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EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS DE CONTROLE DE TURBINAS A VAPOR

Histórico Sistemas de Controle de Turbinas a Vapor

Os controles e a instrumentação das turbomáquinas de forma mais rápida ou lenta, têm evoluído.

Não resta dúvidas de que hoje, um controle melhor é ainda mais importante do que no passado não muito distante, já que as turbinas mais antigas ainda podem estar operando além da sua expectativa de vida original.

Devido à sua idade, projeto e até falta de manutenção, esses sistemas mais antigos e ainda aplicáveis nos sistemas de controle de velocidade mecânico de turbinas a vapor estão operando de uma maneira muito diferente daquela projetada pelos fabricantes originais.

Eles também podem estar operando em uma condição de menor eficiência em termos de desempenho do que turbinas de tamanho semelhante operando com os sistemas de controle digitais mais recentes.

Normalmente, essas turbinas a vapor mais antigas flutuam, o controle tem uma resposta lenta causada por vários servomotores individuais conectados por ligações e conectores não apropriados, ou não opera de forma coordenada.

Esses problemas podem estar custando às equipes de operação e manutenção tempo e dinheiro que seriam melhores gastos na melhoria da operação, em vez de apenas manter em funcionamento.

Portanto, encontrar um fornecedor e uma solução de modernização que possa implementar uma solução inovadora para modernizar os controles de sua turbina a vapor e que possa integrar essa atualização em seus sistemas atuais e até futuros de plantas de geração de energia usando uma plataforma escalável, padronizada, monitorada e de eficiência melhoradas, pode ser um excelente negócio para sua turbina e processo de geração como um todo.

Certamente não existe um único sistema que sirva para todos os usuários. Cada cenário, cada cliente, setor é um pouco diferente e tem suas particularidades.

Antes de implementar uma solução técnica em suas instalações, é importante dedicar algum tempo à identificação da proposta de valor e à compreensão de como o sucesso pode ser medido, pois cada ativo pode ter um componente crítico diferente.

Mas é certo que a atualização para um sistema de controle de turbina moderno, poderá proporcionar benefícios de longo prazo ligados a operação, manutenção e serviço da sua turbina a vapor.

Desde ali por volta das décadas de 80 e 90, os controles digitais têm sido o principal padrão aceito em muitas indústrias de processo que aplicam turbinas a vapor e outras turbomáquinas de forma geral.

Desenvolvimentos recentes na tecnologia de processamento digital, que permitem velocidades de processamento mais rápidas, custos proporcionalmente mais baixos, tamanhos de hardware e sensores menores, mais simplificados, associados com maior segurança, tornam o controle digital de turbinas a tecnologia preferida atualmente pelos OEM, bem como para os operadores de usinas geradoras de energia.

Ao longo dos anos, passamos por alguns estágios de evolução nos controles de turbinas. Começou com a transformação dos acionamentos mecânicos para elétricos/eletrônicos, depois passou da tecnologia analógica para a digital. Com o tempo, a tecnologia digital tornou-se mais compacta, mais confiável e mais rápida.

A próxima fase estará com a gente por algum tempo, enquanto descobrimos o que deve continuar sendo um sistema de controle típico, o que pode mudar para a computação de ponta ou pode ser conduzido em um ambiente de nuvem, para nos dar orientações do que devemos fazer com todos os dados disponíveis para nós, para de fato gerar resultados.

E só de pensar que no passado, os controles tradicionais de turbina a vapor foram realizados com um rudimentar regulador de esfera para controle de velocidade, passando posteriormente para ligações mecânicas e óleo lubrificante de turbina de baixa pressão.

Embora estes sistemas não tão antigos assim, e aqui me refiro aos sistemas mecânicos/hidráulicos de baixa pressão sejam de certo modo considerados confiáveis, a sua manutenção tornou-se dispendiosa, uma vez que atualmente muitos desses dispositivos de controles originais estão tornando-se obsoletos.

As peças de reposição, se disponíveis, estão se tornando caras com longos prazos de entrega e podendo resultar em prazo estendido de inatividade da planta.

