RELATÓRIO DE ESTÁGIO 1/3 (primeiro de três) Período: 20/jan/2008 a 20/mar/2008. Reivax Automação e Controle S.A.

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Centro Tecnológico Departamento de Engenharia Mecânica Coordenadoria de Estágio do Curso de Engenharia Mecânica CEP Florianópolis - SC - BRASIL estagio@emc.ufsc.br RELATÓRIO DE ESTÁGIO 1/3 (primeiro de três) Período: 20/jan/2008 a 20/mar/2008 Reivax Automação e Controle S.A. Nome do aluno: Henrique de Macedo Tusco Nome do supervisor: José Carlos Pereira Nome do orientador: Fernando Amorim da Silveira Florianópolis, 31 de março de 2008.

2 Índice 1 Introdução A Empresa Histórico Produtos Regulador de Tensão RTX Regulador de Velocidade RTX Regulador Integrado RTVX Outras informações Área de atuação na empresa Desenvolvimento Introdução Proposta de trabalho Cronograma Metodologia Atividades desenvolvidas F07060 Botijlaca - COBEE (Bolívia) F07062 PCH PIEDADE MECAMIDI F Sandillal F07075 CAHUA (Peru) F07068 Altus Argentina - Termelétrica Discussões e Conclusões Referências Bibliográficas Anexos...31 Reguladores de Velocidade

3 1 Introdução Este relatório tem como objetivo descrever as atividades realizadas no estágio curricular obrigatório do curso de Engenharia Mecânica, atualmente sendo cursado por mim durante o período de 08 de Janeiro a 08 de Julho de O estágio na Reivax pode ser resumido sucintamente de acordo com o Programa de Atividades de Estágio definido em contrato assinado entre todas as partes: Estudo de reguladores de velocidade, estudo de atuadores eletro-hidráulicos aplicados em reguladores de velocidade de turbinas hidráulicas, projeto e especificação de atuadores eletro-hidráulicos, testes e ensaios de desempenho de atuadores eletro-hidráulicos, projeto de mecanismos de regulação de turbinas hidráulicas. 2 A Empresa A REIVAX Automação e Controle S.A. é atualmente o único fabricante nacional de Reguladores de Velocidade e Tensão para geradores e turbinas, proporcionando soluções integradas e customizadas para projetos de modernização e automação de Centrais Elétricas. Possui tecnologia própria para projeto e fabricação de seus produtos, empresa pioneira na aplicação de Controladores Microprocessados em Sistemas de Excitação de Geradores e Reguladores de Turbinas. As aplicações de Reguladores são implementadas usando o Controlador Programável CPX-2000 desenvolvido pela REIVAX. A empresa está situada em Florianópolis, no parque tecnológico Tec Alfa, Tecnópolis. 2.1 Histórico A Reivax iniciou suas atividades em abril de 1987, num projeto de incubadora dividido entre o CELTA e a ACATE e, vem desde então buscando seu espaço no mercado extremamente concorrido e disputado com empresas grandes tais como a GE (General Electric), a ABB, a Siemens e outras. Atualmente o BNDES entrou como parceiro da Reivax na sociedade, tornando-a S.A. e possuindo 23% da empresa. Esta nova parceria proporcionará para empresa 3

4 grandes investimentos na área de tecnologia, preparando-a para prosperar no futuro e atingindo metas audaciosas. Planeja-se num espaço de tempo de quatro anos, contados a partir de 2008, a entrada da empresa na bolsa de valores (BOVESPA). 2.2 Produtos Dentre os diversos produtos manufaturados pela empresa, citarei três produtos que envolvem todos os outros e que são os principais: Regulador de Tensão RTX400 O Regulador de Tensão - RTX400 é o núcleo das aplicações da Reivax para o controle da excitação de geradores, motores e compensadores síncronos. Realizam o controle automático da tensão terminal dos geradores, garantindo confiabilidade na operação e grande precisão na regulação. Totalmente digital, foi desenvolvido com base na CPU CPX2000 o que lhe confere grande versatilidade, sendo expansível tanto em Hardware quanto em Software. Funções Básicas: - Controle de Tensão; - Controle de Reativo; - Controle de Corrente de Campo; - Compensação de Corrente Reativa; - Limitadores Dinâmicos; - Controle da Excitação Inicial e Desexcitação Opcionais: - Estabilizador de Sist. de Potência - Oscilografia - Limitadores - Função Relé 40 - Medição de Temperatura do Enrolamento de Campo - Controle do Fator de Potência - Sincronismo Automático 4

