UHE Igarapava Coo o onitoraento do entreferro evitou danos de grande onta no gerador utores: Raiundo Jorge Ivo Metzker, CEMIG Marc R. Bissonnette, VibroSystM ndré Tétreault, VibroSystM Jackson Lin, VibroSystM Introdução usina hidrelétrica de Igarapava copreende 5 áquinas tipo bulbo de 42 MW cada e está localizada no Rio Grande, divisa entre os Estados de Minas Gerais e São Paulo, no Brasil. O Proprietário da usina é o Consórcio Igarapava, que congrega cinco Epresas: Copanhia Vale do Rio Doce CVRD, Copanhia Mineira de Metais CMM, Copanhia Siderúrgica Nacional CSN, Copanhia Energética de Minas Gerais CEMIG e Mineração Morro Velho. Os geradores fora projetados e fornecidos pela BB Brasil e as turbinas pela Voest- lpine da Áustria. Estas são as prieiras áquinas tipo bulbo a sere instaladas no Brasil. Por isso, o Proprietário insistiu para que fosse totalente equipadas co u sistea copleto de onitoraento on-line que pudesse onitorar diversos parâetros do gerador para efetivar anutenção baseada nas condições da áquina logo após o coissionaento das unidades. Os parâetros onitorados fora: entreferro rotor-estator 1 ; vibração radial e axial do eixo no gerador e no ancal-guia da turbina; pressão hidráulica; potência do gerador (MW); potência reativa do gerador (MVR); tensão do gerador; corrente do estator; corrente da excitatriz; teperatura do estator; níveis de água à ontante e a jusante; pressão de água à ontante e a jusante. E Igarapava, o espaço noinal entre rotor-estator é de apenas 11, e portanto o onitoraento do entreferro se toa cada vez ais crítico, especialente visto que a deforação do estator 2 levando à distorção do entreferro é cou e uitas áquinas tipo bulbo e todo o undo. Para geradores do tipo bulbo, as áquinas de Igarapava são consideradas de grande porte e o onitoraento do entreferro foi julgado coo indispensável. Histórico E 27 de Julho de 1999, a unidade 2 de Igarapava sofreu roçaento rotor-estator no período de 5 eses após o coissionaento. O fato levou a u extensa e custosa parada para reparo da unidade. Nesta época, o sistea de onitoraento da áquina, a ser fornecido pela VibroSystM do Canadá, ainda não havia sido instalado. Devido a constrangientos de projeto, as unidades 1 e 2 não tinha seus sisteas de onitoraento coissionados a tepo para a partida dessa duas unidades. E função da ocorrência dos danos no rotorestator, o coissionaento do sistea ZOOM 3 para todas as 5 unidades foi acelerado enquanto, concoitanteente, o Contratante principal estava investigando a causa do contato rotor-estator. Pela perspectiva do Contratante, a Concessionária havia adquirido o sistea de onitoraento especificaente para evitar tal problea. ssi, era ais do que lógico tornar o sistea totalente operacional o ais rápido possível e utilizá-lo para o objetivo proposto.
