TT 151 OS DESAFIOS EM OPERAR UMA TURBINA FRANCIS DE 310 MW EM COMPENSADOR SÍNCRONO SEM UM EQUIPAMENTO ESSENCIAL. Newton Kimura( 1 ) RESUMO Definir em eliminar um conjunto de equipamento (sistema de resfriamento dos anéis de desgaste) instalado pelo fabricante de uma turbina Francis de 310 MW é uma tarefa de grande desafio, muita responsabilidade e também de quebra de paradigmas 2. O intuito deste trabalho é mostrar como isto foi factível. Este trabalho mostra o resultado de estudo realizado, baseados em teorias físicas, ensaios experimentais em modelo e estudo de caso da Usina Hidrelétrica Governador José Richa (UHE Salto Caxias) COPEL, que comprova que a energia gerada pelo rotor da turbina em operação síncrono (calor gerado pelo atrito do ar movimentado pelas pás do rotor da turbina e pelos anéis de desgaste superior e inferior), é neutralizada naturalmente pela massa que o circunda, não necessitando do sistema de resfriamento dos anéis de desgaste. O trabalho explana: como ocorre a circulação de ar no interior do rotor da turbina que faz com que a energia gerada por ele seja transferida e trocada, o resultado de ensaio realizado em todas as unidades geradores da UHE Salto Caxias e o comportamento da unidade 4 desta mesma usina que operou durante 96 horas ininterruptas em teste final sem o sistema de resfriamento dos anéis de desgaste. 1 Newton Kimura não sócio ABRAMAN, Engenheiro Mecânico pela UFPR, COPEL GERAÇÃO SA Superintendência de Operação e Manutenção, Engenharia de Manutenção. 2 Nem todos os equipamentos instalados são necessários, função de peculiaridades construtivas.
2 1 - INTRODUÇÃO Numa operação normal de uma usina hidrelétrica (Fig. 1), é a turbina que aciona o gerador para geração de energia elétrica. Já na operação em Compensador Síncrono, é o gerador que gira a turbina, ou seja, a turbina fica inativa sendo arrastada pelo gerador. Nesta situação, o gerador funciona como motor (se auto-opera) consumindo energia elétrica de fonte externa para manter em giro todo o conjunto. E para que este consumo seja o menor possível, o rotor da turbina tipo Francis, que normalmente funciona afogado, é movimentado confinado numa câmara de ar formada pelo rebaixamento do nível de água do seu recinto (Fig. 2). Operando desta forma, o rotor da turbina gera calor devido atrito do ar (dissipação viscosa), cujo limite de aquecimento é controlado por um sistema auxiliar de resfriamento (sistema de resfriamento dos anéis de desgaste - Fig. 3). Ocorre, porém, que existe um vazamento contínuo de água (massa de fluido refrigerante a temperatura ambiente Fig. 4) para o interior do recinto do rotor, proveniente das folgas construtivas superior e inferior das palhetas do distribuidor da turbina. Se o fluido de vazamento conseguir abranger todas as partes onde ocorrem aquecimentos, e se for suficiente para apor o sistema de resfriamento, então este pode ser desativado. De qualquer forma, eliminar este equipamento essencial especialmente projetado pelo fabricante para operação de turbina Francis de 310 MW em compensador síncrono, é uma tarefa extremamente perigosa, principalmente considerando que o mesmo é instalado em todos os grupos geradores com este tipo de turbina que operam na modalidade de geração em compensador síncrono. Mas, como ele é um equipamento que demanda custo de manutenção além de certa complexidade de funcionamento na cadeia de automatismo de funcionamento do grupo gerador, que ocasionalmente provoca indisponibilidade de geração, o desenvolvimento do trabalho de estudo foi vantajoso. Neste ponto vale um alerta: existem turbinas em que o distribuidor possui um mecanismo de vedação estanque e outras, possuem