulo deverá ser implementado na mesma tela de
monitoramento da central de armazenamento de H2. A determinação do volume
abastecido depende dos sinais de abertura e fechamento da válvula elétrica
comandada da mesa térmica (ou outros sinais que coincida com o inicio e o fim do
abastecimento). O período de 17h00 foi determinado através dos históricos de
abastecimento (ver Tabela 2). A determinação desta média entre intervalos de
Gráfico 6: histórico de consumo de hidrogênio (pela variação de pressão) do gerador da unidade 1 da UTLA.
65
abastecimentos poderá ser determinada no próprio supervisório, com maior
confiabilidade.
O controle adequado do volume de gás abastecido nos geradores seria mais
eficiente com emprego de fluxômetros, semelhante aos que estão em fase de
implementação nas unidades da UTLA.
O volume abastecido é determinado pela relação 0,100 Kgf/cm² equivalente a
um volume de gás de 4,8 m³, validos para os geradores Skoda de 48 m³. O valor da
pressão de gás nos geradores já é mostrado no supervisório, transmitido pelo
transmissor de pressão PT_170A (elemento PT do fluxograma).
Os volumes bastecidos são somados e gravados entre duas recargas, ou
seja, dois intervalos com pressão da bateria de hidrogênio no seu valor máximo
(2100 psi). Com isso pode-se determinar o consumo de cada máquina
individualmente. Também determinação do valor médio de cada carga em cada
intervalo de carga máxima da central.
Deve-se levar em consideração também uma rotina de verificação do volume
perdido (e admitido via recarga) em intervalo de 24h00 para cada máquina.
Os valores médios de consumo em 24h00 foram determinados para os
geradores da UTLB, pelos gráficos de histórico de consumo (Tabela 2), condizentes
com os valores esperados da IT (IT-OP-UTLB-01-02-202) quando em funcionamento
normal.
66
Segundo esta IT, os valores esperados normais de fuga são de 7 m³/ dia pelo
óleo de selagem e 0,7 m³ dia pelos analisadores de gás.
Fonte: do autor (2017)
Na Figura 21, diagrama da lógica para o supervisório de controle de consumo
de H2 pelos geradores da UTLA. Com os fluxômetros em funcionamento o volume
abastecido é facilmente calculado pelo valor do fluxo de gás e tempo de
reabastecimento. A rotina de operações é a mesma que a utilizada para os
geradores da UTLB.
Figura 19: Esquema lógico da parte do supervisório destinado ao controle do H2 nos geradores da UTLB.
67
A sugestão é que o monitoramento nos geradores da UTLA sejam feitos no
mesmo software supervisório locado na sala de comando da UTLB (controle da
central de abastecimento e dos geradores #5 e #6) tendo em vista a viabilidade de
transporte dos sinais para a sala de reles da UTLB.
Fonte: do autor (2017)
Na Figura 22, esquema lógico da rotina para a determinação do volume
abastecido em 24h00. Em 0:00 e em 24:00 é verificado se há um abastecimento em
Figura 20: Esquema lógico da parte do supervisório destinado ao controle do H2 nos geradores da UTLA.
68
curso para gravar a variação de pressão apenas dentro do intervalo de 24:00. Em 24
os volumes abastecidos são somados e o total é salvo.
Fonte: do autor (2017)
Figura 21: esquema lógico para implementação de rotina para determinar volume (V) abastecido em intervalo de 24h00.
69
8 REVISÃO DA LITERATURA
O gás hidrogênio, devido a seu baixo peso molecular é de difícil
estanqueidade e a fuga mesmo que pequena pode se agravar pelas juntas e
vedações mesmo especialmente ajustadas para este tipo de gás.
Outro grande problema que pode dar origem a vazamentos nas tubulações
que transportam o gás hidrogênio é o chamado Fragilização por Hidrogênio,
principalmente em partes de aço expostas ao gás. O processo é bastante lento, mas
não desprezível e pode ser causa de vazamentos a princípio imperceptíveis, mas de
aumento gradual.
Segundo NEUSA e DUBERNEY, o fenômeno da fragilização por hidrogênio é
definido como a diminuição da ductilidade pela entrada de hidrogênio atômico no
metal; aços com alta resistência são muito vulneráveis, como os aços temperados e
revenidos ou endurecidos por precipitação. A perda de ductilidade só é observada
com a realização de ensaios de corrosão sob tensão com velocidade de deformação
lenta. A entrada de hidrogênio no metal afeta o limite de resistência à tração, mas
não há uma perda de resistência ao impacto aparente, cujo ensaio não deve ser
usado para avaliar o grau de fragilização nessas condições.
