Sistema de geração e transmissão de energia

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INTRODUÇÃO
 	Bem longe de qualquer tipo de usina, sem ação alguma e sujeitas a variações climáticas, as plataformas são verdadeiras fábricas de energia. Pois, o sistema de geração e transmissão de energia é o conjunto de equipamentos usados para gerir e transmitir a energia necessário para operação de perfuração. Para produzir eletricidade, as plataformas contam com tecnologias de última geração como é o caso das turbinas a gás e dos motores a diesel e, em alguns casos, motores a vapor. O gás utilizado nas turbinas vem dos reservatórios, passa por um processo de separação e tratamento e é transformado em gás combustível, dando início ao processo. Já os motores vão utilizar o óleo diesel que vem de terra pelos barcos.
Quando há turbina a gás na geração principal, não se tem motor a diesel, pois “Toda plataforma tem um motor diesel alimentando um gerador, porque quando não se tem produção de gás, ainda assim é preciso ter uma quantidade mínima de energia para manter, por exemplo, o sistema de comunicação funcionando e rota de fuga iluminada”.
1. FONTES DE ENERGIA
A energia necessária para acionamento dos equipamentos de uma sonda de perfuração é normalmente fornecida por motores diesel. Nas sondas marítimas em que existia produção de gás é comum e econômica a utilização de turbinas a gás para geração de energia para toda a plataforma.
Quando disponível, a utilização da energia elétrica de redes públicas pode ser vantajosa, principalmente quando o tempo de permanência da sonda em cada locação for elevado.
Uma característica importante dos equipamentos de uma sonda, e que afeta o processo de transmissão de energia, é a necessidade deles operarem com velocidade e torques variáveis.
A depender do modo de transmissão de energia para os equipamentos, as sondas de perfuração são classificadas em sondas mecânicas ou diesel-elétricas.
1.1.  Sondas mecânicas
Nas sondas mecânicas, a energia gerada dos motores diesel é levada a uma transmissão principal (compound) através de acoplamentos hidráulicos ( conversores de torque) e embreagens. O compound é constituído de diversos eixos, rodas dentadas e correntes que distribuem a energia a todos os sistemas da sonda. 
 	As embreagens permitem que os motores sejam acoplados ou desacoplados do compound, propiciando maior eficiência na utilização dos motores a diesel.
1.2.  Sondas Diesel-elétricas
As sondas diesel-elétricas geralmente são do tipo AC/DC no qual a geração é feita em corrente alternada e a utilização é corrente continua. Motores diesel ou turbinas a gás acionam geradores de correntes alternadas ( AC ) que alimentam um barramento trifásico de 600V. Este barramento, alternativamente, também pode receber energia da rede publica.
Pontes de retificadores controlados de silício ( SCR) recebem a energia do barramento e a transforma em corrente continua, que alimenta os equipamentos da sonda.
Os equipamentos auxiliares da sonda ou plataforma, iluminação e hotelaria que utilizam corrente alternada, recebem a energia do barramento após passar por um transformador.
As sondas diesel-elétricas com sistemas tipo AC/AC (geração e utilização ocorrem em corrente alternada) têm uso incipiente, mais com tendência de aumentar no futuro. A energia é fornecida por motores diesel, turbinas a gás ou através da rede pública. Por utilizar motores AC, não há necessidade de retificação da corrente, mas do controle da freqüência aplicada aos motores.
2. DESCRIÇÃO DOS SISTEMAS OFFSHORE
Os sistemas offshore, em sua grande maioria, geram energia localmente através de turbinas a gás e geradores a diesel. Com a descoberta e exploração de novos campos de óleo e gás, a demanda energética dos sistemas offshore aumentará. No entanto, as formas degeração de energia em plataformas de petróleo emitem grandes quantidades de gases poluentes, contribuindo significativamente para o efeito estufa. Com isso, novas formas de geração começaram a ser estudadas e uma delas é a energização das plataformas através de geração onshore. Neste trabalho iremos nos focar apenas na geração e transmissão de energia do sistema offshore.
2.1. Sistemas Offshore
As cargas encontradas no oceano são semelhantes às cargas industriais encontradas em terra. O que as diferencia é a limitação de espaço, custo de manutenção e algumas características construtivas com a finalidade de proteger o equipamento contra a umidade e salinidade encontradas em um ambiente marítimo.
Esse capítulo tem como objetivo descrever alguns tipos de cargas que podem ser encontradas nos sistemas offshore e fazer uma simples abordagem de como funciona o sistema de geração de energia atualmente.
2.2. Plataformas de extração de Petróleo e Gás Natural
A maioria das cargas do sistema offshore estão associadas a plataformas de óleo e gás. As plataformas de óleo e gás precisam de equipamentos especiais para o processamento de óleo e seu transporte.
Figura 2: (a)Capacidade Instalada em relação à distância dos sistemas em relação à costa (b) Capacidade Instalada em relação à profundidade de operação.
