SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA … · Figura 22 – Simulação de Operação da Usina...
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SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA UTILIZANDO UMA FERRAMENTA NA PLATAFORMA MATLAB Bruno Cunha Araújo Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Bruno Cunha Araújo Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida RIO DE JANEIRO AGOSTO DE 2014
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SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA UTILIZANDO UMA
FERRAMENTA NA PLATAFORMA MATLAB
Bruno Cunha Araújo
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro. Bruno Cunha Araújo
Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida
RIO DE JANEIRO
AGOSTO DE 2014
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica
DEM/POLI/UFRJ
SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA UTILIZANDO UMA
FERRAMENTA NA PLATAFORMA MATLAB
Bruno Cunha Araújo
PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO
DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS
REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE
ENGENHEIRO MECÂNICO.
Aprovado por:
________________________________________________
Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida; D.Sc. (Orientador)
________________________________________________
Prof. Juliana Braga Rodrigues Loureiro; D.Sc.
________________________________________________
Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz; D.Sc
RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL
AGOSTO DE 2014
iii
Araújo, Bruno Cunha
Simulação de uma usina sucroalcooleira utilizando uma
ferramenta na plataforma MATLAB. / Bruno Cunha Araujo. –
Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, 2014.
X, 60 p.: il.; 29,7 cm.
Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida; D.Sc
Projeto de Graduação – UFRJ/ POLI/ Engenharia
Mecânica, 2014.
Referências Bibliográficas: p. 60-61.
1. Cogeração. 2. Simulação. 3. Análise Gráfica. 4.
Eficiência. I. Almeida, Silvio Carlos Aníbal de. II.
Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia
Mecânica. III. Título
iv
Agradecimentos
Aos meus pais, Maria de Fatima Cunha Castro Araújo e Alexandre José Araujo,
e meu irmão Pedro Henrique Cunha Araújo, não só por me proporcionarem a
oportunidade de estudar em uma das melhores universidades do país, bem como pelo
apoio em escolhas profissionais durante o curso.
À minha namorada Julia Pinho Muniz, pelos conselhos dados nessa última etapa
da graduação, e também pelos bons momentos que me ajudaram a superar situações
difíceis encontradas.
Ao professor Silvio Carlos Anibal de Almeida pela orientação excepcional
durante o desenvolvimento de todo o projeto, me proporcionando o conhecimento
necessário para atingir meus objetivos neste trabalho.
Aos meus amigos da faculdade que diariamente me deram suporte, conselhos e
foram essenciais para que essa jornada fosse mais branda e agradável.
v
Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos
necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico.
SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA UTILIZANDO UMA
FERRAMENTA NA PLATAFORMA MATLAB
Bruno Cunha Araújo
Agosto/2014
Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida; D.Sc.
Curso: Engenharia Mecânica
O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta na
plataforma MATLAB capaz de realizar modelagem computacional da operação de
usinas sucroalcooleiras com cogeração de energia. Através da definição de parâmetros
iniciais, este software é capaz de simular a operação de uma usina sucroalcooleira, desta
forma apresentando os resultados dessa simulação como: potência gerada nas turbinas,
demanda térmica do processo, rendimento global da usina, entre outros.
Além disso, esta ferramenta permite analisar graficamente a influência da
variação dos parâmetros de operação de uma usina sucroalcooleira nos resultados da
mesma, assim sendo capaz de favorecer a operação desta usina em condições de
utilização que proporcionem a máxima eficiência e geração de energia excedente. É
realizada uma simulação de uma usina do oeste paulista e posteriormente é feita uma
análise da variação de seus parâmetros de operação.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the
requirements for the degree of Engineer.
SIMULATION OF A SUGARCANE MILL USING A MATLAB PLATAFORM
TOOL
Bruno Cunha Araújo
August/2014
Advisor: Silvio Carlos Anibal de Almeida; D.Sc.
Course: Mechanical Engineering
This paper presents the development of a tool in a MATLAB platform capable of
performing a computational modeling of the operation of sugarcane mills with energy
cogeneration. By setting initial parameters, this software is able to simulate the operation
of a sugarcane mill, thus presenting the results of this simulation as: power generated in
the turbines, thermal demand of the process, overall efficiency of the plant, among
others.
In addition, this tool allows you to graphically analyze the influence of the
operating parameter’s variation of a sugarcane mill in its results, thus being able to
facilitate the operation of this plant in order to provide maximum efficiency and
generation of surplus energy. A simulation of a power plant localized in western São
Paulo is performed, and then an analysis of changes in its operating parameters is made.
vii
Sumário
1. Introdução ............................................................................................................... 12
1.1. Desafio Energético Brasileiro .......................................................................... 12
1.2. Motivação ........................................................................................................ 13
1.3. Objetivo ........................................................................................................... 13
1.4. Organização do trabalho .................................................................................. 14
2. Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro .................................................... 16
2.1. Conceitos básicos sobre a Cogeração .............................................................. 16
2.2. Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro ............................................. 17
3. Definições e Conceitos Envolvidos ........................................................................ 20
3.1. Conceitos Termodinâmicos ............................................................................. 20
3.1.1. Balanço de Massa ..................................................................................... 20
3.1.2. Balanço de Energia ................................................................................... 21
3.1.3. Balanço de Entropia.................................................................................. 22
3.2. Eficiências Térmicas pela Primeira Lei da Termodinâmica ............................ 23
3.2.1. Turbinas .................................................................................................... 23
3.2.2. Bombas e Compressores ........................................................................... 24
3.2.3. Caldeiras Convencionais .......................................................................... 24
3.3. Índice de Desempenho Baseados na Primeira Lei da Termodinâmica ............ 25
4. Ferramenta para Simulação da Usina Sucroalcooleira: Simula_Usina .................. 27
4.1. Janela “Simulação” .......................................................................................... 28
4.2. Janela “Gráficos” ............................................................................................. 33
5. Estudo de Caso ....................................................................................................... 37
5.1. Introdução ........................................................................................................ 37
5.2. Detalhamento da Configuração da Usina ........................................................ 37
5.3. Simulação da Operação da Usina .................................................................... 41
5.3.1. Simulação do Ciclo Ideal .......................................................................... 41
viii
5.3.2. Simulação do Ciclo Real .......................................................................... 44
5.4. Análise Gráfica da Operação da Usina ............................................................ 46
5.4.1. Pressão na Caldeira ................................................................................... 48
5.4.2. Pressão na Entrada do Condensador ......................................................... 51
5.4.3. Pressão de Extração da Turbina de Extração-Condensação ..................... 53
5.4.4. Vazão na Turbina de Extração-Condensação ........................................... 56
5.4.5. Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação ................ 60
6. Conclusões .............................................................................................................. 65
7. Bibliografia ............................................................................................................. 67
8. Apêndice A – Ferramenta Simula_Usina ............................................................... 68
ix
Índice de Figuras
Figura 1 – Ciclos topping (a) e bottoming (b)............................................................ 17
Figura 2 – Sistema de Cogeração com Turbinas de Contrapressão............................ 18
Figura 3 – Sistema de Cogeração com Turbinas de Extração-Condensação.............. 19
Figura 4 – Janela “Simulação”................................................................................... 28
Figura 5 – Representação Esquemática da Planta Modelo......................................... 29
Figura 6 – Painel “Dados de Entrada da Operação da Usina”................................... 30
Figura 7 – Mensagem de Erro.................................................................................... 30
Figura 8 – Painel “Demanda dos Equipamentos Elétricos”....................................... 31
Figura 9 – Painel “Eficiência dos Equipamentos”...................................................... 31
Figura 10 – Painel “Resultados da Simulação da Usina”........................................... 32
Figura 11 – Painel “Análise das Condições de Operação da Usina”.......................... 32
Figura 12 – Janela “Gráficos”..................................................................................... 33
Figura 13 – Painel “Variável do Eixo Horizontal”..................................................... 34
Figura 14 – Painel “Variável do Eixo Vertical”......................................................... 35
Figura 15 – Exemplo de Gráfico Plotado................................................................... 35
Figura 16 – Planta de uma Usina Sucroalcooleira do Oeste Paulista......................... 38
Figura 17 – Simulação de Operação da Usina Considerando Ciclo Ideal.................. 42
Figura 18 – Simulação de Operação da Usina Considerando as Eficiências dos
Equipamentos.............................................................................................................
45
Figura 19 – Parâmetros de Operação da Usina Utilizados nas Análises Gráficas..... 47
Figura 20 – Gráfico da Pressão na Caldeira vs. Rendimento Global da
Planta..........................................................................................................................
48
Figura 21 – Gráfico da Pressão na Caldeira vs. Potência Elétrica
Gerada.........................................................................................................................
49
Figura 22 – Simulação de Operação da Usina com Redução na Pressão de Saída da
Caldeira.......................................................................................................................
