ROTORES KAPLAN DE ALTA PRESSÃO

Transcrição

1 ROTORES KAPLAN DE ALTA PRESSÃO Luiz Guermandi ANDRITZ Hydro

2 1. OBJETIVO 2

3 Análise macro comparativa entre rotores de alta e baixa pressão e apresentar as potenciais vantagens de se trabalhar com a tecnologia de alta pressão para regulação das pás Kaplan. Visando: 1. Busca pela redução do custo dos equipamentos (turbina e regulador) e melhor desempenho hidráulico da unidade com rotores mais compactos; 2. As oportunidades para essa tecnologia em reabilitações. 3

4 2. INTRODUÇÃO 4

5 Os Rotores Kaplan e a Alta Pressão 3 a 8 pás; Pressão do servomotor: Baixa: até 64 bar Alta: de 64 a 160 bar Diâmetros de até ~10 m Quedas de até 60 m Mecanismo 5

6 Os Rotores Kaplan e a Alta Pressão Primeiro rotor Kaplan de Alta Pressão: 1988, na Suécia, 726 kw e diâmetro do rotor de 2900 mm. Atualmente Kaplan de alta pressão para 200 MW. Acessórios: classe de pressão: 250 bar. Alta pressão Cubo Reduzido 6

7 Rotores Kaplan e o ponto chave no projeto mecânico Aplicar o mecanismo de movimentação das pás em um espaço reduzido Redução na razão do cubo (Hub Ratio) Melhor desempenho Menores custos Turbina nova Repotenciação Alta pressão Vazão Dimensão do rotor e da turbina Custos Vazão Potência Gerada 7

8 A redução do cubo Impacto direto no desempenho mecânico do rotor Redução na razão do cubo (Hub Ratio) Soluções são: 1) Ferramentas para otimizar o projeto Redução do servomotor do rotor Tensões; Deformações; Pressões de Contato. 2) Materiais Tensões de pico Deformações atrito, resistência ao desgaste, manutenção da vida em fadiga Pressões de contato 8

9 Os esforços dos últimos anos são mais de 180 referências de rotores Kaplan de alta pressão. Na tabela abaixo, algumas dessas referências: Ano Planta Tipo de Turbina Pás Dn/D1 [--] Dn [mm] D1 [mm] Hn rated [m] Q rated [m 3 /s] P [kw] n rated [rpm] País Pressão de Projeto [bar] Novo ou Reabilitação 2004 GAMLEBROFOSS BULBO 5 0, ,1 140, SWEDEN 100 REHABILITAÇÃO 2004 MATKA I KAPLAN 6 0, ,3 MACEDONIA 160 NOVA 2004 MATKA II KAPLAN 6 0, ,3 MACEDONIA 160 NOVA 2004 IMATRA VII KAPLAN 5 0, FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2004 KIERIKKI I KAPLAN 5 0, ,7 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2006 HAAPAKOSKI II KAPLAN 5 0, FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2006 SEITENOIKEA KAPLAN 5 0, , FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2007 KELTTI III KAPLAN 4 0, * FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2007 PIRTTIKOSKI I KAPLAN 6 0, , ,4 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2008 VANTTAUSKOSKI I KAPLAN 5 0, , FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2008 MONTTA T1 KAPLAN 5 0, , ,4 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 AHVENKOSKI I KAPLAN 5 0, ,9 143, ,1 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 PAHKAKOSKI II KAPLAN 5 0, ,25 121, ,7 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 PETÄJÄSKOSKI I KAPLAN 5 0, , FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2011 MYLLYKOSKI KAPLAN 5 0, , ,75 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2013 Xayaburi KAPLAN ,2 LAO 160 NOVA 2014 SINOP KAPLAN 5 0, , , ,737 BRAZIL 160 NOVA 9

10 Vantagens do sistema de alta pressão Redução de custos e tamanhos; Reduz o volume de óleo e tamanho do regulador; Reduz o tamanho dos servomotores; Remove a interação ar-óleo nos acumuladores de pressão; Remove o sistema de ar comprimido. 10

11 3. METODOLOGIA 11

12 Selecionada uma turbina Kaplan projetada pela Andritz Hydro com servomotor do rotor Kaplan de alta pressão (160 bar) e estimados tamanhos, custos e desempenhos hidráulicos se a mesma operasse com baixa pressão (64 bar), mantendo-se o mesmo perfil e características hidráulicas; Escalou-se o diâmetro do cilindro do servomotor do rotor para uma pressão de trabalho de 64 bar e proporcionalmente o diâmetro do cubo (D N ); Com o novo diâmetro do cubo encontrado (D N ), determinou-se o novo diâmetro de garganta do rotor (D 1 ): Q Q 11 = (D 2 1 D 2 N ) H Q (D 2 1 D 2 N ) H = Q (D 1 2 D N 2 ) H 1 (D 2 1 D 2 N )1 = 1 (D 1 2 D N 2 )1 D 1 = D 1 2 D N 2 + D N 2 12