e fecham a válvula borboleta durante a operação como compensador síncrono, não permitindo o vazamento de água, impossibilitando praticar operação conforme proposta deste trabalho. Ou seja, o princípio deste trabalho considera que existe o fluxo de água de vazamento pelo distribuidor. Este trabalho foi desenvolvido: Complementando o trabalho apresentado no 2º Congresso Mundial de Manutenção e 19º Congresso Brasileiro de Manutenção maio de 2004, com o título de "Desativação do Sistema de Resfriamento dos Anéis de Desgaste do Rotor de uma Turbina Francis Operando como Compensador Síncrono"; Baseando-se na dissertação de mestrado Modelagem do Comportamento Térmico dos Anéis de Desgaste de uma Turbina Francis Operando em Compensador Síncrono. A grande descoberta do trabalho foi notar a maneira como a massa de ar resfriada pelo vazamento atinge certas partes aparentemente inacessíveis do
3 rotor: os anéis de desgaste. Neste caso, o agente físico foi o efeito centrífugo conforme será visto mais adiante. Figura 1 Usina hidrelétrica vista em corte
4 Figura 2 Turbina operando em compensador síncrono Figura 3 Sistema de resfriamento dos anéis de desgaste
5 Figura 4 Vazamento pelo distribuidor da turbina 1.1 - OBJETIVO O objetivo deste trabalho é relatar as etapas percorridas até a operação definitiva das turbinas da Usina Hidrelétrica Governador José Richa 3 UHE GJR (Usina Salto Caxias) em compensador síncrono sem o seu sistema de resfriamento dos anéis de desgaste, pelo fato de ter verificado que no recinto do rotor existe entrada abundante de vazamento de água. Para tanto, as seguintes etapas foram desenvolvidas: Estudo teórico sobre o balanço térmico do recinto do rotor. Análise experimental em modelo Análise experimental em protótipo Caxias. Operação definitiva do grupo gerador 4 da UHE GJR sem o sistema de resfriamento dos anéis de desgaste. 2 - DESENVOLVIMENTO 2.1 - Estudo teórico sobre o balanço térmico do recinto do rotor. A finalidade desta etapa é verificar se a quantidade de água disponível de vazamento pelas palhetas do distribuidor é suficiente para manter o rotor da turbina, com as suas partes, em temperatura de funcionamento sem dilatações prejudiciais. Para tanto, os seguintes levantamentos foram realizados: calor gerado pelo rotor da turbina operando confinado no seu recinto aerado; 3 Usina situada no Rio Iguaçu, no município de Candói-Pr.
6 água de resfriamento disponível de vazamento pelas folgas construtivas superior e inferior do distribuidor da turbina; fazer o balanceamento térmico entre o calor gerado e o fluido refrigerante disponível. 2.1.1 - Calor gerado A geração de calor é devido ao atrito do ar (dissipação viscosa) ocasionado pela movimentação das partes que compõe o rotor da turbina, que são: pás, cubo, coroa externa e anéis de desgaste superior e inferior, em um ambiente confinado (Fig. 5). Existem vários métodos para o cálculo do calor médio gerado pelo rotor da turbina girando no ar: Figura 5 Partes do rotor de turbina Francis a) cálculo empírico através de fórmulas teóricas tais como do IEC 41, ABNT 228, ASME PTC 18; b) cálculo real pela potência absorvida pelo gerador para manter em regime o conjunto como compensador síncrono, isolando a parte que cabe à turbina; c) cálculo pelas fórmulas desenvolvidas pelos próprios fabricantes de turbina. Neste trabalho foi considerado o caso b. 2.1.2 - Calor gerado segundo potência absorvida pelo gerador Esta potência pode ser medida indiretamente pelo consumo total de energia demandada pelo gerador para manter em giro todo o grupo, ou seja, o próprio gerador, a turbina e os seus mancais. Descontando deste total a energia que cabe ao gerador, medido geralmente pelo ensaio calorimétrico, e a parte que cabe aos mancais, sobra a energia consumida pela turbina. No caso da turbina da Usina de Caxias, este valor considerado é de 3.305 kw, conforme dados registrados de comissionamento: P w = 3.305 kw ou P w = 3.305. 0,2389 = 789,5 [kcal/s] P w = 789,5 [kcal/s] 2.1.3 - Água de resfriamento necessário
