Para se poder entender o grau de simplificação que se considera no modelo do regulador de velocidade de uma turbina a gás cujo comportamento se descreve no terceiro capítulo é necessário detalhar as características dos reguladores de velocidade e motores primários das unidades á gás e ciclos combinados.
Embora existam vários modelos de turbinas á gás, aqui analiza-se o mais conhecido que é o denominado de (Modelo de Rowen) utilizado principalmente em turbinas industriais do tipo Heavy Duty, cujo diagrama em blocos mostra-se na figura 6.7.
Fig. 6.7: Diagrama em blocos da turbina á gás e seus diferentes laços de control.
1 Pmec (pu) In1 In2 In3 Out1 Subsystem 1/s 15.428 0 -514 1/56.7 -514 0.9737*3 0.778 56.7 1.028 0 2 w (pu) 1 wref (pu)
O esquema corresponde-se com uma turbina de ciclo simples sem recuperação de calor e uma velocidade não muito diferente da nominal. Este modelo tem sido validado e usado várias vezes na práctica. Como se pode verificar, a turbina tem três laços de control:
O laço de control de velocidade que opera normalmente com a turbina em operação, encarregue da regulação da velocidade;
O laço de control de temperatura que evita um sobreaquecimento na máquina;
O laço de control da aceleração que controla o processo de arranque da turbina;
O control de temperatura é fundamental os demais laços se subordinam a ele ( laço de temperatura) para evitar um sobreaquecimento dos metais da turbina e consequentemente danos irreversíveis na mesma, estas três funções de control são as entradas de um selector de valor mínimo assinalado no esquema como low value
select. A menor destas saídas é a que efectua a acção de control.
O laço de velocidade é o que actua directamente com o governador e pode operar em modo Droop permitindo uma certa queda ou diminuição de velocidade com a carga ou em modo Isócrono mantendo a velocidade constante e independente da carga, o laço de temperatura de saída tem por objectivo principal limitar a temperatura da máquina reduzindo a potência de saída, se está variando e podendo vir à ultrapassar seu valor permitido, esta temperatura de saida mede-se com termopares que incorporam sensores de radiação, o laço de control da aceleração impede a sobre-velocidade da máquina perante mudanças bruscas de carga durante o arranque da unidade. Em operação normal na dinâmica da unidade é determinante os laços de control da temperatura e velocidade.
A dinâmica da turbina no modelo de Rowen simula-se principalmente através de duas funções f1 ; f2 , os atrasos associados com o transporte dos gases de saída
o processo de combustão assim como o bloco de atraso de tempo com constante
TCD, a função f1 calcula a temperatura de saída da turbina em função do fluxo de
combustível e da velocidade do rotor e a função de saída f2 calcula o par de saída da
turbina também como função do fluxo de combustível e da velocidade do rotor. Estas duas funções mostram-se a seguir:
N c W b a f N b W a T f F F R . . . ) 1 .( 2 2 2 2 1 1 1 (6.3)
donde TR é a temperatura nominal de saída dos gases da turbina, WF é o fluxo
de combustível em por unidade do valor nominal, N a velocidade do rotor em por unidade da nominal e a1, a2, b1, b2 e c2 são constantes. Valores típicos dos
parâmetros do modelo aparecem na tabela 6.1.
Tabela 6.1-Valores típicos das constantes do modelo de Rowen para uma Turbina Heavy Duty de ciclo aberto de 48 [MW]
PARÂMETRO DESCRIÇÃO UNIDAD VALOR
W Ganho = 1/droop MWpu/Npu 16,7
X Cte de tempo de avanço do governator segs. 0,6 Y Cte de tempo de atraso do governator segs. 1,0
Z Modo do governator Número de
refe- rência
Droop 1 Isocr. 0
MAX Límite máximo da demanda pu 1,5
MIN Límite mínimo da demanda pu -0,1
A Constante de posicionamento da válvula pu 1
B Constante de posicionamento da válvula pu 0,05
C Constante de posicionamento da válvula pu 1
WMIN Fluxo mínimo de combustível pu 0,23
TF Cte de tempo de control do combustível segs. 0,4
KF Realimentação do sistema de combustivel pu 0
ECR Atraso de tempo na combustão segs 0,01
ETD Atraso de tempo na turbina na saida dos
gases.
segs 0,04
TCD Cte de tempo de descarga do compressor segs 0,2
TR Temperatura nominal dos gases de saída oC 510
TT Cte de integração do controlador de
temperatura
o
C 232
Dado que o objectivo fundamental do presente trabalho é estudar o comportamento de diferentes reguladores de velocidade quando se produzem variações bruscas da carga, pressupor-se-á que os valores de temperatura dos gases de saída da unidade à gás não alcancem em nenhum caso valores superiores aos que suportam os metais da turbina e portanto é possível desprezar o laço de control da temperatura apresentado na parte superior da figura 6.7, da mesma maneira tão pouco se levará em linha de conta o laço de control de aceleração, não sendo por isso considerada.
No caso do laço de control da velocidade que ocupa a posição central do esquema consideram-se as seguintes simplificações:
No governador de velocidade constará de um controlador proporcional e não se considera rede em avanço /atraso, pelo que os valores de X e Y serão zero. Este bloco ou rede de avanço / atraso tem como função introduzir amortecimento a possíveis oscilações durante o control da velocidade funcionando de forma similar à uma retro-alimentação negativa. considerar- se-á não obstante uma constante de tempo de resposta do governador que é pequena e que não se inclui no esquema da figura 6.7;
Não será necessário o bloco de selecção de valores mínimos ao considerar- se na modelação um só laço de control, tão pouco se consideram limites de entrada de combustivel, considerando-se a saída da turbina limites de potência de saída;
O somador ao qual por ele se introduz o valor de consumo mínimo de combustível em condições de não ter carga e que se coaduna com o respectivo consumo para manter o compressor acoplado no eixo trabalhando assim como o bloco que o segue que representa o posicionamento da válvula de entrada de combustível tão pouco será considerado no modelo;
O esquema simplificado então constará do regulador com controlador tipo proporcional e um bloco de atraso para simular a turbina, com limitador de potência a saída, como se pode ver na figura 6.8;