XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA

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1 XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA GGH a 25Novembro de 2009 Recife - PE GRUPO I GRUPO DE ESTUDO DE GERAÇÃO HIDRÁULICA-GGH COMPORTAMENTO DINÂNMICO DO PERFIL HODRÁULICO DA 1º ETAPA DA UHE-TUCURUÍ, EXCITADO POPR FORÇAS DESBLANCEADORAS CAUSANDO QUEBRA DE COMPONENTES PERIFÉRICOS. José Maria Caldas Batista CENTRAIS ELÉTRICAS DO NORTE DO BRASIL S.A. RESUMO A Eletronorte realiza ensaios especiais eletromecânicos e análises de sinais de Vibração Absoluta, Relativa e de Pressão Hidráulica, bem como, outras variáveis de processo de Comando, visando o levantamento do comportamento dinâmico do conjunto rotativo em termos Mecânicos, Vibratórios, Hidráulicos e Eletromagnéticos, com a finalidade de verificação da performance das máquinas e suas respectivas faixas operativas, com foco na Manutenção Preditiva, confiabilidade operacional e a garantia da vida útil dos equipamentos(2). As perturbações de origem hidráulica do fluido necessitam serem conhecidas durante seu escoamento através da Turbina, podendo tanto ser transmitida diretamente às paredes que contornam o fluxo, provocando vibração das mesmas, quanto provocar variações no Momento hidráulico e na força Axial sobre a Turbina, tais como: formação de Vórtices na caixa espiral, no pré-distribuidor, no anel e palhetas do distribuidor, nas pás Rotoras e no tubo de sucção, além de desbalanceamento Hidráulico e Cavitação (1). PALAVRAS-CHAVE Ensaio, Monitoramento, Vibratório, Hidráulica, desbalanceamento INTRODUÇÃO Os grupos hidrogeradores estão sujeitos a diversos esforços eletromecânicos durante a sua operação, como de comportamento mecânico, hidráulico, térmico e eletromagnético. Torna-se indispensável o monitoramento do comportamento dinâmico do conjunto rotativo, em termos de Vibração e Pressão Hidráulica, principalmente, na Sucção da Turbina, como parâmetros de controle, para que sejam correlacionados os componentes da máquina e suas respectivas freqüências naturais e excitadas, bem como, definir os limites de severidade para intervenção de manutenção (3). A UHE-Tucuruí na fase de comissionamento até a operação comercial, passando inclusive por ensaios de Index Test, com determinação da faixa operativa, foi tomada algumas medidas determinantes para a garantia da vida útil do equipamento. Entre elas o acordo entre a Eletronorte e os fabricantes, de que nenhuma unidade poderia entrar em operação comercial com o nível de vibração relativa acima de 100 microns pico a pico, principalmente na fase a vazio sem excitação. As unidades entraram em operação comercial, algumas em paralelo ao enchimento do lago, sem, contudo ter sido observado qualquer anormalidade severa do desempenho dinâmico hidráulico em termos de efeitos no comportamento vibratório das mesmas. Porém, a partir de 1998 quando já em obras a segunda etapa da usina, inclusive com novo perfil hidráulico do lago e a jusante, o Hidrogerador 08 de fabricação GE, começou apresentar vibração excessiva no Rod. Arthur Bernades, s/n Eletronorte CEP Belém, PA Brasil. Tel: (+55 91) Fax: (+55 91) Caldas@eln.gov.br

