Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL Autor/apresentador

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL Reunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL

Autor/apresentador

Área

Título do trabalho

Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL

Bruno Reis Cardoso - Carlos Frederico Trotta Matt

DTE - DLE

Atividades realizadas Atividades realizadas durante o ano de 2010 no durante o ano de 2010 no

projeto TURBODIAGprojeto TURBODIAG


Histórico de atividades em 2010

Estimativas de dano iniciais

Ações Futuras

Sumário


Histórico de atividades em 2010

Fim de 2009 Emissão relatório DTE 42544/09

Descrição das metodologias aplicadas no projeto TURBODIAG

2010 Visitas periódicas ao CTJL Avaliar o comportamento do Sistema SOMA Realizar back ups do banco de dados

Sistema SOMA similar ao do CTJL no CEPEL Análises

Estimativas iniciais de dano nos componentes Dados de entrada


Fonte: Kiyoshi Saito, Akira Sakuma and Masataka Fukuda, “Recent life assessment technology for existing steam turbines”, JSME International Journal, Series B, Vol. 49, No. 2, 2006, pp. 192-197

Componentes Localização Tipo de dano Ação Tipo de

inspeção Limite de aplicação

Base das palhetas

Fadiga de baixo ciclo

Desbaste superficial

END Quando o desbaste da superfície não é mais viável e/ou o material tem deterioração severa.

Furo central Fluência Fadiga de baixo ciclo

Desbaste do furo Troca

END

Quando o desbaste do furo não é mais viável e/ou qualquer anormalidade aparece em inspeções mais detalhadas.

Rotor intermediário de alta pressão

Rabo de andorinha

Fluência Fadiga de alto ciclo


END

Quando a iniciação da trinca é confirmada e/ou qualquer anormalidade aparece em inspeções mais detalhadas.

Superfície interna

Fadiga de baixo ciclo


END Quando o desbaste da superfície não é mais viável e/ou o material tem deterioração severa. Carcaça interna

Rosca fêmea Fluência de alta temperatura

Desbaste da rosca

END Quando o desbaste da superfície não é mais viável.

Superfície interna

Fluência Fadiga de baixo ciclo



Carcaça externa do rotor intermediário de alta pressão Superfície

externa Fluência



Corpo Fluência Fadiga de baixo ciclo


END Quando o desbaste da superfície não é mais viável e/ou o material tem deterioração severa. Válvulas principais

Rosca fêmea Fluência Desbaste da rosca

END Quando o desbaste da superfície não é mais viável.

Palhetas do rotor intermediário de alta pressão

Rabo de andorinha, tenon, shroud cover

Fluência Fadiga de alto ciclo Troca

END e inspeção visual

Quando a iniciação da trinca é confirmada e/ou qualquer anormalidade aparece em inspeções mais detalhadas.

Bocal do diafragma do rotor intermediário de alta pressão

Diafragma Deformação por fluência


Inspeção visual

Quando o desbaste da superfície não é mais viável.

Parafusos da carcaça do rotor intermediário de alta pressão

Rosca Fluência Troca END Quando a iniciação da trinca é confirmada.

COMPONENTES COMPONENTES SELECIONADOS E PRINCIPAIS SELECIONADOS E PRINCIPAIS

MECANISMOS DE DANO MECANISMOS DE DANO




Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio

Vida consumida por fluência Estágio permanente

Método Analítico Trocas térmicas e tensões no rotor

Parâmetros de operação adotados Tempo de operação em regime permanente 102.507h Pressão média do vapor 12,5 MPa; Temperatura média do vapor igual a 538 oC; Temperatura média metal superfície externa carcaça 530 oC temperatura média de metal superfície externa do rotor 520 oC Potência média da turbina igual a 320 MW Velocidade de rotação igual a 3.600 rpm

