Turbina a gás
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Turbina a gás
Turbina a gás Agosto/2012 Isaias Alves Machado E&P/UO-BC/ATP-AB/MI-CGM • Isaias Alves Machado Graduação – Tecnico em Mecânica – CEFET Campos – 1995 – Engenheiro de produção – Universidade Salgado de Oliveira – 2005 – Mestrando em Engenharia dos Materias – UENF – 2012; – Graduando em teologia – Faculdade Batista Fluminense – 2012; Experiência profissional – Furnas Centrais Elétricas – Operação e manutenção – El Paso – Operação e Manutenção de termoelétrica – Petrobras – Manutenção de turbo compressores “O conhecimento e a tecnologia são fatores estratégicos para alcançarmos a excelência empresarial.” “As atividades do E&P devem ser desenvolvidas de forma integrada com outras áreas da companhia.” (11º e 12º princípios do E&P – Petrobras) Treinamento Turbina Foco Operacional HISTÓRIA • Notas históricas: – Idealização; – Primeiras operações; Hero de Alexandria – 150a.C HISTÓRIA • Gerações de turbinas: – Primeira geração 760 < Tmax. < 955; – Segunda geração 955 < Tmax. < 1124; – Terceira geração 1149 < Tmax. < 1288; Giovanni de Branca – 1629 HISTÓRIA • Aplicação – Protótipos; – Ferrovias; – Industrias, Shopings, Condominios; • Eficiência: – Primeiras turbinas < 20%; – Atuais > 40%; • Materiais: – Evolução das superligas; – Desenvolvimento de materiais cerâmicos – Melhores técnicas de fabricação dos componentes; MoDELoS DE TURBoMÁQUINAS • Industrial Pesada – Heavy Duty – PGT 5, PGT 10 – Nuovo Pignone; – Hispano Suiza; – Siemens; MoDELoS DE TURBoMÁQUINAS MoDELoS DE TURBoMÁQUINAS • Industrial Leve – Solar Mars; – Solar Centauro; MoDELoS DE TURBoMÁQUINAS • Aeroderivada – GE LM 2500, LM 6000; – RR RB 211, Avon; MoDELoS DE TURBoMÁQUINAS LM 6000 LM 6000 Fabricante: General Eletric Modelo: LMS 100 Origem: Turbo Jato GE 90 Potência: 100 MW LMS 100 LMS 100 LMS 100 PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo A necessidade PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo A Soluç Solução PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo A Realidade PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo PRINCÍPIo DE FUNCIoNAMENTo TERMoDINÂMICA BÁSICA Ciclo Bryton • Entrada de ar; • Compressão; • Combustão; • Exaustão; Ciclo Bryton Ciclo Otto TEMPERATURA E PRESSÕES APRoVEITAMENTo TÉRMICo Conceitos: •Potência de eixo; •Heat Rate; •Ciclo combinado; •Eficiência Termodinâmica; •Diferença de temperaturas; •Razão de compressão; Condições ISO Condições ISO # Temperatura – 15ºC # Pressão – 1 atm # Umidade do ar – 60% FAToRES EXTERNoS Temperatura de ar Atmosférico: –Redução da densidade específica do ar; –Trabalho de compressão específica; FAToRES EXTERNoS Pressão atmosférica – Influência da Altitude – Ar menos denso; FAToRES EXTERNoS Umidade Relativa do ar; – Maior umidade, menor densidade do ar; FAToRES EXTERNoS Queda de pressão na sucção; – – – Filtros; Silenciadores; Resfriadores; Aumento de pressão na Descarga; – – Duto de exaustão; Recuperadores de calor; FAToRES INTERNoS Gás combustível: – Comparação entre diesel e gás; – Comparação entre gás com diferentes poder calorífico; Efeitos: – Positivos: • Maior potência Útil; • Menor consumo *; – Negativo: • Trabalho perto dos Limites de surge; • Custo dos equipamentos e sistema de compressão; • Coeficiente de transmissão