Título do trabalho. Monitoramento online como ferramenta. para AIE

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1 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL CEPEL Monitoramento online como ferramenta Título do trabalho para AIE Autor/apresentador Bruno R. Cardoso, Carlos Frederico T. Matt Fernanda F. M. dos Santos, Heloisa C. Furtado - Eletrobrás Cepel Área

2 EXPECTATIVA DE VIDA ÚTIL DE UTE s

3 HISTÓRICO Avaliação de Integridade Estrutural Europa + USA Década de 80 Objetivo: Inspeção do componente; Diagnóstico de sua integridade estrutural; Determinar as tarefas para se evitar uma falha do componente; Cálculo da vida remanescente; Identificar os investimentos a realizar e o prazo de execução.

4 HISTÓRICO 1992 Acidente PQU 8 Mortos Início de Avaliação de Integridade no Setor Petroquímico Avaliação de Integridade demanda do Setor Elétrico GTMT/GCOI Alteração da Norma NR /95 Segurança de Caldeiras e Vasos de Pressão Força de Lei Ministério do Trabalho Avaliação de Integridade obrigatória para caldeiras de grande porte com mais de 20 anos

5 HISTÓRICO Avaliação de Integridade Estrutural e Cálculo da Vida Remanescente em Usinas Termelétricas INÍCIO: 1992 FURNAS Usina de Santa Cruz e Campos

6 HISTÓRICO Avaliação de Integridade Estrutural e Cálculo da Vida Remanescente em Usinas Termelétricas DADOS 24 anos de experiência; 98 avaliações de integridade; Média: 4 avaliações / ano CLIENTES CEMIG CHESF CGTEE ELETRONORTE FURNAS TRACTEBEL

7 LINHAS DE PESQUISA PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA Banco de dados e informação Banco de Dados para UT Guia de AES Guia de Campo para AES Avaliação de Integridade Estrutural Envelhecimento de Materiais em Altas Temperaturas Materiais Térmicas Carbovida FeW Bainítico Monitoração e Diagnóstico Diatérmica Monitermo Turbodiag

8 OBJETIVO Público-Alvo: Engenharia de Manutenção e Operação de Usinas GESTÃO DE ATIVOS FÍSICOS PRODUTO: SOFTWARE

9 BENEFÍCIOS Redução dos custos de manutenção e inspeção Menor freqüência de paradas; Maior confiabilidade e disponibilidade da unidade; Maior segurança de operação; Redução das incertezas na estimativa da vida remanescente; Redução do esforço, a partir da automatização e integração do processo; Planejamento para substituição de equipamentos; Monitoração em tempo real (via Internet) da condição operacional do equipamento.

10 PROJETOS PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA Diatérmica ( ) Previsão da Vida Remanescente de Equipamentos de Usinas Termelétricas a partir da Monitoração em Tempo Real de Temperatura e Pressão Equipamento-Alvo: Caldeira/Reaquecedor Monitermo ( ) Previsão da Vida Remanescente de Equipamentos de Usinas Termelétricas com Foco na Monitoração em Tempo Real da Taxa de Deformação Equipamento-Alvo: Tubulações Principais Turbodiag ( ) Previsão da Vida Remanescente de Componentes de Turbinas a Vapor a partir da Monitoração em Tempo Real de Grandezas Específicas Equipamento-Alvo: Turbina

11 OBJETIVO Estimativa da vida remanescente à fluência de tubos baseada na monitoração em tempo real de grandezas de processo (vazão, temperatura e pressão do vapor). INÍCIO: 2004 CONCLUSÃO: 2006 CLIENTES: PROJETO DIATÉRMICA CHESF CGTEE ELETROBRÁS ELETRONORTE FURNAS TRACTEBEL ENERGIA Feixe de tubos do reaquecedor

12 PROJETO DIATÉRMICA Metodologia do Projeto AVALIAÇÃO DE INTEGRIDADE INICIAL ω 0 INSPEÇÃO EM CAMPO MONITORAÇÃO (GRANDEZAS DE OPERAÇÃO) MODELO DO ESCOAMENTO DO VAPOR NA TUBULAÇÃO DO RH VELOCIDADES MODELO DE TRANSFERÊNCIA DE CALOR (COND. + CONV. + RAD.) TEMPERATURAS ANÁLISE DE ESFORÇOS MECÂNICOS SOB REGIME DE FLUÊNCIA DANO ACUMULADO VIDA REMANESCENTE MODELO DE PROPAGAÇÃO DO DANO TENSÕES MECÂNICAS E TAXA DE DEFORMAÇÃO Modelos metalúrgicos (paramétricos e empíricos) Modelos mecanísticos (fenomenológicos, ex.: mecânica do dano)

13 MODELAGEM COMPUTACIONAL PREVISÃO DO CAMPO DE TEMPERATURAS PROJETO DIATÉRMICA o i tubo tubo R r R dr dt k r dr d r 0, O H t R r i i O H t R r i i t R r i i T T T T h dr dt k i i i i i i 4 4 gases t R r o o gases t R r o o t R r o o T T T T h dr dt k o o o o o o

