Conforme já tratado nos capítulos anteriores e levando-se em consideração a escolha do tipo de sistema a ser utilizado para a implantação do SRC na planta da Hydro Alunorte, destacamos abaixo a metodologia para a implantação do SRC.
- Introdução ao SRC
Como a Hydro Alunorte possui geração própria que atende 70% da demanda total, e os 30% restante é comprado do mercado de energia. Os turbos geradores operam sincronizados com a rede, de forma que se ocorrer a falta da concessionária, eles assumem automaticamente toda a carga, causando sobrecarga nos mesmos sendo necessário uma ação de descarte de cargas para adequar a demanda de energia da planta ao nível da geração. Para deixar a demanda compatível com a geração, ou minimizar a sobrecarga para valores que não gerem riscos ao sistema de geração, se faz necessário a implantação de um SRC que identifique a falta da concessionaria e descarte automaticamente todas as cargas excedentes, de forma que os geradores voltem à sua condição normal de operação.
O sistema de geração própria (TG-1 + TG-2 + TG-3) tem capacidade de atender quatro das sete linhas de produção, contudo esta geração própria estava dividida da seguinte forma: o TG-2 e TG-3 estavam conectados eletricamente na subestação principal SE-56C-1, responsável pela alimentação das linhas de produção 4, 5, 6 e 7. O TG-1 que estava conectado eletricamente na subestação principal SE-56A-1, responsável pela alimentação das linhas de produção 1,2 e 3. Como os sistemas de geração não conseguiam atender às demandas dos sistemas elétricos no qual estavam conectados, o sistema elétrico ia a “black out”, mesmo tendo capacidade de atender a demanda de quatro linhas produção, conforme ilustração na figura 4.1 (página 23).
A demanda de potência necessária para atender as linhas de produção 4, 5 ,6 e 7 e o sistema de geração de vapor é de aproximadamente 80 MW, sendo esta potência completamente atendida, quando os três turbo geradores estão em pleno funcionamento.
Uma das ações necessárias para construção do SRC, foi a transferência do TG-1 para a subestação SE-57C-1. A Figura 4.4, a seguir, mostra simplificadamente a
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subestação principal SE-56C-1, os turbos geradores e as subestações SE-57C-1, que fazem parte do SRC.
A subestação SE-57C-1 é responsável pelos circuitos elétricos do processo de cogeração de energia. Esta subestação recebe a energia gerada pelos turbo geradores e fornece energia elétrica para as caldeiras de alta pressão (ALSTOM A -240 t/h, ALSTOM B-240 t/h, FOSTER WHELLER-240 t/h e HPB-350 t/h), que por sua vez fornecem vapor para os Turbos Geradores (TG’s), gerando energia elétrica para a mesma subestação, e o excedente de energia é transportado para a subestação SE-56C-1 que distribui esta energia para atender as linhas de produção 4, 5, 6 e 7.
Figura 4.4 - Ilustração simplificada das subestações SE-56C-1, SE-57C-1 e TGs.
29 - Definição do projeto conceitual do SRC
- Ilhamento do Sistema Elétrico
Conceitualmente, o SRC da Hydro Alunorte tem o objetivo de manter em operação as linhas de produção 4, 5, 6 e 7 utilizando a energia da cogeração, quando da falta da concessionária de energia elétrica ou falha no barramento de 230 KV da própria subestação da Hydro Alunorte. Logo, uma das primeiras ações do SRC é tomar a ação de isolar o sistema de cogeração do barramento de 230 kV, caso haja falta do sistema supridor.
A ação de detecção de falta de energia da concessionária e o ilhamento do sistema têm que ocorrer antes que o sistema todo vá a colapso, já que, como pode ser verificado no diagrama unifilar simplificado, mostrado na Figura 4.4, os Turbo Geradores da Hydro Alunorte tendem a alimentar as cargas da ALBRAS, quando de falta de energia da concessionária. E, como os geradores não têm essa capacidade, haveria “black out” de energia na planta da Hydro Alunorte.
Então, estudos auxiliares de estabilidade do sistema foram executados com o objetivo de ajustes nas proteções que fariam o ilhamento do sistema (FIGENER, 2011, ESTUDO DE ESTABILIDADE, pp. 17 e 18).
Estes estudos/simulações apontaram que, quando de alguns defeitos no SIN, a função ANSI 78 (Salto de Vetor) seria a função mais indicada para promover o ilhamento do SEP da Hydro Alunorte, já que, para estes defeitos, o sistema perderia estabilidade devido ao ângulo do Vetor Tensão entre os geradores da planta da Hydro Alunorte e os geradores do SIN, e iria a colapso num tempo muito rápido (MATEUS TEIXEIRA DE SOUZA, RODRIGO AKIRA SUZUKI, RUBENS CAVILHA DE SOUZA, ANOMALIAS CAUSADAS PELA INTERCONEXÃO DE PEQUENOS GERADORES EM REDES DE BAIXA TENSÃO (GERAÇÃO DISTRIBUÍDA), 2011). Veja a seguir, na Figura 4.5, a diferença angular entre as tensões dos geradores (Hydro Alunorte e SIN) para algumas simulações de defeitos mais prováveis:
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Figura 4.5 - Diferença angular entre os geradores da Hydro Alunorte e do SIN para defeitos simulados.
Para os casos apontados em vermelho, o ilhamento pelo relé de salto de vetor é o mais indicado. Esta proteção tem tempo de resposta (para alguns fabricantes) da ordem de 70 ms (FIGENER, 2011, ESTUDO DE ESTABILIDADE, pp 09), tempo esse compatível com a necessidade para provocar o ilhamento do SEP Alunorte e manter a estabilidade do mesmo. No item 4.4 iremos abordar o modelo do relé escolhido para este fim. O ajuste definido para a função salto de vetor foi de 30º, o qual é bem abaixo do pior caso visto acima, na Figura 4.5.