de calor por produtos da combustão – maior saturação de água; FAToRES INTERNoS Extração de ar do compressor axial: – Drenagem de ar para resfriamento; – Drenagem de ar para auxiliares; Injeção de água - Controle de emissão NOX; – – – – Lavagem Off line; Injeção entre compressores; Injeção na câmara de combustão; Injeção de vapor; FAToRES INTERNoS Resfriamento do ar de entrada: – Sistema evaporativo; FAToRES INTERNoS Resfriamento do ar de entrada: – Sistema chiller; CoMPRESSoR • Tipos de compressores: – Radiais - Grandes pressões e baixas vazões; – Axiais - Altas vazões e médias pressões; • Problema dos compressores – Baixa eficiência em baixas rotações; – Instabilidades operacionais; – Surge ou Limite de stonewall(shoke); • Solução de projeto: – Aletas guias de entrada - IGV; – Válvulas de sangria de ar – Bleed valve; – Aletas variáveis - VSV; CoMPRESSoR Aleta Rotora • Fornece energia ao fluido; •Aumenta a velocidade; Aleta Estatora •Duto divergente • Converte energia do fluido; •Reduz a velocidade •Aumenta a pressão CÂMARA DE CoMBUSTÃo CÂMARA DE CoMBUSTÃo • Função: – Adição de energia – Oxidação do combustível; – Expansão dos gases – Isobárica; • Modelos: – Tubular; – Tubuanular; – Anular – Amplamente utilizada; • Limitação: – Temperatura; – Materiais; – Tensões térmicas; • Solução de projeto: – – – – – Materiais Nobre – Super ligas; Hastelloy X ou Inconel 625; Revestimento especial – coating; Barreira térmica – TBC; Resfriamento dos liners; CÂMARA DE CoMBUSTÃo Câmara Tubuanular Câmara Tubular CÂMARA DE CoMBUSTÃo Câmara anular CÂMARA DE CoMBUSTÃo TURBINA TURBINA • Função: – Transformar energia térmica dos gases em energia mecânica; – Acionar o compressor axial da geradora de gás; – Fornecer potência útil para acionamento da carga; Turbina de aviação Turbina Industrial TURBINA Turbina TURBINA Turbina TURBINA • Exigências dos materiais: – – – – – Resistência mecânica elevada para temperaturas elevadas; Resistência a transientes de temperatura – Partida e parada; Fadiga térmica; Resistência a corrosão; Boas propriedades de fusão; • Solução de projeto: – – – – – Materiais Nobres – Super Ligas Diluição dos gases da combustão; Revestimento especial – coating; Resfriamento interno das palhetas; Filme ou película de revestimento de ar; TECNoLoGIA DAS SUPERLIGAS 1. Aplicação de materiais a base de Níquel; 2. Cristalização com orientação de grãos; 3. Aplicação de coat - Al2O3; 4. Construção de cavidades internas para resfriamento; CRISTALIZAÇÃo DAS SUPERLIGAS Equiaxed Crystal Structure Directionally Solidified Structure Single Crystal RESFRIAMENTo DE BLADES Cavidades interna Entrada de refrigeração na raiz da blade TECNoLoGIA DE RESFRIAMENTo E CoATING Single pass Multi-pass Cooling air Thermal Barrier Coating RESFRIAMENTo DE NoZZLE E BLADES CANALIZAÇÕES INTERNAS Vantagens das canalizaç canalizações internas •Redução da massa e força centrífuga; •Estabelecimento do resfriamento das palhetas da turbina; •Estabelecimento da selagem entre estágios da turbina; MATERIAIS UTILIZADo EM TURBINA • Bellmouth, gearbox • Bullet nose • Front frame • Stator cases • Stator vanes: IGV, stg 1 & 2 stg 3-16 • Rotor blades: stg 1-14 stg 15-16 • Rotor: stg 1-10 disks and spool stg 11-16 spools, shaft • Compressor rear frame • Combustor Aluminum (AMS4026) Composite 17-4PH