UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA INDUSTRIAL
ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA DE UM PROJETO DE
IMPLANTAÇÃO DE VARIADORES DE VELOCIDADE EM
BOMBAS CENTRÍFUGAS INDUSTRIAIS
Roberto Oenning
Trabalho de Final de Curso
Salvador (Bahia) 2011
ii
UNIVERSIDADE FEDERAL DA BAHIA
ESCOLA POLITÉCNICA
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
EM ENGENHARIA INDUSTRIAL
ANÁLISE DA VIABILIDADE ECONÔMICA DE UM PROJETO DE
IMPLANTAÇÃO DE VARIADORES DE VELOCIDADE EM
BOMBAS CENTRÍFUGAS INDUSTRIAIS
Roberto Oenning
Professor-orientador: Antônio Francisco A. Silva Jr
Monografia submetida ao corpo docente do
Programa de Pós-Graduação em Engenharia
Industrial da Escola Politécnica da Universidade
Federal da Bahia como requisito final para a
obtenção do Diploma de Especialização em
Engenharia Econômica, Estratégia e Prevenção de
Perdas na Indústria
Salvador (Bahia) 2011
iii
RESUMO
Em diversos tipos de indústrias é comum o uso de dezenas ou até mesmo
centenas de bombas centrífugas para os mais diversos fins. A implantação de variadores
de velocidade em bombas centrífugas pode propiciar uma significativa redução no
consumo energético. No entanto, há diversos cuidados que devem ser tomados de forma
a garantir a viabilidade técnica de um projeto de implantação de um variador de
velocidade em uma bomba centrífuga industrial. Neste trabalho serão estimados os
ganhos ou perdas decorrentes de um projeto que propõe implantação de um variador de
velocidade em uma bomba centrífuga industrial de uso contínuo, considerando como
objeto-alvo do estudo um projeto que seja viável do ponto de vista técnico. Os ganhos ou
perdas serão calculados com base na diferença de consumo de energia elétrica pelo
conjunto moto-bomba com e sem a variação de velocidade. Para tal, os cálculos de
consumo energético em ambos os casos serão baseados nas teorias clássicas de
bombas centrífugas, a partir de uma metodologia largamente difundida nos meios
técnicos e acadêmicos. Também serão estimados os custos para a implantação e
adaptação do projeto proposto e, ao final, os resultados serão apresentados na forma de
um EVE. É esperado que a implantação de um variador de velocidade no conjunto motobomba ocasione um significativo aumento na eficiência do sistema, tornando o projeto
viável economicamente, além de contribuir para o aumento da confiabilidade do conjunto
e para a redução de emissões para a atmosfera.
Palavras-chave: Bombas centrífugas, eficiência energética, viabilidade econômica.
iv
ABSTRACT
In several types of industries it is common to use dozens or even hundreds of
centrifugal pumps for various purposes. The introduction of variable speed centrifugal
pumps can provide a significant reduction in the power consumption. However, there are
several precautions that should be taken care of to ensure the technical feasibility of a
project to establish a variable speed centrifugal pump in an industry. In this work it is
estimated the gains or losses arising from a project which proposes the implementation of
a variable speed centrifugal pump in a continuous industrial use, considering that the
target object of study is a project that is feasible from a technical standpoint. Gains or
losses are calculated based on the difference in energy consumption by motor-pump set
with and without variable speed. To this end, the calculations of energy consumption in
both cases are based on classical theories of centrifugal pumps from a widespread
methodology in the technical and academic ways. In this work it is also estimated the costs
for implementation and adaptation of the proposed project and, by the last, the results will
be presented as an EVE. It is expected that the implementation of a variable speed in the
motor-pump set would cause a significant increase in system efficiency, making the project
economically viable, and contribute to increasing the reliability of the set and to reduce air
emissions.
Keywords: Centrifugal pumps, energy efficiency, economic viability.
v
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.1 – Bomba centrífuga acoplada a um motor. ................................................................... 10
Figura 3.1 – Curva característica de uma bomba centrífuga radial. .............................................. 15
Figura 3.2 – Curva característica do sistema. ............................................................................... 16
Figura 3.3 – Ponto de operação de uma bomba. .......................................................................... 17
Figura 3.4 – Efeito da variação no percentual de abertura de válvulas na curva do sistema. ........ 18
Figura 3.5 – Curvas de rendimento para rotação constante. ......................................................... 19
Figura 3.6 – Variação da curva da bomba pela variação da rotação. ............................................ 20
Figura 3.7 – Curvas de rendimento da bomba utilizando as leis de Semelhança. ......................... 21
Figura 3.8 – Curvas de rendimento para rotação variável e diâmetro do rotor constante. ............. 21
Figura 3.9 – Controle com válvula instalada na linha. ................................................................... 23
Figura 3.10 – Controle com válvula instalada no BY-PASS. ......................................................... 23
Figura 3.11 - Controle com uso de inversor de freqüência. ........................................................... 25
Figura 3.12 – Comparativo entre o consumo de energia na bomba. ............................................. 26
Figura 3.13 – Redução do Conjugado x Harmônicos de Tensão. ................................................. 27
Figura 3.14 - Comparação entre soluções para o tratamento de harmônicas.5 ............................. 28
Figura 3.15 – Utilização de inversores de média tensão para motores de média tensão. ............. 31
Figura 3.16 – Gabinete típico de um inversor de média tensão..................................................... 31
Figura 3.17 – Instalação de inversores de baixa tensão para motores de média tensão. .............. 32
Figura 3.18 – Instalação de inversores de baixa tensão para motores de baixa tensão. ............... 32
Figura 3.19 – Curva de rendimento de um motor. ......................................................................... 33
Figura 3.20 – Esquemático do Processo. ...................................................................................... 35
Figura 3.21 – Bombas J-A/B/C em paralelo. ................................................................................. 36
Figura 3.22 – Estratégia de Controle Atual do nível da E-05. ........................................................ 37
Figura 3.23 – Curvas Características das Bombas J-A/B/C. ......................................................... 43
Figura 3.24 - Faixa de operação dos motores J-AM/BM. .............................................................. 45
Figura 3.25 – Perfil de vazão para as bombas J-A/B/C. ................................................................ 46
vi
Figura 3.26 – Nova Estratégia de Controle do Nível da E-05. ....................................................... 47
Figura 3.27 – Curvas ilustrativas para comparativo entre sistema atual e novo. ........................... 50
Figura 3.28 – Relação Q x MV das válvulas de controle. .............................................................. 52
Figura 3.29 – Curva Q x MV modelada para a válvula instalada. .................................................. 54
Figura 3.30 – Curva do sistema para o cálculo do novo consumo energético. .............................. 55
Figura 3.31 – Ilustração do funcionamento dos sistemas atual e proposto. .................................. 58
Figura 4.1 – Fluxo de Caixa do Investimento Proposto ................................................................. 62
vii
LISTA DE TABELAS
Tabela 3.1 – Classe de Isolação de motores. ............................................................................... 29
Tabela 3.2 – Comparativo entre soluções com inversores de Média e Baixa tensão. ................... 32
Tabela 3.3 – Condições operacionais das bombas J-A/B/C. ......................................................... 36
Tabela 3.4 – Acionamento das bombas J-A/B/C. .......................................................................... 38
Tabela 3.5 – Dados de Placa dos Motores J-AM/BM. ................................................................... 38
Tabela 3.6 – Histórico de Intervenções nas bombas J-A/B/C. ....................................................... 39
Tabela 3.7 – Consumo energético do sistema atual...................................................................... 46
Tabela 3.8 – Documentação utilizada para cálculo de He. ............................................................ 51
Tabela 3.9 – Valores utilizados no cálculo da curva do sistema proposto ..................................... 55
Tabela 3.10 – Rendimento das bombas do sistema proposto. ...................................................... 56
Tabela 3.11 – Consumo energético do sistema novo. ................................................................... 56
Tabela 4.1 – Indicadores do Investimento frente a variações no custo de implantação ................ 63
Tabela 4.2 – Indicadores do Investimento frente a variações no retorno esperado ....................... 64
Tabela 4.3 – Indicadores do Investimento frente a variações no valor do câmbio ......................... 65
viii
SUMÁRIO
RESUMO ........................................................................................................................ III
ABSTRACT ................................................................................................................... IV
LISTA DE ILUSTRAÇÕES............................................................................................. V
LISTA DE TABELAS ................................................................................................... VII
1. INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 10
2. REVISÃO DA LITERATURA .................................................................................... 13
3. METODOLOGIA ....................................................................................................... 15
3.1. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................................... 15
3.1.1. Características das bombas .............................................................................. 15
3.1.2. Efeito da variação da rotação da bomba ........................................................... 19
3.1.3. Controle da vazão usando válvula de controle .................................................. 22
3.1.4. Controle de vazão por variação da velocidade na bomba ................................. 24
3.1.5. Avaliação do carregamento do motor................................................................ 33
3.2. DESCRIÇÃO DO SISTEMA ESTUDADO ...................................................................... 34
3.2.1. Descrição do Processo ..................................................................................... 34
3.2.2. Controle do processo atual ............................................................................... 36
3.2.3. Acionamento das bombas................................................................................. 38
3.2.4. Problemas e deficiências no processo atual ..................................................... 39
3.2.5. Cálculo do consumo energético do sistema atual ............................................. 40
3.3. DESCRIÇÃO DA SOLUÇÃO PROPOSTA ..................................................................... 47
3.3.1. Estratégia de controle do sistema proposto ...................................................... 47
3.3.2. Cálculo do consumo energético do sistema proposto ....................................... 49
3.3.3. Outros ganhos não mensurados ....................................................................... 59
4. ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA............................................................... 61
4.1. CONSIDERAÇÕES UTILIZADAS NA ANÁLISE DO INVESTIMENTO ................................... 61
4.2. ANÁLISE DO RETORNO SOBRE O INVESTIMENTO ....................................................... 62
ix
4.3. ANÁLISE DE SENSIBILIDADE SOBRE O INVESTIMENTO ................................................ 63
4.3.1. Variação no Custo de Implantação ................................................................... 63
4.3.2. Variação no Retorno Esperado ......................................................................... 64
4.3.3. Variação no Valor do Câmbio ........................................................................... 64
5. CONCLUSÃO ........................................................................................................... 66
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................................... 67
1. INTRODUÇÃO
Processos industriais são sistemas que dependem de condições
operacionais específicas para funcionarem adequadamente. Essas condições –
pressão, temperatura, vazão, etc. – precisam ser sempre monitoradas e
controladas a fim de se obter a correta especificação dos produtos de saída do
processo.
Os processos com maior grau de complexidade são divididos em vários
estágios, cada um deles com suas condições específicas. A interligação
desses estágios, entretanto, nem sempre é realizada diretamente, pois o
produto de saída de um estágio pode não estar nas condições operacionais
necessárias para a próxima etapa. Assim, surge a necessidade de adequar as
correntes do processo às condições necessárias por meio do ajuste de
pressão, temperatura, vazão, etc.
Neste contexto, as bombas industriais são equipamentos que atuam no
ajuste destas condições operacionais de fluidos. Sua principal função é
transmitir energia hidráulica ao fluido para elevá-lo a pontos de maior potencial,
ajustando a pressão conforme a energia transmitida. Essa energia é fornecida
por uma máquina hidráulica (motor ou turbina) a qual está acoplada à bomba
pelo seu eixo, conforme a Figura 1.1.
1
Figura 1.1 – Bomba centrífuga acoplada a um motor.
1
Fonte: Manual bombas Worthington.
10
Os motores e turbinas, que são responsáveis pelo acionamento das
bombas, normalmente operam em rotação constante, fornecendo energia de
acordo com a vazão da bomba. Desta forma, as bombas acabam por fornecer
uma vazão constante ao fluido. Entretanto, alguns processos são bastante
dinâmicos e exigem diferentes condições operacionais ao longo do tempo.
Bombas que operam sem variação de velocidade em seu acionamento,
contudo, são incapazes de controlar a vazão do processo.
Existem duas maneiras de contornar o problema:
Inclusão de válvula de controle no processo para modular a vazão
(modificação das condições do sistema);
Modificação
possibilitando
no
mecanismo
variação
da
de
acionamento
velocidade de
da
bomba,
rotação
e, por
conseqüência, da sua vazão (modificação das características da
bomba).
Em diversos tipos de indústrias, sobretudo as petroquímicas, é comum o
uso de dezenas ou até mesmo centenas de bombas centrífugas para os mais
diversos fins, algumas das quais de elevada potência e de uso contínuo. A
implantação
de
variadores
de
velocidade
em
bombas
com
estas
características, de forma a modular a vazão bombeada por meio da variação
da rotação na bomba, ao invés do uso de recirculação de fluido ou do uso de
válvulas de controle na linha, poderá propiciar uma significativa redução no
consumo energético, além de também poder aumentar a vida útil dos
equipamentos.
Projetos
nesse
sentido,
caso
mostrem-se
viáveis
economicamente, poderão estimular as empresas a investir neste tipo de
acionamento, diminuindo significativamente seu gasto energético, seus custos
com manutenção e as emissões de gases poluentes, e abrindo novas
oportunidades para empresas de engenharia especialistas neste tipo de
projeto.
Desta forma, este trabalho tem o objetivo de estimar os ganhos ou
perdas decorrentes e analisar a viabilidade econômica de um projeto que
propõe implantação de um variador de velocidade em uma bomba centrífuga
11
industrial de uso contínuo, identificando um conjunto moto-bomba adequado
para o estudo, formulando e validando uma metodologia de cálculos para o
conjunto moto-bomba estudado, para os cenários sem e com variação de
velocidade, e analisando criticamente os resultados obtidos de forma a concluir
sobre a viabilidade ou não de implantação do projeto proposto.
Não faz parte do escopo deste estudo o detalhamento da solução para
aquisição e implementação das ações especificadas, seja em relação aos
fabricantes, modelos de instrumentos ou elementos finais de controle.