50
Figura 23 – Gráfico da Pressão na Entrada do Condensador vs. Rendimento
Global da Planta..........................................................................................................
52
Figura 24 – Gráfico da Pressão na Entrada do Condensador vs. Potência Elétrica
Gerada.........................................................................................................................
52
x
Figura 25 – Gráfico da Pressão de Extração na Turbina de Extração-Condensação
vs. Rendimento Global da Planta................................................................................
53
Figura 26 – Gráfico da Pressão de Extração na Turbina de Extração-Condensação
vs. Potência Elétrica Gerada.......................................................................................
54
Figura 27 – Simulação de Operação da Usina com Redução na Pressão de
Extração na Turbina de Extração-Condensação.........................................................
55
Figura 28 – Turbina de Extração-Condensação.......................................................... 56
Figura 29 – Gráfico da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs.
Rendimento Global da Planta.....................................................................................
57
Figura 30 – Gráfico da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Potência
Elétrica Gerada..........................................................................................................
58
Figura 31 – Simulação de Operação da Usina com Redução na Vazão da Turbina
de Extração-Condensação...........................................................................................
59
Figura 32 – Gráfico da Vazão de Sangramento na Turbina de Extração-
Condensação vs. Rendimento Global da Planta.........................................................
61
Figura 33 – Gráfico da Vazão de Sangramento na Turbina de Extração-
Condensação vs. Potência Elétrica Gerada.................................................................
62
Figura 34 – Simulação de Operação da Usina com Redução na Vazão de
Sangramento da Turbina de Extração-Condensação..................................................
63
xi
Índice de Tabelas
Tabela 1 – Parâmetros de Operação da Usina............................................................ 40
Tabela 2 – Resultados da Operação da Usina............................................................. 41
Tabela 3 – Resultados da Usina e da Simulação........................................................ 43
Tabela 4 – Erros entre Resultados da Usina e da Simulação...................................... 43
Tabela 5 – Rendimento Global Ideal da Usina e da Simulação.................................. 43
Tabela 6 – Erro entre Rendimento Global Ideal da Usina e da Simulação................ 44
Tabela 7 – Rendimento Global da Usina e da Simulação Considerando as
Eficiências dos Equipamentos....................................................................................
46
Tabela 8 – Erro entre Rendimento Global da Usina e da Simulação Considerando
as Eficiências dos Equipamentos................................................................................
46
Tabela 9 – Análise da Redução da Pressão na Saída da Caldeira vs. Resultados de
Operação da Usina......................................................................................................
51
Tabela 10 – Análise da Redução da Pressão de Extração na Turbina de Extração-
Condensação vs. Resultados de Operação da Usina...................................................
56
Tabela 11 – Análise da Redução da Vazão na Turbina de Extração-Condensação
vs. Resultados de Operação da Usina.........................................................................
60
Tabela 12 – Análise da Redução da Vazão de Sangramento da Turbina de
Extração-Condensação vs. Resultados de Operação da Usina...................................
63
12
1. Introdução
1.1. Desafio Energético Brasileiro
Hoje em dia, o Brasil se depara com um grande e complexo desafio energético
consideravelmente distinto de aqueles enfrentados até o momento. Há uma crescente
demanda de energia elétrica devido ao grande crescimento econômico e
desenvolvimento de redes elétricas de distribuição de energia no país, resultando na
necessidade de aumento constante de geração de energia elétrica.
Apesar de possuirmos em nosso país um sistema hídrico considerado como o de
maior potencial hidrelétrico do mundo, atualmente se faz necessária a diversificação da
matriz energética brasileira, devido a crescente demanda energética e ao impacto
ambiental causado pela construção de hidrelétricas e implantação de rede de
distribuições.
Dentre diversas possibilidades de geração de energia provinda de fontes
alternativas, se destaca a produção de energia elétrica através do uso de resíduos da
cana-de-açúcar, que apresenta como vantagens a geração de energia elétrica na época de
menor pluviosidade e a utilização de tecnologia completamente limpa contribuindo para
a preservação ambiental no país.
A utilização do bagaço proveniente da cana de açúcar pode ser considerada uma
fonte limpa e renovável de energia capaz de complementar a oferta energética nacional
de forma sustentável.
Atualmente, nosso país possui 434 usinas sucroalcooleiras, em que todas podem
ser consideradas autossuficientes em energia devido a produção de vapor por meio da
queima de biomassa proveniente da cana de açúcar em caldeiras. Todavia, somente 20%
destas usinas comercializam seus excedentes de energia elétrica no mercado brasileiro.
13
1.2. Motivação
As usinas sucroalcooleiras surgiram no Brasil na época do Programa Nacional
do Álcool (Proálcool) financiado pelo governo em 1975, operando com equipamentos
de baixa eficiência energética, e com caldeiras de baixa temperatura e pressão
resultando numa produção de energia elétrica muito aquém da geração potencial.
Essa realidade foi modificada com o surgimento do Programa de Incentivo às
Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) no ano de 2002, incentivando o
setor a investir em modernização das usinas e considerar a exportação de energia
elétrica, porém, hoje em dia ainda existem obstáculos responsáveis por frear esta
modernização como o alto custo de investimentos e condições desfavoráveis de
financiamento.
Segundo projeções da União da Indústria de Cana-de-açúcar (UNICA, 2009) se
houvesse uma melhoria nos processos produtivos como aumento da utilização da palha
e bagaço e utilização de caldeiras operando com pressões mais altas, seria possível
complementar a matriz energética brasileira com um volume de energia na ordem de
30.000 MW na safra 2018/2019.
Sendo assim, considerando a grande viabilidade da utilização do bagaço
proveniente da cana de açúcar para geração de uma quantidade significativa de energia
elétrica, grandes esforços em pesquisa de desenvolvimento devem ser direcionados a
este setor, almejando o aumento de eficiência nos processos envolvidos, resultando
assim em um maior aproveitamento energético da biomassa disponível.
1.3. Objetivo
O presente trabalho tem como objetivo simular a operação de uma usina
sucroalcooleira que utiliza a biomassa como combustível para cogeração de energia, e
analisar a influencia da variação dos parâmetros de operação no desempenho de uma
planta existente.
Para a realização desta simulação foi utilizado uma ferramenta criada no
software MATLAB que possibilita a modelagem computacional do funcionamento
14
desta usina sucroalcooleira, assim fornecendo insumos indispensáveis para a análise de
operação da mesma, como potência energética gerada e rendimento da planta de
cogeração.
Adicionalmente, esta ferramenta permite gerar gráficos de parâmetros de
operação da usina, permitindo desta forma uma análise da influencia da variação destes
nos resultados da usina, assim favorecendo a operação em condições de utilização que
proporcionem o máximo rendimento energético.
Esta ferramenta foi utilizada para simular uma usina sucroalcooleira do oeste
paulista, apresentada no estudo de caso realizado por PASSOLONGO (2011).
1.4. Organização do trabalho
Além deste capítulo, para organização da proposta de trabalho, esta é dividida
em outros seis capítulos, conforme explicitado abaixo:
No capítulo dois são apresentados os sistemas de cogeração no setor
sucroalcooleiro, incluindo a caracterização e conceitos que permeiam o
desenvolvimento destes sistemas.
No capitulo três são apresentadas as definições e conceitos termodinâmicos que
fundamentam o desenvolvimento deste trabalho.
No capítulo quatro é apresentada a ferramenta utilizada para a simulação do
ciclo termodinâmico da usina, incluindo também a forma de que esta ferramenta deve
ser utilizada.
No capítulo cinco é realizado o estudo de caso escolhido, incluindo não só a sua
modelagem por meio da ferramenta, bem como as análises necessárias para alcançar o
objetivo proposto.
No capítulo seis são apresentadas conclusões geradas pelas análises e possíveis
sugestões a serem abordadas no futuro em outros trabalhos.
15
Por fim, é apresentada uma lista de referências bibliográficas usadas para a
execução deste trabalho, na qual constam livros clássicos, artigos de periódicos e de
congressos, teses e dissertações, além de websites de empresas e instituições.
16
2. Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro
2.1. Conceitos básicos sobre a Cogeração
O termo “cogeração” é de origem americana e é empregado para designar os
processos de produção combinada de energia térmica e potência, mecânica ou elétrica,
com o uso da energia liberada por uma mesma fonte primária de combustível, qualquer
que seja o ciclo termodinâmico. Normalmente, são usados os ciclos Rankine, que são
aqueles que empregam turbinas a vapor, ou os ciclos Brayton, que utilizam turbinas a
gás (FIOMAR, 2004).
