MATHEUS ROSENDO CESCONETO PAULO ROGÉRIO SOUZA GONÇALVES
PROJETO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DO PROCESSO DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA DA CALDEIRA DA USINA TERMELÉTRICA JORGE LACERDA.
Tubarão 2018
MATHEUS ROSENDO CESCONETO PAULO ROGÉRIO SOUZA GONÇALVES
PROJETO DE UM SISTEMA DE CONTROLE DO PROCESSO DE ALIMENTAÇÃO DE ÁGUA DA CALDEIRA DA USINA TERMELÉTRICA JORGE LACERDA.
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da Universidade do Sul de Santa Catarina como requisito parcial à obtenção do título de bacharel em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof Luís Fernando Ferreira de Campos, Me. Eng.
Tubarão 2018
AGRADECIMENTOS
Matheus:
“Agradeço aos meus pais, Antonio e Marilu e a meus irmãos Tathiana e Thiago por todo incentivo que me deram ao longo da minha vida acadêmica; à minha namorada Bruna por todo amor, carinho, paciência, cumplicidade e por acreditar em mim quando nem eu acreditava; aos meus colegas de curso, que me proporcionaram bons momentos e juntos chegamos até aqui, e especialmente ao colega Paulo Rogério Souza Gonçalves, pela parceria e companheirismo neste trabalho e pelos momentos de descontração; ao meu orientador e amigo Luis Fernando, por suas ideias e conselhos que auxiliaram no meu desenvolvimento acadêmico e na conclusão deste trabalho; aos meus amigos que proporcionaram momentos de alegria e me deram forças para continuar; a todos que de uma forma ou de outra fizeram parte da minha caminhada até este momento, meu muito obrigado.”
Paulo:
“Agradeço à ENGIE pela confiança em mim depositada e pelas inúmeras oportunidades de desenvolvimento que me proporcionou ao longo da minha carreira profissional, na qual tento consolidar a minha experiência.
Agradeço aos meus professores, e em especial, ao Professor e orientador Eng. Luís Fernando Ferreira de Campos, Me. Eng. pela dedicação e orientação necessária para a elaboração deste trabalho.
Agradeço aos meus colegas pelo apoio e ensino durante todo o período que passamos estudando. Em especial ao colega Matheus Rosendo Cesconeto no qual esteve junto comigo na elaboração e execução deste trabalho nos momentos de descontração e ajuda nas horas difíceis.
Agradeço à minha esposa Cristiane, pela compreensão e companheirismo durante as horas dedicadas a este trabalho. Sem sua companhia, com toda certeza não iria chegar até aqui, isso é um combustível a mais para que eu contornasse situações no qual já não tinha mais paciência para administra-las, mostrando o caminho correto a seguir.
Agradeço a minha família pelo incentivo e apoio que sempre me deram, diante das dificuldades encontradas ao longo da elaboração deste trabalho. Em especial ao meu pai Fabio Monti Gonçalves, no qual me inspirei pela sua dedicação e profissionalismo ao trabalho e minha mãe Maria Nilza Souza Gonçalves que sempre me incentivou e se mostra sempre orgulhosa de tudo que já conquistei até aqui na minha vida”.
“Se vi mais longe foi por estar de pé sobre ombros de gigantes” (ISAAC NEWTON, 1679).
RESUMO
Atualmente, há uma grande preocupação das geradoras de energia elétrica em se manterem operacionalmente viáveis no mercado, e isto está diretamente ligado à eficiência energética que busca melhorar o uso destas fontes disponíveis. A modernização de máquinas e a automação de processos permite extrair o máximo de energia de forma racional para se obter um determinado resultado. Este trabalho apresenta as principais etapas de modernização do sistema de controle e de alimentação d’água da caldeira da Usina Jorge Lacerda A, da empresa Engie Brasil. Serão descritos os referenciais teóricos para a melhor compreensão do sistema onde as bombas estão inseridas, bem como a função e devidas especificações das mesmas. Os desgastes naturais das peças em funcionamento contínuo originam a necessidade de atualizações, cujos reparos preventivos não resolvem totalmente os problemas, implicando em perdas na produção e em questões econômicas. A modernização do sistema de controle da turbo-bomba envolverá etapas que dependem da identificação das lacunas de produção, bem como da disponibilidade da usina na realização de testes e do envolvimento dos técnicos que atuam na área. A estruturação de todas as etapas, a formatação e o roteiro de implementação do sistema de controle na Usina Jorge Lacerda serão descritos ao longo desta pesquisa. Todo esse roteiro será replicado à turbo bomba para a mesma finalidade: o controle automático do processo de alimentação de água na caldeira. Os registros resultantes desse estudo objetivam tornar-se referência para os procedimentos futuros na possível modernização das demais unidades da empresa.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Componentes do ciclo Rankine ... 12
Figura 2 – Perfil esquemático de uma usina termoelétrica convencional ... 13
Figura 3 – Detalhe dos componentes da Bomba elétrica... 14
Figura 4 – Detalhes dos componentes da Turbo bomba ... 15
Figura 5 - Válvulas de controle de admissão parcializadoras ... 24
Figura 6 - Instalação típica do Peak200... 25
Figura 7 - Atuador Elétrico instalado na turbo bomba ... 26
Figura 8 - Sensor magnético ... 27
Figura 9 - Disposição dos sensores ... 27
Figura 10 - Ajuste de mobilidade da válvula ... 29
Figura 11 - Ajuste da mobilidade das válvulas de admissão ... 30
Figura 12 - Bomba de lubrificação dos mancais ... 31
Figura 13 - Painel elétrico dos CLP's ... 32
Figura 14 - Diagrama de blocos global de controle... 33
Figura 15 - Diagrama de blocos expandido ... 34
Figura 16 - Diagrama de blocos detalhado ... 34
Figura 17 - Diagrama de blocos da lógica PID do CLP ... 37
Figura 18 - Fragmento do gráfico utilizado para a modelagem ... 39
Figura 19 - Interface do GraphData ... 40
Figura 20 - Interface da ferramenta System Identification ... 42
Figura 21 - Lugar das raízes com as condições de contorno ... 45
Figura 22 - LR com adição do integrador... 46
Figura 23 - LR com o polo integrador e um zero próximo à ele. ... 46
Figura 24 - Mapa de polos e zeros ... 47
Figura 25 - LGR do sistema compensado ... 48
Figura 26 - Resposta ao degrau do sistema compensado ... 49
LISTA DE GRÁFICOS
Gráfico 1 - Comparativo entre o sistema não compensado e o sistema com um PID ... 23
Gráfico 2 - Curva da bomba de alimentação ... 36
Gráfico 3 - Pressão de descarga da bomba ... 38
Gráfico 4 - Gráfico obtido através da obtenção dos dados ... 41
Gráfico 5 - Lugar geométrico das raízes ... 44
Gráfico 6 - Pressão de saída e velocidade de rotação da bomba em controle manual ... 55
Gráfico 7 - Pressão e rotação da bomba com controle automático ... 56
LISTA DE TABELAS
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 12 1.1 JUSTIFICATIVA ... 16 1.2 ORGANIZAÇÃO ... 17 1.3 OBJETIVOS ... 17 1.3.1 Objetivo Geral ... 17 1.3.2 Objetivos Específicos... 17 1.4 DELIMITAÇÕES ... 18 2 METODOLOGIA ... 19 3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 21 3.1 BOMBAS DE ALIMENTAÇÃO ... 21
3.1.1 Bomba de alimentação A (bomba elétrica) ... 21
3.1.2 Bomba de alimentação b (turbo bomba) ... 22
3.2 REFERÊNCIA (SETPOINT) ... 22
3.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP) ... 22
3.4 CONTROLADOR PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID) ... 22
3.5 CONVERSOR ELETRO-HIDRÁULICO (CPC-II) ... 23
3.6 VÁLVULA DE CONTROLE DE ADMISSÃO ... 24
3.7 REGULADOR DE VELOCIDADE (PEAK200) ... 25
3.8 ATUADOR ELÉTRICO ... 26
3.9 SENSOR DE ROTAÇÃO MAGNÉTICO ... 26