7 Para o cálculo da quantidade de água de resfriamento ou fluido refrigerante necessário é preciso conhecer qual o limite de temperatura suportável sem que ela provoque dilatações que comprometam a movimentação livre entre as partes fixas e girantes da turbina. Neste caso, as partes de menor folga são os anéis de desgaste superior e inferior do rotor da turbina, que considerando as oscilações normais, podem dilatar radialmente até cerca de 1/3 da folga nominal (obs.: esta situação é otimista, podendo ainda dilatar cerca de 50 % além deste valor). Para a turbina de Caxias, o valor da folga nominal radial dos anéis de desgaste é de 2,5 mm. Logo, a dilatação permissível δ = 1/3 de 2,5 mm δ = 0,75 mm radial ou. δ = 1,5 mm diagonal Considerando o material dos anéis de desgaste e dilatações permissíveis, pode se definir as variações de temperatura T aplicando a expressão da dilatação térmica linear: δ = α. T. D. (GERE, J. M.; TIMOSHENKO, S. P.) α - coeficiente de expansão térmica T - variações de temperatura D - diâmetro do anel de desgaste T = δ / (α. D)
8 2.1.3.1 -Cálculo do T para o rotor da turbina de Caxias: T = δ / (α. D) δ = 1,5 mm α = 17 E 06/ C para aço inoxidável (GERE, J. M.; TIMOSHENKO, S. P.) D = 5.950 mm T = 9,8 C Se considerar que a dilatação permissível δ pode ser acrescido de 50 %, a variação de temperatura máxima permissível nos anéis de desgaste pode aumentar até (9,8 x 1,5 = 14,7 C) Isto é, a temperatura permissível sem que haja problema de roçamento entre as partes fixa e girante, com temperatura ambiente considerada de 20 C, é de: T = 20 + 9,8 = 29,8 C ou, a máxima permissível de T = 20 + 14,7 = 34,7 C Para os cálculos considerar a temperatura menor: T = 29,8 C. 2.1.3.2 - Cálculo do fluido refrigerante necessário Neste ponto, para controle do equilíbrio térmico, não foram consideradas as massas metálicas, mas somente a água de vazamento pela folga superior e inferior do distribuidor. Para o cálculo da vazão de água necessária Q nec para evitar uma dilatação linear da parte rotativa maior que 30% da folga do labirinto foi utilizada a expressão da quantidade de calor Q Q = m. c p. T (Máximo, A.) Ou utilizando a expressão do fluxo de calor q : q = Q / t (Araújo, C.). q = Q / t = m. c p. T / t q = ( V / t ). ρ. c p. T ou V / t = q / ( ρ. c p. T) m = V. ρ Onde: V t V/t q volume tempo vazão = Q nec fluxo de calor = P w2
9 ρ c p T massa específica da água calor específico da água variação de temperatura Q nec = P w / ( ρ. c p. T) Dados: P w = 789,5 [kcal/s] (fluxo de calor ou Calor Gerado Considerado) ρ = 998 kg/m3 (massa específica da água) c p = 1 kcal/kg C (calor específico da água) T = 9,8 C (variação de temperatura) Q nec = 789,5 / ( 998. 1. 9,8 ) Q nec = 0,0807 m3/s ou Q nec = 4.843 l/min 2.1.4 - Água de resfriamento disponível (vazamento pelo distribuidor - Q disp ) Este vazamento (Fig. 4) é normalmente medido para verificar se não está excessivo, pois caracteriza perdas e principalmente porque faz parte de normas limitantes construtivas. No caso da UHE GJR, este valor é de: Q dispo = 0,83 m 3 /s = 49.800 l/min 2.1.5 - BALANÇO TÉRMICO Fluído refrigerante disponível 49.800 l/min Fluido refrigerante necessário 4.843 l/min Ou seja, o vazamento de água disponível é bem superior à quantidade de água necessária para controlar a temperatura de dilatação sem que haja problema de interferência entre as partes fixas e móveis. 