5 2.2.2 Regulador de Velocidade RTX300 O Regulador de Velocidade - RVX300 é o núcleo das aplicações Reivax para o controle de velocidade de geradores. Os Reguladores de Velocidade RVX300 realizam o controle automático da velocidade das turbinas, garantindo confiabilidade de operação, flexibilidade e precisão na regulação. Sua eficácia maximiza a produtividade e reduz os custos de operação, implantação e comissionamento das usinas. A grande redução de componentes mecânicos acarreta a diminuição de horas e custos de sua manutenção, tornando evidente a escolha de reguladores RVX300 sobre os reguladores analógicos. O RVX300 lhe permite ser a solução perfeita para projetos de automação de centrais elétricas, modernização de centrais e novos projetos. O RVX300 pode ser utilizado para o controle de turbinas Francis, Kaplan, Pelton, à Vapor e à Gás. Funções Básicas: - Regulação automática de freqüência/potência - Regulação manual para testes e manutenção - Função de rastreamento e comutação para manual em caso de falha do Regulador Automático - Ajuste com o sistema em operação. - Faixa de regulação ajustável via teclado. - Ajuste independente para operação em vazio, e operação em carga - Limitador de abertura - Parada parcial sem rejeição de carga - Seqüência automática da partida e parada - Supervisão de velocidade - Regulação de Potência Independente - Indicadores de posição do servomotor - Indicadores de rotação no painel local. - Aceleração ajustável na partida da turbina - Estatismo de potência ou de posição - Lei de conjugação entre posição do Distribuidor e posição das Pás (Turbinas Kaplan) - Terminais de teste para medição de das principais grandezas Opcionais: - Programabilidade através de interface amigável - Protocolos de comunicação padrão TCP/IP e/ou Modbus - Controle conjunto de potência ativa - Pré-sincronização - Sincronismo Automático - Dispositivo mecânico de sobrevelocidade - Controle de nível do reservatório - Detector de deslocamento - Detecção de perda de pressão - Disponibilização de entradas e saídas programáveis 5

6 2.2.3 Regulador Integrado RTVX100 O Regulador Integrado de Tensão e Velocidade RTVX100 é a mais nova solução para regulação de velocidade e controle de excitação de geradores/turbinas. Incorpora, em um mesmo equipamento, o automatismo de partida e parada da unidade, aproveitando o mesmo cubículo, economizando espaço e barateando os custos de implantação e manutenção. Nada mais é do que os dois reguladores implementados juntos em um só equipamento/conjunto. Por tais recursos, este equipamento vem, a cada dia, ganhando mais espaço nos projetos de novas usinas. É a melhor opção oferecida pelo mercado atual para a modernização de centrais já existentes, reduzindo custos de implantação e manutenção. Todos os cubículos de controle, seja de velocidade, tensão ou integrado são equipados com monitores LCD 15 touch-screen e sistema operacional Windows XP Mobile, proporcionando interfaces homem máquina (IHM) e softwares customizados, um diferencial muito forte da empresa Outras informações Principais segmentos atualmente com equipamentos REIVAX: Centrais Térmicas (Carvão, Óleo, Gás e Outras); Centrais Termonucleares; Centrais Hidráulicas de Grande e Médio Porte; Pequenas Centrais Hidráulicas (PCHs); Setor Sucroalcooleiro co-geração e geração independente; Setor Petroquímico geração independente; Setor Químico co-geração de energia; Setor Alimentício co-geração de energia; 6

7 Controles de Grandes Motores Síncronos e Compensadores; Setor Siderúrgico; Setor de Mineração; Setor de Metalurgia; Conversora de Freqüência (60/50 Hz); Soluções Especiais para controle de Geração na Indústria (Cascata de Kramer). Equipamentos fornecidos: Sistema de Excitação e Regulação de Tensão RTX400; Sistema de Regulação de Velocidade RVX300; Regulador Integrado de Tensão e Velocidade RTVX100; Estabilizador de Sistemas de Potência PWX; Regulador de Tensão Compacto RTX1000; Regulador de Velocidade Compacto RVX1000; Sistema Digital de Supervisão e Controle; Sincronizador Automático de Geradores SNX100; Soluções Especiais e Customizadas em Controle. Serviços prestados: Comissionamento de Reguladores; Registro de Sinais para Análise da Performance Dinâmica dos Modos de Controle; Identificação de Parâmetros e Validação de Modelos; Medição e Otimização dos Ajustes dos Reguladores; Estudos de desempenho transitório e dinâmico da rede elétrica; Projeto e Aplicação de Novas Leis de Controle; Estudos e Levantamentos para Modernização; Estudos e Especificação para Automação; Treinamento. 7

8 3 Área de atuação na empresa A empresa é dividida em três diretorias: comercial, engenharia e pesquisa e desenvolvimento. (Imagem Hierarquia empresa) Dentro da Reivax trabalho na Equipe de Projeto Mecânico, responsável por: Dentro dos Fornecimentos Projeto de mecanismos de regulação de turbinas hidráulicas; Projeto e especificação de atuadores eletro-hidráulicos; Testes e simulação de campo de atuadores eletro-hidráulicos; Projeto de sistemas eletro-hidráulicos de regulação de turbinas. Ensaios e testes Desenvolvimento de sistemas de teste, bancadas e simuladores; Ensaios de painéis de controle; Ensaios de unidades hidráulicas (inclusive de acessórios/componentes); Comissionamento Prestar acessoria a mão de obra local da usina na instalação dos equipamentos referentes à parte mecânica do regulador de velocidade; Prestar assistência técnica ao cliente sobre todos os equipamentos que envolvem a parte de engenharia mecânica (unidades hidráulicas, sistemas e mecanismos, etc.). 4 Desenvolvimento 4.1 Introdução O seguinte trabalho tem por finalidade relatar as principais atividades desempenhadas durante o estágio curricular, disciplina obrigatória do curso de Engenharia Mecânica da Universidade Federal de Santa Catarina, procurando aplicar no espaço de trabalho tanto os conhecimentos adquiridos na universidade como os adquiridos dentro da própria empresa. Iniciei o estágio curricular na Reivax quando já havia completado aproximadamente cinco meses de estágio não-obrigatório na própria empresa. Por isso toda a parte de integração e adaptação à empresa, seus métodos e padrões, já foram assimilados durante o estágio não-obrigatório. Tentarei da maneira mais sucinta possível resumir as atividades realizadas no período, focando em tarefas principais que despertaram mais interesse da minha parte. 8

