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Manaoel Projeto:. Desenvolvimento de um software para a avaliação da eficiência da combustão de termoelétricas operando com.

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1 manaoel

2 Projeto:. Desenvolvimento de um software para a avaliação da eficiência da combustão de termoelétricas operando com gás e alternando com diesel. MAIO 2012

3 Dados Iniciais do Projeto. Coordenador: Manoel S. Santos Azevedo. Objetivo Geral: Desenvolver um sistema automatizado para operar com dados em tempo real do sistema de combustão da central termoelétrica Manauara visando avaliar a eficiência do processo e detectar as possíveis causas dos problemas pelo operador/analista. Equipe Inicial: Equipe Final:

4 Resultados Esperados Resultados esperados: 1. Caracterizar a eficiência do processo de combustão da CTE utilizando os dados históricos registrados; 2. Elaborar um modelo matemático representativo do processo de combustão da CTE Manauara; 3. Criar um algoritmo capaz de realizar a aquisição de dados dos sensores em tempo real, o processamento da informação e a interpretação preliminar dos resultados; 4. Programar um sistema computacional capaz de aplicar o algoritmo construído visando ter a melhor interfase com o cliente humano e robustez na segurança e saída da informação; 5. Validar experimentalmente e corrigir o sistema computacional se for necessário; 6. Formar dois mestres na área afim projeto; 7. Publicar pelo menos 3 artigos científicos e apresentar dos trabalhos em congressos científicos internacionais;

5 Resultados Obtidos 1. Foi efetuada a caracterização da eficiência do processo de combustão da UTE utilizando os dados históricos registrados no sistema de aquisição de dados dos últimos dois anos de operação, de geração horária bruta de energia elétrica, comparada com o combustível consumido, tanto HFO quanto GN a partir do momento da sua introdução, em iguais períodos de tempo o que permitiu calcular o histórico de variação do consumo específico de ambos os combustíveis e a fração de energia gerada com cada um deles;

6 Resultados Obtidos 2. Foi elaborado um modelo matemático representativo do processo de combustão da CTE Manauara. O modelo representa o desempenho de cada um dos cilindros de cada uma das cinco máquinas da usina. Inclui as etapas componentes do ciclo completo de trabalho, sendo os principais: o preenchimento e turbocarregado do ar de carga, a compressão no cilindro, a injeção de combustível, a acumulação de combustível durante o período de retardo da inflamação, a combustão rápida, a combustão controlada pela injeção, a expansão dos produtos gasosos, o alivio da pressão, a exaustão, a expansão na turbina e a geração recuperativa de vapor. O modelo está formado por um sistema de 288 equações. O modelo elaborado descreve de maneira aceitável o desempenho dos motores com uma diferencia menor de 2 % entre o consumo específico de combustível modelado e o calculado pelos dados históricos.

7 Resultados Obtidos 3. O terceiro resultado esperado não foi obtido (Criar um algoritmo capaz de realizar a aquisição de dados dos sensores em tempo real, o processamento da informação e a interpretação preliminar dos resultados). Teria sido necessário para tal o projeto ou seleção dos referidos sensores, sua instalação em pontos convenientes da usina, e sua calibração e caracterização durante o funcionamento. Porém, quando for preciso, poderá ser feita esta parte da implementação, visto que já está pronta a informação básica, requerendo apenas o financiamento necessário.

8 Resultados Obtidos 4. O modelo obtido foi programado em matlab e exportado para o LabVeiw (dada sua interface ideal para usário final) e apresentado em forma de software executável com procedimento de instalação, manual de usuário e instruções de exploração. A operação do software resulta amigável com o usuário e permite a completa interação para introduzir os dados do motor concreto e de seu regime de funcionamento, tendo como saída os dados completos do desempenho do motor e de cada um dos cilindros.

9 Resultados Obtidos 5.O software foi validado com a modelagem dos próprios motores da usina utilizando bancos de dados diferentes daqueles utilizados para a obtenção das equações e características de carga, e ainda com dados de outros modelos de motores tomados da literatura.

