8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007

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1 8º CONGRESSO IBEROAMERICANO DE ENGENHARIA MECANICA Cusco, 23 a 25 de Outubro de 2007 DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE CONTROLE AUTOMÁTICO PARA UMA CENTRAL DE COGERAÇÃO COM MICROTURBINA A GÁS E CHILLER DE ABSORÇÃO Cláudio M. S.*, André L. S. P., Osvaldo J. V., Manuel A. Rendón * Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI, Avenida BPS, 1303 Itajubá (MG) CEP *clmesilva@yahoo.edu.br: RESUMO As centrais de cogeração constituídas de microturbinas e equipamento de refrigeração (chillers) por absorção, estão sendo considerados cada vez mais como uma alternativa viável para geração simultânea de eletricidade e frio em diferentes instalações no Brasil. Elas estão se tornando atrativas, especialmente pela economia de energia, devido à possibilidade de recuperação de calor dos gases de exaustão da microturbina, e pela recente descoberta de novas jazidas de gás natural no país. Porém durante a operação de centrais deste tipo, há dificuldades em controlar as variáveis de processo, mantendo-as estáveis, em níveis seguros e com controle total do processo. Por esta razão, o objetivo deste trabalho é desenvolver um modelo de um sistema de controle automático, para o monitoramento de uma central de cogeração instalada nos laboratórios da Universidade Federal de Itajubá (UNIFEI). Esta central é constituída de uma microturbina a gás Capstone (30 kwe), um recuperador de calor e um chiller de absorção de vapor de LiBr-H 2 O (35 kwt). O sistema de controle desenvolvido neste trabalho permitirá obter maior confiabilidade da instalação e melhor qualidade dos dados aquisitados nos experimentos realizados, demonstrando detalhes de desempenho, características de operação e limites de funcionamento típico, considerando o mercado de energia brasileiro. Palavras chaves: cogeração, chiller de absorção, microturbinas, controle automático. Código 1342

2 INTRODUÇÃO As recentes crises causadas pela escassez de energia, somadas a um cenário de necessidade de controle da poluição e degradação ambiental, intensificam o interesse no estudo da economia da energia primária, o que pode ser obtido a partir da recuperação de energia residual (calor) de processos de geração de eletricidade, integrando sistemas de cogeração. Os sistemas de cogeração compostos de microturbinas a gás e equipamentos de refrigeração por absorção, mais especificamente os chillers, vêm se destacando neste sentido. Importantes estudos têm sido desenvolvidos sobre estes sistemas, dentre os quais se pode citar: Giffone [1] apresenta um modelo que avalia o desempenho dos sistemas de controle de uma central de cogeração constituído por 3 caldeiras com capacidade de 300 t/h de vapor e 2 turbinas a vapor, com capacidade de 130 MWt. Foi desenvolvida uma análise do comportamento transitório do regulador de tensão (controle da tensão e de fator de potência), concluindo que a resposta ao degrau do regulador de tensão operando em controle do fator de potência possui um erro superior ao mesmo regulador operado em controle de tensão. Mehrabian e Shahbeik [2] apresentam o desenvolvimento de um modelo matemático para um sistema de refrigeração por absorção de vapor, do tipo LiBr-Água de único efeito, o qual, segundo os autores, pode ser utilizado para avaliar o desempenho de novos sistemas, bem como otimizar sistemas existentes. Ho et al [3] apresentam resultados de testes realizados num sistema de cogeração constituído por uma microturbina a gás de 30 kwe e um sistema de refrigeração por absorção de vapor, do tipo LiBr-Água, simples efeito, de 10 TR de capacidade frigorífica. São fornecidos dados para a microturbina operando com cargas de 8, 16 e 24 kwe, obtendo um valor máximo de COP do chiller de 0.56 e eficiência do sistema de cogeração de 46 %. Outros autores apresentam conceitos e discussões sobre as técnicas de aproveitamento do calor residual de sistemas de geração de energia, para geração de frio, dentre os quais pode-se citar: khan et al [4], Edera e Kojima [5], Mohanty e Paloso [6]. Assim, tendo em vista a crescente utilização dos sistemas de cogeração (microturbina + chiller de absorção), este trabalho apresenta o desenvolvimento do sistema de controle de uma central de cogeração projetada para a produção simultânea de eletricidade e frio utilizando gás natural como combustível. DESCRIÇÃO DO BANCO DE ENSAIO A central de cogeração instalada nos laboratórios de turbinas a gás do NEST (Núcleo de Estudo em Sistemas Térmicos da Universidade Federal de Itajubá) foi concebida para a produção de água gelada a partir da recuperação da energia dos gases de exaustão de uma microturbina a gás, sendo composta de uma microturbina Capstone modelo 330 (30 kwe, ISO), uma caldeira de recuperação, a qual produz aproximadamente 8 m 3 /h de água na temperatura de 90 ºC, a partir da troca de calor com os gases de exaustão da microturbina. A água quente produzida é utilizada como fonte de energia para acionar um sistema de refrigeração por absorção de vapor, do tipo LiBr-Água de único efeito, de 10 TR (35 kwt) de capacidade frigorífica, fabricado pela Thermax. Este sistema de refrigeração (chiller) é capaz de produzir 5,5 m 3 /h de água gelada a 7 ºC, quando operado na sua condição nominal. A água gelada produzida no chiller é direcionada para um reservatório onde se encontram instaladas resistências elétricas de imersão, que permitem a simulação da aplicação de uma carga térmica sobre o chiller. A Fig. 1 apresenta a central de cogeração, onde pode ser observada a microturbina a gás (1), a caldeira de recuperação (2) e o chiller (3).