Dados obtidos da operação e do Sistema SOMA criado no CEPEL




Parâmetros de geometria adotados

Desenhos do rotor e da carcaça fornecidos ao CEPEL pela TRACTEBEL

d1R 730 mm

d2R 792 mm

d3R 942 mm

d1C 1120 mm

d2C 1200 mm




Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA

Nu = 3,551 104 hcR = 3,749 103 W/m2 oC

T1R = 455 oC. Logo, ΔTR = T2R – T1R = 520 oC – 455 oC 65 oC

8.0

max6540360

GB

GBcc P

Ph

vapor

RR

dr

2

2Re

vapor

vaporPr

v

RcR

k

dhNu 2

33,08,0

2

2122

602

1038,0

vapor

vapor

R

RCR

vapor

R

r

rrNddNu

R

RRvaporR

R

cRRR d

dTTd

hTT

1

22221 ln)(

2





1

1

ln

ln

)1(2

111

23

8

1

1

)(

2

1

2

22

1

2

2

21

2

2

2222

1

2

2

1

2

1

2

2

1

R

R

R

R

R

R

R

R

RRvapor

R

R

RR

R

R

vaporr

r

r

r

r

r

rr

rTE

r

r

r

rrp

r

r

r

r

r

r

r

r

pr

1

1

ln

1ln

)1(2

1

21

8

11

1

23

8

1

1

)(

2

1

2

22

1

2

2

2

2

21

2

2

1222

2

1

2

2

1

2

1

2

2

1

R

R

R

R

R

R

R

R

R

R

RR

vapor

R

R

RR

R

R

vapor

r

r

r

r

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r

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r

TE

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r

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r

r

r

pr

drrTErrrr

TErr

r

r

pr

R

R

r

rRr

RRRr

R

R

vaporz

2

1

))()((2

))()((

1

)(2

12

22

1

2





Superfície interna do rotor σr = 0 MPa; σθ = - 111 MPa; σz = - 103 MPa

Superfície externa do rotor σr = -12,5 MPa; σθ = 107 MPa; σz = - 48 MPa

Tensão equivalente de Von-Mises

Superfície interna 107 MPa

Superfície externa 141 MPa

222 )()()()()()(2

1)( rrrrrrr zzrreq




Tempo de ruptura por fluência

Larson-Miller Curva Mestre

Fonte: Viswanathan, 1993

RtTPLM log20)(





Manson Haferd Curva Mestre

Fonte: Creep Properties of Heat Resistant Steels and Superalloys, 2003

370

145,17log)(

T

tPMH R





Penny, 1996 Mecânica do dano

Coeficientes A e B obtidos de ajustes experimentais

)(

)(),(

TB

R TATt

A(T)

350

450

550

650

750

850

950

1050

1150

1250

400 450 500 550 600 650 700

Temperatura (ºC)

A

A(T)

B(T)

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

400 450 500 550 600 650 700

Temperatura (ºC)

B

B(T)





Vida Remanescente = Tempo de ruptura – Tempo de operação

Tempo de ruptura por fluência (horas) Método Superfície interna do rotor Superfície externa do rotor

Parâmetro de Larson-Miller 6,142 108 6,545 105 Parâmetro de Manson-Haferd 5,791 107 5,336 105

Mecânica do dano (Penny, 1996) 2,751 1011 1,717 107

Vida remanescente (horas) Método Superfície interna do rotor Superfície externa do rotor

Parâmetro de Larson-Miller 6,141 108 5,52 105 Parâmetro de Manson-Haferd 5,781 107 4,311 105

Mecânica do dano (Penny, 1996) 2,751 1011 1,707 107




Dano de Fluência acumulado

Danos obtidos serão o ω0 para implementação do sistema

CON

i iiiR

iC

Tt

tD

1 , ),( Dano total acumulado por fluência (%) Método

Superfície interna do rotor Superfície externa do rotor Parâmetro de Larson-Miller 0,017 15,6

Parâmetro de Manson-Haferd 0,17 19,2 Mecânica do dano (Penny, 1996) 0 0,6




Vida consumida por fadiga térmica Transientes de operação

Método Analítico Variações deformação total (Δεt) para cada ciclo

Parâmetros de operação adotados Horas de operação sincronizada até 31/03/2011 102507 Horas período (operação + desligada) 125757 Horas desligada 23250 Quantidade de Partidas Quentes 210 Quantidade de Partidas Frias 87 Quantidade de paradas 259. Intempestivas 74, 185 restantes

consideradas paradas normais, programadas

Variações de temperatura provenientes do sensor I730TT3012






Registros de operação ΔT e Δt Obtidos do SOMA

Manobras de operação consideradas Partidas Frias Partidas Quentes Bloqueios

Ciclos de operação simétricos Média ponderada





Digitalização das curvas Interpolação

Variação de deformação total nominal Δεtn


2R2P

r

r

t

c

k

r

R2cr

k

rhBi

)T2(tn





Fator concentração de deformação Kt 3

εy 0,002


tntt .K





Conhecido o Δεt Estimativa do número de Ciclos NR

Curvas de Fadiga Isotérmica a 550 oC

Fonte: Holdsworth et al, 2001

1,00E-01

1,00E+00

1,00E+01

1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05

NR (Ciclos)

t

(%

)