12
2. REVISÃO DA LITERATURA
Conforme apresentado no Balanço Energético Nacional Brasileiro
(MINISTÉRIO
DAS
MINAS
E
ENERGIA,
2009),
dentre
os
setores
consumidores de eletricidade brasileiros, a indústria foi responsável por 46%
dos 428,25 TWh de energia elétrica consumidos no país no ano de 2008. Por
sua vez, dentre os diversos equipamentos utilizados na indústria, os sistemas
motrizes são responsáveis por mais de 60% do consumo de eletricidade na
indústria. “A energia elétrica representa a forma de energia mais utilizada na
atualidade, e sua conservação tem sido motivo de preocupação entre usuários,
em especial os do tipo industrial” (BRANCO, et al., 2009).
Na indústria petroquímica os processos são caracterizados pela
necessidade de variação de variáveis para a obtenção de produtos finais
(SERGELEN, et al., 2008). Essa variação das variáveis de processo, no
entanto, nem sempre é feita da forma mais eficiente possível, seja pela
obsolescência das plantas, pela falta de tecnologia para o aumento da
eficiência ou pelo alto custo de implantação da mesma.
Quando se trata de variação da vazão de fluidos, o método mais
utilizado consiste na variação da perda de carga nas linhas por meio de
válvulas de controle, que é um método menos eficiente quando se comparado
ao uso de variadores de velocidade nas bombas. Em vários ensaios práticos,
tais como SCHMIDLIN JÚNIOR et al. (2007), AQUINO et al. (2008),
GARIBOTTI (2007) e DENT et al. (1994), foi verificado experimentalmente que
o uso de variadores de velocidade no controle de vazão pode representar uma
economia de mais de 80% na energia elétrica consumida em relação ao uso de
válvulas de controle, a depender do sistema em questão, além de outros
benefícios associados, tais como o aumento da confiabilidade do conjunto
moto-bomba MARTINS et al. (2006).
A metodologia a ser utilizada neste estudo se baseia na teoria clássica
de bombas, apresentada em MATOS et al. (1998) e nas recomendações
apresentadas em WULFINGHOFF (1999), RICE (1988) e EUROPUMP (2001).
Em CARLSON (2000) são apresentadas algumas considerações importantes a
13
respeito do cálculo de ganhos decorrentes da aplicação de variadores de
velocidades em bombas centrífugas, que deverão ser observadas.
As informações sobre as características do conjunto moto-bomba a ser
avaliado serão obtidas a partir da documentação técnica fornecida pelos
fabricantes dos equipamentos.
Em GARCIA (2003) é proposta uma metodologia para o cálculo do
rendimento dos motores a uma velocidade constante, porém, segundo RISHEL
(2003), não há um método analítico para o cálculo do rendimento dos motores
elétricos operando em velocidade variável, fato este que pode constituir uma
limitação para o trabalho.
Com a implantação de variadores de velocidade, porém, alguns efeitos
negativos são percebidos, tais como a diminuição do fator de potência da e a
introdução de um significativo
conteúdo
harmônico
na
rede
elétrica
GRÖTZBACH et al. (2000), OLIVER et al. (1988) e problemas de isolamento
nos motores KAPTZAN (2007).
Com este trabalho espera-se demonstrar que a aplicação de variadores
de velocidade em bombas centrífugas industriais não somente se apresenta
uma solução interessante sob o ponto de vista energético, mas também sob o
ponto de vista técnico e econômico. Desta forma, será elaborado um fluxo de
caixa pra o projeto proposto, de modo a se obter os indicadores financeiros do
projeto. Segundo SANVICENTE (1978), a análise do VPL, por si só, basta para
verificar a viabilidade econômica de um investimento, portanto este será o
principal indicador financeiro avaliado neste trabalho. Também será realizada
uma análise de sensibilidade do investimento, segundo metodologia proposta
em MOTTA et al. (2002), de forma a se obter mais informações sobre os
parâmetros que mais influenciam no resultado do investimento.
14
3. METODOLOGIA
3.1. Fundamentação Teórica
3.1.1. Características das bombas
Existem diversos tipos de bombas, as quais podem ser classificadas
pela sua aplicação ou pela forma como a energia é cedida ao fluido. As
bombas mais utilizadas em sistemas de bombeamento em indústrias
petroquímicas são as bombas centrífugas radiais. Nestas bombas, toda a
energia cinética é obtida através do desenvolvimento de forças centrífugas na
massa líquida pela rotação do impelidor.
As bombas centrífugas radiais são capazes de fornecer elevadas cargas
ao fluido. A capacidade de carga da bomba é função da vazão em que a
mesma opera, conforme Figura 3.1.
Figura 3.1 – Curva característica de uma bomba centrífuga radial.
As curvas características das bombas normalmente são fornecidas pelos
fabricantes, uma vez que as mesmas são determinadas experimentalmente.
3.1.1.1 Características do sistema e ponto de operação
A curva da bomba apresenta qual a carga que a bomba é capaz de
fornecer ao fluido em função da vazão de operação. Entretanto, para
determinação de qual ponto da curva a bomba opera, é necessário determinar
qual a carga que o sistema solicitará de uma bomba em função da vazão
15
bombeada. A este valor é dado o nome de altura manométrica do sistema (H).
Uma vez que a altura manométrica é função da vazão, pode-se
determinar uma curva característica para o sistema, a qual é apresentada na
Figura 3.2.
Figura 3.2 – Curva característica do sistema.
A curva do sistema é composta pela soma de duas parcelas bem
definidas:
Altura estática (He), a qual é dada pela parcela invariante com a
vazão. A altura estática do sistema pode ser calculada pela Equação 3.1:
 P − Ps 
H e =  d
 + (Z d − Z s )
γ


Equação 3.1 – Altura estática do sistema.
Sendo:
Pd: Pressão manométrica no reservatório de descarga;
Ps: Pressão manométrica no reservatório de sucção;
γ: Peso específico do fluido;
Zd: Altura estática de descarga;
Zs: Altura estática de sucção.
Altura dinâmica (Hd), a qual varia quadraticamente com a vazão
do sistema, conforme Equação 3.2.:
H d = k ⋅ Q2
Equação 3.2 – Altura dinâmica do sistema.
16
Sendo “k” uma constante de proporcionalidade. Convém notar que a
constante “k” está relacionada à energia a ser fornecida pela bomba ao fluido
para que o mesmo seja bombeado até o seu destino.
3.1.1.2 Ponto de Operação do sistema
A interseção entre a curva da bomba e curva do sistema fornece o ponto
de operação do sistema, conforme ilustrado na Figura 3.3.
Figura 3.3 – Ponto de operação de uma bomba.
3.1.1.3 Modificação da curva do sistema
Quando características físicas são modificadas no sistema, a sua curva
também é alterada. Mais especificamente, a abertura / fechamento de válvulas
provocam variação na curva do sistema e, por conseguinte, do ponto de
operação. A Figura 3.4 ilustra o comportamento da curva diante de variações
na abertura de válvulas de controle instaladas em uma linha.
17
Figura 3.4 – Efeito da variação no percentual de abertura de válvulas na curva do
sistema.
3.1.1.4 Rendimento das bombas para rotação constante
O rendimento de bombas é um parâmetro fundamental na análise de
eficiência energética, uma vez que essa característica pode variar bastante
com o ponto de operação da bomba.
Embora o rendimento nominal seja especificado no projeto da bomba, o
fabricante deve fornecer as curvas do rendimento do equipamento, conforme
Figura 3.5. Nesta figura também são apresentadas curvas de bombas com
diferentes diâmetros de rotor (d1, d2, d3 e d4).
18
Figura 3.5 – Curvas de rendimento para rotação constante.
2
Assim, quando o ponto de operação da bomba varia, conforme a Figura
3.4 (sobre a curva da bomba), o rendimento da bomba é alterado.
3.1.2. Efeito da variação da rotação da bomba
A Figura 3.1 apresenta a curva de uma bomba para um valor fixo de
rotação “N”. Quando rotação da bomba varia há, por conseqüência, uma
modificação na curva de carga da bomba, conforme atestado pelas leis de
semelhança indicadas na Equação 3.3.
Q2 N 2
=
Q1 N1
H 2  N2 

=
H 1  N1 
2
Equação 3.3 – Leis de semelhança.
A Figura 3.6 apresenta as novas curvas obtidas pelo efeito da variação
da rotação da bomba.
2
Fonte: FUPAI, 2001.
19
Figura 3.6 – Variação da curva da bomba pela variação da rotação.
Conforme pode ser observado, o ponto de operação da bomba é
deslocado sobre a curva do sistema.
3.1.2.1 Rendimento das bombas para variação de rotação
A modificação do ponto de operação decorrente da variação da rotação
da bomba implica em modificação dos valores de rendimento da mesma.
Segundo De Falco (1998), uma vez que se tenham os valores de
rendimento para uma dada rotação da bomba, é possível mapear curvas de
rendimento para outras rotações a partir da aplicação das leis de semelhança
para obtenção de pontos homólogos3, conforme Figura 3.7.
3
Pontos homólogos possuem igual rendimento.
20
Figura 3.7 – Curvas de rendimento da bomba utilizando as leis de Semelhança.
Dentro de certos limites de variação de rotação, as leis de semelhança
podem ser aplicadas na modelagem do rendimento da bomba. Entretanto,
ensaios em bancadas de testes em laboratórios especializados conseguem
mapear experimentalmente o perfil das curvas de rendimento, conforme Figura
3.8.
Figura 3.8 – Curvas de rendimento para rotação variável e diâmetro do rotor
constante.
4
As curvas experimentais do rendimento apresentam formatos elípticos,
4
Fonte: FUPAI, 2001
21
portanto, diferentes do formato parabólico conseqüente da aplicação das leis
de semelhança. Assim, observa-se que a modelagem do rendimento a partir
das leis de semelhança gera um erro associado que aumenta com o aumento
da variação da rotação.
Neste estudo o erro associado à aplicação das leis de semelhança não
foi levado em consideração nos cálculos devido à inexistência de um padrão
pré-definido que possa ser utilizado como base para a modelagem do
rendimento de bombas centrífugas quando da variação de sua rotação.
3.1.3. Controle da vazão usando válvula de controle
O controle de vazão através do uso de válvulas de controle é uma
prática comum em sistemas de bombeamento na maioria das indústrias. Esta
aplicação possui fácil operacionalidade e possibilita um ajuste fino no controle
da vazão. Entretanto, o mesmo resulta em uma baixa eficiência energética do
sistema, uma vez que a bomba opera durante todo o tempo na rotação
nominal.
Este controle pode ser realizado por meio de duas configurações
diferentes:
Instalação de válvula de controle na linha;
Instalação de válvula de controle no refluxo.
3.1.3.1 Válvula posicionada na linha
Quando a válvula de controle está inserida diretamente na linha,
conforme Figura 3.9, o controle de vazão é realizado com base na perda de
carga acrescentada ao sistema pela inserção da válvula.
22
Figura 3.9 – Controle com válvula instalada na linha.
Nesta configuração, a inserção da válvula de controle acarreta em um
estrangulamento da linha. Este estrangulamento implica em aumento na
pressão da linha, podendo danificar a bomba e a tubulação, caso a mesma não
esteja projetada para tais condições.
Outro problema que pode ser causado na bomba é a recirculação do
fluido dentro da carcaça, provocando vibrações exageradas. Isso provoca
cargas radiais e axiais excessivas nos mancais do motor, seguidas de
aquecimento da carcaça e do motor.
Conforme pode ser visto na Figura 3.4, a inserção da válvula de controle
na linha implica em uma modificação da curva do sistema, levando a bomba
para um novo ponto de operação.
3.1.3.2 Válvula posicionada no refluxo
A Figura 3.10 indica a representação de um sistema com válvula de
controle instalada no refluxo.
Figura 3.10 – Controle com válvula instalada no BY-PASS.
23
Nesta configuração, a bomba não tem a sua vazão restringida em
momento algum, operando continuamente no seu ponto de operação nominal.
Embora esta configuração não produza na bomba os efeitos negativos
do estrangulamento causado pela válvula em linha, ela implica em um
consumo de energia desnecessário, devido à recirculação do fluido. A
recirculação acontece quando é solicitada uma redução da vazão no processo
a jusante da bomba, pois a válvula de recirculação é aberta, permitindo que o
“excesso” de fluido recircule ao invés de passar adiante no processo.
3.1.4. Controle de vazão por variação da velocidade na bomba
Conforme visto anteriormente, a modificação do ponto de operação do
sistema pode ser obtida de duas formas:
Modificação na curva do sistema;
Modificação na curva da bomba.
Conforme visto no item 3.1.3, o uso de válvulas para estrangulamento
de vazão implica em modificações na curva do sistema devido à variação da
perda de carga na linha (vide Figura 3.4). O controle de vazão por variadores
de velocidade, por sua vez, busca modificar a curva da bomba.
A modificação da curva de uma bomba pode ser obtida pela variação de
pelo menos um dos seguintes fatores:
Rotação da bomba;
Diâmetro do rotor da bomba.
Como o diâmetro do rotor é um parâmetro físico, portanto não é possível
modificá-lo continuamente. Este fator inviabiliza o controle variável de vazão na
bomba somente pela adequação do diâmetro do rotor. Em contrapartida, a
rotação (N) da bomba pode ser continuamente modificada, conforme
apresentado na Figura 3.6.
3.1.4.1 Princípio de funcionamento dos Inversores de freqüência
A utilização de variadores de velocidade (também conhecidos como
24
inversores de freqüência ou conversores de freqüência) para controlar vazão
em sistemas de bombeamento é uma prática cada vez mais comum na
indústria. A Figura 3.11 apresenta um esquema desta solução.
Figura 3.11 - Controle com uso de inversor de freqüência.
O princípio de funcionamento dos variadores de velocidade é baseado
na modificação da freqüência da tensão elétrica de alimentação do motor da
bomba, permitindo variar a sua velocidade de rotação. Conforme a Equação
3.4, a velocidade de rotação de um motor é proporcional à freqüência da
corrente elétrica que o alimenta.
n=
120 ⋅ f
⋅ (1 − s )
p
Equação 3.4 – Velocidade de rotação do motor.
Onde:
n: Velocidade de rotação do motor
p: Número de pólos do motor
f: Freqüência da corrente elétrica
s: Escorregamento do motor
Como a potência elétrica fornecida aos motores é proporcional à
velocidade de rotação do eixo do motor, conforme Equação 3.5, então, por
conseqüência, a variação da freqüência da corrente elétrica implica na variação
da potência fornecida à bomba pelo eixo do motor.