4 ETAPAS DO PROCESSO DE MODERNIZAÇÃO E CONTROLE DA TURBO BOMBA ... 28 4.1 LEVANTAMENDO DE CAMPO ... 28 4.1.1 PEAK200 ... 29 4.1.2 CPCII... 29 4.1.3 Roda dentada ... 30 4.1.4 Sinais obtidos do CLP ... 30
4.1.5 Lubrificação dos mancais ... 31
4.1.6 Válvula de admissão ... 31
4.1.7 Painel elétrico... 32
4.3 MODELAGEM MATEMÁTICA DO SISTEMA DE CONTROLE A SER
IMPLEMENTADO ... 37
4.3.1 Modelagem do compensador ... 42
4.3.2 Análise dos resultados ... 51
4.3.2.1 Ruídos em sensores de medições ... 51
4.3.2.2 Baixa taxa de amostragem ... 51
4.3.2.3 Aproximação das equações para sistemas de segunda ordem ... 52
4.4 PROJETO DE INFRAESTRUTURA ... 53
4.5 PRÉ COMISSIONAMENTO ... 53
4.6 COMISSIONAMENTO ... 54
4.7 PARTIDA INICIAL ... 54
5 VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS ... 55
6 CONCLUSÃO ... 58
1 INTRODUÇÃO
Usinas termoelétricas são empregadas na geração de energia elétrica a partir da queima de carvão. Segundo a Aneel (2008), esses tipos de usinas representam pouco mais de 1,5% da matriz da energética brasileira. Em 2007, ano em que 435,68 TWh foram produzidos no País, o carvão foi responsável pela geração de 7,9 TWh, a partir da operação de usinas termelétricas localizadas na região Sul, nas proximidades das áreas de mineração. O sistema elétrico brasileiro ainda conta com usinas em serviço há muitos anos. Estas usinas trabalham atualmente fora do rendimento ótimo por conta da sua tecnologia ultrapassada. Por este motivo, é importante que as empresas geradoras modernizem seus sistemas. O presente trabalho foi desenvolvido,analisando o estudo de caso da caldeira 2 da Usina Jorge Lacerda A, da Engie Brasil. Nas páginas que seguem, será possível compreender o motivo principal, bem como os indicativos necessários, para que seja dado início ao processo de modernização num sistema de controle.
O funcionamento da usina já mencionada se baseia no ciclo rankine, no qual está exemplificado na Figura 1 de forma simplificada, mostrando que a falta ou interrupção de qualquer um dos equipamentos torna a planta inoperável.
Figura 1 - Componentes do ciclo Rankine
Fonte: CARVALHO (2012, p. 66).
O vapor que sai da turbina é condensado e bombeado para o tanque de água de alimentação através das bombas de condensado. A água do tanque de alimentação desce por gravidade até a admissão da bomba de alimentação principal, na qual é bombeado novamente
para a caldeira, transformando a água em vapor, e assim fechando o ciclo. A Figura 2 mostra o funcionamento descrito anteriormente aplicado a um modelo de usina termoelétrica.
Figura 2 – Perfil esquemático de uma usina termoelétrica convencional
Fonte: ANEEL (2008, p.106)
O fluido de trabalho está em constante movimento e a sua interrupção leva a parada de todo o ciclo. Os equipamentos responsáveis por movimentar o fluido do sistema são as bombas de condensado e a bomba de água de alimentação da caldeira.
O projeto inicial da unidade em questão previa que a alimentação da caldeira seria por uma bomba à vapor, ou turbo bomba, como principal em uma condição de operação contínua e a “partida da usina” seria feita pela bomba elétrica. A partir do momento que houver vapor suficiente no sistema, a turbo bomba assume como principal e a bomba elétrica servirá como retaguarda.
Atualmente, devido à insegurança operacional da turbo bomba, as plantas 1 e 2 utilizam a bomba elétrica como principal e única, até então. Foi realizado um estudo de viabilidade econômica pela Engie Brasil sobre a compra de uma nova bomba elétrica para as unidades, tendo em vista que a usina utiliza apenas uma bomba de alimentação. Caso haja algum problema no equipamento, a usina ficará inoperante pelo período em que a máquina estiver em manutenção. Ao término do estudo realizado pela empresa, concluiu-se que a compra de uma nova bomba seria impraticável, uma vez que já existe uma bomba que possa realizar esta função, porém fora de uso. A revitalização da turbo bomba além de ser mais vantajosa, vislumbra um possível aumento de rendimento energético para a planta, tendo em vista a economia de energia que será obtida pelo desligamento do equipamento atual.
A bomba elétrica é acionada através de um motor assíncrono, trifásico com potência de 1440kW, alimentado a 6,3kV – 60Hz. Este é acoplado em seu eixo a um variador de velocidade, sendo ajustado para aumentar ou reduzir sua rotação a fim de manter uma certa pressão de descarga, seguindo as condições operacionais da caldeira. A Figura 3 mostra bomba elétrica e seus componentes básicos.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
A turbo bomba nada mais é que uma turbina a vapor de múltiplos estágios acoplada a bomba de alimentação da caldeira através de uma caixa redutora de velocidade. O fluxo de vapor na admissão é controlado por quatro válvulas de regulação e o controle de pressão é ajustado da mesma forma que na bomba elétrica. A Figura 4 mostra a turbo bomba e seus acoplamentos.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Na Tabela 1, estão descritas as principais características da turbina de acionamento da bomba de alimentação B.
Tabela 1 - Dados da turbo bomba
Grandeza Valor
Potência nominal 830 kW
Potência máxima 1200 kW
Velocidade normal 14758 RPM
Velocidade máxima 17375 RPM
Bloqueio por sobre velocidade 18765 RPM
Pressão vapor admissão 98 atm
Pressão vapor exaustão 4 atm
Fonte: Quality Plan, (2010).
1.1 JUSTIFICATIVA
A modernização de uma planta ou equipamento de geração termoelétrica possibilita uma sobrevida à usina, melhorando o rendimento da planta, reduzindo a emissão de gases e material particulado, contribuindo para a preservação do meio ambiente e para o bem-estar das comunidades vizinhas, diminuindo o custo de megawatt hora gerado e permitindo uma maior disponibilidade da usina pela redução dos tempos de manutenção.
As dificuldades operacionais da turbo bomba estão associadas as variações bruscas de velocidade, além de fatores de insegurança operacionais. Tais dificuldades foram identificadas como impeditivas para a operação de maneira contínua, como originalmente deveria ser a filosofia deste equipamento. Como se trata efetivamente de uma turbina, para que a mesma entre em operação, é necessário um pré-aquecimento da mesma e outros cuidados operacionais incompatíveis com a condição de equipamento de back-up, ou seja, caso a bomba precise entrar em operação de forma rápida, seria impossível. Assim, justifica-se o uso desta bomba como justifica-sendo a principal e a elétrica como bomba retaguarda, uma vez que a bomba elétrica pode entrar em operação de forma imediata.
Para que seja possível o funcionamento seguro e eficaz da turbo bomba, algumas medidas na parte de controle, automação e proteção são necessárias. Este trabalho relatará os ajustes no controle e automação do sistema que será designado à turbo bomba e a integração ao sistema de controle da usina. O estudo sobre a bomba elétrica será necessário, pois a mesma opera em ambiente semelhante ao que seria o da turbo bomba. Será levantada a função matemática que descreve o funcionamento da bomba elétrica e, com base nesta função, será desenvolvido um controlador que atenda aos requisitos previamente estipulados e faça o sistema operar de modo automático. Atualmente, este equipamento opera de forma manual por uma falta de um sistema de controle eficaz. Todo esse roteiro será replicado à turbo bomba para a mesma finalidade: o controle automático do processo de alimentação de água na caldeira.
