V Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária

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1 V Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária Estudo de Caso: Substituição do sistema de controle de vazão de um insuflador de ar em túneis de um sistema de transporte de pessoas sobre trilhos.

2 OBJETIVO: Este trabalho consiste na comprovação teórica da viabilidade de mudança no sistema de controle de vazão de um insuflador de ar. Esse equipamento é utilizado para insuflar ar em túneis, de um sistema de transporte de pessoas sobre trilhos. Atualmente o motor do insuflador funciona com velocidade nominal e o controle da vazão é feito por variação nos ângulos das pás. A nossa proposta é a substituição do controle atual por um que utilize um conversor de freqüência. Com isso, poderemos obter a economia de energia elétrica, pois os ventiladores possuem característica de conjugado quadrático e são regidos pela lei da proporcionalidade. Essa lei nos diz que a vazão é proporcional à rotação. E a potência é proporcional à rotação elevada ao cubo. Por exemplo: ao reduzirmos a rotação em 20%, reduziremos a vazão em 20% também, mas a potência mecânica reduzirá 50%. Assim a potência elétrica também reduzir-se-á, levando em consideração o rendimento do motor em questão. RELEVÂNCIA: A conservação desempenha um papel importante no planejamento do setor elétrico, em função de duas características básicas: primeiro, os custos dos projetos para conservação de energia são significativamente inferiores ao custo da expansão do sistema elétrico e, segundo, o prazo do retorno do investimento e o prazo de maturação dos projetos são bastante reduzidos se comparados aos prazos de construção de usinas de geração, sejam térmicas ou hidrelétricas. Nas relações de comercio exterior, observa-se, cada vez mais, a importância crescente, no tocante à questão ambiental, nos protocolos dos acordos internacionais assinados pelos governos. Com a criação da série de Norma ISO 14000, surge um padrão de referência internacional, atuando como agente facilitador dessas transações comerciais, na questão de ações ambientalistas corretas. Desta forma, essa série de Normas é um importante agente acelerador das medidas que visem à preservação do meio ambiente e ao desenvolvimento sustentável. O consumo de energia elétrica no Brasil cresce a cada ano. No período pós-crise, de 2002 a 2005, o crescimento médio foi de 4,91% ao ano. Historicamente, o consumo de energia elétrica, em taxas superiores às de crescimento do PIB, vem se repetindo há cerca de 35 anos e deve se manter assim no futuro próximo. A sociedade e o setor elétrico deverão assumir séria responsabilidade, de forma a atuar tanto na oferta como nos usos finais da eletricidade, visando à otimização dos investimentos e ao aumento da eficiência energética global. Com esse intuito, o objetivo deste trabalho visa à economia de energia elétrica e à modernização do controle do sistema. 2