Pelo fato de serem obtidos dois produtos de valores distintos, energia térmica e
potência, utilizando uma mesma fonte de energia, os sistemas de cogeração tornam-se
atrativos por apresentarem eficiências de primeira lei maiores do que aquelas
encontradas quando ambas as formas de energia são produzidas em processos
independentes. Estas eficiências podem ser da ordem de 75 % a 90 % (Walter, 1994).
Um aspecto relevante não considerado na definição, é que como não é viável,
em grande parte dos casos, a compra de energia térmica de outra empresa, estes
sistemas são projetados fundamentalmente para satisfazer a demanda térmica do
consumidor. Além disso, a potência elétrica produzida pode atender parte ou totalidade
da demanda, considerando também a possibilidade de comercialização de excedente
desta energia.
Nos casos de aplicações que têm por objetivo produzir excedente de energia
elétrica para venda, o vapor é fornecido a um turbo gerador de maior eficiência que
rebaixará a pressão do vapor a níveis desejados e produzirá energia elétrica. Após a
passagem por esse turbo gerador o vapor poderá ser direcionado para outras turbinas
responsáveis pelo acionamento mecânico de outros equipamentos.
O processo sequencial de geração de eletricidade e consumo de energia térmica
útil admite duas possibilidades de acordo com a ordem de produção das formas de
energia. O ciclo topping é o mais frequentemente encontrado na prática, especialmente
no setor sucroalcooleiro. Neste ciclo, o vapor é utilizado para produzir primeiramente
potência elétrica, sendo que a energia térmica resultante é recuperada e depois utilizada
no processo produtivo. Nos chamados ciclos bottoming, a energia térmica residual
17
associada aos processos industriais que precisam de alta temperatura é empregada para a
produção de energia elétrica, situação esta mais comum em indústrias químicas
(SÁNCHEZ PRIETO, 2003). Na Figura 1 podemos observar os ciclos topping e
bottoming mencionados acima:
Figura 1 – Ciclos topping (a) e bottoming (b)
FONTE: PASSOLONGO, 2011
2.2. Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro
A cogeração tem uma grande aceitação no setor sucroalcooleiro
fundamentalmente em razão da sua adequação, pois o combustível empregado é um
rejeito do processo de fabricação e os produtos do sistema, potência mecânica ou
elétrica e vapor, são utilizados no próprio processo (Sánchez Prieto & Nebra, 2001).
Nas usinas de açúcar e álcool, o vapor direto é usado em turbinas que geram
potência mecânica. Essa potência pode ser usada diretamente no acionamento de
equipamentos como moendas, bombas, desfibradores, picadores, entre outros, ou
transformada em potência elétrica nos geradores elétricos, que por sua vez geram a
energia para os acionamentos elétricos. Em ambos os casos, há a liberação do vapor de
baixa pressão, normalmente em torno de 2,45 bar abs., que é utilizado no processo, nas
18
operações de aquecimento, evaporação, destilação e cozimento. Desta forma, podemos
considerar as usinas deste setor como empreendimentos de cogeração.
No setor sucroalcooleiro o sistema de cogeração aparece vinculado a três
configurações fundamentais de turbinas a vapor:
Turbinas de contrapressão;
Turbinas de extração-condensação;
Combinação de turbinas de contrapressão com outras de condensação que
empregam o fluxo excedente.
Nas turbinas de contrapressão o vapor de escape é descarregado com pressão
superior à atmosférica, sendo enviado diretamente para o processo industrial. Já nas
turbinas de extração-condensação, há um sangramento de vapor em estágio
intermediário, responsável por garantir as necessidades de energia térmica do sistema,
sendo o restante do vapor de escape descarregado à pressão inferior à atmosférica e
enviado a um condensador.
Na Figura 2 podemos notar um esquema de processo trabalhando em regime de
cogeração que emprega turbinas de contrapressão:
Figura 2 – Sistema de Cogeração com Turbinas de Contrapressão
FONTE: PASSOLONGO, 2011
19
Quando o objetivo principal visa adequar a instalação para produção e venda de
energia excedente, o uso de turbinas de extração-condensação é mais viável. Além de
altos índices de desempenho, tais máquinas de condensação com extração regulada se
justificam também pela sua capacidade de satisfazer a relação energia térmica e elétrica
que pode variar em uma ampla faixa.
Na Figura 3 podemos observar um esquema de processo de sistema de
cogeração trabalhando com turbinas de extração-condensação:
Figura 3 – Sistema de Cogeração com Turbinas de Extração-Condensação
FONTE: PASSOLONGO, 2011
Assim, um sistema de cogeração fica constituído por uma combinação de
equipamentos convencionais dentro da engenharia energética (caldeiras, turbinas,
trocadores de calor e outros) que, integrados funcionalmente numa determinada planta,
procuram obter o maior aproveitamento da fonte primária de energia que, no caso das
usinas do setor sucroalcooleiro, é uma fonte renovável de energia (bagaço de cana). À
medida que o bagaço é consumido, mais cana pode ser plantada para suprir o consumo,
ao contrário do carvão, do petróleo ou do gás, que uma vez consumidos, se perdem para
sempre.
20
3. Definições e Conceitos Envolvidos
3.1. Conceitos Termodinâmicos
Neste trabalho, é feita uma análise termodinâmica de planta através de um
software desenvolvido em Matlab. A análise utiliza o princípio da conservação da
massa e da energia (Primeira lei da termodinâmica), e o balanço de entropia (Segunda
Lei da Termodinâmica). Para esta análise considera-se um volume de controle em cada
um dos equipamentos que compõem a planta.
Uma hipótese a ser considerada neste trabalho é que todos os processos ocorrem
em regime permanente. Portanto, na análise não serão considerados os processos
transitórios, como entrada em operação, parada ou qualquer variação no tempo. Isso
equivale a dizer que o estado da substância, em cada ponto de volume de controle, não
varia com o tempo, e que o fluxo de massa e o estado dessa massa em cada área discreta
de escoamento na superfície de controle não variam com o tempo.
Além destes conceitos, iremos considerar todos os processos como reversíveis.
Um processo reversível, para um sistema, é definido como aquele que, tendo ocorrido,
pode ser invertido e depois de realizada esta inversão, não se notará algum vestígio no
sistema e nas vizinhanças. Existem fatores que tornam um processo irreversível como
atrito, expansão não resistida, transferência de calor com diferença finita de
temperatura, mistura de duas substâncias, entre outros, que não serão considerados nesta
análise.
3.1.1. Balanço de Massa
Primeiramente, iremos considerar a lei da conservação da massa relacionada ao
volume de controle. Essa conservação inclui somente a análise da vazão mássica que
está entrando e saindo do volume de controle e desconsidera a variação de massa no
interior do mesmo, pois se trata de operação em regime permanente. A Eq. (3.1)
representa o balanço de massa em um volume de controle, também conhecida como a
equação da continuidade:
21
∑ ∑ (3.1)
Considerando o processo em regime permanente, e que o estado da massa em
cada ponto do volume de controle não varia com o tempo, a Eq. (3.1) pode ser escrita
como segue:
∑ ∑ (3.2)
Em que:
= vazão mássica que entra no volume de controle (kg/s);
= vazão mássica que sai do volume de controle (kg/s).
3.1.2. Balanço de Energia
A equação da conservação da energia, conhecida como Primeira Lei da
Termodinâmica, em sua forma completa, considerando inclusive as variações no tempo,
é representada pela Eq. (3.3) como segue:
∑ (
) ∑ (
) (3.3)
Em que:
= aceleração gravitacional (m/s2);
= entalpia específica na entrada do volume de controle (kJ/kg);
= entalpia específica na saída do volume de controle (kJ/kg);
= potência térmica no volume de controle (kW);
= velocidade da vazão mássica na entrada do volume de controle (m/s);
= velocidade da vazão mássica na saída do volume de controle(m/s);
= taxa de transferência de trabalho no volume de controle (kW);
= cota da vazão mássica na entrada do volume de controle em relação a uma
linha de referência (m);
22
= cota da vazão mássica na saída do volume de controle em relação a uma
linha de referência (m).
Além da hipótese de regime permanente, serão adotadas as hipóteses de que as
variações das energias cinética e potencial são muito pequenas, podendo ser
desprezadas. Assim, a Eq. (3.3) pode ser reescrita como segue:
∑ ∑ (3.4)
3.1.3. Balanço de Entropia
Na análise da primeira lei foi definida uma propriedade, a energia interna, que
levou à entalpia e que possibilitou usar quantitativamente a primeira lei em processos.
Analogamente, na segunda lei da termodinâmica, é definida outra propriedade, a
entropia, que também possibilita a aplicação quantitativa da segunda lei em processos.
Energia e entropia são conceitos abstratos que foram idealizados para auxiliar na
descrição de determinadas observações experimentais (Van Wylen, 1995).