As unidades 1 e 2 da usina termelétrica operam em torno de 24% de eficiência energética. As duas juntas produzem 110MW/h nominal, entrando assim na categoria na qual é necessário que atinjam, no mínimo, 30% de eficiência. O governo brasileiro subsidia o carvão para usinas termelétricas de acordo com a energia gerada. Usinas de até 150MW precisam obter 30% de rendimento para que as despesas com o carvão sejam 100% custeadas (ANEEL, 2012).
Outro ponto que justifica o uso da turbo bomba é que a sua operação contínua reduz o consumo de energia interna da usina em pelo menos 1,4MW e, consequentemente, aumenta a geração líquida no mesmo valor. Se considerada a comercialização deste excedente, o custo do investimento, que já é baixo, retornará rapidamente.
1.2 ORGANIZAÇÃO
Para uma melhor compreensão das etapas do processo de modernização, este estudo foi dividido em cinco capítulos para explanar de forma concisa e com alinhamento de ideias, as etapas de modernização do sistema de controle da caldeira 2 da Usina Jorge Lacerda A. O trabalho terá, portanto, a seguinte estrutura:
Primeiro capítulo: será apresentada uma introdução geral, bem como os objetivos da elaboração do estudo e delimitações do projeto.
Segundo capítulo: apresenta a metodologia utilizada para a obtenção dos dados e formas de elaboração do sistema de controle.
Terceiro capítulo: será feita a fundamentação teórica, trazendo conceitos básicos sobre o funcionamento de alguns equipamentos que serão utilizados no processo de controle do sistema de alimentação de água da caldeira.
Quarto capítulo: o plano de ação propriamente dito. Modelagens matemáticas, simulações e obtenção dos dados de controle serão mostrados neste capítulo.
Quinto capítulo: apresenta as conclusões tiradas da realização deste projeto e trabalhos futuros.
1.3 OBJETIVOS
1.3.1 Objetivo Geral
Desenvolver um roteiro de elaboração de controle do sistema de alimentação d’água da caldeira e, posteriormente, incorporá-lo ao controle da turbo-bomba para que a mesma opere de forma contínua e segura.
1.3.2 Objetivos Específicos
Modelagem matemática da planta de controle da bomba elétrica, analisando as variáveis de processo;
Elaborar um roteiro para a criação do controlador que será posteriormente usado na turbo bomba, levando em conta os dados obtidos das variáveis de controle;
Analisar os resultados obtidos e justificá-los com base na literatura e na realidade do sistema.
1.4 DELIMITAÇÕES
Não há estudos que mostrem o aumento de eficiência com a turbo bomba em operação, pois a mesma precisará de maior geração de vapor para suprir a demanda necessária da bomba a vapor em carga máxima. Um futuro trabalho sobre esse tema seria um estudo de eficiência energética em torno da bomba a vapor após implementação das ações de controle para verificar a questão.
Como os recursos disponibilizados pela Engie Brasil para este projeto são limitados, devido à necessidade de que o investimento inicial tenha retorno, visando o tempo que ainda resta de comercialização desta usina, que é até 2028, as intervenções físicas, nesta revitalização, dar-se-ão apenas para a turbo bomba.
A disponibilidade de testes anteriores e durante o comissionamento do sistema de controle fica limitada pela operação da usina, uma vez que nem sempre há períodos disponíveis para a realização de testes.
2 METODOLOGIA
Antigamente, para aplicações industriais, não havia sistemas de controle automático. O controle dos processos era baseado na intuição e experiência dos operadores. Como exemplo, cita-se o caso de controle da combustão: o operador era o instrumento de controle que julgava a necessidade de a relação estequiométrica receber maior quantidade de ar ou combustível e fazia-o, observando a estabilidade e coloração da chama. Desta maneira, o resultado era uma combustão de pouca qualidade, que implicava em consumo excessivo de combustível, altas emissões de gases e de material particulado. Atualmente, a tecnologia envolvida nos sistemas de controle e instrumentação aplicados aos processos industriais possibilita um aumento significativo na qualidade e eficiência do controle de processos (Souza, 2003).
Como forma de análise e obtenção dos dados, serão apresentados todos os componentes utilizados para a automação e controle da turbo bomba, representados em diagrama de blocos. O próximo passo será uma abordagem clássica de controle para o desenvolvimento do controlador, mas devido a atual impossibilidade de acionamento da turbo bomba, a modelagem será feita na bomba elétrica. Esta estratégia resultará em um roteiro de ação para a elaboração do controlador para a planta de estudo, que posteriormente, será replicado à turbo bomba em um outro momento. Uma vez que o sistema esteja modelado, será preciso fazer o ajuste do sistema para que se comporte da forma a obter o melhor aproveitamento, que será feito através do método do Lugar Geométrico das Raízes (LGR).
De acordo com Nise (2012) “esta técnica gráfica descreve de forma qualitativa o desempenho do sistema de controle que estamos buscando e nos dá mais informações que outros métodos de análise”. O LGR mostra o resultado de alterações realizadas nos parâmetros de controle e ainda fornece uma representação gráfica de estabilidade do sistema.
A utilização de cálculos computacionais se faz necessário, pois se a planta for muito extensa, os cálculos manuais dos parâmetros, funções de transferência e análise de gráficos de desempenho se tornam quase que impraticáveis. O software MATLAB® (MATrix LABoratory) será útil para a modelagem matemática e simulações do sistema. Após a análise, deve ser decidido qual controlador mais indicado para a aplicação, se será um proporcional integral (PI), proporcional derivativo (PD), ou um proporcional integral derivativo (PID) completo.
Com a simulação pronta, os valores dos ganhos do controlador serão inseridos no controlador lógico programável (CLP). Com posse desses parâmetros, o CLP controlará o
regime de trabalho da bomba elétrica. Como se trata de um controlador programável, ajustes podem ser feitos no local para o melhor funcionamento do sistema. Para o sistema da turbo bomba, o controle programável também será feito por um CLP exclusivo para esta tarefa.
In loco, utilizar-se-á um software supervisório para verificar o funcionamento da bomba elétrica em tempo real e, se necessário, ajustar os parâmetros para um ponto de melhor performance geral.
3 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste tópico,serão abordados os referencias teóricos dos equipamentos e termos usados ao longo do trabalho para melhor entendimento do leitor.
3.1 BOMBAS DE ALIMENTAÇÃO
As bombas de alimentação, conforme descrito no Quality Plan (2010), são responsáveis pelo suprimento de água para as caldeiras. Nas unidades 1 e 2, a alimentação de água da caldeira é feita através de duas bombas centrífugas horizontais de sete estágios. Uma bomba é suficiente para operação à plena carga da unidade, permanecendo a outra em reserva manual.
A sucção destas bombas está conectada ao tanque de alimentação e a sua descarga fornece água com alta pressão para a caldeira, através do economizador para o tambor.
Segundo o Quality Plan (2010), com a finalidade de melhorar a confiabilidade do sistema de água de alimentação, optou-se pela aplicação de diferentes tipos de acionamento para as bombas. Uma delas é acionada por motor elétrico (Bomba de alimentação A), a outra por uma turbina a vapor (Bomba de alimentação B).
As características principais de projeto das bombas são apresentadas a seguir: Vazão de 257 t/h;
Pressão de sucção de 3,87 atm; Pressão de descarga de 124 atm.
3.1.1 Bomba de alimentação A (bomba elétrica)
A Bomba de Alimentação A, é acionada através de um motor assíncrono, trifásico, com potência de 1440 kW, alimentado em 6,3 kV – 60 Hz, com sistema de resfriamento do ar através de radiadores à água. A corrente nominal do motor é de 150 A.
De acordo com o Quality Plan (2010), o motor é acoplado a um dispositivo hidrodinâmico de transmissão de movimento (acoplamento hidráulico, designado comumente de Voith). Este equipamento é denominado de variador de velocidade, sendo utilizado para aumentar ou diminuir a velocidade da bomba, permitindo com isto ajustar a pressão da água de alimentação.