Ainda segundo periódico especializado do grupo Linde: Alguns tipos de aço
podem ser danificados pelo hidrogénio sob determinadas circunstâncias, por
exemplo, quando estão presentes falhas de produção (fissuras, revestimentos). É
por isso que os materiais utilizados em instalações de hidrogénio têm de ser
selecionados por peritos familiarizados com as condições de funcionamento
específicas. Para além dos materiais metálicos, também podem ser utilizadas
borrachas e plásticos em instalações de hidrogénio.
70
Assim a estanqueidade de hidrogênio é bastante complexa e a checagem
periódica dos locais e redes de transporte de gás faz-se necessário.
O sistema supervisório proposto destina-se também ao auxilio da avaliação
de possíveis vazamentos indicados por quedas de pressão e consumo excessivo de
gás.
71
9 RESULTADOS ESPERADOS.
Com a implementação do sistema supervisório proposto haverá um controle mais
eficiente no volume de gás hidrogênio pelas unidades consumidoras. Pode-se a partir de
informações de consumo dos geradores, detectar eventuais fugas ou o consumo demasiado
de gás.
Importante também no quesito segurança, visto que consumos excessivos de gás
podem ser indicativos de vazamento, muito perigoso por se tratar de um gás com elevada
faixa de explosividade.
Portanto o projeto possui excelente custo benefício, visto que os equipamentos e
serviços são relativamente baratos e já se conta com equipe capacitada na própria usina
para execução da maior parte dos serviços.
72
10 CONCLUSÃO
O período de estágio vivenciado no Complexo Termelétrico Jorge Lacerda,
em especial na UTLB, permitiu um grande aprendizado sobre a geração de energia
elétrica, reforçando os conhecimentos teóricos aprendidos no curso com os
conhecimentos práticos adquiridos das atividades diárias da usina.
A vivência diária com os colaboradores de diversos setores da usina, em
especial o setor de operação e instrumentação possibilitou-me uma ampla visão
sobre este processo industrial tão envolvente que é a geração termelétrica de
energia. Ética profissional e companheirismo também foram valores vivenciados com
muito proveito.
Política adotada pela empresa, como uma empresa de grande porte, é o
controle e monitoramento eficiente e em tempo real dos processos envolvidos na
geração de energia, aplicando tecnologias de ponta minimizando gastos, esforço
humano e tempo de resposta a eventuais problemas. Contam-se também os
cuidados na prevenção de acidentes e danos ambientais.
Nesta linha de pensamento é que foi pensado o desenvolvimento de um
supervisório para o monitoramento do gás hidrogênio nos geradores e controle de
consumo da central de armazenamento. Supervisionar o consumo para se evitar
falhas nos abastecimentos e eventuais detecções de vazamentos por perdas
excessivas de gás.
Os materiais e equipamentos como transmissor de pressão, transmissor de
temperatura, transmissores de fluxo e cabeamento e mãos de obra estão
disponíveis no próprio complexo. O complexo conta também com mão de obra
especializada para execução total ou parcial do projeto proposto.
73
REFERÊNCIAS
FITZGERALD, A. E. Charles Kingsley Jr. e Stephan D. Umans. Tradução Anatólio
Laschuk. Máquinas Elétricas. 6ª ed. Editora Bookman, Porto Alegre, 2006.
LORA, Electo Eduardo Silva e Marco Antônio Rosa do Nascimento. Geração
termelétrica: planejamento, projeto e operação. Volume 2. Ed. Interciência. Rio
de Janeiro – RJ, 2004.
REIS, Lineu Belico dos. Geração de Energia Elétrica. 2ª ed. rev. e atual. Editora
Monde Barueri – SP, 2011.
REVISTA BOAS NOVAS. INFORMATIVO DA ENGIE BRASIL. ANO 10. Nº 58.
Setembro de 2016. Pág.: 7.
NETO, Gomes e Emilio Hoffman. Hidrogênio – Evoluir sem poluir. 1 ª Edição, Editora
Brasil H2, São – SP, 2006.
Manual de operação de termoelétricas – IT – OP – UTLB – 01- 02- 202, revisão 3.
Turboalternadores e auxiliares: sistema de gás.
Manual de operação de termoelétricas – IT – OP – UTLB – 02 - 200, revisão 0.
Alternador: características e proteções.
Carvão, energia e desenvolvimento: história do Complexo Termelétrico Jorge
Lacerda. Editora Expressão, 2009.
Internet
http://www.linde-
gas.pt/internet.lg.lg.prt/pt/images/Conselho_Seguran%C3%A7a13310_25939.pdf?v=
6.0 acessado em 18/11/2017 as 15h00.
www.elipse.com.br acessado dia 01/11/2017 as 22h00.
www.engie.com.br/pt acessado dia 25/09/2017 as 14h00.
www.engieenergia.com acessado dia 25/09/2017 as 14h00.