Além do fato de que a manutenção desses sistemas exige um certo grau de familiaridade e conhecimento da instrumentação da sua época. A base de conhecimento que envolve a implementação de controles em turbinas a vapor modernas, diminuiu ao longo dos anos, o que pode afetar diretamente a disponibilidade e a confiabilidade de unidades instaladas atualmente.

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Mas como eu disse, ainda que os métodos de controle de turbinas estejam evoluindo de forma aparentemente lenta, é inegável uma onda sem precedentes de inovação tecnológica ao longo especialmente da última década, que tem provocado mudanças drásticas relacionadas especificamente com o controle de turbinas.

Estaríamos passando por uma aceleração e transformação mais profunda e acelerada sobre esses sistemas de controle de turbinas?

Quais são as tendências, limites e ganhos que as novas tecnologias podem proporcionar para os sistemas de controle de turbinas?

Para essas e outras respostas, vamos tratar mais especificamente sobre esse assunto, compartilhando de forma direta e indireta, potenciais ganhos e vantagens associadas com as novas tecnologias relacionadas com controle de turbinas a vapor, analisando tendências e oportunidades de melhorar a eficiência e confiabilidade de sistemas de controle de turbinas a vapor por meio de modernizações.

Pronto para tratar mais sobre esse assunto de sistemas de controle e novas tecnologias para tornar seus sistemas de controle e instrumentação mais inteligentes, mais responsivos e mais fáceis de usar.

Confira Mais Sobre Esse Assunto em Nosso 1° Episódio Sobre o Tema

O Controle de Velocidade de Turbinas a Vapor

Os modernos sistemas digitais de controle de turbina são projetados para controlar o fluxo principal de vapor para a turbina em todas as condições operacionais por meio das válvulas de controle, regulador, admissão e/ou extração da turbina.

As funções de controle são conduzidas através do uso de funções eletrônicas simplex ou redundantes incorporadas ao software e hardware do sistema de controle da turbinas, integradas através do uso de servo-atuadores.

O sistema de controle da turbina garante uma operação estável em todas as fases operacionais, desde a partida da unidade, desligamento, operação paralela, modo ilha, etc.

Em aplicações de geração, as rejeições de carga total criadas por um desligamento repentino da rede são controladas através do sistema de controle da turbina, evitando assim um excesso de energia, condição de overspeed e ocorrência de danos aos equipamentos.

Os controladores são acionados automaticamente quando necessário para garantir que as taxas de mudança apropriadas correspondam ao modo de operação da turbina.

Os controles de setpoint, funções de controle de malha aberta e fechada, bem como funções de monitoramento contínuo associadas ao sistema de controle da turbina, evitam que o turbogerador assuma condições de operação inadmissíveis, evitando assim a resposta necessária dos equipamentos de proteção da turbina e possíveis danos à máquina ou interrupções do processo.

Este é o princípio operacional predominante em torno dos critérios de alta disponibilidade de qualquer turbogerador.

O fabricante deve fornecer cada uma dessas funções em seus pacotes padrão de controle de turbina. Cada uma dessas funções pode ser inibida conforme necessário para facilitar a integração adequada no Sistema de Controle Distribuído existente, conforme necessário.

As principais características dos sistemas de controle da turbina podem ser resumidos em:

Controle de Velocidade
Controle Pressão / Admissão
Controle de Carga / Sobrecarga
Influência Stress Mecânico
Frequência e Despacho do Conjunto TG
Controle de Abertura de Válvulas

Alguns sistemas mais modernos, por exemplo, já permitem substituir os controles da turbina a vapor, bem como os sistemas de excitação e monitoramento de vibração, por uma única solução integrada. Além disso, retrofits em turbinas a vapor podem eliminar pontos únicos de falha e fornecer resposta mais rápida.

Com os controles da turbina a vapor atualizados e ajustados, juntamente com o projeto mecânico redundante, as turbinas podem atingir o ponto de ajuste mais rapidamente, reduzindo os tempos de partida a frio.

Anteriormente, o pessoal da fábrica tinha que monitorar diversas telas de processos e alarmes de diferentes fornecedores. Ao reduzir milhares de planilhas de controle a centenas e implementar lógica, gráficos e estratégia de alarme consistentes em toda a fábrica, isso melhora a visibilidade nos processos da fábrica.

