SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA UTILIZANDO UMA FERRAMENTA NA PLATAFORMA MATLAB. Bruno Cunha Araújo

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1 SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA UTILIZANDO UMA FERRAMENTA NA PLATAFORMA MATLAB Bruno Cunha Araújo Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Mecânica da Escola Politécnica da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro. Bruno Cunha Araújo Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida RIO DE JANEIRO AGOSTO DE 2014

2 UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO Departamento de Engenharia Mecânica DEM/POLI/UFRJ SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA UTILIZANDO UMA FERRAMENTA NA PLATAFORMA MATLAB Bruno Cunha Araújo PROJETO FINAL SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA MECÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO MECÂNICO. Aprovado por: Prof. Silvio Carlos Anibal de Almeida; D.Sc. (Orientador) Prof. Juliana Braga Rodrigues Loureiro; D.Sc. Prof. Daniel Onofre de Almeida Cruz; D.Sc RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL AGOSTO DE 2014 ii

3 Araújo, Bruno Cunha Simulação de uma usina sucroalcooleira utilizando uma ferramenta na plataforma MATLAB. / Bruno Cunha Araujo. Rio de Janeiro: UFRJ/ Escola Politécnica, X, 60 p.: il.; 29,7 cm. Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida; D.Sc Projeto de Graduação UFRJ/ POLI/ Engenharia Mecânica, Referências Bibliográficas: p Cogeração. 2. Simulação. 3. Análise Gráfica. 4. Eficiência. I. Almeida, Silvio Carlos Aníbal de. II. Universidade Federal do Rio de Janeiro, UFRJ, Engenharia Mecânica. III. Título iii

4 Agradecimentos Aos meus pais, Maria de Fatima Cunha Castro Araújo e Alexandre José Araujo, e meu irmão Pedro Henrique Cunha Araújo, não só por me proporcionarem a oportunidade de estudar em uma das melhores universidades do país, bem como pelo apoio em escolhas profissionais durante o curso. À minha namorada Julia Pinho Muniz, pelos conselhos dados nessa última etapa da graduação, e também pelos bons momentos que me ajudaram a superar situações difíceis encontradas. Ao professor Silvio Carlos Anibal de Almeida pela orientação excepcional durante o desenvolvimento de todo o projeto, me proporcionando o conhecimento necessário para atingir meus objetivos neste trabalho. Aos meus amigos da faculdade que diariamente me deram suporte, conselhos e foram essenciais para que essa jornada fosse mais branda e agradável. iv

5 Resumo do projeto de graduação apresentado ao DEM/UFRJ como parte dos requisitos necessários para obtenção do grau de Engenheiro Mecânico. SIMULAÇÃO DE UMA USINA SUCROALCOOLEIRA UTILIZANDO UMA FERRAMENTA NA PLATAFORMA MATLAB Bruno Cunha Araújo Agosto/2014 Orientador: Silvio Carlos Anibal de Almeida; D.Sc. Curso: Engenharia Mecânica O presente trabalho apresenta o desenvolvimento de uma ferramenta na plataforma MATLAB capaz de realizar modelagem computacional da operação de usinas sucroalcooleiras com cogeração de energia. Através da definição de parâmetros iniciais, este software é capaz de simular a operação de uma usina sucroalcooleira, desta forma apresentando os resultados dessa simulação como: potência gerada nas turbinas, demanda térmica do processo, rendimento global da usina, entre outros. Além disso, esta ferramenta permite analisar graficamente a influência da variação dos parâmetros de operação de uma usina sucroalcooleira nos resultados da mesma, assim sendo capaz de favorecer a operação desta usina em condições de utilização que proporcionem a máxima eficiência e geração de energia excedente. É realizada uma simulação de uma usina do oeste paulista e posteriormente é feita uma análise da variação de seus parâmetros de operação. v

6 Abstract of Undergraduate Project presented to DEM/UFRJ as a part of fulfillment of the requirements for the degree of Engineer. SIMULATION OF A SUGARCANE MILL USING A MATLAB PLATAFORM TOOL Bruno Cunha Araújo August/2014 Advisor: Silvio Carlos Anibal de Almeida; D.Sc. Course: Mechanical Engineering This paper presents the development of a tool in a MATLAB platform capable of performing a computational modeling of the operation of sugarcane mills with energy cogeneration. By setting initial parameters, this software is able to simulate the operation of a sugarcane mill, thus presenting the results of this simulation as: power generated in the turbines, thermal demand of the process, overall efficiency of the plant, among others. In addition, this tool allows you to graphically analyze the influence of the operating parameter s variation of a sugarcane mill in its results, thus being able to facilitate the operation of this plant in order to provide maximum efficiency and generation of surplus energy. A simulation of a power plant localized in western São Paulo is performed, and then an analysis of changes in its operating parameters is made. vi

7 Sumário 1. Introdução Desafio Energético Brasileiro Motivação Objetivo Organização do trabalho Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro Conceitos básicos sobre a Cogeração Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro Definições e Conceitos Envolvidos Conceitos Termodinâmicos Balanço de Massa Balanço de Energia Balanço de Entropia Eficiências Térmicas pela Primeira Lei da Termodinâmica Turbinas Bombas e Compressores Caldeiras Convencionais Índice de Desempenho Baseados na Primeira Lei da Termodinâmica Ferramenta para Simulação da Usina Sucroalcooleira: Simula_Usina Janela Simulação Janela Gráficos Estudo de Caso Introdução Detalhamento da Configuração da Usina Simulação da Operação da Usina Simulação do Ciclo Ideal vii

8 Simulação do Ciclo Real Análise Gráfica da Operação da Usina Pressão na Caldeira Pressão na Entrada do Condensador Pressão de Extração da Turbina de Extração-Condensação Vazão na Turbina de Extração-Condensação Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação Conclusões Bibliografia Apêndice A Ferramenta Simula_Usina viii

9 Índice de Figuras Figura 1 Ciclos topping (a) e bottoming (b) Figura 2 Sistema de Cogeração com Turbinas de Contrapressão Figura 3 Sistema de Cogeração com Turbinas de Extração-Condensação Figura 4 Janela Simulação Figura 5 Representação Esquemática da Planta Modelo Figura 6 Painel Dados de Entrada da Operação da Usina Figura 7 Mensagem de Erro Figura 8 Painel Demanda dos Equipamentos Elétricos Figura 9 Painel Eficiência dos Equipamentos Figura 10 Painel Resultados da Simulação da Usina Figura 11 Painel Análise das Condições de Operação da Usina Figura 12 Janela Gráficos Figura 13 Painel Variável do Eixo Horizontal Figura 14 Painel Variável do Eixo Vertical Figura 15 Exemplo de Gráfico Plotado Figura 16 Planta de uma Usina Sucroalcooleira do Oeste Paulista Figura 17 Simulação de Operação da Usina Considerando Ciclo Ideal Figura 18 Simulação de Operação da Usina Considerando as Eficiências dos Equipamentos Figura 19 Parâmetros de Operação da Usina Utilizados nas Análises Gráficas Figura 20 Gráfico da Pressão na Caldeira vs. Rendimento Global da Planta Figura 21 Gráfico da Pressão na Caldeira vs. Potência Elétrica Gerada Figura 22 Simulação de Operação da Usina com Redução na Pressão de Saída da Caldeira Figura 23 Gráfico da Pressão na Entrada do Condensador vs. Rendimento Global da Planta Figura 24 Gráfico da Pressão na Entrada do Condensador vs. Potência Elétrica Gerada ix