E Setebro de 1999, enquanto estava na usina de Igarapava para copletar a instalação do sistea e efetuar o coissionaento nas unidades 1, 2 e 5, a VibroSystM teve a esa a oportunidade de efetuar edições de teste e todas as cinco áquinas. pós revisar as curvas polares e tendências arazens das no arquivo de dados do sistea, a VibroSystM constatou ua irregularidade na áquina 4 que já havia sido previaente coissionada. Probleas no Rotor-Estator na Máquina 4 U total de quatro sensores de entreferro estão instalados no períetro do núcleo do estator aproxiadaente 25 c (ou 10 polegadas) da borda do ferro do estator. Os sensores estão instalados nos pontos 45 o, 135 o, 225 o e 315 o (veja Figura 1). Durante os testes do sistea ZOOM na áquina 4, ua anoalia foi detectada no entreferro rotor-estator na localização do sensor 225 o. Baseado nos dados que fora ostrados através do software de onitoraento ZOOM, VibroSystM suspeitou da presença de ua deforação 4 no aro do rotor. Utilizando a capacidade do software do sistea ZOOM de ostrar os dados históricos, foi possível isolar e u ponto no tepo a assinatura 5 (i.e. o enor valor de entreferro de cada polo edido e ua revolução copleta do rotor) para cada sensor de entreferro. De odo a facilitar a interpretação dos dados do entreferro, a VibroSystM referencia a edição do entreferro aos pólos do rotor ao invés do tepo. Siplificando, isto significa que u deslocaento de fase é ostrada e três dos quatro sensores de entreferro para alinhar os traços de entreferro de todos os quatros sensores de acordo co seus pólos (para ua explanação detalhada, veja pêndice ). Estator 315 225 Rotor x,y Estrutura do bulbo Sensor de entreferro 45 135 6.45 Diâetro interno do estator Montante P 11 noinal 25 c Sensor da borda da parede do estator MW Estator x,y x,y,,,,, z,, Rotor MVR 4x, 1.45 ltura da parede do estator Sensor de entreferro MW do Gerador Vibração Relativa do Eixo Posição xial Relativa MVR Potência tiva e Reativa Jusante P Teperatura do Estator e Mancais P Pressão de Água na Entrada e Saída Figura 1: Seção cruzada da unidade tipo bulbo ostrando a localização dos sensores de entreferro na parede do estator e outros parâetros onitorados. Isolando a assinatura de cada u dos quatro sensores de entreferro, foi possível identificar se a deforação era peranente ou transitória (veja Figuras 2 e 3). Ua deforação peranente resultaria e todos os quatro sensores de entreferro vendo o eso traço da assinatura. Ua deforação transitória resultaria e todos os quatro sensores vendo u traço diferente. Utilizando o software ZOOM, foi possível deterinar que a aplitude da deforação variou dependendo do ângulo para qual o rotor foi virado. áxia aplitude da deforação (ou entreferro ais crítico) ocorreu quando polo #39 do rotor passava defronte do sensor 225 o.
10.2 10.0 i r G a p ( ) 9.8 9.6 9.4 9.2 9.0 8.8 8.6 60 50 40 30 20 10 13 pole(s) 0.02 GEN 4 ir gap (45) Generator (Top) 1999/09/16 13:19:07 Test at S.N.L. -0.03 GEN 4 ir gap (135) Generator (Top) 1999/09/16 13:19:07 Test at S.N.L. -0.25 GEN 4 ir gap (225) Generator (Top) 1999/09/16 13:19:07 Test at S.N.L. -0.09 GEN 4 ir gap (315) Generator (Top) 1999/09/16 13:19:07 Test at S.N.L. Figura 2: ssinatura do entreferro e todos os quatro sensores ostrando os perfis do rotor e Velocidade Se Carga (Speed No Load). E todas as figuras, as arcações e delta indica variações entre aro do rotor de posição estável (polo 59) e o aro óvel de pior locação (polo 39) ao longo de valores nuéricos para cada curva ostrada na parte inferior à direita. 10.6 10.5 10.4 10.3 Área de aior variação i r 10.2 10.1 10.0 9.9 G a p ( ) 9.8 9.7 9.6 9.5 9.4 9.3 9.2 9.1 9.0 60 50 40 30 20 10 13 pole(s) -0.63 GEN 4 ir gap (45) Generator (Top) 1999/09/16 14:26:45 Test at 42 MWatts -0.76 GEN 4 ir gap (135) Generator (Top) 1999/09/16 14:26:45 Test at 42 MWatts -1.16 GEN 4 ir gap (225) Generator (Top) 1999/09/16 14:26:45 Test at 42 MWatts -0.88 GEN 4 ir gap (315) Generator (Top) 1999/09/16 14:26:45 Test at 42 MWatts Figura 3: ssinaturas do entreferro e todos os quatro sensores a plena carga (42 MW). Note a draática variação na fora para o sensor 225 entre os pólos 52 e 29 coparado co outros sensores e co a Figura 2.
