UNIVERSIDADE CANDIDO MENDES PÓS-GRADUAÇÃO LATO SENSU FACULDADE INTEGRADA AVM

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1 UNIVERSIDADE CANDIDO MENDES PÓS-GRADUAÇÃO LATO SENSU FACULDADE INTEGRADA AVM Importância da qualidade da informação técnica para a determinação da potência dos geradores de energia elétrica a serem instalados em um navio da Marinha do Brasil. Por: José Ricardo Passos Filho Orientador NELSOM JOSÉ VEIGA DE MAGALHÃES Rio de Janeiro 2011

2 2 UNIVERSIDADE CANDIDO MENDES PÓS-GRADUAÇÃO LATO SENSU FACULDADE INTEGRADA AVM Importância da qualidade da informação técnica para determinação da potência dos geradores de energia elétrica a serem instalados em um navio da Marinha do Brasil. Apresentação de monografia à Universidade Candido Mendes como requisito parcial para obtenção do grau de especialista em Engenharia de Produção. Por: José Ricardo Passos Filho

3 3 AGRADECIMENTOS...aos amigos, professores e colegas do Curso de Engenharia de Produção e da Diretoria de Engenharia Naval.

4 4 DEDICATÓRIA... ao meu pai José Ricardo (In Memoriam), à minha mãe Ormezinda (In Memoriam) e à minha mulher Cláudia Márcia e, principalmente, a Deus pois sem ele nada é possível.

5 5 RESUMO A presente pesquisa monográfica pretende focalizar como, durante as diversas fases do projeto de um novo navio para a Marinha do Brasil, as informações relativas às potências dos equipamentos consumidores de energia elétrica que serão instalados neste navio, refletem na adequada seleção da potência dos geradores de energia elétrica que serão adquiridos para o mesmo. Será apresentado de forma genérica o processo de análise da demanda de energia elétrica através da qual a potência dos citados geradores será definida. Serão tratadas aqui alguns aspectos relativos às diversas normas técnicas utilizadas para os cálculos dessa demanda de energia e as principais diferenças entre as configurações que podem compor o sistema de geração de energia elétrica de um navio.

6 6 METODOLOGIA A metodologia utilizada neste trabalho constituiu-se de estudos e da utilização dos procedimentos para determinação da potência de grupos diesel-geradores que foram instalados em diversos navios da Marinha do Brasil, conforme a metodologia presente em normas técnicas, as quais são citadas na bibliografia do presente trabalho.

7 7 SUMÁRIO INTRODUÇÃO... 8 CAPÍTULO I - Histórico CAPÍTULO II - O Processo de Execução da Análise de Demanda CAPÍTULO III - A Seleção da Potência do Grupo Diesel-Gerador CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA CITADA ANEXOS ÍNDICE... 26

8 8 INTRODUÇÃO Esta monografia apresenta como tema de estudo a Importância da qualidade da informação técnica para determinação da potência dos geradores de energia elétrica a serem instalados em navios de superfície para a Marinha do Brasil. Para a determinação, durante a fase de projeto, da potência dos geradores de energia elétrica que serão instalados em um navio para a Marinha do Brasil, segue-se um processo denominado "Análise da Demanda de Energia Elétrica", também chamado de "Análise de Carga" ou "Balanço de Carga". Em quase a sua totalidade, os navios da Marinha do Brasil utilizam para a geração de energia elétrica consumida a bordo, equipamentos denominados Grupos Diesel-Geradores, constituídos por um conjunto formado por um gerador acionado mecanicamente por um motor diesel. A capacidade do sistema de geração é um fator dominante na determinação do peso e das dimensões dos grupos dieselgeradores, e conseqüentemente do espaço que estes virão a ocupar no navio, influenciando também nos requisitos de dimensionamento dos dispositivos de proteção necessários à segurança do sistema de distribuição de energia elétrica. Portanto, todo o processo, desde a obtenção das informações referentes aos equipamentos consumidores de energia elétrica, a Especificação de Aquisição até a entrega dos Grupos Diesel-Geradores ao estaleiro construtor do navio ou aquisição pelo estaleiro construtor, visa entre

9 9 outros requisitos, a adequada definição da potência do equipamento, possibilitando a sua operação dentro das margens de melhor rendimento do equipamento, permitindo assim sua utilização dentro das condições previstas em projeto, e aumentando os intervalos entre manutenção, principalmente do motor diesel. Esta monografia se fundamenta em como as informações obtidas durante as diversas fases do projeto do navio influencia na adequada definição das máquinas que serão utilizadas a bordo do navio para gerar energia elétrica a fim de suprir a demanda de energia elétrica aos seus consumidores.