10 Resultados Obtidos 6.Dois Membros da UTE-Manauara estão cursando O Mestrado de Gestão ambiental: -Alcimar França; -Fernando

11 7. Artigos Publicados 1.Consideraciones para el desarrollo de un sistema automatizado para la evaluación de la eficiencia de combustión en una planta generadora por motores de combustión interna. CIIE-Cuba 2011 Autores: Manoel S. Santos Azevedo Iván Leandro Rodríguez Rico Pablo Romelio Roque Díaz Ítalo Jorge Tavares Jimenez Jandecy Cabral Leite

12 7. Artigos Publicados 2. A confiabilidade de uma planta de energia com motores de combustão interna (MCI): o papel do óleo lubrificante neste processo.. ALTAE-Cuba 2011 Autores: Eng. Paulo Cesar Rocha Gomes 1, M.Sc., Eng. Alcimar de Jesus França, Eng. Jandecy Cabral Leite 2, M.Sc., Eng. Miguel Castro Fernández, Dr.C 3., Eng. Joao Caldas do Lago Neto, Dr. 2

13 7. Artigos Publicados 3. Modelación de los procesos en un grupo electrógeno de alta potencia con vistas a elevar su eficiencia energética y disminuir su impacto ambiental. MAS XXI-Cuba 2011 Autores: Pablo Roque Díaz * Dr. Roberto Ballesteros Horta * Dr. Iván Rodríguez Rico * Dr. Ítalo Tavares Jimenez Alcimar de Jesus França Manoel S. Santos Azevedo***

14 7. Artigos Publicados 4. PROCESSAMENTO PRIMÁRIO DA INFORMAÇÃO GERADA POR REGISTRADORES DE PERTURBAÇÕES, VISANDO O APOIO MAIS EFETIVO EM SUA ANÁLISE. ALTAE-Cuba 2011 Autores: MSc. Manoel Socorro Santos Azevedo 1, Dr. Roberto Luis Ballesteros Horta 2, MSc. Jandecy Cabral Leite 3, Dr. Ubiratan Holanda Bezerra 4, Dr. Maria Emília de Lima Tostes 5

15 SOFTERM O que é o SOFTERM? O software SOFTERM é um Sistema Computacional que tem como finalidade principal predizer o desempenho da Usina Termoelétrica (UTE) Manauara que se compõe de 05 máquinas Wärtsilä 18V46GD de 18 cilindros e 17, 076 MW de potência nominal cada uma delas, e eventualmente de usinas similares em modelo, potência e quantidade de máquinas com um e dois combustíveis. Para o caso descrito, o usuário deverá aportar os dados requeridos quanto à geometria e dados históricos de desempenho da usina a estudar. Declaração: Levando em conta que esse processo o poderá requerer qualificação especializada, é recomendável pedir o suporte requerido.

16 SOFTERM O Programa Após terminar a instalação click em Manauara.EXE que estará em sua area de trabalho. E irá aparecer a tela principal do programa. Janela principal

17 SOFTERM Na parte superior você irá encontrar os menús: File, Termodinâmica, Estequiometrico, Motor Gerador Nominais, Processsos do Motor, Ajuda. Na parte superior você irá encontrar os menús: File, Termodinâmica, Estequiometrico, Motor Gerador Nominais, Processsos do Motor, Ajuda.

18 SOFTERM Menu e programas Interface principal, é o programa de início onde aparece um menu para executar os diferentes programas: File Importar dados - Obtem a lista de pastas que se encontram em Dados Manauara - Selecionar a pasta - Ler a pasta - Entrar, - Armazenar os dados lidos na variável global Salvar dados Exit

19 SOFTERM Termodinâmica - Permite obter as propriedades termodinâmicas principais das substâncias gasosas envolvidas nos processos no motor: ar seco e úmido, diferentes misturas gasosas de composição determinada, inclusivamente as misturas de ar e combustível e os gases de exaustão. Gráfica cp vs T - Figura ilustrativa sem maior importância para o usuário. Além poderiam ser mostradas curvas similares de cv e k = cp/cv. Propriedades dos gases - Calculam-se as propriedades de gás ideal em função da sua pressão e temperatura. Mescla de gases - Calculam-se as propriedades de gás ideal de uma mistura de gases ideais, a partir da composição e das propriedades dos componentes em função da sua pressão e temperatura. Cálculos psicrométricos - Calculam-se as propriedades do ar úmido, em função da sua pressão e suas temperaturas de bulbo seco e úmido, ou de uma delas e da umidade relativa.

