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DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA - DEPEL
COORDENADORIA DE ENGENHARIA ELÉTRICA – COELE
Eficiência Energética no Controle de Vazão de Ar para Combustão de Caldeiras
Aluno: Gabriel de Oliveira Papa
Matrícula: 0909557-8
Professora Orientadora: Dra. Teresa Cristina Bessa Nogueira Assunção
São João Del Rei
2015
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Eficiência Energética no Controle de Vazão de Ar para Combustão de Caldeiras
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Aluno: Gabriel de Oliveira Papa
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Orientador: Dra. Teresa Cristina Bessa Nogueira Assunção
São João Del Rei
2015
AGRADECIMENTOS
Aos meus educadores de ofício e de vida, sem os quais a construção do saber e do ser
seria improvável. À Rhodia Solvay Group por possibilitar o ambiente de integração entre teoria
e prática. E, em especial à Dra. Teresa pela destreza e comprometimento durante a orientação
deste trabalho.
RESUMO
Os motores elétricos de média tensão que acionam os ventiladores do sistema de ar para
combustão de uma planta geradora de vapor são grandes consumidores de energia elétrica. A
vazão do sistema de ar é controlada por válvulas damper no lado de sucção dos ventiladores.
Nessas condições, mesmo subcarregado o motor elétrico demanda potência ativa próxima da
demanda para carregamento nominal.
O principal foco deste trabalho é a substituição do controle por válvulas damper pelo
controle da velocidade, para proporcionar eficiência energética com a redução do consumo de
energia elétrica na produção de ar para combustão.
A justificativa para a implementação do novo controle será feita através das medições
dos parâmetros do sistema de ar com variação de carga para a geração de vapor da planta, nos
limites atuais de operação.
A partir dos parâmetros estabelecidos e registrados nos testes, foi possível utilizar a lei
de afinidade dos ventiladores para estabelecer a demanda de potência a partir da variação de
rotação do ventilador pelo controle da velocidade.
As ferramentas estatísticas de correlação de variáveis e regressão linear são os
parâmetros analisados para definir a demanda de potência do sistema de ar em todas as faixas
de variação de carga da planta geradora de vapor d’água. Podendo então, ser modelado o
consumo de energia elétrica atual e do sistema com o novo método de controle de vazão de ar,
e efetivamente comprovar a redução por comparação entre os métodos de controle.
Palavras Chave: Motores Elétricos, Média Tensão, Planta Geradora de Vapor, Sistema
de Ar, Válvulas Damper, Potência Ativa, Lei de Afinidade de Ventiladores, Controle de
Velocidade, estatística.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Fatias de geração de energia elétrica por fonte no Brasil – Jan/Mar 2015. .................7
Figura 2: Sistema de geração de vapor simplificado de caldeira flamotubular. ....................... 10
Figura 3: Sistema de geração de vapor simplificado de caldeira aquatubular.......................... 10
Figura 4: Planta Geradora de Vapor. ..................................................................................... 11
Figura 5: Rede Elétrica de Alimentação da Instalação. .......................................................... 12
Figura 6: Fluxograma do sistema de combustão .................................................................... 14
Figura 7: Perfil de carga de ar de combustão do sistema gerador de vapor. ............................ 18
Figura 8: Relação de Vapor Produzido e Ar para Combustão. ............................................... 19
Figura 9: Curva de Potência Motor de Indução 1. .................................................................. 22
Figura 10: Curva de Potência Motor de Indução 2. ................................................................ 23
Figura 11: Demanda de Potência Ativa por controle de velocidade motor 1. .......................... 29
Figura 12: Demanda de potência ativa por controle de velocidade motor 2. ........................... 29
Figura 13 Relação de linearidade das variáveis vazão de ar e rotação. ................................... 31
Figura 14: Regressão Linear e Equação da Reta MIT 1. ........................................................ 33
Figura 15: Regressão Linear e Equação da Reta MIT 2 ......................................................... 34
Figura 16: Relação de Vazão de ar e demanda de potência ativa MIT 1. ................................ 35
Figura 17: Relação de Vazão de ar e demanda de Potência ativa MIT 2. ................................ 35
Figura 18: Curva teórica dos ventiladores 1 e 2. .................................................................... 38
Figura 19: Custo da energia elétrica por modalidade de consumidor. ..................................... 39
Figura 20: Consumo de Energia Elétrica.. ............................................................................. 41
Figura 21: Custo de com energia elétrica............................................................................... 42
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: Dados Característicos dos Motores de Indução. ..................................................... 14
Tabela 2: Dados dos Ventiladores de Tiragem. ..................................................................... 15
Tabela 3: Características Nominais da caixa de ar. ................................................................ 15
Tabela 4: Características do Vapor Gerado. .......................................................................... 15
Tabela 5: Frequência de produção de ar para combustão no ano. ........................................... 17
Tabela 6: Perfil de operação do sistema de ar de combustão. ................................................. 17
Tabela 7: Matriz de Teste de Variação de Carga do Sistema de Vapor. .................................. 20
Tabela 8: Demanda de Potência Ativa por Faixa de Carga..................................................... 21
Tabela 9: Velocidade de rotação necessária por demanda de vazão de ar. .............................. 27
Tabela 10: Demanda de potência ativa por controle de velocidade ........................................ 28
Tabela 11: Variação da rotação por intervalo de carga de geração de ar. ................................ 32
Tabela 12: Demanda de potência por faixa de rotação ........................................................... 34
Tabela 13: Comparativo da demanda de potência ativa. ........................................................ 37
Tabela 14: Consumo anual de energia elétrica. ...................................................................... 40
Tabela 15: Custo do consumo de energia elétrica. ................................................................. 42
Tabela 16: Custos Projeto ..................................................................................................... 43
Sumário
1. INTRODUÇÃO .........................................................................................................................7
2. SISTEMAS GERADORES DE VAPOR - CALDEIRAS ........................................................8
2.1. Classificação de caldeiras ..................................................................................................9
2.1.1. Caldeiras Flamotubulares..........................................................................................9
2.1.2. Caldeiras Aquatubulares ........................................................................................... 10
3. A PLANTA GERADORA DE VAPOR ............................................................................................. 10
3.1. Generalidades do sistema de ar para combustão ............................................................ 13
3.2. Características dos componentes do sistema de combustão ........................................... 13
3.2.1. Motores de indução trifásicos .................................................................................. 14
3.2.2. Ventiladores ............................................................................................................. 15
4. HISTOGRAMA DE OPERAÇÃO ................................................................................................... 16
4.1. Matriz de leituras de vazão do sistema de ar .................................................................... 16
5. TESTES DE VARIAÇÃO DE CARGA DO SISTEMA GERADOR DE VAPOR ............... 19
5.1. Considerações sobre a rotina de testes de carga ............................................................. 19
5.2. Análise da cadeia de medidas .......................................................................................... 20
5.3. Curvas de Vazão de Ar e demanda de Potência ativa por controle de dampers ............ 22
6. CONVERSORES DE FREQUÊNCIA DE MÉDIA TENSÃO .............................................. 24
7. DEMANDA DE POTÊNCIA ATIVA DOS MOTORES POR CONTROLE DE
VELOCIDADE DE ROTAÇÃO .................................................................................................... 25
7.2. Demanda de potência ativa com variação de velocidade em função da carga ............... 26
8. ANÁLISE ESTATÍSTICA DO COMPORTAMENTO DO SISTEMA DE AR COM
VARIAÇÃO DA CARGA DE VAPOR .......................................................................................... 29
8.1. Regressão linear de vazão de ar (X) e velocidade de rotação (Y) ................................... 30
8.2. Regressão Linear da velocidade de rotação e Potência ativa ......................................... 32
8.3. Análise de regressão linear para operação com damper................................................... 34
8.4. Redução da demanda de potência ativa entre os métodos .............................................. 36
8.5. Verificação da demanda de potência ativa pela curva teórica do ventilador................. 37
9. RELAÇÃO DE ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA EMPREGANDO OS MÉTODOS
DE CONTROLE POR DAMPER E VARIAÇÃO DE VELOCIDADE ........................................ 39
10. ANÁLISE DE CUSTO DOS RESULTADOS .................................................................... 42
11. CONCLUSÃO ..................................................................................................................... 43
12. REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS .................................................................................. 44
7
1. INTRODUÇÃO
Eficiência energética na indústria proporciona a otimização de processos e redução de
custos. Sendo cada vez mais, um fator importante para garantir a sustentabilidade dos negócios.
Atualmente, a preocupação com o consumo de energia elétrica é ainda maior, pois, a
escassez de recursos hídricos para a geração, influência diretamente no custo final da energia
elétrica para o consumidor.
Segundo, o Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), a maior fonte geradora de
energia elétrica no Brasil é proveniente de hidrelétricas, ou seja, estas são responsáveis pela
geração de 72,2% da capacidade total instalada, e os outros 27,8% da geração são provenientes
de outras fontes, como mostrado na Figura 1 (ANEEL, 2015).
Figura 1: Fatias de geração de energia elétrica por fonte no Brasil – Jan/Mar 2015.
No setor industrial as máquinas rotativas representam uma parcela considerável de
consumo de energia elétrica. Os motores que acionam os ventiladores de ar para combustão da
caldeira, e que compõem o sistema gerador de vapor estudado neste trabalho consomem 3006,7
MW/ano.
O controle de velocidade por conversores de frequência é um método eficiente que
contribui para a redução do consumo de energia elétrica. Os conversores atuam na modulação
da tensão e frequência de rede para regular a velocidade de acordo com o carregamento do
motor.