10 Figura 25 Gráfico da Pressão de Extração na Turbina de Extração-Condensação vs. Rendimento Global da Planta Figura 26 Gráfico da Pressão de Extração na Turbina de Extração-Condensação vs. Potência Elétrica Gerada Figura 27 Simulação de Operação da Usina com Redução na Pressão de Extração na Turbina de Extração-Condensação Figura 28 Turbina de Extração-Condensação Figura 29 Gráfico da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Rendimento Global da Planta Figura 30 Gráfico da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Potência Elétrica Gerada Figura 31 Simulação de Operação da Usina com Redução na Vazão da Turbina de Extração-Condensação Figura 32 Gráfico da Vazão de Sangramento na Turbina de Extração- Condensação vs. Rendimento Global da Planta Figura 33 Gráfico da Vazão de Sangramento na Turbina de Extração- Condensação vs. Potência Elétrica Gerada Figura 34 Simulação de Operação da Usina com Redução na Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação x

11 Índice de Tabelas Tabela 1 Parâmetros de Operação da Usina Tabela 2 Resultados da Operação da Usina Tabela 3 Resultados da Usina e da Simulação Tabela 4 Erros entre Resultados da Usina e da Simulação Tabela 5 Rendimento Global Ideal da Usina e da Simulação Tabela 6 Erro entre Rendimento Global Ideal da Usina e da Simulação Tabela 7 Rendimento Global da Usina e da Simulação Considerando as Eficiências dos Equipamentos Tabela 8 Erro entre Rendimento Global da Usina e da Simulação Considerando as Eficiências dos Equipamentos Tabela 9 Análise da Redução da Pressão na Saída da Caldeira vs. Resultados de Operação da Usina Tabela 10 Análise da Redução da Pressão de Extração na Turbina de Extração- Condensação vs. Resultados de Operação da Usina Tabela 11 Análise da Redução da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Resultados de Operação da Usina Tabela 12 Análise da Redução da Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação vs. Resultados de Operação da Usina xi

12 1. Introdução 1.1. Desafio Energético Brasileiro Hoje em dia, o Brasil se depara com um grande e complexo desafio energético consideravelmente distinto de aqueles enfrentados até o momento. Há uma crescente demanda de energia elétrica devido ao grande crescimento econômico e desenvolvimento de redes elétricas de distribuição de energia no país, resultando na necessidade de aumento constante de geração de energia elétrica. Apesar de possuirmos em nosso país um sistema hídrico considerado como o de maior potencial hidrelétrico do mundo, atualmente se faz necessária a diversificação da matriz energética brasileira, devido a crescente demanda energética e ao impacto ambiental causado pela construção de hidrelétricas e implantação de rede de distribuições. Dentre diversas possibilidades de geração de energia provinda de fontes alternativas, se destaca a produção de energia elétrica através do uso de resíduos da cana-de-açúcar, que apresenta como vantagens a geração de energia elétrica na época de menor pluviosidade e a utilização de tecnologia completamente limpa contribuindo para a preservação ambiental no país. A utilização do bagaço proveniente da cana de açúcar pode ser considerada uma fonte limpa e renovável de energia capaz de complementar a oferta energética nacional de forma sustentável. Atualmente, nosso país possui 434 usinas sucroalcooleiras, em que todas podem ser consideradas autossuficientes em energia devido a produção de vapor por meio da queima de biomassa proveniente da cana de açúcar em caldeiras. Todavia, somente 20% destas usinas comercializam seus excedentes de energia elétrica no mercado brasileiro. 12

13 1.2. Motivação As usinas sucroalcooleiras surgiram no Brasil na época do Programa Nacional do Álcool (Proálcool) financiado pelo governo em 1975, operando com equipamentos de baixa eficiência energética, e com caldeiras de baixa temperatura e pressão resultando numa produção de energia elétrica muito aquém da geração potencial. Essa realidade foi modificada com o surgimento do Programa de Incentivo às Fontes Alternativas de Energia Elétrica (PROINFA) no ano de 2002, incentivando o setor a investir em modernização das usinas e considerar a exportação de energia elétrica, porém, hoje em dia ainda existem obstáculos responsáveis por frear esta modernização como o alto custo de investimentos e condições desfavoráveis de financiamento. Segundo projeções da União da Indústria de Cana-de-açúcar (UNICA, 2009) se houvesse uma melhoria nos processos produtivos como aumento da utilização da palha e bagaço e utilização de caldeiras operando com pressões mais altas, seria possível complementar a matriz energética brasileira com um volume de energia na ordem de MW na safra 2018/2019. Sendo assim, considerando a grande viabilidade da utilização do bagaço proveniente da cana de açúcar para geração de uma quantidade significativa de energia elétrica, grandes esforços em pesquisa de desenvolvimento devem ser direcionados a este setor, almejando o aumento de eficiência nos processos envolvidos, resultando assim em um maior aproveitamento energético da biomassa disponível Objetivo O presente trabalho tem como objetivo simular a operação de uma usina sucroalcooleira que utiliza a biomassa como combustível para cogeração de energia, e analisar a influencia da variação dos parâmetros de operação no desempenho de uma planta existente. Para a realização desta simulação foi utilizado uma ferramenta criada no software MATLAB que possibilita a modelagem computacional do funcionamento 13

14 desta usina sucroalcooleira, assim fornecendo insumos indispensáveis para a análise de operação da mesma, como potência energética gerada e rendimento da planta de cogeração. Adicionalmente, esta ferramenta permite gerar gráficos de parâmetros de operação da usina, permitindo desta forma uma análise da influencia da variação destes nos resultados da usina, assim favorecendo a operação em condições de utilização que proporcionem o máximo rendimento energético. Esta ferramenta foi utilizada para simular uma usina sucroalcooleira do oeste paulista, apresentada no estudo de caso realizado por PASSOLONGO (2011) Organização do trabalho Além deste capítulo, para organização da proposta de trabalho, esta é dividida em outros seis capítulos, conforme explicitado abaixo: No capítulo dois são apresentados os sistemas de cogeração no setor sucroalcooleiro, incluindo a caracterização e conceitos que permeiam o desenvolvimento destes sistemas. No capitulo três são apresentadas as definições e conceitos termodinâmicos que fundamentam o desenvolvimento deste trabalho. No capítulo quatro é apresentada a ferramenta utilizada para a simulação do ciclo termodinâmico da usina, incluindo também a forma de que esta ferramenta deve ser utilizada. No capítulo cinco é realizado o estudo de caso escolhido, incluindo não só a sua modelagem por meio da ferramenta, bem como as análises necessárias para alcançar o objetivo proposto. No capítulo seis são apresentadas conclusões geradas pelas análises e possíveis sugestões a serem abordadas no futuro em outros trabalhos. 14

15 Por fim, é apresentada uma lista de referências bibliográficas usadas para a execução deste trabalho, na qual constam livros clássicos, artigos de periódicos e de congressos, teses e dissertações, além de websites de empresas e instituições. 15