3 INTRODUÇÃO FUNCIONAMENTO DO SISTEMA DE VENTILAÇÃO ATUAL O sistema de ventilação de ar em túneis de um sistema de transporte de pessoas sobre trilhos tem a finalidade de proporcionar conforto térmico e segurança aos usuários. Ele é composto por insufladores, exaustores e jatos ventiladores. Os insufladores estão localizados nas estações, e sua função é injetar o ar externo nas estações e túneis dos canais de ventilação e dos dutos localizados na plataforma. Os insufladores possuem um motor com rotação constante, cujo sistema de partida é direto e um rotor com um conjunto de pás acoplado ao eixo do motor. Através de um sistema de acionamento automático ou manual, podemos variar o ângulo formado pelas pás, obtendo, assim, uma vazão variável, com o ventilador funcionando. A função dos exaustores é retirar o ar da estação e dos túneis, e, através da circulação, renovar o mesmo, proporcionando a redução do calor. O exaustor da estação é constituído por um motor de rotação constante, cujo sistema de partida é direto e possui um conjunto de pás acoplado, através de um rotor, ao eixo do motor. Os exaustores de estação têm a vazão constante e os ângulos das pás são predeterminados e fixos. Entre duas estações subterrâneas, estão localizados os exaustores de túnel, que possuem vazão variável como os insufladores. A função da veneziana é evitar a recirculação do ar no canal de ventilação, quando um ventilador estiver parado e o outro funcionando, evitando assim um fluxo parasita no ventilador. Nas regiões de transição entre túnel e trecho a céu aberto, existem os jatos ventiladores, cuja função é exaurir o ar do túnel. Têm a mesma função do exaustor de túnel. A vazão deles é fixa. Temos um centro de controle que fornece o estado do sistema de ventilação, por estação, além de enviar comandos, visando à alteração desse estado. Esse Centro de Controle possui uma interface de comunicação com o Telecontrole de Ventilação - TCV de cada estação. O TCV tem a função de controlar todo o sistema de ventilação, que pode ser operado através de comando remoto ou local. O sistema de acionamento das pás é constituído pela caixa Lewa e pelo conjunto de acionamento das pás. O conjunto de acionamento das pás é constituído por um moto-redutor e um mecanismo eletromecânico que indicará a posição das pás. Esse recebe alimentação da caixa Lewa e envia sinalização para aquela. Esse conjunto está acoplado ao rotor das pás de cada ventilador de vazão variável. A caixa Lewa é constituída de componentes elétricos que recebem sinais de comando do TCV e alimentação do Centro de Controle de Motores - CCM. Está localizada ao lado de cada ventilador de vazão variável. COMO ECONOMIZAREMOS ENERGIA ELÉTRICA? Com o avanço da eletrônica de potência, surgiram os conversores de freqüência. A partir de uma rede elétrica, de tensão alternada e com freqüência constante, o conversor efetua a retificação dessa tensão. E, posteriormente, através de chaveamentos estáticos, em semicondutores de alta freqüência de comutação, fornecem uma rede com freqüência variável para alimentação do motor. A proposta é a substituição do controle atual por um que utilize um conversor de freqüência. Com isso, podemos obter a economia de energia elétrica, pois os ventiladores possuem característica de conjugado quadrático e são regidos pela lei da proporcionalidade. Essa lei nos diz que a vazão é proporcional à rotação. E a potência é proporcional à rotação elevada ao cubo. Por exemplo: ao reduzirmos a rotação em 20%, reduziremos a vazão em 20% também, mas a potência mecânica reduzirá 50%. Assim a potência elétrica também reduzir-se-á, levando em consideração o rendimento do motor em questão. O gráfico a seguir ilustra a variação da potência mecânica em relação à rotação elevada ao cubo. 3

4 Redução de 20% de velocidade causa redução de potência mecânica consumida de 50%! P1 P1 P1 P2 = = = 0,51x P1 P2 = 0,51x P ,9533 = N1 100 ( ) ( ) N2 80 Uma vez que esses ventiladores são dimensionados para atender diversos níveis de vazão, podese atuar na rotação do motor elétrico que aciona o mesmo, reduzindo a vazão ao nível exigido e obtendo uma significativa diminuição da potência requerida e, conseqüentemente, do consumo de energia elétrica. DESENVOLVIMENTO Em nossa metodologia, efetuamos um estudo preliminar, através das medições no sistema atual, para verificar o consumo de energia elétrica. E através de cálculos, fizemos uma analise de economia de energia elétrica e tempo de retorno de investimento, para a implantação do conversor de freqüência. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA ATUAL Insuflador: Fabricante VOITH S.A. Vazão Máxima 128 m 3 /s Diâmetro 2500 mm Rotação 700 min -1 Ano de Fabricação 1974 Motor do insuflador: Fabricante SIEMENS - IP54. Potência Nominal 120 kw Potência Mecânica Nominal 163 CV Tensão Nominal 480 V Corrente Nominal 190 A Fator de Potência Nominal 0,81 Freqüência 60 Hz RPM 710 r.p.m Classe de Isolação F Categoria B MEDIÇÕES Realizamos medições elétricas monofásicas no ventilador insuflador, variando o ângulo das pás e, conseqüentemente, a vazão, de 10% a 100%, com intervalos de 10%. Assim obtivemos as grandezas, potência elétrica ativa, co-seno φ, corrente de partida e sua duração. Como a carga era equilibrada, multiplicou-se o valor da potência medida por três, obtendo-se o equivalente trifásico. 4

