XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

Transcrição

1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA Versão a 25 Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO I GRUPO DE ESTUDO DE GERAÇÃO HIDRAULICA - GGH VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS FABRICAÇÃO NACIONAL ESTUDOS DE CASO: UHE ILHA SOLTEIRA-CESP E UHE JUPIÁ-CESP. Luiz Antonio Haddad Rodrigues (*) HYDRUS TECNOLOGIA HIDRÁULICA LTDA Edson Ávila Barreiros REIVAX AUTOMAÇÃO E CONTROLE S/A RESUMO Válvulas Distribuidoras (VD) são válvulas direcionais proporcionais especiais de alta vazão empregadas em reguladores de velocidade (RV) de Turbinas Hidráulicas. O setor de hidrogeração, ao longo de mais de um século, desenvolveu equipamentos especiais principalmente em função das baixas pressões utilizadas nos sistemas hidráulicos do RV, mantendo pouca relação com o setor industrial que emprega atualmente pressões de 350 bar ou mais, enquanto grande parte dos reguladores com mais de 20 anos empregam pressões abaixo de 60 bar (limite de aplicação do acumulador ar-óleo). Pressões baixas exigem vazões acima das faixas disponíveis nas válvulas do setor de hidráulica industrial. No contexto descrito acima, a aplicação das válvulas distribuidoras no setor de hidrogeração, continuará sendo a única solução confiável para unidades geradoras de potência elevada. Na modernização parcial de reguladores de velocidade com mais de 25 anos torna-se necessário substituir a válvula distribuidora sem o aumento de pressão de suprimento e mantendo a carcaça original, tubulações e servomotores. Nesses casos, que ocorrem com maior freqüência no Brasil, a Hydrus e Reivax desenvolveram uma solução para substituir a válvula distribuidora mantendo a carcaça original. Também é disponibilizada no mercado nacional a solução completa de válvulas distribuidoras com carcaça fundida, conforme as necessidades e especificações do cliente, para novas máquinas e para modernização completa quando a carcaça, tubulações e servomotores são substituídos. As principais vantagens da disponibilização de válvulas distribuidoras nacionais são os custos competitivos em relação às válvulas importadas e o domínio tecnológico nacional que permite um incremento significativo na logística de apoio para operação e manutenção de reguladores de velocidade. Ensaios padronizados completos (IEC 60308) de válvulas distribuidoras são disponibilizados aos clientes para a análise detalhada de parâmetros determinantes como vazamento interno e recobrimento dos ressaltos do carretel em relação aos pórticos da camisa. Nesse artigo serão apresentados os casos de fornecimento de Válvulas Distribuidoras para as UHE de Ilha Solteira (Francis 170 MWatts) e Jupiá (Kaplan 110 MWatts) da CESP. Os resultados obtidos durante ensaios de laboratório conforme norma IEC e comissionamento das válvulas distribuidoras em campo serão apresentados e analisados. PALAVRAS-CHAVE Válvula Distribuidora, Regulador de Velocidade, Fabricação de válvulas distribuidoras, Modernização de válvulas distribuidoras (*) Rua Itaiópolis, n Bloco B CEP Joinville, SC Brasil Tel: (+55 48) (+55 47) lhr@hydrus.ind.br