9 4.2 Proposta de trabalho A proposta de trabalho na Reivax é de auxiliar a equipe mecânica nos fornecimentos de acordo com a necessidade, realizando tarefas designadas pelos engenheiros da equipe e futuramente a realização das tarefas com autonomia total, acompanhadas por membros da equipe. Dentro destas atividades podem-se citar as principais tarefas realizadas: Projeto e dimensionamento de unidades de potência hidráulica, bem como os atuadores hidráulicos lineares, com base nos esforços a serem realizados pela parte mecânica visando a automação de determinado processo; Projeto de sistema de medição de posição, consistindo em adaptação de escala magnética em atuador hidráulico da Reivax ou encontrado em campo, visando conhecer a posição do êmbolo em todo intervalo de tempo de operação; Projeto de sistema de medição de velocidade, consistindo em adaptação de roda dentada metálica, com sensor de rotação indutivo para aferição da velocidade de rotação da turbina; Lista de material utilizado futuramente no comissionamento para instalação dos sistemas projetados; Testes das unidades de potência hidráulica e acessórios. 4.3 Cronograma Não existe um cronograma pré-definido de atividades e sim prazos estipulados para a realização de cada tarefa que é designada. A designação das tarefas depende da disponibilidade da equipe (muitos colaboradores se encontram em viagens de comissionamento) e da experiência de cada colaborador. Ao receber um projeto para ser concebido, juntamente com ele recebemos prazos para cumprir tal tarefa. Assim, cada tarefa apresenta um cronograma próprio de subatividades que será apresentado de maneira mais eficiente durante a descrição das tarefas na parte do desenvolvimento. 9

10 4.4 Metodologia A metodologia empregada para execução das atividades é primeiramente seguida pelo uso de manuais, normas, artigos, livros didáticos, documentos, pesquisa à informação que não se encontra disponível e acompanhamento de um supervisor para auxílio com as principais ocorrências e dificuldades a serem enfrentadas. Depois dessa primeira aproximação, partimos para o projeto propriamente dito, desenhos em CAD 2D dos mesmos, elaboração de lista de material para comissionamento e memorial de cálculo utilizado no projeto. A empresa está passando por uma fase de transformação da ferramenta 2D para uso da ferramenta 3D. Muitos projetos já estão sendo concebidos com a tecnologia de modelagem sólida em 3 dimensões. No final do projeto, todos os recursos são registrados em sistema integrado interno, de maneira que serão programados pelo setor de planejamento (PCP) para compra e ou fabricação. Quando recém chegados do fornecedor, os equipamentos são conferidos pela equipe mecânica e testados (no caso de unidades hidráulicas, escalas magnéticas transdutores de posição sensores, etc.). Depois de aferidos e testados, os equipamentos são enviados para expedição, para serem despachados para campo onde serão comissionados. 4.5 Atividades desenvolvidas F07060 Botijlaca - COBEE (Bolívia) Dados da usina (2 Unid. Geradoras): Ano de instalação: 1937 Fabricante: Oerlikon Potencia aparente nominal: 2.5 [MVA] Freqüência: 50 [Hz] Velocidade nominal: 750 rpm Corrente máxima: 219 [A] Tipo de turbina: Pelton de eixo horizontal (J.M. Voigtht) Queda de água: 382 [m] 10

11 Participei integralmente desde fornecimento, porém grande parte desta participação fora realizada durante o estágio não-obrigatório que já fazia na Reivax. Durante o estágio curricular realizei a verificação dos equipamentos mecânicos do fornecimento, para que estivessem de acordo com o projeto e testei as duas unidades de potência hidráulica que foram instaladas posteriormente. Teste da UH: Realizei os testes das unidades hidráulicas do fornecimento antes da chegada do cliente, logicamente para garantir que o teste com a presença do cliente ocorresse sem nenhum problema. Desta maneira cada UH foi testada duas vezes. Seguindo os procedimentos padrão de testes de unidades de potência hidráulica da Reivax, inicialmente verifiquei a lógica eletrônica envolvida do painel da unidade hidráulica e a continuidade de todos os contatos elétricos do mesmo, antes de energizá-lo. Verifiquei também se os contatos se encontram devidamente etiquetados e se as etiquetas correspondem às especificações do projeto. Depois de verificados os contatos, energizei o painel com 125V CC, através de um transformador de entrada 380V CA com saída 125V CC (Projeto interno concebido e construído durante estágio não-obrigatório). Com o painel energizado testei novamente a lógica elétrica, os batimentos dos relês e disjuntores (entrada e saída de bombas em operação, desligamento de emergência da unidade e outras funções). Continuando o teste, liguei a alimentação elétrica dos motores das bombas hidráulicas de engrenagem, que varia de cliente para cliente, sendo na maioria dos casos 380V CA. Como fica visível na foto da UH, esta unidade possui um conjunto de motor-bomba com alimentação de corrente contínua, porém 11