Alguns fabricantes disponibilizam softwares para a simulação de seus conversores
(Siemens, ABB, Allen-Bradlay). No entanto, apenas o input de dados do sistema no software,
sem conhecimento da arquitetura de simulação, não é uma medida justificável de investimentos
para projetos de qualquer origem. É função do gestor de projetos ou do projetista, apresentarem
8
estimativas de tempo, custo ou recursos técnicos, correlacionando cada detalhe e precisão das
estimativas com o nível de certeza de sucesso associados.
Em investimentos para alterações de processos deve ser especificada a taxa de retorno
por intervalo de tempo, ou seja, o payback, que é um dos parâmetros para a aprovação financeira
do projeto. Em qualquer modificação de métodos ou processos é necessária a verificação da
vantagem técnica e econômica da alteração. Em suma, a mudança deve ser no mínimo
economicamente viável e operacionalmente possível.
Outro parâmetro importante na alteração de processos instalados é que não se deve
alterar um sistema com perda de confiabilidade do processo. Confiabilidade é a probabilidade
de um componente, equipamento ou sistema exercer a sua função sem falhas, por um período
de tempo previsto, em condições de operação especificadas.
2. SISTEMAS GERADORES DE VAPOR - CALDEIRAS
Plantas de geração de vapor apresentam características construtivas robustas e
complexas. Em aplicações de cargas elevadas, o sistema de geração de vapor é feito de acordo
com o processo de fabricação, como é o caso de caldeiras de grande porte.
Quando há uma manutenção e inspeção constante dos equipamentos principais, ou seja,
da caldeira e periféricos, essas plantas operam por décadas, apenas com modificações
relacionadas a características de atualizações de processo, substituição de equipamentos
periféricos e eficiência do sistema gerador de energia térmica, permanecendo inalteradas as
suas principais características construtivas.
Basicamente, um sistema gerador de vapor é composto por uma câmara de combustão,
caldeira e forno. Agregados à caldeira ficam os equipamentos periféricos de maior relevância,
como os desaeradores de água de alimentação, bombas, e ventiladores de tiragem.
Uma caldeira pode ser entendida como um trocador de calor complexo que produz vapor
a partir de energia térmica (combustível), ar e fluído com capacidade de vaporização. É
constituída por diversos equipamentos associados, perfeitamente integrados, para permitir a
obtenção de maior rendimento térmico (Pera, 1966).
Devido às variações dos modelos de operação de plantas industriais ao longo do tempo,
menor demanda do consumidor final, trocas e mudanças nos processos, os equipamentos
instalados podem ser insuficientes, ou tornam-se sobredimensionados para as mesmas
operações. Isso em geral, pode ser observado nas grandes plantas geradoras de vapor, onde
9
dimensionamentos superiores ao necessário caminham na direção inversa de sistemas que
operam eficientemente.
Para os motores elétricos que acionam os ventiladores, não há controle de variação de
velocidade em sincronia com a produção de carga de vapor da caldeira. Os motores operam na
frequência nominal da rede elétrica, portanto, demandam para cargas baixas de vapor, uma
potência elétrica acima da necessária.
A aplicação de conversores de frequência nos motores para controle de vazão de ar,
reduz a perda de carga do sistema, dispensando o uso do damper. Mas, principalmente regula
a rotação do motor de acordo com a necessidade do sistema de ar de combustão, criando um
regime de trabalho para cada condição de operação, diminuindo o custo operacional da planta
de vapor pela redução do consumo de energia elétrica dos motores elétricos de indução.
2.1. Classificação de caldeiras
Ao longo da evolução tecnológica das aplicações industriais e de métodos mais eficazes
de geração de energia térmica, surgiram diversos tipos de caldeiras, classificadas de acordo com
características específicas: tipo de uso; níveis de pressão de vapor gerado; composição;
tamanho; líquido dos tubos; formato e posição dos tubos; sistema da fornalha; fonte geradora
de calor; tipo de combustível; sistema de circulação; posição dos queimadores; sistema da
fornalha; características construtivas gerais; registro de fabricantes e de acordo com
características especiais (Shields, 1978).
Uma maneira prática e comum de classificar caldeiras é relacionar a forma de geração
de vapor na fornalha, conforme a circulação do fluído em seu interior, sendo denominadas
aquatubulares e flamotubulares.
2.1.1. Caldeiras Flamotubulares
Nesse tipo de caldeira, ilustrada na Figura 2, os gases quentes da combustão circulam
dentro de tubos que passam imersos em reservatórios de água, aquecendo-a para a geração de
vapor. São caldeiras que apresentam coeficientes de eficiência de combustão baixos, e em geral,
são para aplicações em pequenas instalações e pressões baixas de trabalho. O combustível para
queima pode ser carvão, gás ou óleo (Manuais Elektro de Eficiência Energética, 2014).
10
Figura 2: Sistema de geração de vapor simplificado de caldeira flamotubular.
2.1.2. Caldeiras Aquatubulares
Nesse tipo de caldeira acontece o inverso da flamotubular, ou seja, a queima do
combustível na fornalha vaporiza a água que circula por entre os tubos, como na Figura 3. As
caldeiras aquatubulares tem um custo médio de instalação duas vezes maior que as
flamotubulares. No entanto, a aplicação para esse tipo de caldeira permite temperaturas de
vapor superiores a 450°C e pressões de trabalho superiores a 60 Kgf/cm² (Manuais Elektro de
Eficiência Energética, 2014)
Figura 3: Sistema de geração de vapor simplificado de caldeira aquatubular.
3. A PLANTA GERADORA DE VAPOR
Para estabelecer o grau de complexidade da planta geradora de vapor, e delimitar os
limites do estudo focado na eficiência da geração de ar para combustão das caldeiras, é
apresentado na Figura 4, o diagrama funcional do vapor gerado, os níveis de pressão de trabalho
e as respectivas linhas de distribuição do vapor.
11
Figura 4: Planta Geradora de Vapor.
O vapor gerado nas caldeiras pode circular por dois caminhos para atender as
necessidades dos processos de fabricação. O primeiro fornece vapor de 90 kgf/cm² para a
turbina a vapor, denominada TG III na Figura 4, para produção de energia elétrica acionando
um gerador de capacidade de 10 MW, e reduzindo o nível de pressão do vapor gerado para 40
12
e 6,5 Kgf/cm². Ou, o segundo caminho, que passa por válvulas redutoras localizadas nos postos
de redução até os coletores, gerando os níveis de pressão de 40, 14, e 6,5 kgf/cm³.
O fornecimento de energia elétrica para a da planta depende da rede de distribuição da
Companhia Paulista de Força e Luz (CPFL), que chega por duas linhas diferentes, e da geração
de energia elétrica do turbo gerador TG III, que opera em paralelo com a rede. Os níveis de
tensão são rebaixados na subestação a níveis de tensão de alimentação dos equipamentos
instalados na Unidade, conforme o esquema da Figura 5.
Figura 5: Rede Elétrica de Alimentação da Instalação.
13
3.1. Generalidades do sistema de ar para combustão
O sistema de combustão é formado por duas partes: a primeira é responsável por
fornecer gás combustível (GLP ou Gás Natural) para que a queima seja plena. A segunda, e
objetivo principal deste estudo, fornece ar para combustão do gás em quatro queimadores tipo
maçarico, instalados na câmara de combustão da caldeira. A vazão de ar é regulada pelo grau
de abertura dos dampers de entrada na sucção dos ventiladores de tiragem forçada.
O princípio de funcionamento consiste em insuflar o ar ambiente pelos ventiladores e o
conduzir por dutos à caixa de ar dos queimadores para alimentar a combustão. O gás
combustível é levado por tubulações até os queimadores tipo maçarico, e misturado com o ar
através do sistema de ignição elétrica dos maçaricos, ocorrendo a combustão.
Por ser a caldeira do tipo aquatubular, a fornalha é composta por paredes de água que
são irradiadas pelo calor da queima e absorve calor. Os gases resultantes da combustão são
conduzidos por entre os dutos que formam a parede de água, e em um sistema de circulação
contínuo passam pelos tubulões superior e inferior. O vapor gerado no tubulão superior é de
baixa umidade, alta temperatura (510° Celsius) e pressão de 90kgf/cm².
Na Figura 6 é ilustrado o diagrama intuitivo e simplificado do sistema de ar de
combustão da caldeira e da câmara de combustão, onde efetivamente acontece a queima. A
redução no consumo de energia elétrica está focada na parte de geração de ar, composta pelos
motores de indução 1 e 2 que acionam, respectivamente, os ventiladores 1 e 2 e a caixa de ar.
Especificamente, a substituição do método de controle abrange os motores elétricos e dispensa
a utilização dos dampers.
3.2. Características dos componentes do sistema de combustão
Na Figura 6 é mostrado que o sistema é espelhado, ou seja, um lado tem exatamente as
mesmas características de projeto do outro, apesar do sistema de ar ser único, depende de dois
motores de indução e dos dois ventiladores, que juntos fornecem o ar de combustão para atender
a demanda da caldeira do sistema gerador de vapor.
14
Figura 6: Fluxograma do sistema de combustão
3.2.1. Motores de indução trifásicos
Os motores elétricos de indução são idênticos, foram instalados na mesma época e
possuem as mesmas características construtivas, conforme apresentadas na Tabela 1. No
entanto, tratando-se de máquinas rotativas instaladas em ambiente industrial de grande
agressividade, as características atuais, intrínsecas, de cada conjunto motor elétrico e ventilador
dependem do desgaste de cada elemento, e a investigação deste desgaste exige maior
detalhamento e mão de obra para o desmonte dos motores. Mas, isso não será tratado neste
trabalho, pois, a alteração vai ser feita no método de controle de vazão e os motores serão
mantidos.