10 10 CAPÍTULO I Histórico...Deus é maior que todos os obstáculos. Quando a Marinha necessita de novo navio, seja ele uma Fragata, uma Corveta, um Rebocador, um navio de pesquisa ou para manutenção do sistema de sinalização das vias de navegação marítimas ou fluviais, pode optar por projetá-lo ou adquirir um já pronto. Caso a opção escolhida seja o projeto, qualquer que seja o tipo de navio, é necessário definir como serão os diversos sistemas existentes a bordo (sistema de propulsão, sistemas auxiliares, sistema de eletricidade, armamento, etc). Cada tipo de navio opera de acordo com um conjunto de condições de operação. Cada uma dessas condições implica em um valor de demanda de energia, visto que em cada uma delas exige um certo conjunto de equipamentos consumidores de energia elétrica. Selecionar o gerador com uma potência correta que atenda aos valores de demanda de energia elétrica operação funcionando na sua faixa ótima de operação é o desejo de todos os envolvidos na aquisição e utilização dos equipamentos. Entretanto, quando se inicia o projeto de um novo navio as potências dos equipamentos que serão utilizados são estimativas baseadas em equipamentos utilizados em outros navios semelhantes. De acordo com o avanço do projeto, os valores da potência de cada um equipamentos que serão utilizados são mais

11 11 precisamente definidos, até que eles são adquiridos e os seus consumos elétricos são completamente confirmados de acordo com as informações dos seus fabricantes. O ideal seria aguardar que todos os equipamentos do navios fossem adquiridos e, então, tivéssemos suas potências exatas, entretanto como isto não é possível, pois, entre outros, são condicionantes na aquisição do gerador com a potência mais adequada para o navio: - o cronograma de construção, que exige que os geradores estejam disponíveis para instalação numa determinada época; - o prazo exigido pelo fabricante do gerador para a fabricação e a entrega dos geradores, o que se reflete no cronograma acima citado; As informações referentes às potências dos consumidores são fundamentalmente importantes na definição das potências dos geradores, pois a determinação da capacidade do sistema de geração do navio definirá, além de outros dados, o espaço a ser ocupado no navio pelos geradores e o peso dos mesmos. Se os geradores tiverem suas potências definidas muito abaixo do necessário e, posteriormente, a necessidade apresentada for um gerador com potência muito superior, o navio permanecerá com déficit de energia elétrica para atender seus consumidores. Caso se selecione máquinas com potência muito acima da necessária, isto resultará em espaço ocupado e peso excessivos, custos desnecessários na aquisição dos equipamentos e, posteriormente, em componentes necessários para manutenção, consumo extra de combustível, etc;

12 12 Outra situação que pode ocorrer é a substituição do sistema de geração de energia elétrica de um navio já em operação. Neste caso, podem ocorrer duas situações: a) Os grupos diesel-geradores em uso no navio estão obsoletos e necessitam substituição por estarem avariados ou, nos períodos de sua manutenção, os sobressalentes a serem substituídos não se encontram mais disponíveis no mercado, fazendo que o reparo ou manutenção das máquinas seja muito caro devido aos componentes necessários para a manutenção estarem disponíveis em poucos fornecedores ou até mesmo inviável devido à falta de componentes. b) A demanda de energia elétrica do navio cresceu além da capacidade do sistema de geração devido à instalação de novos consumidores ou substituição destes por outros de maior potência. Nesta situação, geralmente a execução da Análise da Demanda não é exigida, pois no caso de geradores avariados ou obsoletos, estes são substituídos por outros de mesma potência, e no caso de aumento da demanda de energia, os navios dispõem de registros do consumo de energia elétrica e o dimensionamento dos novos geradores é feita por intermédio destes registros. O capítulo II apresenta o procedimento utilizado para a execução da análise da demanda de energia elétrica para um navio da Marinha do Brasil.