25
P=
C ⋅ω
η
Equação 3.5 – Potência elétrica do motor.
Onde:
P: Potência elétrica do motor
C: Conjugado motor
ω: Velocidade angular do eixo
η: Rendimento do motor
3.1.4.2 Considerações sobre o uso de variadores de velocidade
A maior vantagem do uso dos inversores de freqüência em relação ao
uso de válvulas de controle é o aumento da eficiência energética do sistema de
bombeamento. Conforme pode ser visto na Figura 3.12, bombas controladas
por variadores de velocidade apresentam uma considerável redução no
consumo energético do sistema em relação ao controle com válvulas (no bypass ou por estrangulamento na própria linha).
Figura 3.12 – Comparativo entre o consumo de energia na bomba.
Embora o uso de variadores de velocidade represente uma boa
eficiência energética, alguns fatores devem ser levados em consideração na
instalação desses equipamentos:
Introdução de componentes harmônicas na corrente elétrica
O processo de conversão de freqüência adiciona componentes
26
harmônicas prejudiciais ao funcionamento de outros equipamentos da rede
elétrica. A norma IEEE N-519 estabelece que a distorção harmônica total
(THD) na rede não deve exceder 5%, para aplicações normais. Deste modo, na
especificação de inversores deve ser considerada uma solução que atenda às
recomendações desta norma.
Estudos mostram que o conjugado disponível do motor decresce com o
aumento de harmônicos na rede elétrica. A Figura 3.13 relaciona o conjugado
disponível com a THD da rede. Conforme pode ser observado, a partir de cerca
de 3% de THD o motor não consegue mais disponibilizar todo o conjugado
nominal. Assim, inversores de freqüência que geram menores componentes
harmônicas na rede (inversores com maior número de pulsos), são mais
recomendados para minimizar a perda de potência no motor.
Figura 3.13 – Redução do Conjugado x Harmônicos de Tensão.
5
Algumas soluções existentes têm obtido êxito no tratamento das
harmônicas, como o uso de transformadores de isolação e filtros de tratamento
de harmônicas.
Os transformadores de isolação possuem duas finalidades principais:
isolar a rede das harmônicas geradas pelo conversor de freqüência e evitar que
um possível curto-circuito gerado no conversor se propague pelo barramento.
Os filtros de tratamento de harmônicas atenuam estas componentes,
5
Fonte: SIEMENS, 2007.
27
diminuindo sensivelmente a THD total injetada na rede. A Figura 3.14
apresenta uma comparação entre as componentes harmônicas geradas por
diferentes tipos de solução.
5
Figura 3.14 - Comparação entre soluções para o tratamento de harmônicas.
Modificação do modo de operação normal do motor
Os motores são equipamentos projetados para operar na freqüência da
rede (60Hz) a partir de uma excitação senoidal. Entretanto, os conversores de
freqüência, por meio de modulação PWM, impõem ao motor uma corrente
semelhante à senoidal, porém pulsante, numa freqüência variável, conforme a
rotação desejada do motor (vide Equação 3.4). Essas modificações provocadas
pelo uso de variador de velocidade implicam em algumas conseqüências para
o motor, as quais devem ser consideradas.
a)
Ventilação dos motores em velocidades de rotação muito baixas
Quanto menor a velocidade de rotação do motor, menor será a rotação
de sua ventoinha, dificultando a dispersão do calor produzido no equipamento,
elevando a temperatura do mesmo. Deste modo é importante prever um
sistema de ventilação independente para o motor para sistemas que operem
28
constantemente a baixas rotações.
b)
Ressonância Mecânica
A freqüência de chaveamento dos semicondutores dos inversores
determina a periodicidade na qual o valor de corrente fornecido ao motor é
alterado e, por conseguinte, o torque no motor. Alguns inversores permitem
abruptas diferenças de corrente neste curto período, ocasionando uma
considerável diferença de torque e, portanto, vibrações no motor.
Quando a freqüência de chaveamento corresponde à freqüência natural
do equipamento, essas vibrações se acentuam, ocasionando ruído e até
mesmo a quebra do equipamento. Deste modo, devem ser especificados,
preferencialmente, drives que forneçam à carga acionada uma forma de onda
de corrente mais suave.
c)
Danos na isolação dos motores devido a picos de tensão
Devido à natureza pulsante da excitação elétrica fornecida pelo inversor,
ocorre no motor um fenômeno indesejado: a reflexão das ondas de tensão.
Essa reflexão provoca sobreposição de ondas, ocasionando picos de tensão /
corrente nas bobinas do motor. O excesso de tensão provocado pode danificar
a isolação das bobinas devido ao aquecimento, principalmente em motores
antigos, os quais não foram construtivamente preparados para serem operados
por variador de velocidade, estando mais sensíveis a este tipo de dano. Em
motores com alimentação maior que 500 V deve ser previsto um filtro dV/dt na
saída do inversor para minimizar a sobreposição dessas ondas nos terminais
do motor.
A robustez do isolamento dos motores é classificada de acordo com a
Tabela 3.1. Os motores aptos para uso com variador de velocidade devem
possuir, no mínimo, classe de isolação F.
Tabela 3.1 – Classe de Isolação de motores.
Classe ∆T Suportado
A
60 ºC
E
70 ºC
29
Classe ∆T Suportado
d)
B
80 ºC
F
100 ºC
H
125 ºC
Desgaste do mancal de rolamento do motor
Motores comandados por variadores de velocidade precisam escoar
correntes parasitas induzidas no rotor. Entretanto, o único caminho de
escoamento para essas correntes é pelo mancal do rolamento, o qual não foi
projetado para operar suportando continuamente este fluxo de corrente. Este
fato implica em desgaste no mancal, ocasionando perda de torque no motor e
um maior desgaste do mesmo, reduzindo a sua vida útil. Assim, motores
operados com inversor de freqüência devem possuir um mancal especial,
revestido com proteção adequada para impedir o escoamento das correntes
parasitas pelo rolamento.
3.1.4.3 Principais tecnologias
Os avanços tecnológicos na área de variadores de velocidade têm
levado os fabricantes a proporem soluções cada vez mais integradas para seus
produtos, de maneira que os equipamentos mais modernos já contemplam
filtros integrados para atenuação do efeito das harmônicas na rede. Esses
dispositivos conseguem filtrar grande parte da distorção harmônica provocada
na forma de onda da corrente da rede. A utilização desses filtros contribui para
o aumento da eficiência do sistema, haja vista que as harmônicas acarretam
em perdas no ferro e no cobre de motores e transformadores, prejudicando o
desempenho destes equipamentos.
Os transformadores de isolação também já podem ser disponibilizados
juntamente com os variadores de velocidade (são montados num mesmo
painel integrado), compactando ainda mais a dimensão física da solução.
Outros recursos como o filtro dV/dt, filtro senoidal e reator de saída também
podem ser incorporados ao painel do inversor.
30
O uso de inversores de média tensão tem sido cada vez mais difundido
na indústria. Contando com um design cada vez mais compacto, maior
robustez e disponibilidade, o uso dos mesmos esbarrava na dificuldade de
manutenção.
Entretanto,
os
investimentos
em
pesquisa
tornaram
a
manutenção destes equipamentos muito mais fácil e rápida. A Figura 3.15
apresenta um esquema da utilização de inversor e motor, atuando em um
sistema de média tensão.
Figura 3.15 – Utilização de inversores de média tensão para motores de média tensão.
A Figura 3.16 apresenta um inversor de média tensão com um sistema
de ventilação forçada acoplado na parte superior do armário do inversor.
Figura 3.16 – Gabinete típico de um inversor de média tensão.
6
Outra alternativa para o uso de inversores em motores de média tensão
é a utilização de transformadores para converter a tensão nos terminais do
6
FONTE: SIEMENS, 2009.
31
inversor, conforme Figura 3.17.
Figura 3.17 – Instalação de inversores de baixa tensão para motores de média tensão.
Embora possível, o uso desse tipo de aplicação tem sido cada vez
menor, uma vez que os avanços tecnológicos permitiram o desenvolvimento de
inversores de média tensão confiáveis e compactos. Assim, em motores de
média tensão o uso de inversores de média tensão é mais recomendado.
Entretanto, quando as cargas acionadas em média tensão são de
potência relativamente baixas (até cerca de 750 CV), passa a ser interessante
estudar a viabilidade da substituição do motor média tensão por um de baixa
tensão, utilizando também um inversor de baixa tensão, conforme Figura 3.18.
Figura 3.18 – Instalação de inversores de baixa tensão para motores de baixa tensão.
Embora essa alternativa não seja tão compacta quanto à de média
tensão, que possui tecnologia mais avançada, o custo dos inversores de baixa
tensão é menor que o custo dos inversores de média tensão.
Com base no que foi explicitado, as vantagens de cada solução devem
ser analisadas e ponderadas na escolha do sistema. A Tabela 3.2 apresenta
um comparativo entre as duas soluções apresentadas.
Tabela 3.2 – Comparativo entre soluções com inversores de Média e Baixa
tensão.
Tipo da
Solução
Vantagens
Desvantagens
32
Tipo da
Vantagens
Solução
Desvantagens
•
Maior
diâmetro
dos
cabos elétricos;
Baixa tensão
•
•
Menor custo.
Maior quantidade de
equipamentos;
•
Maior
geração
de
harmônicas.
Média tensão
•
Solução mais compacta;
•
Menor diâmetro para os cabos
elétricos devido à menor corrente elétrica;
•
•
Maior eficiência, pois dispensa o
Maior custo.
uso de transformadores de potência;
•
Menor geração de harmônicas.
3.1.5. Avaliação do carregamento do motor
O rendimento dos motores cai significativamente quando os mesmos
operam
com
um
carregamento
abaixo
de
70%.
Desta
forma,
o
redimensionamento de motores que operam com um baixo carregamento pode
ser justificado pela economia causada com o aumento da eficiência. A Figura
3.19 apresenta o comportamento típico do rendimento em função do
carregamento do motor.
Figura 3.19 – Curva de rendimento de um motor.
33
Ainda não existe nenhuma metodologia para determinar o rendimento de
um motor elétrico quando da variação de sua velocidade. Desta forma, neste
estudo foi considerado que a variação do rendimento do motor devido à
variação na rotação é semelhante à variação do rendimento devido à variação
no carregamento do mesmo.
3.2. Descrição do Sistema Estudado
3.2.1. Descrição do Processo
Os hidrocarbonetos vaporizados na zona de flash de uma torre de
vácuo, doravante denominada E-057, atravessam bandejas de fracionamento e
são coletados em duas retiradas laterais: gasóleo leve (GOL) e gasóleo pesado
(GOP).
GOL - é um produto ligeiramente mais pesado que o óleo diesel e
pode, em certas ocasiões, ser a ele misturado, desde que seu ponto final de
ebulição não seja muito elevado;
GOP - é um produto bastante importante devido a sua utilização (em
conjunto com o gasóleo leve) como carga para as unidades de craqueamento
catalítico ou pirólise.
O resíduo depositado no fundo da torre E-05 é denominado de resíduo
de vácuo. Este resíduo é bombeado para tanques de armazenamento. O fluido
é destinado para os seguintes tanques: RV8 Crack e Óleo Combustível.
Após a descarga das bombas, o resíduo de vácuo passa por vários
trocadores de calor até chegar aos tanques de armazenamento. Nos
trocadores de calor, o óleo é progressivamente aquecido, ao mesmo tempo em
que resfria os produtos acabados que deixam a unidade.
O esquemático do processo pode ser visualizado na Figura 3.20.
7
O nome real da torre foi alterado de forma a preservar a identidade do processo.
8
Resíduo de Vácuo destinado para unidades de craqueamento.
34
Figura 3.20 – Esquemático do Processo.
O bombeamento do resíduo de vácuo é realizado por um sistema
constituído pelas bombas centrífugas J-A, J-B e J-C9, de mesmo modelo, as
quais estão arranjadas em paralelo, conforme Figura 3.21. Embora haja três
bombas, o sistema opera com apenas duas bombas ligadas por vez, havendo
sempre uma de reserva10. A associação em paralelo fornece uma maior
disponibilidade ao sistema, pois, em caso de falha de uma bomba principal, a
bomba reserva é colocada em operação.
9
O nome real das bombas foi modificado de forma a preservar a identidade do
processo.
10
O sistema estudado opera preferencialmente com as bombas J-A e J-B, sendo a
bomba J-C utilizada apenas quando uma das demais bombas se encontre
indisponível.
35
Figura 3.21 – Bombas J-A/B/C em paralelo.
A associação em paralelo possibilita uma flexibilização no sistema, pois,
como a vazão demandada é variável, pode-se retirar ou colocar bombas em
funcionamento em função da necessidade e sem prejuízo para a continuidade
operacional.
Cada bomba dessa associação foi projetada para operar nas condições
apresentadas na Tabela 3.3.
Tabela 3.3 – Condições operacionais das bombas J-A/B/C.
Característica
Valor
Vazão Nominal
411 m³/h
Altura Manométrica
266 m
Densidade do Fluido nas
Condições de Projeto
882 kg/m³
Rendimento Nominal da
Bomba
63,5%
Diâmetro do Rotor
530,5 mm
Viscosidade do fluido à
temperatura de operação
4,16 cp
3.2.2. Controle do processo atual
Atualmente, o controle do nível da torre E-05 é realizado a partir de uma
36
malha que atua em uma válvula de controle a montante da bateria de
trocadores C-A~F11, conforme apresentado na Figura 3.22
A válvula, elemento atuador dessa malha, possui exclusivamente a
função de regular o nível da torre E-05 através da regulagem da vazão na
linha. A temperatura de saída do fluido em cada bateria de trocadores é
controlada por meio de uma malha de temperatura que atua sobre a vazão de
água de resfriamento em cada trocador, ajustando a carga térmica do mesmo,
de modo que o valor da temperatura do fluido seja mantido no valor desejado.
Há, ainda, uma malha que controla a temperatura do fundo da torre E-05
com base na abertura/fechamento de uma válvula instalada em uma linha de
recirculação. Esta malha não participa da malha de controle de nível da torre,
porém, sob o ponto de vista de controle, a mesma é vista pela malha de
controle de nível como uma perturbação no sistema.
