USO RACIOIQAL DE EN
Eng
lA EA PLANTAS DE PAPEL E CELULOSE
R
Sebastiªo de Souza Comes
Asea Brown Boveri Ltda
Divisªo ABB Service
Brasil
SP
AgT
Reg
I
INTRODU˙ˆO
Diversos critØrios
plantas industriais
podem
ser
utilizados
na
O
balan o de energia Ø um mØtodo de
pesquisa para a conserva ªo de energia
Este
balan o pode
processo de
uma
Outro mØtodo
feito
ser
fÆbrica
ou
de anÆlise
Independentemente
resultados
As
As
Os
que
constitui
o
uma
energia
primeiro
instala ªo
passo
de
em
na
um
um setor
utilizado Ø
para se obter
produ ªo de uma fÆbrica
tetc
GJ
t
MWh
anÆlise
correta da
aplica ªo
de uma mÆquina de
industnal completo
n vel
no
de
anÆlise da
do mØtodo
temos diversos pontos
a
correla
o
o consumo
utilizado para
a considerar tais
de
de energia com a
energia expresso em
consumo
espec fico
uma
de
mterpreta o
correta
dos
como
conven ıes escolhidas devem ser bem especificadas e justificadas
limita ıes do mØtodo devem ser bem conhecidas
recursos para a coleta de dados e medi ıes
devem ser bem preparados
Temos ainda que ter sempre em mente a Lei da Conserva ªo de Energia o que nos
permitirÆ avaliar a validade dos dados coletados e medi ıes efetuadas estimar dados
desconheidos
Este
como
ou
concluir
a
respeito
trabalho procura mostrar
suporte eticaz para aplica
de dados falsos
ou
incompletos
papel fundamental da Engenharia de Manuten ªo
ªo de tecnologia e produtos para o Uso Racional de
o
Energia
Trabalho
realizado
apresentado
em
Sªo Paulo
no
25
SP
Congresso
Brasil
de 23
Anual
a
de Celulose
e
Papel
da
ABTCP
27 de Novembro de 1992
f
a
2
BALAN˙O
DE ENERGIA
Neste n vel o objetivo Ø
sªo conuzidas e utilizadas
se
na
obter dados corcetos sobre
fÆbrica
as
quantidades
de
energia
que
Deve lembrar que a energia Ø sempre definida em compara ªo com um n vel
se
referencial arbitrÆrio Diferentes sistemas de referØncia sªo utilizados
Cada um destes sistemas requerem a sele ªo de um grupo de componentes bÆsicos de
um estado f sico
de referºncia para cada componente e de uma temperatura de
referØncia
Em
grande parte
do setor
industrial
o
conteœdo
energØtico
Ø expresso por meio de
valores calor ficos
sªo 0
Ø zero por conven ªo
de
25
C
Estes
componentes sªo
oxigØnio nitrogØnio C02 S02 na temperatura
selecionada
ser
para o estado
todos tomados no estado gasoso exceto a Ægua que pode
ou
se entªo com o valor calorifico correspondente
gasoso
liquido trabalhando
Neste sistema
os
componentes bÆsicos cuja energia
se
Este sistema largamente utilizado para defenir a energia contida de fluidos torna
insuficiente
uando os componentes do sistema analisado incluem outros elementos
alØm do
nitrogØnio hidrogŒnio carbono e enxofre
nio
oxig
Na industria qu mica e
normalmente utilizado
metalœrgica
por
exemplo
a
energia contida
seja
ou
a
sistema de referØncia diferente Ø
elementos
energia de forma
Os componentes bÆsicos sªo normalmente
padrªo
um
os
tomados num estado
desses elementos Ø entªo
qu micos
ªo
considerada
Este sistema
Como a
sistemas
permite
energia
nunca
3 CONSUMO
de
calcular
forma ªo
poderªo
ser
o
balan o
e
energia
completamente
misturados
ESPEC˝FICO
de
numa
de vÆrios sistemas
diferente da
anÆlise
para
se
qu micos
energia calor fica
os
dois
evitar incoerŒncias
DE ENERGIA
Uma vez que as referØncias de estado e sistemas de unidade sªo corretamente definidos
correlacionar
e as entradas de energia de uma fÆbrica sªo determinadas Ø interessante
o
consumo
espec fico
o consumo de energia com a produ
o da fÆbrica para se obter
de energia
A
determina ªo
certas
partes
racionaliza ªo
do consumo espec fico de energia
do processo Ø importante para