Na sua forma completa, a segunda lei da termodinâmica para um volume de
controle é dada por:
∑
∑ ∑ (3.5)
Considerando o processo em regime permanente, o primeiro termo da Eq. (3.5) é
igual a zero, assim, a segunda lei da termodinâmica pode ser escrita como segue:
∑
∑ ∑ (3.6)
Em que:
= entropia específica na entrada do volume de controle (kJ/kgK);
23
= entropia específica na saída do volume de controle (kJ/kgK);
= temperatura superficial do volume de controle (K);
= geração de entropia no volume de controle (kW/K).
Para um processo adiabático em regime permanente tem-se que , logo a
geração de entropia no volume de controle é positiva. A condição ocorrerá para
um processo adiabático e reversível.
3.2. Eficiências Térmicas pela Primeira Lei da Termodinâmica
3.2.1. Turbinas
A eficiência termodinâmica baseada na primeira lei para dispositivos que
produzem potência relaciona o trabalho realizado no volume de controle com o trabalho
produzido em um processo hipotético isentrópico desde o mesmo estado de entrada até
a mesma pressão de saída. Um processo pode ser chamado de isentrópico se a entropia
for constante durante o processo, ou seja, se o processo é adiabático e reversível. Nas
turbinas reais o trabalho é calculado com base no trabalho realizado nas turbinas ideais,
multiplicando-se pela eficiência da turbina.
A equação abaixo representa a eficiência com base na primeira lei para turbinas:
(3.7)
Em que:
potência desenvolvida no volume de controle (kW);
vazão mássica no volume de controle (kg/s);
diferença entre as entalpias de entrada e saída no volume de controle
para processo isentrópico (kJ/kg).
24
3.2.2. Bombas e Compressores
Para o caso de bombas e compressores, a eficiência pela primeira lei é definida
de maneira inversa, conforme explicitado abaixo:
(3.8)
Em que:
potência desenvolvida no volume de controle (kW);
vazão mássica no volume de controle (kg/s);
diferença entre as entalpias de entrada e saída no volume de controle
para processo isentrópico (kJ/kg).
3.2.3. Caldeiras Convencionais
O cálculo da eficiência pela primeira lei de caldeiras convencionais relaciona a
potência térmica gerada na caldeira proveniente da queima do bagaço e a potência
térmica entregue ao ciclo termodinâmico, no caso à água que será vaporizada na
caldeira. A equação abaixo representa a eficiência com base na primeira lei para
caldeiras:
(3.9)
Em que:
potência térmica entregue ao ciclo termodinâmico (kW);
potência térmica gerada na caldeira (kW);
Considerando que a vazão de água de alimentação e de vapor de saída seja a
mesma, podemos substituir a potência térmica entregue ao ciclo termodinâmico pela
diferença entre as entalpias do fluido na entrada e saída do volume de controle
multiplicado pela vazão de vapor na saída da caldeira. Além disso, podemos substituir a
potência gerada na caldeira através da queima do bagaço pela vazão de bagaço
25
consumido na caldeira multiplicado pelo seu poder calorifico inferior. Desta forma, a
equação 3.9 indicada acima, pode ser calculada conforme abaixo:
(3.10)
Em que:
entalpia específica do vapor superaquecido na saída da caldeira
(kJ/kg);
entalpia específica da água na entrada da caldeira (kJ/kg);
vazão mássica de vapor superaquecido na saída da caldeira (kg/s);
vazão mássica de bagaço consumido na caldeira (kg/s);
poder calorífico inferior do bagaço.
3.3. Índice de Desempenho Baseados na Primeira Lei da Termodinâmica
A avaliação do desempenho de uma planta de cogeração baseado é um
procedimento que implica na comparação de produtos de diferentes propriedades
termodinâmicas, tais como calor e potência.
Para uma avaliação geral da planta, deve-se considerar toda a potência gerada,
seja elétrica ou mecânica, toda energia térmica útil e perdida, e a energia da fonte
quente da planta que é proveniente do bagaço. Assim, a equação abaixo proposta por
ROCHA (2010), é conhecida como rendimento global do sistema:
(3.11)
Em que:
potência elétrica produzida (kW);
26
potência mecânica produzida (kW);
fluxo de calor útil para processo (kW);
potência demanda pelas bombas (kW);
fluxo de calor no condensador (kW);
vazão mássica de bagaço consumido na caldeira (kg/s);
poder calorífico inferior do bagaço.
Ao substituir na equação 3.11 a eficiência com base na primeira lei para
caldeiras, definida pelas equações 3.9 e 3.10 acima, o rendimento global do sistema
pode ser definido conforme abaixo:
⁄ (3.12)
Em que:
fluxo de calor na caldeira (kW);
eficiência com base na primeira lei para caldeiras;
27
4. Ferramenta para Simulação da Usina Sucroalcooleira: Simula_Usina
Com o objetivo de simular a operação de uma usina sucroalcooleira, foi
desenvolvida uma ferramenta na plataforma MATLAB, chamada de Simula_Usina.
A fim de obter os valores das propriedades termodinâmicas necessárias para a
simulação da usina, foi utilizada a função “XSteam”, elaborada por Magnus Holmgren,
capaz de calcular com precisão as propriedades da água e do vapor em diversos estados
termodinâmicos com base nas tabelas do “International Association for Properties of
Water and Steam Industrial Formulation 1997” (IAPWS IF-97).
Adicionalmente, foi utilizada a extensão GUIDE capaz de fornecer ferramentas
para desenvolver uma interface com o usuário, com o objetivo de facilitar a análise do
funcionamento da usina de cana de açúcar. Esta interface foi dividida em duas janelas
conforme abaixo:
Janela “Simulação”: Configuração da operação da usina através da entrada e
parâmetros termodinâmicos
Janela “Gráficos”: Elaboração de gráficos capazes de fornecer insumos para o
usuário analisar e otimizar a operação da usina, como por exemplo:
Pressão na Entrada do Condensador vs. Potência Elétrica Gerada
Pressão de Extração na Turbina de Extração-Condensação vs.
Rendimento Global da Planta
Vazão de Sangramento na Turbina de Extração-Condensação vs.
Potência Elétrica Gerada
Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Rendimento Global da
Planta
Em seguida, as janelas que compõem a interface serão detalhadas, a fim de
apresentar seus recursos, bem como a sua forma de utilização pelo usuário.
28
4.1. Janela “Simulação”
Nesta janela, o usuário é capaz de realizar a configuração dos parâmetros de
operação da usina que se deseja simular. Foi utilizada como base para a elaboração
desta janela, uma usina sucroalcooleira do oeste paulista, que será detalhada no capítulo
cinco. Esta configuração foi escolhida por ser uma configuração típica de usinas
sucroalcooleiras.
Apesar de seu layout complexo, é possível simular configurações de usinas mais
simples ao modificar as vazões de vapor nos equipamentos desta. A Figura 4, mostrada
abaixo, apresenta esta janela.
Figura 4 – Janela “Simulação”
FONTE: Autor
29
A Figura 5, mostrada abaixo, apresenta a representação esquemática da usina
sucroalcooleira. Esta representação tem o objetivo de auxiliar o usuário do software a
configurar os parâmetros de operação da planta, já que apresenta um fluxograma
contendo todos os equipamentos envolvidos no funcionamento da usina e o caminho
percorrido pelo fluido de trabalho através destes equipamentos.
Figura 5 – Representação Esquemática da Planta Modelo
FONTE: Autor
No painel “Dados de Entrada da Operação da Usina”, mostrado na Figura 6,
podemos definir os dados de entrada da operação da usina através da escolha de valores
para a temperatura em ºC, pressão em bar e vazão em t/h de pontos da representação
esquemática da planta modelo, indicados entre parênteses e descritos em seguida.
30
Figura 6 – Painel “Dados de Entrada da Operação da Usina”
FONTE: Autor
Adicionalmente, com o objetivo de evitar possíveis erros ao definir os dados de
entrada, caso o usuário escolha um valor de vazão que resultaria em um valor negativo
de vazão para qualquer um dos pontos da representação esquemática do ciclo, surge
uma mensagem de erro informando ao usuário qual seria o valor máximo ou mínimo de
vazão que poderia ser escolhido.
Em seguida, o valor previamente escolhido pelo usuário é apagado
automaticamente, impedindo que ele dê seguimento à simulação sem que a escolha de
um valor possível para este campo tenha sido feita. Este recurso é exibido na Figura 7
apresentada abaixo.
Figura 7 – Mensagem de Erro
FONTE: Autor
31
Na Figura 8, mostrada abaixo, também podemos configurar a demanda elétrica
em kW dos equipamentos de acionamento mecânico da usina, como moendas.