Tabela 1: Dados Característicos dos Motores de Indução.
Fabricante G.E – General Electric
Modelo Custom 8000 29.4014.298
Carcaça B2885
Classe de Isolamento B (ABNT F/B)
Número de polos 4
Potência Nominal 300 cv / 224 KW
Velocidade de Rotação 1780 rpm
Frequência de Rede (alimentação) 60 Hertz
Fator de Potência 0,92
Rendimento 89%
Damper 1 Damper 2
15
3.2.2. Ventiladores
Os ventiladores são acionados por motores de indução e possuem as mesmas
características de projeto, conforme a Tabela 2. No entanto, assim como os motores, as
características atuais dependem das condições de operação.
Tabela 2: Dados dos Ventiladores de Tiragem.
Fabricante CBC Indústrias Pesadas S/A
Tipo Centrífugo
Modelo AL – R137 SWSI
Vazão Nominal 86400 m³/hora
Velocidade de Rotação 1780 rpm
Damper Radial
Acoplamento do eixo mecânico Direto
3.2.3. Caixa de ar
A caixa de ar do sistema de combustão é composta pela união da descarga individual de
ar de cada ventilador. Nesse ponto o ar é conduzido por dutos até a câmara de combustão da
caldeira e tem características à plena carga definidas em testes do fabricante, conforme a Tabela
3.
Tabela 3: Características Nominais da caixa de ar.
Vazão Nominal 124031 m³/h
Vazão de Ar a Plena Carga 103100 m³/h
Pressão a plena carga 340 mmca ou 3321,8 N/m²
Pressão performance a 110% de carga 410 mmca ou 4005,7 N/m²
3.2.4. Características do vapor gerado
A capacidade máxima de geração da planta é de 125 ton/hora de vapor, as características
de pressão de trabalho e temperatura permanecem inalteradas, independente da carga de
geração da planta. Na Tabela 4 são mostradas as características nominais obtidas em testes de
desempenho do vapor gerado, segundo o fabricante.
Tabela 4: Características do Vapor Gerado.
Vazão Nominal 125 ton/hora
Pressão de Trabalho 90 kgf/cm²
Temperatura do vapor 510° C
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4. HISTOGRAMA DE OPERAÇÃO
Estatisticamente o histograma é um gráfico de barras para dados numéricos em grupos,
no qual as frequências ou porcentagens de cada grupo de dados são representadas por barras
verticais individuais (Levine et al, 2008).
A criação do histograma de operação é importante, pois possibilita a análise detalhada
do regime de trabalho da planta industrial ao longo do ano, e facilita o entendimento das faixas
de trabalho, e as respectivas frequências de operação em níveis diferentes de carga.
Esse é o primeiro passo para definir se realmente é viável alterar o modelo de operação
atual, como por exemplo, usar conversores de frequência para o controle da velocidade de
rotação e modulação da tensão e frequência da rede elétrica, permitindo economia de energia
para regimes de trabalho com capacidade inferior à da planta.
O histograma de operação é obtido das leituras de vazão de ar para combustão, que são
realizadas periodicamente ao longo do ano, com o funcionamento ininterrupto do sistema
gerador de vapor, ou seja, 8760 horas por ano.
4.1. Matriz de leituras de vazão do sistema de ar
O sistema de ar é formado pela contribuição individual dos ventiladores, que insuflam
o ar atmosférico e conduzem para a caixa de ar, onde suas capacidades de vazão se somam,
mantendo a pressão estática. As leituras de vazão de ar são feitas por medidores de vazão
intrusivos, e a pressão é calculada pela diferença de pressão entre a descarga na caixa de ar e a
atmosférica insuflada pelo lado de sucção dos ventiladores.
Como os ventiladores têm características construtivas idênticas, foram instalados e
colocados em operação na mesma data, operam sempre em paralelo, e a perda de carga do
sistema dos dutos de ventilação é a mesma para os dois, pode-se assumir de maneira assertiva
que, a contribuição de cada máquina rotativa para o sistema de ar de combustão representa a
metade do total medido.
Os dados obtidos representam 976 medidas válidas, e conforme (1), é feita a relação da
vazão total medida e vazão individual de cada ventilador por faixa de carga, de 10% a 100% da
capacidade nominal. Cada faixa de geração de vapor tem uma demanda específica de ar de
combustão, conforme a Tabela 5, demonstrando a contribuição de cada ventilador para a
geração do ar de combustão.
17
Tabela 5: Frequência de produção de ar para combustão no ano.
VAZÃO DE AR [%] 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
VAZÃO DE AR [m³/h] 5155 10310 15465 20620 25775 30930 36085 41240 46395 51550
FREQUÊNCIA DE
MEDIDAS 0 0 8 148 400 330 64 10 5 0
𝑸𝒗𝒆𝒏𝒕𝒊𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓 =𝑸𝒎𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐
𝟐 𝒙 𝒇𝒂𝒊𝒙𝒂 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂 [
𝒎³
𝒉] (1)
Sendo: 𝑸𝒗𝒆𝒏𝒕𝒊𝒍𝒂𝒅𝒐𝒓: Vazão individual de cada ventilador [𝒎³
𝒉]; 𝑸𝒎𝒆𝒅𝒊𝒅𝒐: Vazão medida
na caixa de ar [𝒎³
𝒉]; 𝒇𝒂𝒊𝒙𝒂 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂: Variação da carga de geração de ar de combustão e
vapor 10% a 100%.
O número de medidas é relacionado ao somatório de horas do ano, ou seja, 8760,
conforme (2), para a criação do perfil de horas operadas em cada faixa de vazão de ar para
combustão, e os resultados são apresentados na Tabela 6.
𝑯𝒐𝒓𝒂𝒔𝒐𝒑𝒆𝒓𝒂çã𝒐 =𝑭𝒇𝒂𝒊𝒙𝒂
𝟖𝟕𝟔𝟎[𝒉𝒐𝒓𝒂𝒔] (2)
Sendo: 𝑯𝒐𝒓𝒂𝒔𝒐𝒑𝒆𝒓çã𝒐: Horas de operação em cada faixa de carga de 10% a 100%;
𝑭𝒇𝒂𝒊𝒙𝒂
𝟖𝟕𝟔𝟎: Relação do número de medidas em cada faixa de operação de 10% a 100%
Tabela 6: Perfil de operação do sistema de ar de combustão.
VAZÃO 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% TOTAL
Horas/ano 0 0 0 73 1344 3631 2996 581 91 45 8760
Na Figura 7 são apresentados os dados resumidos das medições ao longo do ano, e
indicam que é tecnicamente interessante prosseguir com o estudo de instalação dos conversores
de frequência nos motores dos ventiladores, pois a moda do regime de operação do sistema
gerador de vapor é de 50% a 70% da carga nominal.
18
Figura 7: Perfil de carga de ar de combustão do sistema gerador de vapor.
O sistema de ar segue a produção de vapor, mesmo que em proporções diferentes, pois,
as faixas de trabalho do sistema de ar são sempre as mesmas do vapor gerado. Há um fator de
segurança chamado excesso de ar, que consiste na mistura de combustível e ar para combustão,
sendo essa dosagem feita pelo automatismo do controle.
No acendimento da caldeira o sistema físico dosa primeiro o combustível e depois o ar,
e eleva a carga até o nível de produção de vapor desejado. Quando a carga da caldeira é reduzida
a níveis mais baixos ou até o nível zero, a relação é inversa, e o automatismo corta o
combustível, e posteriormente o ar.
Na Figura 8 é mostrada a relação entre vapor produzido e ar para combustão gerados no
período de 2014. A relação, apesar de não linear é verificada que a faixa de trabalho da planta
está entre 40% e 60%. Como o sistema de controle de vazão de ar é feito por válvulas damper,
que provocam perda de carga no sistema, e mantém a demanda de potência ativa praticamente
constante para todas as faixas de trabalho, há em média um percentual de demanda de potência
ativa dos motores 50% superior da necessária para operar a planta nessa faixa de carga.
0 0 0 73
1344
3631
2996
581
91 45
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
ho
ras
Vazão
HISTOGRAMA DE AR DE COMBUSTÃO
19
Figura 8: Relação de Vapor Produzido e Ar para Combustão.
5. TESTES DE VARIAÇÃO DE CARGA DO SISTEMA GERADOR DE VAPOR
5.1. Considerações sobre a rotina de testes de carga
Os testes de campo são fundamentais para a análise do processo. Com o histograma
tem-se uma base sólida para o levantamento do perfil de operação do sistema. Mas, as medições
de campo fornecem dados pontuais dos parâmetros analisados.
No entanto, quando se trata de uma série de medições, é importante salientar que,
existem erros nas medidas, e estes podem ser significativos para o tratamento dos resultados
mensurados. Basicamente, existem dois tipos de erros de medição em análises experimentais,
os sistemáticos e os aleatórios.
Erros sistemáticos são provocados por falta de confiabilidade dos instrumentos de
medidas, calibração. Por isso, é importante que, antes do início dos testes, todos os instrumentos
sejam devidamente calibrados e certificados de acordo com a 98-3 Incerteza de medição
(ABNT, 2014), onde são estabelecidos critérios para a avaliação de incertezas nas medições e
regras para os níveis de exatidão.