Qualquer sistema de controle eletrônico de turbina conta com os recursos básicos de controlar a velocidade de rotação, pressão de admissão e controle de carga. Deve ainda fornecer opções de desligamento ou TRIP nos modos automático ou manual.

Outros recursos são a influência de stress da turbina, atuando e limitando no gradiente de carga da turbina, influência da frequência quando o gerador está na rede e o controlador está no modo de controle de carga, influência do sistema de despacho automático e controle de elevação das válvulas de acordo com os pontos de ajuste, ou curva de partida.

Novas Tendências e Modernização de Sistemas de Controle de Turbinas a Vapor

A Internet Industrial das Coisas (IIoT), digitalização, microprocessadores, novas plataformas de software, nuvem, análises avançadas, aprendizado de máquina ou machine learn, tecnologia wireless, mobilidade, conectividade, realidade aumentada, virtualização, inteligência artificial, segurança cibernética, big data, Software -as- a-Service (SaaS), sistemas open source e muitas outras inovações avançaram no campo como nunca antes.

A tendência para o aumento da digitalização das centrais elétricas só irá acelerar ao longo dos próximos anos para melhorar a sua flexibilidade e rentabilidade, tornando-as mais inteligentes através de análises avançadas e computação em nuvem.

Os sistemas de controle de plantas estão no centro da tendência e fornecem a base para maior digitalização, conectividade e segurança cibernética.

Além disso, os sistemas de controle estão avançando para acompanhar as mudanças nas necessidades das turbomáquinas. Por exemplo, estão a ser desenvolvidas turbinas a gás para funcionar com hidrogénio e os sistemas de controlo desempenharão um papel importante na viabilização destas novas aplicações.

As vantagens incluem monitoramento e operação remotos, simuladores e réplicas digitais, serviço de campo remoto, automação de manutenção, gerenciamento de fábrica e ativos em tempo real, controle de exportação/importação ontime, menos interrupções não programadas e vida útil mais longa de fábrica e equipamento.

Algumas empresas estão investindo e aproveitando essas tecnologias para tornar seus sistemas de controle e instrumentação associados com as turbinas, mais inteligentes, responsivos e mais fáceis de usar.

Este mercado tem enormes oportunidades com crescimento constante impulsionado pela substituição de monitoramento e controles de turbinas obsoletos por novos recursos, como a crescente demanda por produtos inteligentes conectados e baseados na Internet Industrial das Coisas (IIoT)”

A realidade aumentada pode facilitar treinar pessoal na montagem e reparo de sistemas eletrônicos. Isso permite que os usuários visualizem o equipamento em um tablet ou smartphone para monitorar as condições do equipamento.

O impulso para o crescimento da produtividade na produção de processos está levando as empresas a investir em novos monitoramentos e controles de turbinas para diversas aplicações de indústrias de processos, impulsionadas por tendências como digitalização e IIoT.”

Ela abrange controles, instrumentação, análise de dados, inteligência artificial (IA) e muito mais. O objetivo é tornar as usinas de energia mais inteligentes.

Estima-se que uma planta média de geração de energia razoavelmente conectada, possua quase 10.000 sensores que podem gerar mais de um milhão de pontos de dados a cada minuto. O desafio é analisar essa “confusão” de dados e a colocar em um formato utilizável e conclusivo.

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De nada adianta obtermos essa infinidade de informações ou inputs e não possuirmos condições, conhecimento ou ferramentas para realizar análises concretas e eficientes, diante desse banco de dados, e com isso, gerar procedimentos principalmente preventivos, mas também corretivos acerca da disponibilidade e eficiência dos ativos e da unidade geradora como uma visão integrada.

A digitalização está se tornando a norma. É crucial compreender o que está acontecendo nas turbinas e em toda a planta, pois os operadores precisam ser capazes de analisar grandes quantidades de dados em tempo real para detectar correlações entre diferentes componentes para melhorar a eficiência, confiabilidade e flexibilidade do processo.

O conjunto de soluções digitais, pode ajudar a criar uma usina de energia cada vez mais inteligente que acabará por se tornar capaz de vários níveis de operação autônoma. O aumento da digitalização de dispositivos e sistemas interconectados ajuda os sistemas de controle a fazer mais e a interagir de forma mais eficaz com análises avançadas.