do uso da energia
das fÆbricas
mostrar onde
n vel
ao
nos
ou ao
Ø
n vel
de
possivel
a
referŒncia
O resultado da anÆlise dependerÆ de um lado de escolha du sistema de
serªo
valorizadas
ser utilizado e do outro lado da escolha das formas de energia que
das formas que ser o consideradas como perdas
Podemos citar
um
simples exemplo
que mostra
a
importÆncia
a
e
desta escolha
o
Vamos considerar duas fÆbricas com o mesmo material de entrada Mi e com
e
Mo A primeira fÆbrica compra eletricidade El
mesmo produto final na sa da
lado
Ao
combust vel F1 o combust vel Ø convertido em vapor S1 para uso final
uma
do produto final Mo a fÆbrica produz tambØm rejeitos V Na segunda fÆbrica
tal que o combust vel
parte do material de rejeito Ø usado como combust vel
fÆbrica
F1 para produzir a mesma
comprado F2 Ø menor que o da primeira
deverÆ ser
quantidade de vapor S2
S1 De outro lado a compra de eletricidadee tratamento
maior no segundo caso E2
E1 em fun ªo da necessidade de manuseio
se ª energgia
do rejeito O consumo espec fico de energia pode ser definido referindo
E2 e S2
e
comprada E1 e F1 E2 e F2 ou a forma final de energia utilizada El Sl
fico
se as compras de energia sªo
consideradas a compara ªo do consumo espec
temos
considerado
final
da
Ø
Mo
F2
Se
o
uso
energia
Mo
E1
Mo
F1
Mo
E2
Mo
E1
Na
Mo
E2
Mo
S1
segunda hip tese
wm
uma
menor
a
S2lMo
fÆbrica que recupera
performace
quando
os
energia
do material
consumos
rejeitado aparecerÆ
espec ficos
de energia
sao
considerados
Entªo
ou nos
queremos comparar o uso final da energia
materiais rejeitados tem que ser considerados
se
a
energia recuperada
no
processo
se
de energia s o fÆceis de se determinar quando
causa
entre fÆbricas por
usa energia comprada mas sªo muito dif ceis de se comparar
fundamentalmente da existŒncia de diferentes fontes para se obter o mesmo tipo de uso
final da
por exemplo no caso da produ ªo combinada de vapor e eletricidade
Geralmente
os consumos
espec ficos
energia
entrada
O correto uso do consumo espec fico de energia requer que os materiais de
e
usados na
precisamente
fabrica ªo dos produtos sejam todos claramente
e somente os produtos
isto
Ø
raramente
na
Contudo
poss vel
prÆtica
especificados
pnncipais envolvidos sªo
especificados
direta entre fÆbricas normalmente nªo Ø poss vel porque existe uma
de produtos fabricados de diferentes matenais de entrada Podemos
das perdas de
completar a anÆlise utilizando outras ferramentas para a localiza ªo
anÆlise
entr pica do processo
energia e o seu cÆlculo como por exemplo fazendo uma
Uma
compaza ªo
grande variedade
xi
4 OS CUSTOS DA
RACIONALIZA˙ˆO
O critØrio essencial para analisar a eficiŒncia de energia de um processo Ø sempre o
custo finaceiro da energia associada a produ ªo
Este critØrio na verdade serÆ decisivo no exame dos investimentos necessÆrios para se
implantar um programa de uso racional de energia ou para substituir uma forma de
energia
por outra
Com um mercado cada dia mais competitivo e com os pre os dos produtos sendo
balizados por um mercado mundial chegamos num ponto que Ø fundamental a
implanta ªo de programas de Uso Racional de Energia na matoria das empresas do
setor industrial
Muitas empresas ainda nªo iniciaram um programa por vÆrias razıes A maioria dos
gerentes industriais percebem que os custos com energia podem ser reduzidos e o
ponto de partida em um programa de Uso Racional de Energia Ø o exame e auditoria
do sistema de energia da fÆbnca Contudo na maioria dos casos os recursos tØcnicos
nªo estªo dispon veis
uma vez
que seu Staff tØcnico esta totalmente alotado a