Ainda que, os instrumentos estejam devidamente calibrados, erros aleatórios são
comuns, pois há o fator leitura que deve ser considerado, pois, é comum pessoas terem
interpretações diferentes sobre uma grandeza medida, mesmo que essa seja numérica, ou
quantitativa. Um exemplo comum é o arredondamento de casas decimais, se o operador não
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
ho
ras
carga [%]
RELAÇÃO VAPOR E AR DE COMBUSTÃO
AR [HORAS/ANO] VAPOR [HORAS/ANO]
20
estiver devidamente alinhado aos critérios de arredondamento de medidas, é possível haver
diferença significativa entre as leituras feitas por diferentes operadores (Abackerli et al, 2015).
A rotina de testes é realizada em uma única etapa, respeitando as restrições do sistema,
conforme a Tabela 7.
Tabela 7: Matriz de Teste de Variação de Carga do Sistema de Vapor.
A carga de geração de vapor é variada de 30% da capacidade nominal ou 37,5 ton/hora
a 70%, ou 87,5 ton/hora. Esses limites foram estabelecidos, pois, com cargas abaixo de 30%,
há um grande risco dos queimadores da caldeira apagarem, e ainda, mesmo que apaguem de
forma gradual, um por vez, o risco é relacionado à segurança do processo. O limite superior foi
estabelecido com base de que a partir de 70% da carga nominal a fabricação não demanda vapor
para produção, sendo o vapor gerado e desperdiçado, aumentando o custo.
Apesar das restrições nas medições, o intervalo de testes é bastante razoável. Na Figura
8 tem-se uma base sólida para o planejamento das medições. É evidente que, o sistema não
opera com carga abaixo de 30%, e opera pouco com cargas acima de 70% da capacidade
nominal de geração de vapor.
5.2. Análise da cadeia de medidas
Matriz de testes - Sistema Gerador de Vapor
Planejamento de Medição Sistema
Vapor Caixa de Ar Ventilador 1 Ventilador 2
Car
ga
Teó
rica
Vap
or
ger
ado
Med
ição
Car
ga
real
-
Tes
te
Vaz
ão d
e
ar
Vaz
ão d
e
ar
Pre
ssão
Corr
ente
MIT
1
Aber
tura
Dam
per
Corr
ente
MIT
2
Aber
tura
Dam
per
[%] [ton/h] nº medida [ton/h] [ton/h] [m³/h] [mmca] [Ampére] [%] [Ampére] [%]
30 37,5 1 40 50,0 38759 20 24 13,5 27 13,5
2 44 55,9 43333 40 24 18,4 27 18,4
40 50,0 3 50 60,0 46511 50 25 15,8 28 15,8
4 53 62,7 48604 40 25 15,0 28 15,0
50 62,5 5 62 72,7 56356 60 26 23,0 28 23,0
6 70 84,4 65426 60 26 19,0 28 19,0
60 75,0 7 73 84,9 65813 90 26 20,6 29 20,6
8 75 86,2 66821 70 26 26,2 29 26,2
70 87,5 9 86 98,6 76434 130 27 34,5 29 34,5
10 88 101,2 78449 100 27 34,5 29 34,5
21
Na Tabela 7 são apresentados os dados pontuais para a análise do consumo de energia
elétrica do sistema atual de ar de combustão, medidos durante os testes de variação de carga da
caldeira.
Com os valores das correntes elétricas dos motores de indução é calculada a demanda
de potência ativa em cada faixa de carga. Os demais fatores, tensão de alimentação, fator de
potência e velocidade de rotação não sofrem variações com a demanda de torque no eixo do
motor. A demanda de Potência ativa é calculada por (3). Na Tabela 8 são apresentados os
resultados da demanda de potência ativa do motor em cada faixa de operação.
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 = √3 × 𝑉𝑙 × 𝐼𝑀𝐼𝑇 × 𝑓𝑝 [𝑘𝑊] (3)
Sendo: 𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎 = potência elétrica convertida em trabalho mecânico no eixo do motor de
indução [kW]; 𝑉𝑙: Tensão de alimentação do motor de indução = 3,8 kW; 𝐼𝑀𝐼𝑇 = Corrente
medida nos terminais do motor de indução [A]; 𝑓𝑝 = Fator de potência do motor; 0,92.
Tabela 8: Demanda de Potência Ativa por Faixa de Carga.
Geração Vapor Caixa de Ar Ventilador 1 Ventilador 2
Faixa de Carga
Vapor
Vazão de ar por
ventilador
Porcentagem da
vazão máxima de
ar
Potência Ativa
Motor 1
Potência Ativa
Motor 2
[%] [m³/h] [%] [KW] [KW]
32,0 19379,5 37,6 145,3 163,5
35,2 21666,5 42,0 145,3 163,5
40,0 23255,5 45,1 151,5 169,5
42,4 24302 47,1 151,4 169,5
49,6 28178 54,7 157,4 169,5
56,0 32713 63,5 157,4 169,5
58,4 32906,5 63,8 157,4 175,6
60,0 33410,5 64,8 157,4 175,6
68,8 38217 74,1 163,5 175,6
70,4 39224,5 76,1 163,5 175,6
Os erros sistemáticos de medição atribuídos aos instrumentos de controle aparecem
conforme a manipulação dos dados da cadeia de medição. No caso da demanda de potência,
para motores com características construtivas e regime de trabalho iguais, há uma notável
diferença entre as demandas de potência ativa, devido à diferença de corrente elétrica entre os
motores, ocasionada pelo sistema de controle mecânico das válvulas damper.
22
O ângulo de abertura dos dampers de sucção dos ventiladores apresenta o mesmo grau
de abertura, conforme a Tabela7, pois o painel de instrumentação que indica essa abertura é
comum às duas válvulas, que são controladas pela mesma malha de controle, ou seja, o sinal
eletrônico de comando de abertura ou fechamento de damper é o mesmo para ambos. Mas, na
instalação esse comando elétrico é convertido em pneumático, e os dampers são válvulas de
restrição de carga puramente mecânicas.
Esse fato torna difícil a regulagem exatamente igual para os dois dampers, fazendo com
que o ângulo de abertura de um em relação ao outro seja diferente, criando perdas de carga
diferentes no sistema, e por consequência, faz a corrente do ventilador 2 ser maior, em função
da demanda de torque do no eixo do motor ser maior para vencer a maior restrição de abertura
imposta pelo sistema de controle do damper.
5.3. Curvas de Vazão de Ar e demanda de Potência ativa por controle de damper
Nas Figuras 9 e 10 foram plotados os valores das medidas do teste de variação de carga
para os motores 1 e 2, apresentados na Tabela 8.
Figura 9: Curva de Potência Motor de Indução 1.
140
145
150
155
160
165
170
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Dem
and
a d
e P
otê
nci
a A
tiva
[K
W]
Carga de ar [%]
Motor1; Ventilador 1
23
Figura 10: Curva de Potência Motor de Indução 2.
É fundamental observar as cargas dos testes. A curva de potência não inicia no zero,
pois não é importante a este estudo, que a curva de potência seja modulada para a partida, e sim
durante a operação. Na partida de motores, sem controle de partida ou controlados por
velocidade, o torque de partida é grande, e a demanda de corrente de partida é sete vezes maior
que a corrente nominal.
Comparando os pontos de máxima e mínima demanda de potência nas Figuras 9 e 10, a
diferença da demanda de potência ativa para a variação de 40% de carga de geração de vapor é
18,2 KW para o motor 1 e 12,1 KW para o motor 2. Então, para 40% da variação de carga de
geração de vapor, e consequentemente na produção de ar de combustão, há uma diferença de
cerca de 10% na variação de demanda de potência.
Com a relação de consumo por faixa de carga quantificada, o estudo da eficiência do
sistema de ar é feita a partir dos testes empregados para a análise estatística e teórica. Isto é
razoável, pois o sistema instalado permite medições, análises técnicas de campo e levantamento
de dados de operação para parâmetros pontuais, e a análise teórica e estatística fornece o
comportamento de demanda de potência ativa dos motores para todas as faixas de trabalho do
sistema gerador de vapor.
É importante destacar que neste trabalho, a base de dados é sólida, pois, são provenientes
de medições reais, e permitem que as próximas análises teóricas sejam consistentes para a
modulação do atual método de operação e o proposto por controle de velocidade.
160
165
170
175
180
30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80
Dem
and
a d
e P
otê
nci
a A
tiva
[K
W]
Carga de ar [%]
Motor 2; Ventilador 2
24
6. CONVERSORES DE FREQUÊNCIA DE MÉDIA TENSÃO
Historicamente, motores de corrente alternada são utilizados em aplicações de
velocidade de rotação constante. No caso de acionamento de ventiladores por motores de
corrente alternada, o caso não é diferente, e o controle de vazão é feito por equipamentos
mecânicos, dampers e outros tipos de válvulas de estrangulamento.
Quando era necessário o controle da rotação, usavam-se os motores de corrente contínua
adaptados com turbinas e motores de combustão interna. No entanto, a robustez construtiva de
motores de corrente contínua implicava em altos custos de instalação.
A aplicação de conversores de frequência que modulam tensão de linha e frequência
tem diminuído a aplicação industrial de motores de corrente contínua em acionamentos com
variação da velocidade (Franchi, 2014).
A aplicação de conversores de frequência é vantajosa ao motor, com a diminuição do
desgaste físico das partes girantes, pois em frequências baixas a rotação é menor e o esforço do
motor é substancialmente reduzido. Outro elemento de impacto positivo é a partida com
aumento progressivo de velocidade, quando o esforço nos enrolamentos do estator é menor do
que com o motor conectado diretamente a rede elétrica.