Manobras de operação Diferentes taxas de aquecimento

Média ponderada do dano para cada taxa durante o transiente

Partida Fria obtida do Sistema SOMA no

período de 23/09/2009

0,00

100,00

200,00

300,00

400,00

500,00

600,00

0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000

Tempo (s)

Tem

per

atu

ra (

oC

)

I730TT3012



Dano de Fadiga Térmica acumulado


Dano total por fadiga térmica (%) Transiente de Operação Número de Cilcos Para 1 Ciclo Acumulado Total

Partida Fria 87 0,02 1,94 Partida Quente 210 0,01 2,24

Bloqueio 74 0,04 3,33 7,51


CCN

i iR

iF N

nD

1 ,



Dano total acumulado por Fluência e Fadiga Térmica


Dano de Fluência (%) Dano de Fadiga (%) Dano Total (%) Fração de Vida (%)

15,6 1 7,51 23,11 76,89 19,2 2 7,51 26,71 73,29 0,6 3 7,51 8.11 91,89


CCCO N

1i i,R

iN

1i iii,R

iFCT N

n

),T(t

tDDD

1 Parâmetro de Larson-Miller; 2 Parâmetro de Manson-Haferd; 3 Mecânica do dano (Penny, 1996)



Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão

Vida consumida por fluência Estágio permanente

Método Analítico Tensões na tubulação

Parâmetros de operação adotados Tempo de operação em regime permanente 102.507h Pressão média do vapor 14,5 MPa; Temperatura média do vapor igual a 538 oC


Pressão Média entre I731PT3015 e I732PT3001





Tensões na tubulação σθ código ASME

D2 diâmetro externo da tubulação y = 0,7 t espessura da tubulação C = 0 E = 1

σθ 29,5 MPa

)Ct.(E.2

)]Ct.(y.2D.[P 2





Penny, 1996 Mecânica do dano

Coeficientes A e B obtidos de ajustes experimentais

)(

)(),(

TB

R TATt

350

450

550

650

750

850

950

1050

1150

1250

400 450 500 550 600 650Temperatura (ºC)

A

A(T)

-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

400 450 500 550 600 650

Temperatura (ºC)

B

B(T)


Componente Tempo de ruptura por fluência (horas)

Vida Remanescente (horas)

Dano Acumulado (%)

Fração de Vida (%)

Tubulação 6,749 1011 6,749 1011 0 100


Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão Dano de Fluência acumulado

Dano obtido nulo? σθ muito baixo

Simulações computacionais Como estimar a fixação? Strain gages Monkman-Grant Correção no PXI do SOMA

CON

i iiiR

iC

Tt

tD

1 , ),(


Ações futuras


Dano de Fadiga Térmica acumulado

Implementar curvas CLE Confirmar a curva utilizada

Fonte: IT-OP-UTLC-01-02-003 REVISÃO 1


Ações futuras


Dano obtido nulo? σθ muito baixo

Simulações computacionais Como estimar a fixação?

Strain gages Monkman-Grant Correção no PXI do SOMA

Testar outras formulações para estimar a tensão


Ações futuras

Válvula de Bloqueio

Geometria mais complexa do escopo do projeto

Strain gages Monkman-Grant Correção no PXI do SOMA

Simulações computacionais Como estimar a fixação?