13 13 CAPÍTULO II O Processo de Execução da Análise de Demanda O processo de execução da análise de demanda inicia-se coletando-se as informações relativas aos equipamentos consumidores de energia elétrica que serão instalados no navio. De posse dessas informações, os equipamentos são relacionados, agrupados de acordo com o sistema a que pertencem em uma tabela, através da qual serão calculadas as demandas em cada uma das condições de operação do navio. O anexo 1 apresenta um modelo dessa tabela. Após se selecionar a norma que será utilizada para a execução da análise da demanda, aplica-se ao valor de potência de cada um dos consumidores um fator denominado "Fator de Utilização", obtendo-se a contribuição de cada consumidor na demanda de energia elétrica do navio em cada uma das suas condições de operação. Cada uma das normas utilizadas para a execução da análise da demanda possui uma peculiaridade. A norma americana DDS têm seus fatores de utilização representados como percentuais de um período de tempo, variando de 0 a 90%. Por exemplo, equipamentos do sistema de ventilação operam durante 90% do tempo considerado para o 1 Department of the Navy - Naval Ship Engineering Center, DDS Design Details of Generating Plants, 1 May 1970, página 2

14 14 funcionamento dos geradores do navio, ou seja, a demanda de energia elétrica considerada para esse tipo de consumidor será igual a 90% da potência do equipamento, para equipamentos, equipamentos dos sistemas de iluminação, semelhantemente aos equipamentos de ventilação, tem seus fatores de utilização variando de 40% a 90%. Assim por diante, cada tipo de equipamento tem seus fatores de utilização listados nessa norma. Após a aplicação dos fatores indicados pela norma obtém-se a demanda de energia elétrica em cada condição de operação do navio. A norma alemã BV-30 2 apresenta seus fatores de utilização considerando os equipamentos "operando (fator = 1)" ou "não operando (fator = 0)". Após a aplicação dos fatores indicados pela norma sobre os valores das potências de cada um dos consumidores listados, obtém-se um somatório de potência. Para se determinar a demanda de energia elétrica em cada condição de operação do navio, sobre esse somatório deverá ser aplicado um outro fator denominado "fator de simultaneidade" que determina o grau de simultaneidade de funcionamento de consumidores que poderá ocorrer durante o período de funcionamento dos geradores. A versão atualizada desta norma em utiliza um procedimento semelhante ao da sua versão de 1979, entretanto, nesta nova versão os consumidores são reunidos em grupos de acordo com o seu tipo de serviço, por exemplo, "propulsion at the highest rate of speed during battle condition", "propulsion at the 2 BV-30 Chapter 3002 Specifications for the Construction of Federal German Navy Vessels Electrical System Planning and General Guidelines Electric Power Demand/Electric Load Analysis, September/1979, página 13 3 Federal Office of Defense Technology and Procurement, Construction Regulations for German Navy Ships Electrical Systems on Surface Combatants; Planning and General Guidelines - Section 4 - Power Demand/Electric Load Analysis, 05/2003, Apêndice 1, página A1-1

15 15 lowest rate of speed during exercise cruising condition" "other loads during battle condition" "other loads during exercise cruising condition", etc, e para cada um destes grupos existe um fator denominado "fator de coincidência". A norma brasileira ABNT-NBR também utiliza um procedimento que reúne os consumidores em grupos de acordo com o seu tipo de serviço, por exemplo, "sala de máquinas", "cozinha", "oficinas", etc, devendo, no entanto, ficar a cargo do executor da análise de demanda definir quais os consumidores que funcionam (fator de utilização igual a 1) e quais não funcionam fator de utilização igual a 0). Para cada um destes grupos existe um fator de simultaneidade diferente, obtendo-se assim os valores de demanda de cada grupo aplicando ao somatório deste, o respectivo fator. Os resultados encontrados são somados obtendo-se, a demanda total. Além dos fatores de utilização e de simultaneidade, existem dois outros fatores denominados "fator de crescimento de projeto" e "fator de crescimento futuro". O fator de crescimento de projeto é utilizado nas fases iniciais do projeto com a finalidade de compensar as incertezas nos valores de potências dos equipamentos que serão utilizados no navio. O fator de crescimento futuro prevê um crescimento da demanda, após o navio entrar em operação, devido a instalação de novos consumidores. 4 Associação Brasileira de Normas Técnicas, NBR Execução de Balanço Elétrico, Nov/1982, página 7