5 As medições elétricas foram feitas na data de 07/12/2006, com o equipamento analisador de energia FLUKE 43 B, que possui característica de segurança Categoria III, de 600 Vrms, e estão em conformidade com a ANSI / ISA S , CAN C22.2 N e EM Os valores das grandezas elétricas medidas são apresentados na Tabela 1. Ângulo das pás [%] Potência [kw] Tabela 1: Valores das grandezas elétricas medidas ,3 15,3 18,6 20,7 27,6 31,2 40, ,5 78 co-seno φ 0,19 0,24 0,28 0,31 0,39 0,41 0,52 0,6 0,67 0,72 Para encontrar o valor da nova potência elétrica consumida com a utilização do conversor de freqüência, devemos encontrar a potência mecânica consumida atualmente e, depois, aplicar a Lei proporcionalidade dos ventiladores, pois essa lei relaciona potência mecânica e não elétrica. As potências mecânicas exigidas em cada porcentagem da vazão seriam facilmente encontradas, utilizando-se a curva de rendimento do motor, pois já possuíamos as potências elétricas medidas em cada porcentagem da vazão. Não dispúnhamos da curva de rendimento do motor (que foi fabricado em 1974), então realizamos medições de velocidade e pressão do ar, simultaneamente com as medições elétricas. As medições de velocidade e pressão do ar foram feitas na frente do insuflador. Para as medições de velocidade do ar, foi utilizado o anemômetro e para as medições de pressão diferencial, foi utilizado o tubo U. Os valores medidos são apresentados na tabela 2. Ângulo das pás [%] Velocidade do Ar [m/s] Tabela 2: Medições de velocidade e pressão do ar ,39 6,2 7,8 8,76 10,5 11,2 13,24 14,7 16,8 17,9 Pressão [mm H 2 O] CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA Com as potências elétricas medidas, calculamos a potência elétrica total consumida pelo sistema atual, de acordo com o ciclo de operação anual do insuflador, que foi de kw*h/ano. Os resultados obtidos são apresentados na tabela 3. Tabela 3: Consumo total anual de potência elétrica do sistema atual. Ângulo das pás [%] Ciclo de operação: [ horas ] ano Potência [kw] 18,6 27,6 31, Consumo anual [kw*h/ano] 4296, , Consumo total anual de Energia Elétrica: [kw*h/ano] 5

6 CÁLCULO DA POTÊNCIA MECÂNICA DO SISTEMA ATUAL pressão * vazão Através da equação Pmecânica = 10 3 * [kw], foi calculada a potência ηventilador mecânica do sistema atual para cada valor de pressão, vazão e rendimento do sistema de ventilação. Potência[ kw ] Para obter a potência em CV, utilizamos Potência [ CV ] =. 0,736 O valor de pressão deve ser utilizado na equação na unidade N 2. Fizemos a conversão, m utilizando o fator 1mmH 2O = 9, 81N 2. m Multiplicamos os valores de velocidade do ar pela área da tubulação de entrada do insuflador, que é 4,91 m 2, obtendo os valores de vazão. Os valores de pressão e vazão cruzados no gráfico de rendimento do sistema de ventilação forneceram-nos o rendimento do insuflador. A tabela 4 apresenta os resultados obtidos. Tabela 4: Resultados Obtidos. Ângulo das pás [%] Medido Velocidade do ar [m/s] Pressão [mmh2o] 4,39 6,2 7,8 8,76 10,5 11,2 13,24 14,7 16,8 17, Conversão Vazão [m 3 /s] Pressão [N/m 2 ] 21,55 30,43 38,29 43,00 51,54 54,98 64,99 72,16 82,47 87,87 58,86 98,10 137,34 186,39 235,44 284,49 333,54 431,64 510,12 598,41 Gráfico Resultados Rendimento do Insuflador Potência Mecânica [kw] Potência Mecânica [CV] 0,46 0,5 0,54 0,58 0,62 0,64 0,66 0,72 0,76 0,78 2,76 5,97 9,74 13,82 19,57 24,44 32,84 43,26 55,35 67,41 3,75 8,11 13,23 18,78 26,59 33,20 44,63 58,78 75,21 91,59 6

7 Exemplo para ângulo de pás em 50%: Pressão 24 mmh 2O = 24 x 9,81 = 235,44 [N/m 2 ] Vazão 10,5 [m/s] x 4,91 [m 2 ] = 51,54 [m 3 /s] Pmecânica = ,44 * 51,54 * 0,62 = 19,57 kw 19,57 Potência [ CV ] = = 26,59 CV 0,736 Assim, plotamos a curva de variação de potência mecânica em função da vazão; gráfico 1. Gráfico 1: Variação da Potência Mecânica em função da vazão do sistema atual. Curva de Variação da Potência Mecânica Potência Mecânica [CV] Vazão [m 3 /s] NOVA POTÊNCIA MECÂNICA COM CONVERSOR DE FREQÜÊNCIA. Como a potência mecânica é proporcional à rotação elevada ao cubo, temos: Pmec contr. de rot. = Pmec atual n * η 3 ventilador Em que: Pmec contr. de rot : é a nova potência mecânica em CV, para o sistema com controle de rotação (conversor de freqüência). Pmec atual : é potência mecânica atual em CV, para o sistema com variação de ângulo das pás. n é a rotação em p.u. η ventilador : É o rendimento do ventilador em p.u., referente à potência mecânica que se deseja calcular. 7