10.7 10.6 10.5 10.4 i r G a p 10.3 10.2 10.1 10.0 ( ) 9.9 9.8 9.7 9.6 9.5 60 50 40 30 20 10 13 pole(s) -0.63 GEN 4 ir gap (45) Generator (Top) 1999/09/16 14:26:45 Test at 42 MWatts -0.40 GEN 4 ir gap (45) Generator (Top) 1999/09/07 12:00:14 UTO at 42 MW -1.16 GEN 4 ir gap (225) Generator (Top) 1999/09/16 14:26:45 Test at 42 MWatts -0.58 GEN 4 ir gap (225) Generator (Top) 1999/09/07 12:00:14 UTO at 42 MW Figura 4: ssinatura do entreferro para sensores opostos a 45 o e 225 o ostrando a rápida deterioração e u período de 9 dias. Sensor 39 / 42 MW (e ) 07/07/99 16/07/99 Diferença 45 9.89 9.57-0.32 135 10.17 9.74-0.43 225 10.10 9.44-0.66 315 9.37 8.98-0.39 Tabela 1: Diferenças no entreferro para o polo 39 (localização do aro de aior oviento) e u período de 9 dias VibroSystM plotou os sensores 225 o e 45 o e os coparou co os eso dados da seana anterior. Das assinaturas da Figura 4 e os dados da Tabela 1, fica claro que eso no decorrer de ua seana, ocorreu ua significativa deterioração do entreferro. s vistas polares do gerador na Figura 5 copara os perfis do aro do rotor entre duas condições de operação (i.e., velocidade se carga e plena carga) e na Figura 6 copara os perfis do rotor na carga de 42 MW toados entre 9 dias (entre 7 e 16 de setebro de 1999). Estudando os dados, a VibroSystM alertou a CEMIG de que o sistea de onitoraento ostrou que ua falha potencial no entreferro rotor-estator poderia ocorrer a qualquer oento.
Display Upstrea ZOOM 2 X Station: IGRPV Generator: GEN 4 0 315 45 B Measureent Type: Signature Date & Tie: 1999/09/16 14:26:45 B 1999/09/16 13:19:07 Location: Top Coent: Test at 42 MWatts Test at S.N.L. t Cursor 10.12 Pole: 1 t: 0 9.95 Pole: 1 t: 0 270 90 225 135 Processing Results Roundness Rotor 1.17 0.97 Center Offset Rotor 0.24 at 129 0.30 at 64 ir Gap Maxiu 10.60 Pole 49 10.23 Pole 35 Miniu 9.43 Pole 39 9.26 Pole 17 Mean 10.09 9.93 Mode Rotation: CW Speed: 112.53 RPM Legend: Rotor Shape and Center (FL @ 225 sensor) Rotor Shape B and Center (SNL @ 225 sensor) Sensor Reference verages 180 Generator Data Noinal ir Gap: Power: Speed: 11 42 MWatts 112.50 RPM Figura 5: Vista polar do gerador coparando as foras do rotor e velocidade se carga (B) e plena carga () utilizando sensor 225 o. Valores nuéricos à direita ostra as várias alterações no offset da circularidade, ângulo e elhores/piores localizações. Display Upstrea ZOOM 2 X Station: IGRPV Generator: GEN 4 0 315 45 B Measureent Type: Signature Date & Tie: 1999/09/16 14:26:45 B 1999/09/07 12:00:14 Location: Top Coent: Test at 42 MWatts uto at 42 MW t Cursor 10.12 Pole: 1 t: 0 10.34 Pole: 1 t: 0 270 90 225 135 Processing Results Roundness Rotor 1.17 0.84 Center Offset Rotor 0.24 at 129 0.19 at 92 ir Gap Maxiu 10.60 Pole 49 10.70 Pole 49 Miniu 9.43 Pole 39 9.87 Pole 17 Mean 10.09 10.37 Mode Rotation: CW Speed: 112.53 RPM Legend: Rotor Shape and Center (FL @ 225 sensor) Rotor Shape B and Center (FL @ 225 sensor, 8 days before) Sensor Reference verages 180 Generator Data Noinal ir Gap: Power: Speed: 11 42 MWatts 112.50 RPM Figura 6: Vista polar do gerador coparando a deterioração na fora do rotor e u período de 9 dias (a plena carga de 42 MW).