Figura 3.22 – Estratégia de Controle Atual do nível da E-05.
Do ponto de vista energético, a atuação do sistema de controle na
abertura / fechamento da válvula para regulação do nível provoca
estrangulamento da vazão fornecida pelas bombas J-A/B/C. Conforme já
11
O nome real dos trocadores foi modificado de forma a preservar a identidade do
processo.
37
apresentado anteriormente, este estrangulamento implica na diminuição da
eficiência energética do sistema
Como as bombas são semelhantes, o estrangulamento provocado pela
válvula de controle de nível é percebido igualmente para as bombas em
operação. Assim, se a vazão no sistema varia, por exemplo, em 200m³/h, então
a variação em cada bomba em operação é de 100m³/h (considerando que há
duas bombas em operação).
3.2.3. Acionamento das bombas
As bombas atualmente instaladas são acionadas pelos equipamentos
apresentados na Tabela 3.4. Atualmente, não há variadores de velocidade
instalados para os motores apresentados, sendo os mesmos acionados por
partida direta, operando na rotação nominal (~1787 rpm). A turbina J-CT, por
sua vez, possui um governador eletrônico que permite que a mesma varie a
sua rotação caso seja necessário. Entretanto, atualmente o governador
eletrônico é utilizado apenas para controlar a operação da turbina na sua
rotação nominal (~1740 rpm). Desta forma, o presente estudo irá considerar
que a bomba reserva J-C, caso necessite ser operada, já se encontra apta para
a variação de velocidade e implantação as solução proposta.
Tabela 3.4 – Acionamento das bombas J-A/B/C.
Bomba
Tipo do Acionamento
Acionamento
J-A
Motor elétrico de Indução
J-AM
J-B
Motor elétrico de Indução
J-BM
J-C
Turbina a Vapor
J-CT
Os motores J-AM/BM são de mesmo modelo, conforme características
elétricas apresentadas na Tabela 3.5.
Tabela 3.5 – Dados de Placa dos Motores J-AM/BM.
Corrente
Tensão
Potência
Nº
Pólos
Fator de
Potência
Classe de
Isolamento
Rendimento
50 – 75 – 100%
38
Corrente
171,0A
Tensão
2300 V
Potência
50 hp
Nº
Pólos
Fator de
Potência
Classe de
Isolamento
04
0,86
F
Rendimento
50 – 75 – 100%
0,947
0,956
0,958
3.2.4. Problemas e deficiências no processo atual
A necessidade de controle do nível da torre E-05 requer que o sistema varie a
vazão bombeada do fundo da mesma. Entretanto, como o sistema atual não possui
qualquer mecanismo para variação da rotação da bomba, é necessário variar a perda de
carga na linha por meio da abertura / fechamento da válvula de controle localizada a
montante dos trocadores de calor C-A~F.
Conforme explicitado anteriormente, a abertura / fechamento da válvula de controle
provoca o estrangulamento da linha. Este estrangulamento representa perdas energéticas
no sistema, pois parte da potência fornecida pelo motor à bomba é dissipada pela perda
de carga gerada pelo estrangulamento da linha.
Além disso, esta potência dissipada atua como uma espécie de agente destrutivo
na própria bomba, pois é transformado em calor, vibração, turbulência, esforços de
mancais e outros efeitos nocivos ao equipamento. Estes efeitos resultam em um aumento
da necessidade de manutenção no mesmo.
Conforme pode ser observado na Tabela 3.6, as principais intervenções realizadas
pela equipe de manutenção nas bombas J-A/B/C estão relacionadas a problemas no
sistema de selagem e ao nível de vibração das bombas, problemas estes tipicamente
relacionados ao estrangulamento da linha por meio de válvulas de controle.
Tabela 3.6 – Histórico de Intervenções nas bombas J-A/B/C.
Datas das Intervenções
Problema
2007
2008
2009
Vazamento pelo Selo J-B
Abr
Abr/Set
Mai/Nov
Vibração Elevada na Bomba J-A
-
-
Set
Vibração Elevada no Motor J-A
-
-
Set
39
Problema
Datas das Intervenções
Vazamento pelo Selo J-A
Abr/Jul
Abr/Jul/Dez
Mar
Vibração Elevada na Bomba J-B
-
-
Jan
Desarme da Turbina J-C
-
Jul
-
Revisão de Selo J-C
-
Jul
-
Segundo Lima (2006), o MTBF médio para sistemas de bombeio em rotação
variável pode ser estimado em até 10 anos. Para este estudo, está sendo considerando
um valor conservativo de 5 anos para o novo MTBF do sistema em estudo após a
implantação de variadores de velocidade. Assim, o percentual de redução nos custos de
manutenção depende diretamente do MTBF atual do sistema de bombeamento, conforme
Equação 3.6.
R% = 100.(
MTBFNOVO − MBTFATUAL
)
MTBFNOVO
Equação 3.6 – Redução percentual dos custos de manutenção.
Conforme pode ser observado na Tabela 3.6, o MTBF médio atual das bombas JA/B/C é inferior a 1 ano. Para efeitos de cálculo será considerado o valor de 1 ano para o
MTBF atual. Desta forma, o percentual estimado de redução com custos de manutenção
após a implantação de variadores de velocidade é de 80%.
3.2.5. Cálculo do consumo energético do sistema atual
Como não foi possível obter informações sobre quando cada tipo de acionamento
(motor ou turbina) foi utilizado, considerou-se, para efeitos de cálculo, que durante todo o
período analisado foi utilizado o conjunto bomba+motor elétrico, e que consumo
energético dos conjuntos bomba+turbina e bomba+motor elétrico são equivalentes.
As perdas energéticas associadas ao estrangulamento da vazão da bomba pela
40
atuação das válvulas de controle são calculadas pelos seguintes passos:
a)
Determinação da potência hidráulica fornecida pela bomba ao fluido, a
partir da Equação 3.7:
Ph =
Γ⋅ H ⋅Q
3600
Equação 3.7 – Potência hidráulica fornecida ao fluido.
Sendo:
Ph – Potência hidráulica fornecida pela bomba, em W;
Γ – Peso específico do fluido, em Kgf/m³;
H – Altura manométrica, em m;
Q – Vazão do fluido, em m³/h.
b)
Cálculo da potência elétrica no conjunto inversor-motor, a partir da
Equação 3.8, para cada valor de Ph calculado pela Equação 3.7:
Pel =
Ph
η b ⋅η m
Equação 3.8 – Potência elétrica fornecida ao motor.
Sendo:
Pel – Potência elétrica fornecida ao motor, em W;
ηb – Rendimento da bomba;
ηm – Rendimento do motor.
c)
A partir dos valores calculados de potência elétrica, é calculada a energia
consumida pelo motor utilizando a Equação 3.9:
n
E = ∑ Pel (i) ⋅ ∆t (i)
i =1
Equação 3.9 – Energia fornecida ao conjunto motor-bomba.
Sendo:
E – Energia fornecida ao motor, em kWh;
∆t – Intervalo de tempo em que foi fornecida a potência Pel, em horas.
Explicitando todos os parâmetros da Equação 3.9, obtém-se a Equação 3.10:
41
Eatual
n
Γ
∆t (i ) ⋅ Q(i) ⋅ H (i )
=
⋅∑
3600 i=1 ηb (i ) ⋅η m (i )
Equação 3.10 – Energia total consumida pelo motor no sistema atual.
Conforme apresentado na Equação 3.10, o consumo energético é calculado a
partir das grandezas explicitadas. A obtenção dessas grandezas é apresentada a seguir.
3.2.5.1 Peso Específico do Fluido (Γ)
O peso específico foi obtido utilizando a densidade apresentada na folha de dados
das bombas, conforme Equação 3.11.
Γ = ρ⋅g
Equação 3.11 – Peso específico.
Sendo:
ρ – Densidade do fluido, em Kg/m³;
g – Aceleração da gravidade, em m/s².
3.2.5.2 Altura Manométrica (H)
Conforme apresentado no item 3.2.2, o controle de vazão no sistema atual é
efetuado através do estrangulamento da linha. Assim, os valores da altura manométrica
do sistema atual para as diferentes vazões são obtidos a partir da curva da bomba, uma
vez que os pontos de operação se deslocam sobre esta curva. Embora a curva
apresentada na Figura 3.1 seja experimental, a mesma pode ser modelada por uma
função do 2º grau, conforme Equação 3.12:
H = a ⋅ Q2 + b ⋅ Q + c
Equação 3.12 – Curva da bomba.
Sendo “a”, “b” e “c” os parâmetros de ajuste.
A determinação dos coeficientes da equação foi realizada a partir de pontos
coletados na folha de dados das bombas J-A/B/C. Assim, para cada faixa de vazão obtida
42
pode-se determinar a altura manométrica correspondente, conforme Figura 3.23. É
importante ressaltar que, embora as curvas das bombas presentes nas folhas de dados
dos fabricantes sejam traçadas tendo a água como fluido bombeado, neste estudo não
houve necessidade de nenhuma correção adicional das mesmas, uma vez que a
viscosidade do fluido bombeado, na temperatura de operação, apresenta valor próximo ao
da viscosidade da água.
Figura 3.23 – Curvas Características das Bombas J-A/B/C.
3.2.5.3 Rendimento da Bomba (ηb)
A Figura 3.23 apresenta também o rendimento da bomba operando no sistema
atual na rotação nominal, o qual é calculado conforme item 3.1.1.4. A curva de rendimento
utilizada foi obtida a partir dos valores de rendimento informados na Curva de
Performance das bombas J-A/B/C.
3.2.5.4 Rendimento do motor (ηm)
O rendimento do motor é função do carregamento do mesmo. Este carregamento é
calculado conforme a Equação 3.13.
43
γ =
Ph
η b ⋅ Pnom
Equação 3.13 – Carregamento do motor.
Sendo:
γ – Carregamento do motor, em %;
Pnom – Potência nominal do motor, em W;
Segundo Garcia (2003), a dependência do rendimento com o carregamento do
motor pode ser aproximada por uma curva do tipo exponencial, sendo esta uma excelente
aproximação. Assim, o rendimento é calculado a partir da Equação 3.14:
η m = A ⋅ (1 − e − a⋅γ )
Equação 3.14 – Estimativa do rendimento do motor.
Sendo:
A=
η 502
2 ⋅η 50 − η100
 η 
a = − ln1 − 100 
A 

Onde:
η50 – Rendimento do motor a 50% da carga;
η100 – Rendimento do motor a 100% da carga (nominal).
A Figura 3.24 apresenta as faixas de operação dos motores J-AM/BM e o tempo de
operação em cada faixa. De acordo com os dados apresentados, o motor está operando
no limite da faixa de carregamento ideal.
44
Figura 3.24 - Faixa de operação dos motores J-AM/BM.
Muitas vezes, o conjunto motor-bomba é superdimensionado para atender a
demandas esporádicas do sistema ou já prevendo futuras expansões de capacidade da
unidade. Desta forma, projetos que visem o aumento da eficiência energética de sistemas
semelhantes devem fazer também uma análise mais crítica sobre a faixa de operação dos
motores e verificar, juntamente com a engenharia da unidade, a possibilidade de
redimensionamento dos mesmos de forma a propiciar a operação em uma faixa de maior
carregamento e, consequentemente, melhor eficiência.
3.2.5.5 Vazão da bomba (Q) e tempo (∆t)
O perfil de vazão foi obtido por meio de levantamento de histórico de medições no
sistema PIMS12. Para este estudo, foram avaliados os anos de 2007 e 2008, utilizando
valores médios de vazão, em m³/h. Os valores obtidos foram organizados por faixas de
valores de vazão em intervalos de 5%, tomando-se o valor máximo do intervalo como
representativo do mesmo. A essas faixas foi associado o tempo total de operação em que
a bomba operou dentro de cada faixa, conforme Figura 3.25.
12
Plant Information Management System
45
Figura 3.25 – Perfil de vazão para as bombas J-A/B/C.
Conforme pode ser observado, durante a maior parte do tempo a vazão solicitada é
menor que aquela definida em projeto (vide Tabela 3.3).
Com base nas informações levantadas, foi calculado o consumo energético do
sistema atual, conforme Tabela 3.7.
Tabela 3.7 – Consumo energético do sistema atual.
Vazão (m³/h)
Percentual do tempo Consumo Energético (kWh)
41,1
0,66%
3.064,24
82,2
0,47%
12.410,39
123,3
2,42%
65.229,81
164,4
9,27%
257.047,65
205,5
24,43%
700.045,21
246,6
30,38%
900.186,01
287,7
20,39%
625.699,30
328,8
8,58%
273.240,09
369,9
2,54%
84.405,46
411
0,86%
29.731,58
TOTAL
100%
2.951.059,74
Os detalhes sobre os cálculos efetuados são apresentados no Apêndice 1.
46
3.3. Descrição da Solução Proposta
Com a finalidade de aumentar a eficiência energética do sistema, objetivo deste
estudo, propõe-se a instalação de variadores de velocidade nos motores J-AM/BM e a
configuração do governador eletrônico da turbina J-CT de forma a possibilitar a variação
da velocidade de rotação das bombas J-A/B/C.
3.3.1. Estratégia de controle do sistema proposto
O novo sistema proposto visa reduzir as perdas energéticas associadas ao controle
de vazão atual mencionadas nos itens 3.2.4 e 3.2.5. Para isso, propõe-se a variação da
vazão na linha para controle do nível da torre E-05.
Conforme apresentado na Figura 3.26, a malha de controle de nível da torre E-05
passará a comandar uma malha de vazão em cascata, cujo elemento atuador será
executado pelo variador de velocidade (ou pelo governador eletrônico da turbina). Com
isso, a válvula de controle a montante das baterias de trocadores C-A~F poderá operar
totalmente aberta, eliminando totalmente o estrangulamento na linha.
Figura 3.26 – Nova Estratégia de Controle do Nível da E-05.