M152/Inco 718 Ti-6Al-4V A286 Ti6Al-4V A286 Ti-6Al-4 Inco 718 Inco 718 Hastelloy X & HS188 MATERIAIS UTILIZADo EM TURBINA • HP turbine: – Stg 1 nozzles – Stg 2 nozzles, stg 1 and 2 blades – Stg 1 and 2 disks and shaft • Turbine mid-frame • Power turbine: – Stg 1-2 vanes and blades – Stg 3-6 vanes – Stg 3-6 blades – Stg 1-6 disks – LPT case – LPT fwd and aft shafts • Turbine rear frame X40 and Codep B René 80 and PtAl Inco 718 Inco 718, René 41 René 77 and Codep B René 41 René 77 Inco 718 Inco 718 Inco 718 Inco 718 MATERIAIS UTILIZADo EM TURBINA DIAGRAMA LM 6000 Compressor Front Frame SUPoRTAÇ SUPoRTAÇÃo DoS EIXoS LP E HP • • Rolamentos radiais - 2R, 3R, 4R, 5R, 6R e 7R; Rolamentos combinados – 1B e 4B PARTE FRoNTAL LM 6000 VISTA EXPLoDIDA - LPC Compressor axial; 5 estágios de compressão; Carcaça bipartida; Sump A; Rolamentos: 1B; 2R; IGV ou VSV; VBV; Caixa de acessórios: TGB; Motor de partida; Geometria variável; Lubrificação; VISTA EXPLoDIDA - LPC PARTE TRASEIRA LM 6000 VISTA EXPLoDIDA HPC E HPT Compressor axial - alta; 14 estágios de compressão; Carcaça bipartida; CRF; Sump A, B e C ; Rolamentos: 3R; 4R; 5R; 4B; VSV; Câmara de combustão; HPT; Nozzle; 2 estágios; VISTA EXPLoDIDA HPC E HPT VISTA EXPLoDIDA LPT Turbina de baixa; Carcaça anular; TRF; Sump D e E ; Rolamentos: 6R; 7R; Câmara de balanço; DIAGRAMA LM 6000 CAIXA DE ACESSÓ ACESSÓRIoS AGB AGB Principais acessórios; – – – – – – AGB TGB; Motor de partida; Bomba de lubrificação; HCU; Bomba HP; Opcionais; MoToR DE PARTIDA HIDRÁ HIDRÁULICo MoToR DE PARTIDA HIDRÁ HIDRÁULICo LUBRIFICAÇ LUBRIFICAÇÃo Scavenge Pump – Finalidade; – Configuração; HCU HCU - Hydraulic Control Unit – – – – Acionamento e controle VIGV; Acionamento e controle VBV; Acionamento e controle VSV; Acionamento e controle TBV; VBV Válvula By Pass – – – – – Finalidade; Acionamento; Feed Back; Sistema de comando; Principais problemas; VSV ACIoNADoRES • Função: – Transferir deslocamento; – Mover todos os links; • Manutenção; – Inspecionar Links; – Inspecionar espaçadores; SISTEMA DE AR RESFRIAMENTo E CoMBUSTÃo SISTEMA DE AR RESFRIAMENTo E CoMBUSTÃo AR PARA CoMBUSTÃo • • Finalidade; Formatos; – Altas e baixas velocidades; – Vantagens e aplicações; • Estágios de filtragem; AR PARA CoMBUSTÃo AR PARA CoMBUSTÃo AR PARA CoMBUSTÃo Sistema de Ar SISTEMA DE LUBRIFICAÇ LUBRIFICAÇÃo SISTEMA DE LUBRIFICAÇ LUBRIFICAÇÃo SISTEMA DE LUBRIFICAÇ LUBRIFICAÇÃo SISTEMA DE LUBRIFICAÇ LUBRIFICAÇÃo SISTEMA DE LUBRIFICAÇ LUBRIFICAÇÃo SISTEMA DE LUBRIFICAÇ LUBRIFICAÇÃo Inspeção Visual Eletronic Chip Detectors SISTEMA DE AR PARA RESFRIAMENTo SISTEMA DE PARTIDA SISTEMA HIDRÁ HIDRÁULICo DE PARTIDA •Funções do sistema: – – – – – Acionar o eixo da HPT; Fornecer rotação para realizar inspeções - Cranck; Fornecer rotação para realizar purga dos gases antes das partidas; Fornecer rotação para partida do equipamento; Fornecer rotação para resfriamento da máquina pós parada; •Tipos de acionadores: – – – – Motor hidráulico; Motor elétrico; Motor Pnemático; Motor a gás; SISTEMA HIDRÁ HIDRÁULICo DE PARTIDA •Operação: – – – Elemento primário Motor Elétrico; Elemento Secundário Bomba hidráulica; Elemento Terciário Motor hidráulico; MoToR ELÉ ELÉTRICo • Função: – – • Acionar Bomba de carregamento; Acionar bomba Principal no skid; Manutenção: – – – – Verificação dos calços e