Usinas Térmicas a Ciclo Combinado (UTCC)

As usinas térmicas a ciclo combinado (UTCC) são compostas por unidades térmicas que utilizam um combustível que gera vapor (ex: gás) acopladas com unidades térmicas a vapor.

A motivação para essa configuração é que, ao se utilizar uma unidade térmica para geração de energia, ao invés de liberar vapor a alta temperatura na atmosfera como resultado dessa geração, “captura-se” esse vapor para alimentar uma unidade adicional de geração de energia a partir de uma unidade térmica a vapor. Com isso, obtém-se uma maior eficiência e baixo consumo de gás para produção da mesma quantidade de energia, quando comparadas às usinas térmicas convencionais.

Uma das vantagens de uma UTCC é a sua flexibilidade, já que pode operar com diferentes combinações de turbinas a gás e a vapor acionadas.

Por exemplo, a figura a seguir, extraída de 1 mostra uma configuração possível para uma usina a CC, composta por 2 turbinas a gás e 1 turbina a vapor. As características e custos operativos da planta diferem de acordo com cada configuração, o que torna possível otimizar a operação da planta como um todo em função das condições do sistema.

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Assim, pode-se buscar uma configuração, variável ao longo do tempo, que seja mais econômica para a usina ou para o sistema como um todo. Por outro lado, isso acarreta uma maior complexidade na modelagem dessas usinas e na resolução do problema de PDO em que estão inseridas

Ressalta-se que a existência de diferentes configurações pode ocorrer não somente para diferentes plantas, mas também em uma mesma planta, em função de unidades que estejam em manutenção ou desligadas. Ressalta-se que a turbina a gás (CT, do termo em inglês combustion turbine) pode operar sem a turbina a vapor (ST, do termo em inglês steam turbine), mas o contrário não é possível. Assim, uma usina térmica com 2 CT e 1 ST pode operar, em princípio com as seguintes configurações:

  • uma unidade a gás (1CT)

  • uma unidade a gás e uma unidade a vapor (1 CT + 1 ST)

  • duas unidades a gás (2 CT)

  • duas unidades a gás e uma unidade a vapor (2 CT + 1 ST)

As condições acima levam à representação de um “espaço de estados” para a representação da operação de uma UTCC, conforme ilustrado na figura a seguir, também extraída de extraída de 1.

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Cada uma das configurações nas situações acima pode ser representada por uma “unidade equivalente”, para os quais podem ser definidos os dados usuais de uma unidade térmica individual, como restrições de rampa, tempo mínimo ligada ou desligada, curva de custo incremental (no caso do Brasil, CVU), etc. Os custos de partida e parada são substituídos pelos custos de transição para outras configurações (estados), sendo que essas transições também podem contemplar o acionamento ou desligamento de unidades.

Em resumo, na modelagem concebida no Modelo DESSEM, a representação de uma UTCC é semelhante a uma UTE convencional, porém com restrições de acoplamento entre as unidades equivalentes, que correspondem às configurações. Em uma usina deste tipo apenas uma unidade equivalente poderá estar acionada, e já estando acionada, poderá transitar para outra unidade equivalente sem que seja necessário o cumprimento de outra trajetória de desligamento da primeira unidade e uma trajetória de acionamento da segunda.

Matematicamente, definimos os conjuntos \({{\Omega}_{CC}}_j\) de unidades térmicas equivalentes que pertencem a cada usina térmicas a ciclo combinado \(j\), sendo \(NTCC\) a quantidade de usinas térmicas a ciclo combinado. Em seguida, representam-se as restrições e aspectos descritos a seguir.

Restrição de unicidade de acionamento

Inicialmente, impõe-se a restrição de que uma única unidade equvalente de cada usina a ciclo combinada \(j\) poderá estar acionada em cada instante de tempo:

\(\sum\limits_{i \in {{\Omega}_CC}_j} u_i^t \leq 1\)

Transição entre unidades equivalentes

Esta restrição impõe uma variação máxima de geração (rampa de transição) \({RTrans}_j\) entre quaisquer configurações de uma usina térmica a ciclo combinado \(j\), para cada período de tempo \(t\):

\(|\sum\limits_{i \in {{\Omega}_CC}_j} gt_i^t - gt_i^{t-1}| \leq {RTrans}_j\)

Manutenção de Unidades “Reais”

Como mencionado anteriormente, cada unidade equivalente de uma UTCC comporta-se como se fosse uma unidade térmica convencional, a menos das restrições de acoplamento entre unidades de uma mesma UTCC.

Entretanto, o modelo DESSEM necessita conhecer quais são as unidades reais associadas a cada unidade equivalente, pois se qualquer uma dessas unidades “reais” estiver em manutenção, a configuração não poderá operar. Portanto, tanto as informações sobre as unidades reais que compõem cada unidade equivalente quanto eventuais manutenções de unidades reais são lidas pelo modelo, e o status \(u_i^t\) é forçado a ser zero caso alguma unidade real que a compõe esteja em manutenção.

Referências

1(1,2)

Cong Liu, Mohammad Shahidehpour, Zuyi Li, and Mahmoud Fotuhi-Firuzabad. Component and mode models for the short-term scheduling of combined-cycle units. IEEE Transactions on Power Systems, 24(2):976–990, 2009. doi:10.1109/TPWRS.2009.2016501.