Turbina a Gás

TEORIA DE TURBINA A GÁS

Nelson Alberto Marinho de Lemos

Empresa Nacional de Electricidade

Mestrado em Engenharia Eletrônica e Elétrica

Universidade de Portsmouth. Inglaterra

Técnico Superior Assistente

Departamento de Manutenção Elétrica

Sub-Direção da Produção Térmica. Luanda

Formação de Melhoria de Manutenção de Turbinas a Gás

Agência de Cooperação Internacional do Japão (JICA).

Japão

Encarregado do projecto da Central Térmica do Rocha Pinto

Sistema de Sincronismo

Sistema de Excitação

Ciclo de Brayton

Energia Mecânica

Instrumentação

Sistema de Protecção

Sistema de Controlo

Sistema de Lubrificação

Sistema de Água de Refrigeração

Atomização do Sistema de Ar

Simulação do demo de Turbina a Gás

Conteúdos de Turbina a Gás

2 Empresa Nacional de Electricidade ENE-E.P. Engenheiro Nelson Marinho

Conteúdos de Turbina a Gás

Empresa Nacional de Electricidade ENE-E.P. 3 Engenheiro Nelson Marinho


Empresa Nacional de Electricidade ENE-E.P. 5

Sistema de Sincronismo • O objetivo do sistema de sincronismo é para sincronizar o alternador com o barramento.

• Nos alternados acionados por motores, a excitação inicial pode ser obtido a partir das baterias de armazenamento usados para ligar o motor.

Engenheiro Nelson Marinho


• O sistema de sincronismo realiza as seguinte função:

– Compara a tensão, frequência e o ângulo entre o alternador e o barramento.

– Altera a frequência do alternador para corresponder com a frequencia do barramento.

– Altera a tensão do alternador para corresponder com a tensão do barramento.

Sistema de Sincronismo (continuação)


• O sistema de excitação controla a quantidade de corrente contínua que é alimentado nos enrolamentos do rotor do alternador e também controla a saída da tensão nos enrolamentos do estator do alternador.

• A rotação do rotor do alternador produz um campo magnético rotativo, a qual induz uma tensão e corrente nos enrolamentos do estator do alternador.

• Os três método de excitação são: – Sistema de Excitação de corrente contínua

• Utilizar-se um Excitador de corrente contínua

– Sistema de Excitação de corrente alternada

• Sistema de Excitação com escovas

• Sistema de Excitação sem escovas

– Sistema de Excitação estática


Sistema de Excitação



• A energia eléctrica é produzida quando uma bobina se move em um campo magnético ou quando um campo magnético se move em uma bobina, uma tensão e corrente é induzida nessa bobina.

• Os enrolamentos do estator do excitador é alimentado com corrente contínua, a qual cria um campo magnético girante, e induz uma tensão (torque) nos enrolamentos do rotor.

• A rotação do rotor do excitador fornece corrente contínua para os enrolamentos do rotor do alternador através de anéis deslizante.

• A rotação do rotor do alternador produz um campo magnético rotativo, a qual induz uma tensão nos enrolamentos do estator.

Sistema de Excitação De Corrente Contínua (continuação)



Sistema de Excitação De Corrente Alternada com Escovas (continuação)

• O excitador de corrente alternada utiliza uma tensão da saída do alternador (barramento, transformador) como excitação do sistema (torque).

• O rectificador controlado, controla a quantidade de tensão (em corrente contínua) alimentada nos enrolamentos do estator do Excitador.

• A função do regulador de corrente é para controlar a tensão, corrente alternada e potência reativa da saída do alternador da maneira que os valores variem desejada e compara-o com uma referência, se é necessário aciona o retificador controlado.

• O diodo estacionário converte corrente alternada em corrente contínua para alimentar os enrolamentos do rotor do alternador.

• Alta correntes de excitação a baixa tensão, eventualmente desgasta os anéis deslizante e exigindo muitas escovas.



Sistema de Excitação De Corrente Alternada sem Escovas (continuação)

• O alternador é um autoexcitado e autorregulado por um sistema de excitação sem escovas .

