metodologia para verificação do sistema elétrico dos precipitadores
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metodologia para verificação do sistema elétrico dos precipitadores
XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI) Natal – RN, 25 a 28 de outubro de 2015 METODOLOGIA PARA VERIFICAÇÃO DO SISTEMA ELÉTRICO DOS PRECIPITADORES ELETROSTÁTICOS CLYNTON R. G. OLIVEIRA1, ÍCARO I. C. DE M. BARROS1. 1. Coordenação de Engenharia de Controle e Automação, Faculdade do Centro Leste - UCL Rod ES 10, km 06, 29173-087 Manguinhos, Serra - ES, Brasil E-mails: [email protected], [email protected] Abstract In the last years, in response to the growing concern of government agencies with emissions of atmospheric effluents, the demand for investments in environmental control has increased and with it, the search for alternatives that maximize the use of existing equipment in industry, as the electrostatic precipitators. This work proposes the verification of electrical protection devices, electrical components field and the measurement circuit electrical variables, such as tools to allow the use of full precipitator retaining capacity, suggesting a standard methodology for performing this check. Thus, deviations that limit the operating capacity of the precipitator inserted throughout the system life cycle can be identified and corrected. The applications’ results of this verification are presented in an electrostatic precipitator placed in an iron ore pelletizing plant, which transformers voltage and current measurements errors were identified up to 74%, which, corrected, allowed the increase operating level of transformer rectifiers and the reduction in the average particulate emission in precipitator chimney at 29.55%. Keywords Applications in electrical systems, electrostatic precipitator, particulate reduction, measurement verification Resumo Nos últimos anos, em resposta à crescente preocupação dos órgãos governamentais com as emissões de efluentes atmosféricos, a demanda de investimentos em controle ambiental tem aumentado, e com ela, a busca por alternativas que maximizem a utilização dos equipamentos existentes na indústria, como os precipitadores eletrostáticos. Este trabalho propõe a verificação dos dispositivos de proteção elétrica, dos componentes elétricos de campo e dos circuitos de medição de variáveis elétricas, como ferramentas para viabilizar a utilização da plena capacidade de retenção do precipitador, sugerindo uma metodologia padrão para execução dessa verificação. Desta forma, desvios que limitam a capacidade operacional do precipitador, inseridos ao longo do ciclo de vida do sistema podem ser identificados e corrigidos. Os resultados da aplicação desta verificação são apresentados em um precipitador eletrostático instalado em uma planta de pelotização de minério de ferro, no qual erros nas medições de tensão e de corrente dos transformadores de até 74% foram identificados, os quais, corrigidos, permitiram o aumento do patamar de operação dos transformadores retificadores e a redução da média de emissão de particulado na chaminé do precipitador em 29,55%. Palavras-chave Aplicações em sistemas elétricos, precipitador eletrostático, redução de particulado, verificação da medição. 1 ferro, o qual revelou que os erros nas medições de tensão e corrente dos transformadores podem chegar a até 74%, e que estes, quando corrigidos, permitem aumentar o patamar de operação dos transformadores retificadores e reduzir a taxa média de emissão de particulado na chaminé do precipitador. Introdução Nos últimos anos, em resposta à crescente preocupação dos órgãos governamentais com as emissões de efluentes atmosféricos, a demanda por investimentos em controle ambiental tem aumentado, e com ela, a busca por alternativas que maximizem a utilização dos equipamentos existentes nos parques industriais. Amplamente utilizados no controle de emissões, equipamentos como os filtros de mangas, ciclones e precipitadores eletrostáticos possuem em comum a necessidade de grandes investimentos para adequação a cada revisão dos limites de