2 INTRODUÇÃO Em fevereiro de 2007 a Reivax S/A e a Hydrus Tecnologia Hidráulica Ltda projetaram e construíram protótipo de válvula distribuidora com a finalidade de disponibilizar no mercado brasileiro uma solução customizada para atender a demanda por modernização desses componentes. Ao longo de 2 anos foram otimizados o processo de fabricação, controle metrológico, ensaios estáticos e dinâmicos em laboratório conforme normas aplicáveis e instalação/comissionamento em campo. Em agosto de 2008 foi instalada a primeira válvula distribuidora Hydrus na UG-13 da UHE Ilha Solteira-CESP e em Dezembro de 2008 duas outras válvulas foram instaladas na UG-07 da UHE Jupiá-CESP. As principais vantagens da disponibilização de válvulas distribuidoras nacionais são os custos competitivos em relação às válvulas importadas e o domínio tecnológico nacional que permite um incremento significativo na logística de apoio para operação e manutenção de reguladores de velocidade. A confiabilidade operacional e desempenho de válvulas distribuidoras são definidos na precisão de usinagem (dimensional e forma) do conjunto camisa e carretel como será apresentado neste artigo PROJETO E DESENVOLVIMENTO DE VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS HYDRUS 2.1 Introdução O projeto de válvula distribuidora (válvula direcional proporcional de alta vazão) segue especificações de projeto integrando os seguintes domínios tecnológicos: Projeto mecânico, materiais, processos de usinagem, fundição, metrologia, sistemas eletro-hidráulicos e engenharia de controle. A função principal da válvula distribuidora, no regulador de velocidade, é controlar a posição dos servomotores por meio do controle da transmissão de potencia hidráulica (variação proporcional dos orifícios da válvula), ou seja, controlar vazão e pressão proporcionalmente para pequenos deslocamentos do carretel da válvula distribuidora. A vazão e pressão (potência hidráulica) controlam velocidade e força (potência mecânica) dos servomotores, respectivamente. A válvula distribuidora representa o componente principal para o controle de posição preciso do distribuidor, pás Kaplan, agulhas e defletores Pelton conforme o tipo de turbina. 2.2 Especificações e Normas aplicáveis para Válvulas Distribuidoras O projeto de válvulas distribuidoras deve integrar os diversos domínios tecnológicos descritos anteriormente, a partir de especificações completas e precisas, para atender o desempenho estático e dinâmico definidos por normas aplicadas para Reguladores de Velocidade de Turbinas Hidráulicas. Todos esses domínios irão gerar especificações determinantes para a qualidade do produto final. As especificações de funcionalidade e de desempenho são determinadas por normas empregadas tanto pelos fabricantes às válvulas direcionais proporcionais industriais (4) quanto pelo setor de hidrogeração para Procedimentos e Testes de Reguladores de Velocidade (5), (6), (7) e (8). 2.3 Projeto Centrado na Mantenabilidade e Confiabilidade Maximização da Disponibilidade O projeto de sistemas mecânicos, conforme suas especificidades, são centrados em atributos de projeto que definem as características finais do produto. No caso de válvulas distribuidoras, que apresentam funções vitais para o bom desempenho do regulador de velocidade como um todo, deseja-se que a disponibilidade seja a máxima possível. O projeto mecânico centrado na mantenabilidade (mínimo tempo de reparo) e confiabilidade (mínimo número de falhas) é desenvolvido para todo ciclo de vida da válvula distribuidora, desde as fases de projeto até a necessidade de substituição da válvula. Alcançando assim a meta prioritária de projeto de todo sistema técnico de engenharia onde a confiabilidade e mantenabilidade são os atributos principais: a maximização da disponibilidade do regulador de velocidade. Esse tempo para o ciclo de vida é da ordem de 20 anos para os projetos modernos e são fortemente dependentes das condições operacionais do óleo hidráulico empregado no Regulador de Velocidade. 2.4 Subprojetos A integração da Engenharia Mecânica, Sistemas Eletro-hidráulicos e Engenharia de Controle no Projeto de Válvulas Distribuidoras O projeto global resulta da integração de vários subprojetos que são definidos em cada especialidade ou domínio da engenharia aplicada. Há, evidentemente, uma forte interdependência entre as funções especificadas nos domínios para a perfeita integração e atendimento da função principal da válvula distribuidora. Nesse sentido, o projeto global se subdivide em subprojetos para cada domínio das engenharias Mecânica e de Controle, descritas a seguir.

3 Subprojeto Mecânico Concepção e Desenho mecânico Dentre as várias concepções existentes para válvulas distribuidoras com carretel na posição vertical, a que apresenta melhores características de funcionalidade e desempenho é apresentada na Figura 1. Nessa concepção o estágio piloto, controlado por válvula proporcional tamanho NG 6, é externo ao carretel principal permitindo a separação dos óleos principal e piloto. Essa característica é desejável em sistemas com grande volume de óleo, onde é necessário separar o óleo do estágio piloto que irá operar com válvulas proporcionais que exigem alto grau de limpeza. Figura 1 Projeto mecânico de válvula distribuidora de UHE Jupiá CESP Subprojeto Mecânico Dimensionamento Mecânico (análise tensões e deformações) O dimensionamento mecânico abrange desde a análise de tensões e deformações, para garantir a resistência às pressões de trabalho, quanto à análise de escoamento para definir a geometria das arestas de controle e escoamento nos canais da válvula. O projeto das arestas dos orifícios de controle apresenta forte correlação com o projeto eletro-hidráulico, sendo um dos parâmetros que definem o formato das curvas de vazão e pressão da válvula distribuidora. Na Figura 2 são apresentados alguns resultados da análise de tensões de válvulas direcionais proporcionais e distribuidoras. Análise de tensões carretel Análise tensões corpo de válvula Figura 2 Dimensionamento mecânico e análise escoamento de válvulas distribuidoras.

