O documento apresenta o projeto de uma usina térmica de 50 MW, analisando a exergia dos ciclos Brayton e Rankine, a logística de transporte do gás natural e a automatização do sistema de controle e supervisão da usina.

1. Carolina Marques, Monique Carvalho e Raphael Natali.
TAI VI
Sistemas de suprimentos energéticos II
MACAÉ
1 de junho de 2017

2. Brayton
Rankine
17
MVA
41
MVA
Usina Térmica
Potência Total: 50 MW
Vazão de Gás Natural: 3,7 kg/s
Turbinas: WEG ST40

3. Objetivos
Analisar a exergia no ciclo combinado
Caracterizar os estados do ciclos
Calcular as irreversibilidades do processo
Calcular a eficiência racional do processo

4. Analisar a logística no transporte do combustível
Objetivos
Analisar a exergia no ciclo combinado
Analisar os tipos de modais de transporte
Comparar as duas melhores opções

5. Analisar a logística no transporte do combustível
Objetivos
Analisar a exergia no ciclo combinado
Projetar o painel de comandos
Desenvolver sua lógica
Automatizar o motor de partida

6. Analisar a logística no transporte do combustível
Objetivos
Analisar a exergia no ciclo combinado
Encontrar a função de transferência
Sintonizar o controlador
Automatizar o motor de partida
Controlar a frequência dos geradores
Elaborar o sistema de supervisão
Escolher o instrumento de medição

7. Encontrar a tensão de transmissão Calcular a queda de tensão
Analisar a logística no transporte do combustível
Objetivos
Analisar a exergia no ciclo combinado
Encontrar a correntes de linha de cada ciclo
Automatizar o motor de partida
Controlar a frequência dos geradores
Escolher o cabo condutor
Dimensionar a infraestrutura para a conexão

8. Calcular a queda de tensão real
Calcular os esforços na estrutura
Encontrar os novos parâmetros da linha
Analisar a logística no transporte do combustível
Objetivos
Analisar a exergia no ciclo combinado
Escolher a torre de transmissão
Automatizar o motor de partida
Controlar a frequência dos geradores
Dimensionar a infraestrutura para a conexão

9. Análise Exergética
Brayton
Rankine
Exergia é o trabalho teórico máximo que
um sistema pode obter, de um estado inicial
para um estado final. Inicialmente o potencial
exergético dos sistemas é destruído ao longo
dos processos devido as irreversibilidades
naturais dos mesmos.

10. Irreversibilidade
Análise Exergética
Brayton
Rankine
Bfe = 37194 kW
Bfs = 7770 kW
16911 kW
W = 12513 kW
Eficiência Racional
54 %

11. Logística no Transporte do Gás Natural
É a análise do fluxo de combustível desde seu ponto de
origem até seu ponto de consumo, com o objetivo de
minimizar os custos e atender as necessidades do cliente.

12. Logística no Transporte do Gás Natural
Modal Dutoviário

13. Dutoviário
Capacidade: 520 mil m³/dia
Perda de Carga:
Diâmetro:

14. x
Capacidade
520 mil m³/dia
Capacidade
40 milhões m³/dia
GASDUC IIIGASTAI VI
38 polegadaspolegadas

15. 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1.000
Comprimento do Gasoduto (Km)
0
500
1.000
2” 4” 6” 8” 10” 12” 14” 16” 18” 20” 22”
Diâmetro do Gasoduto

16. x
Capacidade
520 mil m³/dia
Capacidade
40 milhões m³/dia
GASDUC IIIGASTAI VI
38 polegadas6 polegadas
85%

17. Dutoviário
Capacidade: 520 mil m³/dia
Perda de Carga: 0,324 MPa
Diâmetro: 6 polegadas

18. Logística no Transporte do Gás Natural
Modal Dutoviário Modal Rodoviário

19. Rodoviário
Capacidade por caminhão: 24 mil m³
440 km
Demanda diária: 22 carregamentos

20. Logística no Transporte do Gás Natural
Modal Dutoviário Modal Rodoviáriox
Ambos podem ser utilizados no transporte do gás até a Usina, porém:
Custo com
Manutenção
Custo com
Manutenção
Velocidade de
entrega
Velocidade de
entrega
Capacidade
Capacidade