2.2 - Análise experimental em modelo As partes do rotor como o cubo, pás e a coroa externa ficam expostas diretamente à água de vazamento, não havendo problema de troca térmica. Contudo, os anéis de desgaste, que também geram calor, por peculiaridade construtiva não são abrangidos diretamente pelo fluido refrigerante. Isto faz com que, teoricamente, haja aquecimento progressivo da região do labirinto, necessitando de estudos pormenores desta parte. Ou seja, apesar de ter verificado na etapa 1 que o vazamento de água existente é bem superior à quantidade de água necessária para manter em equilíbrio o conjunto girante, há necessidade de detalhar o comportamento térmico na região dos anéis de desgaste. Os anéis de desgaste fixo e móvel formam o labirinto, que tem o
10 papel de funcionar como vedação sem contato e esta função faz com que retenha a massa de ar aquecida. Em função da existência de dutos de equilíbrio de pressão no cubo do rotor da turbina, que interliga a área onde tem fluido refrigerante com o labirinto, foi optado em explorar estes dutos quanto à propiciação de entrada de ar por efeito centrífugo gerado pelo cubo do rotor para ocasionar transferência de massa do labirinto. Desta forma, o calor gerado pelos anéis de desgaste no interior do labirinto seria transferido para a massa de fluido refrigerante de vazamento pelo distribuidor e o aquecimento do labirinto balanceado (evitado). Como a física do transporte de massa através do recinto da tampa é teoricamente complexo, foi optada a busca direta da solução do caso pela realização de ensaios experimentais em modelo. O modelo foi construído adaptando-se ao volante de um pequeno grupo gerador da Usina Hidrelétrica Pitangui 4 - COPEL (Fig. 6 e Fig. 7). O volante fez o papel de anel de desgaste móvel, e foi confeccionada uma capa por sobre o volante (carenagem) para simular o anel de desgaste fixo. Os furos existentes no disco do volante simularam os dutos de equilíbrio de pressão (Fig. 8). Foram realizados ensaios com e sem os dutos, para a verificação da ocorrência de transporte de massa de fluido refrigerante entrando por eles e passando pelo labirinto. Figura 6 - Grupo gerador da Usina Hidrelétrica Pitangui UHE PGI 4 Usina situada no Rio, no município de Ponta Grossa-Pr
11 Figura 7 Modelo experimental adaptado sobre o grupo gerador da UHE PGI Protótipo Modelo Figura 8 Dutos de equilíbrio de pressão Para a comprovação do resultado, foram medidos os seguintes parâmetros: vazão de ar pelo labirinto e temperaturas no labirinto e anel de desgaste (Fig. 9). As temperaturas foram medidas através de sensores RTD platina 100 e a vazão por meio de linhas de corrente.
12 Figura 9 Posicionamento dos sensores no modelo Sendo: TA temperatura do ar TM temperatura do metal Tamb temperatura do ambiente 2.2.1 - Resultado dos ensaios experimentais em modelo. Com os dutos de equilíbrio de pressão, houve ocorrência de vazão de ar axialmente pelo labirinto, e não houve variação de temperatura (Fig. 10). Para melhor avaliação dos resultados, uma vez que se sabe que o efeito centrífugo é proporcional à velocidade angular, foram realizados ensaios com várias rotações do modelo, onde os valores de vazão mostram-se proporcionais (Fig. 11), validando-se os resultados. Já o ensaio sem os dutos (Fig. 12), mostrou-se o contrário, comprovando que a existência dos dutos de equilíbrio de pressão permite a entrada de ar para dentro do recinto da tampa e passar pelo labirinto. Esta passagem por sua vez, ocasiona a transferência de massa do labirinto para fora dele, impedindo o aquecimento dos anéis.