No entanto, existem parâmetros que necessitam atenção no emprego de conversores de
frequência em motores de média tensão, como a injeção de harmônicas de corrente no sistema
e os limites de velocidade do motor. Porém, são desvantagens que podem ser completamente
administradas e reduzidas a níveis aceitáveis.
As harmônicas de corrente podem afetar a vida útil e o desempenho do motor por
sobreaquecimento. Para isso, deve-se garantir que o motor tenha a capacidade adequada para
absorver e dissipar todo o calor do acionamento (WEG, 2015).
A condição dos limites de velocidade é um pouco mais crítica para o processo de
fornecimento de ar para combustão. O acionamento gradual do motor pelo conversor deve ter
o limite inferior de velocidade bem estabelecido, pois a caldeira possui dois tipos de segurança
que acionam o trip do sistema gerador de vapor.
Em plantas onde há processos críticos que não podem ser interrompidos abruptamente,
o trip da caldeira levaria a interrupção da geração de vapor, e consequentemente do
fornecimento para fabricação, podendo levar a resultados catastróficos provenientes da
interrupção de processos de fabricação.
A primeira é a segurança contra a vazão pequena de ar, pois em rotações baixas os
ventiladores injetam vazão mínima de ar na caldeira, e esse limite estabelecido pela segurança
25
atua em 25% da vazão de fundo de escala, ou seja, se a proteção detectar vazões inferiores a 40
m³/h para a caixa de ar, esta atua e apaga a caldeira. O segundo, é relacionado à segurança da
velocidade baixa de rotação do motor, que detecta velocidades inferiores à rotação nominal e
atua apagando a caldeira.
Esses riscos são admissíveis, pois alterações nos parâmetros de segurança para que
sejam ajustáveis à operação do conversor não implicam em grandes modificações. Apenas o set
point de baixa vazão de ar deve ser igual ao mínimo aceitável pela segurança, e o controle de
rotação mínima do motor deve ser ajustado ao limite inferior da proteção de subvelocidade.
7. DEMANDA DE POTÊNCIA ATIVA DOS MOTORES POR CONTROLE DE
VELOCIDADE DE ROTAÇÃO
O sistema atual fornece a demanda de potência elétrica para cada faixa de carga. A partir
dos dados das medições dos testes de variação de carga da caldeira, e utilizando a Lei de
Afinidade de Ventiladores, é possível estimar o comportamento dos motores, com a aplicação
de métodos de controle de velocidade de rotação em relação à demanda de potência ativa por
faixa de vazão de ar.
7.1. Lei de Afinidade dos Ventiladores
A curva característica de operação de um ventilador, a relação de pressão e vazão de ar,
normalmente é fornecida pelo fabricante para as condições de operação definidas em projeto.
A lei de afinidade dos ventiladores adequa essas condições de projeto às condições impostas
por novos modelos de operação referentes à mudança de pressão, vazão, potência ou velocidade
de rotação da máquina (Carlson, 2000).
No caso dos ventiladores 1 e 2 as condições de pressão e vazão de ar não se alteram para
cada faixa de operação em relação a carga de vapor gerada. Os parâmetros de operação que
variam são a rotação e demanda de potência ativa do motor. Inicialmente, as relações são feitas
por três diferentes métodos de variação dos parâmetros de operação dos ventiladores. A 1ª
relação é entre vazão de ar e velocidade, conforme (4); a 2ª é a da potência ativa e velocidade,
de acordo com (5); e por fim a pressão e velocidade como em (6).
𝑄1
𝑄2=
𝑁1
𝑁2 (4)
𝑃1
𝑃2= (
𝑁1
𝑁2)
3
(5)
26
𝐻1
𝐻2= (
𝑁1
𝑁2)
2
(6)
Sendo: Q1 e Q2: vazão de ar dos ventiladores 1e 2, respectivamente [m³/s], N1 e N2:
rotação dos ventiladores 1 e 2, respectivamente [rpm], P1 e P2: potência útil dos ventiladores
1 e 2, respectivamente [kW], H1 e H2: pressão de descarga na caixa de ar dos ventiladores 1 e
2, respectivamente [kgf/cm²].
O sistema de acoplamento do motor e ventilador é direto, com rendimento de 100%, ou
seja, não gera perdas significativas que possam afetar a eficiência do conjunto motor ventilador.
Então, a potência no ventilador considera os efeitos de rendimento do motor multiplicados pelo
rendimento do ventilador, caso o objetivo seja potência útil no eixo.
Para o cálculo do rendimento do sistema de geração de ar para combustão, tem de ser
levado em consideração o somatório de perdas, desde a rede elétrica, motores de indução,
rendimento do ventilador, acoplamento motor ventilador, caso não seja direto, e os efeitos das
perdas de carga do sistema.
No entanto, o consumo de potência é demandado e medido para o motor de indução, e
os efeitos de rendimento do ventilador que são tratados como perdas vão permanecer
inalterados, já que os equipamentos instalados não são substituídos, apenas o conversor de
frequência é adicionado ao sistema. Os efeitos do rendimento de motor e ventilador não são
alterados, pois o foco está na redução da demanda de potência ativa nos motores de indução
através do controle de velocidade.
É importante não confundir potência útil com potência ativa, ou seja, a potência útil no
eixo do motor depende do rendimento da máquina, e a potência útil no eixo do ventilador
depende da multiplicação dos rendimentos individuais de motor e do ventilador. Já a potência
ativa é a potência demandada da rede elétrica convertida em trabalho mecânico e perdas.
O foco principal da aplicação da lei de afinidade dos ventiladores é para assegurar e
comprovar que há economia de energia elétrica com a adequação da curva de demanda de
potência ativa e os pontos de operação do sistema de ar para combustão.
7.2. Demanda de potência ativa com variação de velocidade em função da carga
27
A variação da velocidade de rotação do conjunto motor e ventilador permite adequar a
curva de demanda de potência com o consumo estritamente necessário, ou seja, eliminar
desperdícios de energia elétrica através da variação de velocidade em função da carga.
A base de cálculo pela lei de afinidade dos ventiladores utiliza dois parâmetros
significativos para a geração de ar para a combustão, potência e vazão de ar, em função da
velocidade de rotação.
Como a velocidade de rotação do eixo do motor de indução não é alterada, a demanda
de potência ativa é estabelecida pela Tabela 8, e a curvas de consumo em função da variação
de carga são plotadas nos gráficos das Figuras 9 e 10.
A velocidade de rotação varia linearmente com a vazão de ar como em (7), e, portanto:
𝑁1 = (𝑄1
𝑄2) × 𝑁2 (7)
Sendo: Q2 (plena carga) = 51550 m³/h; N2 (nominal) = 1780 rpm.
Se Q1 é a vazão de ar para cada faixa de variação de carga do sistema, Q2 é a vazão
nominal, e N2 é a rotação nominal do motor, tem-se para cada faixa de carga do sistema uma
rotação N1 proporcional e linear a variação da vazão de ar, como na Tabela 9.
Tabela 9: Velocidade de rotação necessária por demanda de vazão de ar.
Vazão de Ar para
Combustão na
caixa de ar
Vazão de ar por
ventilador
Rotação
Ventilador
[%] [m³/h] [rpm]
37,6 19379,5 669
42,0 21666,5 748
45,1 23255,5 803
47,1 24302,0 839
54,7 28178,0 973
63,5 32713,0 1130
63,8 32906,5 1136
64,8 33410,5 1154
74,1 38217,0 1320
76,1 39224,5 1354
Se a potência ativa do motor varia com o cubo da velocidade de rotação, a relação de
demanda de potência ativa por rotação em cada faixa de vazão de ar necessária para suprir o
sistema é dada por (8) e (9).
28
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝐶𝑉_2 = (𝑁1
𝑁2)
3
× 𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟_1[𝐾𝑊] (8)
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝐶𝑉_2 = (𝑁1
𝑁2)
3
× 𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟_2[𝐾𝑊] (9)
Sendo que: 𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝐶𝑉_1 e 𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝐶𝑉_2 = demanda de potência com método de controle de
velocidade dos motores 1 e 2 [kW], respectivamente; N1= rotação do motor em cada faixa de
vazão [rpm]; N2 = Rotação nominal do motor = 1780 [rpm]; 𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟_1e
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟_2=demanda de potência ativa do motor com controle de vazão de ar por damper.
Os cálculos da demanda de potência ativa com controle de velocidade por damper é
obtido para cada faixa pontual durante o teste de variação de carga do sistema gerador de vapor.
Já os dados de demanda de potência ativa por controle de velocidade são obtidos pela relação
de (8) e (9) a partir da lei de afinidade de ventiladores, e apresentados na Tabela 10.
Tabela 10: Demanda de potência ativa por controle de velocidade
Vazão de Ar para
Combustão
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝐶𝑉_1
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎_𝐶𝑉_2
[%] [KW] [KW]
37,6 7,7 8,7
42,0 10,8 12,1
45,1 13,9 15,6
47,1 15,9 17,8
54,7 25,7 27,7
63,5 40,2 43,3
63,8 40,9 45,7
64,8 42,9 47,8
74,1 66,6 71,5
76,1 72,0 77,4
Com os dados da Tabela 10 são traçadas as novas curvas de operação, relacionando a
vazão de ar para combustão e a demanda de potência ativa com controle da velocidade, e com
crescimento exponencial mais suave, conforme as Figuras 11 e 12.
29
Figura 11: Demanda de Potência Ativa por controle de velocidade motor 1.
Figura 12: Demanda de potência ativa por controle de velocidade motor 2.