Para a implementação da estratégia de controle proposta será necessário utilizar
um transmissor de vazão na linha principal, de forma a construir a malha de controle de
47
vazão que será comandada pela malha de controle de nível da torre. Atualmente já existe
um transmissor instalado na linha, portanto não se faz necessária, neste caso, a compra e
instalação do mesmo. Ainda assim, os custos de uma eventual substituição do
transmissor existente ou instalação de um novo transmissor são suportados com folga
pela contingência adotada.
3.3.1.1 Critérios para abertura das válvulas de controle
A abertura de uma válvula de controle está inversamente relacionada com a perda
de carga na mesma. Deste modo, válvulas de controle muito restringidas resultam em
uma alta perda de carga. Conseqüentemente, a potência necessária para operação do
sistema é tão maior quanto mais restringida estiver a válvula.
Uma vez que as válvulas de controle não serão mais utilizadas para regulação do
nível da torre E-05, não será necessário restringir a abertura dessas válvulas. Assim,
visando maximizar a eficiência energética do sistema, a abertura das válvulas de controle
deve ser a maior possível que atenda a um conjunto de requisitos necessários ao bom
funcionamento do sistema.
Requisito 1: Vazão máxima fornecida pela bomba
A determinação da abertura das válvulas deve atender a um fator limitante: a vazão
máxima fornecida pela bomba. O valor máximo de vazão documentado para a bomba
está descrito na curva de performance das bombas J-A/B/C e é igual a 640 m³/h. Assim, a
abertura da válvula de controle deve ser tal que a vazão máxima solicitada da bomba não
ultrapasse o valor documentado.
3.3.1.2 Determinação da abertura das válvulas de controle
As válvulas de controle instaladas no Processo possuem característica de igual
percentagem. Esse tipo de válvula apresenta tipicamente uma boa capacidade de
controle na faixa de 10% a 90% de abertura devido ao seu comportamento
aproximadamente linear no Processo.
Entretanto, uma vez que essas válvulas não mais executarão qualquer tipo de
controle regulatório no Processo, sendo operadas apenas em manobras pela Operação,
48
as mesmas não precisam ser utilizadas dentro da faixa de controle, onde apresentam um
comportamento aproximadamente linear.
Observando a condição imposta pela capacidade das bombas e pela perda de
carga no sistema, verifica-se que a abertura média das válvulas de controle poderá ser a
maior possível, sendo, neste caso, 100%, sem que haja o risco de ocorrer cavitação nas
bombas.
3.3.2. Cálculo do consumo energético do sistema proposto
O consumo energético do sistema proposto pode ser calculado conforme a
Equação 3.15.
Enovo
n
Γ
∆t (i ) ⋅ Q(i) ⋅ H (i )
=
⋅∑
3600 i=1 η b (i) ⋅η m (i) ⋅η inv
Equação 3.15 – Energia total consumida pelo motor no sistema novo.
Sendo:
Γ – Peso específico do fluido, em Kgf/m³;
H – Altura manométrica, em m;
Q – Vazão do fluido, em m³/h.
ηb – Rendimento da bomba;
ηm – Rendimento do motor;
ηinv – Rendimento do variador de velocidade;
∆t – Intervalo de tempo em que foi fornecida a potência Pel, em horas.
Conforme pode ser observado, a Equação 3.15 é bastante semelhante à Equação
3.10. A única diferença entre elas é que o sistema novo deve considerar o rendimento do
variador de velocidade. Portanto, os valores de vazão (Q), tempo (∆t), peso específico (Γ)
e rendimento do motor (ηm) são os mesmos já apresentados no cálculo do consumo
energético do sistema atual. As demais variáveis (altura manométrica e rendimento da
bomba) devem ser recalculadas e o rendimento do variador deverá ser levantado,
conforme descrição a seguir.
49
3.3.2.1 Altura Manométrica (H)
Para determinação dos valores de H no sistema proposto, é necessário determinar
a curva do sistema estudado, pois, conforme apresentado no item 3.1.2, o ponto de
operação em sistemas regulados por variação de velocidade está sempre sobre a curva
do sistema, a qual é fixa.
Conforme apresentado no item 3.3.1.2, a abertura da válvula de controle deverá
ser de 100%, valor este que é maior que o valor máximo da faixa típica de operação atual
(10% a 51% da abertura máxima). Deste modo, a curva do sistema novo será modificada,
uma vez que a perda de carga na válvula de controle será reduzida. A Figura 3.27 ilustra
as curvas do sistema atual e a nova curva para o sistema proposto.
Figura 3.27 – Curvas ilustrativas para comparativo entre sistema atual e novo.
O ponto de referência (QR, HR) indicado no gráfico representa a intersecção entre a
curva do sistema proposto (AZUL) e a curva da bomba à rotação nominal (PRETO). A
50
determinação das coordenadas deste ponto, juntamente com o conhecimento da altura
estática He, são requisitos necessários para obtenção da curva do sistema proposto.
Altura Estática (He)
Conforme definido no item 3.1.1.1, a altura estática do sistema é determinada pela
Equação 3.1. Os parâmetros constituintes da referida equação foram obtidos na
documentação apresentada na Tabela 3.8.
Tabela 3.8 – Documentação utilizada para cálculo de He.
Parâmetro
Documento
Valor Utilizado
Pd
Fluxogramas de Processo da
Unidade
1,0 kgf/cm²
Ps
Fluxogramas de Processo da
Unidade
-0,98 kgf/cm²
γ
Folha de Dados das Bombas
882 kgf/m³
Zd
Isométricos das linhas da unidade
8m
Zs
Isométricos das linhas da unidade
5,2 m
Ponto de referência (QR, HR)
A primeira coordenada do ponto de referência a ser determinada é a vazão QR.
Para tal determinação, recorre-se aos registros históricos de vazão e percentual de
abertura da válvula de controle. Esses valores foram obtidos no PIMS da empresa e são
referentes ao ano de 2008. Os pontos obtidos foram plotados no gráfico apresentado na
Figura 3.28.
51
Figura 3.28 – Relação Q x MV das válvulas de controle.
É importante observar que, para este caso, como há uma linha de recirculação de
produto no fundo da torre E-05, nem toda a vazão bombeada pelas J-A/B/C passa pela
válvula de controle de nível da torre; uma parcela desta vazão recircula e volta para o
fundo da torre.
A análise da vazão que passa pela válvula de controle de nível e da vazão de
recirculação mostrou que a vazão de recirculação possui um pequeno range de variação
e acompanha a vazão na válvula de controle. Assim, optou-se por fazer uma modelagem
que represente a vazão bombeada pelas J-A/B/C em função da abertura na válvula de
controle de nível da torre.
Utilizando o Método dos Mínimos Quadrados para determinar a função do 1º grau
que melhor representa a relação observada no gráfico da Figura 3.28, obtém-se a
Equação 3.16.
QB = 4,3478 ⋅ MV + 106,5217
Equação 3.16 - Relação entre a vazão observada na válvula (em m³/h) e a sua abertura (em %).
52
A obtenção de um valor significativo para o termo constante da Equação 3.16
evidencia que para um baixo valor de abertura da válvula de controle, a parcela de vazão
na bomba se refere predominantemente à vazão de recirculação, resultado este coerente
com o cenário analisado.
Como pode ser observado, a válvula apresenta uma relação linear na região de
operação. Isso ocorre porque a válvula de controle instalada em campo é de
característica igual percentagem.
De acordo com as boas práticas de projeto, o projeto de válvulas de controle deve
prever a utilização da mesma numa faixa de 10% a 90% da sua completa abertura
quando utilizadas para controle. Assim, pode-se assumir que a relação Q x MV
encontrada e representada no gráfico é válida dentro da faixa de operação (10% a 90%
de abertura).
Conforme apresentado no item 3.3.1.2, a abertura da válvula de controle será de
100%, valor este que não se situa na faixa de operação válida para a Figura 3.29.
Entretanto, por dificuldades de modelagem do comportamento da válvula instalada na
faixa entre 90% e 100% da abertura (faixa não linear) será realizada a aproximação
apresentada no gráfico da Figura 3.29.
53
Figura 3.29 – Curva Q x MV modelada para a válvula instalada.
Entre 90% e 100% de abertura da válvula, a curva da mesma comporta-se de um
modo não linear, como ilustrado em azul na Figura 3.29. Deste modo, há uma incerteza
acerca da vazão QB referente à abertura estipulada para as válvulas (100%).
Para contornar esse problema, este estudo considera que o valor de vazão QB
referente à abertura de 100% é semelhante ao valor correspondente a uma abertura de
95% aplicada na Equação 3.16. Assim, impondo MV igual a 95% na Equação 3.16
estima-se a vazão comportada pela válvula com 100% da abertura.
Neste caso, como há apenas 1 válvula de controle regulando a vazão no sistema, a
vazão de referência QR é igual à vazão QB.
Como o ponto de referência é um ponto comum à nova curva do sistema e à curva
da bomba à rotação nominal, é possível encontrar o valor de HR substituindo o valor
encontrado para QR na Equação 3.12, utilizada para modelagem da curva da bomba.
Uma vez obtida a altura estática He e o ponto de referência (QR, HR), é possível
modelar a nova curva do sistema a partir da Equação 3.17.
54
H=
( H R − He) 2
.Q + He
QR2
Equação 3.17 – Nova curva do sistema.
Os valores dos parâmetros utilizados no cálculo da curva do sistema proposto são
apresentados na Tabela 3.9.
Tabela 3.9 – Valores utilizados no cálculo da curva do sistema proposto
Parâmetro
Valor Utilizado
He
25,25 m
HR
228,2 m
QR
519,5 m³/h
A Figura 3.30 apresenta a curva modelada do sistema, da qual são obtidos os
valores de H para o cálculo do consumo energético no sistema proposto.
Figura 3.30 – Curva do sistema para o cálculo do novo consumo energético.
55
3.3.2.2 Rendimento da Bomba (ηb)
Para o sistema proposto, o rendimento da bomba foi calculado a partir da aplicação
das Leis de Semelhança para a localização dos pontos homólogos (vide item 3.1.2). A
Tabela 3.10 apresenta os rendimentos encontrados segundo a teoria dos pontos
homólogos.
Tabela 3.10 – Rendimento das bombas do sistema proposto.
Vazão (m³/h)
Rendimento corrigido
45%
64,54%
55%
65,95%
65%
66,35%
75%
66,29%
85%
66,05%
95%
65,74%
3.3.2.3 Rendimento do variador de velocidade (ηinv)
O rendimento do variador de velocidade utilizado nos cálculos considerou a média
de valores típicos de alguns fabricantes consultados (97%).
Com base nas informações levantadas, foi calculado o consumo energético do
sistema proposto, conforme Tabela 3.11.
Tabela 3.11 – Consumo energético do sistema novo.
Vazão (m³/h)
Percentual do Tempo
Consumo Energético
(kWh)
Redução
Percentual
41,1
0,66%
703,21
77,05%
82,2
0,47%
3.086,60
75,13%
123,3
2,42%
16.599,21
74,55%
56
Vazão (m³/h)
Percentual do Tempo
Consumo Energético
(kWh)
Redução
Percentual
164,4
9,26%
68.062,09
73,52%
205,5
24,43%
197.743,93
71,75%
246,6
30,38%
279.140,83
68,99%
287,7
20,39%
219.506,31
64,92%
328,8
8,58%
111.831,11
59,07%
369,9
2,55%
41.405,92
50,94%
411
0,86%
17.987,54
39,50%
TOTAL
100%
956.066,75
67,60%
Conforme pode ser observado na comparação entre a Tabela 3.7 e a Tabela 3.11,
a redução do consumo de energia com a implantação do sistema proposto será de
aproximadamente 1.995 MWh/ano por bomba, o que equivale a 67,60% do total. Além
disso, essa economia evita anualmente a emissão de cerca de 800 toneladas de CO2 para
a atmosfera.
Os detalhes sobre os cálculos efetuados são apresentados no Apêndice 1.
57
Em termos gráficos, pode-se representar a redução no consumo energético a partir da
Figura 3.31.
Figura 3.31 – Ilustração do funcionamento dos sistemas atual e proposto.
A análise da Figura 3.31 permite chegar às seguintes conclusões:
Como atualmente a bomba não possui o recurso da variação de
velocidade, a regulação de vazão no sistema é realizada pela válvula a
montante da bateria de trocadores C-A~F. Conforme descrito no item 3.2.2,
esta regulação ocorre por meio da variação na posição de abertura da válvula,
causando o estrangulamento da linha. Os pontos de operação (P1 e P2 em
vermelho), neste caso, são obtidos percorrendo a curva nominal da bomba.
Uma vez que no sistema novo a bomba possuirá o recurso da variação de
velocidade, as válvulas de controle não precisarão estrangular a vazão e os
58
pontos de operação (P1 e P2 em preto) serão obtidos percorrendo a curva do
sistema.
O aumento da eficiência do sistema proposto em relação ao sistema atual
está na diferença da potência hidráulica (Q x H) demandada para cada ponto
de operação, uma vez que a altura manométrica para um mesmo valor de
vazão é sempre menor no sistema proposto em relação ao sistema atual, e a
diferença entre ambas aumenta à medida que a vazão diminui.
É importante salientar que para uma vazão de cerca de 25% da vazão nominal da
bomba, limite inferior da faixa típica de operação, verifica-se que a rotação do conjunto
motor-bomba será de aproximadamente 450 rpm.
A operação durante grandes períodos de tempo nesta vazão é suportável pelo
motor. Contudo, em caso de implantação da solução proposta deverá ser feito um estudo
mais aprofundado de forma a verificar a necessidade de implantação de uma estratégia
de controle que utilize um pequeno estrangulamento da válvula de controle em baixas
vazões de modo a não ser necessário qualquer mecanismo especial de ventilação para o
motor.
3.3.3. Outros ganhos não mensurados
Além do ganho energético apresentado, a proposta apresentada de implantação de
variação de velocidade nas bombas J-A/B/C proporcionam outros ganhos tangíveis,
porém não mensurados neste estudo.