emissão promovida pelos agentes reguladores. O precipitador eletrostático é um equipamento importante utilizado no controle de emissões e sua função básica é de capturar o material particulado diluído em meio aos gases de exaustão dos processos industriais. Este trabalho propõe uma metodologia para verificação do sistema elétrico dos precipitadores eletrostáticos, com o objetivo de identificar desvios que impeçam sua operação em plena carga, do ponto de vista elétrico. É apresentado um estudo de caso desenvolvido em um precipitador eletrostático instalado em uma planta de pelotização de minério de 2 O Precipitador Eletrostático O precipitador eletrostático é um equipamento que faz uso do processo de ionização de partículas para remover material particulado do fluxo de gases de exaustão de processos produtivos diversos. Esse processo de captação de pó é mostrado na Figura 1, na qual são vistos os eletrodos de coleta e emissão, os quais, alimentados por uma fonte de alta tensão, proporcionam o campo elétrico responsável pela ionização das partículas em suspensão no fluxo de gás. As partículas ionizadas são então atraídas pelo eletrodo de coleta formando uma camada de pó que é removida periodicamente por um sistema de batimento e escoada por um circuito de descarga (EPA, 1985). 343 XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI) w é a velocidade de migração da partícula, dada em m/s, dp é o diâmetro da partícula em µm, Eo é a força do campo de carga das partículas representado pela tensão de pico V/m, Ep é a força do campo em que as partículas são coletadas dada em V/m, µ é a viscosidade do gás, dada em Pa.s. A equação 1 mostra que a velocidade de migração depende diretamente das tensões de carga e coleta das partículas. Desta forma, o precipitador deve ser projetado para alcançar a máxima tensão na formação do seu campo elétrico, de modo a obter sua máxima eficiência de coleta (EPA, 1985). O modelo de Deutsch Anderson mostrado na equação 2, é amplamente utilizado para determinar a eficiência teórica do precipitador na etapa de projeto, e permite, uma vez conhecida a velocidade de migração, determinar a eficiência de coleta. Uma eficiência de 100% indica que o precipitador é capaz de remover totalmente o material particulado dissolvido no meio gasoso, sendo tipicamente adotados valores de projeto entre 80,0 e 99,8% (EPA, 1985): Figura 1. Processo de captação do material particulado 2.1 O Sistema Elétrico de Potência O sistema elétrico típico para um precipitador eletrostático é mostrado na Figura 2. Nela pode ser observado o painel de controle de tensão, composto pelo módulo de SCR (silicon controlled rectifier) e pelo controlador de tensão, além do transformador retificador, que fornece a tensão ao precipitador. =1 e A análise das equações 1 e 2 permite concluir que o nível de tensão disponibilizado ao precipitador tem influência direta na sua eficiência de coleta. Os resultados alcançados pelos métodos atuais para otimização do precipitador, como por exemplo, o uso de transformadores retificadores trifásicos para disponibilizar um patamar superior de tensão aos precipitadores, também confirmam esta condição (Binwei, Ronghua e Keping, 2008). Outra tecnologia baseada no aumento da tensão é a que utiliza transformadores de alta frequência, a qual tem apresentado resultados animadores devido à maior tensão média fornecida aos precipitadores (Kloeckner e Grass, 2011) e (Rastand e Linner, 2011). A condição de plena carga citada ao longo deste trabalho equivale àquela em que são aplicados ao precipitador os máximos valores de tensão permissíveis ao sistema elétrico existente, respeitados os limites operacionais para ocorrência de centelhas. O controlador de tensão efetua a regulação de tensão do precipitador por meio da variação do ângulo de disparo dos tiristores, mantendo os níveis de tensão e corrente dos transformadores retificadores dentro dos seus limites nominais, e realiza o controle da taxa de centelhas, que são descargas que ocorrem entre os eletrodos quando o limite dielétrico entre os mesmos é ultrapassado. 