21. Automatização do Motor de Partida
Painel de Comandos

22. Linguagem LadderPainel de Comandos
Automatização do Motor de Partida

23. Controle da Frequência
Função de
transferência
Vazão de
comb.
Frequência
ProcessoAtuadorControlador
Sensor
+
-
Função de transferência
60 Hz Frequência

24. Controle da Frequência
Função de Transferência

25. Frequência x Vazão
Frequência(Hz)
Vazão de combustível (kg/s)
Frequência x Tempo
Tempo (s)
Frequência(Hz)
L
K
T
Função de primeira ordem
Frequência(Hz)
Tempo (s)
Fonte: Elaborado pelos autores
Software: Matlab
Função de Transferência

26. Função de Transferência
Sintonização do Controlador
Controle da Frequência
Vazão de
comb.
Frequência

27. Sintonização do Controlador
Fonte: Elaborado pelos autores
Software: Matlab
60 Hz
30 s 400 s
PROCESSO
CC

28. Função de Transferência Sintonização do Controlador
Controle da Frequência
Sistema Supervisório

29. Sistema Supervisório
Vazão de Ar
110 kg/s
Vazão de Gás Natural
3.7 kg/s
Frequência próxima ao limite!
Manipule a vazão de
combustível
Regulador
Frequência
62 Hz
Fonte: Elaborado pelos autores
Software: Wizcon

30. Sistema Supervisório
Vazão de Ar
110 kg/s
Vazão de Gás Natural
3.7 kg/s
Frequência próxima ao limite!
Manipule a vazão de
combustível
Regulador
Frequência
62 Hz
Fonte: Elaborado pelos autores
Software: Wizcon

31. Sistema Supervisório
Vazão de Ar
110 kg/s
Vazão de Gás Natural
3.5 kg/s
Frequência próxima ao limite!
Manipule a vazão de
combustível
Frequência
60 Hz
Regulador
Fonte: Elaborado pelos autores
Software: Wizcon

32. Sistema Supervisório
Regulador de
vazão acionado
Processo
finalizado
60
50
40
30
20
10
0
0
Frequência(Hz)
10 Tempo (s)
Fonte: Elaborado pelos autores
Software: Wizcon

33. Função de Transferência Sintonização do Controlador
Controle da Frequência
Sistema Supervisório Medidor da Vazão do Combustível

34. Placa de Orifício P1 P2
Δpressão ∝ vazão²

35. Infraestrutura para Conexão
Corrente de Linha
Brayton
Rankine 17 MVA
41 MVA
13,8 kV
13,8 kV
1.715 A
711 A
2.426 A

36. Infraestrutura para Conexão
Corrente de Linha Tensão de Transmissão

37. Tensão de Transmissão
Fórmula Still: 135 kV
Linha Curta
Distribuição TAI
Transmissão

38. Infraestrutura para Conexão
Corrente de Linha Tensão de Transmissão
Diagrama Unifilar Básico

39. 41 MVA
3∅
60 Hz
13,8 kV 138 kV
20 MVA
1∅
60 Hz LT
SE
Y
17 MVA
3∅
60 Hz
14,8 km
138 kV
Diagrama Unifilar Básico
1.715 A
711 A
2.426 A 243 A

40. Infraestrutura para Conexão
Corrente de Linha Tensão de Transmissão
Diagrama Unifilar Básico Cabo Condutor

41. Cabo Quail
Material: Alumínio com alma de aço
Diâmetro: 3,8 mm
Massa: 272 kg/km
Ampacidade: 275 A
Resistência: 0,577 kg/km
Reatância: Indutiva 0,41 e Capacitiva 0,2469 Ω/km

42. Cabo Quail
Material: Alumínio com alma de aço
Diâmetro: 3,8 mm
Massa: 272 kg/km
Ampacidade: 275 A
Resistência: 0,577 kg/km
Reatância: Indutiva 0,41 e Capacitiva 0,2469 Ω/km
Linha Curta

43. Infraestrutura para Conexão
Corrente de Linha Tensão de Transmissão
Diagrama Unifilar Básico Cabo Condutor
Torre de Transmissão