Esses modernos sistemas, usam dados históricos e análise de dados em tempo real para prever possíveis falhas de equipamentos e diagnosticar problemas relacionados para ajudar a reduzir o tempo de inatividade não planejado e melhorar a confiabilidade. Aplicações específicas de ativos, como o Monitoramento da Integridade do Gerador, monitoram continuamente as condições do rotor e do estator.

Paralelamente, avanços constantes em CPUs, memória e blocos de construção digitais semelhantes oferecem a oportunidade de aumentar as capacidades dos sistemas de controle, ao mesmo tempo que aumentam a velocidade e a relação custo-benefício.

Estamos nos concentrando no desenvolvimento contínuo de controle adaptativo em tempo real e conhecimento prático para otimizar o desempenho da usina e melhorar a confiabilidade. Essas tecnologias têm um grande potencial para tornar as usinas mais produtivas, lucrativas e ecologicamente corretas.

Longe vão os controles tipo ”caixa preta” fornecidos por fabricantes despreocupados com integração ou compartilhamento de informações com terceiros, Esses, têm sido constantemente substituídos por padrões abertos. A integração com outros sistemas é muito mais fácil.

Os controles em toda a fábrica, em toda a frota e em toda a rede tornam-se viáveis, pois tudo funciona de acordo com o mesmo conjunto de protocolos e padrões. Um responsável pela manutenção não precisa mais caminhar um quilômetro para fazer a leitura de um mostrador.

Essa mesma função pode ser realizada remotamente por meio de controles centralizados. Em função disso, a comunidade de fornecedores de controles de turbomáquinas tem realizado esforços para inovação.

Aqui fica um convite para as empresas do setor que possuem pesquisas, inovações, soluções ou avanços na área, entrar em contato para que possamos divulgar isso para o pessoal que nos acompanha diariamente por aqui.

Basta entrar em contato.

Fabricantes estão constantemente introduzindo um foco maior na segurança funcional em todas as áreas de controle de turbomáquinas, bem como na digitalização, que traz aplicações virtualizadas, abordagens de manutenção baseadas em dados e documentação sem papel.

Também podemos presenciar o lento mas talvez gradativo surgimento da operação “com menos mão de obra” de certos ativos. A pandemia destacou a utilidade das capacidades remotas, mas também mostrou que há espaço para melhorias para concretizar todo o seu potencial.

Conseqüentemente, fabricantes adicionaram uma variedade de melhorias de monitoramento remoto, digitalização, segurança cibernética, segurança e conformidade aos seus controles.

Além disso, as empresas estão estudando tecnologias como redes 5G e dispositivos móveis inteligentes robustos que possam ajudar a resolver a escassez de competências devido às reformas da força de trabalho e à acessibilidade limitada.

À medida que as operadoras adotam tecnologias digitais para modernizar seus ativos de controle e software, elas ficam mais vulneráveis a ataques cibernéticos

Alguns sistemas de controle já foram atualizados para enfrentar esses desafios de segurança cibernética, como pacotes on-line, gerenciamento de usuários, proteção aprimorada e assinaturas digitais. Isso permite que esses controles consigam obter certificações IEC e ISO para segurança.

Afinal de contas, ninguém quer ser surpreendido com um ataque hacker ou “sequestro digital” do seu turbogerador.

Ainda não estamos em uma realidade em que o controle dos equipamentos possa ou venha a ser feito diretamente na nuvem. No entanto, alguns usuários estão ficando mais confortáveis em compartilhar informações com um servidor externo através de sua própria intranet ou na nuvem, especialmente em usuários com múltiplas plantas, em vários locais para permitir realizar análises de frota de turbinas, por exemplo.

Outros avanços incluem o uso de bancos de dados de projetos orientados a objetos, realidade aumentada para comissionamento e operação guiados, bem como infraestruturas baseadas em nuvem para fornecer ambientes de engenharia e testes independentemente da localização e do hardware disponível.

Os sistemas modernos são aprimorados com funcionalidades SCADA para controlar múltiplos ativos remotos distribuídos. Novos recursos de simulação integrados ajudam os usuários a trabalhar em réplicas digitais de seus próprios ativos para criar cenários de teste para quaisquer adaptações sem impactar o sistema real.