12 não fora testado porque a rede elétrica da empresa não comportava tal nível de corrente para acionamento do mesmo. Assim o conjunto motor-bomba CC foi testado em campo durante o comissionamento por outros colaboradores. Verificando o aperto de todas as conexões hidráulicas e a pressão de pré-carga de nitrogênio no acumulador (varia, mas quase sempre é de 85bar), pude encher o reservatório da unidade com óleo e dar início ao teste de pressão. Ligando o sistema, medi a corrente dos motores operando em vazio, isto é, jogando óleo para tanque. Depois enchi o acumulador e permiti o funcionamento da unidade com 180bar de pressão por 5 minutos, para garantir a estanqueidade e resistência a pressão da mesma. Com a unidade operando em 180bar, regulei a válvula de segurança logo abaixo do acumulador para 140bar e depois a outra válvula de segurança, no bloco das bombas, para 140bar. Configuramos agora a intermitência das bombas nos displays N1500 do painel da UH e acionamos manualmente a válvula proporcional para mover os pequenos atuadores de teste instalados nas saídas da UH. A intermitência se faz da seguinte maneira: ao atingir 120bar o painel desliga a bomba secundária e mantém a bomba principal em stand-by, jogando óleo para tanque; quando a pressão baixar de 110bar o painel coloca a bomba principal em operação na linha de pressão; se a vazão do sistema for maior do que a vazão que a bomba principal consegue suprir, a pressão continua baixando até baixar de 100bar, quando o painel liga a bomba secundária e mantém as duas em operação na linha de pressão até 120bar; se a bomba principal der conta da vazão do sistema, a bomba secundária nem é ligada. Depois de testada a intermitência das bombas, abri a válvula esfera que esvazia o acumulador para tanque, fazendo a pressão cair para ajustar o pressostato em 90bar. Essa é a pressão mínima do sistema que garante o funcionamento do mesmo e que foi adotada em memorial de cálculo. Se a pressão baixar de 90bar, pressão essa denominada pressão de trip, o sistema fecha o distribuidor da 12

13 turbina, fechando as pás ou o injetor e parando o sistema. Logo essa pressão é importante e precisa de um acionador mecânico além do transdutor de pressão elétrico que também emite sinal de trip. O acionador mecânico neste caso é o pressostato. Repeti o procedimento para a outra unidade de potência hidráulica do fornecimento e, mais uma vez para cada unidade quando o cliente esteve presente para verificar o ensaio de fábrica F07062 PCH PIEDADE MECAMIDI Dados da usina (2 Unid. Geradoras): Potencia aparente nominal: 8.45 [MW] Freqüência: 60 [Hz] Velocidade nominal: 720 rpm Tipo de turbina: Francis horizontal Neste fornecimento projetei, com base nos desenhos do gerador da WEG instalado na usina, um sistema de medição de velocidade da turbina/gerador juntamente com suporte de fixação para dispositivo de sobrevelocidade mecânico. Projetei também o sistema de medição de posição, baseado nos dados do servomotor adquirido pelo próprio cliente. A velocidade da turbina é monitorada pelo conjunto sensores indutivos de rotação e a roda dentada, porém se faz necessário que haja um sistema redundante mecânico para que a turbina não atinja velocidades muito superiores a velocidade nominal, mesmo quando um ou mais sensores indutivos falhem. Esse dispositivo mecânico é formado pelo conjunto: pêndulo de sobrevelocidade e dispositivo de gatilho de sobrevelocidade. O pêndulo de sobrevelocidade é preso na roda dentada e gira juntamente com a mesma, sofrendo ação de uma força centrífuga. O pêndulo nada mais é do que uma haste presa a uma mola calibrada que tende a pressionar a mola devido à ação da força centrífuga de rotação. Essa mola é calibrada em testes realizados dentro da Reivax, na bancada de testes de sobrevelocidade, onde simulamos a velocidade nominal da 13

14 turbina e aceleramos a rotação até que se atinja um valor de velocidade (cerca de 20% acima da velocidade nominal) desejado para acionar o dispositivo de gatilho. O dispositivo de gatilho é fixado a uma distância X, conhecida em testes na bancada de teste de sobrevelocidade, a modo de ser acionado apenas se a turbina ultrapassar em 20% a velocidade nominal de operação. O dispositivo de gatilho é formado pelo gatilho, uma válvula cartucho hidráulica e uma chave de fim de curso elétrica. Se acionado, a válvula cartucho se fecha, mandando um sinal piloto hidráulico para o fechamento do distribuidor, fechando as pás da turbina e parando o sistema. Ao mesmo tempo em que essa válvula cartucho se fecha, ela puxa consigo a haste de metal presa no pino superior, acionando a chave de fim de curso e assim emitindo também um sinal elétrico para controle do operador da usina. Sistema de medição de velocidade, com fixação de dispositivo de sobrevelocidade: Para este projeto os dados de entrada foram as medidas contidas no desenho do gerador WEG (altura do eixo em relação ao chão, diâmetro do eixo, etc.) e uma distância sugerida pelo cliente para alongar o eixo do gerador na parte traseira, de modo a instalar o sistema com mais espaço e também projetar uma proteção para o mesmo. Essa proteção deveria envolver todo o sistema e dispor de uma porta com visor de acrílico, para que manutenções mais simples pudessem ser realizadas sem ter que remover a proteção inteira. Como esse alongador, juntamente com a roda dentada e o pêndulo de sobrevelocidade irão girar a 720 RPM, fez-se necessário, depois de projetado, uma análise quanto a esforços mecânicos gerados devido à ação de força centrífuga e vibrações. Essa análise foi efetuada em software de modelagem sólida 3D, SolidWorks. De acordo com o programa, o sistema se encontrará estável em operação, com uma boa margem de segurança no que se refere a vibrações e esforços gerados pela ação da força centrífuga. 14