16 2. Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro 2.1. Conceitos básicos sobre a Cogeração O termo cogeração é de origem americana e é empregado para designar os processos de produção combinada de energia térmica e potência, mecânica ou elétrica, com o uso da energia liberada por uma mesma fonte primária de combustível, qualquer que seja o ciclo termodinâmico. Normalmente, são usados os ciclos Rankine, que são aqueles que empregam turbinas a vapor, ou os ciclos Brayton, que utilizam turbinas a gás (FIOMAR, 2004). Pelo fato de serem obtidos dois produtos de valores distintos, energia térmica e potência, utilizando uma mesma fonte de energia, os sistemas de cogeração tornam-se atrativos por apresentarem eficiências de primeira lei maiores do que aquelas encontradas quando ambas as formas de energia são produzidas em processos independentes. Estas eficiências podem ser da ordem de 75 % a 90 % (Walter, 1994). Um aspecto relevante não considerado na definição, é que como não é viável, em grande parte dos casos, a compra de energia térmica de outra empresa, estes sistemas são projetados fundamentalmente para satisfazer a demanda térmica do consumidor. Além disso, a potência elétrica produzida pode atender parte ou totalidade da demanda, considerando também a possibilidade de comercialização de excedente desta energia. Nos casos de aplicações que têm por objetivo produzir excedente de energia elétrica para venda, o vapor é fornecido a um turbo gerador de maior eficiência que rebaixará a pressão do vapor a níveis desejados e produzirá energia elétrica. Após a passagem por esse turbo gerador o vapor poderá ser direcionado para outras turbinas responsáveis pelo acionamento mecânico de outros equipamentos. O processo sequencial de geração de eletricidade e consumo de energia térmica útil admite duas possibilidades de acordo com a ordem de produção das formas de energia. O ciclo topping é o mais frequentemente encontrado na prática, especialmente no setor sucroalcooleiro. Neste ciclo, o vapor é utilizado para produzir primeiramente potência elétrica, sendo que a energia térmica resultante é recuperada e depois utilizada no processo produtivo. Nos chamados ciclos bottoming, a energia térmica residual 16

17 associada aos processos industriais que precisam de alta temperatura é empregada para a produção de energia elétrica, situação esta mais comum em indústrias químicas (SÁNCHEZ PRIETO, 2003). Na Figura 1 podemos observar os ciclos topping e bottoming mencionados acima: Figura 1 Ciclos topping (a) e bottoming (b) FONTE: PASSOLONGO, Cogeração de Energia no Setor Sucroalcooleiro A cogeração tem uma grande aceitação no setor sucroalcooleiro fundamentalmente em razão da sua adequação, pois o combustível empregado é um rejeito do processo de fabricação e os produtos do sistema, potência mecânica ou elétrica e vapor, são utilizados no próprio processo (Sánchez Prieto & Nebra, 2001). Nas usinas de açúcar e álcool, o vapor direto é usado em turbinas que geram potência mecânica. Essa potência pode ser usada diretamente no acionamento de equipamentos como moendas, bombas, desfibradores, picadores, entre outros, ou transformada em potência elétrica nos geradores elétricos, que por sua vez geram a energia para os acionamentos elétricos. Em ambos os casos, há a liberação do vapor de baixa pressão, normalmente em torno de 2,45 bar abs., que é utilizado no processo, nas 17

18 operações de aquecimento, evaporação, destilação e cozimento. Desta forma, podemos considerar as usinas deste setor como empreendimentos de cogeração. No setor sucroalcooleiro o sistema de cogeração aparece vinculado a três configurações fundamentais de turbinas a vapor: Turbinas de contrapressão; Turbinas de extração-condensação; Combinação de turbinas de contrapressão com outras de condensação que empregam o fluxo excedente. Nas turbinas de contrapressão o vapor de escape é descarregado com pressão superior à atmosférica, sendo enviado diretamente para o processo industrial. Já nas turbinas de extração-condensação, há um sangramento de vapor em estágio intermediário, responsável por garantir as necessidades de energia térmica do sistema, sendo o restante do vapor de escape descarregado à pressão inferior à atmosférica e enviado a um condensador. Na Figura 2 podemos notar um esquema de processo trabalhando em regime de cogeração que emprega turbinas de contrapressão: Figura 2 Sistema de Cogeração com Turbinas de Contrapressão FONTE: PASSOLONGO,

19 Quando o objetivo principal visa adequar a instalação para produção e venda de energia excedente, o uso de turbinas de extração-condensação é mais viável. Além de altos índices de desempenho, tais máquinas de condensação com extração regulada se justificam também pela sua capacidade de satisfazer a relação energia térmica e elétrica que pode variar em uma ampla faixa. Na Figura 3 podemos observar um esquema de processo de sistema de cogeração trabalhando com turbinas de extração-condensação: Figura 3 Sistema de Cogeração com Turbinas de Extração-Condensação FONTE: PASSOLONGO, 2011 Assim, um sistema de cogeração fica constituído por uma combinação de equipamentos convencionais dentro da engenharia energética (caldeiras, turbinas, trocadores de calor e outros) que, integrados funcionalmente numa determinada planta, procuram obter o maior aproveitamento da fonte primária de energia que, no caso das usinas do setor sucroalcooleiro, é uma fonte renovável de energia (bagaço de cana). À medida que o bagaço é consumido, mais cana pode ser plantada para suprir o consumo, ao contrário do carvão, do petróleo ou do gás, que uma vez consumidos, se perdem para sempre. 19

20 3. Definições e Conceitos Envolvidos 3.1. Conceitos Termodinâmicos Neste trabalho, é feita uma análise termodinâmica de planta através de um software desenvolvido em Matlab. A análise utiliza o princípio da conservação da massa e da energia (Primeira lei da termodinâmica), e o balanço de entropia (Segunda Lei da Termodinâmica). Para esta análise considera-se um volume de controle em cada um dos equipamentos que compõem a planta. Uma hipótese a ser considerada neste trabalho é que todos os processos ocorrem em regime permanente. Portanto, na análise não serão considerados os processos transitórios, como entrada em operação, parada ou qualquer variação no tempo. Isso equivale a dizer que o estado da substância, em cada ponto de volume de controle, não varia com o tempo, e que o fluxo de massa e o estado dessa massa em cada área discreta de escoamento na superfície de controle não variam com o tempo. Além destes conceitos, iremos considerar todos os processos como reversíveis. Um processo reversível, para um sistema, é definido como aquele que, tendo ocorrido, pode ser invertido e depois de realizada esta inversão, não se notará algum vestígio no sistema e nas vizinhanças. Existem fatores que tornam um processo irreversível como atrito, expansão não resistida, transferência de calor com diferença finita de temperatura, mistura de duas substâncias, entre outros, que não serão considerados nesta análise Balanço de Massa Primeiramente, iremos considerar a lei da conservação da massa relacionada ao volume de controle. Essa conservação inclui somente a análise da vazão mássica que está entrando e saindo do volume de controle e desconsidera a variação de massa no interior do mesmo, pois se trata de operação em regime permanente. A Eq. (3.1) representa o balanço de massa em um volume de controle, também conhecida como a equação da continuidade: 20

21 (3.1) Considerando o processo em regime permanente, e que o estado da massa em cada ponto do volume de controle não varia com o tempo, a Eq. (3.1) pode ser escrita como segue: Em que: (3.2) = vazão mássica que entra no volume de controle (kg/s); = vazão mássica que sai do volume de controle (kg/s) Balanço de Energia A equação da conservação da energia, conhecida como Primeira Lei da Termodinâmica, em sua forma completa, considerando inclusive as variações no tempo, é representada pela Eq. (3.3) como segue: ( ) ( ) (3.3) Em que: = aceleração gravitacional (m/s2); = entalpia específica na entrada do volume de controle (kj/kg); = entalpia específica na saída do volume de controle (kj/kg); = potência térmica no volume de controle (kw); = velocidade da vazão mássica na entrada do volume de controle (m/s); = velocidade da vazão mássica na saída do volume de controle(m/s); = taxa de transferência de trabalho no volume de controle (kw); = cota da vazão mássica na entrada do volume de controle em relação a uma linha de referência (m); 21