Aumento na confiabilidade do sistema: A melhor eficiência hidráulica e
menor potência destrutiva do sistema proposto fazem com que as solicitações
mecânicas sobre o a bomba sejam extremamente reduzidas, favorecendo
sobremaneira a confiabilidade. Os inversores de freqüência por si só
apresentam uma alta confiabilidade;
Redução no consumo de mão de obra: A redução no consumo da mão
de obra é diretamente proporcional ao aumento do MTBF;
Aumento do fator de potência da rede: Outro ganho associado à
implantação de alguma das soluções propostas neste estudo é o aumento do
fator de potência da rede, uma vez que os variadores de velocidade modernos
59
permitem regular este parâmetro;
Redução dos níveis de vibração das bombas: Os níveis de vibração
dos equipamentos são drasticamente reduzidos;
Diminuição do risco de vazamentos no selo das bombas: As
possibilidades de vazamento em um selo mecânico, operando a uma fração
da pressão de projeto e em rotação reduzida, são consideravelmente mais
baixas do que nas condições de rotação nominal. Espera-se, portanto, uma
expressiva redução de vazamentos pelos selos e até de emissões fugitivas;
Maior monitoramento das condições do motor: A implantação de
alguma das propostas do estudo permitirá um maior monitoramento das
condições do motor, uma vez que a operação terá maior acesso às
informações deste equipamento.
60
4. ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA
4.1. Considerações Utilizadas na Análise do Investimento
O horizonte de investimento considerado foi de 20 anos, dada a vida útil dos
equipamentos envolvidos, e foi considerado que todo o investimento seria realizado por
capital próprio. Além disso, foram adotadas as seguintes premissas:
a)
Para o estudo de viabilidade econômica foram considerados todos os
valores em dólar, sendo a equivalência dada por US$ 1,00 = R$ 2,00;
b)
A Taxa de atratividade anual (TMA) considerada neste estudo é de 12,0%;
c)
O valor de contingência considerado para este estudo foi de 10,0%;
d)
Este estudo considera uma depreciação linear do investimento, sendo o
tempo de depreciação de 10 anos;
e)
Para o cálculo da depreciação foi considerada a inflação anual, sendo a taxa
anual dada por 6,0% no ano de 2009 e 4,0% a partir de 2010;
f)
Foi considerado, ainda, que o Imposto de Renda + CSLL a ser descontado
do lucro bruto anual é de 34,0%;
g)
O custo estimado dos materiais e serviços necessários ao investimento
incluem impostos e BDI;
h)
Foi considerado o seguinte custo da energia elétrica: 1 MWh = US$ 56,00;
i)
Os valores de serviços e os equipamentos apresentados nesse documento
devem ser tratados apenas como estimativas para fins orçamentários;
j)
A margem de erro considerada para as estimativas apresentadas neste
estudo é de -20% a +30%.
Este projeto apresenta o potencial de redução de emissões de gases de efeito
estufa. Desta forma, embora isto não tenha sido levando em consideração no retorno
sobre o investimento e no estudo de viabilidade econômica, projetos semelhantes podem
pleitear créditos de carbono através do Mecanismo de Desenvolvimento de Limpo (MDL),
segundo as regras de Protocolo de Quioto à Convenção Quadro das Nações Unidas
sobre Mudança do Clima (CQNUMC).
61
4.2. Análise do Retorno sobre o Investimento
A partir dos custos e dos retornos esperados oriundos da implantação da solução
proposta, foi realizado um estudo de viabilidade econômica para o empreendimento,
como forma de analisar a viabilidade econômica do projeto.
A Figura 4.1 apresenta o fluxo de caixa para o investimento proposto.
Figura 4.1 – Fluxo de Caixa do Investimento Proposto
O empreendimento proposto possui uma Taxa Interna de Retorno (TIR) de 26,8%,
e um Valor Presente Líquido (VLP) de aproximadamente US$ 1.100.000,00. Desta forma,
é possível concluir que a Implantação de Variadores de Velocidade, além de ser
tecnicamente viável e de trazer inúmeros benefícios operacionais, é uma solução
economicamente atrativa e se mostra como uma boa oportunidade de investimento.
Maiores detalhes sobre o EVE realizado e sobre as premissas consideradas
podem ser encontrados no Apêndice 1.
62
4.3. Análise de Sensibilidade sobre o Investimento
De forma a verificar a robustez do investimento proposto frente a variações em
alguns dos parâmetros considerados, foram realizadas análises de sensibilidade sobre o
investimento proposto.
Para maiores informações sobre os cálculos realizados deve-se consultar o
Apêndice 1.
4.3.1. Variação no Custo de Implantação
Considerando que a solução proposta pode sofrer variações no custo de
implantação, foi realizada uma análise sobre como o investimento proposto se comporta
frente a variações no custo de implantação do empreendimento. Os resultados obtidos
são apresentados na Tabela 4.1.
Tabela 4.1 – Indicadores do Investimento frente a variações no custo de implantação
Custo de Implantação
TIR (%)
VPL (US$)
-30%
39,83
1.461.886
-20%
34,66
1.358.863
-10%
30,69
1.255.839
0%
27,53
1.152.815
+10%
24,94
1.049.792
+20%
22,78
946.768
+30%
20,94
843.744
+50%
17,95
637.697
Como pode ser observado na Tabela 4.1, a variação no custo de implantação afeta
o resultado global do investimento. No entanto, em todos os cenários analisados o
investimento continua sendo viável economicamente, o que permite concluir que o
investimento em questão é robusto em relação a variações no custo de implantação até a
ordem de +50%.
63
4.3.2. Variação no Retorno Esperado
Considerando que a solução proposta pode sofrer variações no retorno esperado,
foi realizada uma análise sobre como o investimento proposto se comporta frente a
variações no valor global de retorno. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela
4.2.
Tabela 4.2 – Indicadores do Investimento frente a variações no retorno esperado
Retorno esperado
TIR (%)
VPL (US$)
-50%
12,89
61.289
-30%
18,93
497.900
-20%
21,82
716.205
-10%
24,68
934.510
0%
27,53
1.152.815
+10%
30,37
1.371.120
+20%
33.23
1.589.426
+30%
36,10
1.80.731
Como pode ser observado na Tabela 4.2, uma variação no retorno esperado afeta
o resultado global do investimento. No entanto, em todos os cenários analisados o
investimento continua sendo viável economicamente, o que permite concluir que o
investimento em questão é robusto em relação a variações no retorno esperado até a
ordem de -50%.
4.3.3. Variação no Valor do Câmbio
Considerando que a solução proposta pode sofrer variações no retorno esperado,
foi realizada uma análise sobre como o investimento proposto se comporta frente a
variações no valor global de retorno. Os resultados obtidos são apresentados na Tabela
4.3.
64
Tabela 4.3 – Indicadores do Investimento frente a variações no valor do câmbio
Câmbio (R$/US$)
TIR (%)
VPL (US$)
4,00
23.34
712.661
3,50
24,03
775.540
3,00
24,89
859.379
2,50
26,01
976.754
2,00
27,53
1.152.815
1,90
27,90
1.199.147
1,75
28,51
1.278.574
1,50
29,70
1.446.251
Como pode ser observado na Tabela 4.3, uma variação no valor do câmbio não
compromete significativamente a viabilidade do investimento. Desta forma, é possível
concluir que o investimento em questão é robusto em relação a variações no valor do
câmbio.
65
5. CONCLUSÃO
Este estudo energético se propôs a avaliar a atual condição de operação das
bombas J-A/B/C, presentes em uma unidade de destilação de uma refinaria. Para tal
análise foi observado o regime de operação das bombas, quantificando as perdas
energéticas decorridas do controle de vazão por meio do estrangulamento na linha e
comparando com um novo cenário onde o controle de vazão é realizado por variadores de
velocidade.
Conforme apresentado neste estudo, a implantação de variação de velocidade nos
acionamentos das bombas J-A/B/C apresenta significativo aumento de eficiência
energética, ao reduzir as perdas decorrentes do estrangulamento. Além disso,
proporciona um significativo aumento no MTBF das bombas.
Conforme metodologia exposta e aplicada para o caso analisado, observou-se que
o ganho energético associado à solução proposta neste estudo resultará em uma
economia de cerca de 67%, o que corresponde a uma economia anual de energia elétrica
de aproximadamente 4.000 MWh, justificando a implantação de modificações no sentido
de alterar o modo como é feito o controle da vazão das bombas estudadas.
Foi realizado, ainda, um estudo e viabilidade econômica (EVE) do investimento
proposto em conjunto com uma análise de sensibilidade, e em todos os cenários
analisados o investimento proposto se mostrou viável.
Extrapolando-se os resultados deste estudo para as centenas de bombas
centrífugas existentes em refinarias e plantas petroquímicas obtém-se inúmeras
oportunidades para projetos na área que eficiência energética com grandes possibilidades
de redução de perdas energéticas, além da diminuição de emissões de poluentes e de
redução nos custos de manutenção.
66
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AQUINO, R. R. B., et al. 2008. EFICIENTIZAÇÃO ENERGÉTICA EM MÉTODOS DE
CONTROLE DE VAZÃO. 2008.
BRANCO, Tadeu da Mata Medeiros, et al. 2009. ESTRATÉGIAS DE EFICIÊNCIA
ENERGÉTICA APLICADAS EM UMA FÁBRICA DE ALUMÍNIO: RESULTADOS
OBTIDOS. 2009.
CARLSON, Ron. 2000. THE CORRECT METHOD OF CALCULATING ENERGY
SAVINGS TO JUSTIFY ADJUSTABLE-FREQUENCY DRIVES ON PUMPS. IEEE
TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. 2000, pp. 1725-1733.
DENT, R. A. e Dicic, Z. 1994. ADJUSTABLE SPEED DRIVES IMPROVE CIRCULATING
WATER SYSTEM. 1994.
EUROPUMP. 2001. PUMP LIFE CYCLE COSTS: A GUIDE TO LCC ANALYSIS FOR
PUMPING SYSTEMS. 2001.
GARCIA, Agenor Gomes Pinto. 2003. IMPACTO DA LEI DE EFICIÊNCIA ENERGÉTICA
PARA MOTORES ELÉTRICOS NO POTENCIAL DE CONSERVAÇÃO DE ENERGIA NA
INDÚSTRIA. Rio de Janeiro : s.n., 2003.
GARIBOTTI, Edoardo. 2007. ENERGY SAVINGS AND BETTER PERFORMANCES
THROUGH VARIABLE SPEED DRIVE APPLICATION IN DESALINATION PLANT BRINE
BLOWDOWN PUMP SERVICE. 2007.
GRÖTZBACH, Manfred e Redmann, Reiner. 2000. LINE CURRENT HARMONICS OF
VSI-FED ADJUSTABLE-SPEED DRIVES. 2000.
HYDRAULIC INSTITUTE, EUROPUMP, AND THE US DEPARTMENT OF ENERGY’S
OFFICE OF INDUSTRIAL TECHNOLOGIES. 2001. PUMP LIFE CYCLE COSTS: A
GUIDE TO LCC ANALYSIS FOR PUMPING SYSTEMS.
67
KAPTZAN, Ricardo. 2007. INVERSORES DE FREQÜÊNCIA COM MOTORES DE MT .
[Online]
11
de
Janeiro
de
2007.
[Citado
em:
16
de
Fevereiro
de
2011.]
http://rkaptzan.blogspot.com/2007/01/inversores-de-freqncia-com-motores-de.html.
KAWAPHARA, M. K. et al. 2008. ANÁLISE DO COMPORTAMENTO DA ENERGIA
ELÉTRICA NO ACIONAMENTO DE UMA BOMBA CENTRÍFUGA EM FUNÇÃO DA
VARIAÇÃO DA VAZÃO ATRAVÉS DO ESTRANGULAMENTO DE UMA VÁLVULA OU
VIA INVERSOR DE FREQÜÊNCIA.
MARTINS, Guilherme Vasconcellos e Lima, Enio Von Haehling. 2006. COMO OBTER
UM TEMPO MÉDIO ENTRE FALHAS DE DEZ ANOS EM BOMBAS CENTRÍFUGAS DE
PROCESSO. 2006.
MATOS, Edson Ezequiel de e Falco, Reinaldo de B. 1998. BOMBAS INDUSTRIAIS. 2ª
Edição. Rio de Janeiro : Editora Interciência, 1998.
MINISTÉRIOS DAS MINAS E ENERGIA. 2009. BALANÇO ENERGÉTICO NACIONAL.
2009.
MOTTA, R. da Rocha e Calôba, G. M. 2002. ANÁLISE DE INVESTIMENTOS: TOMADA
DE DECISÃO EM PROJETOS INDUSTRIAIS. São Paulo : Atlas, 2002.
OLIVER, J. A. e Banerjee, B. Ben. 1988. POWER MEASUHEHENT AND HARHONlC
ANALYSlS OF LARGE ADJUSTABLE SPEED DRIVES. 1988.
RICE, David E. 1988. A SUGGESTED ENERGY-SAVINGS EVALUATION METHOD FOR
AC ADJUSTABLE-SPEED DRIVE APPLICATIONS. 1988.
RISHEL, James B. P. E. 2003. HOW TO CALCULATE MOTOR EFFICIENCY FOR
VARIABLE SPEED CENTRIFUGAL PUMPS. 2003.
SANVICENTE, Antonio Zoratto. 1978. ADMINISTRAÇÃO FINANCEIRA. s.l. : Atlas,
1978.
SCHMIDLIN JÚNIOR, Celso Rogério, et al. 2007. OPERAÇÃO DE SISTEMAS DE
BOMBEAMENTO VISANDO A EFICIÊNCIA ENERGÉTICA. 2007.
68
SERGELEN, Byambaa, et al. 2008. ENERGY SAVING BY USING VARIABLE SPEED
DRIVES WITH AC INDUCTION MOTORS IN INDUSTRIES. 2008.
WULFINGHOFF, Donald. 1999. ENERGY EFFICIENCY MANUAL. 1999.
69
APÊNDICE 1
MEMÓRIA DE CÁLCULO DO ESTUDO
ÍNDICE
1. SUMÁRIO EXECUTIVO ..........................................................................................
3
1.1. AVALIAÇÃO ENERGÉTICA DO PROJETO ..........................................................
1.2. AVALIAÇÃO ECONÔMICA DO PROJETO ...........................................................
3
4
2. LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ..................................................................................
