Décimo Quinto Encontro Regional Ibero-americano do CIGRÉ Foz do Iguaçu-PR, Brasil 19 a 23 de maio de 2013

Transcrição

1 SISTEMA INTELIGENTE DE CONTROLE DE AERAÇÃO EM TURBINAS FRANCIS A. P. Ferretti* D. Q. Accattini* R. Straatmann* E. Loreatto* R. Moretto* *Andritz Hydro Inepar RESUMO Diversas turbinas Francis ao redor do mundo apresentam alguma restrição operacional devido a instabilidades e a solução mais eficaz e mais aplicada é a admissão de ar. No entanto a aeração tem efeitos colaterais indesejados sobre a eficiência, apresentando uma redução de 1% a 3%, tipicamente, em muitos ponto de operação. Cada turbina possui características hidráulicas diferentes, que podem ser delimitadas na curva de colina. As instabilidades hidráulicas em turbinas Francis dependem principalmente da abertura do distribuidor, da queda líquida e do nível de jusante, ou melhor, do coeficiente de cavitação, conhecido como Sigma ou Thoma number. O sistema de aeração atualmente difundido pode permitir que a aeração ocorra em pontos operacionais desnecessários ou quando as instabilidades estiverem dentro de limites aceitáveis. Após estudos realizados no Laboratório de Hidráulica da Andritz Hydro Inepar, verificou-se que o retorno de geração de energia e a robustez do sistema são motivos suficientes para sua modernização, que agora conta com atuação pneumática. Portanto essa nova abordagem foi desenvolvida afim de promover a aeração se necessário, bem como suprimí-la quando conveniente. A investigação das condições necessárias, bem como da vazão de ar requerida para a aeração ocorre durante os ensaios de modelo realizados no laboratório. Os resultados obtidos encorajam a análise de sua aplicação também em turbinas Francis em operação comercial, principalmente nas de maior potência, porque a alteração de projeto é mínima e o retorno pode superar em pouco tempo o custo da investigação e modernização. Para novas UHE s a solução é bastante recomendada. Este artigo se propõe a apresentar o conceito do sistema de aeração assim como os principais resultados obtidos em ensaios de modelos de turbinas Francis. PALAVRAS-CHAVE Aeração, admissão de ar, injeção de ar, laboratório, eficiência, Francis, cavitação, vórtice, instabilidade hidráulica, Sigma. 1 / 7

2 1. INTRODUÇÃO As turbinas hidráulicas Francis podem apresentar pontos de operação em que instabilidades hidráulicas emergem, podendo gerar vórtices, cavitação, pulsações de pressão, vibrações ressonantes ou auto-excitadas, entre outros, que podem levar a danos ou desgastes em algumas partes da máquina e são uma das maiores causas de manutenção em turbinas. Afim de resolver estes fenômenos, ou pelo menos amenizar os efeitos causados, uma das soluções mais comuns é adicionar um sistema de aeração em partes diferentes da máquina, de acordo com o fenômeno apresentado. Além disso, o sistema de aeração é interessante pelo fato de elevar a concentração de oxigênio na água, fator importante para ampliar a vida nos rios e lagos. Uma das formas mais comuns para se amortecer flutuações de pressão na sucção, geralmente causadas por vórtices de cargas parciais, é a aeração através do eixo. Outras formas menos usuais para máquinas maiores são a aeração por alta pressão, geralmente entre as palhetas diretrizes e o rotor ou aeração periférica ao redor do tubo de sucção. Por isso muitas vezes são realizados ensaios em modelos reduzidos em laboratório, para quantificar a intensidade das ocorrências, verificar quando elas surgem e observar a efetividade da solução proposta. O Laboratório de Hidráulica da Andritz Hydro Inepar é capaz de realizar estas investigações de forma precisa. É importante ressaltar que a transposição dos resultados observados no modelo apresenta forte correlação mas não é idêntica ao protótipo. O número de Froud, por exemplo, influencia o comportamento do escoamento bifásico e em geral é muito diferente no modelo e no protótipo. O foco principal deste trabalho é apresentar o primeiro passo de uma solução mais efetiva para o sistema de admissão de ar pelo centro do eixo, implementado nas turbinas Francis. Este sistema será apresentado a seguir, seguido de resultados interessantes a respeito da perda de rendimento e das oscilações de torque e pressão. Ao final, serão consideradas as possibilidades futuras da evolução necessária para este sistema. Figura 1 Exemplos de aeração para solucionar diferentes fenômenos hidráulicos indesejados 2 / 7

3 2. DESENVOLVIMENTO Usualmente o sistema de aeração pelo centro do eixo implementado em protótipos, seja de turbinas Francis ou Turbinas-bomba, é composto por uma válvula mecânica normalmente fechada, pressionada por uma mola. Esta válvula está posicionada para permitir que o ar ambiente, à pressão atmosférica local, passe pelo centro do eixo das turbinas e chegue à parte inferior-central do rotor, conforme se pode observar na figura 2. Figura 2 Sistemas de aeração pelo centro do eixo: à esquerda, sistema tradicional atuado por molaamortecedor; à direita, nova solução implementada por atuação pneumática Figura 3 Queda na sucção (HS), definida como a diferença entre um nível de referência no rotor e o nível de água na jusante (TWL). O ar injetado segue pelo tubo de sucção até sair novamente para a atmosfera. No sistema antigo, a abertura desta válvula se dá pela diferença de pressão entre o ambiente e a pressão de saída na sucção, que varia em função, principalmente, do ponto de operação e do nível de jusante, de acordo com a figura 4. 3 / 7