8. ANÁLISE ESTATÍSTICA DO COMPORTAMENTO DO SISTEMA DE AR COM
VARIAÇÃO DA CARGA DE VAPOR
A regressão estatística que correlaciona duas variáveis pode ser definida como simples,
e auxilia na tomada de decisão sobre a influência de quais variáveis do sistema realmente têm
impacto sobre as outras.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
30 40 50 60 70 80
Po
tên
cia
Ati
va [K
W]
Carga de Ar [%]
MOTOR 1 - DEMANDA DE POTÊNCIA ATIVA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
30 40 50 60 70 80
Po
tên
cia
Ati
va [K
W]
Carga de Ar [%]
MOTOR 2 - DEMANDA DE POTÊNCIA ATIVA
30
Na análise de regressão estatística que relaciona o comportamento de variáveis em um
processo, determinamos que o eixo Y, ou eixo de resposta sofre variações de acordo com as
alterações feitas na variável de entrada do processo, ou na variável do eixo X (Bass et al, 2009).
Neste caso, é necessário identificar, primeiramente a correlação entre as variáveis X
(vazão de ar) e a variável de resposta Y (velocidade de rotação). Em um segundo momento,
para confirmar a eficiência do projeto de economia de energia elétrica pelo controle de
velocidade, é importante que haja uma correlação forte entre o comportamento da demanda de
potência (variável de resposta Y) com a variação das faixas de vazão de ar (variável de entrada
do processo X). Assim, é possível estimar efetivamente a relação entre demanda de potência
ativa e variação da vazão de ar para a combustão.
Existem alguns fatores que identificam a correlação entre as variáveis X e Y e verificam
se o efeito de uma variável é significativo sobre a outra. O método do coeficiente de
determinação conhecido como R² (R-quadrado) é um desses parâmetros de identificação da
correlação entre as variáveis X e Y.
O R² pode ser representado por um valor adimensional de 0 a 1 ou em porcentagem de
0 a 100%. Quando esse coeficiente se aproxima de 1 ou 100%, significa que a relação entre as
variáveis X e Y é grande ou forte. Ou seja, se o modelo de regressão linear possui R² = 100%,
significa que a equação da reta é capaz de modelar todos os eventos de variação da variável X
que afetam o comportamento de resposta da variável Y (Levine et al, 2008).
É essencial que o comportamento do sistema com controle de velocidade seja estimado
para todas as faixas de carga de operação. Pois, em uma eventual mudança na produção da
planta de vapor, a demanda de potência ativa em todas as faixas de carga deve ser estimada.
8.1. Regressão linear de vazão de ar (X) e velocidade de rotação (Y)
A lei de afinidade de ventiladores, segundo (4), demonstra que a variação da vazão de
ar é diretamente proporcional e linear à velocidade de rotação do motor. Com uma variação de
10% na vazão é reproduzida uma variação de 10% na velocidade de rotação.
O Minitab é um software estatístico utilizado amplamente na engenharia para análise de
comportamento das variáveis de processos, manufaturas, fatores administrativos. É uma
maneira de aplicar estatística para reduzir erros na implementação de projetos. Por exemplo, é
possível analisar o comportamento das variáveis que influenciam um processo sem a
necessidade de exaustivos testes práticos, e assim, reduzir a margem de erro, e testar na prática
após um embasamento estatístico (Minitab Inc., 2014).
31
Neste trabalho, o Minitab é utilizado para prever o comportamento das variáveis que
compõem o processo de produção de ar para a combustão da caldeira. Além disso, é aplicado
para modelar o comportamento da demanda de potência ativa do sistema atual e do proposto
com controle de velocidade para todas as faixas de trabalho da caldeira.
Inicialmente, vamos analisar pelo software o comportamento da rotação (eixo Y) com a
variação da vazão de ar para combustão (eixo X) para os dados obtidos no teste de variação de
carga da caldeira, e obter o coeficiente de correlação entre as duas variáveis (R²) e a equação
linear da reta segundo (10).
𝑁𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎_𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 = 0,0345 × 𝑄𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎_𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜[𝑟𝑝𝑚] (10)
Sendo: Qfaixa_operação = vazão com variação do intervalo de 30% a 100% da carga [%];
Nfaixa_operação = velocidade de rotação em cada faixa de carga [rpm].
Na Figura 13 é mostrado o gráfico da relação de linearidade da vazão de ar e rotação,
gerado no Minitab.
Figura 13 Relação de linearidade das variáveis vazão de ar e rotação.
É importante ressaltar que, a equação linear da reta conforme (10), mostra a relação
entre todos os eventos ocorridos no teste com um coeficiente de R² perfeito, e é utilizada para
4000035000300002500020000
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
S 0
R-Sq 100,0%
R-Sq(adj) 100,0%
Vazão de ar [m³/h]
Velo
cid
ad
e [
rpm
]
Regressão LinearVelocidade = 0,0 + 0,0345*Vazão de Ar [rpm]
32
estimar com precisão a rotação em faixas pré-determinadas de rotação, que variam de 30% a
65%, considerando a confiabilidade dos dados medidos.
Na Tabela 11 é apresentada a rotação calculada por (10) para as faixas de operação do
sistema de ar de 30% a 100% de carga. A vazão é tratada como porcentagem da vazão máxima,
que matematicamente tem a mesma ordem de variação de que se estivesse em sua unidade de
medida do sistema internacional, [m³/s] ou em [m³/h].
Tabela 11: Variação da rotação por intervalo de carga de geração de ar.
𝑄𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎_𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑄𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎_𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑁𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎_𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜
[%] [m³/h] [rpm]
30 15465 534
40 20620 711
50 25775 889
60 30930 1067
70 36085 1245
80 41240 1423
90 46395 1601
100 51550 1780
8.2. Regressão Linear da velocidade de rotação e Potência ativa
Na Tabela 11 é mostrada a rotação necessária para suprir a demanda de ar do sistema
em cada faixa de carga, de 30% a 100%. Com base nesses dados, e na Lei de afinidade dos
ventiladores, a demanda de potência tem relação cúbica com a variação de velocidade.
Na Tabela 12, é apresentada a demanda de potência ativa para cada ventilador. No
entanto, com variação na velocidade de rotação, esses dados são pontuais e obtidos no teste de
variação de carga. A regressão linear mostrada nas Figuras 14 e 15 modelam a demanda de
potência ativa em cada faixa de velocidade dos motores 1 e 2, respectivamente.
33
Figura 14: Regressão Linear e Equação da Reta MIT 1.
A equação da reta em (11) tem o R² de 96,7%, ou seja, para o motor 1, a variação na
velocidade de rotação modela a variação da demanda de potência ativa em 96,7% dos eventos
que possam ocorrem dentro dos limites de variação de 30% a 100% da velocidade nominal.
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎𝑀𝐼𝑇1 = −64,3 + 0,0998 × 𝑁 (11)
Sendo: PativaMIT1 = demanda de potência para cada faixa de velocidade de rotação do
motor 1, [kW]; N = velocidade de rotação do motor 1 [rpm].
Na Figura 15 é mostrado que a equação da reta segundo (12), modela o comportamento
da demanda de potência ativa (eixo Y) quando ocorre a variação de velocidade (eixo X), e é
capaz de modelar 96,3% dos eventos relacionados à demanda de potência e variação de
velocidade.
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎𝑀𝐼𝑇2 = −60,54 + 0,09304 ∗ 𝑁 (12)
Sendo: PativaMIT2 = demanda de potência para cada faixa de velocidade de rotação do
motor 2, [kW]; N = velocidade de rotação do motor 2 [rpm].
14001300120011001000900800700600
80
70
60
50
40
30
20
10
0
S 4,70598
R-Sq 96,7%
R-Sq(adj) 96,3%
Velocidade [rpm]
Po
tên
cia
Ati
va [
KW
]
Fitted Line PlotPotência Ativa MIT 1 = - 64,30 + 0,0998*velocidade
34
Figura 15: Regressão Linear e Equação da Reta MIT 2
Na Tabela 12, é apresentada a demanda de potência para a variação de 40% a
100 % da velocidade nominal dos motores de indução 1 e 2, empregando (11) e (12).
Tabela 12: Demanda de potência por faixa de rotação
Velocidade Rotação PativaMIT1 PativaMIT2
[%] [rpm] [kW] [kW]
40 712 6,76 5,70
50 890 24,52 22,27
60 1068 42,29 38,83
70 1246 60,05 55,39
80 1424 77,82 71,95
90 1602 95,58 88,51
100 1780 113,34 105,07
8.3. Análise de regressão linear para operação com damper
A análise de regressão linear é feita para estimar o comportamento de demanda de
potência, em função da vazão de ar, para as cargas em que não foi possível a realização dos
testes com regulagem de vazão de ar por válvulas de estrangulamento do tipo damper. Os
resultados são apresentados nas Figuras 16 e 17. Assim, caso o cenário de produção de vapor
seja alterado, é estimado com confiabilidade, quais seriam os consumos de energia elétrica para
operação nas faixas de carga acima de 40%, com os modos de operação com válvulas de
estrangulamento do tipo damper e com o controle de velocidade.
14001300120011001000900800700600
80
70
60
50
40
30
20
10
0
S 4,67115
R-Sq 96,3%
R-Sq(adj) 95,8%
Velocidade [rpm]
Po
tên
cia
Ati
va [
KW
]
Fitted Line PlotPotência Ativa MIT 2 = - 60,54 + 0,09304*Velocidade
35
Figura 16: Relação de Vazão de ar e demanda de potência ativa MIT 1.