2.2 A Influência da Tensão no Desempenho do Precipitador Um conceito necessário à compreensão da importância do aumento do nível de tensão na captação de material particulado no precipitador é o de velocidade de migração das partículas. Ela pode ser definida como a velocidade com que a partícula, uma vez ionizada, migra do interior do fluxo gasoso para os eletrodos de coleta, e pode ser obtida pela equação 1: dpEoEp 4 (2) em que: η é a eficiência do precipitador, A é a área de coleta efetiva do precipitador dada em m², Q é a vazão do gás através do precipitador em m³/s. Figura 2. Circuito elétrico típico do precipitador eletrostático w= w( A / Q ) (1) em que: 344 XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI) 3 A Planta Piloto 4 Metodologia Proposta O estudo de caso foi desenvolvido em um precipitador de uma usina de pelotização de minério de ferro, especificamente da etapa de secagem descendente do forno de pelotas. Neste processo, as pelotas de minério são levadas úmidas a um forno para secagem, de modo a garantir-lhes melhores propriedades metalúrgicas e resistência mecânica. Ventiladores conectados ao forno controlam temperatura e pressão, e distribuem a temperatura através de circuitos de recirculação de gases. Os precipitadores são então instalados no circuito de gases destes ventiladores para retenção do particulado em suspensão (Luz, 2010). A Figura 3 mostra o precipitador posicionado no duto entre o ventilador e o forno, além das válvulas que auxiliam no controle de pressão e temperatura (Bleed-in/off) e o carro de grelha com a camada de minério úmido depositado. A metodologia proposta visa identificar e corrigir desvios no sistema elétrico de controle do precipitador que possam limitar sua capacidade operacional de captação de material particulado. Sua proposta se assemelha a metodologias de gerenciamento da qualidade de produtos e processos como o ciclo DMAIC, do inglês Define (Definir), Measure (Medir), Analyse (Analisar), Improve (Aperfeiçoar) e Control (Controlar), considerado por alguns estudiosos uma evolução do PDCA. Ambos preveem etapas de definição, análise, correção e controle (Martinelli, 2010). A Tabela 2 associa as etapas da metodologia de verificação do sistema elétrico com o DMAIC. Tabela 2. Associação da metodologia proposta com o DMAIC. Os dados nominais de projeto do precipitador são apresentados na Tabela 1 a seguir: Tabela 1. Dados nominais do precipitador. Valor Número de campos Transformadores Partículas na Entrada Partículas na Saída Eficiência Teórica Velocidade de Migração Temperatura do Gás Vazão do Gás 3 440V/343A/153kVp/1000mA 1000 mg/Nm³ 70mg/Nm³ 93,0% 0,0870m/s 111°C 900.000 Nm³/h Metodologia Proposta D Definir M Medir A Analisar I Aperfeiçoar C Controlar Identificar as variáveis críticas. Coletar dados e realizar medições de campo. Analisar os dados. Identificar a origem dos desvios. Corrigir desvios. Registrar os dados. Monitorar novos desvios. A Figura 4 mostra o fluxograma desenvolvido para representação da metodologia de verificação. A escolha pelo fluxograma foi motivada pela busca por uma representação lógica, organizada e de fácil compreensão. As etapas de trabalho apresentadas podem ser descritas conforme a seguir: 1. Coletar dados e realizar medições de campo: realizar as inspeções, medições de campo das variáveis críticas e coletar as informações do projeto do precipitador. 2. Analisar os dados: analisar os dados coletados e, caso aplicável, identificar a natureza das correções a serem realizadas. Caso não sejam identificados desvios, encerra-se a verificação e realiza-se o registro. 3. Identificar origem dos desvios: identificar se os desvios têm origem no sistema de proteção elétrica, no atendimento ao projeto ou nos circuitos de medição. 4. Corrigir desvios: implantar as melhorias e correções identificadas durante a análise dos dados. 5. Registrar os dados: registrar as modificações realizadas e os valores medidos após a finalização dos trabalhos para compor o histórico de manutenção do precipitador. 