14 PROJETO DIATÉRMICA MODELAGEM COMPUTACIONAL PREVISÃO DO CAMPO DE TENSÕES (r ) p i r (r ) p i

15 PROJETO DIATÉRMICA MODELAGEM COMPUTACIONAL PREVISÃO DO DANO ACUMULADO PREVISÃO DO TEMPO DE RUPTURA POR FLUÊNCIA 1. MODELOS METALÚRGICOS Parâmetro de Larson-Miller, PLM() = T(C 1 + log t R ) Parâmetro de Manson-Haferd, PLM() = (log t R C 2 )/(T 370) 2. MODELO DA MECÂNICA DO DANO CONTÍNUO Lei de evolução do dano proposta por Kachanov-Rabotnov d ( t) C dt C k A( t), r C(0) 0 e C ( tr ) (1 ( t)) R REGRAS DE ACÚMULO DE DANO 1. Regra de acúmulo linear de Robinson ti C ( ti 1) C ( ti ), i 0,1,..., N 1 t (, T ) R i i 2. Regra de acúmulo não linear dada pela lei de evolução do dano R t R (1 C( t)) C r 0 A( t) 0 k dt C ( t N ) R

16 PROJETO DIATÉRMICA Processo Automatizado e Integrado Características Aquisição em tempo real dos dados necessários à análise, empregando um número maior de sensores Implementação do processo computacional de cálculo de dano total acumulado e vida remanescente Análise em tempo real da evolução do dano por fluência nos tubos do reaquecedor

17 SISTEMA DIATÉRMICA INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): SISTEMA DE ALARMES

18 SISTEMA DIATÉRMICA INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): FERRAMENTAS DE PROCESSAMENTO DOS SINAIS COLETADOS

19 SISTEMA DIATÉRMICA INTERFACE GRÁFICA (ACESSO VIA INTERNET): ESTIMATIVA DE VIDA REMANESCENTE À FLUÊNCIA Número do Tubo Nome do Tubo Vida Remanescente

20 PROJETOS PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA Diatérmica ( ) Previsão da Vida Remanescente de Equipamentos de Usinas Termelétricas a partir da Monitoração em Tempo Real de Temperatura e Pressão Equipamento-Alvo: Caldeira/Reaquecedor Monitermo ( ) Previsão da Vida Remanescente de Equipamentos de Usinas Termelétricas com Foco na Monitoração em Tempo Real da Taxa de Deformação Equipamento-Alvo: Tubulações Principais Turbodiag ( ) Previsão da Vida Remanescente de Componentes de Turbinas a Vapor a partir da Monitoração em Tempo Real de Grandezas Específicas Equipamento-Alvo: Turbina

21 PROJETO MONITERMO ESTIMATIVA DE VIDA RESIDUAL A PARTIR DA MONITORAÇÃO EM TEMPO REAL DAS DEFORMAÇÕES DE TUBULAÇÕES EM USINAS DE GERAÇÃO TÉRMICA Objetivo Desenvolver um procedimento para monitoração em campo da deformação de materiais que trabalham em altas temperaturas Desenvolver um método matemático capaz de associar as taxas de deformação destes materiais à sua vida remanescente Produto Software capaz de monitorar on-line a taxa de deformação em serviço de componentes que operam em altas temperaturas e calcular a vida remanescente dos mesmos.

22 PROJETO MONITERMO Caldeira 3 da Usina PRESIDENTE MÉDICI Clientes CHESF CGTEE Laboratório de Campo ELETROBRÁS ELETRONORTE FURNAS

23 ETAPAS DO PROJETO Análise da distribuição das tensões principais MEF Escolha do sensor adequado Instalação em campo Desenvolvimento de um modelo matemático adequado Implementação e Monitoração

24 ANÁLISE DAS TENSÕES Definição dos pontos de instalação dos sensores

25 ESCOLHA SENSOR UTILIZADO O extensômetro elétrico é um elemento sensível que transforma pequenas variações de dimensões em variações equivalentes de sua resistência elétrica. DESAFIO EXPERIMENTAL: MEDIR DEFORMAÇÃO EM ELEVADA TEMPERATURA (>450ºC) Características desejáveis - Estabilidade - Robustez - Precisão KYOWA HPI SJB

26 ESCOLHA SENSOR UTILIZADO Foram realizados diversos testes em laboratório HPI Kyowa

27 ESCOLHA SENSOR UTILIZADO Sensor escolhido: KYOWA Encapsulado Robusto Maior confiabilidade KYOWA - KHCM G15-11 C2M

28 INSTALAÇÃO EM CAMPO Soldagem dos extensômetros Instalação dos termopares Instalação dos armários Foram soldados 34 sensores, distribuídos em 17 pontos de medição

29 INSTALAÇÃO EM CAMPO Réplicas metalográficas Microestrutura degradada MICROTRINCAS

30 PROGRAMA MONITERMO PROCESSAMENTO - Análise dos dados - Cálculo do tr (Monkman-Grant e Larson-Miller) - Cálculo do dano acumulado