Figura 17: Relação de Vazão de ar e demanda de Potência ativa MIT 2.
Para o gráfico da Figura 16 referente ao motor que aciona o ventilador 1 o valor de R² é
92,6%, ou seja, o modelo matemático gerado pela regressão linear conforme (13), não consegue
explicar apenas 6,4% dos dados que foram relacionados pelos eixos X (vazão de ar) e Y
4000035000300002500020000
165
160
155
150
145
S 1,87286
R-Sq 92,6%
R-Sq(adj) 91,7%
Vazão de Ar para combustão[m³/h]
Po
tên
cia
Ati
va [
KW
]
Fitted Line PlotPativa MIT1 = 128,7 + 0,000897*Vazão de ar
4000035000300002500020000
177,5
175,0
172,5
170,0
167,5
165,0
S 2,32000
R-Sq 79,0%
R-Sq(adj) 76,4%
Vazão de Ar para Combustão [m³/h]
Po
tên
cia
Ati
va [
KW
]
Fitted Line PlotPativa MIT2 = 152,9 + 0,000608*Vazão de ar
36
(demanda de potência no motor do ventilador 1). Apesar da relação não ser perfeita, é adequada,
e os dados podem ser estimados com confiabilidade.
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎𝑀𝐼𝑇1 = 128,7 + 0,000897 × 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑟 (13)
Sendo: PativaMIT1 = demanda de potência ativa por controle de válvula damper do motor 1
[kW]; e Vazão de ar = vazão de ar para combustão [m³/h].
O gráfico da Figura 17 é referente ao comportamento do motor que aciona o ventilador
2 e apresenta o valor de R² um pouco menor, 79,0%, mas ainda assim é um bom valor para
aceite do modelo de equação da reta segundo (14), gerado pela regressão.
𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎𝑀𝐼𝑇2 = 152,9 + 0,000608 × 𝑉𝑎𝑧ã𝑜 𝑑𝑒 𝑎𝑟 (14)
Sendo: PativaMIT2 = demanda de potência ativa por controle de válvula damper do motor
2 [kW]; e Vazão de ar = vazão de ar para combustão [m³/h].
Os valores de R² são interpretativos e auxiliam na tomada de decisão. No entanto, o
projetista deve verificar se o valor é coerente e passível de ser avaliado, ou se deve voltar á base
de dados e encontrar outras variáveis para o eixo X, que podem influenciar mais na resposta do
eixo Y.
Para o caso da variação de demanda de potência em função da vazão de ar do sistema
de combustão, os valores de R² e as equações das leis de afinidade dos ventiladores são
parâmetros adequados para que o modelo matemático seja validado.
8.4. Redução da demanda de potência ativa entre os métodos
A análise estatística dos métodos de operação com válvula damper e controle de
velocidade foram estimadas para as faixas de trabalho da caldeira geradora de vapor. Assim, é
possível comparar a redução da demanda de potência para as cargas com variação de 40% a
100% da geração de ar para combustão, e, assim, obter a demanda de potência ativa dos
ventiladores 1 e 2, nas respectivas cargas de produção de vapor.
Na Tabela 13 é comparada a demanda de potência com os métodos controle de vazão
por válvulas damper e por variação de velocidade em cada faixa de trabalho, relacionando-as
para determinar o percentual de redução em cada caso.
37
A velocidade varia linearmente com a vazão de ar e a relação é intrínseca. No entanto,
as faixas de vazão de ar, seguem a mesma tendência de variação da rotação, dessa maneira o
consumo de potência para controle por damper utiliza a demanda de potência ativa calculada a
partir da vazão de ar, empregando (13) e (14), e, o cálculo da demanda de potência ativa por
controle de velocidade é calculado pela equação da reta da regressão linear obtida pela variação
de rotação, segundo (11) e (12).
Tabela 13: Comparativo da demanda de potência ativa.
Vazão de
ar
Potência Ativa
Ventilador 1
(Variação
velocidade)
Potência Ativa
Ventilador 2
(Variação
velocidade)
Potência Ativa
Ventilador 1
(Damper)
Potência
Ativa
Ventilador 2
(Damper)
∆Economia
de Potência
Ativa MIT 1
∆Economia
de Potência
Ativa MIT 2
[%] KW KW KW KW KW KW
40 6,76 5,70 147,20 165,44 -140,44 -159,73
50 24,52 22,27 151,82 168,57 -127,30 -146,31
60 42,29 38,83 156,44 171,71 -114,16 -132,88
70 60,05 55,39 161,07 174,84 -101,02 -119,45
80 77,82 71,95 165,69 177,97 -87,88 -106,02
90 95,58 88,51 170,32 181,11 -74,74 -92,60
100 113,34 105,07 174,94 184,24 -61,60 -79,17
Na prática, a demanda de potência com aplicação de controle por variação de velocidade
elimina a diferença entre os motores dos ventiladores 1 e 2, pois é um método de controle mais
regulável do que o método de damper, que criam perda de carga diferente no sistema.
8.5. Verificação da demanda de potência ativa pela curva teórica do ventilador
A estimativa de demanda de potência do sistema de ar pode ser feita pela curva de carga
do ventilador, e pelos dados de projeto do ventilador. Com a vazão à plena carga, é possível
projetar uma reta na curva de eficiência do ventilador de 1800 rpm, utilizando as medições de
vazão de ar no teste de performance, e verificar a pressão de trabalho, desconsiderando as
perdas de carga do sistema, ou seja, pressão na caixa de ar, e, então, estimar a potência elétrica
do sistema composto por motor e ventilador com (15).
𝑃𝑒𝑙 =𝑄×𝑃
𝜂 (15)
Sendo: Pel = potência elétrica [kW]; Q = vazão volumétrica de ar [m³/s]; P = pressão de
projeto do ventilador [N/m²]; e η = rendimento do sistema.
38
Então, através da curva teórica do ventilador, conforme a Figura 18, e dos dados de
vazão a plena carga é possível calcular o nível de pressão de trabalho do sistema (Carlson,
2000).
Figura 18: Curva teórica dos ventiladores 1 e 2.
Utilizando os dados destacados em azul da Figura 18, tem-se a estimativa do consumo
de energia elétrica do sistema de ventilação com velocidade de rotação constante, segundo (16).
𝑃𝑒𝑙 =14,3×9232,6
0,71×0,89= 209 [𝑘𝑊] (16)
Comparando os resultados obtidos pela curva teórica do ventilador e os dados
estatísticos que consideram o consumo do ventilador com damper à plena carga, há uma
diferença de 16% para o ventilador 1 e 11,8% para o ventilador 2. É aceitável, pois a análise
estatística tem base nos dados medidos do teste de carga, e o equacionamento pela equação
empírica (15) é estimado o consumo de energia elétrica do sistema no dimensionamento dos
equipamentos, apresentado por (16).
A estimativa de custo de operação dos modelos segue a análise estatística, pois o sistema
passa por várias alterações ao longo do tempo, podendo sofre variações para melhor ou pior
desempenho.
39
9. RELAÇÃO DE ECONOMIA DE ENERGIA ELÉTRICA EMPREGANDO OS
MÉTODOS DE CONTROLE POR DAMPER E VARIAÇÃO DE VELOCIDADE
As tarifas de energia elétrica regulamentadas pela ANEEL variam de acordo com os
custos de geração e distribuição de energia produzida no país (ANEEL, 2015).
Para o cálculo de consumo de energia elétrica é utilizada a modalidade de consumo
industrial e o preço Brasil, conforme mostrado na Figura 19.
Figura 19: Custo da energia elétrica por modalidade de consumidor.
O preço por região do MWh industrial tem uma taxa de variação da ordem de 15% entre
a maior e a menor tarifa. Como os cálculos do projeto não visam a implementação em uma
região específica do País, a tarifa do MWh utilizada é da subdivisão Brasil. No entanto,
independente da instalação geográfica da indústria, a grande maioria são de consumidores de
livre mercado e enquadrados na categoria de consumo Ambiente de Contratação Livre (ACL).
Com o histograma de operação do sistema gerador de vapor e da geração de ar para a
combustão, além de modelar as faixas de operação do sistema, identifica o somatório de horas
em cada faixa de produção de vapor. Assim, pela Tabela 14 é possível determinar o consumo
de energia elétrica por (17) em cada faixa de trabalho e o somatório do consumo no ano.
𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜 𝐸. 𝐸 =𝑃𝑎𝑡𝑖𝑣𝑎𝑓𝑎𝑖𝑥𝑎×ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜
1000 (17)
40
Sendo: Consumo de E.E = Consumo em cada faixa de trabalho do sistema de ar
[MW/ano]; Pativafaixa = demanda de potência ativa em cada faixa de trabalho [kW]; e
horasoperação = somatório das horas trabalhadas em cada faixa de carga de produção de vapor
[h].
Tabela 14: Consumo anual de energia elétrica.
Carga
de
vapor
Operação
Consumo de
energia elétrica
– MIT 1
(Damper)
Consumo de
energia elétrica –
MIT 2 (Damper)
Consumo de energia
elétrica – MIT 1
(variação de
velocidade.)
Consumo de
energia elétrica
– MIT 2
(variação de
velocidade)
[%] [horas] [MW/ano] [MW/ano] [MW/ano] [MW/ano]
40 73 10,75 12,08 0,49 0,42
50 1344 204,05 226,56 32,95 29,93
60 3631 568,03 623,48 153,55 140,99
70 2996 482,57 523,82 179,91 165,95
80 581 96,27 103,40 45,21 41,80
90 90 15,33 16,30 8,60 7,97
100 45 7,87 8,29 5,10 4,73
TOTAL 8760 1384,86 1513,93 425,83 391,78
Pelos dados da Tabela 14, é possível verificar que o motor elétrico 1 consome menos
energia elétrica operando com damper em relação ao motor 2. No entanto, com a aplicação do
controle de velocidade o motor 2 tem menor consumo de energia elétrica, isso ocorre em função
da modelagem matemática da regressão linear do comportamento da demanda de potência ativa
em função da variação de velocidade de rotação.