lubrificação; Sistema de aquecimento; Megar as bobinas e cabos; Verificação das contactoras; BoMBA HIDRÁ HIDRÁULICA • Função: – – • Carregamento – Preencher e pressurizar linha principal; Principal – Fornecer fluxo de óleo sob alta pressão para acionamento do motor; Características: – – Bomba de carregamento - Engrenagem; Bomba principal – Pistão; BoMBA HIDRÁ HIDRÁULICA MoToR HIDRÁ HIDRÁULICo • Função: • Características: – Transformar a energia hidráulica em rotação; – Motor com pistões; – Embreagem centrífuga; SISTEMA DE PARTIDA HIDRÁ HIDRÁULICo SISTEMA HIDRÁ HIDRÁULICo DE PARTIDA SISTEMA DE GÁ GÁS CoMBUSTÍ CoMBUSTÍVEL SISTEMA DE GÁ GÁS CoMBUSTÍ CoMBUSTÍVEL SISTEMA DE GÁ GÁS CoMBUSTÍ CoMBUSTÍVEL • • • • • Finalidade; Principais componentes; Operação; Manutenção; Controle de temperatura; SISTEMA DE GÁ GÁS CoMBUSTÍ CoMBUSTÍVEL SISTEMA DE INJEÇ INJEÇÃo DE ÁGUA • Finalidade; • Principais componentes; SISTEMA DE INJEÇ INJEÇÃo DE ÁGUA SISTEMA DE FoGo E GÁ GÁS SISTEMA DE CoMBATE INCÊNDIo SISTEMA DE CoMBATE INCÊNDIo SISTEMA DE LAVAGEM Do CoMPRESSoR • Skid de lavagem – Lavagem Off Line – Lavagem On Line SISTEMA DE VIBRAÇ VIBRAÇÃo SISTEMA DE VIBRAÇ VIBRAÇÃo SISTEMA DE CoNTRoLE DA TURBINA SISTEMA DE CoNTRoLE DA TURBINA SISTEMA DE CoNTRoLE DA TURBINA Partida do turbo gerador • Inspeção geral; – Isolamentos e bloqueios na área; – Sistemas auxiliares; – Equipamentos em automático; – Alinhamento dos permutadores e filtros; • Partida do sistema de óleo mineral; – Nível do tanque de óleo mineral; – Teste da bomba DC; – Teste da bomba auxiliar; – Funcionamento da bomba principal; – Funcionamento do sistema de exaustão; – Verificação dos valores de pressão e temperatura; – Liberação da máquina para partida – Ready to Start; • Partida do sistema da Turbina; – Permissíveis OK; – Sistema hidráulico em Auto; – Comando de start pelo HMI; • • • • Liga os ventiladores do Hood da turbina e faz purga; Liga os ventiladores do compartimento combustível; Liga Jacking pump e verifica pressão; Liga o motor de partida; – Purga da máquina; • • • • Fecha as VBV´s; Energiza solenóide baixa velocidade; Verifica velocidade HPC acima de 1.200rpm; Liga o temporizador de 2 minutos; • Partida do sistema da Turbina (continuação); – Rampa de acendimento da máquina; • • • • Remove inibição da VBV – abre 100%; Energiza solenóide de alta velocidade; Liga o resfriamento dos detectores de chama; Verifica velocidade HPC acima de 1.700 rpm; – Acendimento da máquina; • • • • • Arma sistema de bloqueio de gás; Abre purga do manifolde de água Nox; Habilita o sistema de controle da máquina; Energiza ignitores; Inicia temporizador de acendimento da máquina – 10”; • Partida do sistema da Turbina (continuação); – Aceleração para Idle; • Verifica T48 acima de 400ºC; – Acelera XNSD por 90 segundos; – Inicia contador da máquina; – Estabelece sistema de desarme por perda de chama; • Inicia rampa de aceleração; – XN25 Acels – T48 controle da rampa; • Verifica progressão da curva de aceleração; – XNSD > 500RPM desliga aquecedor e Jacking pump; – XN25 > 4600 RPM; » Desliga ignitores; » Desliga sistema de partida; » Verifica pressão de óleo lubrificante; • Partida do sistema da Turbina (continuação); – Aceleração para Velocidade de sincronismo; • Com XN25 aproximadamente 6.300RPM - Idle; – – – – Retira limite de