• Utiliza um excitador rotativo fixado ao rotor do alternador e ligado diretamente ao enrolamento do rotor do alternador sem uso de anéis e escovas.

• Utiliza um regulador automático de tensão que alimenta uma tensão retificada (pelo os tirístores retificadores) ao enrolamento de excitação do estator para controla e manter a tensão de saída do alternador.

• O regulador automático de tensão possui proteção para baixa frequência (queda na rotação no rotor do alternador), diminui o valor da tensão fornecida ao enrolamento de excitação do estator, protegendo-o de queima.

• O sistema de excitação de corrente alternada sem escovas não tem escovas (carbono) contaminação por pó, sem desgaste elétrico ou mecânico.



• A tensão, corrente de excitação é obtida através de transformador trifásico e utilizando tirístores estáticos.

• Tirístores retificador fornece corrente contínua para os enrolamentos do rotor através de contato deslizante.

• O processo é feito através do uso de escovas de carvão que estão em contato com anéis deslizantes.

• O sistema de excitação estática é composta de anéis deslizante, escovas e circuito de disparo.

Sistema de Excitação Estática (cont)



O Ciclo de Brayton (Ciclo Termodinâmico) • O Ciclo de Brayton é o princípio de funcionamento da turbina a gás

– O ar é aspirado da atmosfera e comprimido pelo o compressor para torna-se em oxigénio com muita pressão.

– Depois o ar comprimido passar para a câmara de combustão onde se mistura com o combustível e se dá a ignição.

– Os gases produzidos na câmara de combustão passar para a turbina e fornecem a rotação do rotor e o alternador deixa de trabalhar como motor e prepara-se para trabalhar como alternador.


Energia Mecânica



INSTRUMENTAÇÃO

Medição de temperatura

Medição de nível

Medição de

velocidade

Medição de pressão

Medição de vibração


INSTRUMENTAÇÃO (continuação) • Medição de Temperatura

– Temperatura na entrada e saída do compressor e da turbina

• para avaliar o desempenho do compressor.

– Temperatura no escape (chaminé)

• o sistema de controlo compara o valor medido da temperatura do escape com o desejado valor de referência.

• A diferença desses valores é chamado de erro de temperatura.

• Se o erro de temperatura não é igual a zero então o sistema de controlo faz ajusto de abertura na válvula de combustível para eliminar o erro de temperatura.


INSTRUMENTAÇÃO (continuação) • Medição de Temperatura

– Termopares

• Para medição de alta temperatura (de 330⁰F para 5000⁰F, de 201⁰C para 2760⁰C).

• Examplo, medição da temperature do escape.

• Produz uma tensão que é proporcional da diferença na temperatura entre a junção de dois diferrentes materias feito de metal.

– O termopar produz uma tensão para determinar a diferença de temperatura

» No final de uma das junção o valor da temperatura é reconhecida.

» No final da outra junção o valor da temperatura não é reconhecida mais é determinada.

» Como o termopar produz uma tensão então não é preciso uma fonte de alimentação externa.

– Detetor de resistência térmica (RTDs)

• Para monita a temperatura do óleo na chumaceira (de 454⁰F para 1832⁰F, de 270⁰C para 1000⁰C).

• Para determinar a temperatura, o RTD faz a medição da mudança da resistencia do material (platina) que é afectado por mudança de temperatura.

– Para o funcionamento o RTD precisa de uma fonte de corrente externa.


INSTRUMENTAÇÃO (continuação) • Medição de Velocidade

– O transdutor magnético medi a velocidade do rotor e produz uma tensão na saída do terminal.

– O transdutor magnético utiliza um conversor de frequência associada à tensão na saída da bobina, é usado para fornecer uma tensão que é proporcional da velocidade do rotor.

• o sistema de controlo compara o valor medido da velocidade do rotor com o desejado valor de referência.

• A diferença desses valores é chamado de erro de velocidade.

• Se o erro de velocidade não é igual a zero então o sistema de controlo faz ajusto de abertura na válvula de combustível para eliminar o erro de velocidade.