6. Novos desvios: na ocorrência de novas intervenções no precipitador, como troca de componentes ou melhorias nas instalações, um novo ciclo de verificações deve ser iniciado, de modo a garantir a integridade e funcionalidade do sistema elétrico. Figura 3. Zona de secagem descendente do forno de queima Parâmetros DMAIC A vazão é apresentada na unidade Nm³/h (normal-metro-cúbico por hora), que visa corrigir a vazão volumétrica para condições padrão de temperatura e pressão, adequadas ao cálculo dos demais componentes, como os ventiladores de processo (EPA, 1985). 345 XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI) Tabela 3. Variáveis críticas identificadas. Causa Variável a verificar Influência no desempenho do precipitador Atuação das proteções elétricas Ajustes dos disjuntores. Ajustes dos relés térmicos. Proteção de sobrecorrente do controlador de tensão. Dados de placa dos transformadores no campo. Dados de placa dos transformadores no projeto. Capacidade de condução dos tiristores. Dados nominais dos disjuntores e contatores. Medição da tensão e corrente secundárias no campo. Medição da tensão e corrente secundárias no controlador. Medição da corrente primária no campo e no controlador. Valor dos resistores shunt do circuito de medição. Proteções ajustadas com valores abaixo do necessário podem gerar desarmes indevidos durante a etapa de aumento de potência dos transformadores. Equipamentos Elétricos Circuitos de Medição Elétrica Figura 4. Metodologia de verificação O processo de investigação tem por base a verificação de variáveis críticas ao desempenho do precipitador, sendo imprescindível a identificação da interdependência entre os diversos componentes trabalhados durante as correções (Oliveira, 2014). 5 4.1 Identificação das Variáveis Críticas Os componentes que compõem o circuito de potência devem suportar a operação dos transformadores em plena carga sem apresentar falhas devido ao pleno carregamento. Erros no circuito de medição prejudicam o controle de tensão e podem causar atuações indevidas da proteção de sobrecorrente. Esses erros também prejudicam a resposta do controlador de tensão às variações do volume de pó na entrada do precipitador, o que reduz sua capacidade de captação. Estudo de Caso A aplicação da metodologia na planta piloto permitiu a constatação de algumas características e desvios em cada grupo de equipamentos analisado. Três grupos que compõem o sistema elétrico foram avaliados: o sistema de proteção elétrica, o sistema de controle e medição e os dados nominais dos componentes. Para identificação das variáveis críticas ao desempenho do precipitador foi adotado o diagrama de causa e efeito, que apresenta a relação existente entre um evento resultado e suas causas (Martinelli, 2010). Neste estudo, o evento resultado é a limitação na potência dos transformadores retificadores, a qual reduz a capacidade de captação do precipitador. Para elaboração do diagrama foram analisadas as características de funcionamento do sistema elétrico do precipitador eletrostático e seus componentes. Inicialmente, ao se analisar o circuito elétrico de potência, buscou-se identificar quais seriam as possíveis causas de limitação à operação em plena carga dos transformadores, como por exemplo, componentes subdimensionados. Para este tipo de desvio, foram identificadas as prováveis causas: erros de reposição de componentes, erros de montagem ou mesmo erros de especificação durante a etapa de projeto. A Tabela 3 reproduz as diversas causas e efeitos identificados a partir da análise dos diagramas. Nela também constam as variáveis críticas a serem verificadas nas inspeções de campo. 