15 Este projeto em especial foi inteiramente concebido em software de modelagem sólida 3D. A diferença de projetar-se em programas com essa tecnologia em relação a pranchetas eletrônicas como Autocad, é absurda. Economizase muito tempo de projeto e o projeto já vai sendo otimizado desde a construção. Isso sem falar das possibilidades de análise que o software 3D proporciona. Neste sistema de medição de velocidade foram requisitados dois sensores indutivos de rotação (detectam a presença de metal em uma distância de 2 a 4mm), também chamados pickups. Eles possuem o corpo externo com rosca M12 e 30mm de comprimento de rosca. Alinhando os furos do suporte para pickups com o centro do eixo, pode-se ajustar facilmente a distância de operação dos sensores indutivos. O material utilizado constituinte das peças mecânicas é o aço SAE 1020, com exceção do pêndulo de sobrevelocidade e o gatilho do dispositivo de sobrevelocidade que são constituídos de aço inox 304. O número de dentes projetados para a roda dentada depende da rotação da máquina/turbina e é sempre empregado um número par de dentes, para que haja a possibilidade de projetar a roda dentada bi-partida (será abordada em fornecimentos futuros). O tamanho da roda dentada depende o tamanho do eixo da turbina/gerador, da necessidade de espaço para fixação do pêndulo de sobrevelocidade na roda dentada e distância radial pré-definida para suporte de fixação dos pickups. A roda dentada demanda tolerâncias na face interna que ficará acoplada à ranhura do alongador e garantirá o alinhamento concêntrico das peças. Deve ser passada no torno a fim de garantir a planicidade das faces para que não haja nenhum desbalanceamento (confeccionada a partir de chapas, desta maneira se verifica a planicidade da chapa utilizada para construção da roda dentada, visto que em muitos fornecedores de tarugos e chapas essas chapas grossas ficam armazenadas no chão e muitas vezes com caminhões passando sobre elas). A roda dentada obedece à seguinte equação: Onde o valor 60 corresponde à freqüência em que o RPM 60 = N dentes 60 pickup irá operar. Essa pode variar de 50 até 80Hz 15

16 O sistema é inteiramente regulado e ajustável em campo. Pode-se colocar o suporte e a roda dentada sem fixá-los e ajustá-los para que o pêndulo de sobrevelocidade esteja alinhado com o gatilho de sobrevelocidade e os sensores indutivos com os dentes da roda dentada. A proteção para o sistema consiste em uma armação estrutural, com chapas finas de 1,5mm soldadas na armação. Dobradiças comerciais de 3 utilizadas para este projeto. Visor de acrílico com 10mm de espessura possibilita a visualização do sistema de medição de velocidade sem que abra a proteção. Desenhos CAD 2D gerados a partir do software 3D SolidWorks, enviados para a metalúrgica para produção. 16

17 Sistema de medição de posição: O sistema de medição de posição consiste em um transdutor de posição, que funciona como uma escala magnética emitindo um sinal de 4-20mA para o controlador da Reivax. Este projeto teve por objetivo criar um sistema que adaptasse o cilindro/atuador comprado pelo cliente com nosso sistema de medição de posição. Desta maneira, confeccionar suportes de fixação para o transdutor e para o posicionador (imã que excita o transdutor) e conforme requisição do cliente adicionar 3 chaves de fim de curso para indicar emitindo um sinal de contato seco o final de curso de abertura do cilindro, final de curso de fechamento do cilindro e curso intermediário. Tendo isso tudo em mente, criei um suporte para o transdutor e haste regulável para ajustar o posicionador na distância de operação (4 a 8mm). Pensei também em uma calha para suportar as chaves de fim de curso e uma haste cilíndrica que presa no olhal do cilindro, ao passar pelas chaves acionaria cada uma delas na sua posição determinada pela fixação na calha. Desenhos do cilindro do cliente foram fornecidos pelo mesmo, assim possibilitando o projeto. MECAMIDI. Zoom do projeto do sistema de medição de posição adaptado para a 17

18 4.5.3 F Sandillal Dados da usina (2 Unid. Geradoras): Potencia nominal: 16,615 [MW] Freqüência: 60 [Hz] Velocidade nominal: 300 rpm Gerador: Siemens Tipo de turbina: Kaplan Queda de água: 36,15 [m] No fornecimento de F07063 Sandillal, projetei dois sistemas de medição de posição (um para cada unidade geradora, as duas são diferentes) e dois sistemas de medição de velocidade. Sistemas de medição de velocidade: Os dois sistemas projetados para Sandillal foram iguais, pois eram adaptações do atual sistema de medição de posição existente em campo. Neste projeto iremos retirar a atual roda dentada e substituir pela roda dentada projetada juntamente com o suporte para os sensores indutivos de rotação. Essa substituição se fez necessária devido o grande número de dentes presentes na roda dentada que se encontra instalada no sistema atual. Não foram requisitados dispositivos de sobrevelocidade mecânico para este fornecimento. A distância radial para aferição da velocidade foi um parâmetro de entrada, visto que teria de ser obedecida para manter a mesma estrutura presente em campo. Desta maneira projetei uma roda dentada similar a atual, com número de dentes reduzidos e um novo suporte para os novos e nossos pickups. Como é uma máquina relativamente antiga, a preocupação com a confiabilidade da medida do diâmetro do eixo passante da turbina teve de ser levada em consideração. Assim a nova roda dentada será fabricada com sobremetal no 18