Uma plataforma de petróleo pode ser de vários tipos de estrutura, como fixa, auto-elevatória, semi-submersíveis, pernas atirantadas, podem ser do tipo naviosonda ou um FPSO (Floating Production Storage and Offloading). Normalmente, essas unidades operam da seguinte maneira: o fluido é retirado dos reservatórios através das colunas dos poços. Depois de chegar na superfície, topside, esse fluido vai para a planta de processos e lá há a separação do óleo, água e gás. O petróleo é armazenado para depois ser transferido através de um navio aliviador. Uma parte da água produzida é reinjetada nos poços, a fim de manter a pressão do mesmo, enquanto a outra parte é descartada no mar. O gás produzido pode ser usado para a geração de energia dentro das plataformas ou pode ser enviado para a terra através de gasodutos.
Uma planta de uma plataforma é rica em equipamentos para que todo o processo do óleo seja realizado, com uma engenharia muito moderna e complexa. No entanto, o foco dessa seção será o sistema elétrico de uma plataforma, visando detalhar e descrever seus subsistemas.
2.2.1. Geração
Atualmente, a geração de energia na maioria das plataformas é realizada localmente através de turbinas a gás ou moto geradores a diesel. A eletricidade então é consumida por motores elétricos, aquecedores elétricos no processo de produção e outra parte vai para sistemas auxiliares, como iluminação. A demanda energética de um sistema offshore depende de alguns fatores como:
 • Tamanho do campo e características do poço, que irá determinar a quantidade de petróleo e gás produzidos;
 • Características do Processamento, como separação, compressão, aquecimento e resfriamento;
 • Injeção de Água ou Gás, para retirar o máximo de óleo e gás do reservatório;
 • Sistema de Transporte, como pipelines e flowlines. 
Ademanda energética varia para diferentes instalações, podendo ser de 10-100kW para pequenas plataformas e mais do que 100MW para as maiores plataformas.
 Os sistemas de geração de energia elétrica mais utilizados são:
 • Turbina a gás aero derivada (3-40MVA);
 • Turbina a vapor(2-25MVA); 
 • Motor de combustão interna (0.3-20MVA);
 • Banco de Baterias (até 350KVA)
A tensão das unidades podem variar desde 440V até 13,8kV, de acordo com os requisitos do projeto. De acordo com, para uma unidade de geração acima de 1MW é comum a utilização de turbinas a gás. Abaixo desse valor ou na falta deste combustível, o diesel é utilizado como alternativa. As turbinas a gás podem ser classificadas como:
 • Turbinas a gás aero derivativas;
 • Turbinas a gás industriais leves;
 • Turbinas a gás industriais pesadas.
O modelo frequentemente utilizado em plataformas de petróleo é o aero derivativo, encontrados numa faixa de potência entre 8-25MW. O princípio de funcionamento desse equipamento consiste no seguinte: o gás é aquecido na caldeira e colocado em alta velocidade, passando para a turbinaque aciona o gerador. Depois disso o gás pode ser expelido ou reaproveitado. Esse sistema possui algumas vantagens, dentre as quais podemos citar:
 • Manutenção rápida e fácil, podendo ser feita de forma individual, já que o gerador a gás pode ser removido como um único e simples módulo;
 • Razão entre potência e peso alta, o que é de grande benefício em unidades offshore;
 • Fácil operação.
 	Contudo, podemos citar também algumas desvantagens como:
 • Alto custo de manutenção;
 • Elevado custo com combustível; 
 • Alto custo de substituição.
Em termos construtivos, existem duas configurações possíveis para as turbinas a gás: eixo único e dois eixos. Na configuração de eixo único, todos os elementos rotacionais compartilham de um eixo comum, como é visto na figura 2.1. Na configuração de eixo duplo, o compressor é acionado por uma turbina de alta pressão, chamada de turbina do compressor, e o gerador é acionado separadamente por uma turbina de baixa pressão, denominada turbina do gerador, como pode ser visto na figura 2.2. Esse tipo de configuração é o tipo mais utilizado em turbinas aero derivativas e através dela é obtido um melhor desempenho termodinâmico, uma vez que a alta velocidade de rotação melhora a eficiência do compressor e da turbina.
Figura 2.1: Turbo gerador aero derivativo de eixo único.
Figura 2.2: Turbo gerador aero derivativo de dois eixos.
2.2.2. Sistemas de Geração
O sistema elétrico de plataformas de petróleo é dividido e classificado de acordo com a criticidade e importância das cargas, de acordo com a sua função para a continuidade da operação, segurança da instalação e das pessoas. Dessa forma, os sistemas de geração podem ser divididos em geração principal, de emergência e ininterrupto.
Geração Principal
O sistema de geração principal é formado por geradores acionados por turbinas a gás, descritos anteriormente, aproveitado do processo de separação do fluido (no caso de falta de gás o diesel é usado como combustível). Esses geradores são capazes de atender toda a demanda de potência da planta em condições normais de operação. Para o fornecimento contínuo de energia é muito importante a redundância no sistema de alimentação, com isso, é muito comum encontrar arranjos de dois a quatro geradores idênticos acionados por turbinas a gás, sendo um deles redundante.