trip de T48 por baixa velocidade; Verifica velocidade XNSD acima de 1.250RPM; VBV´s totalmente aberta; Temperatura de óleo da turbina acima de 90ºF; • Eleva sinal de referência – XN25 no controle; – Verifica velocidade de XNSD acima de 3.420RPM; » Fecha disjuntor de campo; » Mantêm rampa de XN25 por 10 segundos; • Velocidade XNSD em 3.600RPM; – XNSD em controle; – Inicia contagem de tempo em Warm Up; • Partida do sistema da Turbina (continuação); – Sincronismo do gerador; • Após 5 minutos – Pronto para sincronismo; • Selecionar sincronismo em auto ou manual; – – – – – Ajustar tensão pelo controle de excitação de campo; Ajustar a freqüência pela velocidade da turbina; Após os parâmetros estiverem dentro dos limites; Comandar fechamento do disjuntor principal; Sinalização de disjuntor fechado; • Elevar geração para valor desejado; – Eleva referência de XN25 para limite; – Habilita injeção de água Nox; » Liga bomba de injeção; » Habilita vv de entrada e fecha vv de purga; • Tipos de parada da máquina; – – – – – – ESD No Motored; ESD Motored; Step to Idle Shut Down; Step To Idle; Decel To Min Load; Normal Stop; • Tipos de parada da máquina; – ESD No Motored; Motored; O que? • Desarme imediato da máquina sem motorização para cranck; • Problema que ameace a integridade da máquina ou pessoas, mesmo com velocidades baixas; • • • Abertura repentina do disjuntor da máquina e de campo; Desarme do bloqueio de gás combustível da máquina; Inibição do sistema de partida; • • Atuação do sistema de fogo e gás; Pressão muito baixa de óleo lubrificante gerador – LL; Quando? Como? Exemplos • Tipos de parada da máquina; – ESD Motored; Motored; O que? • Desarme imediato da máquina com motorização para cranck; • Problema que ameace a integridade da máquina ou pessoas; • • • Abertura repentina do disjuntor da máquina e de campo; Desarme do bloqueio de gás combustível da máquina; Liga sistema de partida com rotação abaixo de 300RPM; • • • Alta pressão de gás combustível; Temperatura muito alta de óleo lubrificante gerador – HH; Proteção elétrica do gerador – GCP; Quando? Como? Exemplo • Tipos de parada da máquina; – Step to Idle/Shutdown; Idle/Shutdown; O que? • Rápida redução de velocidade para velocidade de Idle com abertura do disjuntor e subseqüente desligamento da máquina; • Problemas graves que requerem parada da máquina imediata da máquina, porem requer uma rampa de desaceleração; • • • • • Rápido declínio da referência de XN25 para Idle, levando a desaceleração; Abertura do disjuntor da máquina e de campo; Permanência por alguns instantes em Idle – 6.300RPM; Desarme do bloqueio de gás combustível da máquina; Liga sistema de partida com rotação abaixo de 300RPM; • Vibração alta na turbina; Quando? Como? Exemplo • Tipos de parada da máquina; – Step to Idle; Idle; O que? • Rápida redução de velocidade para velocidade de Idle com abertura do disjuntor e permanência nessa condição por no máximo 15 minutos; Quando? • Problemas graves que requerem redução rápida de velocidade da máquina para buscar solução imediata; Como? • • • • • Rápido declínio da referencia de XN25 para Idle, levando a desaceleração; Abertura do disjuntor da máquina e do disjuntor de campo; Permanência por até 15 minutos em Idle – 6.300RPM; Requer intervenção da operação, podendo rearmar o alarme e