19 diâmetro interno, para ser usinada na própria usina de acordo com o diâmetro encontrado ao desmontar a máquina para instalação. Como o diâmetro externo da roda dentada era um dado de entrada fixo (650mm), a roda dentada ficou relativamente grande e, portanto, pesada (chapa de 1 de espessura). Para facilitar a instalação ela foi dividida em duas peças, uma interna e outra externa. As duas parafusadas formam então o conjunto que representa a roda dentada. Tolerâncias cubo-eixo foram adicionadas neste projeto pra garantir o alinhamento das duas peças na instalação. Dez parafusos M8 fazem a fixação das duas peças do conjunto. A parte interna ficará fixa no eixo através de um batente inferior e um anel elástico de fixação na parte superior. A roda dentada será acionada por chaveta e os sensores fixos da mesma maneira que os atuais, na janela da estrutura. 19

20 Desenho da montagem do projeto novo Reivax. Sistemas de medição de posição: Como mencionado anteriormente, as duas unidades geradoras são diferentes, logo, necessitaram de dois projetos de medição de posição de acordo como seus atuadores/cilindros. Na unidade geradora 01, o cilindro do distribuidor (que controla a abertura e o fechamento das pás da turbina) se encontra disposto horizontalmente e inclinado. Da maneira mais simples possível projetei um sistema totalmente regulável e ajustável para o sistema de medição de posição. Este sistema consiste numa estrutura de fixação do transdutor de posição magnético e pequenas hastes que possibilitam a regulagem da distância de operação do posicionador (imã que excita o transdutor) bem como o ângulo envolvido na inclinação do atuador. 20

21 As hastes possibilitam o trabalho com 4 graus de liberdade para ajuste preciso da distância de operação do posicionador e ainda projetadas para trabalhar em uma faixa de instalação da estrutura do transdutor que varia do topo do atuador até aproximadamente o meio da face do cabeçote do cilindro. Esses projetos concebidos pensando-se na instalação estão sendo elogiados pela equipe de comissionamento, pois se facilita o trabalho destes colaboradores. A idéia era mesmo de projetar os mecanismos bem flexíveis e adaptáveis, visto o grau de desconhecimento da inclinação do atuador. A haste principal desliza verticalmente pelo bilongo e gira angularmente ao mesmo tempo em que se alonga devido aos bilongos na chapinha que prende o imã posicionador. A unidade geradora 02 trabalha com um sistema de rotor para então realizar o trabalho linear. Na haste deste rotor pensou-se em instalar o sistema de medição de posição. Como em projetos anteriores, uma estrutura de fixação para o transdutor foi projetada. Um alongador com roscas nos dois lados conectado a uma chapa 21

22 dobrada em forma de U e fixo com contra-porcas, mantém o posicionador na trajetória linear da haste do rotor e excitando o transdutor. Na rosca deste alongador temos a regulagem de altura e angular, caso a estrutura não fique instalada simetricamente com a haste. Na chapinha de inox que prende o imã posicionador temos o ajuste da proximidade de operação. Alterações na proteção em cinza do rotor, tais como corte da tampa para instalação do posicionador e da estrutura do transdutor, serão realizadas em campo. 22

23 4.5.4 F07075 CAHUA (Peru) Dados da usina (2 Unid. Geradoras): Potencia nominal: 21,5 [MW] Freqüência: 50 [Hz] Velocidade nominal: 600 rpm Vazão: 11m 3 /s (11000 l/s) Tipo de turbina: Francis Vertical Queda de água: 215 [m] No fornecimento F07075 para CAHUA trabalhei projetando o sistema de medição de velocidade, com roda dentada, sensores indutivos de rotação e dispositivo de sobrevelocidade mecânico e projetando o sistema de acionamento para abertura e fechamento da válvula esférica de adução da turbina. Sistema de medição de velocidade: Dados de entrada para esse projeto foram a velocidade nominal da turbina para cálculo do número de dentes, dimensões do local e do eixo onde será instalado o sistema de medição de velocidade. Com a rotação da turbina e obedecendo a equação: 60 = RPM 60 N dentes Chagamos ao número de dentes da roda dentada, 6 dentes. De acordo com o diâmetro do eixo e área necessária para fixação do pêndulo de sobrevelocidade podemos dimensionar a roda dentada. A idéia foi de fixar o suporte para os pickups e dispositivo de gatilho de sobrevelocidade na própria estrutura de mancal do eixo a turbina para o gerador, aproveitando inclusive a furação e os parafusos de fixação da estrutura. A roda dentada foi projetada bipartida devido ao fato não poder passá-la pela ponta do eixo e também para segurar/agarrar no eixo quando dado o aperto dos parafusos de fixação. Quando bi-partida, entre as faces de contato das duas partes 23

24 da roda dentada existe uma folga (0,5 a 1mm) com inclinação, para garantir o aperto dado pelos parafusos de fixação mas para também não deixar toda carga agir sobre eles (fator de junta). Tolerâncias também são aplicadas nas faces em contato com o eixo da turbina (H7). Local de instalação do sistema de medição de velocidade. Desenho do projeto a ser realizado no local. 24

25 Sistema de acionamento de abertura e fechamento da válvula esférica de adução: Nesta parte do projeto para Cahua, foi necessário o auxílio de software 3D (SolidWorks) para projetar esse mecanismo, dados as forças de atuação por parte do cilindro a ser instalado. O novo cilindro, para manter as funções do cilindro antigo, fora dimensionado com 7 de diâmetro de êmbolo. Trabalhando a 130bar, se algo emperrasse na válvula esférica, as forças por parte do atuador estariam em torno de 38 toneladas. Tendo isso em mente, dimensionar um suporte de fixação, mecanismo de movimentação pra esse sistema não era uma tarefa fácil. Toda essa parte do fornecimento e algumas outras peças estruturais foram modelas em SolidWorks e analisadas quanto a esforços de tensão. Devido a modelagem realizada nesse projeto, conseguimos por parte da diretoria a obtenção de licenças do software e cursos de capacitação que serão ministrados futuramente. Com as análises em SolidWorks foi possível reduzir o tamanho e peso de um suporte que pesava 220kg e acreditava-se estar superdimensionado, porém escoava e se rompia com os esforços, para 140kg e garantindo uma margem de segurança de 1,13. 25