Para os demais casos, e para os casos de ilhamentos provocados por falha de manobras ou defeitos em equipamentos da SE/Alunorte, 230 kV, o ilhamento pode ocorrer utilizando-se a função ANSI 81 e 81R (Subfrequência e df/dt, respectivamente) (FIGENER, 2011, ESTUDO DE ESTABILIDADE, pp 09).
Estas funções (81 e 81R) são executadas pelos mesmos equipamentos (relés) que têm a função 78 (Salto de Vetor) e, quando atuados, desligam disjuntores que provocam o ilhamento dos turbo geradores da Hydro Alunorte. Na Figura 4.7, na página 32, podem ser vistos os disjuntores que deverão abrir para efetuar o ilhamento. Ou seja, ambas as funções, quando atuadas, ilham o sistema através de comando de abertura dos disjuntores são DJA-56C-3A e DJA-56C-3B.
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As outras proteções existentes que também provocam o ilhamento dos TGs, são as proteções de sobrecorrente direcional dos transformadores de 230/13,8 kV. Isto é, essa proteção protege o SEP e os TGs caso haja problemas na SE/VILA DO CONDE ou nas linhas que alimentam a ALBRAS e que os TG’s da Hydro Alunorte tendam a alimentar a carga da ALBRAS. A corrente sobe muito no sentido inverso dos transformadores e a proteção 67T (Tabela ANSI) desliga os transformadores, ilhando o sistema.
Essa proteção está ajustada para um tempo de atuação de 400 ms e:
− Se o motivo do desligamento for um curto circuito (ver Tabela 4.1), a função salto de vetor desliga os transformadores num tempo bem menor,
− Se o motivo for outro, que provoque apenas o aumento da corrente reversa dos transformadores, os mesmos desligam em 400 ms e os as funções 81 e 81R (Tabela ANSI) fazem o descarte das cargas.
Em seguida, após o ilhamento, os turbo geradores terão que manter a frequência do sistema isolado na casa de 60 Hz, que vai depender da capacidade de geração disponível no momento da falta, ou seja, a frequência será mantida em 60 Hz se a geração atender a demanda,
- Descarte de Cargas (1º Estágio) - Sem afetar diretamente o Processo Bayer
Caso, após o ilhamento do SEP, os turbo geradores não consigam manter a frequência na casa dos 60 Hz, o SRC terá que ser capaz de descartar as cargas previamente selecionadas para buscar o equilíbrio entre geração e carga (buscando equilibrar a frequência em 60 Hz).
Para esta função (descarte de cargas) serão utilizados relés com as funções 81 e 81R (Tabela ANSI), com relés instalados estrategicamente em barras que recebem e distribuem a energia gerada no sistema ilhado.
Nesta etapa foram definidas as cargas (áreas de processo) que serão descartadas com o objetivo de estabilizar a frequência do sistema. Para esta definição envolvemos a Diretoria Industrial da empresa e os demais Gerentes de Processo, com o objetivo de
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apresentar as vantagens e desvantagens do desligamento de determinadas áreas do processo produtivo, necessárias à preservação da geração e linhas de produção.
Então, após as discussões, foram definidas as seguintes cargas a serem descartadas no 1º estágio:
− A área de recebimento de insumos e carregamento do produto final (área do Porto);
− A área do Desaguamento, responsável pela retirada da água misturada à bauxita recebida da Mina, através de mineroduto, e futura aplicação no processo produtivo;
− A área da Calcinação das linhas de produção 6 e 7, parando os dois fornos Calcinadores das citadas linhas;
− A área da Calcinação das linhas de produção 4 e 5, parando um forno Calcinador referente à linha 5;
- Descarte de Cargas (2º Estágio) afetando diretamente o Processo Bayer
Esta é a segunda etapa do SRC, onde foram definidas as cargas (áreas de processo) que serão descartadas com o objetivo manter em operação as linhas de produção 4 e 5.
Como foi tratado no Capítulo 3, as cargas essenciais para a preservação da geração e parte do processo produtivo foram todas transferidas para subestações que alimentam as linhas de produção 4 e 5, então estas linhas são as que ficam operando quando existir deficiência da geração e não seja possível manter-se as quatro linhas de produção 4, 5, 6 e 7.
Então, como as cargas que não afetam diretamente o Processo Bayer já foram descartadas no 1º estágio (item 4.3.2.2) e, se a frequência continuar em queda, é necessária ação drástica de desligar cargas do Processo Bayer referentes às linhas 6 e 7, com o objetivo de não deixar o sistema de geração entrar em sobrecarga com frequência muito baixa. Diante desta situação foram definidas as seguintes cargas (áreas de processo) para serem descartadas no 2º estágio:
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− A área da Digestão das linhas de produção 6 e 7;
− A área da Clarificação das linhas de produção 6 e 7;
− A área da Precipitação das linhas de produção 6 e 7.
Se, mesmo depois do descarte destas cargas, a frequência não estabilizar, os geradores permanecerão operando até que a proteção de subfrequência do sistema de geração atue, desligando os geradores e, tendo como consequência, a parada total das linhas de produção 4, 5, 6 e 7, do sistema de vapor e as todas as demais utilidades. Seria a parada total da planta.
Somente ressaltando, as linhas de produção 1, 2 e 3 são desligadas de imediato quando da falta de energia da concessionária, já que não há geradores próprios conectados às subestações das mesmas.
As linhas de produção 1, 2 e 3 receberão energia elétrica assim que a concessionária restabeleça seu sistema.