22 = cota da vazão mássica na saída do volume de controle em relação a uma linha de referência (m). Além da hipótese de regime permanente, serão adotadas as hipóteses de que as variações das energias cinética e potencial são muito pequenas, podendo ser desprezadas. Assim, a Eq. (3.3) pode ser reescrita como segue: (3.4) Balanço de Entropia Na análise da primeira lei foi definida uma propriedade, a energia interna, que levou à entalpia e que possibilitou usar quantitativamente a primeira lei em processos. Analogamente, na segunda lei da termodinâmica, é definida outra propriedade, a entropia, que também possibilita a aplicação quantitativa da segunda lei em processos. Energia e entropia são conceitos abstratos que foram idealizados para auxiliar na descrição de determinadas observações experimentais (Van Wylen, 1995). Na sua forma completa, a segunda lei da termodinâmica para um volume de controle é dada por: (3.5) Considerando o processo em regime permanente, o primeiro termo da Eq. (3.5) é igual a zero, assim, a segunda lei da termodinâmica pode ser escrita como segue: (3.6) Em que: = entropia específica na entrada do volume de controle (kj/kgk); 22

23 = entropia específica na saída do volume de controle (kj/kgk); = temperatura superficial do volume de controle (K); = geração de entropia no volume de controle (kw/k). Para um processo adiabático em regime permanente tem-se que geração de entropia no volume de controle é positiva. A condição um processo adiabático e reversível., logo a ocorrerá para 3.2. Eficiências Térmicas pela Primeira Lei da Termodinâmica Turbinas A eficiência termodinâmica baseada na primeira lei para dispositivos que produzem potência relaciona o trabalho realizado no volume de controle com o trabalho produzido em um processo hipotético isentrópico desde o mesmo estado de entrada até a mesma pressão de saída. Um processo pode ser chamado de isentrópico se a entropia for constante durante o processo, ou seja, se o processo é adiabático e reversível. Nas turbinas reais o trabalho é calculado com base no trabalho realizado nas turbinas ideais, multiplicando-se pela eficiência da turbina. A equação abaixo representa a eficiência com base na primeira lei para turbinas: (3.7) Em que: potência desenvolvida no volume de controle (kw); vazão mássica no volume de controle (kg/s); diferença entre as entalpias de entrada e saída no volume de controle para processo isentrópico (kj/kg). 23

24 Bombas e Compressores Para o caso de bombas e compressores, a eficiência pela primeira lei é definida de maneira inversa, conforme explicitado abaixo: (3.8) Em que: potência desenvolvida no volume de controle (kw); vazão mássica no volume de controle (kg/s); diferença entre as entalpias de entrada e saída no volume de controle para processo isentrópico (kj/kg) Caldeiras Convencionais O cálculo da eficiência pela primeira lei de caldeiras convencionais relaciona a potência térmica gerada na caldeira proveniente da queima do bagaço e a potência térmica entregue ao ciclo termodinâmico, no caso à água que será vaporizada na caldeira. A equação abaixo representa a eficiência com base na primeira lei para caldeiras: (3.9) Em que: potência térmica entregue ao ciclo termodinâmico (kw); potência térmica gerada na caldeira (kw); Considerando que a vazão de água de alimentação e de vapor de saída seja a mesma, podemos substituir a potência térmica entregue ao ciclo termodinâmico pela diferença entre as entalpias do fluido na entrada e saída do volume de controle multiplicado pela vazão de vapor na saída da caldeira. Além disso, podemos substituir a potência gerada na caldeira através da queima do bagaço pela vazão de bagaço 24

25 consumido na caldeira multiplicado pelo seu poder calorifico inferior. Desta forma, a equação 3.9 indicada acima, pode ser calculada conforme abaixo: (3.10) Em que: entalpia específica do vapor superaquecido na saída da caldeira (kj/kg); entalpia específica da água na entrada da caldeira (kj/kg); vazão mássica de vapor superaquecido na saída da caldeira (kg/s); vazão mássica de bagaço consumido na caldeira (kg/s); poder calorífico inferior do bagaço Índice de Desempenho Baseados na Primeira Lei da Termodinâmica A avaliação do desempenho de uma planta de cogeração baseado é um procedimento que implica na comparação de produtos de diferentes propriedades termodinâmicas, tais como calor e potência. Para uma avaliação geral da planta, deve-se considerar toda a potência gerada, seja elétrica ou mecânica, toda energia térmica útil e perdida, e a energia da fonte quente da planta que é proveniente do bagaço. Assim, a equação abaixo proposta por ROCHA (2010), é conhecida como rendimento global do sistema: (3.11) Em que: potência elétrica produzida (kw); 25

26 potência mecânica produzida (kw); fluxo de calor útil para processo (kw); potência demanda pelas bombas (kw); fluxo de calor no condensador (kw); vazão mássica de bagaço consumido na caldeira (kg/s); poder calorífico inferior do bagaço. Ao substituir na equação 3.11 a eficiência com base na primeira lei para caldeiras, definida pelas equações 3.9 e 3.10 acima, o rendimento global do sistema pode ser definido conforme abaixo: (3.12) Em que: fluxo de calor na caldeira (kw); eficiência com base na primeira lei para caldeiras; 26

27 4. Ferramenta para Simulação da Usina Sucroalcooleira: Simula_Usina Com o objetivo de simular a operação de uma usina sucroalcooleira, foi desenvolvida uma ferramenta na plataforma MATLAB, chamada de Simula_Usina. A fim de obter os valores das propriedades termodinâmicas necessárias para a simulação da usina, foi utilizada a função XSteam, elaborada por Magnus Holmgren, capaz de calcular com precisão as propriedades da água e do vapor em diversos estados termodinâmicos com base nas tabelas do International Association for Properties of Water and Steam Industrial Formulation 1997 (IAPWS IF-97). Adicionalmente, foi utilizada a extensão GUIDE capaz de fornecer ferramentas para desenvolver uma interface com o usuário, com o objetivo de facilitar a análise do funcionamento da usina de cana de açúcar. Esta interface foi dividida em duas janelas conforme abaixo: Janela Simulação : Configuração da operação da usina através da entrada e parâmetros termodinâmicos Janela Gráficos : Elaboração de gráficos capazes de fornecer insumos para o usuário analisar e otimizar a operação da usina, como por exemplo: Pressão na Entrada do Condensador vs. Potência Elétrica Gerada Pressão de Extração na Turbina de Extração-Condensação vs. Rendimento Global da Planta Vazão de Sangramento na Turbina de Extração-Condensação vs. Potência Elétrica Gerada Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Rendimento Global da Planta Em seguida, as janelas que compõem a interface serão detalhadas, a fim de apresentar seus recursos, bem como a sua forma de utilização pelo usuário. 27

28 4.1. Janela Simulação Nesta janela, o usuário é capaz de realizar a configuração dos parâmetros de operação da usina que se deseja simular. Foi utilizada como base para a elaboração desta janela, uma usina sucroalcooleira do oeste paulista, que será detalhada no capítulo cinco. Esta configuração foi escolhida por ser uma configuração típica de usinas sucroalcooleiras. Apesar de seu layout complexo, é possível simular configurações de usinas mais simples ao modificar as vazões de vapor nos equipamentos desta. A Figura 4, mostrada abaixo, apresenta esta janela. Figura 4 Janela Simulação 28