31 PROGRAMA MONITERMO Tela de visualização dos dados de aquisição em tempo real

32 PROGRAMA MONITERMO Tela do módulo de serviços, mostrando valor do dano acumulado e da vida remanescente dos pontos monitorados

33 PROJETOS PARA GERAÇÃO TERMELÉTRICA Diatérmica ( ) Previsão da Vida Remanescente de Equipamentos de Usinas Termelétricas a partir da Monitoração em Tempo Real de Temperatura e Pressão Equipamento-Alvo: Caldeira/Reaquecedor Monitermo ( ) Previsão da Vida Remanescente de Equipamentos de Usinas Termelétricas com Foco na Monitoração em Tempo Real da Taxa de Deformação Equipamento-Alvo: Tubulações Principais Turbodiag ( ) Previsão da Vida Remanescente de Componentes de Turbinas a Vapor a partir da Monitoração em Tempo Real de Grandezas Específicas Equipamento-Alvo: Turbina

34 PROJETO TURBODIAG Período Turbina a Vapor Partes estacionárias e rotativas Mecanismos de degradação Fluência Fadiga de baixo ciclo Termomecânica Desenvolver e aplicar metodologias de avaliação de vida remanescente para os componentes mais críticos, considerandose os fenômenos de degradação por fluência e fadiga Produto Software de diagnóstico de turbinas de termelétricas

35 PROJETO TURBODIAG CHESF CGTEE Eletrobrás Eletronorte Tractebel Energia

36 PROJETO TURBODIAG LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO MODELAGEM NUMÉRICA ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA ALGORITMOS DE ANÁLISE SIMULAÇÃO CUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMA COMPRA DOS SENSORES INSTALAÇÃO INSTRUMENTAÇÃO IMPLEMENTAÇÃO ACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOS SOFTWARE DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICAS

37 PROJETO TURBODIAG Principais componentes da turbina Rotor de alta pressão Rotor de média pressão Carcaças internas dos rotores de alta e média pressão Carcaças externas dos rotores de alta e média pressão Válvulas principais Palhetas dos rotores de alta e média pressão Bocais das turbinas de alta e média pressão Parafusos das carcaças

38 PROJETO TURBODIAG Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo Mathcad Módulos Dois códigos por componente Fluência e Fadiga Recebimento e tratamento dos dados Biblioteca de materiais e dados geométricos Cálculos das grandezas de engenharia Estimativas de dano acumulado e vida remanescente

39 PROJETO TURBODIAG Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo Cálculo do Dano Total Acumulado e da Vida Remanescente Teoria de Acúmulo de Dano Linear D= Φ C + Φ F Dados de Operação Filtragem dos Dados Modelos de Dano e Vida Remanescente Biblioteca de Materiais D C ti i1 t (T,σ ) N CO R,i i i Cálculo das Grandezas de Engenharia D F N CO i1 Ni N R,i Propriedades Termofísicas do Fluido de Trabalho

40 SISTEMA TURBODIAG Monitoramento das grandezas em tempo real Temperatura Pressão Deformação Vazão Rotação Vibração

41 SISTEMA TURBODIAG Evolução do dano em tempo real

42 SISTEMA TURBODIAG Evolução do dano em tempo real

43 CONSIDERAÇÕES FINAIS Os sistemas de monitoramento desenvolvidos são integrados aos sistemas supervisórios das usinas; Os softwares apresentados foram desenvolvidos para equipamentos específicos, mas são extensivos a qualquer componente que opera em alta temperatura; O monitoramento é uma ferramenta da avaliação de integridade estrutural que deve ser usado em conjunto com inspeções periódicas de campo; O monitoramento subsidia o PH a estabelecer a periodicidade das inspeções de campo.

44 Heloisa Furtado; Bruno Cardoso; Fernanda Santos ; nandafms@cepel.br Departamento de Tecnologias Especiais DTE Carlos Frederico Matt cfmatt@cepel.br Departamento de Linhas e Estações DLE Diretoria de Pesquisa, Desenvolvimento e Inovação Obrigado! Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL

45 PROJETO DIATÉRMICA Sensores (termopares) e hardware de aquisição de sinais (módulo FieldPoint da National Instruments)

46 Temperatura [oc] PROJETO TURBODIAG Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo Filtros de dados de interesse Método da janela móvel Varredura de uma grandeza Identificação da condição operacional Exemplo Dados de interesse para fluência 60 0 Sinal Filtro bruto 1 Sinal Filtro filtrado2 t s tart t end T end 40 0 T metalfiltro1 Tmetalfiltro1 metalfiltro T s tart Tempofiltro1 Tempofiltro1 Tempofiltro2 Tempo o [min]

47 PROJETO TURBODIAG Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo Cálculo das grandezas de engenharia Formulações analíticas Simulação computacional MEF

48 Tensão (MPa) t (%) PROJETO TURBODIAG Desenvolvimento dos Algoritmos de Cálculo Modelos de dano Fluência Fadiga 600 1,00E PLM CrMoV 300 1,00E PLM x 0,001 Curva mestre do parâmetro de Larson- Miller para o aço 1CrMoV 1,00E-01 1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05 NR (Ciclos) Curva de resistência à fadiga aço 1CrMoV