INSTRUMENTAÇÃO (continuação) • Medição de Pressão

– Pressão na entrada e saída do compressor.

– Queda de pressão por volta dos filtros.


INSTRUMENTAÇÃO (continuação) • Medição de Nível

– Quantidade de óleo existente no reservatório de óleo.

– Tempo da frequência transmitida e recebida e verificação da mudanças de frequência



- Mau alinhamento do rotor e chumaceira, chumaceira defeituoso, rotor torto pode ocorrer no processo de montagem, instalação, funcionamento e manutenção a qual resultaria em vibração. - A vibração do compressor acontece quando há equilíbrio na massa do rotor e resulta em um lado ser mais pesado do que o outro.

- Se a ponta da pá é lançada fora devido uma rachadura, o rotor torna-se desequilibrado porque a massa em cada pá foi calculado com um especifico valor. - As pás do compressor são sensível em partícula de pó, se as partículas de pó estão acumulados nas pás então vibração ocorrem e diminui o ar que circulam , aumenta o consumo de combustível e a turbina produz mais poluição.

- O arroz tem que ser duro e fino (de Tailândia), depois da turbina entrar em funcionamento o arroz é queimado dentro da câmara de combustão.

- Água desionizada (desmineralizada) é vaporizada dentro do compressor.

As causas de vibração As causas de vibração

• Medição de Vibração

– Vibração e falha no sistema de controlo, são os que mais causa transtorno no funcionamento da turbina a gás.

– A inspecção da vibração é efectuada pelo o fabricante de origem do equipamento.

– Vibração ocorrem na câmara de combustão e no compressor.

INSTRUMENTAÇÃO (continuação)

As causas de vibração


INSTRUMENTAÇÃO (continuação) • Medição de Vibração

– Na chumaceira do compressor, o sensor é colocado em horizontal e vertical

• A chumaceira é afectada por particulas de pó.

– Na chumaceira da turbina, o sensor é colocado em vertical

• A chumaceira é afectada por alta temperatura.


INSTRUMENTAÇÃO (continuação) • Medição de Vibração

– Antes que a câmara de combustão atingir um valor crítico o ajusto de vibração é feito automático pelo regulador de vibração, a qual envia informações no sistema de controlo para gerência o ar e o combustível.

– Para reduzir as vibrações do rotor e adicionar contrapeso são usado dois métodos:

• Resultado do Vector

– Por colocar o contrapeso de ensaio (a massa necessário) no determinado ângulo e amplitude.

• Três-Pontos ARC

– Por aplicar o contrapeso de ensaio em três diferente localização que são separado por 120 grau e encontra-se o ponto de intercepção.


INSTRUMENTAÇÃO (continuação) • Medição de Vibração, 1 Veio Modelo do Rotor


• Medição de Vibração, 2 Veios Modelo do Rotor


Excesso de velocidade

Excesso de temperatura

Vibração e excesso de pressão

Perda de chama e de óleo de lubrificação

• O sistema de protecção protege a turbina em caso de acontecer esses eventos:

Sistema de Protecção



Combustível

Fumo do escape

Carga

Válvula de alívio

Pressão

Temperatura

Gás

Pás que modificam o ângulo da entrada do ar, VIGV

Sistema de Controlo

O sistema de controlo, controla a turbina nos seguintes subsistemas :


Sistema de Controlo (continuação) • O sistema de controlo da turbina a gás realiza as seguintes funções:

– Verificação da velocidade e temperatura da turbina.

– Verificação do sistema de protecção.

– Controlar a turbina em funcionamento normal.

– Executar o arranque e desligamento da turbina em sequência de eventos.