16 16 Outras normas existem, além daquelas citadas acima, para execução da análise da demanda de energia elétrica de navios, tais como normas inglesas, japonesas, etc. Para a execução da Análise de Demanda podem ser utilizadas quaisquer dessas normas. Quando o projeto do navio é executado pela própria Marinha são utilizadas a norma americana ou a norma alemã. A norma brasileira é mais adequada para a construção de navios mercantes, entretanto, quando o navio para a Marinha é construído em estaleiro privado, esta norma poderá vir a ser utilizada. Os fatores de utilização e de simultaneidade indicados para cada uma das condições de operação do navio em cada uma das normas acima citadas foram determinados como resultado da experiência na execução de cálculos de demanda de diversos projetos, entretanto, esses valores podem variar devido as variações nas condições de serviço e tipo do navio ao qual serão aplicados. Portanto essas listas deverão ser utilizadas apenas como um guia na escolha desses fatores na preparação da análise da demanda e conseqüente seleção dos geradores que serão instalados a bordo. Os fatores listados nas tabela fornecidas por essas normas devem ser utilizados apenas como orientação, não devendo impedir o exercício do bom senso quando a experiência indica circunstâncias especiais para modificar esses fatores.

17 17 CAPÍTULO III A Seleção da Potência dos Grupos Diesel-Geradores Após a seleção da norma que será utilizada e da execução do procedimento descrito no capítulo anterior obtendo-se os valores da demanda de energia elétrica do navio em cada uma das suas condições de operação, o passo seguinte é determinar-se qual a potência do gerador que será utilizado. Para isso deve-se levar em consideração a quantidade de geradores que o navio possuirá e quantos geradores deverão funcionar simultaneamente em cada uma das suas condições de operação. O número e a potência dos grupos geradores e o projeto do sistema de geração será determinado pelas funções, características gerais e operacionais do navio. Não é possível definir regras rígidas e rápidas sobre essas questões. Existirão, usualmente, diversas combinações de número e potência de grupos geradores que atenderão as demandas nas diversas condições de operação do navio, entretanto considerações deverão ser feitas antes de serem tomadas as decisões sobre o melhor arranjo a ser utilizado. Adiante são apresenta algumas das vantagens e desvantagens relativas em se utilizar uma configuração com um grande número de pequenos grupos de geradores ou uma configuração com um pequeno número de grupos de geradores de grande potência:

18 18 Grande número de pequenos grupos de geradores a. O carregamento individual dos grupos pode ser otimizado. b. Grande flexibilidade na operação do sistema de geração. c. Utilização pouco econômica do espaço nas Praças de Máquinas, mas uma flexibilidade maior na localização dos grupos geradores dentro do espaço disponível. d. Problemas na partida de grandes motores. e. Pequena perda na capacidade de geração no caso de falha de alguma das máquinas. f. Maior complexibilidade nos requisitos dos quadros elétricos5. g. Geralmente mais grupos geradores operando ao mesmo tempo resulta em aumento na necessidade de serviços e componentes para manutenção. Pequeno número de grandes grupos de geradores a. Maior dificuldade em se otimizar o carregamento sobre cada grupo. 5 Quadros elétricos são equipamentos responsáveis pelo recebimento da energia elétrica gerada pelos grupos geradores do navio, executar o controle desses equipamentos e distribuir a energia para os diversos consumidores de bordo.