ções Toadas Percebendo a gravidade da situação e o perigo potencial de u contato iinente do entreferro rotor-estator, o Engenheiro de Supervisão da CEMIG contatou iediataente o Escritório Central da CEMIG. De sua sede e Belo Horizonte, os Engenheiros da CEMIG pudera acessar reotaente as inforações via controlador reoto ZOOM e confirar que o perigo de u contato iinente era real. Os Engenheiros da CEMIG ipriira os desenhos ZOOM ais relevantes ostrando os resultados e os enviara via fax para o escritório de projetos do fabricante do gerador. pós estudo adicional, CEMIG tirou a áquina de funcionaento e solicitou ao fabricante BB que inspecionasse o aro do gerador. Dois dias após dada a orde para o desligaento da áquina, o fabricante visitou a planta para conduzir investigações ais detalhadas. Descobriu-se que a áquina 4 estava e condições be piores que a áquina 2 quando seu rotor roçou o estator. Testes de percussão fora executados nos parafusos de fixação do núcleo do rotor co a aranha. Vários parafusos quebrara durante os testes. Estava evidente que a circularidade do rotor estava perdida e, durante a rotação da áquina, este desbalanceaento estava forçando os parafusos e levando-os a se ropere. CEMIG e o fabricante efetuara ua revisão detalhada no desenho do gerador de odo a corrigir os probleas e prevenir nova ocorrência. Conclusão Este é u caso típico no qual o onitoraento do entreferro feito pelo sistea ZOOM foi capaz de prever e evitar a tepo u roçaento rotor-estator iinente de odo que ações preventivas pudesse ser toadas. CEMIG pôde, nesse caso, concluir pela iportância do investiento no sistea ZOOM, que lhe rendeu plenos dividendos e total satisfação. Co esse evento, o investiento copleto no sistea de onitoraento para toda a planta pagou-se por si só antes eso que todas as unidades estivesse coissionadas, coentou u dos Engenheiros da CEMIG. gora CEMIG está onitorando continuaente o entreferro e todas as condições da áquina e todos os cinco geradores de odo a garantir que o investiento do Consórcio Igarapava esteja totalente protegido. Monitoraento online (ao contrário do onitoraento periódico, off-line) é particularente útil coo nesse caso, que ostrou que udanças críticas no entreferro pode ocorrer nu período de seanas, para as quais a edição periódica, off-line é insuficiente para identificar e corrigir u problea antes que se transfore e ua parada forçada co custo uito elevado, seja por danos nas áquinas, seja pelo tepo ocioso das esas. 1 : espaço livre entre as partes fixas (estator) e girante (rotor) de u gerador ou otor 2 Deforação do estator: tendência do estator e ua áquina horizontal de ovalar devido à força da gravidade 3 Sistea ZOOM: abreviação de Zero Outage On-line Monitoring Syste. É u sistea de onitoraento ulti-parâetros das condições da áquina e funcionaento para geradores e turbinas de hidrelétricas. ZOOM incorpora no sistea básico o GMS (ir Gap Monitoring Syste). ZOOM e GMS são fabricados por VibroSystM / Canadá 4 Deforação do rotor: área da fora do aro do rotor que se ove para fora do círculo noral. É sinônio de perda de espaço livre e portanto, de entreferro crítico 5 ssinatura: edição do valor ínio do entreferro de cada polo do rotor e ua rotação da áquina ostrando o perfil da fora do rotor coo vista por cada sensor
PÊNDICE Introdução à análise dos resultados 1. Coparação dos étodos de referência 2. Coparação das foras de gerador
Introdução à análise dos resultados 1. Coparação dos étodos de referência E oposição aos étodos tradicionais de onitoraento referenciados ao tepo, o sistea GMS da VibroSystM é baseado nua aproxiação referenciada ao polo. Sendo o entreferro o enor passo eletroecânico da áquina, o polo serve coo referência física por todo o eixo da áquina, peritindo análises rápidas e siples pelos Engenheiros de Manutenção. G S4 P 8 G S3 G S1 G S2 Exeplo: Vista superior de u estator perfeito centralizado, co rotor quase perfeito (u polo [ ] está saliente para ajudar na coparação abaixo) Tradicional Gráfico Referenciado ao Tepo GMS Gráfico Referenciado ao G S1 G S1 Tepo P 8 G S2 G S2 Tepo P 8 G S3 G S3 Tepo P 8 G S4 G S4 Tepo Cobinado (as curvas estão isturadas) Tepo Cobinado (todas as curvas superipostas perfeitaente) Copyright 1999 VibroSystM Inc.
Introdução à análise dos resultados 2. Coparação das foras do gerador Rotor e estator perfeitos Centralizado P 8 Rotor irregular e estator perfeito Centralizado P8 Rotor irregular e estator perfeito Não centralizado NOT: Curvas coo linhas P8 Rotor irregular e estator irregular Não centralizado NOT: Curvas coo degraus P8 Copyright 1999 VibroSystM Inc.