Modernização de ventilador de alto-forno reduz consumo energético

Up-grade realizado em unidade da Cemex contemplou o fornecimento de inversores de frequência, reduzindo drasticamente o consumo de energia e paradas não programadas

Com o objetivo de melhorar a disponibilidade e segurança operacional, a Cemex, multinacional de cimento mexicana, realizou, em parceria com a Siemens, uma modernização do ventilador de tiragem induzida do alto-forno da fábrica de Sv.Juraj, na Croácia. Após um estudo detalhado sobre as tecnologias atuais e mensuração dos possíveis ganhos, engenheiros da companhia decidiram pela instalação de um inversor de frequência inteligente de média tensão, denominado Perfect Harmony.

O investimento total do cliente foi de aproximadamente R$ 1.440.000, onde 80% deste valor foi o custo do inversor e serviços de comissionamento da Siemens. Os 20% restante foi utilizado para pequenas adaptações no motor de anéis, partida de reostato liquido e cubículo de média tensão (equipamentos existentes).

Considerando todos os ganhos, a economia de energia e diminuição de paradas inesperadas, o retorno do investimento se deu em 11 meses, com uma redução no consumo de energia da ordem de 6,3 GWh.

“Estamos percebendo uma forte movimentação de nossos clientes em aumentar produtividade, mas recentemente este foco se direcionou para a eficiência energética. A indústria de cimento oferece grande potencial para economia de energia. O uso de inversor de frequência, principalmente nos ventiladores, pode habilitar um ganho oculto ao setor. O caso da Cemex é um exemplo típico que pode ser replicado em várias plantas no Brasil”, afirma Henrique da Cunha Pires, gerente de Negócios Motores e Drives da Siemens.

O sistema de controle do ventilador, acionado por um motor SR de 6kV (1,8 MW), contemplava um dispositivo de partida de resistência líquida (LRS – Liquid Resistance Starter) e um inversor em cascata subsíncrona (SCC), muito sensível a quedas de tensão e com duração de 200mseg (milissegundos).

A LSR foi usada para impulsionar o motor de velocidade zero até a velocidade nominal, sem um grande impacto sobre a rede de energia elétrica. Já a SCC serviu para reduzir o consumo de energia de acordo com a quantidade necessária de gás de processo, controlando a velocidade do motor de 60 a 100% da velocidade nominal.

De acordo com Dean Dereani, engenheiro da Cemex e líder do projeto, os dispositivos de controle antigos implicavam em um alto consumo de energia elétrica e um grande número de falhas. “As paradas de produção eram causadas por queda de tensão e vibrações do ventilador. Em um ano houve 29 paralisações, com 90 horas de perda de produção e prejuízo estimado em €170.000. Consequentemente, o fabricante da SCC descontinuou essa tecnologia” ressalta.

A potência absorvida do ventilador de tiragem induzida para fornos era de aproximadamente 1,7MW, que resultava em um consumo de energia anual de 12.300.000kWh. Segundo Dereani, o motor do ventilador era superdimensionado, pois o fluxo de gás era controlado por registro de entrada (damper) tendo um grande potencial para economia de energia “A economia de energia foi estimada em € 250.000/ano”, destaca.

O inversor de frequência Perfect Harmony possui capacidade de 6,6kV de tensão e utiliza 5 células de carga em linha (com transistores IGBT de baixa tensão). O aparelho gera tensão de rede com cinco células de carga conectadas em série, representando uma conexão de 30 pulsos. Cada célula tem uma frequência portadora de 1200Hz para modulação por largura de pulso (PWM), gerando ondas senoidais de saída. Ele recebe ainda o auxílio de um software que permite o equilíbrio da tensão de saída e a operação contínua do sistema em caso de falha do transistor IGBT individual.

Considerando que o motor existente era do tipo de anéis coletores, algumas das soluções oferecidas requeriam modificações do motor em termos de remoção de anéis coletores e modificação para o tipo gaiola, ou ainda a reconexão do enrolamento do estator para adequar-se à tensão de entrada baixa. Essas soluções não permitem a reutilização da partida líquida existente como solução alternativa em caso de defeito do inversor de frequência.

“Devido à capacidade de operar o ventilador em velocidades menores, uma economia de energia significante foi possível pela carga reduzida sobre os componentes mecânicos rotativos. A velocidade reduzida do gás de processo resultou em menor aderência do pó às pás do ventilador, o que reduz as vibrações”, explica o responsável pelo projeto.

As células de carga defeituosas do inversor podem ser substituídas durante as paradas planejadas de manutenção. E o motor de anéis coletores existente foi usado sem modificações e algumas pequenas intervenções foram feitas na unidade de manobras de 6kV.

Selecionando o modo de reserva no Scada (Supervisory Control And Data Acquisition) ainda é possível ligar o motor com uma partida líquida sem utilizar o inversor de frequência. Além disso, o sistema Scada, com base nas tendências da demanda de energia, bem como a posição do registro do ventilador de tiragem induzida para fornos, mostrou que apenas 50% da energia inicial seria necessária para manter o fluxo de gás no processo.

Com a diminuição das quedas de tensão e consequentemente as interrupções do processo produtivo, a cimenteira obteve uma redução de custo indireto, já que mudanças termodinâmicas repentinas no processo de produção de clínquer causam a formação de camadas dentro dos trocadores de calor. Essas camadas se desprendem ao longo do tempo, entupindo as rotas de transporte e causando sobrecarga em tijolos refratários e outros materiais resistentes ao fogo.

“Os resultados completos do projeto comprovaram a análise bem sucedida que antecedeu à aprovação do investimento, e justificaram as expectativas em termos de eficiência energética. Isto permite que nossa empresa opere no mercado mesmo em tempos difíceis de demanda reduzida para nossos produtos em toda a região”, conclui Dereani.

Após o projeto, a unidade de Sv. Juraj se consolidou como a fábrica com o menor consumo de energia para a produção de clínquer dentro do grupo Cemex.

Fonte: Revista Minérios & Minerales

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