8 Como a vazão Q é diretamente proporcional à rotação n, podemos substituí-las na equação, e assim calculamos a nova potência mecânica com controle de rotação. Pmec contr.de rot. = Pmec atual Q * η 3 ventilador Q: é a vazão em p.u., referente à potência mecânica que se deseja calcular. Para obter os valores em p.u., dividimos cada grandeza pelo seu referente valor a 100% do ângulo das pás. Os resultados dos cálculos são apresentados na tabela 5 e a curva de variação da potência mecânica em função da vazão, com controle de rotação, no gráfico 2. Exemplo para 50% do ângulo das pás: Rendimento p.u. 0,62/0,78 = 0,795 p.u. Vazão p.u. 51,54/87,87 = 0,587 p.u. Potência mecânica com conversor de freqüência 3 0,587 Pmec contr. de rot. = 26,59* = 6,75 [CV] 0,795 Pmec contr. de rot. = Pmec atual Q * η 3 ventilador Tabela 5: Resultados dos cálculos das novas potências com controle de rotação. Ângulo das pás [%] Rendimento do Insuflador Rendimento do insuflador em p.u. Vazão [m 3 /s] Vazão em p.u. Pot. Mec. Atual[CV] Pot. mec. control. Rot. [CV] ,46 0,5 0,54 0,58 0,62 0,64 0,66 0,72 0,76 0,78 0,590 0,641 0,692 0,744 0,795 0,821 0,846 0,923 0, ,55 30,43 38,29 43,00 51,54 54,98 64,99 72,16 82,47 87,87 0,245 0,346 0,436 0,489 0,587 0,626 0,740 0,821 0, ,75 8,11 13,23 18,78 26,59 33,20 44,63 58,78 75,21 91,59 0,09 0,53 1,58 2,96 6,75 9,91 21,34 35,27 63,81 91,59 8

9 Gráfico 2: Curva de variação da potência mecânica em função da vazão, com controle de rotação. Curva de Variação da Potência Mecânica com controle de rotação Potência Mecânica [CV] Vazão [m 3 /s] RENDIMENTO DO MOTOR Para calcular a nova potência elétrica, foi necessário calcular o rendimento do motor. Como já possuíamos os valores medidos de potência elétrica e os valores calculados de potência mecânica para cada valor de vazão, conseguimos obter o rendimento do motor através da equação: η motor = P mecânica P [ CV ]* 0,736 [ kw ] elétrica Ângulo das pás [%] Potência Eletr.[kW] Potência Mec.[CV] Rendimento do motor Tabela 6: Resultados dos cálculos de rendimento do motor ,3 15,3 18,6 20,7 27,6 31,2 40, ,5 78 3,75 8,11 13,23 18,78 26,59 33,20 44,63 58,78 75,21 91,59 0,224 0,390 0,524 0,668 0,709 0,783 0,811 0,848 0,858 0,864 CÁLCULO DA NOVA POTÊNCIA ELÉTRICA COM CONTROLE DE ROTAÇÃO Calculamos a nova potência elétrica consumida para cada nova potência mecânica, através da mesma equação de rendimento do motor. Os resultados obtidos são apresentados na tabela 7. Exemplo: Pmecânica nova[ CV ]* 0,736 6,75 * 0,736 Pelétrica [ kw ] = Pelétrica [ kw ] = = 7,008 kw 0,709 η motor 9