2 2 Mancal de Guia Superior em torno de 800 micros pico a pico, ou seja, 100% acima da folga de projeto que é 400 microns pico a pico. Em 2000 a mesma unidade apresentava elevação de vibração em torno de 1200 microns pico a pico, a equipe de ensaio achava que as medições não eram consistentes e devido às solicitações do ONS, dificultava as paradas das unidades e aparentemente a unidade estava em condições normais observadas pela equipe de manutenção. Em 2002 quando o nível de vibração atingiu 2000 microns pico a pico, foram feitos ensaios com instrumentação desenvolvida pela Eletronorte, SKF e HP, sendo confirmado todos os dados. Foi solicitada a parada a unidade para inspeção, sendo verificado que os calços e cunhas dos braços da cruzeta do mancal de guia superior estavam bastante danificados, e ao inspecionar os patins do Mancal de Guia Superior, foi verificado que a superfície de contato do estavam em boas condições, porém, os mesmo estavam abertos em suas folgas, devidos os componentes de fixação de a parte traseira ter sido danificado. Após manutenção na unidade com as trocas dos calços, cunhas e a normalização das folgas diametrais dos mancais (deixadas em 500 microns) a mesma apresentou alto níveis de vibração, em torno de 500 microns pico a pico, onde foi realizado um balanceamento mecânico no rotor, deixando em torno de 180 microns pico a pico, em virtude necessidade imediata da unidade no sistema, cobrança do ONS. Durante a elevação de carga foi verificado que entre 100 a 200MW, apresentava altas amplitudes de vibração global em torno de 350 microns pico a pico, devido aparecimento de uma freqüência de subharmônica na ordem de 1/4 da freqüência de excitação de 1,36hz, normalizando acima desta faixa, sendo liberada a unidade devido à necessidade do sistema e recomendado para não operar nessa faixa, sob risco de quebra dos componentes da cruzeta e dos patins. Passamos a pesquisar a causa do valor da alta amplitude de vibração na freqüência de 1/4 da fundamental, sem encontrar uma resposta, chegamos até pensar que poderíamos não ter observado no comissionamento, ou até por provável alteração do perfil hidráulico do lago e do canal de fuga, com o inicio da construção de segunda etapa da instalação. Em 2004 conseguimos fazer uma bateria de ensaios em todas as máquinas, onde praticamente todas apresentavam o mesmo problema de altas amplitudes de vibração na faixa de 100 a 200MW, ficamos ainda mais preocupados. Com a conclusão dos ensaios observou-se que as unidades 06 e 07 que ainda apresentavam valores próximos dos deixados no comissionamento, ou seja, em torno de 150 microns pico a pico, onde as amplitudes de vibração na faixa de 100 a 200MW aparecem bastante reduzidas, quase nem perceptível em termos de comportamento vibratório. 3.0-ENSAIO DE DESEMPENHO DINÂMICO DA UGH-01 UHE- TUCURUÍ O Levantamento o desempenho do comportamento dinâmico Eletromecânico (02) Vibratório e Hidráulico da unidade ensaiada, foi realizado com a aquisição de sinais em Patamares de Máquina sem carga, com 50, 100, 150, 200, 250 e 300MW. Os principais pontos monitorados foram vibrações Absolutas e Relativas em microns pico a pico a 90º no Mancal de Guia Superior e Guia da Turbina e suas respectivas referências de fases, bem como, Pressão em bar da Caixa Espiral, da Tampa da Turbina e Sucção. Para este trabalho tomou-se como referência o ensaio realizado na UGU-01, em virtude atender as etapas acima mencionadas, como também a referência de máquina em condições normais de operação a UGH- 06, que apresentou melhor desempenho eletromecânico nos ensaios realizados. A UHE-Tucuruí possui 12 (doze) unidades de 350 MW e 2 (duas) unidades auxiliares de 22.5 MW na sua primeira, e 11 (onze) unidades de 375 MW na sua segunda etapa, com capacidade instalada de MW.

3 3 FIGURA 1 - Vibração Relativa no domínio do tempo, em deslocamento microns pico a pico, patamar máquina 01 sem carga, para queda bruta 61 m.c.a. Em torno de 500 µ p.p. direção área de Montagem (2). FIGURA 2 - Vibração Relativa no domínio do tempo, em deslocamento microns pico a pico, patamar máquina 01 com 100 MW, para queda bruta 61 m.c.a. Em torno de 800 µ p.p. direção área de Montagem (2).