4 Figura 4 Gráfico que mostra a pressão no ponto da admissão de ar em função da vazão e do nível de água na jusante Se esta pressão de atuação, ajustada pela contra-pressão da mola, não for precisamente calibrada ou calculada, ela pode abrir em situações desnecessárias ou pode não abrir quando for conveniente. Conforme demonstra o gráfico acima, caso o nível de jusante esteja próximo do mínimo, a válvula estará sempre aberta, situação indesejável, considerando o ajuste da mola representado pela linha vermelha. Por outro lado, caso o nível esteja alto, a válvula permanecerá fechada até mesmo em carga parcial, quando a aeração é mais interessante, que corresponde, de forma geral, para uma faixa de vazão até 75%. Portanto, mesmo quando bem ajustado, o sistema antigo de atuação desta válvula apresenta alguns pontos de comportamento não desejado. Outro aspecto relevante está relacionado à vazão de ar, geralmente desconhecida, que pode levar a perdas adicionais e significativas de eficiência, conforme será demonstrado a seguir. 3. RESULTADOS 3.1 Efeito da aeração sobre a eficiência Os resultados demonstram que a perda de eficiência de turbinas Francis são de fato significativas. Este efeito ocorre em toda a faixa de operação, seja em carga parcial, região de melhor rendimento ou em carga plena, com maior ou menor impacto na redução observada. A figura 5 mostra claramente este efeito. Para este levantamento, que foi realizado em laboratório, foram considerados os valores análogos aos nominais de rotação, queda líquida e de Sigma (número de Thoma) do protótipo. 4 / 7

5 Observa-se que mesmo com uma pequena vazão de ar de 0,5%, ocorre uma redução de rendimento entre 1,5 e 3% em toda a faixa operativa da colina. Além disso, sempre que a vazão de ar aumenta ocorrem perdas ainda maiores. Figura 5 Gráfico de eficiência versus admissão de ar. A eficiência é relativa ao valor de pico da colina. 3.2 Resultados dinâmicos As figuras a seguir mostram sinais de pressão na sucção e torque no eixo, todos em carga parcial para diferentes valores de vazão de ar. À esquerda estão os sinais no tempo e à direita os mesmos sinais no domínio da frequência, obtido através da FFT (Fast Fourier Transform). Figura 6 Os valores da melhor condição de operação ocorrem no pico da colina, sem injeção de ar 5 / 7

6 Figura 7 Pressão na sucção acima e torque abaixo, sem injeção de ar Figura 8 Resultado para injeção de ar de 0,5%, no mesmo ponto de operação Figura 9 Resultado para injeção de ar de 1,5% 6 / 7

7 Algumas observações pertinentes podem ser levantadas: A frequência de pulsação da pressão e do torque é a mesma para a figura 7, o que indica que o torque é afetado pela pressão de sucção; A frequência de pulsação de pressão cai, quanto mais ar for injetado. Isso indica que o ar funciona como um amortecedor no tubo de sucção e pode alterar a frequência de oscilação para uma faixa segura; As amplitudes de oscilação estão aceitáveis já com a aeração em 0,5%. Não há ganho em elevar a vazão de ar. A figura 6 apresenta o melhor ponto de operação. Foi observado que a aeração em carga plena não é efetiva como ocorre com carga parcial. Portanto ela será frequentemente desnecessária nesta região. Para este modelo, particularmente, pode-se concluir que a aeração ótima encontra-se entre 0% e 0,5%. Este valor ótimo é o compromisso de maximizar a eficiência e atingir os níveis aceitáveis de oscilação. 4. CONCLUSÃO Os ensaios realizados em laboratório mostram sua eficácia ao analisar, com precisão, os efeitos de se aplicar a aeração em turbinas Francis. Novos projetos ou unidades em operação podem ser investigadas, gerando uma maior compreensão sobre o comportamento dos fenômenos hidráulicos envolvidos, que são particulares para cada modelo. O novo sistema de aeração proposto vem ao encontro das necessidades atuais de se elevar o rendimento e reduzir a manutenção das unidades geradoras. É possível, ainda, criar um sistema realmente inteligente, em que a aeração ocorre em todos os pontos necessários, cada um deles regido por uma malha de controle, afim de se injetar apenas a quantidade ótima. Para isso, o prévio conhecimento levantado pelos ensaios em laboratório é indispensável Em suma, este sistema irá garantir máximo rendimento e mínima manutenção, principalmente nos rotores, componentes hidráulicos e mancais. BIBLIOGRAFIA [1] IEC Hydraulic turbines, storage pumps and pump-turbines - Model acceptance tests [2] IEC Hydraulic Turbines, Storages Pumps and Pump-Turbines: Rehabilitation and Performance Improvement 7 / 7