O papel das usinas térmicas está se tornando cada vez mais importante no Japão devido à redução do número de usinas nucleares após o terremoto de Tohoku no Oceano Pacífico. Espera-se que o fornecimento de energia renovável seja uma alternativa em termos de segurança energética, mas é difícil garantir a energia de maneira muito estável. Como resultado, demandas inesperadas de geração de energia térmica ocorrem irregularmente para cobrir a flutuação do fornecimento e/ou da demanda de energia. Nessas circunstâncias, o uso da usina termelétrica equipada com uma caldeira a carvão está mudando para uma forma de operação mais dinâmica e complicada. Esta pesquisa realizou um estudo com dois tipos de modelos de simulação para esclarecer essa operação, a saber, um modelo de simulação de fluido de caldeira a carvão e um modelo de simulação de processo de usina termelétrica. Este documento mostra esses dois tipos de abordagens de modelagem e discute a viabilidade dos modelos implementados neste estudo para propor uma solução baseada em simulação para a operação adaptável da usina de energia.
Em resposta ao Grande Terremoto do Leste do Japão ocorrido em 2011, todas as usinas nucleares foram fundamentalmente inspecionadas e o número de usinas nucleares em operação no Japão foi drasticamente reduzido. Até o momento, as usinas térmicas têm desempenhado um papel importante no fornecimento de energia no Japão, mas sua demanda está aumentando após o terremoto. Do ponto de vista da segurança energética, a energia renovável, como a geração de energia solar e a geração de pequenas centrais hidrelétricas, tem atraído a atenção como fonte de energia alternativa para cobrir o fornecimento de energia no Japão. Como é difícil garantir esse fornecimento de energia renovável de forma estável, demandas inesperadas ocorrem irregularmente na geração de energia térmica para cobrir a flutuação do fornecimento e/ou da demanda de energia. Nessas circunstâncias, o uso de usinas térmicas equipadas com caldeiras a carvão está mudando para uma forma mais dinâmica e complicada de operação para controlar o equilíbrio adequado da taxa de fluxo de água e vapor por meio da determinação de vários influxos usando o ajuste fino do amortecedor para a geração otimizada de energia. As usinas de energia estão basicamente sob operação automática; no entanto, seu ajuste fino e o controle de operações críticas ainda são gerenciados por especialistas humanos, o que significa que o procedimento interno da operação da usina de energia ainda não está claro em muitas situações. Esta pesquisa implementou dois tipos de modelos de simulação, que são um modelo de simulação de fluido de caldeira a carvão e um modelo de simulação de processo de usina de energia térmica para ajudar a esclarecer a operação. Este documento mostra esses dois tipos de abordagens usando esses modelos e discute a viabilidade dos modelos implementados neste estudo.
A primeira abordagem deste estudo foi baseada em um modelo de simulação de fluido (CFD) de caldeira a carvão, que é composta de vários componentes, como 1º/2º economizadores, 1º/2º/3º/4º superaquecedores, 1º/2º reaquecedores, separador de vapor, tubo da parede da fornalha, tubo do teto, etc. Simulando o equilíbrio do fluxo dos tubos em cada componente, foi calculada a velocidade do fluxo do fluido no modelo. Com foco no quarto componente do superaquecedor, a simulação de dinâmica de fluido foi realizada em várias condições. Como resultado, verificou-se que a perda de pressão foi causada pela variação na taxa de fluxo de cada tubo. Portanto, a homogeneidade da taxa de fluxo foi ajustada com a inserção de um orifício na entrada de cada tubo. Como resultado, o equilíbrio da taxa de fluxo foi alcançado pela combinação de tubos inseridos com orifício.
A segunda abordagem deste estudo foi baseada em um modelo de simulação de processo (PSM) (Joines e Roberts 2015; Kelton et al. 1998; Smith et al. 2015) de uma usina termelétrica básica, que é composta de processos de fluxo de ar, água e combustível como entidades de entrada, enquanto a eletricidade é uma entidade de saída no modelo. A operação da usina de energia térmica usa os valores numéricos dos parâmetros operacionais, como os parâmetros de entrada de combustível/ar/fluido, o grau de abertura do amortecedor para ajustar a entrada de ar, o tempo de processamento em cada dispositivo e a potência de saída da usina de energia. Um modelo de processo usando esses parâmetros foi implementado neste estudo para simular a operação da usina com base nos dados coletados de uma usina em funcionamento. Para a verificação do modelo, foram realizados experimentos de simulação usando uma série de combinações de parâmetros, incluindo o tempo de processo no moinho de carvão, queimador, forno, reaquecedor e turbina. Usando a variação dos parâmetros de entrada de ar e combustível no modelo, a eficiência da geração de energia foi calculada e revisada para estudar o desempenho do modelo da usina. Como resultado, o modelo de processo da usina de energia térmica funcionou como uma bancada de trabalho para estudar os parâmetros operacionais de um ponto de vista diferente.
O uso de usinas de geração de energia térmica equipadas com grandes caldeiras mudou para uma forma mais dinâmica e complicada de operação devido às mudanças na relação de fornecimento de geração de energia elétrica no Japão. É difícil lidar com uma mudança repentina na demanda, bem como com uma grande perda de eficiência na geração de energia, operando apenas com a operação automática de uma usina de energia térmica. Este documento explica os ambientes em constante mudança em torno da usina termelétrica e propõe dois tipos de abordagens baseadas em simulação para enfrentar a questão da operação dinâmica da usina. Quanto à dinâmica do fluxo de fluido nos tubos complicados de uma caldeira a carvão, foi simulada a visualização do fluxo desequilibrado, o que é impossível em uma caldeira física no mundo real. Quanto ao comportamento do fluxo de entrada/saída da usina de energia térmica, a visualização do comportamento dos fluxos foi simulada de maneira orientada ao processo, o que também é impossível em uma usina física no mundo real. Embora esses modelos implementados neste estudo ainda estejam no estágio inicial de implementação, o resultado mostra a viabilidade da abordagem baseada em simulação como uma nova direção para desafiar a questão da operação dinâmica da usina a fim de lidar com a imprevisibilidade no fornecimento e/ou demanda de energia e propor uma solução baseada em simulação para lidar com a operação adaptável da usina.
Joines J. A. e S. D. Roberts. 2015. Simulation Modeling with SIMIO: A Workbook, SIMIO LLC, PA, EUA.
Kelton W.D., R. P. Sadowski e D. T. Strurrock. 1998. Simulation with Arena. WCB McGraw-Hill, Boston, MA, EUA.
Smith S. S., D. T. Sturrock e D. W. Kelton. 2015. Simio and Simulation: Modeling, Analysis, Applications. SIMIO LLC, PA, EUA.