no
desenvolvimento
de
produ ªo
processos na manuten o e em expansıes
dispon veis em tecnologia equipamentos etc associados t1
avalia ıes
prÆticos da Engenharia de podemos
Manuten ªo ter a
de
dos
orientada
a
medi ıes aproveitando
inspe ªo
equipamentos
implanta ªo
para
ciclos de manuten ªo e atravØs do seu pr prio pessoal implantar um esquema de
instala ªo de sensores e aparelhos de medi ªo
Atualmente
com
experiŒncia
e
os recursos
de
casos
muito dif cil
para
um
para um gerente industrial definir
programa de Uso Racional de Energia
Mais dif cil
ainda Ø
Dados dos fluxos de
iniciar
energia
o
e
Montamos
Execu ªo
de
um
um outro
enfoque
o
das
estas
tarefas
procedimento como
sem
aumento
numa
TPM
e as
Oportunidades
em termos
banco de dados din mico do fluxo de
do programa
taxa de retomo de investimento
programa em virtude da nªo existŒncia
Auditoria do Sistema
Com o auxilio da Engenharia de Manuten
de um projeto deste tipo Identiftca ªo
Op ıes passam a ter
investimento ou seja
a
signicativo
de
excu ªo
energia
do Banco de
duas fases essenciais
Implementa ªo das
e taxas de retomo de
e
da fÆbrica
de custo apenas atravØs de
mudan a
do investimento total em pequenos investimentos Isto significa que as
oportunidades de racionaliza ªo sªo detetadas nªo s a n vel de processo mas tambØm
a n vel dos componentes do sistema
Dilui ªo
de Feed
Back necessÆrio
das caracter sticas
para a defini ªo
dimensionamento de novos equipamentos Rendimento PotŒncia Grau de Prote
e
Obten ªo
etc
251
ªo
5
IDENTIFICA˙ˆO
DAS OPORTUNUDADES E
APLICA˙ ES
Com o banco de dados dispon vel e com a auditoria do sistema de energia englobando
das
a identifica ao
todos os consumidores de vapor e eletricidade da instala ªo
mØrito
e
de
baixo
oportunidades com mudan as ou nªo no processo modifica ıes
alto custo pode ser facilmente conclu da
as
modifica ıes de baixo custo podemos citar aquelas relacionadas com mudan em
com
relacionadas
e as
perdas
nos procedimentos da opera ªo
ou da manuten ªo
sistemas de distribui ªo elØtrica e redes de vapor Por exemplo elimina ªo de pontos
quentes do sitema elØtrico e vazamento na rede de vapor
Como
No elenco das
modifica ıes de mØdio
investimento podemos considerar
Mudan a
custo entretanto
de mØtodos de controle de Fluxo
em
com
elevada taxa de retomo de
Ventiladores
e
Bombas
Redimensionamento de Motores
Corre ªo
do Fator de PotŒncia
Como
modifica ıes de alto
investimento consideramos
secadores
colchªo de ar
Grupos
Os custos de
percentual de
A
Ø
solu ªo
compactos
custo
para
mas
tambØm
com
elevada
mÆquinas Desaguadoras
taxa
de retorno de
de Celulose
secagem
aquecimento fiara secar a celulose representam
despesas operacionais da linha de secagem
se
energia
de
utilizar secadores
compactos
com
baixo consumo para
o
um
em
grande
aquecimento
Estes secadores com um sistema de reaquecimento e recircula ªo fechado consomem
ainda
muito menos energia do que mÆquinas de cilindros O secador compacto produz
devido
sua
de aquecimento comparado aos secadores convencionais
menos radia ªo
alta evapora ªo relacionada a superf cie de evapora ªo
3 de toda a energia de aquecimento
Aproximadamente 2
economicamente
reutilizada para aquecer o
ser
pode
inicial usada para
ar de ventila ªo
a
e
secagem
Ægua do
processo
Sistemas de capota para
de
Papel
efetiva redu ªo no consumo de energia as capotas devem ser dimensionadas
alto conteœdo de Ægua no ar de
ponto de orvalho elevado o que significa um
Para
uma
para
um
exaustªo
mÆquinas
um
dØoÆepresenta
P Pe
O ponto
dependendo
Sistemas
na
economia de
energia
de
aquecimento
da