13 Modelo Pitangui - comportamento térmico labirinto com os dutos de equilíbrio de pressão - 16dez04 Temperatura relativa à temperatura ambiente 30 27,5 Temp Ar Labirinto 700 25 Temp Anel D esgaste 600 o C) 22,5 20 rotação 500 Temperatura ( 17,5 15 12,5 10 7,5 400 300 200 Rotação (rpm) 5 100 2,5 0 0 11,70 11,90 12,10 12,30 12,50 12,70 12,90 13,10 13,30 13,50 13,70 13,90 14,10 14,30 Hora (decimal) Figura 10 Ensaio com os dutos de equilíbrio de pressão rotação variável Modelo Experimental PGI Cubo com Dutos de Equilíbrio Vazão axial pelo Labirinto - 15 e 16dez04 60,0 55,0 50,0 45,0 Vazão (l/s) 40,0 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Rotação [rpm] Figura 11 Modelo Pitangui - Vazão axial no labirinto proporcional à rotação
14 36,0 Modelo Pitangui - Comportamento Térmico Labirinto SEM os D utos de Equilíbrio de Pressão Rotação - 720 rpm Início parada 16:50 35,5 Temp Anel de Desgaste 35,0 34,5 34,0 Temp Ar Labirinto Temp Ambiente o C) Temperatura ( 33,5 33,0 32,5 32,0 31,5 31,0 30,5 30,0 29,5 14:45 15:00 15:15 15:30 15:45 16:00 16:15 16:30 16:45 17:00 17:15 Tempo (hh:mm) Figura 12 Ensaio sem os dutos de equilíbrio de pressão rotação fixa de 720 rpm Resumindo, em função da existência de dutos de equilíbrio de pressão no cubo do rotor da turbina da UHE GJR, o resultado do comportamento da transferência de massa pelo labirinto (região inatingida diretamente pela água de vazamento) deve ser semelhante ao ocorrido no modelo. Ou seja, não deve ocorrer o aquecimento dos anéis de desgaste do protótipo também. 2.3 Análise experimental em protótipo Caxias. Com base nos resultados do modelo experimental, e pela semelhança física do desenho do protótipo, foram realizados os testes nas turbinas da Usina Hidrelétrica Governador José Richa (UHE GJR), pertencente à Companhia Paranaense de Energia - COPEL, cujo porte representa a maioria dos equipamentos em operação no Brasil. O ensaio denominado de Aquecimento dos Anéis de Desgaste foi realizado nas 4 unidades geradoras da UHE GJR, uma vez que cada unidade tem suas peculiaridades como a quantidade de vazamento de água pelo distribuidor, a forma deste vazamento, oscilações de eixo, flutuações de pressões, etc., que podem influenciar no comportamento térmico final. Os ensaios foram realizados na medida em que houve liberações pelos agentes controladores de geração e ou agrupando com as paradas de manutenções, uma vez que, para a instalação dos sensores de temperatura dos anéis de desgaste e do labirinto (sensores RTD platina 100 Fig. 13), exclusivamente para o ensaio, havia necessidade de parada do grupo com drenagem da água do rotor da turbina. Ciente de que o comportamento do
15 protótipo poderia ser diferente do modelo, o ensaio foi realizado diminuindo-se gradativamente a vazão da água de resfriamento dos anéis até operar sem ela. Temperatura anel superior (metal e ar) Temperatura anel inferior (metal e ar) Figura 13 Instalação de sensores de temperatura no protótipo Como o resultado dos ensaios foram semelhantes nas 4 unidades, neste trabalho será apresentada apenas o gráfico de comportamento das temperaturas dos anéis superior e inferior da unidade 1 (Fig. 14)
Figura 14 - Ensaio de aquecimento dos anéis de desgaste unidade 1 16
17 Resumidamente, as temperaturas máximas atingidas foram conforme tabela Tabela.1 - Ensaio de aquecimento dos anéis de desgaste unidade 1 Temperatura máxima atingida ( C) Anel superior Ar (labirinto) 25,7 Anel superior fixo Metal 25,5 Anel inferior Ar (labirinto) 26,2 Anel inferior fixo Metal 25,7 Água tampa da turbina 24,9 Ou seja, as temperaturas não ultrapassaram de 26,2 C, contra máxima permissível de 34,7 C. Isto é, com segurança, o sistema de resfriamento dos anéis de desgaste das 4 unidades geradoras da UHE GJR podem ser desativadas. 2.4 Operação definitiva da unidade gerador 4 da UHE GJR sem o sistema de resfriamento dos anéis de desgaste. A unidade 4 foi a primeira máquina a operar definitivamente sem o sistema de resfriamento dos anéis de desgaste. A escolha foi em função da existência de uma oportuna parada de manutenção para introdução de adequações necessárias. Foram alterados os automatismos de operação e fechadas as válvulas de alimentação de água para os anéis. Em função de necessidade operacional estratégica e incomum, o grupo foi submetido a operação como compensador síncrono durante 96 horas sem interrupção (Fig. 15), diferente das operações normais que giram em torno de 12 horas máxima.