5
3. CÁLCULO DO GANHO ENERGÉTICO ...................................................................
6
3.1. PREMISSAS DO CÁLCULO DO GANHO ENERGÉTICO ........................................ 6
3.2. METODOLOGIA E CÁLCULOS ................................................................................ 7
3.2.1. Informações dos equipamentos do Sistema ...................................................... 7
3.2.2. Modelagem das curvas da bomba .................................................................... 8
3.2.3. Modelagem da curva do sistema ....................................................................... 9
3.2.4. Modelagem da curva de rendimento do motor ................................................... 10
3.2.5. Perfil de Vazão do sistema ............................................................................... 11
3.2.6. Cálculo de consumo de energia do sistema atual por bomba ........................ 12
3.2.7. Cálculo de consumo de energia do novo sistema proposto por bomba ........
13
3.3. RESULTADOS .......................................................................................................... 14
3.3.1. Cálculo da redução do consumo de energia ................................................... 14
3.3.2. Cálculo da redução de Emissões .................................................................... 14
4. CÁLCULO DE VIABILIDADE ECONÔMICA ....................................................... 15
4.1. PREMISSAS DO CÁLCULO DE VIABILIDADE ECONÔMICA .............................. 15
4.1.1. Ganhos Econômicos ........................................................................................ 16
4.1.2. Lista de Custos do Empreendimento .............................................................................
17
4.2. CRONOGRAMA DO EMPREENDIMENTO ............................................................ 18
4.3. FLUXO DE CAIXA .................................................................................................... 19
4.4. ESTUDO DE VIABILIDADE FINANCEIRA ............................................................. 22
1.
SUMÁRIO EXECUTIVO
1.1.
AVALIAÇÃO ENERGÉTICA DO PROJETO
Descrição do Estudo
O estudo consiste na avaliação dos ganhos decorrentes da implantação de variadores de velocidade
nas bombas J-A/B/C de uma unidade de destilação.
Considerações utilizadas para avaliação energética (Premissas)
1 - Foram considerados, para efeitos de avaliação da eficiência energética, dados de dois anos (2007
e 2008) obtidos do sistema de informação (PIMS) da empresa.
2 - O fator de conversão utilizado para relacionar a redução energética à redução de emissão de CO2
foi fornecido pela empresa e é igual a 0,2tonCO2/MWh.
3 - Para os cálculos energéticos foi considerado que durante todo o período analisado foi utilizado o
conjunto bomba+motor elétrico, e que consumo energético dos conjuntos bomba+turbina e
bomba+motor elétrico são equivalentes.
Ganhos energéticos
A implantação de variação de velocidade nas bombas J-A/B/C representará uma redução anual de
cerca de 67,6% no consumo de energia elétrica, o que corresponde a 3.990 MWh/ano, equivalente a
76,863 BOED.
Outros Ganhos
1 - Aumento na confiabilidade do sistema;
2 - Redução dos níveis de vibração das bombas e diminuição do risco de vazamentos no selo das
bombas;
3 - Aumento do fator de potência da rede;
4 - Maior monitoramento das condições do motor;
5 - Redução de emissões de CO2 na atmosfera: A redução anual do consumo de energia em 3.990
MWh gerará uma redução na emissão de aproximadamente 798 toneladas de CO2 na atmosfera.
1.2.
AVALIAÇÃO ECONÔMICA DO ESTUDO
Descrição do Estudo
O estudo consiste na avaliação dos ganhos decorrentes da implantação de variadores de velocidade
nas bombas J-A/B/C de uma unidade destilação.
Foi avaliada uma solução que prevê a implantação de um variador de velocidade de média tensão no
acionamento das bombas.
Considerações utilizadas para avaliação econômica (Premissas)
1 - O preço médio da energia elétrica, fornecido pela empresa, é de US$ 56 por MWh;
2 - O horizonte de análise considerado para os investimentos é de 20 anos;
3 - Este estudo considerou uma TMA de 12% e inflação de 4% ao ano a partir de 2010;
4 - Para o estudo de viabilidade econômica foram considerados todos os valores em dólar, sendo
adotado US$ 1 = R$ 2,00 a partir de 2010.
Avaliação do investimento
Solução Proposta
CAPEX
$1.370.000,00
OPEX
-$481.168,95
TIR
27,53%
VPL
$1.152.815,20
2.
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A Tabela 2.1 apresenta a lista de abreviaturas e siglas utilizadas como referência para este estudo.
Tabela 2.1 - Lista de abreviaturas e siglas para Cálculo do Ganho Energético.
Sigla / Abreviatura
Significado
QPo
Vazão no ponto de operação
H
Altura Manométrica
Γ
Peso específico
ω
Rotação
Pot
Potência
VSD
Variable Speed Drive
η
Rendimento
He
Altura estática
Hd
Altura dinâmica
Pd
Pressão no reservatório de descarga
Ps
Pressão no reservatório de sucção
Zd
Altura do reservatório de descarga
Zs
Altura do reservatório de sucção
VC
Válvula de Controle
Carreg Motor
Carregamento do motor
TMA
Taxa de Mínima Atratividade
TIR
Taxa Interna de Retorno
CAPEX
Capital Expenditure
OPEX
Operational Expenditure
MTBF
Mean Time Between Failures
VPL
Valor presente líquido
3.
CÁLCULOS DO GANHO ENERGÉTICO
3.1.
PREMISSAS DO CÁLCULO DO GANHO ENERGÉTICO
a) Como não há registros históricos de operação dos conjuntos, ou seja, não há como determinar
precisamente em qual período de tempo cada conjunto esteve em operação durante o intervalo de
tempo utilizado, neste estudo foi considerado, para os cálculos energéticos, que o conjunto motorbomba opera durante 100% do tempo analisado e que o consumo energético do conjunto
motor+bomba é semelhante ao consumo energético do conjunto turbina+bomba.
b) O valor de rendimento utilizado para o variador de velocidade foi determinado a partir de catálogos
de fornecedores desse equipamento.
c) Foi considerado para os cálculos que as bombas funcionam durante todo o ano (8760 horas).
d) Não foram consideradas as perdas no motor e nos cabos devido à presença de harmônicos
gerados pelo inversor de frequência.
e) O peso específico do fluido foi considerado constante.
f) A aceleração da gravidade considerada nos cálculos foi:
g = 9,81
m/s²
g) O fator de conversão entre energia e CO2 equivalente fornecido pela empresa é de:
1 MWh = 0,2 t CO2
h) Os dados de vazão utilizados neste estudo referem-se aos anos de 2007 e 2008, sendo forrnecidos
pela empresa a partir do sistema de informação da planta (PIMS).
i) O fator de conversão entre MWh e BOED utilizado foi:
1 MWh = 0,00172 BOED
j) De forma conservadora, neste estudo foi considerado o uso de inversores de frequência de 18
pulsos. A depender do site onde os equipamentos serão instalados, podem ser utilizados inversores
de 12 e até mesmo de 6 pulsos, que possuem um custo menor.
k) Neste estudo foi considerada a troca dos motores existentes. Projetos que pretendem manter os
motores existentes devem antes atestar que os mesmos são aptos para funcionamento com
inversores de frequência.
l) Neste estudo foi considerado que há espaço disponível na subestação para a instalação dos novos
equipamentos. Projetos semelhantes devem considerar o espaço de instalação dos novos
equipamentos e incluir no orçamento os custos de uma eventual ampliação da subestação.
3.2.
METODOLOGIA E CÁLCULOS
3.2.1. Informações dos equipamentos do sistema
a) Bomba
Tag
J-A/B
Q Nominal (m³/h)
411,0
Q máx (m³/h) H Nominal (mca)
411,0
243,0
η Nominal Γ Fluido (kgf/m³)
0,635
882,0
Ano
2003
b) Motor
TAG
J-AM/BM
NOTAS:
Pot (cv)
760,2
Pot (KW)
559,5072
In (A)
170
Tensão (V)
2300
N° Pólos
4
ω Nominal
1787
3.2.2. Modelagem das Curvas da bomba
Hb
η
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
266
266
265
263
261
258
254
249
244
238
229
0,0%
10,0%
22,0%
32,0%
40,0%
48,5%
53,0%
59,0%
62,0%
65,0%
66,0%
b) Modelagem proposta
Modelagem das curvas da bomba
b = 7,75E-03
c = 266,00
ii. Rendimento
a = -2,39E-06
b = 2,53E-03
c = -8,60E-03
d) Validação dos dados
i. Altura
r² = 0,98
ii. Rendimento
r² = 0,9992
270
70,0%
265
60,0%
260
50,0%
255
40,0%
250
30,0%
245
20,0%
y = -0,0000023869x2 + 0,0025334732x - 0,0086013986
R² = 0,9992415393
240
235
10,0%
230
0,0%
225
-10,0%
0
100
Altura: f(x) = a.x²+b.x+c
Rendimento: f(x) = a.x² + b.x + c
NOTAS:
Os parâmetros "a", "b" e "c" das curvas foram extraídos das equações apresentadas no gráfico "Modelagem das curvas da bomba"
200
300
400
Vazão da Bomba (em m³/h)
Curva de Rendimento
Polinômio (Curva de Rendimento)
500
600
Rendimento da bomba
Q
c) Parâmetros encontrados na modelagem pelo Método dos Mínimos Quadrados
i. Altura
a = -1,55E-04
Altura Manométrica (m)
a) Dados extraídos da Folha de Dados
a) Altura estática
 P − Ps
H e =  d
 γ

 + (Z d − Z s )

Pd
Ps
kgf/cm² (kgf/cm²)
1,0
-1,0
He (m)
25,25
b) Altura dinâmica
Hd =
(H R
Zd
(m)
Zs
(m)
8,0
5,2
− He)
QR
2
⋅Q 2
c) Pontos de Operação
Po Abertura VC Q (%Qn)
Qmin
10%
37%
Qmax
51%
80%
Qn
70%
Qt
100%
132%
d) Sistema Proposto
QR
HR
%A VC *
95%
519,5
228,2
QPo (%)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
Hd
0,00
2,03
8,12
18,26
32,47
50,73
73,06
99,44
129,88
164,38
202,93
Modelagem da Curva do Sistema Proposto
100%
H
25,25
27,28
33,37
43,51
57,72
75,98
98,31
124,69
155,13
189,63
228,18
250,00
200,00
Altura Manométrica (H)
3.2.3. Modelagem da Curva do sistema
150,00
100,00
50,00
0,00
0%
20%
40%
60%
80%
Vazão (% QPo)
NOTAS:
Qmax = Vazão máxima da faixa de operação
Qn = Vazão nominal
Qt = Vazão máxima teórica (vazão estimada com a bomba operando na rotação nominal e com a válvula de controle 100% aberta, considerando comportamento linear da válvula até 100% de abertura)
QPo = Vazão máxima no sistema proposto
* O valor de vazão considerado para uma abertura total da válvula é o valor correspondente uma abertura de 95% na equação que modela a região linear da válvula.
100%
3.2.4. Modelagem da curva de rendimento do motor
a) Dados do motor
c) Cálculo do parâmetro A
##
η50
η75
η100
94,7
95,6
95,8
A = 95,8129
## 47
d) Cálculo do parâmetro a
Rendimento: f(γ) = A.(1-e-γ.a)
Sendo:
γ: Carregamento do motor
η 50 2
A=
2 ⋅ η 50 − η100
 η 
a = − ln  1 − 100 
A 

a=
8,91081
e) Rendimento do Inversor
ηinv =
97%
Rendimento (em %)
b) Modelagem proposta
0
120 ##
##
100 ##
##
##
80 ##
##
60 ##
##
##
40
##
##
20 ##
Modelagem do Rendimento do Motor
71
83
89
92
94
95
95
96
96
96
96
96
96
0
0%
20%
40%
60%
Carregamento do Motor
NOTAS:
80%
100%
120%
3.2.5. Perfil de Vazão do sistema
Perfil de Vazão
Tempo de Operação (em %)
18%
16%
14%
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
55%
60%
65%
70%
Vazão da Bomba (em % Qmáx)
NOTAS:
Perfil de vazão traçado com base nos dados obtidos do PIMS para os anos de 2007 e 2008.
75%
80%
85%
90%
95% 100%
3.2.6. Cálculo de consumo de energia do sistema atual por bomba
Vazão (%)
Vazão (m³/h) Tempo (%) Tempo (h/ano)
H (m)
0%
0,00
0,55%
48,3
266,0
266,1
5%
20,55
0,07%
6,1
Pot. h (kW) η bomba Pot. B (kW) Carreg Motor η motor Pot. M (kW) Energia (kWh)
0,00
0,00
-0,86%
0,00%
0,00%
0,00
0,00
95,12%
325,46
4,25%
55,33%
13,14
309,58
1985,95
10%
41,10
0,04%
3,6
266,1
26,28
9,15%
287,25
51,34%
94,83%
302,93
1078,29
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
61,65
82,20
102,75
123,30
143,85
164,40
184,95
205,50
226,05
246,60
267,15
287,70
308,25
328,80
349,35
369,90
390,45
411,00
0,09%
0,38%
0,73%
1,69%
3,30%
5,97%
10,41%
14,02%
15,55%
14,83%
12,13%
8,26%
5,49%
3,09%
1,61%
0,93%
0,41%
0,45%
7,6
33,6
64,1
148,0
288,8
522,7
911,7
1228,5
1362,3
1298,7
1062,3
723,6
480,5
271,0
141,4
81,9
35,6
39,7
265,9
265,6
265,2
264,6
263,9
263,1
262,1
261,0
259,8
258,5
257,0
255,4
253,7
251,8
249,8
247,7
245,4
243,0
39,40
52,47
65,48
78,41
91,24
103,95
116,52
128,93
141,17
153,20
165,02
176,60
187,93
198,98
209,73
220,18
230,28
240,04
13,85%
18,35%
22,65%
26,75%
30,64%
34,34%
37,83%
41,12%
44,21%
47,10%
49,79%
52,27%
54,55%
56,64%
58,52%
60,19%
61,67%
62,95%
284,43
285,91
289,09
293,14
297,74
302,72
308,00
313,53
319,29
325,27
331,45
337,86
344,48
351,33
358,42
365,78
373,41
381,34
50,84%
51,10%
51,67%
52,39%
53,22%
54,11%
55,05%
56,04%
57,07%
58,13%
59,24%
60,38%
61,57%
62,79%
64,06%
65,37%
66,74%
68,16%
94,78%
94,80%
94,85%
94,91%
94,98%
95,04%
95,10%
95,16%
95,22%
95,27%
95,32%
95,37%
95,42%
95,46%
95,49%
95,53%
95,56%
95,59%
300,09
301,58
304,77
308,85
313,49
318,52
323,86
329,47
335,32
341,40
347,71
354,25
361,03
368,05
375,33
382,89
390,75
398,93
2288,97
10121,42
19527,28
45702,53
90544,92
166502,73
295278,27
404766,94
456800,26
443385,75
369362,42
256336,88
173486,69
99753,41
53058,46
31347,00
13908,81
15822,77
NOTAS:
Pot. h - Potência hidráulica fornecida ao fluido.
