Automação do Preparo de Cana e Moenda em Usinas (Migração na Estratégia de Controle PID das Turbinas)

Embora haja uma tendência da eletrificação dos acionamentos mecânicos do preparo de cana e, de moendas nas usinas de açúcar & álcool, é sabido que mais de 70% das unidades produtoras do país, algo em torno de 300 usinas, fazem uso de turbinas à vapor para acionamento dos equipamentos utilizados nessa parte do processo industrial, sendo que 35% destas unidades ainda utilizam turbinas controladas por Regulador de Velocidade Mecânico, ou seja, em torno de 105 unidades.

Esse artigo destina-se explicitar a importância e, vantagens da migração do Controle de Velocidade do tipo mecânico para eletrônico-hidráulico, ressaltando que trata-se de uma modernização de baixíssimo custo, de excelente retorno produtivo e, uma alternativa técnica-econômica muito em conta se comparado ao investimento milionário de uma eletrificação dos acionamentos mecânicos.

 

Introdução

As primeiras experiências com Regulador de Velocidade Eletrônico-Hidráulico em turbinas à vapor que acionavam o preparo de cana e, moendas no Brasil datam da década de 70. Estas experiências iniciaram-se em turbinas à vapor da antiga fabricante Zanini, as turbinas ATLAS, muito populares no setor sucro-alcooleiro. Eram empregados na ocasião Reguladores Eletrônico-Analógicos, com acionamento Eletro-Hidráulico Integral.

Foi uma revolução na época, uma mudança de paradigma, pois a qualidade do controle propiciava uma resposta mais precisa e, adequada as intensas variações de carga, uma maior estabilidade na rotação da turbina, elevando a velocidade média da esteira de cana, menos embuchamento da moenda, redução de esforços nos acoplamentos mecânicos ( turbina-redutor- equipamento acionado ), redução do consumo de vapor, entre outros benefícios.

Figura 1 – Exemplo de Regulador Mecânico NEMA-A usado em turbinas à vapor de acionamento mecânico (desfibrador, picador, moenda, etc.) – Trata-se de um controle PID Mecânico puramente proporcional (somente o ganho é ajustável), isto é, trabalha apenas no modo Droop
Figura 1 – Exemplo de Regulador Mecânico NEMA-A usado em turbinas à vapor de acionamento mecânico (desfibrador, picador, moenda, etc.) – Trata-se de um controle PID Mecânico puramente proporcional (somente o ganho é ajustável), isto é, trabalha apenas no modo Droop

 

Figura 2 - Conjunto Regulador de Velocidade Eletrônico-Analógico NEMA-D e, seu respectivo Atuador Eletro-Hidráulico Integral, empregado nas turbinas ATLAS na década de 70 – Controle PID Eletrônico-Analógico Proporcional-Integral (ganho e, estabilidade ajustáveis), isto é, trabalha em Droop mas também em Isócrono
Figura 2 – Conjunto Regulador de Velocidade Eletrônico-Analógico NEMA-D e, seu respectivo Atuador Eletro-Hidráulico Integral, empregado nas turbinas ATLAS na década de 70 – Controle PID Eletrônico-Analógico Proporcional-Integral (ganho e, estabilidade ajustáveis), isto é, trabalha em Droop mas também em Isócrono

 

Diferenças Básicas entre os Tipos de Controle

De maneira geral, a diferença entre o controle mecânico e eletrônico-hidráulico consiste em 2 pontos:

1° Ponto: A ação de controle típica do Regulador Mecânico é um PID puramente P ( somente o ganho proporcional é ajustável ) e, do Regulador Eletrônico-Hidráulico a ação de controle PID permite o ajuste de todas as variáveis (Ganho Proporcional, Integral e, Derivativo)

2° Ponto: A classe de precisão do controle: O Regulador Mecânico geralmente é NEMA A, isto é, a classe precisão no controle de rotação é igual à 0,75% da Rotação Nominal, enquanto que no Regulador Eletrônico-Hidráulico a classe de precisão no controle de rotação é igual à 0,25% da rotação nominal, portanto, muito mais preciso.

Estas diferenças acima é que permitem alcançar precisão de controle superiores e, respostas extramente mais adequadas as variações de carga, entre outros benefícios elencados mais a frente neste artigo.

Figura 3 - Comportamento típico do Controle Mecânico – Ação de controle PID, onde somente a variável P (proporcional) é ajustável
Figura 3 – Comportamento típico do Controle Mecânico – Ação de controle PID, onde somente a variável P (proporcional) é ajustável

 

Figura 4 - Comportamento típico do Controle Eletrônico-Hidráulico - Ação de controle PID, onde todas as variáveis (proporcional-integral-derivativo) são ajustáveis
Figura 4 – Comportamento típico do Controle Eletrônico-Hidráulico – Ação de controle PID, onde todas as variáveis (proporcional-integral-derivativo) são ajustáveis

 

Figura 5 - Tabela da Norma NEMA – Graus de Precisão em Controle de Velocidade
Figura 5 – Tabela da Norma NEMA – Graus de Precisão em Controle de Velocidade

 

Figura 6 - Comparação dos Circuitos Mecânicos versus Eletrônico-Hidráulico
Figura 6 – Comparação dos Circuitos Mecânicos versus Eletrônico-Hidráulico

 

Figura 7 - Tabela Comparativa (Resumo)
Figura 7 – Tabela Comparativa (Resumo)

 

Tempo de Estabilidade, Nível de Oscilação e, Energia de Recuperação

Na figura abaixo (figura 8) um resumo didático, que demonstra o comportamento dos tipos de controle, quando alguma carga é adicionada. Fica claro que o controle eletrônico-hidráulico NEMA D possui parametros otimizados de oscilação e, estabilização, sem falar que a energia de recuperação demandada é menor.