5.1 Sistema de Proteção Elétrica A verificação das proteções elétricas mostrou que o sistema não apresentava seletividade entre seus disjuntores alimentadores. A seletividade é a capacidade do sistema de proteção de que, na ocorrência de uma falta, opere apenas o dispositivo mais próximo no menor tempo possível, retirando-a de serviço sem afetar os demais circuitos (Mamede, 2001). Esta condição, apesar de não configurar uma limitação ao funcionamento do precipitador, pode representar uma maior indisponibilidade da unidade durante desarmes, uma vez que um número maior de componentes precisa ser investigado. Medições realizadas com o intuito de verificar a especificação dos relés de proteção revelaram taxas de distorção harmônica no espectro de corrente entre 28,8 e 39,7%, valores que, de acordo com a norma 346 XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI) Aplicando-se os valores da coluna “Antes” da Tabela 4 na equação 4 obteve-se um valor para Ep de 67,2kV. Substituindo Ep e k na equação 3, obteve-se a velocidade de migração de 0,0382m/s no precipitador, antes das ações de correção. Com esta velocidade de migração, da equação 2, obteve-se uma eficiência teórica do precipitador de 68,9%. Uma avaliação dos circuitos de medição mostrou que os erros de medição eram resultantes de resistores shunt e conversores eletrônicos inadequados no precipitador. IEC 60947-2, exigem componentes com imunidade comprovada contra distorções (ABB, 2007). Foi verificado em campo que os relés eletrônicos utilizados para a proteção de sobrecorrente dos transformadores não dispunham desta imunidade, podendo apresentar desarmes indevidos em valores de corrente diferentes dos ajustados. 5.2 Sistema de Controle e Medição O objetivo foi confirmar se os valores de tensão e corrente do primário e do secundário estavam sendo lidas corretamente pelo controlador, uma vez que todo o controle de tensão é baseado nessas realimentações (Loureiro e Virgolino, 2010). Foram identificados erros entre os valores medidos pelos instrumentos de medição inseridos nos circuitos de potência e os mostrados pelos controladores de tensão entre 1,3 e 20,0% para os sinais de medição de tensão secundária dos transformadores e de 9,6 a 74,0% nos sinais de corrente secundária. A Tabela 4 mostra, na coluna “Antes”, os valores medidos nos três campos durante o levantamento de dados. 5.3 Dados Nominais dos Componentes Foram verificados os disjuntores, contatores e tiristores do circuito de força no painel de controle com base nos seus dados nominais. Tais dispositivos devem apresentar valores nominais de tensão (Ue) e corrente (In) superiores, ou minimamente iguais, à tensão (Uc) e corrente (Ic) exigidas pelas cargas alimentadas pelos mesmos (ABB, 2007). Não foram encontrados desvios nestes componentes quanto à capacidade de suportar a operação dos transformadores na condição de plena carga. Foi identificado que o transformador do segundo campo do precipitador possuía tensão secundária de 130kV, divergindo dos 153kV de projeto, reduzindo a capacidade de captação do campo. Tabela 4. Comparativo das variáveis do transformador 01. Campo TR-01 TR-02 TR-03 Variável Tensão Prim. [V] Corrente Prim. [A] Tensão Sec. [kVp] Corrente Sec. [mA] Tensão Prim. [V] Corrente Prim. [A] Tensão Sec. [kVp] Corrente Sec. [mA] Tensão Prim. [V] Corrente Prim. [A] Tensão Sec. [kVp] Corrente Sec. [mA] Antes 316,3 113,4 71,7 280 341,3 150,3 73,8 480 391,6 269,5 56,1 800 Depois 449,0 218,4 96,0 650 450,0 201,4 86,7 721 431,9 308,3 60,3 965 Δ[%] 42,0 92,6 33,9 132,1 31,8 34,0 17,5 50,2 10,3 14,4 7,5 20,6 6 Correções e Resultados A seguir, são listados os principais desvios e ações corretivas realizadas no precipitador: 1. Relés eletrônicos não compatíveis com os níveis de distorção harmônica dos circuitos. Ação corretiva: substituição dos relés eletrônicos por relés do tipo bimetálico, com maior imunidade às distorções harmônicas. 2. Transformadores com características nominais divergentes do projeto. Ação corretiva: Substituição do transformador retificador pelo modelo de projeto. 3. Erros nos circuitos de medição de tensão e corrente secundários. Ação Corretiva: eliminação dos conversores eletrônicos de sinais e projeto de uma placa shunt para adequação dos sinais ao padrão utilizado pelo controlador de tensão. 