26 Não só na análise como para projetar o mecanismo de fixação para o atuador, o SolidWorks se mostrou essencial. Um mecanismo de gangorra foi projetado para fixar o atuador no suporte que é preso na própria válvula esférica. Suportes de fixação das chaves de fim de curso, partindo do suporte principal inteiramente reguláveis, foram confeccionados. Análises criteriosas com relação às soldas nos suportes também foram necessárias, uma vez que a peça não é um tarugo esculpido e sim chapas soldadas. Para isso foi consultado a bibliografia especializada para efetuar os cálculos das soldas em relação com os esforços principais. Desenvolvi programas, com base no EES (Engineering Equation Solver) para efetuar os cálculos das alturas dos cordões de solda necessários para garantir as estruturas. 26

27 Basicamente 4 casos atendem as principais forças atuantes em cordões de solda para esse fornecimento: Força na extremidade e cordão lateral; Força na extremidade e cordão no topo; Força axial; Força na extremidade gerando momento na base dos cordões. Os programas podem ser enviados para apreciação caso requisitados. A gangorra é fixa no suporte principal através de um pino de 80mm de diâmetro, fixo ao suporte principal (para não girar) com um parafuso M5. Como o pino não gira, quem gira é a gangorra. No encaixe da gangorra com o pino existe uma bucha de bronze, prevendo o desgaste do conjunto, troca-se somente a bucha e não qualquer uma das partes pesadas e caras de aço. No adaptador entre a haste do cilindro e a alavanca da válvula esférica também existe uma bucha para troca quando se der desgaste. O pino do adaptador é fixo na alavanca através de parafusos encontrados na mesma para esse fim. Foi feita uma animação, gravada em.avi do sistema projetado em funcionamento, pode ser enviada para apreciação caso requisitado. 27

28 4.5.5 F07068 Altus Argentina Termelétrica Dados da usina (1 Unid. Geradora): Potencia nominal: 3,5 [MW] Freqüência: 50 [Hz] Tipo de turbina: Vapor Planta desativada em abril de 1994, sendo recuperada para entrar em operação. Usina térmica de turbina a vapor, por queima de madeira. Neste fornecimento testei a unidade de potência hidráulica, conforme os procedimentos realizados anteriormente com as unidades hidráulicas de Botijlaca. A unidade hidráulica da Altus é ainda mais simples e menor do que a de Botijlaca. Verificar os contatos, lógica do painel. Energizar o painel e testar a lógica novamente, batendo os relés. Ligar a alimentação dos motores. Verificar o aperto de todas as conexões hidráulicas. Configurar os alarmes no display N1500 para 200bar. Acionar a unidade hidráulica e deixá-la operando por 5 minutos com 180bar de pressão. Medir corrente dos motores, em vazio (jogando óleo para tanque) e em operação máxima (180bar). Regular as válvulas de segurança para 140bar. Configurar novamente os alarmes do display N1500 para os alarmes de intermitência. Testar a unidade quanto à intermitência das bombas. Regular o pressostato para pressão de trip. Testar sinal do pressostato e alarme de trip. Esvaziar a unidade hidráulica e limpar reservatório de óleo para despacho para cliente. Esses procedimentos foram executados, da mesma maneira como em Botijlaca. 28

29 5 Discussões e Conclusões Só quando estamos realizando estágio que percebemos a importância do mesmo para a formação do engenheiro. Não só o estágio obrigatório, mas também os estágios nãoobrigatórios em laboratórios da universidade e empresas em geral. Não consigo me imaginar pedindo emprego em qualquer empresa na área de engenharia, sem as informações e experiências que adquiri realizando estágio na área profissional. Detalhes vistos em sala de aula em diversas disciplinas aparecem na vida do engenheiro muitas vezes decidindo o rumo dos projetos. Confesso que, por muito tempo dentro do curso de graduação em engenharia mecânica eu não tive a certeza da escolha que havia tomado, porém não encontrava nenhum motivo plausível para desistir e começar outra área de atuação. Foram as fases finais do curso e os estágios que realizei que despertaram em mim o interesse e a paixão pela profissão. Hoje tudo o que eu quero é me formar e seguir carreira como engenheiro mecânico. Projetar e depois viver suas criações é sem dúvida uma grande recompensa. Posso e devo agradecer em particular a Reivax nesse processo de formação como engenheiro, pois vem desempenhando muito bem seu papel de empresa concedente de estágio, fomentando meu desenvolvimento e dispondo de todas as condições, tecnológicas e psicológicas, para que eu possa demonstrar todo meu potencial. Dentro da empresa tenho a felicidade de fazer parte de uma equipe muito forte, composta de membros muito inteligentes e em sua maioria experientes. Muito atenciosos e prestativos, meu colegas de trabalho passam de colegas e se tornam verdadeiros amigos. Espero estar, da mesma maneira, correspondendo às expectativas da empresa e, sempre contribuindo positivamente para a equipe. Neste tempo em que estive realizando estágio, pude sem dúvida, colocar em prática muitos conceitos assimilados em sala de aula e relembrar outros conceitos vistos. Todo dia falamos engenharia, ouvimos engenharia, pensamos e respiramos engenharia. 29