3 3 2 1 Fig. 1: Central de cogeração. Dados como, pressão, temperatura e vazão de entrada e saída dos gases de exaustão da microturbina, entrada e saída da água da caldeira de recuperação, entrada e saída do chiller de absorção, foram coletados durante o ensaio, utilizando o software Elipse Scada. Fig. 2: Esquema da montagem, da instrumentação e dos elementos de controle da central de cogeração DESCRIÇÃO DO SISTEMA DE CONTROLE A Fig. 2 apresenta um esquema da montagem, da instrumentação e os elementos de controle da central de cogeração avaliada neste estudo. O sistema de controle utilizado é constituído de um CLP modelo LC 700 SMAR, o qual tem função de monitorar 10 sensores de temperatura (TT1 a TT10), 3 sensores de vazão (TV1 a TV3) e 3 sensores de pressão (TP1 a TP3), sendo todos com transmissão 4 a 20 ma. Três controladores tipo single-loop, com

4 válvula de três vias e atuador elétrico auto-ajustável ML 7984 Honeywell (V1 ao V3). Um controlador de potência trifásico Watlow, com controle através de corrente (4 a 20 ma), tensão (0-10 V). Um CLP da Siemens que está instalado no chiller, o qual tem a função de controlar a válvula de bypass de água quente (V1). Conta-se ainda com um software de supervisão (Elipse Scada) que possui a função de disponibilizar na forma de telas gráficas as informações recebidas dos sensores, registrando-as e gerando relatórios. O sistema de controle da central de cogeração pode ser dividido em três subsistemas: microturbina, caldeira de recuperação e chiller de absorção. A microturbina possui o seu próprio sistema de controle, que regula a entrada de combustível para combustão em função da potência elétrica solicitada. A caldeira de recuperação também possui o seu próprio sistema de controle, o qual é constituído de um controlador que atua na abertura e fechamento de um damper interno, variando a vazão dos gases de exaustão provindos da microturbina. O sistema de controle do chiller é dividido em três malhas, água gelada, água quente e água de resfriamento. O sistema de controle da malha de água quente monitora a temperatura de saída da água gelada e, consequentemente capacidade do chiller, que é proporcional à diferença de temperatura da água no evaporador do chiller. Quando há variação na temperatura de saída da água gelada devido, por exemplo, a uma mudança na carga frigorífica, um sensor de temperatura (TT6) detecta esta variação e envia um sinal de 4 a 20 ma para o PLC do chiller. Este sinal é processado com referência ao set point de saída da água gelada e em seguida é enviado para a válvula (V1). O circuito eletrônico da válvula converte o sinal analógico de 4 a 20 ma em sinal de corrente continua, alimentando seu próprio motor, o qual movimenta sua haste controlando sua posição de abertura e fechamento. Quando a carga térmica aumenta, o controle da válvula abre, aumentando o fluxo de água quente para o chiller, quando a carga térmica é reduzida o controle da válvula fecha, efetuando o bypass do fluxo de água quente para a caldeira de recuperação. A malha de controle da água de resfriamento, também chamada de água de condensação, tem a função de controlar a temperatura da água na saída da torre de resfriamento. Este controle é constituído por um controlador tipo single-loop Honeywell com uma válvula de três vias e atuador elétrico auto-ajustável, ML 7984 Honeywell (V2), o qual tem a função de desviar a água da torre de resfriamento, através da válvula de três vias (V2), quando a temperatura da mesma estiver menor que a especificada no seu set point. O sistema de controle da carga térmica aplicada sobre o ciclo de refrigeração, foi concebido para monitorar a temperatura do retorno da água gelada. Este sistema é constituído por um controlador tipo single-loop Honeywell com uma válvula de três vias e atuador elétrico auto-ajustável ML 7984 Honeywell (V3), o