Pot. B - Potência mecânica fornecida pelo motor à bomba.
Pot. M - Potência elétrica fornecida ao motor.
3.2.7. Cálculo de consumo de energia do novo sistema proposto por bomba
Vazão (%)
Vazão (m³/h) Tempo (%) Tempo (h/ano)
H (m)
Pot. h (kW) η bomba Pot. B (kW) Carreg Motor η motor Pot. M (kW) Energia (kWh)
0%
0,00
0,55%
48,3
25,25
0,00
0,00%
0,00
0,00%
0,00%
0,00
0,00
5%
20,55
0,07%
6,1
1,52%
11,69%
25,57
1,26
14,88%
8,49
72,60
443,03
10%
41,10
0,04%
3,6
26,52
2,62
28,00%
9,36
1,67%
12,80%
73,10
260,19
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
61,65
82,20
102,75
123,30
143,85
164,40
184,95
205,50
226,05
246,60
267,15
287,70
308,25
328,80
349,35
369,90
390,45
411,00
0,09%
0,38%
0,73%
1,69%
3,30%
5,97%
10,41%
14,02%
15,55%
14,83%
12,13%
8,26%
5,49%
3,09%
1,61%
0,93%
0,41%
0,45%
7,6
33,6
64,1
148,0
288,8
522,7
911,7
1228,5
1362,3
1298,7
1062,3
723,6
480,5
271,0
141,4
81,9
35,6
39,7
28,11
30,33
33,19
36,68
40,81
45,57
50,97
57,00
63,66
70,97
78,90
87,48
96,68
106,53
117,00
128,11
139,86
152,24
4,16
5,99
8,20
10,87
14,11
18,01
22,66
28,15
34,59
42,06
50,66
60,49
71,63
84,18
98,24
113,90
131,25
150,39
38,37%
46,22%
51,97%
56,11%
59,04%
61,10%
62,56%
63,60%
64,34%
64,87%
65,25%
65,54%
65,74%
65,90%
66,01%
66,10%
66,16%
66,21%
10,85
12,96
15,77
19,37
23,90
29,47
36,21
44,26
53,76
64,84
77,64
92,30
108,95
127,75
148,82
172,31
198,37
227,12
1,94%
2,32%
2,82%
3,46%
4,27%
5,27%
6,47%
7,91%
9,61%
11,59%
13,88%
16,50%
19,47%
22,83%
26,60%
30,80%
35,45%
40,59%
14,68%
17,25%
20,53%
24,55%
29,27%
34,63%
40,52%
46,77%
53,19%
59,54%
65,61%
71,20%
76,15%
80,37%
83,82%
86,52%
88,53%
89,98%
73,95
75,16
76,79
78,92
81,65
85,09
89,36
94,64
101,08
108,91
118,34
129,63
143,07
158,95
177,55
199,17
224,06
252,43
564,05
2522,54
4920,31
11678,89
23583,42
44478,67
81477,90
116266,03
137703,26
141437,58
125704,39
93801,92
68751,14
43079,97
25099,77
16306,15
7975,46
10012,08
NOTAS:
Pot. h - Potência hidráulica fornecida ao fluido.
Pot. B - Potência mecânica fornecida pelo motor à bomba.
Pot. M - Potência elétrica fornecida ao motor.
3.3.
RESULTADOS
3.3.1. Cálculo da redução do consumo de energia
Consumo energético anual do Sistema Atual:
Consumo energético anual do Sistema novo:
Economia anual de energia:
Nº de bombas em operação:
Com base na economia anual total de energia calculada, Estima-se a redução da
emissão de CO2 para a atmosfera.
Assim:
Economia anual total de energia: 3.989,99 MWh
Redução de CO2: 797,997 toneladas / ano
2
3.989,99 MWh
67,60%
Economia equivalente em BOED: 6,863 BOED
NOTAS:
2.951,06 MWh por bomba
956,07 MWh por bomba
1.994,99 MWh por bomba
Economia anual total de energia:
Economia anual percentual:
3.3.2. Cálculo da redução de emissões
4.
4.1.
CÁLCULO DE VIABILIDADE ECONÔMICA
PREMISSAS DO CÁLCULO DE VIABILIDADE ECONÔMICA
a) Para o estudo de viabilidade econômica foram considerados todos os valores em dólar, sendo a
equivalência dada por:
US$ 1,00 = R$ 2,00
b) A Taxa de atratividade anual (TMA) considerada neste estudo é dada por:
TMA = 12,0%
c) O valor de contingência a ser considerado para este estudo é de:
CONT = 10,0%
d) Este estudo considera uma depreciação linear do investimento, sendo o tempo de depreciação de:
T = 10
ANOS
e) Para o cálculo da depreciação foi considerada a inflação anual, sendo a taxa anual dada por:
Inflação anual = 6,0% (no ano de 2009)
Inflação anual = 4,0% (a partir de 2010)
f) O horizonte de análise a ser considerado para o investimento é de 20 anos.
g) É considerado, ainda, que o Imposto de Renda + CSLL a ser descontado do lucro bruto anual é de:
IR + CSLL = 34,0%
h) O custo estimado dos materiais e serviços necessários ao investimento incluem impostos e BDI.
i) Foi considerado o seguinte custo da energia elétrica:
1 MWh =
$56,00
j) Os valores de serviços da fase de Execução e os equipamentos apresentados nesse documento
devem ser tratados como estimativas para FINS ORÇAMENTÁRIOS.
k) Foram realizadas estimativas de uso e consumo de instrumentos e materiais de forma a elaborar
uma previsão de custo para implantação do projeto.
l) A margem de erro considerada para as estimativas apresentadas neste estudo é de -20% a +30%.
4.1.1. Ganhos econômicos
a) Ganho associado à redução do consumo energético
Considerando o valor do MWh fornecido pela empresa e apresentado nas
premissas, obtém-se o seguinte ganho financeito anual:
Economia anual:
$223.439,21
b) Ganho associado à redução dos custos de Manutenção (OPEX)
Bomba
J-A
J-B
J-C
TOTAL
R$
R$
R$
R$
Custo de Manutenção
2007
2008
176.531,48 R$ 134.947,37 R$
264.933,01 R$ 243.237,15 R$
195.672,83 R$ 273.326,85 R$
637.137,32 R$ 651.511,37 R$
Média
155.739,43
254.085,08
234.499,84
644.324,35
Considerando o custo anual de manutenção como sendo a média dos custos dos anos de 2007 a 2008, e
considerando o aumento do MTBF de 1 para 5 anos (redução de 80% nos custos de manutenção) devido
ao uso de VSD, obtém-se:
Economia anual em Manutenção:
$257.729,74
NOTAS:
Os custos de manutenção utilizados foram fornecidos pela empresa em reais. Foi considerado que o valor do dólar nos anos de 2007 e 2008 são iguais ao valor adotado para 2009.
4.1.2. Lista de custos do empreendimento
Item¹
Descrição
Custo Total
Projeto
Projeto de engenharia para o sistema proposto
$50.000
Materiais
Cabos elétricos, bandejamento, iluminação, espansão sistema de controle, etc.
$50.000
Equipamentos
Equipamentos necessários para a implantação a solução proposta (motores elétricos,
inversores de frequência, etc)
$900.000
Infra-estrutura
Adequação da infra-estrutura existente para a instalação de inversores de frequência (ampliação
da subestação, etc)
$150.000
Execução
Serviços de montagem, configuração e comissionamento do sistema
$100.000
Total
NOTAS:
1 - Os equipamentos orçados atendem aos requisitos funcionais e operacionais necessários para a implantação do sistema proposto.
2 - Para o custo de infra-estrutura foi utilizado o valor de R$ 3.000,00/m², já contemplando materiais, serviços de construção e equipamentos de HVAC.
$1.250.000
4.2.
CRONOGRAMA DO EMPREENDIMENTO
ETAPA
Projeto
Materiais e Equipamentos
Construção e Montagem
NOTAS:
ANO 0
ANO 1
ANO 2
01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10
11
12
4.3.
FLUXO DE CAIXA
ANO
INVESTIMENTO FIXO
Materiais e Equipamentos (com impostos)
0
1
2
3
4
5
6
$50.000,00
$1.320.000,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
-
$1.100.000,00
-
-
-
-
-
-
$100.000,00
-
-
-
-
-
$50.000,00
-
-
-
-
-
-
Contingências (10%)
-
$120.000,00
-
-
-
-
-
RECEITA OPERACIONAL
$0,00
$74.479,74
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
-
$74.479,74
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
-
-
-
-
-
-
-
$0,00
-$85.909,91
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-
-$85.909,91
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-
-
-
-
-
-
-
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
-
Construção e Montagem (com impostos)
Projeto de Engenharia
Ganho econômico por redução energética
CUSTOS FIXOS
Custos de Manutenção
CUSTOS VARIÁVEIS
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
$0,00
$160.389,65
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$4.807,69
$131.545,86
$126.486,40
$121.621,54
$116.943,79
$112.445,95
IMPOSTO DE RENDA E CONTRIBUIÇÃO SOCIAL
$0,00
$52.897,87
$118.871,85
$120.592,07
$122.246,12
$123.836,56
$125.365,82
LUCRO LÍQUIDO
$0,00
$102.684,09
$230.751,24
$234.090,48
$237.301,29
$240.388,61
$243.357,18
-$50.000,00
-$1.212.508,22
$362.297,10
$360.576,89
$358.922,83
$357.332,40
$355.803,13
LUCRO BRUTO
DEPRECIAÇÃO DO INVESTIMENTO2
FLUXO DE CAIXA
NOTAS:
2 - A depreciação calculada refere-se aos investimentos realizados em 2009 e 2010.
ANO
7
8
9
10
11
12
13
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
Materiais e Equipamentos (com impostos)
-
-
-
-
-
-
-
Construção e Montagem (com impostos)
-
-
-
-
-
-
-
Projeto de Engenharia
-
-
-
-
-
-
-
INVESTIMENTO FIXO
Contingências (10%)
-
-
-
-
-
-
-
RECEITA OPERACIONAL
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
Ganho econômico por redução energética
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
-
-
-
-
-
-
-
CUSTOS FIXOS
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
Custos de Manutenção
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-
-
-
-
-
-
-
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
CUSTOS VARIÁVEIS
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
$481.168,95
$481.168,95
LUCRO BRUTO
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
DEPRECIAÇÃO DO INVESTIMENTO2
$108.121,11
$103.962,60
$99.964,04
$96.119,27
$89.174,47
IMPOSTO DE RENDA E CONTRIBUIÇÃO SOCIAL
$126.836,27
$128.250,16
$129.609,67
$130.916,89
$133.278,12
$163.597,44
$163.597,44
LUCRO LÍQUIDO
$246.211,58
$248.956,19
$251.595,24
$254.132,79
$258.716,36
$317.571,51
$317.571,51
FLUXO DE CAIXA
$354.332,68
$352.918,79
$351.559,28
$350.252,06
$347.890,83
$317.571,51
$317.571,51
NOTAS:
2 - A depreciação calculada refere-se aos investimentos realizados em 2009 e 2010.
ANO
14
15
16
17
18
19
20
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
Materiais e Equipamentos (com impostos)
-
-
-
-
-
-
-
Construção e Montagem (com impostos)
-
-
-
-
-
-
-
Projeto de Engenharia
-
-
-
-
-
-
-
INVESTIMENTO FIXO
Contingências (10%)
-
-
-
-
-
-
-
RECEITA OPERACIONAL
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
Ganho econômico por redução energética
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
$223.439,21
-
-
-
-
-
-
-
CUSTOS FIXOS
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
Custos de Manutenção
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-$257.729,74
-
-
-
-
-
-
-
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
$0,00
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
$481.168,95
IMPOSTO DE RENDA E CONTRIBUIÇÃO SOCIAL
$163.597,44
$163.597,44
$163.597,44
$163.597,44
$163.597,44
$163.597,44
$163.597,44
LUCRO LÍQUIDO
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
FLUXO DE CAIXA
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
$317.571,51
CUSTOS VARIÁVEIS
LUCRO BRUTO
DEPRECIAÇÃO DO INVESTIMENTO2
NOTAS:
2 - A depreciação calculada refere-se aos investimentos realizados em 2009 e 2010.
4.4.
TIR:
ESTUDO DE VIABILIDADE FINANCEIRA
Ano
Fluxo de Caixa
0
($50.000,00)
-
1
($1.212.508,22)
($1.132.596,62)
2
$362.297,10
($843.775,59)
3
$360.576,89
($587.124,09)
4
$358.922,83
($359.022,14)
5
$357.332,40
($156.262,14)
6
$355.803,13
$23.998,80
7
$354.332,68
$184.280,91
200.000
8
$352.918,79
$326.818,89
0
9
$351.559,28
$453.594,70
-200.000
10
$350.252,06
$566.366,49
11
$347.890,83
$666.376,79
12
$317.571,51
$747.889,48
-600.000
13
$317.571,51
$820.668,68
-800.000
14
$317.571,51
$885.650,10
-1.000.000
15
$317.571,51
$943.669,23
16
$317.571,51
$995.472,02
27,53%
VPL:
$1.152.815
600.000
FLUXO DE CAIXA (US$)
400.000
-400.000
-1.200.000
-1.400.000
0
2
4
6
8
10
Ano
NOTAS:
12
14
16
18
20
VPL
17
$317.571,51
$1.041.724,51
18
$317.571,51
$1.083.021,38
19
$317.571,51
$1.119.893,58
20
$317.571,51
$1.152.815,20