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

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:

ResultadosEsperados • 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;

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;

ResultadosObtidos • 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 produtosgasosos, o alivio da pressão, a exaustão, a expansãona 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.

ResultadosObtidos • 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.

ResultadosObtidos • 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.

ResultadosObtidos • 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.

ResultadosObtidos • DoisMembrosda UTE-Manauaraestãocursando O Mestrado de Gestãoambiental: • AlcimarFrança; • Fernando

7. ArtigosPublicados • Consideraciones para eldesarrollo de un sistema automatizado para laevaluación de laeficiencia de combustiónen 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

7. ArtigosPublicados • 2. A confiabilidade de uma planta de energia com motores de combustãointerna (MCI): o papel do óleo lubrificante neste processo. • . • ALTAE-Cuba 2011 • Autores: • Eng. Paulo Cesar Rocha Gomes1, M.Sc., • Eng. Alcimar de Jesus França, Eng.Jandecy Cabral Leite2, M.Sc., • Eng. Miguel Castro Fernández, Dr.C3., • Eng. Joao Caldas doLago Neto, Dr.2

7. ArtigosPublicados • 3. Modelación de losprocesosenun grupo electrógeno de alta potencia con vistas a elevar sueficiencia energética y disminuirsu impacto ambiental. • MAS XXI-Cuba 2011 • Autores: • Pablo Roque Díaz * Dr. C.proque@uclv.edu.cu • Roberto Ballesteros Horta * Dr. C.rball@uclv.edu.cu • Iván Rodríguez Rico * Dr. C.ivanl@uclv.edu.cu • Ítalo Tavares Jimenez **italojimenez@hotmail.com • Alcimar de Jesus França ***alcimarfranca@utemanauara.com.br • Manoel S. Santos Azevedo***

7. ArtigosPublicados • 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 Azevedo1, • Dr. Roberto Luis Ballesteros Horta2, • MSc. Jandecy Cabral Leite3, • Dr. Ubiratan Holanda Bezerra4, • Dr. Maria Emília de Lima Tostes5

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.

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

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

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

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 cpvs 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.

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.

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.

SOFTERM • Importar Dados

SOFTERM • Sair

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM • 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.

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

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM • 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM • 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM • 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.

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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.

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

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM

Propriedades termodinâmicas dos gases SOFTERM 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) 35846145 (92) 91677674 Para outras formas de contato, acesse o site www.itegam.org.br "Pesquisar é ver o que outros viram, e pensar o que nenhum outro pensou." (Albert Szent-Gyorgyi)

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