3.1.2 Bomba de alimentação b (turbo bomba)
A Bomba de Alimentação B, Figura 4, é acionada por uma turbina a vapor. O fluxo de vapor na admissão é controlado por quatro válvulas de regulação. A exaustão está ligada por rede ao desaerador e possui proteção contra pressão excessiva, através de uma válvula de segurança.
A transmissão de potência para a bomba de alimentação da caldeira é realizada através de caixa redutora, acoplada aos eixos da turbina e da bomba de alimentação, através de acoplamentos dentados. São lubrificados, respectivamente, por circulação forçada e por banho de óleo.
3.2 REFERÊNCIA (SETPOINT)
Souza (2003) descreve que“a referência é o valor desejado da variável controlada, ou seja, é o ponto desejado de controle. Este sinal pode ser estabelecido pelo operador em modo manual ou pode ser obtido através de cálculo de um “setpoint” externo”.
3.3 CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL (CLP)
CLP é um sistema eletrônico de operação digital desenvolvido para o ambiente industrial que utiliza uma memória programável para diversas aplicações, tais como: temporização, contagem, operações lógicas e aritméticas. Serve para o controle de vários tipos de máquinas e processos através de entradas e saídas tanto digitais quanto analógicas (International Electrotechnical Commission, 2003, p. 07). Tanto o CLP quanto seus periféricos podem ser facilmente integrados a um sistema de controle industrial já existente.
3.4 CONTROLADOR PROPORCIONAL INTEGRAL DERIVATIVO (PID)
Largamente usado na indústria para as mais diversas aplicações, o controlador PID é composto pelos termos proporcional, integral e derivativo. Cada termo desempenha um papel no controle da planta: Um sinal de erro pode ser minimizado pela ação proporcional, zerado pela ação integral e obtido de forma mais rápida pela ação antecipativa da ação derivativa.
O Gráfico 1 demonstra a ação de um controlador PID completo e sintonizado de forma a obter a reposta desejada mais rapidamente:
Fonte: Elaboração dos autores, 2017.
Analisando o Gráfico 1 para uma dada aplicação, a linha em vermelho representa a ação do sistema sem nenhum tipo de correção e, em azul, a ação do controlador PID para a aplicação no qual foi desenvolvido. Percebe-se a rápida ação em regime transitório e em regime permanente: o erro é nulo. Um controlador desta natureza será útil na elaboração deste trabalho e, uma vez implementado e ajustado, o mesmo pode realizar correções de forma rápida e automática, mantendo o funcionamento e aumentando a confiabilidade do sistema.
A metodologia utilizada para a criação do controlador do sistema de alimentação d’água da caldeira será pelo método LGR, como mencionado na seção 2.
3.5 CONVERSOR ELETRO-HIDRÁULICO (CPC-II)
O CPC-II (Current-to-Pressure Converter – Conversor de corrente-pressão, geração II) é um regulador de pressão eletro hidráulico projetado para uso em turbinas a vapor de ação simples, ou seja, por acionamento de válvulas. O CPC-II é usado para controle de velocidade e carga da turbina em relação ao sistema de controle utilizado na turbina (WOODWARD, 2017, p 08).
O conversor recebe um sinal de 4 a 20mA e o mesmo converte esse sinal em pressão de óleo, responsável por movimentar um atuador acoplado às parcializadoras. Este conversor dará o sinal de abertura ou fechamento das válvulas de admissão de vapor da turbo bomba, fazendo a regulagem de velocidade da mesma.
3.6 VÁLVULA DE CONTROLE DE ADMISSÃO
Uma vez que a turbo bomba opera normalmente entre condições de vapor estáveis, as variações de carga devem ser atendidas por meio do controle de vazão de vapor admitida na máquina. Esta função é executada automaticamente pelas válvulas de controle de admissão sob controle de um dispositivo regulador – chamado de governador. O regulador é ligado ao eixo da turbina, diretamente ou por de uma caixa redutora de rotação, girando a uma rotação igual ou proporcional à da turbina. Assim, quando ocorre um aumento de carga, se a vazão de vapor permanece inalterada haverá uma queda na rotação da turbina. O governador sente esta queda e comanda uma abertura maior das válvulas de admissão, permitindo a passagem de mais vapor. Existem vários tipos de válvulas de controle e a utilizada na turbo bomba deste projeto é do tipo Multi-Valve, ou parcializadoras.
Este tipo de válvula possui construção múltipla e abertura sequencial, melhorando a eficiência da turbina, possibilitando um controle mais preciso. A Figura 5 mostra a localização das válvulas em relação à turbina.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
3.7 REGULADOR DE VELOCIDADE (PEAK200)
O controlador Peak200 foi projetado para operar uma única válvula pequena ou uma válvula única para controle de turbinas a vapor industriais. Este controlador inclui algoritmos de início, parada, controle e proteção de turbinas, compressores de acionamento ou bombas (WOODWARD, 2016, p. 01). O Peak200 se faz presente em aplicações onde é necessário controlar uma planta através da velocidade da turbina, pressão na admissão da turbina ou até mesmo fluxo da bomba. O regulador de velocidade percebe a velocidade da turbina através de sensores e a controla através de atuadores conectados nas válvulas de admissão da mesma.
Todos os dados dos sensores e de controle podem ser vistos diretamente no visor do equipamento como na sala de comando e operação da usina. A Figura 6 mostra o esquema de instalação do regulador de velocidade na planta e sua comunicação com os demais componentes.
Fonte: WOODWARD (2016, p.06)
3.8 ATUADOR ELÉTRICO
Segundo a Coaster (1999, p.04), “atuadores elétricos são eletromecanismos que permitem o acionamento motorizado de válvulas, comportas e equipamentos semelhantes. O mesmo pode ser acoplado ao equipamento através de adaptadores ou reduções”. A Figura 7 ilustra o uso de um atuador elétrico na turbo bomba
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
3.9 SENSOR DE ROTAÇÃO MAGNÉTICO
Para a modernização da turbo bomba, foram utilizados dois sensores magnéticos “Magnetic Pickups and Proximity Switches” como mostra a Figura 8, os quais possuem características especificas para altas rotações. O Peak 200 necessariamente utiliza dois sensores, afim de realizar uma média entre as leituras obtidas por ambos.
Fonte: WOODWARD (2015).
Conforme mostra a Figura 9, os sensores foram instalados com 90° de defasagem entre eles, gerando pulsos magnéticos em conjunto com uma roda dentada de 36 dentes que juntos podem gerar uma frequência de pulsos de até 10200 Hertz.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
As proximidades dos sensores e as distâncias entre os dentes da roda dentada devem obedecer aos limites de operação indicado no manual do fabricante. O casamento entre sensores, roda dentada e o Peak200 precisa estar dentro dos limites operacionais de cada equipamento para que se possa medir a rotação de forma precisa a fim de obter um controle mais ajustado possível.
Figura 9 - Disposição dos sensores Figura 8 - Sensor magnético
4 ETAPAS DO PROCESSO DE MODERNIZAÇÃO E CONTROLE DA TURBO BOMBA
Nesta seção, serão explanadas as principais etapas do processo de modernização da turbo bomba, visando a sua operação, onde estarão expressos os objetivos, finalidade e cuidados, levantados em cada etapa do processo. Assim, as etapas, em ordem de execução são as seguintes:
Levantamento de campo;
Elaboração dos diagramas de controle;
Roteiro utilizado na modelagem matemática do sistema de controle a ser implementado, com base no funcionamento da bomba elétrica;
Projeto de infraestrutura; Pré-comissionamento; Comissionamento; Partida inicial;
Atualização dos fluxogramas operacionais da turbo bomba.