4 4 FIGURA 3 -Vibração Relativa no domínio da frequência em deslocamento microns pico a pico, patamar máquina 01 com 100 MW, para queda bruta 61 m.c.a. Em torno de 600 µ p.p a 1/4 da fundamental - direção área de Montagem.. FIGURA 4 -Presão na Sucção da Turbina em bar, patamar da máquina 01 em 100MW para a queda bruta de 61 m.c.a(2)

5 5 FIGURA 5 - Vibração Relativa no domínio do tempo, em deslocamento microns pico a pico, patamar máquina 01 com 300 MW, para queda bruta 61 m.c.a. Em torno de 300 µ p.p. direção área de Montagem. FIGURA 6 - Comportamento vibratório da UGH-01 desde o patamar a vazio até 300MW(3).

6 6 FIGURA 7 - Vibração Relativa no domínio do tempo, em deslocamento microns pico a pico, patamar máquina 06 sem carga, queda bruta 61 m.c.a. Em torno de 200 µ p.p. direção área de Montagem.. FIGURA 8 - Vibração Relativa no domínio do tempo, em deslocamento microns pico a pico, patamar máquina 06 com 100 MW, para queda bruta 61 m.c.a. Em torno de 200 µ p.p. direção área de Montagem(2)

7 7 FIGURA 9 - Presão na Sucção da Turbina em bar, patamar da máquina 06 em 100MW para a queda bruta de 61 m.c.a(2). FIGURA 10 - Vibração Relativa no domínio do tempo, em deslocamento microns pico a pico, patamar máquina 06 com 300 MW, para queda bruta 61 m.c.a. Em torno de 150 µ p.p. direção área de Montagem.

8 8 5.0-CONNCLUSÃO FIGURA 11 - Comportamento vibratório da UGH-06 desde o patamar a vazio até 300MW(3). Concluímos que as máquinas da primeira etapa da UHE-Tucuruí, não podem sofrer influência de forças excitadoras oriunda do desbalanceamento mecânico, com amplitudes de vibração acima de 200 microns pico a pico, na fase de máquina sem carga, caso contrário perturbação hidráulica na freqüência de 1/4 da fundamental excitará o Conjunto Rotativo, ocasionando o aumento da amplitude de vibração e conseqüente quebra da unidade, pois, o ONS solicita diuturnamente partidas e paradas das mesmas, acelerando assim a fadigas dos componentes periféricos dos Grupos Hidrogerador, em virtude do elevado momento de inércia do Gerador Elétrico. Sabe-se que a segunda etapa da UHE-Tucuruí, apresenta problemas de comportamentos vibratórios, não sei se é de origem mecânica (ressonância) ou origem hidráulica (perfil do escoamento) ou se é análogo ao da primeira etapa, pois, ainda não participamos de ensaios para análises, mas pretendemos fazer uma bateria de ensaios, na mesma ordem da primeira etapa, para chegarmos a uma conclusão. 6.0-REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS (1) MACINTYRE, ARCHIBALD JOSEPH, Máquinas Motrizes Hidráulicas, Editora Guanabara Dois S.Ario de Janeiro. (2) TENENBAUM, ROBERTO A., Apostila de Tratamento de Sinais do Curso de Técnicas Modernas de Manutenção-TMM, da COPPE/UFRJ Rio de Janeiro. (3) HYPPER, ARTHUR, Apostila de Monitoramento e Diagnóstico de Máquinas do Curso de Técnicas Modernas de Manutenção-TMM, da COPPE/UFRJ Rio de Janeiro. 6.0-DADOS BIOGRÁFICOS José Maria Caldas Batista Nascido em Cametá, PA, em 26 de outubro de Pós-Graduação na USP (1986), na UFRJ (2001) e na Unb (2004). Graduação (1983) em Engenharia Mecânica: UFPA-Belém do Pará Empresa: ELETRONORTE desde 1974 Engenheiro de Ensaios e Manutenção Eletromecânica.