qual tem a função de desviar a água gelada do banco de resistências, quando a temperatura da mesma estiver maior que a especificada no seu set point. O uso deste sistema permite, por exemplo, simular a carga térmica de um ambiente climatizado. DESCRIÇÃO DO ENSAIO Com a finalidade de obter os detalhes de operação e funcionamento da central de cogeração, iniciou-se o experimento com a microturbina operando com uma carga constante de 21 kwe, utilizando o gás natural como combustível. À medida que os gases de exaustão da microturbina forneciam calor para aquecer a água, na caldeira de recuperação, o sistema de vácuo do chiller foi ativado, para que o mesmo operasse com melhor desempenho. No momento que a temperatura da água na saída da caldeira de recuperação atingiu 70 ºC, foi iniciada a operação do chiller, pois esta temperatura é suficiente para iniciar o processo de evaporação do refrigerante (água) no seu gerador. Aguardou-se o instante em que a água gelada alcançasse a temperatura de 7 ºC, a qual é típica de uma instalação de condicionamento de ar para conforto térmico. A partir deste momento, foram coletadas as medidas mencionadas na descrição do banco de ensaio, obtendo-se a variação das mesmas em função do tempo. DESCRIÇÃO DO MODELO A modelagem do sistema foi desenvolvida utilizando o software MatLab, empregando a técnica conhecida como ARX, ou modelagem auto-regressiva com entradas exógenas. Os modelos ARX são séries temporais discretas, usadas em identificação de sistemas que modelam a relação entre a variável de entrada u (independente) e a de saída y (dependente), a partir de medições reais e subseqüente processamento, gerando um modelo matemático que represente o sistema dinâmico real.

5 Fig. 3: Esquemático da Identificação de Sistemas Pode-se observar na Fig. 3, um diagrama esquemático representando o processo de identificação de sistemas, através do qual se determina a relação entre a variável de entrada u (independente) e a de saída y (dependente). A Fig. 4, apresenta o sistema modelado, onde as variáveis de entrada são a vazão dos gases de exaustão da microturbina (u1) e a diferença de temperatura dos mesmos entre a entrada e saída do recuperador de calor (u2), e as variáveis de saída são a vazão de água gelada (y1) e variação da temperatura da mesma entre a entrada e saída do chiller (y2). Fig. 4: Sistema modelado Os dados obtidos no ensaio experimental foram inseridos no o ambiente de trabalho do software MatLab, utilizando-se a ferramenta System Identification, desse programa computacional, gerando um modelo de melhor performance. Um modelo mais simples e eficaz ARX encontrado foi o de regressão de ordem 1 nas entradas (u1 e u2), ordem 1 nas saídas (y1 e y2) e com atraso de segunda ordem, obtendo Ec. (1) os seguintes resultados: A 0* y( t ) + A1* y( t T ) An* y( t nt ) = B0* u( t ) + B1* u( t T ) Bm* u( t mt ) + e( t ) (1) Onde os valores dos coeficientes são: A 0 = A 1 = 0 1 B 0 = B 1 = B 2 = 1. 0e 003* O modelo utiliza a Ec. (2) para fazer o cálculo do índice de Best Fit que é um valor que relata a porcentagem em que os resultados obtidos a partir do modelo condizem com os dados reais. Con formato: Sangría: Primera línea: 0.4 cm ( Y YHAT ) FIT = 1 * 100 (2) ( Y Y ) ANÁLISE DOS RESULTADOS Os resultados da modelagem são apresentados de forma gráfica como pode-se observar a Fig. 5, apresenta a vazão de água gelada (y1) e da vazão dos gases de exaustão (u1), em função do tempo. A vazão dos gases de exaustão para a microturbina com uma carga constante de 21 kwe, permaneceram entre a faixa de 925 a 946 m 3 /h de gás de exaustão, já a vazão de água gelada variou no início, devido a partida do chiller e tempo em que a temperatura da água gelada saindo do chiller alcançasse o set point (7 ºC), pois a partir deste momento a variação da vazão permaneceu entre a faixa de 5 a 6 m 3 /h.