4.1 LEVANTAMENDO DE CAMPO
Nesta etapa do processo, o objetivo é levantar o material necessário para a modernização e controle, tendo em vista a operação do equipamento. Os pontos abaixo mostram os equipamentos utilizados em todo o sistema de aquisição de dados, controle e suporte:
PEAK200; CPCII;
Roda dentada acoplada ao eixo da turbina; Obtenção dos dados do CLP da usina;
Lubrificação dos mancais de fixação da turbo bomba; Válvula de admissão.
4.1.1 PEAK200
Optou-se por utilizar este controlador devido ao fato de se tratar de um controlador dedicado à pequenas turbinas. Pensou-se em utilizar o CLP de controle da planta para fazer o controle de velocidade da turbo bomba, porém devido ao custo de um módulo de aquisição de dados específico para rotações ser maior que o valor do controlador PEAK200, tornou-se inviável o uso do CLP para tal finalidade.
4.1.2 CPCII
Trabalha em conjunto com o PEAK200. Sua resposta de saída é mais precisa que de outros atuadores semelhantes, por isso sua escolha neste projeto. O CPCII também possui um ajuste de controle PID interno, através de um software dedicado próprio que ajuda a melhorar a resposta da demanda para as válvulas de controle. Este ajuste é feito através de testes de mobilidades no comissionamento, usando o relógio comparador a fim de atingir um posto ótimo, como mostra a Figura 10 e Figura 11.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018. 4.1.3 Roda dentada
Uma roda dentada foi acoplada no eixo da turbina a fim de medir a rotação da mesma. Sensores magnéticos foram instalados para fazer a medição da rotação pelos dentes da roda dentada. Este sinal de velocidade dos sensores será lido pelo PEAK200.
4.1.4 Sinais obtidos do CLP
São os sinais que farão parte da modelagem matemática do sistema de controle, como o setpoint inicial e o sinal de pressão na descarga da turbo bomba. Estes sinais foram estipulados a fim de atender o esquema de controle utilizado no PEAK 200 e em conjunto com o CLP de planta, que por sua vez, fará o controle de pressão na saída da turbina. O controle de velocidade será feito no PEAK 200 já mencionado.
Figura 12 - Bomba de lubrificação dos mancais 4.1.5 Lubrificação dos mancais
Observou-se que a bomba necessitaria de uma lubrificação constante dos mancais de fixação com acionamento remoto. Como a usina já possuía uma bomba elétrica disponível em estoque, utilizou-se a mesma para essa função. E para manter um certo nível de pressão de trabalho, foi instalado um sensor de pressão na saída da bomba. A Figura 12 mostra o conjunto (bomba e sensor) instalado junto à turbo bomba.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018. 4.1.6 Válvula de admissão
Para a segurança da ação durante a operação da turbo bomba, optou-se em instalar um atuador na admissão do vapor, a fim de controlá-la de modo remoto, minimizando os riscos para os operadores.
4.1.7 Painel elétrico
Para acomodar os sinais de campo envolvidos neste controle, percebeu-se a necessidade de montar um painel elétrico com fontes de alimentação independentes e redundantes tanto para o PEAK200 quanto para os CLP’s de aquisição de dados e controle da turbo bomba. A Figura 13 mostra o painel elétrico próprio dos CLP’s, enquanto o painel do PEAK200 foi montado para a finalidade.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018. Figura 13 - Painel elétrico dos CLP's
4.2 ELABORAÇÃO DOS DIAGRAMAS DE CONTROLE
Nesta etapa do projeto, está a definição do controle que será adotado para um melhor funcionamento de todo conjunto, levando em consideração as limitações mecânicas bem como o orçamento disponível para esta automação.
O modelo escolhido apresentado na Figura 14 mostra de forma resumida a filosofia de comando adotada, onde o modelo conta com dois controles funcionando em cascata, ou seja, dois controles independentes que, de forma indireta, utiliza a mesma realimentação como explicita a Figura 15. Figura, esta, que mostra o controlador PEAK 200 em destaque no qual sua realimentação é a velocidade do eixo da turbo bomba e seu setpoint vem do controlador principal. Assim, toda a lógica de controle será futuramente desenvolvida. Também, é neste controlador que será replicado o memorial descritivo a ser mostrado neste trabalho.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
A Figura 16 mostra os blocos de controle de forma mais detalhada, permitindo-se visualizar o controlador PID aplicado. Algumas variáveis de controle tiveram que ser levadas em consideração para construir o intertravamento de forma segura para que se possa manter a pressão da caldeira de, no mínimo, 10 kgf/cm² maior do que a pressão na descarga da bomba. Essa condição garante uma maior segurança aos operadores, evitando um retorno de pressão por coluna d’agua.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Figura 15 - Diagrama de blocos expandido
Como mencionado anteriormente no capítulo 2 deste trabalho, será utilizado um CLP para a implementação do controle. Este, que já se encontra em operação nesta unidade no qual se acrescentará uma lógica de controle que permita fazer os devidos intertravamentos, bem como o controle PID. Para a criação da lógica no CLP, será utilizado um software específico compatível com o mesmo, mantendo-se no padrão dos demais controles existentes na unidade geradora.
Uma lógica de programação por diagrama de blocos bem elaborada manterá a pressão da caldeira 10 kgf/cm² a mais que a pressão na descarga da bomba, garantindo as condições iniciais de segurança. Vale ressaltar que nem sempre a caldeira está em condições de estabilidade e para isso, o intertravamento deve levar em consideração estas variáveis de processo. A pressão e o fluxo de vapor variam de acordo com as diversas condições de operação que, por exemplo, podem ser um furo na caldeira. Esse cenário fará o fluxo de vapor se alterar de forma repentina. Uma lógica bem montada e testada permite que todo o sistema, tanto da bomba elétrica quanto da turbo bomba, funcione de forma automática, cabendo ao operador apenas monitorar os alarmes.
Para auxiliar o colaborador na operação deste sistema, foi elaborado um gráfico em tempo real como mostra o Gráfico 2, pelo software de supervisão da usina. A variável controlada deverá permanecer dentro dos limites de pressão (kgf/cm²) versus Fluxo em (ton/h) exemplificado no gráfico. Caso acontecer uma falha de controle ou uma variação brusca no sistema, o ponto azul sairá dos limites, gerando um alarme, sendo a função do operador corrigir manualmente o controle, a fim de retornar o ponto para os limites operacionais.
Fonte: Sistema de supervisório da usina termelétrica Jorge Lacerda, 2018.
De forma indireta, é possível saber a rotação da bomba de acordo com a relação pressão versus fluxo, como mostra o gráfico acima. Já as funções que permitiram construir as curvas do gráfico foram baseadas na bomba elétrica que, por sua vez, possui o mesmo princípio de funcionamento da turbo bomba, uma vez que ambas trabalham com as mesmas variáveis de processo.
Os valores dos ganhos do controlador foram calculados com base no controlador fornecido pelo MATLAB® e este, por sua vez, foi gerado com base no desenvolvimento da técnica do LGR, como mostrará o item 4.3 deste trabalho. Esses valores serão aplicados na lógica do CLP da bomba elétrica, como mostra a Figura 17.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
4.3 MODELAGEM MATEMÁTICA DO SISTEMA DE CONTROLE A SER IMPLEMENTADO
A água de alimentação é direcionada ao tambor em uma caldeira de carvão pulverizada através de uma série de válvulas em paralelo com um conjunto de duas bombas de água de alimentação de pressão constante ou pressão variável, dependendo do modo de controle utilizado. Se o nível de água de alimentação no tambor ultrapassar o limite máximo, a água pode se misturar ao vapor que vai para a turbina de geração de energia, danificando seriamente a mesma. Por outro lado, se o nível do tambor ficar muito baixo, o próprio tambor pode ficar superaquecido, resultando em uma possível explosão da caldeira.
Para a elaboração da função de transferência do sistema, será preciso analisar o comportamento da variável controlada em um período de tempo quando estimulada por uma mudança no sinal de entrada (degrau unitário). O processo de coleta de dados será feito mediante a análise do comportamento real da bomba de alimentação elétrica da usina por um teste de mudança de pressão.