• Durante a sequência de arranque cada uma das válvulas de alívio são fechada de acordo com a velocidade do rotor para controla a quantidade de ar que pode fluir na câmara de combustão. 1

• Geração do veio • Para garantir a distribuição do peso ao longo do rotor é necessário girar o rotor durante umas horas. 2

• Preparação para o arranque • Verificação do sistemas de controlo, protecção, incêndio, alta tensão, combustível e de óleo de lubrificação. 3

• Ignição • Acendem-se todos os injectores (Flame On) e o alternador deixa de trabalhar como motor e prepara-se para

trabalhar como alternador. 4

• Aquecimento • Preparação para aceleração e monitorização das vibrações e alta temperaturas. 5

• Aceleração • A turbina tem que acelerar rápido possível para passar a velocidade crítica. 6

• Sincronização • Controla a velocidade da turbina, os níveis de tensão, frequência, ângulo e fecho do disjuntor do alternador. 7

• Carga • Subida até a carga de energia seleccionada para produzir electricidade. 8

Sistema de Controlo (Arranque)


Sistema de Controlo (Arranque)


• Os problemas durante a sequência de arranque: falha de chama, temperatura excessiva nas chumaceiras devido a subida muito rápida de carga ou falta de óleo de lubrificação, aceleração insuficiente, deslocamento excessivo e vibrações no rotor ao passar por velocidade críticas e ao subir carga.


Sistema de Controlo (Desligamento)


• Durante a sequência de desligamento as válvulas de: alívio, servo e parada são imediatamente abertas.


Sistema de Controlo (Disparo)


• Durante a sequência de disparo as válvulas de: alívio, servo, parada e de descarga hidráulica são simultânea abertas.

• As condições de disparo ocorre quando a baixa pressão do óleo lubrificante, baixo nível de vedação do tanque de óleo, alta vibração do rotor, alta temperatura no lubrificante e selar linhas de retorno de óleo, alta temperatura na saída do compressor e do escape etc.


Sistema de Lubrificação • O sistema de lubrificação realiza as seguintes funções:

– Lubrificação do sistema da turbina (exemplo: engrenagem e alternador).

– Para refrescar a chumaceira contra penetração de calor.

– Para alimenta o sistema de disparo do óleo e o sistema hídráulico de abastecimento do óleo.


Sistema de Encaminhamento de óleo


• O sistema de encaminhamento de óleo realiza a seguinte função:

– Fornecimento ininterrupto de óleo filtrado.

– Para retirar sujeira e ferrugem.


Sistema de Disparo do Óleo • O sistema de disparo do óleo é o interface sistema de protecção que está entre os componentes da turbina

e painel de controlo da turbina.

• O sistema de disparo abastece óleo com pressão baixa nos seguintes componentes:

• Válvula reguladora de pressão e de descarga.

• Válvula de parada.


Sistema Hidráulico • O sistema hidráulico abastece óleo com pressão alta nos seguintes componentes:

• No Cílindro das pás que modificam a entrada do ar.

• Válvula de descarga hidráulica e válvula reguladora de pressão.

• No Sistema de combustível e de óleo.


• O sistema de óleo realiza a seguinte função:

– Fornecimento ininterrupto de óleo filtrado com temperatura e pressão necessária para satisfazer os requisitos de lubrificação dos acessórios da engrenagem e da câmara de combustão.

Sistema de Óleo



Sistema de Combustível • O sistema de combustível realiza a seguinte função:

– Fornecimento e controlo de combustível na câmara de combustão, a quantidade de combustível fornecida corresponde com a velocidade do rotor e a carga produzida pelo o alternador.


Sistema de Água de Refrigeração • O sistema de água de refrigeração realiza as seguintes funções:

– Para manter a temperature constante do óleo lubrificante.

– Para manter a temperature constante do ar.


• O sistema de atomização de ar realiza as seguintes funções:

– É utilizado como sistemas auxiliares para aumentar a eficiência da câmara de combustão.

– Para aumentar a variedade de combustíveis.

– Reduzir a quantidade de emissões de escape (monóxido de carbono, hidrocarbonetos e fumaça).

– Cortar grandes gotas de combustível em pequena gota porque grandes gotas não queimar. completamente na câmara de combustão.

Atomização do Sistema de Ar



Simulação do Modelo de Demonstração de Turbina a Gás

Turbina a Gás


Referência

• Hitachi manual-King Jim

• APR Energy-CWS

• ABB

Engenheiro Nelson Marinho Empresa Nacional de Electricidade ENE-E.P. 40

Engineering

Turbina a Gás