18 Figura 15- Ensaio de aquecimento dos anéis de desgaste da unidade 4 Duração: 96 horas contínuas. Em resumo, as temperaturas máximas atingidas registradas pelos sensores originais da máquina foram conforme Tab 2 abaixo: Tabela 2 Temperaturas máximas atingidas ( C) Sensor 1 Sensor 2 Anel superior Metal 27,6 27,6 Anel inferior Metal 26,2 26,9 Água de vazamento 23 O comportamento térmico não diferenciou do resultado dos ensaios realizados nos protótipos 1, 2 e 3, ou seja, temperatura máxima atingida de 27,6 C, aprovando definitivamente o modo operativo sem o sistema de resfriamento dos anéis de desgaste. A Fig. 15 mostra que a estabilização da temperatura durante os 4 dias de operação contínua como compensador síncrono não foi uma constância, podendo ser melhor estudada relacionando com outros parâmetros operacionais, mas, de qualquer forma, os limites atingidos ficaram bem aquém da máxima temperatura permitida.
19 3 - CONCLUSÃO Com os cálculos teóricos e dados experimentais desenvolvidos nos relatórios do 2º Congresso Mundial de Manutenção e 19º Congresso Brasileiro de Manutenção e dissertação de mestrado Modelagem do Comportamento Térmico dos Anéis de Desgaste de uma Turbina Francis Operando em Compensador Síncrono, foi possível buscar aproximação nos resultados esperados do protótipo da UHE GJR para somente depois, executar teste prático propriamente dito. Os resultados encontrados nos testes das 4 unidades geradoras da UHE GJR espelharam os dados sinalizados pela teoria e ensaios experimentais de modelo, cujos valores máximos atingidos foram em média não superiores a 26,5. C, estando bastante aquém da temperatura máxima de 34,7 C. A operação da unidade 4 por um período de 96 horas ininterruptas, sem o sistema de resfriamento dos anéis de desgaste, e atingindo apenas a temperatura máxima de 27,6 C, atestou definitivamente a redundância da instalação quando existe o vazamento de água pelas folgas superior e inferior das palhetas do distribuidor da turbina. O fator decisivo de estabilização da temperatura, a um patamar aquém da permissível nos labirintos (anéis de desgaste), é o efeito centrífugo provocado pela rotação do cubo do rotor (disco), aliado à existência dos dutos de equilíbrio de pressão (furos no cubo), que permite a entrada de ar resfriada para dentro do labirinto. Por conseqüência, faz a transferência de massa de ar deste, aquecido pela dissipação viscosa, para o meio externo onde está o vazamento. Questionar a necessidade de uma instalação original, tradicional de fabricantes para otimizar a disponibilidade com diminuição de custo operacional é um grande desafio. Não é uma tarefa de fácil solução, exigindo aprofundamento do assunto e cautelas nas decisões. Quebrar um paradigma de que tudo que o fabricante instala é essencial, é buscar constantes melhorias para o sistema.
20 4 - REFERÊNCIAS ABNT NB 228 (Associação Brasileira de Normas Técnicas), Turbinas Hidráulicas - Ensaio de Campo: Método de Ensaio. 1990. ASME PTC 18,1992. GERE, J. M.; TIMOSHENKO, S. P. Mechanics of Materials. 3 ed. Boston: PWS-Kent Publishing Company, 1990. IEC 41 (International Electrotecnical Commission) 1963. Kimura, N. Desativação do Sistema de Resfriamento dos Anéis de Desgaste do Rotor de uma Turbina Francis Operando como Compensador Síncrono. 2º Congresso Mundial de Manutenção e 19º Congresso Brasileiro de Manutenção maio de 2004. Kimura, N. Modelagem do Comportamento Térmico dos Anéis de Desgaste de uma Turbina Francis Operando em Compensador Síncrono - Dissertação de mestrado do Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica da UFPR, Curitiba, 2005. MÁXIMO, A.; ALVARENGA, B. Física. São Paulo: Ed. Scipione, 1997.