Ações futuras

Filtros de Estados dos Componentes


Equipes de trabalho do CEPEL e Tractebel Energia

Agradecimentos

Obrigado!Obrigado!Bruno Reis Cardoso – Carlos Frederico Trotta MattBruno Reis Cardoso – Carlos Frederico Trotta Matt

[email protected] – – [email protected]

Departamento de Tecnologias Especiais – DTEDepartamento de Tecnologias Especiais – DTE

Departamento de Linhas e Estações – DLE Departamento de Linhas e Estações – DLE


Introdução

CHESF

CGTEE

Eletrobrás

Eletronorte

Tractebel Energia Laboratório de Campo (UTLC)


Metodologia

LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICOLEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO

ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMAESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA

CUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMACUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMA

INSTALAÇÃO PILOTOINSTALAÇÃO PILOTO

MODELAGEM NUMÉRICAMODELAGEM NUMÉRICA

ALGORITMOS DE ANÁLISEALGORITMOS DE ANÁLISE

COMPRA DOS SENSORESCOMPRA DOS SENSORES

IMPLEMENTAÇÃOIMPLEMENTAÇÃO

ACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOSACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOS

SOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICASSOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICAS

SIMULAÇÃOSIMULAÇÃO

INSTRUMENTAÇÃOINSTRUMENTAÇÃO


Modelagem dos Fenômenos Físicos Envolvidos

Complementar o monitoramento Inviável instrumentação de todas as regiões do componente

Estimativas das grandezas mecânicas Dados de operação

Quantificação do mecanismo de dano predominante

Simulação - Modelagem


FadigaFadiga FluênciaFluência

Simulação - Algoritmos

Modelagem dos Mecanismos de Dano


Cálculo do Dano Total Acumulado e da Vida Remanescente

Teoria de Acúmulo de Dano Linear D= ΦC+ ΦF

Simulação - Algoritmos


LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICOLEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO

ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMAESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA

CUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMACUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMA

INSTALAÇÃO PILOTOINSTALAÇÃO PILOTO

MODELAGEM NUMÉRICAMODELAGEM NUMÉRICA

ALGORITMOS DE ANÁLISEALGORITMOS DE ANÁLISE

COMPRA DOS SENSORESCOMPRA DOS SENSORES

IMPLEMENTAÇÃOIMPLEMENTAÇÃO

ACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOSACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOS

SOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICASSOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICAS

INSTRUMENTAÇÃOINSTRUMENTAÇÃO

Instrumentação


Arquitetura Proposta – Visão Geral

Instrumentação - Especificação

Condicionador

PLC

SOMA

Unidade 07

proteção

Servidor- Elipse

OPC- grandezas de processo

sinais analógicos- deslocamentos

sinais analógicos - aceleração - temperaturas - deformações

sinais analógicos

sinais processados

DNP3


Sistema de Monitoração – SOMA Sinais analógicosacelerações - 7 mancais – 1 por plano

7 canais necessários - deslocamentos - 7 mancais – 2 por plano ~ 6 medições extras

20 canais necessários

Sala de Operação

Sinais DigitaisSupervisório da UsinaServidor SOMA

PXIFP

- temperaturas- deformações

switch

Sinais analógicos- temperaturas - 4 termopares- deformações - 8 strain-gauges

12 canais necessários

Sala de Relés

Instrumentação - Customização


Sistema de Monitoração – SOMA

Field Point

PXI

Servidor SOMA




Field Point Termopares e strain-gauges

Tensões e deformações Tubulação Carcaça Externa

Vida remanescente Monkman-Grant

Pressão Interna e Temperatura Larson-Miller




PXI Dados dinâmicos

Vibração Relativa Conjuto Turbo-Gerador

Vibração Absoluta Complementar relativa

Banco de dados Falhas de origem dinâmica




Servidor do SOMA Internet, coleta e banco de dados

Dados digitalizados do Supervisório

Mais importante do sistema Temperaturas, pressões...

Auxílio aos modelos de dano Vida remanescente



Compra dos Sensores Tractebel Energia

Instrumentação - Sensores

ACELERÔMETROSACELERÔMETROSSTRAIN GAUGESSTRAIN GAUGES


Instalação do SOMA Carcaça Externa e Válvula de Bloqueio AP

20ª Reunião ABRAGE/2009 2220ª Reunião ABRAGE/2009 22

Instrumentação - Instalação


Validar Modelos de Dano e Vida Remanescente

Instalação do Hardware de Aquisição e Servidor SOMA

Implementação

Monitoramento e análise de resultados

Software de Diagnóstico de Turbinas TURBODIAGTURBODIAG

Ações Futuras

Documents

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