4 Subprojeto Mecânico Processos de Fabricação (usinagem, usinagem de alta precisão e metrologia) Usinagens por coordenadas das peças do conjunto em tornos CNC e Centros de usinagem permitem produção de peças com excelentes acabamentos e precisão especificada. Retíficas plana e cilíndrica com resolução de usinagem das superfícies de 2 µ no conjunto carretel e camisa para produzir ajustes de folgas radiais com formas uniformes e precisas. A cilindricidade obtida no processo de fabricação desenvolvido e utilizado nas válvulas distribuidoras nacionais está abaixo de 2 µ para o carretel e 3 µ para a camisa. Tratamentos térmicos e de superfície controlados para um perfeito ajuste e deslizamento nas tênues películas de óleo presentes na folga radial entre carretel e camisa e outras peças do estágio piloto da válvula distribuidora. O controle dimensional e de forma durante a fabricação e nas peças acabadas são determinantes para o desempenho das válvulas distribuidoras (ver Figura 3). Controle de forma na fabricação Controle dimensional na fabricação Máquina de coordenadas Controle dimensional camisa Figura 3 Controle metrológico durante fabricação de válvulas distribuidoras Subprojeto Mecânico Materiais Novos materiais como aços e ferros fundidos especiais permitem propriedades uniformes e conformidade com as propriedades especificadas em comparação aos projetos antigos. A principal preocupação do projeto de válvulas de carretel deslizante, depois de assegurada a resistência mecânica dos componentes (principalmente carcaça para pressão de trabalho), é garantir as propriedades tribológicas entre carretel e camisa (estudo da interação entre superfícies com movimento relativo). As folgas radiais são da ordem de 15 a 25 µm e exigem que os materiais, tratamentos térmicos e rugosidade sejam selecionados de tal forma a impedir a afinidade entre carretel e camisa, evitando qualquer possibilidade de iteração entre as duas peças Subprojeto Eletro-hidráulico de Controle (Dimensionamento Estático e Dinâmico) O subprojeto eletro-hidráulico da válvula distribuidora deve atender requisitos de comportamento dinâmico do sistema a ser controlado (no caso de reguladores de velocidade será a posição do distribuidor, pás Kaplan, agulha e defletor Pelton). As normas apresentadas na Seção 2.2 definem o desempenho dinâmico desejado para cada caso. Nesse ponto o projeto correlaciona parâmetros hidráulicos (pressão, vazão e vazamento interno) e mecânico (folga radial, recobrimento e curso do carretel) com o comportamento dinâmico especificado pelas normas. A principal característica das válvulas distribuidoras utilizadas em Reguladores de Velocidade no passado é a maximização do diâmetro do ressalto do carretel com o objetivo de impor um alto ganho de vazão. Pequenos deslocamentos no carretel produzem altas velocidades nos servomotores (altas vazões na válvula). Essa característica foi adotada para compensar as folgas da transmissão mecânica de sinais que implicava em um alto tempo morto resultante (dead time) nos reguladores mecânicos. Atualmente, na substituição das válvulas distribuidoras, o tamanho dos orifícios é redimensionado para adequar o curso do carretel com a resolução dos reguladores digitais. Os três parâmetros geométricos que definem a curva de pressão de uma válvula direcional proporcional são: folga radial, recobrimento, e os raios de concordância das arestas de controle dos furos na camisa e ressaltos do carretel ENSAIOS (IEC-60308) DE VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS HYDRUS Os ensaios de funcionalidade e desempenho foram realizados em banco de ensaios projetado e construído para atender as especificações da norma IEC-60308, como mostra a Figura 4. Na Figura 5 é mostrado o circuito hidráulico do banco de ensaios que também permite análises dinâmicas de controle de posição do carretel da válvula distribuidora e servomotor. Na Figura 6 é apresentado resultado da curva de pressões para válvula

5 5 distribuidora da UG-13 da UHE-Ilha Solteira-CESP. Na Figura 7 é mostrado resultado para o ensaio de vazamento interno (IEC-60308) e análise da variação do vazamento interno com recobrimentos de 0,10 e 0,15 mm. Banco de ensaio e testes normalizados Ensaios de fábrica para aprovação Válvula Distribuidora UHE Ilha Solteira UG 13 Figura 4 Projeto mecânico de válvula distribuidora de UHE Jupiá CESP. Figura 5 Circuito Hidráulico de Ensaios (IEC-60308) e Testes de válvulas distribuidoras COMISSIONAMENTO DE VÁLVULAS DISTRIBUIDORAS HYDRUS RESULTADOS PARA UHE ILHA SOLTEIRA E UHE JUPIÁ-CESP Em agosto de 2008 foi comissionada a válvula distribuidora da UG-13 da UHE-Ilha Solteira (Francis, 170 MWatts) e os resultados para Rejeição de carga são mostradas na Figuras 8. Em dezembro de 2008 foi concluído comissionamento da UG-07 da UHE Jupiá (Kaplan, 110 MWatts). Na Figura 9 são apresentados os resultados para rejeição de carga com 90 MWatts. Para essa máquina Kaplan duas válvulas distribuidoras foram instaladas com

6 6 uma unidade hidráulica de apenas 50 Litros para separar o óleo do estágio piloto, conforme circuito hidráulico mostrado na Figura 10. Válvulas de 3 vias permitem que, na falha da Unidade Hidráulica piloto, óleo do acumulador principal seja interligado para alimentar as válvulas proporcionais com a UG interligada no sistema. Figura 6 Curva de pressões IEC (à esquerda) e resultados de ensaios para válvula distribuidora da UHE- Ilha Solteira (à direita). Figura 7 Ensaio de vazamento interno (IEC-60308) e estudo com recobrimentos de 0,10 e 0,15 mm.