10 Tabela 7: Resultados dos cálculos das novas potências elétricas. Ângulo das pás [%] Rendimento do motor ,224 0,390 0,524 0,668 0,709 0,783 0,811 0,848 0,858 0,864 Pot. mec. c ontrol. rot. 0,09 0,53 1,58 2,96 6,75 9,91 21,34 35,27 63,81 91,59 [CV] Pot. Elétrica [kw] 0,308 0,992 2,223 3,263 7,008 9,315 19,369 30,600 54,728 78,0 CÁLCULO DA NOVA POTÊNCIA ELÉTRICA CONSUMIDA Calculamos a potência elétrica total, consumida pelo sistema com controle de rotação (conversor de freqüência), de acordo com o mesmo ciclo de operação anual do insuflador. Os resultados obtidos são apresentados na tabela 8. Tabela 8: Consumo total de potência elétrica com controle de rotação. Ângulo das pás [%] horas ano Nova Potência Elétrica [kw] 2,223 7,008 9,315 30,600 78,0 Consumo anual previsto [kw*h] 513, , , , ,00 Consumo total anual de ,7748 [kw*h] Com os valores de consumo de potência elétrica com controle de vazão por variação do ângulo das pás (sistema atual), e a nova potência consumida com controle de rotação (com conversor de freqüência), calculamos a economia de potência elétrica anual. Economia de Potência elétrica = Potência sistema atual Nova potência Economia de Potência elétrica = [kW * h/ano] ,7748[kW * h/ano] Economia de Potência elétrica = ,2252[kW * h/ano] TARIFA DE CONSUMO MÉDIA ANUAL Para o regime tarifário classe A2, modalidade Azul, utilizamos os valores das tarifas vigentes da resolução nº 356 de 03/07/2006 DOU de 04/07/2006 Válida para as leituras a partir de 04/07/2006. Realizamos os cálculos de tarifa média e obtivemos: TCmédia =150,68[R$/MWh] = 0,15068[R$/kWh] 10

11 CÁLCULO DA ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA Calculamos a economia anual, com a implantação do novo sistema, utilizando o valor de tarifa média anual calculada de 0,15068 R$/kWh. Economia de energia = Economia de Economia de energia = ,2252[ kw * h / ano]*0,15068[ R$/ kw * h] Economia de energia = R$ ,76 por ano CÁLCULO DO RETORNO DE INVESTIMENTO potênica* Tarifa média Solicitamos orçamento para três empresas e escolhemos a que atendia o melhor custo/benefício para a aplicação. E, por fim, calculamos o tempo de retorno de investimento, escolhendo o valor de investimento mais viável de R$ ,00. (EA)*(TC) log (EA)*(TC) i(investimento) TRI = log(1+ i) ,2252[kWh/ano] *0,15068[R$/kWh] log ,2252[kWh/ano] *0,15068[R$/kWh] 0,18(R$30.000,00) TRI = log(1+ 0,18) TRI = 1, anos Em que: TRI: Tempo de retorno de investimento [anos] EA: Economia anual [kw*h] TC: Tarifa de consumo média [R$/kWh] i: Taxa de juros anual Investimento: Valor do investimento realizado [R$] 11

12 RESULTADOS OBTIDOS Através da comparação das curvas dos gráficos abaixo, podemos visualizar a economia de potência elétrica que o sistema com controle de rotação proporcionará em relação ao sistema atual. ncia Elétrica [kw] Potê Economia de Energia em função do ângulo das pás 78 31,2 12,3 0,308 9, Ângulo das Pás [%] Potência Elétrica Atual Potência Elétrica com Conversor de Freqüência Potência Elétrica [kw] Economia de Energia em função da Vazão 78 31,2 12,3 9, , Vazão [m 3 /s] Potência Elétrica Atual Potência Elétrica com Conversor de Freqüência Assim para um investimento de R$ ,00, economizaremos em um ano R$ ,76 em energia elétrica, e reduziremos o consumo de potência ativa em ,2252 [kwh/ano], e com tempo de retorno de investimento de 1,58 ano. Também não poderemos esquecer que haverá melhoria no fator de potência, na partida, que será em rampa e na redução nos processos de manutenção como: eliminação das partes mecânicas no controle dos ângulos das pás, eliminação de equipamentos e componentes do sistema atual, redução de preventivas e redução no índice de falhas. Através dos resultados obtidos, comprovamos teoricamente a viabilidade da substituição do sistema atual, por um que utilize o conversor de freqüência, para controlar a vazão. A utilização do inversor de freqüência proporciona uma grande flexibilidade de interface com CLP s e redes de comunicação, reduzindo ainda mais o circuito de comando, que é feito por contatores. Possibilitará ainda uma futura expansão no sistema, incluindo controle automático de temperatura e uma eficiente comunicação com sistemas de controle remoto. 12