ROTORES KAPLAN DE ALTA PRESSÃO Luiz Guermandi ANDRITZ Hydro
1. OBJETIVO 2
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
2. INTRODUÇÃO 4
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
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
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
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
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 0,382 1604 4200 14,1 140,4 18002 150 SWEDEN 100 REHABILITAÇÃO 2004 MATKA I KAPLAN 6 0,437 830 1900 23 20 4237 333,3 MACEDONIA 160 NOVA 2004 MATKA II KAPLAN 6 0,437 830 1900 23 20 4237 333,3 MACEDONIA 160 NOVA 2004 IMATRA VII KAPLAN 5 0,385 1838 4770 26 162 39761 150 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2004 KIERIKKI I KAPLAN 5 0,36 1376 3820 19 117 20104 166,7 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2006 HAAPAKOSKI II KAPLAN 5 0,36 1412 3920 16 123 17746 150 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2006 SEITENOIKEA KAPLAN 5 0,385 1838 4780 21,4 200 39209 136 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2007 KELTTI III KAPLAN 4 0,3386 1600* 4725 6 134 7011 94 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2007 PIRTTIKOSKI I KAPLAN 6 0,406 2364 5800 23,8 351 74887 115,4 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2008 VANTTAUSKOSKI I KAPLAN 5 0,363 2160 5950 15,87 332 46935 100 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2008 MONTTA T1 KAPLAN 5 0,36 1679 4660 11,66 165 16970 115,4 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 AHVENKOSKI I KAPLAN 5 0,36 1643 4560 10,9 143,5 14026 107,1 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 PAHKAKOSKI II KAPLAN 5 0,385 1472 3820 20,25 121,2 22441 166,7 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2009 PETÄJÄSKOSKI I KAPLAN 5 0,403 2498 6200 18,01 365 57830 100 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2011 MYLLYKOSKI KAPLAN 5 0,381 1640 4300 7,2 110 6898 93,75 FINLAND 160 REHABILITAÇÃO 2013 Xayaburi KAPLAN 5 8600 39 182000 88,2 LAO 160 NOVA 2014 SINOP KAPLAN 5 0,47 3601,95 8850 27,6 811 204000 94,737 BRAZIL 160 NOVA 9
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
3. METODOLOGIA 11
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
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
4. RESULTADOS 14
Comparativo das máquinas com alta e baixa pressão Máquina #1 (baixa pressão) Máquina #2 (alta pressão) Pressão de Regulação [bar] 64 160 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
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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
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
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
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
Repotenciação O Rotor Kaplan Reduzir o cubo Aumentar o engolimento Contribuição para a nova hidráulica repotenciada. 21
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 0,461 2740 5950 32 Nova 5 0,3854 2293 5950 35,5 Palheta Diretriz B 0 D 0 Z 0 α [mm] [mm] [units] [ º ] Antiga 2480 7500 24 45,50 Nova 2480 7500 24 57,00 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 24,00 270,00 59273 115,40 Nova 15,4 24,00 24,39 360,00 76159 115,40 Aumento da potência de ~30 % Aumento da vazão de ~33 % Sistema de regulação passou de 30 para 160 bar 22
4. CONCLUSÕES 23
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
OBRIGADO 25