30 6 Referências Bibliográficas LINSINGEN, IRLAN VON. Fundamentos de Sistemas Hidráulicos. 2. Ed. Florianópolis: Editora da UFSC, PROVENZA, FRANCESCO. Projetista de Máquinas PROTEC. 1. Ed. São Paulo: Editora F. Provenza, MANNESMANN REXROTH. Princípios Básicos e Componentes da Tecnologia dos Fluidos. Volume Ed. Diadema: MANNESMANN REXROTH. Proyecto y Construcción de Equipos Hidráulicos. Volume Ed SCHREIBER, GERHARD P. Usinas Hidrelétricas. Ed. Rio de Janeiro: Editora Edgard Blücher: FOX, ROBERT W.; McDONALD, ALAN T. Introdução à Mecânica dos Fluidos. 4. Ed. Rio de Janeiro: Editora LTC, DE NEGRI, VICTOR JULIANO. Sistemas Hidráulicos e Pneumáticos. LASHIP - UFSC - Apostila. 1. Ed. Florianópolis: VOITH. Reguladores Eletro-Hidráulicos para Turbinas Hidráulicas. VOITH. REIVAX Automação e Controle. Manuais Internos e Memoriais de Cálculo. PALMIERI, ANTONIO CARLOS. Manual de Hidráulica Básica. Albarus. 8 Ed. São Paulo:

31 7 Anexos Reguladores de Velocidade O regulador de velocidade deve agir no sentido de fornecer uma rotação constante (na velocidade síncrona) durante a operação em regime permanente de um gerador síncrono. Durante o regime transitório, este atua no sentido de minimizar as variações de velocidade e freqüência, melhorando desta forma a estabilidade global de um sistema elétrico. É, no entanto, importante enfatizar que um bom projeto de um regulador de velocidade, associado aos ajustes adequados de seus controles, são fatores imprescindíveis para alcançar esta estabilidade. Mais especificamente, um regulador de velocidade deve ser capaz de: a) Manter a freqüência da máquina no valor definido pelo operador, ou manter uma determinada relação entre freqüência e potência ativa (estatismo) em toda região de operação; b) Manter a velocidade dentro dos limites aceitáveis de trabalho mesmo em rejeições de plena carga ou outros distúrbios severos no sistema de potência; c) Ser capaz de propiciar uma partida rápida e sem sobre-elevações na rotação; d) Ser capaz de responder, com desempenho adequado, aos comandos do operador ou sincronizador automático quando da sincronização da unidade com o sistema; e) Possuir razoável velocidade de resposta de maneira a corrigir as variações de freqüência impostas por variação de carga, geração ou por chaveamentos no sistema; f) Ser capaz de tomar carga de maneira linear e rápida de acordo com os comandos do operador, controlador conjunto ou controle de carga e freqüência, sem que para isto seja necessário degradar a regulação da malha de controle de velocidade; g) Ser capaz de limitar dinamicamente a máxima abertura do distribuidor, independentemente da eventual necessidade de aumento de potência mecânica que a malha de controle de velocidade impuser; h) Ser capaz de conjugar abertura do distribuidor e roda, em função da queda bruta, em turbinas Kaplan, de modo a maximizar o rendimento; i) Ser capaz de conjugar agulha e defletor de forma a que o defletor seja inserido no menor tempo possível durante rejeições de carga em turbinas do tipo Pelton; Estas funções são as mais importantes. Há outras funções, com as quais o RV deve ser dotado, tal como proteção, alarme e sinalização. 31

32 Modernização Na sua forma mais simples os reguladores de velocidade de turbinas hidráulicas incluem as seguintes partes: 1. Um sensor de velocidade e uma referência de velocidade; 2. Amplificadores do erro de velocidade; 3. Um ou mais servomotores para variar a posição do distribuidor da unidade. No passado, as partes correspondentes aos itens 4 e 5 consistiam de dispositivos mecânicos ou oleodinâmicos. Recentemente, amplificadores magnéticos ou eletrônicos têm sido usados, tornando mais fácil o controle da abertura do distribuidor por outros sinais além da velocidade. O projeto do regulador de velocidade eletro-hidráulico vem sofrendo grandes mudanças com respeito ao regulador mecânico convencional, com as possibilidades advindas do uso de sinais elétricos sendo cada vez mais exploradas. Seria desejável desvincular o regulador propriamente dito dos atuadores, isto é, da parte de potência que executa os comandos e a que age sobre o distribuidor. Esta é a idéia fundamental da configuração moderna do regulador de velocidade. COMPOSIÇÃO DO REGULADOR DE VELOCIDADE O Regulador de Velocidade completo, na maior parte dos casos, é composto pelos seguintes componentes: Regulador Digital (Painel do Regulador Digital) Painel de Operação (IHM - LCD) Controlador Lógico Programável Fontes de alimentação Amplificadores isoladores Amplificador de saída (para o transdutor eletro-hidráulico) Transdutor de Potência Relés auxiliares, opto-acopladores, disjuntores e régua de bornes Unidade Hidráulica com válvulas e transdutor(es) eletro-hidráulico(s) Acumulador Ar-óleo Compressor de Ar Dispositivo de detecção de velocidade (Sondas de rotação + roda dentada) Transdutor de Posição do Distribuidor Transdutor de Posição das Pás Kaplan (para turbinas Kaplan) 32