20 SOFTERM Estequiométrico,- análise estequiométrico dos gases e combustível, neste se calculam as relações mássicas, molares e volumétricas envolvidas nas reações químicas de combustão do combustível em ar e sua comparação com os valores estequiométricos ou teóricos. Principais Est - mostra uma seleção das principais variáveis entradas e calculadas ao bloco de cálculos estequiométricos. Todos Est - mostram todas as variáveis desse bloco.

21 SOFTERM Motor - Cálculos gerais do motor. Principais M - se mostra uma seleção das principais variáveis entradas e calculadas ao bloco de cálculos gerais do motor. Vídeo - mostra um vídeo ilustrativo do funcionamento do motor. Todos M - mostram todas as variáveis desse bloco. Gerador - Cálculos gerais do gerador Principais G- mostra uma seleção das principais variáveis entradas e calculadas ao bloco de cálculos gerais do gerador. Todos G - mostram todas as variáveis desse bloco.

22 SOFTERM Importar Dados

23 SOFTERM Sair

24 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Mistura dos gases As misturas de gases são caracterizadas como gás ideal a partir das leis das mesclas e da composição de massa, molar ou volumétrica. Recebem especial ênfase o ar (seco e úmido) e as outras mesclas de interesse no motor, como as misturas de combustível e ar e os produtos gasosos da combustão presentes na expansão e exaustão. As composições gasosas de interesse podem ser avaliadas a partir dos resultados dos cálculos próprios do procedimento ou segundo necessidade introduzindo diretamente a composição e outras propriedades como a temperatura e pressão.

25 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Menú Estequiometria Neste módulo são calculadas as principais relações de massas, molares e volumétricas dos componentes das reações de combustão dentre eles as relações ar-combustível tanto para a combustão teórica (ou estequiométrica) e a real que é realizada neste tipo de motores com elevadas percentagens de ar excessivo, visando o máximo aproveitamento do combustível disponível dentro do cilindro no momento de início das reações. A estequiometria da combustão pode ser avaliada mediante o conhecimento das quantidades de ar e combustível e as suas composições ou também mediante os dados obtidos mediante analises especiais da composição dos produtos gasosos da combustão ou gases de exaustão. A caracterização estequiométrica faz possível a determinação das propriedades termodinâmicas das sustâncias presentes nos diferentes processos do motor.

26 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Todas as variáveis de estequiometria São mostradas as variáveis relevantes e as auxiliares

27 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Todas as variáveis de estequiometria São mostradas as variáveis relevantes e as auxiliares

28 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Menu Gerador Característica de Carga Neste é possível visualizar as curvas de característica de carga de cada motor, você deverá entrar com os dados ao, a1, a2 que são os coeficientes quadráticos da curva então visualizar as curvas.

29 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Menu Processos do motor Processos Em cada uma das fases se pode visualizar as principais variáveis ou todas entradas. Neste ponto as variáveis que constituem dados de entrada do problema a ser resolvido são introduzidas por importação desde os bancos de dados disponíveis ou então podem ser introduzidos manualmente a vontade pelo usuário levando em conta as unidades exigidas em cada caso.

30 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Diagrama indicado Como resultado da modelagem dos processos dentro do motor é construído dois tipos de diagramas indicados ambos mostrando a variação da pressão dentro dos cilindros, em um caso em dependência do volume percorrido pelo pistão dentro do cilindro e no outro, como função do ângulo de rotação do virabrequim, proporcional ao tempo para velocidade de rotação constante. Estes diagramas mostram pontos característicos da sucessão de processos dentro do motor, como o avanço e duração da injeção de combustível e a apertura das válvulas de exaustão, dentre outros.

31 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Admissão Neste processo, convencionalmente considerado como o início, é modelado o preenchido dos cilindros desde o ar atmosférico que é filtrado e logo comprimido como um compressor rotodinâmico movido por uma turbina que recebe energia residual dos gases de exaustão elevando assim a massa de ar disponível dentro do cilindro, que na prática constitui o gargalho do desempenho do motor, pois estabelece o limite mais relevante na quantidade de combustível que é possível introduzir, e por tanto queimar, no próprio cilindro. A modelagem da admissão faz possível obter os valores de importantes variáveis de desempenho, em particular a densidade e massa de ar fresco dentro de cada cilindro no momento de início da compressão

32 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Compressão No processo de compressão, o ar introduzido dentro do cilindro é submetido a uma grande redução do seu volume como os conseguintes acréscimos da densidade, pressão e temperatura, em tanto que grandes quantidades de trabalho mecânico (potência) são demandadas do resto dos cilindros do motor que nesses momentos estão entregando-a. As variáveis mais relevantes no processo são a razão de volumes durante a compressão (ou taxa de compressão), as propriedades termodinâmicas do ar perto do ponto morto superior (PMS) do percurso do pistão, o consumo de potência no processo e o calor transferido ao sistema de resfriamento do motor. O final do processo de compressão é convencionalmente considerado concluído no momento do início da injeção (ângulo ou instante de avanço da injeção), embora no momento o movimento ascendente do pistão não está ainda concluído até o PMS.