4. Falta de seletividade entre os disjuntores. Ação corretiva: com auxílio de um software de simulação foram definidas e ajustadas as proteções, tornando o circuito seletivo. As medições permitiram o cálculo da eficiência teórica do precipitador. Pela Tabela 1 a velocidade de migração é de 0,0870m/s para uma tensão de 153kVp em condições nominais de processo. Através da equação 1, utilizou-se uma constante k para representar as variáveis de processo, uma vez que o mesmo não foi alterado, obtendo-se a equação 3: w =k.Ep (3) Encontrando-se um k de 5,686 10 7 para o precipitador estudado. A tensão de pico Ep foi calculada conforme descrito na equação 4. Ep = Ep1 Ep 2 Ep3 3 Após as correções, os limitadores de tensão e corrente foram liberados para operação a plena carga (valores nominais dos transformadores). Observa-se na Tabela 4, coluna “Depois”, o aumento no carregamento dos campos. Aplicando-se as equações 4 e 3 foram obtidos os valores de 81,0kV e 0,0461m/s para (4) em que: Ep1, Ep2 e Ep3 são as tensões de pico medidas nos três campos do precipitador. 347 XII Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente (SBAI) Ep e w, respectivamente. A eficiência teórica calculada a partir desses valores foi de 75,5%, ou seja, um aumento de 9,6% na eficiência do precipitador. Adotando a taxa de emissão anterior às correções igual a 1pu para 68,9% de eficiência e, de posse da nova eficiência de 75,5%, pôde-se calcular, pela equação 5, uma redução de 21,3% nas emissões. Tx (1 atual) 100 R% = 1 anterior (1 anterior) em que: 7 Conclusão Este trabalho apresentou uma proposta de metodologia que possibilita a identificação de um potencial de captação dos precipitadores eletrostáticos por vezes não explorado, com o uso de técnicas e correções de baixo custo. Mostrou ainda fontes de desvios com impacto no desempenho do precipitador, em especial modificações efetuadas na tentativa de manter o funcionamento do equipamento. Adicionalmente a metodologia permitiu, de forma simples, avaliar a condição operacional do sistema elétrico do precipitador, fornecendo uma ferramenta para auxílio nas tomadas de decisão estratégicas à manutenção destes equipamentos. (5) Txanterior é a taxa de emissão antes das correções, em pu, anterior é a eficiência de coleta do precipi- tador antes das correções, atual dor após as correções, R é a redução do nível de emissões esperada, em %. Referências Bibliográficas é a eficiência de coleta do precipitaABB SACE. Electrical Installation Handbook - Volume 1 Protection and Control Devices. 5. ed. Bergamo: ABB SACE, 2007. ABB SACE. Electrical Installation Handbook - Volume 2 Electrical Devices. 5. ed. Bergamo: ABB SACE, 2007. Binwei Z., Ronghua W., Keping Y. Industrial Applications of Three-phase T/R for Upgrading ESP Performance.In: International Conference on Electrostatic Precipitation, 11, pp. 276-280, Hangzhou, China. Anais... China: ISESP, 2008. EPA - Environmental Protection Agency. Operation and Maintenance Manual for Electrostatic Precipitators EPA 625/1-85/017. Chicago, 1985. Kloeckner M., Grass N. More than 20 Years Practical Experience with Switched Mode Power Supplies in Modernization Projects. 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A redução real das emissões foi apurada utilizando-se dados do medidor de particulado que monitora de forma contínua as emissões na saída do precipitador. A Figura 5 mostra as médias diárias ao longo de 30 dias antes e após as correções. Figura 5. Redução das emissões de particulado O pico de emissão entre o 15º e o 18º dia referese a distúrbios operacionais em regime de produção reduzida e os dados destes dias não foram utilizados para cálculo da redução da emissão. Comparando os valores antes e depois das correções foi verificada uma redução média de 29,55% nas emissões de particulado da chaminé. É importante citar que o modelo de Deutsch Anderson idealiza condições que diferem do ambiente industrial, o que justifica o desvio entre a redução teórica de 21,3% e a real de 29,55%. Ele não considera, por exemplo, o fato de que o material particulado não é monodisperso, de que há variação da velocidade de migração no meio e a reentrada de materiais precipitados no fluxo gasoso (EPA, 1985). Outro indicador da maior captação de material particulado foi a necessidade de aumento da frequência do sistema de limpeza do precipitador, devido à nova carga de material no circuito de descarga. 348