Geração de Emergência
O sistema de geração de emergência é composto por um ou mais geradores acionado por motores a diesel. Esse sistema é direcionado a atender aos sistemas essenciais da plataforma no caso de perda da geração principal. Esse sistema deve sercompletamenteindependentedosistemadegeraçãoprincipalepodeterapartida manual ou automática.
UPS -Uninterruptible Power Supply
 	Existem equipamentos que necessitam de fontes ininterruptas e devem funcionar em qualquer circunstância, como os sistemas de comunicação, luzes de emergência, painéis de navegação, sistemas de fogo e gás, dentre outros. Com isso, existem sistemas de corrente contínua e baterias, chamados de sistemas de alimentação ininterrupta de eletricidade (UPS) que, além de baterias, é constituído por módulos retificadores e inversores e chaves de transferência.
2.2.3. Cargas
O sistema elétrico de uma plataforma é composto por mais equipamentos, como transformadores, painéis de distribuição e sistemas de iluminação. Contudo, esses equipamentos não serão abordados nesse trabalho por não serem de alta relevância ao objeto de estudo central. Essa subseção tem como objetivo fazer uma breve análise das cargas de uma plataforma. 
 	As cargas mais importantes em uma plataforma de petróleo podem ser dividas em:
 • Drives para os processos e sistemas auxiliares: Sistemas quase exclusivamente para bombas e compressores utilizados nos processos industriais do petróleo, gás, água ou produtos químicos;
 • Sistemas de Aquecimento de Processos: Sistemas que envolvem as caldeiras, aquecedores de óleo no sistema de processos e além disso, cabos elétricos de rastreamento térmico (heat tracing) e elementos de aquecimento são usados para necessidades locais com baixa classificação e para aplicações especiais;
 • Sistemas Eletroquímicos: Sistemas para a dessalinização da água do mar, para fins de injeção e uso nas plataformas;
• Sistemas de ventilação, iluminação e aquecimento. 
O sistema elétrico de distribuição de uma plataforma de óleo e gás é considerado um sistema fraco, com problemas relacionados à qualidade da potência devido à demanda de potência reativa e ao baixo fator de potência, harmônicos na corrente e na tensão, notches na tensão e modos comuns de tensão. Todos esses fatores levam ao aumento das perdas e comprometem o ciclo de vida e a operação dos equipamentos.
Bombas
As bombas são equipamentos essenciais no sistema de processos em um sistema offshore, com a finalidade de bombeamento do fluído através das linhas de processo emumaplataforma, injeçãodeáguaeoutroslíquidos. Auxiliatambémnaseparação de gás/líquido, óleo/água e separação multifásica. A tabela 2 mostra os valores de potência de alguns equipamentos em uma unidade offshore específica relatada em. Nota-se que a maioria dos equipamentos são bombas e compressores.
Tabela 2: Descrição de cargas com as respectivas potências de uma plataforma de petróleo
Compressores
No processo de separação do óleo/água/gás, o gás sofre uma despressurização naturalmente, mas ele deve ser pressurizado novamente para que seja transportado pelos gasodutos, seja para as unidades de processamento, para continuar o condicionamento ou para reinjeção do gás [37]. Esse último é um processo muito importante em campos maduros (mais antigos), pois a injeção de gás em reservatórios ajuda na recuperação do poço, ou seja, essa técnica aumenta a capacidade do poço. Nos campos mais novos, a injeção de gás auxilia na maximização da produção. O que ocorre é que o gás injetado aumenta a pressão suficientemente para forçar o fluido para a superfície.
2.3. Sistemas Subsea
Com a descoberta de campos de exploração de óleo e gás em águas profundas, o desenvolvimento da tecnologia subsea vem ganhando importância. Para extrair o óleo e gás, um grande número de equipamentos elétricos precisam ser instalados no leito marinho, aumentando, assim, a carga e a necessidade de geração de energia. Além disso, a tecnologia subsea é uma solução para a exploração de poços marginais, quando a instalação de uma estrutura fixa para a exploração desses poços não vale o custo-benefício.
Um sistema de controle submarino elétrico e hidráulico normalmente requer uma unidade localizada no topside para fornecer o controle e a energia necessárias aos equipamentos submarinos. Os dois tipos de sistemas de potência são: sistema de energia elétrica ou um sistema de energia hidráulica. O sistema de energia elétrica fornece energia aos equipamentos submarinos, incluindo válvulas e atuadores em árvores submarinas / manifolds, transdutores e sensores, bombas e motores.
CONCLUSÃO
A partir do trabalho de pesquisa em questão demonstra-se a importância do tema da geração de energia para plataformas de extração de petróleo e gás natural. Sem os sistemas de geração, não existe propagação da finalidade extrativista destas plataformas. Além disso, seu dimensionamento deve respeitar não apenas as limitações espaciais de tais plataformas, mas também as taxas de conversão energética, os aspectos ambientais inerentes, a confiabilidade e segurança dos sistemas e por fim, o atendimento às demandas determinadas.