acelerar novamente para sincronismo. Caso não seja tomado tal providência, será convertido em Shutdown motorizado, ligando o motor de partida e realizando resfriamento; Liga sistema de partida com rotação abaixo de 300RPM; • Alto valor de spread nos sensores de T48; Exemplo • Tipos de parada da máquina; – Decel to min load; load; O que? • Desaceleração para a condição de mínima carga do gerador; • Problemas menos agressivos que tendem a normalizar com redução de carga; • • • • Redução da referência de XNSD para 2 MW; Desabilita injeção de água nox e estabelece purga do manifolde de água; Permanência nessa condição até providência operacional; Se a situação for normalizada, poderá rearmar o alarme e retornar a máquina para a carga base. Caso a situação não seja corrigida, deverá ser dado parada normal; • Temperatura alta no gerador elétrico; Quando? Como? Exemplo • Tipos de parada da máquina; – Normal Stop; Stop; O que? • Seqüência normal de desligamento da máquina com passagem gradativa em rampa em todas as fases, proporcionando um resfriamento progressivo; • Situação pretendida pelo operador da máquina ou condição automática da máquina que não envolva risco da integridade da máquina os das pessoas envolvidas com ela; • Redução em rampa da referência de XN25 para Idle, assumindo o controle da válvula de gás e reduzindo a carga da máquina para 1 MW; Com 2 MW, desabilita o sistema de injeção de água Nox e inicia a purga do manifolde; Com carga menor que 1,5MW abertura do disjuntor do gerador e de campo; Redução da velocidade para Idle – 6.300RPM ; Realiza cool down de 15 minutos para resfriamento da máquina; Quando? Como? • • • • • Tipos de parada da máquina; – Normal Stop (continuaç (continuação); Como?(continuação) • • • • • • • • Fechamento do sistema de bloqueio de gás combustível; Inicia resfriamento dos detectores de chama da máquina – 30 min; Inicia resfriamento dos sumps B, C, D e E – 90 min; Com XN25 menor que 300RPM, liga o sistema de partida; Quando rotação superior a 1.700RPM, contagem de tempo de 5 min para resfriamento; Após tempo de 5 minutos, desliga sistema de partida; Quando XNSD menor que 400RPM liga jacking pump; Quando XNSD igual a 0 RPM; Liga aquecedor gerador; Inicia contador de tempo para resfriamento do hood – 60 min Inicia contador de tempo para pós lubrificação – 30 min; Exemplo • • Desligamento normal pelo operador; Falha da ventilação do compartimento de combustível; • Observações; • • • • • • O reconhecimento do alarme e rearme deverá ser realizado com conhecimento e segurança; Após desligamento da máquina, terá 10 minutos para estabelecer o cranck da máquina para impedir seu travamento por 4 horas; Após desligamento da máquina, sempre que possível deverá ser realizado uma inspeção no interior da máquina para verificar possíveis vazamentos ou condições anormais; Após completa inspeção, a máquina deverá ser preparada para nova partida ou colocada em manutenção; O Control Assist poderá ser uma ferramenta importante para identificação do trip e do diagnóstico; As corretas leituras e conhecimento das variáveis de processo serão importantes ferramentas para identificar anormalidade no conjunto de geração; “Se o conhecimento pode criar problemas, não é através da ignorância que podemos solucioná-los." (Isaac Asimov) Dúvidas