Figura 8 - Comparação dos tempos de estabilização, nível de oscilação e, energia de recuperação, quando da entrada de carga no sistema (carga no eixo da turbina)
Figura 8 – Comparação dos tempos de estabilização, nível de oscilação e, energia de recuperação, quando da entrada de carga no sistema (carga no eixo da turbina)

Um ponto importante a frisar é que a substituição do controle mecânico por eletrônico-hidráulico não altera o rendimento ( % ) da máquina motriz, no entanto, é possível afirmar que haverá um melhor aproveitamento da energia de recuperação do sistema.

Embora não muito usual, pois requer um pouco de trabalho, é possível estimar, através de ensaios de campo e, simulações matemáticas no Matlab, o resultado final-teórico aproximado da energia de recuperação economizada pela troca do Regulador Mecânico pelo Regulador Eletrônico-Hidráulico.

Figura 9 - Exemplo real de ganhos no ajuste de dinâmica em Regulador de Velocidade Eletrônico-Hidráulico NEMA D em 3 momentos distintos
Figura 9 – Exemplo real de ganhos no ajuste de dinâmica em Regulador de Velocidade Eletrônico-Hidráulico NEMA D em 3 momentos distintos. Observar que a Energia de Recuperação (Er) para os 3 momentos são diferentes para a mesma carga.
Em resumo: Er3 < Er2 < Er1

 

Resumo dos Benefícios de uso do Regulador de Velocidade Eletrônico-Hidráulico NEMA D

No preparo de cana:

  • Aumento da velocidade media da esteira, elevando a produtividade / hora;
  • Menor consumo de vapor (energia de recuperação), gerando economia;
  • Redução de esforços nos acoplamentos (turbina x redutor x equipamento acionado), por conta da estabilidade de rotação versus variação de carga, reduzindo o índice de quebras e, manutenção, reduzindo custos;
  • Estabilidade da força centrifuga, beneficiando os equipamentos oscilantes (facas e, navalhas), através da preservação e, não-redução do raio de alcance destes acessórios, por conta da estabilidade rotação, melhorando o preparo da matéria-prima a ser esmagada na moenda, melhorando o índice de extração %;
  • Redução do índice de desarmes da esteira, elevando a produtividade e, reduzindo paradas;
  • Opção de TRIP adicional para sobre-velocidade;
  • Maior estabilidade na linha de vapor da caldeira, reduzindo paradas;
  • Integração com a Automação (COI) em topologia mestre-escravo, otimizando a operação, reduzindo a intervenção humana e, ampliando o automatismo do sistema.

 

Figura 10 - Exemplo real na prática, com pequenas variações entre casos, do efeito na velocidade teórica da esteira de cana em 2 momentos (antes & depois)
Figura 10 – Exemplo real na prática, com pequenas variações entre casos, do efeito na velocidade teórica da esteira de cana em 2 momentos (antes & depois)

 

Na moenda:

  • Controle automático de processo (PV), pelo nível de colchão de cana ou outra variável;
  • Sincronização de rolos de moenda (Turbina versus Motor / Regulador versus Inversor);
  • Redução de esforços nos acoplamentos (turbina x redutor x equipamento acionado), por conta da estabilidade de rotação versus variação de carga, reduzindo o índice de quebras e, manutenção, reduzindo custos;
  • Redução dos índices de embuchamento da moenda, por conta das respostas mais precisas e, adequadas as variações de carga, elevando a produtividade e, reduzindo paradas;
  • Menor consumo de vapor (energia de recuperação), gerando economia;
  • Opção de TRIP adicional para sobre-velocidade;
  • Maior estabilidade na linha de vapor da caldeira, reduzindo paradas;
  • Integração com a Automação (COI) em topologia mestre-escravo, otimizando a operação, reduzindo a intervenção humana e, ampliando o automatismo do sistema.

 

Figura 11 - Exemplo prático de Regulador Eletrônico-Hidráulico NEMA D em moenda açucareira, integrado ao COI local – Elevados índices de rendimento e extração
Figura 11 – Exemplo prático de Regulador Eletrônico-Hidráulico NEMA D em moenda açucareira, integrado ao COI local – Elevados índices de rendimento e extração

 

Figura 12 - Exemplo de Regulador Eletrônico-Hidráulico típico já usado no segmento (preparo & moenda), em aproximadamente 200 unidades sucro-alcooleiras pelo Brasil
Figura 12 – Exemplo de Regulador Eletrônico-Hidráulico típico já usado no segmento (preparo & moenda), em aproximadamente 200 unidades sucro-alcooleiras pelo Brasil

 

Figura 13 - Topologia de Automação Mestre-Escravo
Figura 13 – Topologia de Automação Mestre-Escravo

 

Figura 14 - Topologia de Automação Mestre-Escravo (Expandido)
Figura 14 – Topologia de Automação Mestre-Escravo (Expandido)

 

Conclusão

Por fim, fica provado os elevados benefícios na migração da estratégia de controle, através de um custo muito acessível, que pode propiciar uma aumento de produtividade muito significativo em um segmento onde a palavra RENDIMENTO se torna cada dia mais importante para garantir a sobrevivência do negócio.

 

Referências Bibliográficas

  1. Woodward PID – Equations and Diagrams – Application Note 51433 – Woodward Governor Company
  2. PEAK-150 – Digital Turbine Control – Manual 85565C – Woodward Governor Company
  3. CPC II – Current to Pressure Converter for Turbines – Manual 26448D – Woodward Governor Company