29 A Figura 5, mostrada abaixo, apresenta a representação esquemática da usina sucroalcooleira. Esta representação tem o objetivo de auxiliar o usuário do software a configurar os parâmetros de operação da planta, já que apresenta um fluxograma contendo todos os equipamentos envolvidos no funcionamento da usina e o caminho percorrido pelo fluido de trabalho através destes equipamentos. Figura 5 Representação Esquemática da Planta Modelo No painel Dados de Entrada da Operação da Usina, mostrado na Figura 6, podemos definir os dados de entrada da operação da usina através da escolha de valores para a temperatura em ºC, pressão em bar e vazão em t/h de pontos da representação esquemática da planta modelo, indicados entre parênteses e descritos em seguida. 29

30 Figura 6 Painel Dados de Entrada da Operação da Usina Adicionalmente, com o objetivo de evitar possíveis erros ao definir os dados de entrada, caso o usuário escolha um valor de vazão que resultaria em um valor negativo de vazão para qualquer um dos pontos da representação esquemática do ciclo, surge uma mensagem de erro informando ao usuário qual seria o valor máximo ou mínimo de vazão que poderia ser escolhido. Em seguida, o valor previamente escolhido pelo usuário é apagado automaticamente, impedindo que ele dê seguimento à simulação sem que a escolha de um valor possível para este campo tenha sido feita. Este recurso é exibido na Figura 7 apresentada abaixo. Figura 7 Mensagem de Erro 30

31 Na Figura 8, mostrada abaixo, também podemos configurar a demanda elétrica em kw dos equipamentos de acionamento mecânico da usina, como moendas. Figura 8 Painel Demanda dos Equipamentos Elétricos Neste software, também somos capazes de configurar as eficiências de todos os equipamentos da planta, tais como bombas, turbinas, caldeiras e geradores, a fim de possibilitar uma simulação condizente com a realidade de funcionamento desta usina, mas também possibilitando uma análise sem considerar irreversibilidades para os equipamentos, ao configurar estes parâmetros como 100%. Esta configuração é realizada no painel Eficiência dos Equipamentos mostrado na Figura 9 abaixo. Figura 9 Painel Eficiência dos Equipamentos Após definir todos os parâmetros da operação e eficiência dos equipamentos da planta sucroalcooleira, o usuário pode clicar no botão Realizar Simulação e será iniciada a simulação da operação da usina. Assim que o comando de inicio da simulação é acionado, o software realiza um cálculo da vazão em cada um dos pontos da representação esquemática da planta. Após definir os dados de entrada necessários para simulação do ciclo termodinâmico da operação da usina, este software realiza o cálculo das propriedades do fluido de trabalho em cada ponto da representação esquemática da planta, utilizando a função XSteam e os conceitos definidos no capítulo três. 31

32 Em seguida, utilizando os conceitos definidos no capítulo três, este software realiza não só o cálculo da potência gerada nas turbinas e consumida pelas bombas, bem como a troca de calor da caldeira e em outros equipamentos tais como condensador e equipamentos de processo, considerando as eficiências de cada equipamento definidas pelo usuário ao preencher o painel Eficiência dos Equipamentos. Posteriormente, as propriedades do fluido de trabalho em cada ponto da representação esquemática da planta são recalculadas considerando as eficiências de cada equipamento. Por fim, o rendimento global da planta é calculado conforme definido no capítulo três e os resultados são apresentados na parte inferior da janela Simulação, como exibido na Figura 10 abaixo. Figura 10 Painel Resultados da Simulação da Usina Após realizar a simulação da operação da usina, é possível acessar o Painel Análise das Condições de Operação, apresentado abaixo na Figura 11, em que ao selecionar um ponto da representação esquemática da usina, e a propriedade termodinâmica de interesse, é exibido o valor desta propriedade para este ponto, calculado anteriormente ao realizar a simulação do ciclo. Figura 11 Painel Análise das Condições de Operação da Usina Podem ser selecionadas como propriedades a vazão, pressão, temperatura, entalpia, entropia e título de cada um dos pontos da representação esquemática do ciclo, 32

33 possibilitando assim uma análise de cada um destes pontos, caso seja da necessidade do usuário. Ao encerrar a etapa de simulação, o usuário pode clicar no botão Analisar Gráficos, em que será realizada uma análise da operação desta usina por meio de gráficos Janela Gráficos Nesta janela, o usuário é capaz de elaborar gráficos que podem servir de insumos para uma análise visando a otimização da operação da usina. Posteriormente, será apresentada no capítulo cinco uma análise gráfica da operação da usina sucroalcooleira do oeste paulista, utilizando os recursos fornecidos por esta janela. A Figura 12, exibida a seguir, apresenta esta janela. Figura 12 Janela Gráficos 33

34 Utilizando os dados obtidos a partir da simulação da operação da usina realizada na janela Simulação, o usuário é capaz de selecionar as variáveis que ele deseja plotar, tanto no eixo horizontal, quanto no eixo vertical, e desta forma obter o gráfico necessário para realizar futuras análises. Na Figura 13, apresentamos o Painel Variável do Eixo Horizontal, em que a variável que será plotada no eixo horizontal, bem como parâmetros necessários para plotar o gráfico são definidas pelo usuário. Figura 13 Painel Variável do Eixo Horizontal No campo Variável, o usuário pode selecionar uma propriedade termodinâmica a ser plotada no eixo horizontal conforme abaixo: m2 (t/h) = Vazão da Turbina de Extração-Condensação m3 (t/h) = Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação P1 (bar) = Pressão na Saída da Caldeira P3 (bar) = Pressão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação P4 (bar) = Pressão na Entrada do Condensador Além de selecionar a propriedade a ser plotada, o usuário deve definir o valor mínimo e o valor máximo nos campos indicados do Painel Variável do Eixo Horizontal, com a finalidade de definir o menor e o maior valor desta propriedade a serem exibidos no gráfico. Por fim, é necessário escolher o intervalo em unidades que ele deseja plotar, a fim de definir a quantidade de pontos a serem plotados. 34

35 Na Figura 14, é apresentado o Painel Variável do Eixo Vertical, em que a variável a ser plotada no eixo vertical é definida pelo usuário. No campo Variável deste painel, o usuário pode escolher plotar o Rendimento Global ou a Potência Total, com o objetivo de que a análise tenha por fim aumentar a eficiência da operação da planta ou aumentar a energia gerada. Figura 14 Painel Variável do Eixo Vertical Após definir os parâmetros para as duas variáveis, o usuário deve clicar no botão Plotar Gráfico e automaticamente o gráfico será plotado no painel localizado a direita desta janela, possibilitando uma análise mais profunda das condições de operação da usina. Na Figura 15 abaixo é apresentado um exemplo de gráfico plotado para ilustrar o uso desta janela. Figura 15 Exemplo de Gráfico Plotado 35

36 Posteriormente a análise gráfica realizada, o usuário poderá voltar a janela Simulação ao clicar no botão Modificar Dados, desta forma possibilitando modificar os parâmetros de operação anteriormente definidos, com o objetivo de tornar efetiva a análise gráfica realizada. No capítulo cinco a seguir, será realizado um estudo de caso de uma usina sucroalcooleira do oeste paulista utilizando os recursos disponíveis no software apresentado. 36