mÆquina
do ponto de orvalho considerado neste sistema Ø de 58
C para o qual
de energia Ø de aproximadamente 3000KJ por quilo de Ægua evaporada
do n vel de recupera ªo do aquecimento
Digitais
para Gerenciamento da
energia
de toda
a
Planta
com
controle de
para
Otimizar
Buscaz
direto
comum
o consumo
potŒncia
impacto
Importa ªo
os
Gerenciaz
de
Energia
da ConcessionÆria
pontos de maior eficiŒncia
o
fluxo de
reativos
operacional
evitando
dos
geradores
perdas
Controlar Demanda
Cum
a
utiliza ªo destes sistemas conseguimos gerenciar
carga da fÆbrica o que
significa otimizar o uso das fontes de energia em opera o normal e promover
desligamentos rÆpidos de carga no caso de perda de uma ou mais dessas fontes de
modo a manter a planta em condi ıes seguras de opera ªo
Em
situa ıes normais o s stema de gerenciamento
econ mico para suprir energia aos diversos consumidores
Isto implica
monitorando
Em
caso
controle automÆtico da opera ªo do
pico de demanda e o fator de potŒncia
no
o
seleciona
geradoree
da
arranjo
o
potŒncia
de
mais
sa da
de insuficiŒncia de fornecimento de potŒncia o sistema de controle
criticas e vitais ao processo enquanto servi os nªo essenciais
salvaguarda potŒncias
serªo desligados
O que proteger
e o
que
desligar pode depender
da
situa ªo produtiva
o
que
pode
ser
monitorado pelo sistema
Para
exemplifica ªo de algumas aplica ıes tomemos por
o consumo espec fico
de energia medido em algumas se ıes
t
mÆquinas com produ ªo de diferentes tipos de Papel em KWh
base
MPI
MP2
MP3
PULPERS
4
67
2
85
1
139
AGITADORES
2
33
4
65
9
47
6
5
1
75
0
134
REFINADORES
BOMBAS
ACIONAMENTO DA
M`QUINA
PARCELA REFERENTE
A GRANDES MOTORES
de trŒs diferentes
6
92
9
173
9
193
8
37
1
36
1
106
1
74
0
82
0
103
conclusıes a n vel das se ıes das mÆquinas come am a surgir Por exemplo
caso dos refinadores existem diferen as para mÆquinas fazendo o mesmo papel em
ªo da qualidade do papel outras dtferen as podem ser citadas
Algumas
no
fun
Constru ªo pobre
do refinador
Ciclo de carga do refinador
fÆbricas com quatro ou mais refinadores trabalhando em paralelo cada
metade da carga feriamos uma eficiŒncia maior parando dois deles e entªo
operando os outros em plena carga
Um outro exemplo seria o caso das Bombas
VÆcuo Condensado
Em
algumas
um
com
`gua
de potŒncia para
prensas œmidas significa alto consumo elØtrico
de
necessÆrio
as
secagem
menos
serÆ
entretanto
se ıes
para
vapor
Melhor vÆcuo para
as
bombas
As bombas
melhorias
as
Æfacilidades
d
gua tambØm
tem alto consumo
implementadas
no
em
alguns
processo
ou
a
casos
devido
algumas
pr pria constru ªo
da
tubula ªo
a puxar
mÆquina como a parcela da potŒncia destinada
esta
se ªo podemos
rela ªo a potŒncia total consumida por
especifico para papØis espessos Ø baixo enquanto para papØis
a
No caso do acionamento da
tela Ø considerÆvel em
concluir que o consumo
finos ele Ø alto
com aten
eque atualmente come a a ser analisado
os
reflexos
celulose
sªo
acionamentos
de
e
das mÆquinas
especial
papel
consumo de energia da aplica ªo
do acionamento com Inversores de FrequŒncia
lugar de acionamentos de Corrente Cont nua
Um aspecto
important ssimo
nos
ªo
no
no
Como os Inversores de FrequŒncia com tecnologia mais avan ada possuem na se ªo
de entrada Retificadores a diodo o que dÆ ao conjunto um Fator de PotŒncia pr ximo
de 1 Ø fÆcil concluir a respeito da economia de energia e tambØm a economia na
de
instala ªo cabos de bitolas menores leitos fisicamente menores equipamentos
prote ªo e manobra menores etc
Observando ainda os valores de consumo espec ficos apresentados e orientando nossa