Figura 8 – Painel “Demanda dos Equipamentos Elétricos”
FONTE: Autor
Neste software, também somos capazes de configurar as eficiências de todos os
equipamentos da planta, tais como bombas, turbinas, caldeiras e geradores, a fim de
possibilitar uma simulação condizente com a realidade de funcionamento desta usina,
mas também possibilitando uma análise sem considerar irreversibilidades para os
equipamentos, ao configurar estes parâmetros como 100%. Esta configuração é
realizada no painel “Eficiência dos Equipamentos” mostrado na Figura 9 abaixo.
Figura 9 – Painel “Eficiência dos Equipamentos”
FONTE: Autor
Após definir todos os parâmetros da operação e eficiência dos equipamentos da
planta sucroalcooleira, o usuário pode clicar no botão “Realizar Simulação” e será
iniciada a simulação da operação da usina.
Assim que o comando de inicio da simulação é acionado, o software realiza um
cálculo da vazão em cada um dos pontos da representação esquemática da planta.
Após definir os dados de entrada necessários para simulação do ciclo
termodinâmico da operação da usina, este software realiza o cálculo das propriedades
do fluido de trabalho em cada ponto da representação esquemática da planta, utilizando
a função “XSteam” e os conceitos definidos no capítulo três.
32
Em seguida, utilizando os conceitos definidos no capítulo três, este software
realiza não só o cálculo da potência gerada nas turbinas e consumida pelas bombas, bem
como a troca de calor da caldeira e em outros equipamentos tais como condensador e
equipamentos de processo, considerando as eficiências de cada equipamento definidas
pelo usuário ao preencher o painel “Eficiência dos Equipamentos”.
Posteriormente, as propriedades do fluido de trabalho em cada ponto da
representação esquemática da planta são recalculadas considerando as eficiências de
cada equipamento. Por fim, o rendimento global da planta é calculado conforme
definido no capítulo três e os resultados são apresentados na parte inferior da janela
“Simulação”, como exibido na Figura 10 abaixo.
Figura 10 – Painel “Resultados da Simulação da Usina”
FONTE: Autor
Após realizar a simulação da operação da usina, é possível acessar o Painel
“Análise das Condições de Operação”, apresentado abaixo na Figura 11, em que ao
selecionar um ponto da representação esquemática da usina, e a propriedade
termodinâmica de interesse, é exibido o valor desta propriedade para este ponto,
calculado anteriormente ao realizar a simulação do ciclo.
Figura 11 – Painel “Análise das Condições de Operação da Usina”
FONTE: Autor
Podem ser selecionadas como propriedades a vazão, pressão, temperatura,
entalpia, entropia e título de cada um dos pontos da representação esquemática do ciclo,
33
possibilitando assim uma análise de cada um destes pontos, caso seja da necessidade do
usuário.
Ao encerrar a etapa de simulação, o usuário pode clicar no botão “Analisar
Gráficos”, em que será realizada uma análise da operação desta usina por meio de
gráficos.
4.2. Janela “Gráficos”
Nesta janela, o usuário é capaz de elaborar gráficos que podem servir de
insumos para uma análise visando a otimização da operação da usina. Posteriormente,
será apresentada no capítulo cinco uma análise gráfica da operação da usina
sucroalcooleira do oeste paulista, utilizando os recursos fornecidos por esta janela. A
Figura 12, exibida a seguir, apresenta esta janela.
Figura 12 – Janela “Gráficos”
FONTE: Autor
34
Utilizando os dados obtidos a partir da simulação da operação da usina realizada
na janela “Simulação”, o usuário é capaz de selecionar as variáveis que ele deseja
plotar, tanto no eixo horizontal, quanto no eixo vertical, e desta forma obter o gráfico
necessário para realizar futuras análises.
Na Figura 13, apresentamos o Painel “Variável do Eixo Horizontal”, em que a
variável que será plotada no eixo horizontal, bem como parâmetros necessários para
plotar o gráfico são definidas pelo usuário.
Figura 13 – Painel “Variável do Eixo Horizontal”
FONTE: Autor
No campo “Variável”, o usuário pode selecionar uma propriedade
termodinâmica a ser plotada no eixo horizontal conforme abaixo:
m2 (t/h) = Vazão da Turbina de Extração-Condensação
m3 (t/h) = Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação
P1 (bar) = Pressão na Saída da Caldeira
P3 (bar) = Pressão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação
P4 (bar) = Pressão na Entrada do Condensador
Além de selecionar a propriedade a ser plotada, o usuário deve definir o valor
mínimo e o valor máximo nos campos indicados do Painel “Variável do Eixo
Horizontal”, com a finalidade de definir o menor e o maior valor desta propriedade a
serem exibidos no gráfico. Por fim, é necessário escolher o intervalo em unidades que
ele deseja plotar, a fim de definir a quantidade de pontos a serem plotados.
35
Na Figura 14, é apresentado o Painel “Variável do Eixo Vertical”, em que a
variável a ser plotada no eixo vertical é definida pelo usuário. No campo “Variável”
deste painel, o usuário pode escolher plotar o Rendimento Global ou a Potência Total,
com o objetivo de que a análise tenha por fim aumentar a eficiência da operação da
planta ou aumentar a energia gerada.
Figura 14 – Painel “Variável do Eixo Vertical”
FONTE: Autor
Após definir os parâmetros para as duas variáveis, o usuário deve clicar no botão
“Plotar Gráfico” e automaticamente o gráfico será plotado no painel localizado a
direita desta janela, possibilitando uma análise mais profunda das condições de
operação da usina. Na Figura 15 abaixo é apresentado um exemplo de gráfico plotado
para ilustrar o uso desta janela.
Figura 15 – Exemplo de Gráfico Plotado
FONTE: Autor
36
Posteriormente a análise gráfica realizada, o usuário poderá voltar a janela
“Simulação” ao clicar no botão “Modificar Dados”, desta forma possibilitando
modificar os parâmetros de operação anteriormente definidos, com o objetivo de tornar
efetiva a análise gráfica realizada.
No capítulo cinco a seguir, será realizado um estudo de caso de uma usina
sucroalcooleira do oeste paulista utilizando os recursos disponíveis no software
apresentado.
37
5. Estudo de Caso
5.1. Introdução
Partindo de uma planta básica convencional de uma usina sucroalcooleira do
oeste paulista, apresentada no estudo de caso realizado por PASSOLONGO (2011), será
feito neste capítulo o detalhamento da configuração da planta estudada, bem como
análises gráficas de sua operação.
Primeiramente será realizada uma simulação da operação desta usina utilizando
a ferramenta descrita no capítulo quatro. Esta usina utiliza equipamentos modernos e
eficientes, incluindo uma caldeira capaz de produzir vapor a altos níveis e pressão e
temperatura e uma turbina de extração-condensação de múltiplos estágios. Também
estão presentes acionamentos como moendas, exaustores, ventiladores, que são
eletrificados.
Em seguida, iremos utilizar o recurso de análises gráficas da ferramenta descrita
anteriormente com o objetivo de obter conhecimento da situação atual de operação desta
usina, e propor possíveis melhorias nos parâmetros de operação que visem aumentar o
rendimento global desta planta e obter ganho de potência total gerada.
5.2. Detalhamento da Configuração da Usina
A configuração da planta de uma usina sucroalcooleira do oeste paulista a ser
estudada pode ser encontrada na Figura 16 abaixo.
38
Figura 16 – Planta de uma Usina Sucroalcooleira do Oeste Paulista
FONTE: PASSOLONGO, 2011
39
A planta utiliza equipamentos modernos e eficientes, incluindo caldeira que
produz 160 t/h de vapor a 68,6 bar e 530 °C, sendo que 125 t/h deste vapor é consumido
por uma turbina extração-condensação acoplada a um gerador de 32 MW. É feita uma
extração de 97 t/h de vapor a uma pressão de 2,45 bar para o processo de evaporação do
caldo, e o restante do vapor continua a expandir até a pressão de 0,07 bar, sendo então
condensado (PASSOLONGO, 2011).
O restante do vapor (35 t/h) é direcionado a uma turbina de contrapressão, a qual
está acoplada a um gerador de 12 MW. O vapor é descarregado a uma pressão de 2,45
bar, também destinado a atender a demanda de vapor do processo industrial
(PASSOLONGO, 2011).
Podemos destacar ainda que o processo industrial desta planta atualmente
consome 130 t/h de vapor (cerca de 450 kg de vapor por tonelada de cana moída), a uma
temperatura de 135 °C. Como a temperatura do vapor de escape é próxima de 160 °C é
necessária a utilização de um dessuperaquecedor, cuja finalidade é reduzir a temperatura
do vapor até um ponto próximo à saturação, através da injeção de uma determinada
quantidade de água líquida a 38 °C no vapor. (PASSOLONGO, 2011).
Na Tabela 1 abaixo podemos encontrar os parâmetros característicos de
operação desta planta, como vazão, pressão, temperatura, entalpia e entropia.