37 5. Estudo de Caso 5.1. Introdução Partindo de uma planta básica convencional de uma usina sucroalcooleira do oeste paulista, apresentada no estudo de caso realizado por PASSOLONGO (2011), será feito neste capítulo o detalhamento da configuração da planta estudada, bem como análises gráficas de sua operação. Primeiramente será realizada uma simulação da operação desta usina utilizando a ferramenta descrita no capítulo quatro. Esta usina utiliza equipamentos modernos e eficientes, incluindo uma caldeira capaz de produzir vapor a altos níveis e pressão e temperatura e uma turbina de extração-condensação de múltiplos estágios. Também estão presentes acionamentos como moendas, exaustores, ventiladores, que são eletrificados. Em seguida, iremos utilizar o recurso de análises gráficas da ferramenta descrita anteriormente com o objetivo de obter conhecimento da situação atual de operação desta usina, e propor possíveis melhorias nos parâmetros de operação que visem aumentar o rendimento global desta planta e obter ganho de potência total gerada Detalhamento da Configuração da Usina A configuração da planta de uma usina sucroalcooleira do oeste paulista a ser estudada pode ser encontrada na Figura 16 abaixo. 37

38 Figura 16 Planta de uma Usina Sucroalcooleira do Oeste Paulista FONTE: PASSOLONGO,

39 A planta utiliza equipamentos modernos e eficientes, incluindo caldeira que produz 160 t/h de vapor a 68,6 bar e 530 C, sendo que 125 t/h deste vapor é consumido por uma turbina extração-condensação acoplada a um gerador de 32 MW. É feita uma extração de 97 t/h de vapor a uma pressão de 2,45 bar para o processo de evaporação do caldo, e o restante do vapor continua a expandir até a pressão de 0,07 bar, sendo então condensado (PASSOLONGO, 2011). O restante do vapor (35 t/h) é direcionado a uma turbina de contrapressão, a qual está acoplada a um gerador de 12 MW. O vapor é descarregado a uma pressão de 2,45 bar, também destinado a atender a demanda de vapor do processo industrial (PASSOLONGO, 2011). Podemos destacar ainda que o processo industrial desta planta atualmente consome 130 t/h de vapor (cerca de 450 kg de vapor por tonelada de cana moída), a uma temperatura de 135 C. Como a temperatura do vapor de escape é próxima de 160 C é necessária a utilização de um dessuperaquecedor, cuja finalidade é reduzir a temperatura do vapor até um ponto próximo à saturação, através da injeção de uma determinada quantidade de água líquida a 38 C no vapor. (PASSOLONGO, 2011). Na Tabela 1 abaixo podemos encontrar os parâmetros característicos de operação desta planta, como vazão, pressão, temperatura, entalpia e entropia. 39

40 Tabela 1 Parâmetros de Operação da Usina FONTE: PASSOLONGO, 2011 Ponto m (t/h) P (bar) T (ºC) h (kj/kg) s (kj/kgk) 1 160,0 68,60 530,0 3845,1 6, ,0 68,60 530,0 3845,1 6, ,1 2,45 159,7 2786,0 7, ,9 0,07 39,0 2320,9 7, ,9 0,07 38,0 159,2 0, ,0 68,60 530,0 3485,1 6, ,0 2,45 159,7 2786,0 7, ,3 2,45 159,7 2786,0 7, ,4 2,45 159,7 2786,0 7, ,0 2,45 135,0 2733,6 7, ,0 2,45 124,7 524,0 1, ,9 2,45 38,0 159,5 0, ,6 2,45 38,0 159,5 0, ,3 2,45 38,0 159,5 0, ,3 2,45 110,7 464,6 1, ,7 2,45 159,7 2786,0 7, ,0 2,45 126,8 532,5 1, ,0 78,60 128,1 543,4 1,607 Na Tabela 2 abaixo são apresentadas a potência eletromecânica, a potência térmica, as irreversibilidades geradas e a eficiência pela primeira lei da termodinâmica para cada equipamento da planta analisada. 40

41 Tabela 2 Resultados da Operação da Usina FONTE: PASSOLONGO, 2011 Equipamento W (kw) Q (kw) I (kw) η (%) Caldeira , ,08 78,00 Turbina Extração-Condensação , ,03 85,80 Turbina de Contrapressão 6.527,54-944,91 84,00 Bomba da Caldeira 502,16-89,66 75,00 Bomba do Condensador 2,39-0,45 75,00 Processo , ,66 - Condensador , ,41 - Além disso, esta usina apresenta um rendimento global de 61,4% e é capaz de produzir 33,2 MW de potência elétrica (PASSOLONGO, 2011) Simulação da Operação da Usina A fim de realizar a simulação da operação da usina sucroalcooleira do oeste paulista, introduzimos os dados apresentados na Tabela 1 acima na ferramenta descrita no capítulo quatro e analisamos os seus resultados Simulação do Ciclo Ideal Primeiramente, com o objetivo de avaliar a confiabilidade da simulação realizada, iremos considerar que não existem irreversibilidades nos equipamentos, desta forma simularemos a operação do ciclo utilizando todas as eficiências com valor de cem por cento. Na Figura 17 apresentada abaixo, podemos notar os dados de entrada de operação da usina, bem como a eficiência dos equipamentos e os resultados obtidos. 41

42 Figura 17 Simulação de Operação da Usina Considerando Ciclo Ideal Desta forma, nas Tabelas 3 e 4 apresentadas abaixo, podemos observar uma análise comparativa entre os resultados de operação da usina sem considerar as irreversibilidades e os resultados obtidos através da simulação desta operação considerando as eficiências dos equipamentos iguais a cem por cento. 42

43 Tabela 3 Resultados da Usina e da Simulação Resultados Usina (kw) Simulação (kw) Demanda Energética das Bombas 414,44 362,59 Potência Elétrica Gerada , ,00 Demanda Térmica do Processo , ,80 Potência Térmica Gerada na Caldeira , ,00 Tabela 4 Erros entre Resultados da Usina e da Simulação Resultados Erro (kw) % Demanda Energética das Bombas 51,85 12,5109 Potência Elétrica Gerada ,00-6,1600 Demanda Térmica do Processo 4.840,50 6,0665 Potência Térmica Gerada na Caldeira - 131,78-0,1008 Adicionalmente, as Tabelas 5 e 6 apresentadas abaixo, nos fornece uma análise comparativa entre o rendimento global da usina sem considerar as irreversibilidades e o obtido através da simulação da operação da usina, calculados através da fórmula apresentada no capítulo três. Tabela 5 Rendimento Global Ideal da Usina e da Simulação Resultados Usina (%) Simulação (%) Rendimento Global da Planta 76,28 76,54 43

44 Tabela 6 Erro entre Rendimento Global Ideal da Usina e da Simulação Resultados Erro (%) % Rendimento Global da Planta - 0,26-0,34 Desta forma, podemos observar que os parâmetros apresentam erro relativo médio de 6,2%, sendo que, a demanda energética das bombas, considerado o parâmetro que apresenta maior erro relativo, nos fornece um erro absoluto de 51 kw que pode ser tomado como desprezível se comparado com a potência elétrica gerada pela planta desta usina. Além disso, o rendimento global da planta apresentou um erro relativo médio de 0,34%, confirmando assim a simulação através da ferramenta como efetiva e completamente capaz de ser utilizada para analisar a operação desta usina. Assim sendo, estávamos aptos a realizar uma simulação considerando as eficiências dos equipamentos informadas por PASSOLONGO, Simulação do Ciclo Real Após confirmar a confiabilidade da simulação realizada, as eficiências dos equipamentos informadas foram inseridas no respectivo painel da ferramenta de simulação, como podemos notar na Figura 18 apresentada abaixo. 44