Inicialmente, a bomba opera exercendo uma pressão fixada pela operação da usina na caldeira. Essa pressão será reduzida e, em tempo real, foi observado seu comportamento no tempo. A redução na pressão simula o comportamento de um degrau unitário e, com isso, nota-se em quanto tempo o sistema leva para se estabilizar no valor designado. Feito isso, será Figura 17 - Diagrama de blocos da lógica PID do CLP
elevada a pressão a valores anteriores voltando ao seu estado inicial e, novamente, observa-se o comportamento do sistema em resposta a mudança de estado. O Gráfico 3 mostra um fragmento do gráfico gerado pelo software supervisório da usina. Foi retirada apenas a parte que será de interesse para a análise. (Eixo y – Pressão; Eixo x – Tempo).
Fonte: Software supervisório da usina termelétrica Jorge Lacerda (2018)
Verifica-se que existe um pequeno período de valor constante (próximo de 108,00) que antecede o degrau. Depois, próximo de 118kgf/cm², acontece um novo degrau, ao qual não será analisado. A Figura 18 mostra apenas o fragmento que será relevante na modelagem.
Fonte: Elaboração dos autores (2018)
Utilizando o software gratuito GraphData para obter pontos no trecho do gráfico selecionado, consegue-se uma aproximação dos valores com a realidade. A Figura 19 mostra o fragmento retirado do gráfico no programa para a coleta de dados.
Fonte: Elaboração dos autores (2018)
Os pontos em azul representam as amostras aproximadas coletadas pelo software. Esses pontos geraram uma matriz de valores para os eixos no qual é trazida para o MATLAB®. Esses pontos representam valores de pressão ao longo do tempo.
Para a elaboração da função de transferência, utiliza-se da premissa que a função se dará a partir de um intervalo de tempo analisado, fazendo o zero como o ponto inicial imediatamente antes da subida. Um detalhe importante a ser observado é que a mudança de pressão se dá pela abertura e fechamento de uma válvula de admissão de água na caldeira. Quanto mais pressão, mais aberta está a válvula e mais rápido é a rotação da bomba elétrica. Durante os testes realizados, a porcentagem da válvula ficou em 53,63% em pressão mínima e 56,87% em pressão máxima, analisados no intervalo de tempo.
Com todos os adquiridos é montado o Gráfico 4, ressaltando que os pontos obtidos pelo software são aproximados e a quantidade de pontos coletados num determinado intervalo de tempo é limitada a três amostras por minuto pelo supervisório da usina. Um Figura 19 - Interface do GraphData
intervalo menor entre as coletas de dados faz com que se obtenham mais pontos e, com isso, uma representação mais fiel à realidade. Este ponto foi levantado com os operadores da usina e os mesmos relataram que a quantidade de amostras por minuto pode ser aumentada, o que servirá para os ensaios futuros com a turbo bomba.
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
O MATLAB® possui uma ferramenta muito útil na modelagem de funções de transferência. Com as matrizes de dados iniciais, declara-se quem é a entrada do sistema, quem é a saída e escolhe-se a quantidade de polos e zeros da função. Com isso, o software aproxima uma função com base no gráfico gerado pelas matrizes e mostra o percentual de pontos comuns entre as duas funções. A Figura 20 mostra a interface da ferramenta.
0 20 40 60 80 100 120 -2 0 2 4 6 8 10 12
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
É feito o teste com três casos de função de transferência: com dois polos e um zero (tf1), dois polos e nenhum zero (tf2), e com um polo e nenhum zero (tf3). Para as funções 1 e 2 foi obtido 69,01% de precisão se comparado ao gráfico obtido pela matriz de dados. Já a função 3, obteve 55,3% de precisão, sendo assim, descartada.
Foi escolhida a função de transferência com dois polos e nenhum zero para a modelagem do controlador. A função de transferência G(s) obtida através da aproximação foi:
0,0003268 ( ) ² 0,03939 0,0001015 G s s s (1) 4.3.1 Modelagem do compensador
O LGR é baseado na remodelagem do lugar das raízes (LR), adicionando polos e zeros na função de transferência de malha aberta, forçando o LR a passar pelos polos de malha fechada desejados. “Como o método parte do pressuposto que a função em malha fechada tenha polos de dominantes também de malha fechada, o efeito da adição de polos e zeros não afeta muito a característica responsiva do sistema.” (OGATA, 2010, p.308).
No projeto de um sistema de controle, se um ajuste além do ganho (ou em outro parâmetro) é necessário, é preciso modificar o LR original, incluindo um compensador adequado. Em suma, “o projeto via LGR faz com que o LR seja redesenhado pelo compensador para que os polos dominantes de malha fechada estejam no local desejado.” (OGATA, 2010, p. 308).
Para dar início ao projeto do controlador, foram estipuladas duas condições iniciais pela operação da usina. Com isso, foi possível encontrar a coordenada do polo de malha fechada que satisfaça os requisitos:
O percentual de sobressinal, ou overshoot (OS), não poderá ultrapassar 10% do valor final;
O tempo de acomodação (t ) deverá se manter em torno de 60 segundos. s
As deduções matemáticas se encontram na literatura específica e, durante este trabalho, serão utilizadas as equações para sistemas de segunda ordem de acordo com a obra de KATSUHIKO, Ogata. Modern control engineering. 5 ed. Upper Saddle River: Prentice Hall, 2009.
Com base nas condições de contorno previamente estipuladas, pode ser encontrado o coeficiente de amortecimento (ξ) do sistema e a frequência natural de oscilação (
n ): 1 ²
%
OS
e
(2) n s4
ω =
ξt
(3)Realiza-se todo o cálculo descrito na literatura para, então, encontrar o polo que se procura:
0, 0666 0,0909
Utilizando-se da ferramenta MATLAB®, traça-se o LGR da função descrita na equação (1), como mostra o Gráfico 5. Os dois “x’s” mostram os polos de malha aberta do sistema.
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
Necessita-se remodelar o LGR para que o mesmo passe pela coordenada do polo em malha fechada que foi encontrado na equação (4). Para tanto, adiciona-se um polo na origem e um zero próximo a ele para que a suas contribuições angulares referentes ao ponto encontrado sejam praticamente iguais. A intersecção das retas provenientes das premissas iniciais encontra-se no polo de malha fechada desejado, como mostra a Figura 21. A linha vertical representa o tempo de acomodação, enquanto a reta inclinada, o percentual de sobressinal. Os dois pontos em rosa representam o polo de malha fechada do sistema antes da alocação de polos e zeros.
Im a gi na ry A xi s (s ec on ds -1)
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
De início, corrige-se o erro em regime permanente. “Essa abordagem utiliza um integrador puro para adicionar um polo na origem, aumentando o grau do sistema e reduzindo o erro a zero”. (NISE, 2012).
A adição do polo na origem modifica o LGR, fazendo com que as contribuições angulares de cada polo sejam diferentes de 180º. A correção é feita ao colocar um zero próximo ao polo alocado anteriormente, fazendo com que as contribuições angulares de ambos se anulem, trazendo o LGR ao estado inicial. Dessa forma, reduz-se o erro em regime permanente a zero sem afetar apreciavelmente a resposta transitória. Esse tipo de controle chama-se controle proporcional integral (PI), uma vez que a implementação consiste em alimentar o erro proporcional mais a integral desse erro para a planta. (NISE, 2012).
As Figura 22 e Figura 23 mostram, respectivamente, o efeito que a alocação do polo na origem resulta no LR e o efeito do zero próximo ao polo alocado, reforçando o exposto.
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
Os polos de malha fechada devem “caminhar” para a intersecção das retas oriundas das especificações iniciais. Então, deve-se “puxar” o LGR para que passe no ponto Figura 22 - LR com adição do integrador
desejado. Ao alocar um zero na função em malha aberta, traz-se o LR para esquerda, melhorando a resposta transitória e melhorando a estabilidade (OGATA, 2010, p. 310).