anÆlise para o elenco de modifica ıes de mØdio custo com elevada taxa de retorno de
investimento observamos um grande potencial para melhorias no consumo de energia
da planta
na Ærea dos acionamentos de bombas da
mÆquina e nos grandes motores
No caso das bombas um sistema de bombeamento Ø normalmente projetado para
atendera 100 do Fluxo necessÆrio mas muitas vezes pode operar abaixo do valor
nominal Vamos supor que 5096 do fluxo Ø necessÆrio por uma hora
Quais
5096
sªo
as
pode
op ıes
ser
1
FIG
recirculado
Custo da
Energia
100
s
Fluxo eontrolWO pua
o
processo
1
FIG
Fluxo restrito Por vÆlvula de
RECIRCULA˙ˆO
2
FIG
estrangulamento
Custo de
Energia
70
Fluxo controlado para o
proeaaw
2 ES
FIG
RANGULAMENTO
T
Acionar
a
bomba apenas 50 do tempo
Redu ªo da velocidade
de FrequŒncia
Custo da Energia
50
da Bomba variando a velocidade do motor atravØs de Inversor
Custo da
Energia
25
Podemos ressaltar
A
recircula ªo
sobre estes mØtodos
algumas observa ıes
seria
uma
boa
op ªo
se a
energia
fosse
grÆtis
VÆlvulas de estrangulamento nªo devem ser utilizadas em bombas de fluxo axiais
Elas tambØm tem uma limitada curva de atua ªo para baixos fluxos
A
recircula ªo
reduz
a
vida do motor
e
da bomba alØm de aumentar
a
demanda de
energia
Os inversores de frequŒncia habilitam o redimensionamento das bomba para a exata
necessidade atravØs do controle de velocidade do propulsor Ele tambØm regula o
fluxo muito melhor do que uma vÆlvula e utiliza menos energia
Curvas de
Energia
consumida
em
fun ªo
das formas de controle de fluxo
i
E
V
C
H
M
t
OF S
uGn
M
G
u
I
ot
c
rf
a
A economia
entretanto
Desgaste
de
energia por
podemos relacionar
mec nico
e
si s6
ainda
manuten ªo
justifica a instala ªo do inversor
os
seguintes fatores importantes de
reduzida
Fator de Demanda de energia reduzida porque
uma
corrente de partida controlada
Fator de
potŒncia
velocidade
Uma tendŒncia
melhorado
de frequŒncia
economia
o
aproximadamente 1
atual e caracter sticas
Ø
a
celulose
redu ªo do consumo de
e economia da
energia em suas instala
motor
em
partirÆ
toda
a
suavemente
com
faixa de controle de
utilizadas em fÆbricas de papel e
elØtrica
atravØs do aumento da eficiŒncia
energia
auxiliares
ıes
das caldeiras
rota ªo de ventiladores bomba de alimenta o de Ægua bombas de licor
negro representa uma grande economia de energia
Como no caso das Bombas um equipamento de ventila ªo ou exaustªo e projetado
trabalhar bem
para produzir 100 do fluxo necessÆrio porØm muitas vezes poderÆ
abaixo desta condi ªo
O controle de
Vamos supor que 50 do fluxo Ø necessÆrio por
Quais
sªo
as
op ıes
Veja
a
algum tempo
3
FIG
CONTROLE DE VELOCIDADE INV DE FREOUENCUI
ZADA PARA 50 DO FLUXO
3 ENERGIA UTiL
FIG
Podemos ressaltar
as
Volume constante
Dampers podem
Palhetas
seguintes observa ıes
sobre estes mØtodos
desperdi a energia
ser
restringem
ruidosos
o
fluxo
e
tem uma
mesmo
atua ªo
quando
limitada para fluxos baixos
totalmente abertas
necessidade
O inversor de frequŒncia habilita redimensionar o ventilador para a exata
ventilador
rufdo
do
enquanto
atravØs do controle da velocidade Isto tambØm reduz o
ao mesmo tempo economiza energia
A t
gura 4 mostra a energia requerida pelo ventilador em
mØtodos de controle Estas curvas indicam uma redu ªo
ventilador quando se utiliza o controle de velocidade
FIGA
fun ªo
do fluxo para vÆrios
na energia do
substancial
Como para
o caso
das Bombas
a
economia de
energia
sozinha
inversor entretanto outros fatores como Desgaste Manuten ªo
Energia e Fator de PotŒncia devem tambØm ser considerados
justifica
a
instala ªo
do
Fator de Demanda de
159