40
Tabela 1 – Parâmetros de Operação da Usina
FONTE: PASSOLONGO, 2011
Ponto m (t/h) P (bar) T (ºC) h (kJ/kg) s (kJ/kgK)
1 160,0 68,60 530,0 3845,1 6,902
2 125,0 68,60 530,0 3845,1 6,902
3 97,1 2,45 159,7 2786,0 7,228
4 27,9 0,07 39,0 2320,9 7,471
5 27,9 0,07 38,0 159,2 0,546
6 35,0 68,60 530,0 3485,1 6,902
7 35,0 2,45 159,7 2786,0 7,228
8 30,3 2,45 159,7 2786,0 7,228
9 127,4 2,45 159,7 2786,0 7,228
10 130,0 2,45 135,0 2733,6 7,104
11 130,0 2,45 124,7 524,0 1,579
12 27,9 2,45 38,0 159,5 0,546
13 2,6 2,45 38,0 159,5 0,546
14 25,3 2,45 38,0 159,5 0,546
15 155,3 2,45 110,7 464,6 1,427
16 4,7 2,45 159,7 2786,0 7,228
17 160,0 2,45 126,8 532,5 1,600
18 160,0 78,60 128,1 543,4 1,607
Na Tabela 2 abaixo são apresentadas a potência eletromecânica, a potência
térmica, as irreversibilidades geradas e a eficiência pela primeira lei da termodinâmica
para cada equipamento da planta analisada.
41
Tabela 2 – Resultados da Operação da Usina
FONTE: PASSOLONGO, 2011
Equipamento W (kW) Q (kW) I (kW) η (%)
Caldeira - 167.613,30 36.870,08 78,00
Turbina Extração-Condensação 27.147,52 - 3.594,03 85,80
Turbina de Contrapressão 6.527,54 - 944,91 84,00
Bomba da Caldeira 502,16 - 89,66 75,00
Bomba do Condensador 2,39 - 0,45 75,00
Processo - 79.791,30 40.347,66 -
Condensador - 16.372,90 1.477,41 -
Além disso, esta usina apresenta um rendimento global de 61,4% e é capaz de
produzir 33,2 MW de potência elétrica (PASSOLONGO, 2011).
5.3. Simulação da Operação da Usina
A fim de realizar a simulação da operação da usina sucroalcooleira do oeste
paulista, introduzimos os dados apresentados na Tabela 1 acima na ferramenta descrita
no capítulo quatro e analisamos os seus resultados.
5.3.1. Simulação do Ciclo Ideal
Primeiramente, com o objetivo de avaliar a confiabilidade da simulação
realizada, iremos considerar que não existem irreversibilidades nos equipamentos, desta
forma simularemos a operação do ciclo utilizando todas as eficiências com valor de cem
por cento. Na Figura 17 apresentada abaixo, podemos notar os dados de entrada de
operação da usina, bem como a eficiência dos equipamentos e os resultados obtidos.
42
Figura 17 – Simulação de Operação da Usina Considerando Ciclo Ideal
FONTE: Autor
Desta forma, nas Tabelas 3 e 4 apresentadas abaixo, podemos observar uma
análise comparativa entre os resultados de operação da usina sem considerar as
irreversibilidades e os resultados obtidos através da simulação desta operação
considerando as eficiências dos equipamentos iguais a cem por cento.
43
Tabela 3 – Resultados da Usina e da Simulação
FONTE: Autor
Resultados Usina (kW) Simulação (kW)
Demanda Energética das Bombas 414,44 362,59
Potência Elétrica Gerada 38.214,00 40.568,00
Demanda Térmica do Processo 79.791,30 74.950,80
Potência Térmica Gerada na Caldeira 130.743,22 130.875,00
Tabela 4 – Erros entre Resultados da Usina e da Simulação
FONTE: Autor
Resultados Erro (kW) %
Demanda Energética das Bombas 51,85 12,5109
Potência Elétrica Gerada - 2.354,00 - 6,1600
Demanda Térmica do Processo 4.840,50 6,0665
Potência Térmica Gerada na Caldeira - 131,78 - 0,1008
Adicionalmente, as Tabelas 5 e 6 apresentadas abaixo, nos fornece uma análise
comparativa entre o rendimento global da usina sem considerar as irreversibilidades e o
obtido através da simulação da operação da usina, calculados através da fórmula
apresentada no capítulo três.
Tabela 5 – Rendimento Global Ideal da Usina e da Simulação
FONTE: Autor
Resultados Usina (%) Simulação (%)
Rendimento Global da Planta 76,28 76,54
44
Tabela 6 – Erro entre Rendimento Global Ideal da Usina e da Simulação
FONTE: Autor
Resultados Erro (%) %
Rendimento Global da Planta - 0,26 - 0,34
Desta forma, podemos observar que os parâmetros apresentam erro relativo
médio de 6,2%, sendo que, a demanda energética das bombas, considerado o parâmetro
que apresenta maior erro relativo, nos fornece um erro absoluto de 51 kW que pode ser
tomado como desprezível se comparado com a potência elétrica gerada pela planta desta
usina.
Além disso, o rendimento global da planta apresentou um erro relativo médio de
0,34%, confirmando assim a simulação através da ferramenta como efetiva e
completamente capaz de ser utilizada para analisar a operação desta usina. Assim sendo,
estávamos aptos a realizar uma simulação considerando as eficiências dos equipamentos
informadas por PASSOLONGO, 2011.
5.3.2. Simulação do Ciclo Real
Após confirmar a confiabilidade da simulação realizada, as eficiências dos
equipamentos informadas foram inseridas no respectivo painel da ferramenta de
simulação, como podemos notar na Figura 18 apresentada abaixo.
45
Figura 18 – Simulação de Operação da Usina Considerando as Eficiências dos
Equipamentos
FONTE: Autor
Nas Tabelas 7 e 8, apresentadas abaixo, podemos observar uma análise
comparativa entre o rendimento global da usina e o rendimento global da usina
simulada, e novamente concluir de que apesar de um erro absoluto de 3,72% e um erro
relativo de 6%, esta ferramenta é apropriada para a simulação de operação desta usina.
46
Tabela 7 – Rendimento Global da Usina e da Simulação Considerando as Eficiências
dos Equipamentos
FONTE: Autor
Resultados Real (%) Simulação (%)
Rendimento Global da Usina 61,40 57,68
Tabela 8 – Erro entre Rendimento Global da Usina e da Simulação Considerando as
Eficiências dos Equipamentos
FONTE: Autor
Resultados Erro (%) %
Rendimento Global da Usina 3,72 6,06
5.4. Análise Gráfica da Operação da Usina
Após realizar a simulação de operação da usina sucroalcooleira, realizamos uma
análise gráfica da operação desta usina, utilizando a ferramenta desenvolvida já
apresentada no capítulo quatro.
Ao realizar esta análise, buscamos primeiramente como objetivo um aumento do
rendimento global da planta, considerando que, como evidenciado no capítulo três, este
rendimento está diretamente ligado com a demanda térmica do processo. Em períodos
de safra da cana de açúcar, a demanda térmica do processo aumenta, sendo esta a
justificativa para buscarmos um cenário de aumento do rendimento global da planta.
Adicionalmente, em épocas cuja demanda térmica do processo é baixa, em
função da diminuição de produção de açúcar e etanol, temos a possibilidade de
direcionar a operação da usina para a geração de potência elétrica através das turbinas a
vapor, com o objetivo de gerar um excedente de energia útil a ser comercializado.
Sendo assim, temos como segundo objetivo na análise gráfica, aumentar a potência
elétrica gerada na operação da usina em períodos cuja demanda térmica do processo é
baixa.
47
A fim de alcançar estes objetivos expostos acima, modificamos parâmetros
chaves de operação da usina sucroalcooleira e verificamos por meio de gráficos como o
rendimento global da planta e a potência elétrica gerada respondem a estas alterações.
Os gráficos, análises e resultados envolvidos serão apresentados por parâmetro
em seguida. Os parâmetros de operação da usina utilizados anteriormente foram
mantidos conforme exibidos na Figura 19 abaixo, sendo somente alterados os
parâmetros analisados em cada gráfico.
Figura 19 – Parâmetros de Operação da Usina Utilizados nas Análises Gráficas
FONTE: Autor
48
5.4.1. Pressão na Caldeira
Primeiramente, foi realizada uma variação da pressão na caldeira através da
análise gráfica, com o objetivo de analisar o impacto que poderíamos gerar no
rendimento global da planta. Na Figura 20 apresentada abaixo, podemos notar o gráfico
plotado.