13 Com a proporção de aumento do diâmetro de garganta do rotor D 1 /D 1 *, consegue-se estimar o aumento de custo da nova turbina como um todo, pois com o aumento de D 1 também há um aumento proporcional no diâmetro de tampas, poço, círculo das palhetas, entre outros. Através de um programa interno da Andritz Hydro, foi possível estimar esse aumento relativo da turbina. Para estimativas do custo do regulador de velocidade, foi utilizado o trabalho interno da Andritz Hydro já desenvolvido pelo autor [3]. Para a avaliação da aplicação do sistema de alta pressão em repotenciação, também foi consultado o trabalho interno da autora [4]. 13

14 4. RESULTADOS 14

15 Comparativo das máquinas com alta e baixa pressão Máquina #1 (baixa pressão) Máquina #2 (alta pressão) Pressão de Regulação [bar] Diâmetro do Servomotor (D) D 67%D Diâmetro do cubo (D n ) Dn 82,6%Dn Diâmetro de garganta (D 1 ) D1 96,3%D1 Razão do cubo (D 1 /D n ) 0,475 0,407 Custo da turbina (C) C 90,5%C Custo do rotor (C R ) C R 89%C R 15

16 16

17 Mesma área, mesma vazão, queda, torques e empuxos hidráulicos; Mantendo-se o diâmetro de garganta, como apresentado em [2], com a redução do diâmetro do cubo do rotor, melhora-se o desempenho. 17

18 Reguladores de Velocidade de Alta x Baixa Pressão Custo reduzido em 58 % utilizando a solução de alta pressão. Servomotores Menores para o Mesmo Torque: Redução linearmente proporcional do tamanho das bombas, válvulas, reservatórios, acumuladores de pressão e tubulações. 18

19 Reguladores de Velocidade de Alta x Baixa Pressão Os acumuladores hidráulicos: Baixa Pressão Contato direto ar/óleo; Ar comprimido; Banco de compressores e tanques de ar comprimido de grande volume; Bitola da tubulação maior e menos espessa. Alta Pressão Interface mecânica com óleo; Nitrogênio; Acumulador e garrafas de nitrogênio Bitola da tubulação menor e mais espessa; Reduzido volume de óleo; Reduz instrumentação e elimina o uso de compressores. 23/05/2016 VII ENAM Rotores Kaplan de Alta Pressão 19

20 Repotenciação Motivos [4] Extensão da vida útil dos equipamentos; Melhoria em rendimento; Eliminação dos desgastes oriundos de cavitação; Alterações hidráulicas Aumento da potência instalada. Além das alterações hidráulicas, é cada vez mais comum a instalação de um sistema de controle de alta pressão 20

21 Repotenciação O Rotor Kaplan Reduzir o cubo Aumentar o engolimento Contribuição para a nova hidráulica repotenciada. 21

22 Repotenciação Exemplo da UHE Seitakorva, Finlândia. Pás "Hub Ratio" Cubo Rotor Z D n /D 1 D n D 1 ß max [mm] [mm] [ º ] Antiga 4 0, Nova 5 0, ,5 Palheta Diretriz B 0 D 0 Z 0 α [mm] [mm] [units] [ º ] Antiga ,50 Nova ,00 Quedas Vazões H n min H n rated H n max Q rated P r turb. n [m] [m] [m] [m 3 /s] [kw] [1/min] Antiga 15,4 24,00 24,00 270, ,40 Nova 15,4 24,00 24,39 360, ,40 Aumento da potência de ~30 % Aumento da vazão de ~33 % Sistema de regulação passou de 30 para 160 bar 22

23 4. CONCLUSÕES 23

24 Sistema de alta pressão é bastante difundido na Europa; Trabalha-se com equipamentos de menor porte; Vantagens em aquisição, fabricação, logística, manutenção, custos e tempo de fornecimento; Possibilita a utilização de cubos de diâmetros menores; A utilização da análise FEA e novos materiais viabilizam o uso de cubos menores e de alta pressão, garantindo a otimização mecânica; Sistema é confiável pois é testado além dos requisitos de normas como ASME; É uma tecnologia ainda pouco usual no Brasil; Tendência de aplicação dessa tecnologia em novas usinas e repotenciação. 24

25 OBRIGADO 25