6 Fig. 5: Vazão de Água Gelada (y1) e vazão dos gases de exaustão (u1) em função do tempo A Fig. 6 apresenta a vazão de água gelada obtida a partir do ensaio experimental e a vazão da mesma obtida a partir do modelo em função do tempo. Como pode-se observar na Fig. 6, a comparação dos resultados do modelo com o resultado experimental, mostrou que o modelo tem um comportamento semelhante ao experimental, apresentando um valor de índice de Best Fit de 42.8 % para saída y1, que é a variável que representa as vazões de água gelada. Fig. 6: vazão da água gelada real e modelo em função do tempo A Fig. 7 apresenta a diferença entre as temperaturas da água no evaporador obtida a partir do ensaio experimental e a mesma obtida a partir do modelo em função do tempo, apresentando um valor de 53.2 % para índice de Best Fit, para a variável de saída y2, variável que representa a diferença entre as temperaturas de água no evaporador.

7 CONCLUSÕES Fig. 7: Diferença entre as temperaturas da água no evaporador, real e modelo em função do tempo O sistema de controle desenvolvido para esta central de cogeração, exerceu a função de controlar todas as variáveis apresentadas na descrição do banco de ensaio, de forma satisfatória, garantindo maior confiabilidade da instalação e melhor qualidade dos dados aquisitados. A comparação dos resultados obtidos a partir do modelo com os respectivos dados experimentais, Fig. 6 e Fig. 7, demonstra que o modelo tem um comportamento satisfatório, mostrando a tendência da central com resultados de grande valia para simulação desenvolvida. Os valores de Best Fit, mencionados na analise dos resultados, também apresentaram-se satisfatórios, sendo de 48.2 para saída y1 e 53.2 para saída y2, pois estes valores representam a porcentagem que o modelo condiz com os dados reais. REFERÊNCIAS 1. G. S. G. Miguel, Desempenho de Sistemas de Controle de Unidade Térmica, M.Sc. dissertação, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, M. A. Mehrabian y A. E. Shahbeik, Thermodynamic Modeling of a Single-effect LiBr-H2O Absorption Refrigeration Cycle. Energy Conversion and Management, vol. 44, pp , J. C. Ho, K. J. Chua e S. K. Chou, Performance Study of a Microturbine System for Cogeneration Application. Renewable Energy, vol. 29, pp , K. H. Khan, M. G. Rasul y M. M. K. Khan, Energy Conservation in Buildings: Cogeneration and Cogeneration Coupled With Thermal Energy Storage. Applied Energy, Vol. 77, pp , M. Edera y M.Kojima, Development of a New Gas Absorption Chiller Heater-Advanced Utilization of Waste Heat from Gas-Driven Co-Generation Systems for Air-Conditioning. Energy Conversion and Management, vol. 43, pp , B. Mohanty y, G. Paloso, Enhancing Gas Turbine Performance by Intake Air Cooling Using an Absorption Chiller. Heat Recovery Systems and CHP. Vol. 15, p , UNIDADES E NOMENCLATURA LiBr CLP TT Brometo de Lítio. Controlador Lógico Programável. Transdutor de Temperatura.

8 TV V Transdutor de vazão. Válvula de Três vias