Figura 20 – Gráfico da Pressão na Caldeira vs. Rendimento Global da Planta
FONTE: Autor
Ao analisar o gráfico exibido na Figura 20 podemos notar que aumentando a
pressão na caldeira, não temos um aumento expressivo do rendimento global, uma vez
que, ao dobrarmos a pressão na caldeira, o rendimento global da planta sofreu somente
um aumento de 0,57%, variando de 57,67% para aproximadamente 58%.
Posteriormente, realizamos uma análise da variação da pressão na caldeira
versus a potência elétrica total gerada na operação da usina. Podemos notar na Figura
21 abaixo, o gráfico plotado para esta análise.
49
Figura 21 – Gráfico da Pressão na Caldeira vs. Potência Elétrica Gerada
FONTE: Autor
Ao observarmos este gráfico exibido na Figura 21, podemos notar que o
aumento da pressão na caldeira gera um aumento expressivo da potência elétrica total
gerada, já que sofre um aumento de 9,09%, representando a geração de
aproximadamente 3.000 kW de energia.
Analisando os gráficos apresentados nas Figuras 20 e 21, também podemos
observar que ao reduzir a pressão na caldeira, ocasionamos um impacto relativamente
grande na potência total gerada, se comparado com o impacto no rendimento global da
planta. A fim de analisar tal afirmação, voltamos a janela “Simulação” e realizamos
uma simulação da usina modificando somente a pressão na caldeira de 68.6 bar para 20
bar, conforme exibido na Figura 22.
50
Figura 22 – Simulação de Operação da Usina com Redução na Pressão da
Caldeira
FONTE: Autor
Na Tabela 9 apresentada abaixo, podemos notar que enquanto a potência total
gerada sofre uma redução de 22%, a demanda térmica do processo sofre um aumento de
aproximadamente 12%, mantendo o rendimento global praticamente estável, já que este
somente sofre uma redução de 1,4%.
51
Tabela 9 – Análise da Redução da Pressão na Caldeira vs. Resultados de Operação da
Usina
FONTE: Autor
68,6 (bar) 20,0 (bar) Δ (%)
Rendimento Global (%) 57,6% 56,8% -1,4%
Potência Total Gerada (kW) 33.232 25.838 -22,2%
Demanda Térmica do Processo (kW) 78.575 87.625 11,5%
Sendo assim, a partir das análises da variação da pressão na caldeira, podemos
concluir que um aumento nesta pressão resulta em um aumento na potência total gerada.
Além disso, a redução da pressão na caldeira é capaz de gerar um aumento na demanda
térmica do processo, tendo conhecimento de que isto resultaria em uma redução mais
expressiva da potência total gerada na operação da usina, porém mantendo praticamente
estável o rendimento global da planta.
5.4.2. Pressão na Entrada do Condensador
Nesta análise, iremos realizar uma variação da pressão na saída da caldeira com
o objetivo de analisar o impacto que poderíamos gerar no rendimento global da planta e
na potência total gerada na operação da usina. Nas Figuras 23 e 24, apresentadas abaixo,
podemos notar os gráficos analisados para cada parâmetro respectivamente.
52
Figura 23 – Gráfico da Pressão na Entrada do Condensador vs. Rendimento
Global da Planta
FONTE: Autor
Figura 24 – Gráfico da Pressão na Entrada do Condensador vs. Potência Elétrica
Gerada
FONTE: Autor
53
Ao analisar os gráficos obtidos, podemos notar que tanto o rendimento global da
planta, quanto a potência elétrica total gerada na operação da usina, sofrem um aumento
significativo ao reduzirmos a pressão abaixo de 0,1 bar, e também podemos notar que a
curva destes parâmetros se torna mais suave a medida que a pressão na entrada do
condensador é aumentada a partir da pressão de 0,8 bar.
Portanto, podemos concluir que a pressão na entrada do condensador com que a
usina tem sido operada traz resultados satisfatórios tanto para a potência total produzida
quanto para o rendimento global, e que uma redução na pressão da entrada do
condensador provoca um aumento no rendimento global da planta e na potência elétrica
gerada.
5.4.3. Pressão de Extração da Turbina de Extração-Condensação
Em seguida, realizamos uma variação da pressão de extração da turbina de
extração-condensação através da análise gráfica, com o objetivo de analisar o impacto
ocasionado no rendimento global da planta, conforme apresentado na Figura 25 abaixo.
Figura 25 – Gráfico da Pressão de Extração na Turbina de Extração-
Condensação vs. Rendimento Global da Planta
FONTE: Autor
54
Ao analisar o gráfico apresentado na Figura 25 podemos notar que diminuindo a
pressão de extração na turbina de extração-condensação, não temos um aumento
expressivo do rendimento global, uma vez que, ao reduzirmos esta pressão até a metade
de seu valor anterior, o rendimento global da planta sofreu somente um aumento de
1,09%, variando de 57,67% para aproximadamente 58,3%.
Em seguida, realizamos uma análise da variação da pressão de extração da
turbina de extração-condensação versus a potência elétrica total gerada na operação da
usina, conforme apresentado no gráfico exposto na Figura 26 abaixo.
Figura 26 – Gráfico da Pressão de Extração na Turbina de Extração-
Condensação vs. Potência Elétrica Gerada
FONTE: Autor
Ao observarmos o gráfico apresentado na Figura 26, podemos notar que
diminuindo a pressão de extração na turbina de extração-condensação, podemos gerar
um aumento expressivo da potência elétrica total gerada já que ao reduzirmos esta
pressão pela metade de seu valor anterior, a potência total gerada sofre um aumento de
quase 15%, que representa a geração de aproximadamente 5.000 kW de energia a mais
do que era gerado anteriormente.
55
Analisando os gráficos apresentados nas Figuras 25 e 26 acima, também
podemos observar que ao reduzir a pressão de extração, a potência elétrica total gerada
sofreu um aumento mais expressivo se comparado ao aumento sofrido pelo rendimento
global da planta. A fim de analisar em detalhes este comportamento, voltamos a janela
“Simulação” e realizamos uma simulação da usina modificando somente a pressão de
extração na turbina de extração-condensação de 2,45 bar para 1,00 bar, como podemos
observar na Figura 26, apresentada abaixo.
Figura 27 – Simulação de Operação da Usina com Redução na Pressão de Extração na
Turbina de Extração-Condensação
FONTE: Autor
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Na Tabela 10 apresentada abaixo, podemos notar que enquanto a potência total
gerada sofre um aumento de aproximadamente 13%, e o rendimento global sofre um
aumento de 1,0%, a demanda térmica do processo permanece praticamente estável
sofrendo somente um aumento irrisório.
Tabela 10 – Análise da Redução da Pressão de Extração na Turbina de Extração-
Condensação vs. Resultados de Operação da Usina
FONTE: Autor
2,45 (bar) 1,00 (bar) Δ (%)
Rendimento Global (%) 57,6% 58,2% 1,0%
Potência Total Gerada (kW) 33.232 37.636 13,3%
Demanda Térmica do Processo (kW) 78.575 78.695 0,2%
Sendo assim, a partir das análises da variação da pressão de extração da turbina
de extração-condensação, podemos concluir que uma redução desta pressão influi
efetivamente no aumento na potência total gerada, sem resultar em uma redução na
demanda térmica do processo.
5.4.4. Vazão na Turbina de Extração-Condensação
Nesta análise, foi realizada uma variação da vazão de vapor na turbina de
extração-condensação, representada pelo Ponto 2 exibido na Figura 28 abaixo, com o
objetivo de analisar como o rendimento global da planta seria afetado por tais
modificações.
Figura 28 – Turbina de Extração-Condensação
FONTE: Autor
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Figura 29 – Gráfico da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Rendimento
Global da Planta
FONTE: Autor
No gráfico apresentado na Figura 29, podemos notar que ao diminuir a vazão na
turbina de extração-condensação, ocasionamos um grande aumento do rendimento
global, uma vez que, ao reduzirmos esta vazão em 20%, o rendimento global da planta
sofreu um aumento de praticamente 30%, variando de 57,67% para aproximadamente
75%.
Em seguida, realizamos uma análise da variação da vazão na turbina de
extração-condensação versus a potência elétrica total gerada na operação da usina.
Podemos notar, no Figura 30 abaixo, o gráfico plotado para esta análise.
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Figura 30 – Gráfico da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Potência
Elétrica Gerada
FONTE: Autor
Ao analisar o gráfico apresentado na Figura 30, podemos notar que diminuindo a
vazão na turbina de extração-condensação, temos como resultado uma diminuição da
potência elétrica gerada na operação da usina. Quando reduzirmos esta vazão em 20%, a
potência elétrica sofre uma redução de 8%, gerando no total aproximadamente menos
de 3000 kW.