7 7 Figura 8 Resultados de comissionamento: Rejeição de carga UG-13 da UHE Ilha Solteira CESP Figura 9 Resultados de comissionamento: Rejeição de carga UG-07 da UHE Jupiá CESP.

8 8 Figura 10 Cicuito Hidráulico de Unidade Hidráulica piloto para separação do óleo de pilotagem (comando) do óleo do acumulador do RV UG-07 da UHE Jupiá CESP CONCLUSÕES Tecnologias modernas de projeto, fabricação e dimensionamentos customizados de Válvulas Distribuidoras são empregadas para uma perfeita integração do Sistema Eletro-hidráulico de Regulação com as tecnologias digitais de controle e automatismos utilizadas atualmente no setor de hidrogeração em todo o mundo. A concepção empregada no projeto das válvulas distribuidoras nacionais da Hydrus permite a separação do óleo piloto do grande volume do óleo do RV, empregando uma unidade Hidráulica de pequeno volume, com objetivo de aumentar a confiabilidade operacional das válvulas proporcionais que são os componentes mais sensíveis à qualidade do óleo. A oferta de válvulas distribuidoras nacionais, com vantagens na logística de manutenção, domínio tecnológico e custos, tornam atrativa a modernização dos reguladores de velocidade mais antigos no parque brasileiro de hidrogeração REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) REIVAX S/A, LASHIP-UFSC, FEESC. Desenvolvimento de Válvulas e Equipamentos Eletro-Hidráulicos Inteligentes aplicados na Geração de Energia Elétrica Convênio FINEP: FNDCT / CT ENERG (Projeto de incubação da empresa de base tecnológica HYDRUS TECNOLOGIA HIDRÁULICA LTDA); Brasil (2002) (2) HADDAD, L. A. Concepções e especificações de projeto de válvulas proporcionais e distribuidoras para Reguladores de Velocidade; HYDRUS Brasil (2003) (3) HADDAD, L. A. Projeto de desenvolvimento de Válvula Direcional Proporcional com Eletrônica embarcada NG 6 OBE Modelo HDR01DP; HYDRUS Brasil (2005) (4) INTERNATIONAL ORGANIZATION FOR STANDARTIZATION ISO , (First edition ) Hydraulic fluid power Electrically modulated hydraulic control valves Part 1: Test methods for four-way directional flow control valves Switzerland (1998).

9 9 (5) INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION IEC Hydraulic Turbines Testing of Control Systems. Switzerland (2005). (6) INTERNATIONAL ELECTROTECHNICAL COMMISSION IEC Guide to specification of hydroturbine control systems Switzerland (1997). (7) ANSI/IEEE Std Preparation of Equipment Specifications for Speed-Governing of Hydraulic Turbines Intended to Drive Electric Generators USA (1988). (8) ASME PTC Speed-Governing Systems for Hydraulic Turbine-Generator Units USA (2005) DADOS BIOGRÁFICOS Luiz Antonio Haddad Rodrigues nascido em 01/04/1963 é natural de São Paulo capital. Formado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual Paulista UNESP em Mestre em Engenharia Nuclear pelo Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares IPEN/USP em Engenheiro/Pesquisador do Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo CTMSP entre 1989 e 1999 na área de Termo-Hidráulica experimental. Professor adjunto de Máquinas Hidráulicas e do Laboratório de Mecânica dos Fluidos na Universidade Cruzeiro do Sul UNICSUL entre 1996 e Entre 2000 e 2006 atuou como Engenheiro/Pesquisador no Laboratório de Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos LASHIP no Departamento de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina UFSC. Cursou o programa de Doutorado em Engenharia Mecânica na UFSC na área Projeto de Sistemas Mecânicos (não concluído). Especialização nos últimos 8 anos em Sistemas Hidráulicos de Controle aplicados na área de Hidrogeração (Reguladores de Velocidade). Diretor-executivo da HYDRUS Tecnologia Hidráulica Ltda, empresa de base tecnológica fundada em Junho de 2003 atuando na área de Sistemas Hidráulicos de Controle.