A diferença entre os consumos de energia elétrica é minimizada ou anulada, em função
do método de controle por variação de velocidade, dependendo apenas da regulagem exata do
regime de trabalho para cada conversor de frequência, que modela a tensão e frequência da rede
elétrica para controlar a velocidade de rotação.
Ainda que, a análise seja feita individualmente para cada conjunto de motor e ventilador,
o sistema de ar é formado pelo conjunto de operação das duas configurações. Então, para
verificar a eficiência energética do modelo de operação com conversor de frequência, é feito o
somatório dos consumos, pois, o objetivo é a redução do consumo de energia elétrica do sistema
de ar de combustão das caldeiras.
Na Figura 20 são mostrados os resultados do consumo de energia elétrica dos métodos
de controle de vazão por damper e variação de velocidade, em cada faixa de operação, sendo
também apresentada a diferença de cada modelo operacional em relação ao consumo de energia
elétrica na coluna TOTAL. E, como resultado da diferença dos dois métodos de controle, a
41
barra de ∆Economia, significa a redução no consumo de energia elétrica com aplicação de
conversores de frequência.
Figura 20: Consumo de Energia Elétrica..
Na formulação baseada nos dados da ANEEL apresentados na Figura 18, a tarifa de
energia elétrica é de 305,81 reais/MWh. Então, o custo é calculado por (18), e o resultado do
ganho financeiro do projeto com a substituição do controle de vazão de ar pela aplicação de
conversores de frequência é apresentado na Tabela 15.
𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝐸𝐸 = 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝐸𝐸 × 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑊ℎ [𝑅𝑒𝑎𝑖𝑠] (18)
Sendo: CustoEE = Custo de operação de cada modelo de controle de velocidade de vazão
de ar [R$]; 𝐶𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑜𝐸𝐸 = Consumo de energia elétrica em cada faixa de carga por modalidade
de controle [MWh]; e 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟𝑀𝑊ℎ = R$ 305,81.
Na Figura 21, com base nos dados da Tabela 15, são evidenciadas as vantagens
econômicas da aplicação de métodos de controle de velocidade para o sistema de ar de
combustão, considerando os custos de energia elétrica anual com cada método de controle.
22,8
3 430,6
1
1191,5
1
1006,3
9
199,6
7
31
,63
16,1
6
28
98
,79
0,9
1
62,8
8
294,5
4
345,8
6
87,0
1
16,5
7
9,8
3
817,6
1
21,9
2 367,7
3
896,9
7
660,5
3
112,6
6
15,0
6
6,3
3
2081,1
8
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
40 50 60 70 80 90 100 TOTAL
MW
h/a
no
Carga de trabalho [%]
CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
Consumo de Energia Elétrica por Controle de Damper
Consumo de Energia Elétrica por Variação de Velocidade
∆Economia
42
Tabela 15: Custo do consumo de energia elétrica.
CARGA Custo de Operação por
Damper
Custo de Operação por
Controle de Velocidade
(Conversores)
Economia
[%] R$ R$ R$
40 6.981,64 278,29 6.703,36
50 131.684,84 19.229,33 112.455,51
60 364.375,67 90.073,28 274.302,40
70 307.764,13 105.767,45 201.996,68
80 61.061,08 26.608,53 34.452,55
90 9.672,77 5.067,27 4.605,50
100 4.941,89 3.006,11 1.935,78
TOTAL 886.478,97 250.033,31 636.445,66
Figura 21: Custo de com energia elétrica.
10. ANÁLISE DE CUSTO DOS SISTEMAS DE AR DA CALDEIRA GERADORA DE
VAPOR
A análise geral dos equipamentos consumidores de energia elétrica do sistema de ar da
caldeira geradora de vapor, e a projeção por ferramentas estatísticas da demanda de potência
para todas as faixas de carga, convertida em consumo de energia elétrica, fornecem uma base
para afirmar que substituir o controle de válvulas de estrangulamento por controle de velocidade
de rotação com os conversores de frequência, gera uma eficiência energética de 71,8%.
886.478,97
250.033,31
636.445,66
-
100.000,00
200.000,00
300.000,00
400.000,00
500.000,00
600.000,00
700.000,00
800.000,00
900.000,00
1.000.000,00
Rea
is/a
no
Custos energia elétrica
CUSTO POR MÉTODO DE CONTROLE
Custo de operação por controle de Damper
Custo de operação por variação de velocidade (Conversores)
∆Economia($)
43
Em termos financeiros, significa uma redução anual de 636.445 mil reais, e em e em
relação à demanda de potência, uma redução de 2.081 MWh/ano.
A taxa de retorno payback depende do investimento aplicado no projeto. Os fabricantes
possuem modelos diferentes de conversores de frequência de média tensão, e
consequentemente, custos diferentes. Sendo assim, o ganho financeiro do projeto é estabelecido
com base nos parâmetros da Tabela 16, e calculado em (19).
Tabela 16: Custos Projeto
Descrição Quantidade Fornecedor/Fabricante Preço [Reais]
Custo
Total
[Reais]
Drives
(conversores) 2 Fabricante Nacional A 600.000 1.200.000
Adequação
Ambiente X
Serviços Gerais de
engenharia 50.000 50.000
Cabeamento X Cabos de ligação e
outros 20.000 20.000
Instalação X Serviços gerais de
instalação 30.000 30.000
Total 1.300.000
𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘 =𝐶𝑢𝑠𝑡𝑜𝑃𝑅𝑂𝐽𝐸𝑇𝑂
∆𝐸𝑐𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎($) (19)
Sendo: Payback = taxa de retorno do investimento [anos]; ∆Economia ($) = variação do
custo (economia) [R$]; CustoPROJETO = investimento para implementação do projeto [R$].
Então, considerando os dados da Tabela 15, com o total de economia gerado pelo
projeto, e a Tabela 16, com os dados de custo para implementação em (20) é fornecido a taxa
de retorno, ou payback, em anos.
𝑃𝑎𝑦𝑏𝑎𝑐𝑘 =1.300.000
636.445,66= 2,04 𝑎𝑛𝑜𝑠 (20)
11. CONCLUSÃO
Neste trabalho foi verificado que a redução da demanda de potência ativa do sistema de
ventilação de uma caldeira, influencia diretamente no consumo de energia elétrica,
independente da eficiência do motor. A eficiência do sistema de geração de ar para combustão
44
é o principal fator impactante no estudo de melhoria da eficiência energética da operação de
uma planta geradora de vapor.
Ainda que a instalação de conversores de frequência contribua positivamente para a
diminuição do aquecimento do motor em rotações abaixo da nominal, não é possível, neste
escopo, avaliar o quanto a eficiência do conjunto vai aumentar em função da redução do
aquecimento do motor.
É importante, também, salientar que os modelos matemáticos simulados no MINITAB
foram obtidos com dados dos testes de variação na carga de produção de vapor da planta. Sendo
assim, toda a base de dados para análise estatística tem origem nos testes práticos, e devido ao
tamanho da planta, alguns fatores externos, como a oscilação dos consumidores de vapor,
podem influenciar os parâmetros verificados nos testes.
Em função disso, as análises estatísticas que simulam a demanda de potência com
controle por dampers são comparadas com os valores obtidos na curva de funcionamento dos
ventiladores à plena carga, e a diferença de 16% para o ventilador 1 e 11,8% para o ventilador
2 é função de que a curva teórica dos ventiladores não leva em consideração as restrições
ocasionadas pelo damper, mesmo com o ângulo máximo de abertura. Ou seja, quando a carga
é restringida, a corrente do motor tende a diminuir, e por consequência a demanda de potência
ativa é menor.
Quanto à aplicabilidade de conversores de frequência para controle de rotação, os
benefícios são consideráveis, a redução de 71,8% do consumo de energia elétrica é o melhor
benefício. No entanto, há vantagens marginais à aplicação, como redução de aquecimento e
ruídos.
A redução de 71,8% do consumo de energia elétrica de equipamentos que operam ao
longo de um ano, além de garantir a sustentabilidade dos negócios através da redução de custos
operacionais, é também um método de demandar menos energia elétrica das concessionárias
em tempos de crise hídrica, e em um eventual racionamento de energia, onde as plantas
industriais são submetidas a metas de redução de energia elétrica em porcentagem da energia
consumida no ano anterior. Ou seja, o processo se mantem inalterado e ininterrupto, porém,
consome apenas 28,2% da energia consumida no ano anterior para fornecer ar de combustão
para a geração de vapor da planta.
12. REFERÊNCIAS BIBLIOGÁFICAS
45
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medição (GUM:1995. Associação Brasileira de Normas Técnicas, (p. 154).
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http://www.aneel.gov.br
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Franchi, C. M. (2014). Inversores de Frequência Teoria e Aplicações. São Paulo: Érica.
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Pera, E. H. (1966). Geradores de Vapor de Água (Caldeiras). São Paulo: E.P.U.S.P.
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Motores: http://ecatalog.weg.net/files/wegnet/WEG-curso-dt-6-motores-eletricos-
assincrono-de-alta-tensao-artigo-tecnico-portugues-br.pdf