Analisando os gráficos apresentados nas Figuras 29 e 30 acima, podemos
observar que ao diminuir a vazão na turbina de extração-condensação, a potência
elétrica sofreu uma redução, porém o rendimento global da planta teve um aumento
expressivo. A fim de analisar em detalhes este comportamento, voltamos a janela
“Simulação” e realizamos uma simulação da usina modificando a vazão de extração na
turbina de extração-condensação de 125 t/h para 100 t/h, como exibido na Figura 31,
apresentada abaixo.
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Figura 31 – Simulação de Operação da Usina com Redução na Vazão da Turbina de
Extração-Condensação
FONTE: Autor
Na Tabela 11 apresentada abaixo, podemos notar que enquanto a potência total
gerada sofre uma redução de 9%, a demanda térmica do processo sofreu um aumento
de praticamente 22%, fornecendo ao processo aproximadamente mais 17.000 kW de
energia térmica, e desta forma possibilitando um aumento do rendimento global da
planta de aproximadamente 30%.
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Tabela 11 – Análise da Redução da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs.
Resultados de Operação da Usina
FONTE: Autor
125 (t/h) 100 (t/h) Δ (%)
Rendimento Global (%) 57,6% 74,7% 29,6%
Potência Total Gerada (kW) 33.232 30.249 -9,0%
Demanda Térmica do Processo (kW) 78.575 95.483 21,5%
.
O aumento da demanda térmica do processo se deve pelo fato de reduzirmos a
vazão na turbina de extração-condensação, porém mantemos a vazão de sangramento da
turbina, sendo assim a vazão de fluido do segundo estágio desta turbina é praticamente
nula, ocasionando uma redução na potência elétrica gerada.
Assim sendo, esta configuração de operação da usina é considerada útil em
períodos cuja demanda térmica do processo é alta e em contrapartida não há
necessidade de gerar grande quantidade de potência elétrica, como por exemplo, durante
a época de safra da cana de açúcar.
5.4.5. Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação
Por fim, foi realizada uma variação da vazão de vapor sangrado da turbina de
extração-condensação, com o objetivo de analisar como o rendimento global da planta
seria impactado por tais alterações, conforme apresentado na Figura 32 abaixo.
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Figura 32 – Gráfico da Vazão de Sangramento na Turbina de Extração-Condensação vs.
Rendimento Global da Planta
FONTE: Autor
No gráfico apresentado na Figura 32, podemos notar que ao diminuir a vazão na
turbina de extração-condensação, ocasionamos uma redução no rendimento global, uma
vez que, ao reduzirmos esta vazão em 50%, o rendimento global da planta sofreu uma
redução de praticamente 65%, variando de 57,67% para aproximadamente 20%.
Em seguida, realizamos uma análise da variação da vazão de sangramento na
turbina de extração-condensação versus a potência elétrica total gerada na operação da
usina. Podemos observar, na Figura 33 abaixo, o gráfico plotado para esta análise.
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Figura 33 – Gráfico da Vazão de Sangramento na Turbina de Extração-Condensação vs.
Potência Elétrica Gerada
FONTE: Autor
Ao analisar o gráfico apresentado na Figura 33, podemos notar que ao
reduzirmos a vazão de sangramento na turbina de extração-condensação, temos como
resultado um aumente expressivo da potência elétrica gerada na operação da usina,
considerando que ao reduzirmos esta vazão em 50%, esta potência elétrica sofre um
aumento de 18%, gerando no total aproximadamente 7000 kW de excedente de energia
elétrica.
Analisando os gráficos apresentados nas Figuras 32 e 33 acima, podemos
observar que ao reduzir a vazão sangrada na turbina de extração-condensação, a
potência elétrica sofreu um aumento, porém o rendimento global da planta teve uma
forte redução. A fim de analisar em detalhes este comportamento, voltamos a janela
“Simulação” e realizamos uma simulação da usina modificando a vazão de sangramento
na turbina de extração-condensação de 97.1 t/h para 45 t/h, como exibido na Figura 34,
apresentada abaixo.
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Figura 34 – Simulação de Operação da Usina com Redução na Vazão de Sangramento
da Turbina de Extração-Condensação
FONTE: Autor
Na Tabela 12 apresentada abaixo, podemos notar que enquanto a potência total
gerada sofre um aumento de aproximadamente 18%, o rendimento global sofreu uma
grande redução ocasionado pela redução na demanda térmica do processo de
aproximadamente 50%.
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Tabela 12 – Análise da Redução da Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-
Condensação vs. Resultados de Operação da Usina
FONTE: Autor
97,1 (t/h) 45 (t/h) Δ (%)
Rendimento Global (%) 57,6% 20,4% -64,7%
Potência Total Gerada (kW) 33.232 39.242 18,1%
Demanda Térmica do Processo (kW) 78.575 40.980 -47,8%
Esta redução se deve ao fato de a vazão sangrada da turbina de extração-
condensação ser direcionada para a unidade de processo, onde sua energia térmica é
extraída, logo ao diminuir a vazão sangrada desta turbina, a quantidade de energia
térmica gerada é reduzida. Além disso, a quantidade restante de fluido não sangrado é
direcionada ao segundo estágio da turbina de extração-condensação, assim
possibilitando a geração de um excedente de energia elétrica através desta turbina.
Logo, a configuração de parâmetros de operação da usina proposta acima se
torna interessante em períodos que a demanda térmica do processo é baixa e podemos
direcionar a operação da usina para a geração de um excedente de energia elétrica a ser
comercializado.
65
6. Conclusões
Este trabalho propõe a simulação e análise através de gráficos da operação da
uma usina sucroalcooleira, com o fim de adequar o funcionamento desta usina aos
possíveis cenários apresentados e analisar como a variação dos parâmetros influi no
desempenho desta usina.
Para a realização deste estudo, foram apresentados os conceitos básicos de
cogeração de energia no setor, bem como os parâmetros mais importantes para a análise
em usinas sucroalcooleiras e foi escolhido um estudo de caso de uma planta
sucroalcooleira do oeste paulista.
Primeiramente foram apresentados conceitos básicos da cogeração de energia no
setor sucroalcooleiro, bem como conceitos termodinâmicos envolvidos no
desenvolvimento deste trabalho. Além disto, foi desenvolvida, através do software
MATLAB, uma ferramenta capaz de realizar a simulação da operação de uma usina.
Por fim, foi realizado um estudo de caso de uma planta de uma usina sucroalcooleira do
oeste paulista.
Foi desenvolvida uma simulação desta usina, utilizando seus parâmetros de
operação. Posteriormente, os resultados obtidos nesta simulação foram comparados com
os dados reais de operação desta usina, a fim de verificar a confiabilidade da simulação
realizada.
Por fim, foi realizada uma análise gráfica através da variação de parâmetros de
funcionamento desta usina como a pressão na saída da caldeira, a pressão na entrada do
condensador e a pressão intermediária de extração, com o objetivo de observar como a
variação destes parâmetros impacta no desempenho da usina. Além disso, foi realizada
uma análise através da variação da vazão na turbina de extração-condensação, e na
vazão de sangramento desta turbina, visando objetivar aumento da potência elétrica
gerada e do rendimento global da planta.
Como resultados, através da variação da vazão na turbina de extração-
condensação, foi alcançado um aumento de 22% na energia térmica entregue ao
processo, bem como aumento de 18% na potência elétrica gerada, se comparado a
configuração original da usina. Além disso, observamos que uma redução na pressão
66
intermediária de extração, se comparado a configuração original da usina, resultaria em
um aumento de aproximadamente 13% da potência elétrica gerada.
Sendo assim, fomos capazes de verificar como a variação dos parâmetros de
operação desta usina pode influenciar no seu desempenho, bem como a importância na
variação da vazão na turbina de extração-condensação para atender as demandas dos
possíveis cenários em que o setor sucroalcooleiro se encontra ao longo do ano.
Como proposta de continuidade deste trabalho, sugiro uma análise do impacto
financeiro causado por estas modificações, a fim de viabilizar não só tecnicamente, mas
também economicamente a aplicação das modificações propostas.
67
7. Bibliografia
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de Março de 2014.
AGÊNCIA EMPRAPA DE INFORMAÇÃO TECNOLÓGICA. Disponível em: <
http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/>. Acessado em 18 de Maio de 2014
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Acessado em 27 de Abril de 2014
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Econômica da Integração de Sistemas de Gaseificação da Biomassa em uma
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Alcooleira, Estudo de Caso. Tese* de D.Sc, UNICAMP, Campinas, SP, Brasil.
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Termodinâmica Clássica. 6 ed. São Paulo, Editora Edgard Blücher
WALTER, A.C., 1994, Viabilidade e Perspectivas da Cogeração e da Geração
Termelétrica Junto ao Setor Sucro-Alcooleiro. Tese* de D.Sc, UNICAMP,
Campinas,SP, Brasil.
68
8. Apêndice A – Ferramenta Simula_Usina
69