Com a alocação de um novo zero ao sistema, o LR passará no ponto desejado.
“Para tanto, deve-se encontrar as contribuições angulares de todos os polos e zeros do sistema e deverá resultar em um múltiplo ímpar de 180º”, destaca Ogata (2010). A Figura 24 mostra o mapa de polos e zeros da função de transferência em malha aberta e sem a compensação PI, mostrando a posição dos polos representados por “x”.
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
Com o PI, tem-se duas coordenadas dos polos em malha aberta, o polo na origem e um zero alocado imediatamente após o polo integrador. Adota-se a coordenada de -0,001 no eixo real como primeira tentativa e verifica-se a contribuição que cada polo e zero tem ao ponto previamente descoberto na equação (4), e com isso, tem-se o ângulo que o novo zero fará com o polo de malha fechada. As etapas de cálculo são descritas na literatura de referência, e por eles, obtém-se a posição do zero que satisfará o objetivo estipulado.
int zero polo1 polo2 (2 k 1) 180
(5) -0.04 -0.035 -0.03 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Pole-Zero Map
Real Axis (seconds-1)
Im ag in ar y A xi s (s e co nd s -1 ) System: tf1 Pole : -0.0366 Damping: 1 Overshoot (%): 0 Frequency (rad/s): 0.0366 System: tf1 Pole : -0.00277 Damping: 1 Overshoot (%): 0 Frequency (rad/s): 0.00277 Figura 24 - Mapa de polos e zeros
A posição do zero, dado por “𝜎 ”, é encontrado a partir do ângulo resultante da condição em (5). Até então, tem-se o controlador PI para zerar o erro em regime permanente e a adição deste novo zero acelera a resposta transitória do sistema, alimentando o erro proporcional mais a derivada do erro na planta. Esse novo controlador é chamado de controlador proporcional derivativo (PD). Com a junção dos dois controladores, tem-se o controlador proporcional integral derivativo (PID) completo. (NISE, 2012).
0,13327
derivativo
(6)
As Figura 25 e Figura 266 mostram o LGR resultante da alocação do zero e a resposta ao degrau unitário do sistema, respectivamente.
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
Fonte: Elaboração dos autores (2018).
Nota-se que o sobressinal resultou em 16% e o tempo de acomodação em 64,5 segundos. A não conformidade dos resultados perante as condições de contorno serão comentadas mais à frente.
O MATLAB® já traz a função do compensador conforme os ajustes feitos até aqui. Para o sistema deste trabalhoresultou na equação (7):
281,314 ² 37, 296314s s 0,037015 C
s
(7)
Nise (2010) mostra que “um controlador PID é representado pela função de transferência em função dos ganhos”:
² ( ) p i d d d i c p d K K K s s K K K G s K K s s s (8)
Sendo, respectivamente, Kp, K e i K os ganhos proporcional,d integral e derivativo. Resolvendo (7) em (8), tem-se: 37, 29 p K (9) 0,037015 i K (10) 281,314 d K (11)
Ogata (2010) mostra que “o controlador PID pode ser modelado em função do ganho proporcional e dos tempos de integração Ti e derivativo T ” d
1 1 p d i PID K T s T (12) Resolvendo (7) em (12) tem-se: 37, 29 p K (13) 0,037015 i T (14) 281,314 d T (15)
Os valores resultantes são adicionados ao controlador PID, projetado no CLP da bomba elétrica e, então, posto a funcionar. Como toda a abordagem foi feita sobre a bomba já em funcionamento, no momento em que a máquina é ligada, deve-se esperar que a mesma entre em estabilidade por si só e, então, aplicar o controlador desenvolvido. Os resultados desta aplicação serão explanados posteriormente.
O método LGR nos dá um pontapé inicial para a sintonização do controlador, e a partir dos ganhos obtidos pode-se realizar ajustes in loco para a correção e melhoria do resultado final.
4.3.2 Análise dos resultados
Com os resultados obtidos através da modelagem matemática, alguns pontos precisam ser levantados em conta para justificar a diferença obtida perante as especificações da operada da usina:
4.3.2.1 Ruídos em sensores de medições
A válvula que controla a vazão de água para a caldeira possui uma folga em sua estrutura de abertura e fechamento que causa variações nas medições, o que resulta nas oscilações no gráfico do supervisório e, assim, leituras imprecisas dos dados (ruídos). Essas leituras se refletem na obtenção dos valores para a modelagem da função de transferência utilizada para os estudos, causando uma queda na precisão entre o modelo e a planta real. Vale ressaltar que a parcela derivativa do controle desenvolvido é sensível a alterações em alta frequência. Mudanças bruscas de leitura podem fazer com que o fator derivativo tente corrigir os ruídos, causando uma instabilidade em todo o sistema. Felizmente, a variação das leituras obtidas frente a ação de controle do CLP elimina essa hipótese.
4.3.2.2 Baixa taxa de amostragem
O supervisório da empresa mostra a situação e comportamento da usina em tempo real. Para obter os pontos necessários para modelar a função de transferência da bomba elétrica, foi observado seu comportamento em um determinado período de tempo frente à uma mudança de comportamento, coletando três amostras por minuto durante o tempo de análise. O resultado disso foi uma função de transferência que reflete em 69,01% a realidade da planta. É importante salientar que o supervisório entrega uma baixa taxa de amostragem ao usuário a fim de não saturar a capacidade de armazenamento do banco de dados da usina fora do tempo previsto. É configurado por padrão em apenas três amostras por minuto, sendo que o CLP de controle opera numa taxa de aquisição de dados de 10 milissegundos. Como a coleta de amostras do CLP é muito menor do que as amostras entregue ao usuário e menor que a constante de tempo do sistema, a aproximação de controle digital em tempo contínuo torna-se válida.
Mesmo com ressalva de limitação do banco de dados, após os ensaios na máquina, foi questionado aos operadores da usina se poderia ser aumentado a taxa de amostragem do supervisório, com resposta afirmativa. Essa observação será levada adiante para um futuro teste na turbo bomba, ou até mesmo para a reelaboração deste trabalho, a fim de modelar de forma mais fiel o sistema de controle.
4.3.2.3 Aproximação das equações para sistemas de segunda ordem
Nise (2012) mostra a forma padrão de um sistema de segunda ordem pela equação abaixo, sendo C(s) o sinal de saída e R(s) o sinal de entrada:
( ) ( ) ² 2 ² n n n C s R s s (16)
Por comparação à equação (1), algumas diferenças nítidas são percebidas: o fator
n
presente no numerador e do denominador são diferentes e o produto 2n que é obtido pelos resultados dos cálculos é diferente do mostrado na equação aproximada pelo software. Para sistemas de segunda ordem cujas funções de transferência são diferentes da equação (11), as curvas de resposta ao degrau unitário podem ser diferentes daquelas esperadas (OGATA, 2010, p.169).
O tempo de acomodação é necessário para a curva de resposta chegar e manter-se em um intervalo (geralmente de 2% ou 5%) do valor final, como mostra as equações (17) e (18) (OGATA, 2010, p.170). Dependendo da complexidade do sistema, essa diferença do critério de intervalo pode ter uma grande variação. Nesta pesquisa, foi usado o critério de 2%.
4 ( 2%) s n t critério de (17) 3 ( 5%) s n t critério de (18)
Vale ressaltar que algumas considerações são feitas para a aproximação das equações de t .Toda a dedução, aproximações e análise dos resultados estão presentes na s
obra de NISE, Norman S. Engenharia de sistemas de controle. 6 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2012, utilizada como referência ao longo deste trabalho.
Foi considerado a ideia de que o numerador da equação (1) foi multiplicado por fator K de ganho, e isolado da função para que os termos no numerador e no denominador fossem iguais, conforme a equação (16). Simulando os resultados com esse artifício matemático, a resposta ao degrau unitário da função não foi diferente do comportamento obtido nos estudos originais na equação (1).