33 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Combustão Ignição Nos motores deste tipo o processo de combustão é iniciado no momento da inflamação do jato de combustível líquido introduzido a pressão dentro do cilindro. O tempo de retardo da inflamação é determinado a partir do número de cetano do combustível. A fração de combustível já introduzida nesse momento queima muito rapidamente (chama-se de combustão de pré-mistura). A restante massa em ser introduzida é queimada a muito menor velocidade comparável àquela na qual sai o jato do combustível e é chamada de combustão controlada pela mistura. No caso de combustão de gás natural segundo esquema diesel, o gás é injetado depois de iniciada a injeção do líquido que serve no caso como auxiliar da inflamação do combustível gasoso principal.

34 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Expansão O processo de expansão, ou de trabalho, é onde o motor entrega as maiores quantidades de potência mecânica. Portanto, a sucessão de processos em todos os cilindros faz com que seja aparentemente um fenômeno bem contínuo, que fornece energia para a realização dos restantes processos nos cilindros que em dado momento encontram-se noutros instantes do seu ciclo de trabalho. A expansão pelo contrário da compressão faz com que os produtos gasosos da combustão entreguem trabalho em tanto que aumentam seu volume e desce sua densidade, pressão e temperatura até atingirem os valores comparativamente baixos no momento de apertura das válvulas de exaustão, considerado convencionalmente o final da expansão. Além do já dito, uma variável relevante do processo de expansão, é a quantidade de energia térmica expulsada para o sistema de resfriamento.

35 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Exaustão Na exaustão, o último estágio da sucessão os produtos gasosos da combustão são expelidos para o exterior passando pela turbina de gás que entrega movimento ao compressor de ar de carga. A turbina consegue converter eficientemente a energia total dos gases de exaustão que nos momentos próximos à abertura das válvulas de exaustão é numa fração importante energia cinética (se pode demonstrar que atingem a velocidade sônica no ponto de saída, sendo a restante energia térmica). Não tendo eixo de saída, a turbina fornece apenas a potência requerida pelo compressor.

36 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases BASE DE DADOS Arquitetura geral do sistema As base de dados simples que podem ser utilizados por outros sistemas são: texto com extensão.txt (campos separados por vírgula ou por tabulação) ou excel. Selecionou-se excel. Os campos principais para cada variável são: Código, descrição, unidade e valor. O sistema cria automaticamente a pasta onde se vão armazenar os dados com o nome da usina. A sua vez dentro dessa pasta se criam outras onde aparece no nome a data e a hora.

37 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Exaustão Na exaustão, o último estágio da sucessão os produtos gasosos da combustão são expelidos para o exterior passando pela turbina de gás que entrega movimento ao compressor de ar de carga. A turbina consegue converter eficientemente a energia total dos gases de exaustão que nos momentos próximos à abertura das válvulas de exaustão é numa fração importante energia cinética (se pode demonstrar que atingem a velocidade sônica no ponto de saída, sendo a restante energia térmica). Não tendo eixo de saída, a turbina fornece apenas a potência requerida pelo compressor.

38 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases Dados Gerais e siglas encontrados encontrados no software

39 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases

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48 SOFTERM Propriedades termodinâmicas dos gases CONSIDERAÇÕES FINAIS Esta apresentação descreve-se os principais recursos do SOFTWARE PARA A AVALIAÇÃO DA EFICIÊNCIA DA COMBUSTÃO DE TERMOELÉTRICAS OPERANDO COM GÁS E ALTERNANDO COM DIESEL, caso ainda exista alguma dúvida, entrar em contato com o suporte técnico, nos telefones: (92) (92) Para outras formas de contato, acesse o site "Pesquisar é ver o que outros viram, e pensar o que nenhum outro pensou." (Albert Szent-Gyorgyi)


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