Réplicas digitais na verdade são uma tendência crescente, juntamente com redes neurais de autoaprendizagem usadas para aumentar os controles de turbomáquinas. Isso aumenta a capacidade de analisar grandes quantidades de dados de sensores coletados em turbomáquinas modernas.

Capacidades aprimoradas de diagnóstico podem ajudar a identificar antecipadamente possíveis problemas no maquinário para programar a manutenção necessária e evitar paradas devido a falhas. Essas réplicas digitais demonstraram a capacidade de identificar e reduzir perdas de desempenho devido a incrustações e degradação do equipamento.

Outra tendência observada é a tendência de usuários se afastarem das soluções proprietárias de caixa preta para controles de turbinas.

Em vez disso, eles têm preferido sistemas de controle distribuído (DCS) que possam lidar com os rápidos tempos de resposta do processo necessários para o regulador da turbina.

À medida que a força de trabalho envelhece e menos trabalhadores são treinados em sistemas proprietários, os clientes têm muita dificuldade de mantê-los em funcionamento.

Por isso, é esperado que o sistema de controle de turbinas possa ser mantido de maneira fácil e eficiente. Os fornecedores tradicionais de caixa preta, portanto, terão que se adaptar para atender às necessidades dos clientes, a fim de executar o regulador da turbina dentro do DCS.

Alguns sistemas já oferecem uma variedade de recursos para facilitar a execução de projetos modulares e paralelos e é baseado em uma rede IO de campo Ethernet resiliente e de alta velocidade que conecta controladores ao montado nas áreas de produção.

Isso pode oferecer detecção precoce de problemas com a turbina, ao mesmo tempo que aprimora os sistemas de monitoramento e proteção de máquinas.

A IIoT, por exemplo, oferece maior disponibilidade de sensores e dispositivos inteligentes que podem fornecer dados expandidos para estratégias de controle e proteção mais abrangentes, bem como análises derivadas de dados do sistema de controle. Para atuar com esses sistemas, é necessário usar com segurança as entradas do sensor IIoT para entradas críticas do sistema de controle de baixa latência com imunidade a interferências.

Protocolos e plataformas modernas de gerenciamento de dados e conexão, também se mostraram úteis para facilitar a comunicação, o compartilhamento de dados e estratégias sinérgicas de controle total da planta entre diferentes sistemas de controle e controladores lógicos programáveis (CLPs) na usina.

Da mesma forma, a evolução constante dos sistemas operacionais de computador acrescenta novas capacidades ao software do sistema de controle. No entanto, isso pode criar um desafio em termos de manter o software atualizado e incorporar os protocolos de segurança mais recentes para uma segurança cibernética eficaz.

A nuvem também facilita um maior uso de análises avançadas e aprendizado de máquina para fornecer benefícios às operações e manutenção (O&M) de usinas de energia.

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Análises baseadas em nuvem, algoritmos de diagnóstico e inteligência artificial estão fornecendo recursos de computação mais poderosos. Isto oferece a capacidade de fazer correlações em toda a frota que incorporam a experiência operacional de muitas centrais elétricas semelhantes e apoiam novos conceitos, como sistemas logísticos autónomos.

Todos estes avanços ocorrem num momento em que a mobilidade e a funcionalidade wireless facilitam novas aplicações de suporte, como suporte remoto usando realidade aumentada (AR), monitoramento de equipamentos auxiliares e sistemas logísticos autônomos para tornar o suporte operacional mais produtivo.

Além disso, a virtualização alterou radicalmente os custos do ciclo de vida dos produtos, removeu dependências de hardware e tornou mais fácil fornecer segurança cibernética e melhorias de recursos sem atualizações dispendiosas de hardware.

Os clientes estão se perguntando sobre segurança cibernética, extensão da vida útil dos sistemas de controle existentes que usam componentes e sistemas operacionais mais antigos, virtualização e automação de cargas de trabalho de O&M.

As soluções analíticas que surgem, permitem os diagnósticos básicos para identificar interrupções iminentes no processo ou anomalias no equipamento e acionar ações de mitigação para evitar tempo de inatividade ou danos. Isso é conseguido por meio de modelagem, IA baseada em reconhecimento avançado de padrões (APR) e aprendizado de máquina.

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