Por fim, o LGR aumenta o grau do sistema para a elaboração do compensador. Embora as equações descritas anteriormente sirvam para sistemas de segundo grau, quando se aumenta o número de polos devido ao método, ainda pode-se fazer o uso das equações anteriores, lembrando que o resultado pode divergir do esperado, dentro de uma margem de erro aceitável para o controle do sistema.
4.4 PROJETO DE INFRAESTRUTURA
O objetivo nesta etapa da pesquisa é elaborar um projeto de instalação elétrica industrial para orientar a equipe de execução durante o período da obra. A infraestrutura contempla desde o dimensionamento de leitos de cabos, eletrocalhas, eletrodutos, cabeamentos de força e controle até os típicos de montagem. O projeto deve ser de fácil interpretação e trazer apenas as informações necessárias para a instalação, como: diâmetro do eletroduto, quantidade de cabos, elevação da instalação, etc...
Durante a elaboração do projeto, mostrou-se necessário fazer um estudo minucioso da instalação física dos equipamentos, afim de não impedir a manutenção de outros dispositivos.
4.5 PRÉ COMISSIONAMENTO
O objetivo desta etapa é certificar-se de que os instrumentos estão devidamente instalados. É o momento de ir a campo inspecionar a instalação física dos instrumentos, isto é: verificar a posição onde está fisicamente instalado; assegurar se está conectado mecanicamente às tomadas de pressão; certificar se as ligações elétricas estão corretas e garantir que o instrumento esteja devidamente aterrado.
A etapa de pré-comissionamento deve ser realizada acompanhando um procedimento padronizado para a inspeção da instalação física dos instrumentos. Uma das
finalidades desta etapa é minimizar a possibilidade de problemas durante o comissionamento dos instrumentos que, geralmente, ocorre em conjunto com testes em equipamentos, não admitindo problemas decorrentes da instalação.
4.6 COMISSIONAMENTO
O comissionamento vai controlar todo o sistema instalado, verificando se tudo está no lugar certo, atendendo os diagramas funcionais, ou seja, vai garantir que a informação de cada instrumento seja exibida corretamente e em sua respectiva posição no sistema supervisório.
Para isto, é imprescindível energizar individualmente cada instrumento e conferir sua indicação no supervisório. Após isto, é necessário o sinal para calibração do instrumento e conferir sua indicação no supervisório. Segundo o Quality Plan (2010), geralmente, a verificação de calibração é efetuada em cinco pontos de sua escala e normalmente se utiliza 0% (zero), 25% (vinte e cinco), 50% (cinquenta), 75% (setenta e cinco) e 100% (cem).
Esta etapa deve ser seguida rigorosamente, pois ao final do comissionamento a instalação dos instrumentos é considerada finalizada. Ao término do comissionamento, ou seja, após todos os instrumentos estarem aprovados para regime de operação, tem-se a liberação do equipamento para o uso.
4.7 PARTIDA INICIAL
Nesta etapa, são ligados os equipamentos respeitando a sequência de início de operação e já se efetua a sintonia dos controladores associados a cada equipamento. Após todos os equipamentos e suas malhas de controle estar em operação normal e dentro dos limites operacionais estabelecidos, o equipamento pode operar em regime de trabalho normalmente.
5 VALIDAÇÃO DOS RESULTADOS
A usina disponibilizou um rápido teste de controle no período de entrada da mesma no sistema. Foi, então, alterado os valores anteriores do controlador PID da bomba elétrica e substituídos pelos valores obtidos anteriormente, como mostra a figura abaixo.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018
Os Gráfico 6 e Gráfico 7 mostram, respectivamente, a entrada da usina em controle manual e com controle automático. A linha azul representa a rotação da bomba e a linha em vermelho a pressão de descarga da mesma.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018.
Gráfico 6 - Pressão de saída e velocidade de rotação da bomba em controle manual Figura 27 - Configuração de controle automático
Fonte: Elaboração dos autores, 2018
Observa-se no período onde a pressão se estabiliza: neste momento, o controlador projetado neste trabalho atua e regula a pressão de saída da bomba. As oscilações de pressão que se verifica acima são oriundas dos ruídos de medição da válvula atuadora. As datas mostradas nos gráficos anteriores estão equivocadas, devido a um problema relacionado ao horário de verão. O supervisório mostrou de forma errada, porém, o intervalo de tempo de um ponto a outro permanece correto. O Gráfico 8 mostra o sistema ajustado pelo PID projetado.
Fonte: Elaboração dos autores, 2018. Gráfico 8 – Sistema controlado
No primeiro patamar, a bomba elétrica está em funcionamento de modo manual. A partir do segundo patamar, na altura do primeiro ponto em verde no gráfico, em torno de 16:30h, entra em atuação o controlador e a bomba passa a operar em modo automático pela primeira vez desde o comissionamento da usina. A próxima etapa seria alterar a pressão desejada para visualizar o comportamento do sistema em controle automático, mas foi negado pela operação da usina, devido a outros critérios internos da planta.
Este teste e testes futuros da bomba elétrica servirão para sintonizar ainda mais os ganhos do controlador para ser posteriormente replicados na turbo bomba, no seu devido tempo.
6 CONCLUSÃO
As etapas de modernização do sistema de controle do processo de alimentação d’água de uma usina termoelétrica a carvão podem ser devidamente especificadas e descritas em forma de relatório, podendo servir de base referencial para futuras ações neste sentido. Usinas a carvão no mundo inteiro têm priorizado a eficiência energética e um trabalho desse porte se faz necessário.
As unidades 1 e 2 da Usina Jorge Lacerda A são as mais antigas do complexo, com tecnologia da década de cinquenta ainda em funcionamento. Os equipamentos contemplados neste estudo, tanto à turbo bomba quanto à bomba elétrica, são consideradas um ícone imprescindível no processo da atividade de geração de energia, uma vez que desempenham um papel essencial no ciclo Rankine. O funcionamento contínuo desses equipamentos é um pré-requisito básico para o bom desempenho das demais atividades.
Especificamente nas unidades 1 e 2, as bombas apresentam desgastes em vários componentes, onde a manutenção preventiva e corretiva já não implica em resultados positivos para a operação. Verificou-se que o uma das razões do controle não operar em modo automático seria devido a estes desgastes, uma vez que o controlador do equipamento não mais opera nas condições para o qual foi projetado. A modernização do sistema de controle destas bombas foi uma necessidade que não poderia ser mais adiada. Assim, foi desenvolvido um projeto, contendo as etapas envolvidas no processo de modernização. Tendo em vista que este é um projeto-piloto e que as unidades 1 e 2 da usina foram pioneiras no desenvolvimento dessa inovação, as etapas para a atualização foram construídas pelo corpo técnico com base nos referenciais existentes e na experiência profissional apresentada nesse contexto. Constatou-se que os novos ajustes de controle aplicado à bomba elétrica, que futuramente será replicado à turbo bomba, trazem vantagens nos segmentos de produção e de economia, pois os equipamentos passam a funcionar de forma mais eficaz e, consequentemente, elevam os potenciais do produto final.
Para cada etapa da modernização do sistema de controle das bombas, uma série de estudos e registros precisaram ser levantados: análise técnica do projeto, equipamentos a serem utilizados, desenvolvimento de um novo controlador e entre outros já descritos ao longo deste trabalho. Esses são fundamentais para o desenvolvimento teórico e posteriormente sua aplicação. Este trabalho resultou em um avanço de grandes proporções no funcionamento da usina, uma vez que até hoje a bomba elétrica nunca havia funcionado automaticamente, sendo as variações corrigidas manualmente pelos operadores.
Desta forma, foi possível formalizar o desenvolvimento deste trabalho, considerando-o como uma ferramenta de referência para as futuras ações neste sentido. Prevê-se a implementação desPrevê-se projeto na turbo bomba e, posteriormente, um estudo de eficiência energética do sistema, uma vez que a máquina utiliza vapor que seria encaminhado à turbina geradora de energia.