45 Figura 18 Simulação de Operação da Usina Considerando as Eficiências dos Equipamentos Nas Tabelas 7 e 8, apresentadas abaixo, podemos observar uma análise comparativa entre o rendimento global da usina e o rendimento global da usina simulada, e novamente concluir de que apesar de um erro absoluto de 3,72% e um erro relativo de 6%, esta ferramenta é apropriada para a simulação de operação desta usina. 45

46 Tabela 7 Rendimento Global da Usina e da Simulação Considerando as Eficiências dos Equipamentos Resultados Real (%) Simulação (%) Rendimento Global da Usina 61,40 57,68 Tabela 8 Erro entre Rendimento Global da Usina e da Simulação Considerando as Eficiências dos Equipamentos Resultados Erro (%) % Rendimento Global da Usina 3,72 6, Análise Gráfica da Operação da Usina Após realizar a simulação de operação da usina sucroalcooleira, realizamos uma análise gráfica da operação desta usina, utilizando a ferramenta desenvolvida já apresentada no capítulo quatro. Ao realizar esta análise, buscamos primeiramente como objetivo um aumento do rendimento global da planta, considerando que, como evidenciado no capítulo três, este rendimento está diretamente ligado com a demanda térmica do processo. Em períodos de safra da cana de açúcar, a demanda térmica do processo aumenta, sendo esta a justificativa para buscarmos um cenário de aumento do rendimento global da planta. Adicionalmente, em épocas cuja demanda térmica do processo é baixa, em função da diminuição de produção de açúcar e etanol, temos a possibilidade de direcionar a operação da usina para a geração de potência elétrica através das turbinas a vapor, com o objetivo de gerar um excedente de energia útil a ser comercializado. Sendo assim, temos como segundo objetivo na análise gráfica, aumentar a potência elétrica gerada na operação da usina em períodos cuja demanda térmica do processo é baixa. 46

47 A fim de alcançar estes objetivos expostos acima, modificamos parâmetros chaves de operação da usina sucroalcooleira e verificamos por meio de gráficos como o rendimento global da planta e a potência elétrica gerada respondem a estas alterações. Os gráficos, análises e resultados envolvidos serão apresentados por parâmetro em seguida. Os parâmetros de operação da usina utilizados anteriormente foram mantidos conforme exibidos na Figura 19 abaixo, sendo somente alterados os parâmetros analisados em cada gráfico. Figura 19 Parâmetros de Operação da Usina Utilizados nas Análises Gráficas 47

48 Pressão na Caldeira Primeiramente, foi realizada uma variação da pressão na caldeira através da análise gráfica, com o objetivo de analisar o impacto que poderíamos gerar no rendimento global da planta. Na Figura 20 apresentada abaixo, podemos notar o gráfico plotado. Figura 20 Gráfico da Pressão na Caldeira vs. Rendimento Global da Planta Ao analisar o gráfico exibido na Figura 20 podemos notar que aumentando a pressão na caldeira, não temos um aumento expressivo do rendimento global, uma vez que, ao dobrarmos a pressão na caldeira, o rendimento global da planta sofreu somente um aumento de 0,57%, variando de 57,67% para aproximadamente 58%. Posteriormente, realizamos uma análise da variação da pressão na caldeira versus a potência elétrica total gerada na operação da usina. Podemos notar na Figura 21 abaixo, o gráfico plotado para esta análise. 48

49 Figura 21 Gráfico da Pressão na Caldeira vs. Potência Elétrica Gerada Ao observarmos este gráfico exibido na Figura 21, podemos notar que o aumento da pressão na caldeira gera um aumento expressivo da potência elétrica total gerada, já que sofre um aumento de 9,09%, representando a geração de aproximadamente kw de energia. Analisando os gráficos apresentados nas Figuras 20 e 21, também podemos observar que ao reduzir a pressão na caldeira, ocasionamos um impacto relativamente grande na potência total gerada, se comparado com o impacto no rendimento global da planta. A fim de analisar tal afirmação, voltamos a janela Simulação e realizamos uma simulação da usina modificando somente a pressão na caldeira de 68.6 bar para 20 bar, conforme exibido na Figura

50 Figura 22 Simulação de Operação da Usina com Redução na Pressão da Caldeira Na Tabela 9 apresentada abaixo, podemos notar que enquanto a potência total gerada sofre uma redução de 22%, a demanda térmica do processo sofre um aumento de aproximadamente 12%, mantendo o rendimento global praticamente estável, já que este somente sofre uma redução de 1,4%. 50

51 Tabela 9 Análise da Redução da Pressão na Caldeira vs. Resultados de Operação da Usina 68,6 (bar) 20,0 (bar) Δ (%) Rendimento Global (%) 57,6% 56,8% -1,4% Potência Total Gerada (kw) ,2% Demanda Térmica do Processo (kw) ,5% Sendo assim, a partir das análises da variação da pressão na caldeira, podemos concluir que um aumento nesta pressão resulta em um aumento na potência total gerada. Além disso, a redução da pressão na caldeira é capaz de gerar um aumento na demanda térmica do processo, tendo conhecimento de que isto resultaria em uma redução mais expressiva da potência total gerada na operação da usina, porém mantendo praticamente estável o rendimento global da planta Pressão na Entrada do Condensador Nesta análise, iremos realizar uma variação da pressão na saída da caldeira com o objetivo de analisar o impacto que poderíamos gerar no rendimento global da planta e na potência total gerada na operação da usina. Nas Figuras 23 e 24, apresentadas abaixo, podemos notar os gráficos analisados para cada parâmetro respectivamente. 51

52 Figura 23 Gráfico da Pressão na Entrada do Condensador vs. Rendimento Global da Planta Figura 24 Gráfico da Pressão na Entrada do Condensador vs. Potência Elétrica Gerada 52

53 Ao analisar os gráficos obtidos, podemos notar que tanto o rendimento global da planta, quanto a potência elétrica total gerada na operação da usina, sofrem um aumento significativo ao reduzirmos a pressão abaixo de 0,1 bar, e também podemos notar que a curva destes parâmetros se torna mais suave a medida que a pressão na entrada do condensador é aumentada a partir da pressão de 0,8 bar. Portanto, podemos concluir que a pressão na entrada do condensador com que a usina tem sido operada traz resultados satisfatórios tanto para a potência total produzida quanto para o rendimento global, e que uma redução na pressão da entrada do condensador provoca um aumento no rendimento global da planta e na potência elétrica gerada Pressão de Extração da Turbina de Extração-Condensação Em seguida, realizamos uma variação da pressão de extração da turbina de extração-condensação através da análise gráfica, com o objetivo de analisar o impacto ocasionado no rendimento global da planta, conforme apresentado na Figura 25 abaixo. Figura 25 Gráfico da Pressão de Extração na Turbina de Extração- Condensação vs. Rendimento Global da Planta 53

54 Ao analisar o gráfico apresentado na Figura 25 podemos notar que diminuindo a pressão de extração na turbina de extração-condensação, não temos um aumento expressivo do rendimento global, uma vez que, ao reduzirmos esta pressão até a metade de seu valor anterior, o rendimento global da planta sofreu somente um aumento de 1,09%, variando de 57,67% para aproximadamente 58,3%. Em seguida, realizamos uma análise da variação da pressão de extração da turbina de extração-condensação versus a potência elétrica total gerada na operação da usina, conforme apresentado no gráfico exposto na Figura 26 abaixo. Figura 26 Gráfico da Pressão de Extração na Turbina de Extração- Condensação vs. Potência Elétrica Gerada Ao observarmos o gráfico apresentado na Figura 26, podemos notar que diminuindo a pressão de extração na turbina de extração-condensação, podemos gerar um aumento expressivo da potência elétrica total gerada já que ao reduzirmos esta pressão pela metade de seu valor anterior, a potência total gerada sofre um aumento de quase 15%, que representa a geração de aproximadamente kw de energia a mais do que era gerado anteriormente. 54