44. Torre de Transmissão H3L4A
Fonte: Elaborado pelos autores
Software: AutoCad
Autoportante
38 torres espaçadas
de 400 m

45. Esforços do VentoEsforços do Cabo
Altura (m)
Força do
vento (N)
0 - 5
5 - 10
10 - 15
15 - 20
20 - 27
650
1.216
1.819
2.975
5.612
NBR 6123
Torre de Transmissão H3L4A
NBR 5422
Fx = 4443 N
A B
Fy = 545.4 N
Fmáx = 4477 N
ou 2,72 N/m
θ = 7º

46. Torre de Transmissão H3L4A
Fonte: Elaborado pelos autores
Software: SolidWorks
Ferro Angular
20 x 20 x 3 mm
Tubo Quadrado
20 x 20 x 2 mm
Tubo Quadrado
30 x 30 x 2.6 mm
1 2 3

47. Torre de Transmissão Parâmetros da Linha
Infraestrutura para Conexão
Corrente de Linha Tensão de Transmissão
Diagrama Unifilar Básico Cabo Condutor

48. Método das Imagens
Parâmetros da Linha
A’ C’
Solo
Homogêneo
A C
B

49. Método das Imagens
Parâmetros da Linha
A’ C’
Solo
Homogêneo
A C
B
LAB
LCA
LAA
LBB
LCC

50. Método das Imagens
Parâmetros da Linha
LAB
LCA
LAA
LBB
LCC
LA
LB
LC
Ls
Ls
Ls
Média das
indutância aparentes

51. Método das Imagens
Parâmetros da Linha
LAB
LCA
LAA
LBB
LCC
LA
LB
LC
Média das
indutância aparentes
1,4
1,4
1,4
Reatância
Indutiva
0,53 Ω/km

52. Z Ω/km
Parâmetros da Linha
Perdas
0,57 + j 0,41
0,57 + j 0,53
Z Ω/km

53. Z Ω
Parâmetros da Linha
Perdas
8,55 + j 6,15
8,55 + j 7,95
Z Ω

54. Z Ω
Parâmetros da Linha
Perdas
10,5 < 35,7
11,7 < 42,6
Z Ω
| V | = | Z | x | I |
243 A
V = 2,8 kV
Perdas
2%

55. Z Ω
Parâmetros da Linha
Perdas
10,5 < 35,7
11,7 < 42,6
Z Ω
| V | = | Z | x | I |
243 A
V = 2,8 kV
Perdas
2%
Z Ω
141 kV 138 kV

56. 41 MVA
3∅
60 Hz
13,8 kV 141 kV
20 MVA
1∅
60 Hz
SE
Y
17 MVA
3∅
60 Hz
14,8 km
138 kV
Z Ω
Diagrama Unifilar Básico

57. Fluxo de Potência
Barra Slack:
é a barra de referência, onde
são introduzidas as perdas e
o deslocamento angular, ela
tem como função suprir as
perdas do sistema.
Sistema Elétrico que
apresenta características
elétricas semelhantes ao real.

58. Fluxo de Potência
11 MW
4MVAr
40% de sobrecarga

59. Fluxo de Potência
40% de sobrecarga
+
Perda de uma linha:
Carregamentos aumentaram
mas o limite não foi
ultrapassado.
11 MW
4MVAr

60. Fluxo de Potência
40% de sobrecarga
+
Perda de uma linha:
Carregamentos aumentaram
mas o limite não foi
ultrapassado.
11 MW
4MVAr
Esquema Regional de
Alívio de Carga

61. Solicitação
Parecer
Acesso ao Sistema
PRODIST MÓDULO 3
USINA
TÉRMICA
AMPLA
Consulta de
Acesso
Informações de
Acesso
ALGUNS REQUISITOS BÁSICOS
Subestações:
Redes e Linhas:
Caract. técnica dos equipamentos
Diagrama Unifilar
Capacidade de transporte
Dimensionamento dos cabos
Cálculos Mecânicos

62. Conclusão
A proposta do TAI VI trouxe consigo alguns desafios,
como a análise das torres de transmissão e o
dimensionamento dos novos parâmetros da linha, porém
com as experiências dos cinco projetos anteriores foi possível
alcançar todos os objetivos.