19 19 b. Pouca flexibilidade na operação do sistema de geração. c. Utilização mais econômica do espaço nas Praças de Máquinas, mas a localização dos grupos geradores dentro do espaço disponível é mais restrita. d. Os problemas na partida de motores é minimizado. e. Grande perda na capacidade de geração no caso de falha de alguma das máquinas. f. Simplificação nos requisitos dos quadros elétricos. g. Demandas que resultem no funcionamento abaixo de 25% da potência nominal de um grupo, refletem em redução no intervalo entre manutenções dos motores diesel acionadores dos geradores devido a causarem carbonização nestes motores quando trabalhando durante grandes períodos em baixa carga, aumentando também o consumo de combustível devido ao regime de trabalho em uma faixa de baixo rendimento. A maneira usual de se atender os diversos valores de demanda nos navios da Marinha é a utilização de mais de um gerador funcionando ao mesmo tempo, ou seja, quando o valor da demanda está num patamar mais baixo, utiliza-se apenas uma unidade, quando a demanda alcança valores mais altos, um segundo gerador entra em operação. Em alguns casos podem ser utilizados sistemas de geração que possuem geradores de potências diferentes entre si, e desta maneira atender os diversos valores de demanda de energia elétrica.

20 20 CONCLUSÃO Este trabalho monográfico se propôs a apresentar como a qualidade das informações disponíveis para execução do cálculo da demanda de energia requerida para o dimensionamento dos grupos diesel-geradores a serem instalados em um navio para a Marinha do Brasil, e que proverão alimentação elétrica para os consumidores instalados nesse navio. Estas informações influenciam na seleção das unidades geradoras de energia elétrica no que tange a potência, dimensões, peso, custos de aquisição dos equipamentos e de sobressalentes para reparo e de componentes para manutenção, etc. capítulos: Para atingir o objetivo proposto, este trabalho foi dividido em três O primeiro capítulo apresentou um breve histórico sobre as normas utilizadas para execução do cálculo da demanda de energia elétrica, incluindo as principais diferenças entre elas; No segundo capítulo desta pesquisa foi vista o procedimento da execução da análise da demanda de energia. Com relação ao terceiro capítulo passo procurou-se mostrar como é feita a seleção dos grupos geradores que serão utilizados e as vantagens e desvantagens das diversas configurações, em função da quantidade de grupos geradores, que poderão ser utilizadas no sistema de geração de energia elétrica do navio.

21 21 Com base no exposto, esta pesquisa monográfica ratifica o pressuposto aqui assumido de que a qualidade da informação, ou seja, que os valores informados para a potência dos equipamentos elétricos a serem instalados em seus navios, está diretamente relacionada com a seleção mais adequada dos grupos geradores que serão escolhidos para um navio em projeto para a Marinha do Brasil.

22 22 BIBLIOGRAFIA CITADA ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS, NBR Execução de Balanço Elétrico, Nov/1982. DEPARTMENT OF THE NAVY - NAVAL SHIP ENGINEERING CENTER, DDS Design Details of Generating Plants, 1 May FEDERAL OFFICE OF DEFENSE TECHNOLOGY AND PROCUREMENT, BV-30 Chapter 3002 Specifications for the Construction of Federal German Navy Vessels Electrical System Planning and General Guidelines Electric Power Demand/Electric Load Analysis, September/1979,. FEDERAL OFFICE OF DEFENSE TECHNOLOGY AND PROCUREMENT, Construction Regulations for German Navy Ships Electrical Systems on Surface Combatants; Planning and General Guidelines - Section 4 - Power Demand/Electric Load Analysis, 05/2003.

23 23 ANEXOS Índice de anexos Anexo 1: Tabela para execução da Análise de Demanda de Energia Elétrica

24 Anexo 1: Tabela para execução da Análise de Demanda de Energia Elétrica 24

25 25 ÍNDICE FOLHA DE ROSTO... 2 AGRADECIMENTO... 3 DEDICATÓRIA... 4 RESUMO... 5 METODOLOGIA... 6 SUMÁRIO... 7 INTRODUÇÃO... 8 CAPÍTULO I Histórico CAPÍTULO II O Processo de Execução da Análise de Demanda CAPÍTULO III A Seleção da Potência dos Grupos Diesel-Geradores CONCLUSÃO BIBLIOGRAFIA CITADA ANEXOS ÍNDICE... 26