55 Analisando os gráficos apresentados nas Figuras 25 e 26 acima, também podemos observar que ao reduzir a pressão de extração, a potência elétrica total gerada sofreu um aumento mais expressivo se comparado ao aumento sofrido pelo rendimento global da planta. A fim de analisar em detalhes este comportamento, voltamos a janela Simulação e realizamos uma simulação da usina modificando somente a pressão de extração na turbina de extração-condensação de 2,45 bar para 1,00 bar, como podemos observar na Figura 26, apresentada abaixo. Figura 27 Simulação de Operação da Usina com Redução na Pressão de Extração na Turbina de Extração-Condensação 55

56 Na Tabela 10 apresentada abaixo, podemos notar que enquanto a potência total gerada sofre um aumento de aproximadamente 13%, e o rendimento global sofre um aumento de 1,0%, a demanda térmica do processo permanece praticamente estável sofrendo somente um aumento irrisório. Tabela 10 Análise da Redução da Pressão de Extração na Turbina de Extração- Condensação vs. Resultados de Operação da Usina 2,45 (bar) 1,00 (bar) Δ (%) Rendimento Global (%) 57,6% 58,2% 1,0% Potência Total Gerada (kw) ,3% Demanda Térmica do Processo (kw) ,2% Sendo assim, a partir das análises da variação da pressão de extração da turbina de extração-condensação, podemos concluir que uma redução desta pressão influi efetivamente no aumento na potência total gerada, sem resultar em uma redução na demanda térmica do processo Vazão na Turbina de Extração-Condensação Nesta análise, foi realizada uma variação da vazão de vapor na turbina de extração-condensação, representada pelo Ponto 2 exibido na Figura 28 abaixo, com o objetivo de analisar como o rendimento global da planta seria afetado por tais modificações. Figura 28 Turbina de Extração-Condensação 56

57 Figura 29 Gráfico da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Rendimento Global da Planta No gráfico apresentado na Figura 29, podemos notar que ao diminuir a vazão na turbina de extração-condensação, ocasionamos um grande aumento do rendimento global, uma vez que, ao reduzirmos esta vazão em 20%, o rendimento global da planta sofreu um aumento de praticamente 30%, variando de 57,67% para aproximadamente 75%. Em seguida, realizamos uma análise da variação da vazão na turbina de extração-condensação versus a potência elétrica total gerada na operação da usina. Podemos notar, no Figura 30 abaixo, o gráfico plotado para esta análise. 57

58 Figura 30 Gráfico da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Potência Elétrica Gerada Ao analisar o gráfico apresentado na Figura 30, podemos notar que diminuindo a vazão na turbina de extração-condensação, temos como resultado uma diminuição da potência elétrica gerada na operação da usina. Quando reduzirmos esta vazão em 20%, a potência elétrica sofre uma redução de 8%, gerando no total aproximadamente menos de 3000 kw. Analisando os gráficos apresentados nas Figuras 29 e 30 acima, podemos observar que ao diminuir a vazão na turbina de extração-condensação, a potência elétrica sofreu uma redução, porém o rendimento global da planta teve um aumento expressivo. A fim de analisar em detalhes este comportamento, voltamos a janela Simulação e realizamos uma simulação da usina modificando a vazão de extração na turbina de extração-condensação de 125 t/h para 100 t/h, como exibido na Figura 31, apresentada abaixo. 58

59 Figura 31 Simulação de Operação da Usina com Redução na Vazão da Turbina de Extração-Condensação Na Tabela 11 apresentada abaixo, podemos notar que enquanto a potência total gerada sofre uma redução de 9%, a demanda térmica do processo sofreu um aumento de praticamente 22%, fornecendo ao processo aproximadamente mais kw de energia térmica, e desta forma possibilitando um aumento do rendimento global da planta de aproximadamente 30%. 59

60 Tabela 11 Análise da Redução da Vazão na Turbina de Extração-Condensação vs. Resultados de Operação da Usina 125 (t/h) 100 (t/h) Δ (%) Rendimento Global (%) 57,6% 74,7% 29,6% Potência Total Gerada (kw) ,0% Demanda Térmica do Processo (kw) ,5%. O aumento da demanda térmica do processo se deve pelo fato de reduzirmos a vazão na turbina de extração-condensação, porém mantemos a vazão de sangramento da turbina, sendo assim a vazão de fluido do segundo estágio desta turbina é praticamente nula, ocasionando uma redução na potência elétrica gerada. Assim sendo, esta configuração de operação da usina é considerada útil em períodos cuja demanda térmica do processo é alta e em contrapartida não há necessidade de gerar grande quantidade de potência elétrica, como por exemplo, durante a época de safra da cana de açúcar Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação Por fim, foi realizada uma variação da vazão de vapor sangrado da turbina de extração-condensação, com o objetivo de analisar como o rendimento global da planta seria impactado por tais alterações, conforme apresentado na Figura 32 abaixo. 60

61 Figura 32 Gráfico da Vazão de Sangramento na Turbina de Extração-Condensação vs. Rendimento Global da Planta No gráfico apresentado na Figura 32, podemos notar que ao diminuir a vazão na turbina de extração-condensação, ocasionamos uma redução no rendimento global, uma vez que, ao reduzirmos esta vazão em 50%, o rendimento global da planta sofreu uma redução de praticamente 65%, variando de 57,67% para aproximadamente 20%. Em seguida, realizamos uma análise da variação da vazão de sangramento na turbina de extração-condensação versus a potência elétrica total gerada na operação da usina. Podemos observar, na Figura 33 abaixo, o gráfico plotado para esta análise. 61

62 Figura 33 Gráfico da Vazão de Sangramento na Turbina de Extração-Condensação vs. Potência Elétrica Gerada Ao analisar o gráfico apresentado na Figura 33, podemos notar que ao reduzirmos a vazão de sangramento na turbina de extração-condensação, temos como resultado um aumente expressivo da potência elétrica gerada na operação da usina, considerando que ao reduzirmos esta vazão em 50%, esta potência elétrica sofre um aumento de 18%, gerando no total aproximadamente 7000 kw de excedente de energia elétrica. Analisando os gráficos apresentados nas Figuras 32 e 33 acima, podemos observar que ao reduzir a vazão sangrada na turbina de extração-condensação, a potência elétrica sofreu um aumento, porém o rendimento global da planta teve uma forte redução. A fim de analisar em detalhes este comportamento, voltamos a janela Simulação e realizamos uma simulação da usina modificando a vazão de sangramento na turbina de extração-condensação de 97.1 t/h para 45 t/h, como exibido na Figura 34, apresentada abaixo. 62

63 Figura 34 Simulação de Operação da Usina com Redução na Vazão de Sangramento da Turbina de Extração-Condensação Na Tabela 12 apresentada abaixo, podemos notar que enquanto a potência total gerada sofre um aumento de aproximadamente 18%, o rendimento global sofreu uma grande redução ocasionado pela redução na demanda térmica do processo de aproximadamente 50%. 63