NORMAS PARA ENSAIOS DE COMPONENTES DE TURBINA A GÁS -

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1 NORMAS PARA ENSAIOS DE COMPONENTES DE TURBINA A GÁS -
AC-734 – NORMAS PARA ENSAIOS DE COMPONENTES DE TURBINA A GÁS - Prof.(a) Cristiane Martins Instituto Tecnológico de Aeronáutica Divisão de Eng. Aeronáutica / Dept. de Propulsão 11/2010

2 Acesse para baixar os arquivos de aulas ftp://161.24.15.247/Cristiane/

3 Descrição do curso Conhecimento geral de padrões os quais definem critérios e diretrizes para seleção de equipamentos mecânicos. Padrões são utilizados para otimizar trabalhos conceituais, preliminares e detalhes de projeto bem como verificação da seleção e tamanho de equipamento antes da compra.

4 Gas Turbine: Introdução e Resumo Técnico Evaluation Guidelines

5 TURBINAS A GÁS Componentes e Partes Turbinas a gás estacionárias
Turbinas a gás aeronáuticas Turbinas a gás O&G

6 Combinação do eixo, compressor e turbina é chamado de turbomáquina.

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8 Componentes e Partes da Turbina a Gás

9 Turbina a Gás Estacionária

10 STG-700 (29 MW, Siemens) Equivalent Operating Hours (EOH), baseada no tipo de combustível, carga e ciclos. Inspeção com boroscópio é feita a cada EOH (turbina estacionária)

11 SIEMENS POWER GENERATION: ORLANDO
The SGT-300 Industrial Gas Turbine for Power Generation (ISO) 7.90MW(e) The SGT-300 is available with a Dry Low Emissions (DLE) combustion system, providing extremely low NOx levels with gas and liquid fuels and a full dual fuel capability. The SGT-300 design is uniquely simple, employing a single twin bearing rotor with heavy duty casings. This allows full site maintenance to be carried out. The generator set package is very compact, providing a small footprint and a high power-to-weight ratio. The single-shaft configuration provides excellent load acceptance and rejection characteristics, allowing robust and reliable operation in all applications. SGT-800 Industrial Gas Turbine – 45MW The SGT-800 combines reliable, robust industrial design with the high efficiency and low emission levels of the latest turbine technology. It allows you to implement rapid, low-cost solutions for combined heat and power production. Moreover, it's environmentally sound, compact and easy to install. Designed for continuous, heavy-duty operation, the SGT-800 is the obvious choice where reliability, environmental concerns and low life-cycle costs are key factors. In combined cycle installations, this turbine affords very competitive life-cycle costs. It also offers high efficiency in simple cycle operation. And its powerful heat production capability in cogeneration installations makes it the ideal choice for the process industry.

12 LAND-BASED POWER GENERATION

13 LARGEST GAS TURBINE ENGINE: SGT5-8000H
Power 340 MW Extrapolated mass flow based on SGT100-SGT1000 series: 900 kg/s Average of SGT100-SGT1000, Assume pc: 15 Assumed tc (isentropic, g=1.35): 2 24 burners (consistent with SGT5-series) Combustor total CFM: 216,000

14 Turbinas a gás para aplicação aeronáutica
turbojato turbofan turboprop

15 Compressor Combustor Turbine Afterburner
JATOS MILITARES:TURBOJET OU LOW-BYPASS RATIO TURBOFAN Extreme Temperature Environment Compressor Combustor Turbine Afterburner

16 MOTORES MILITARES: P&W F119

17 Excelente website para ver componentes : http://www.geae.com/
EXAMPLE OF COMMERCIAL ENGINE: HIGH BYPASS RATIO TURBOFAN Excelente website para ver componentes :

18 TURBOFAN ENGINES Bypass Air Core Air Bypass Ratio, B, a:
Ratio of by pass air flow rate to core flow rate Example: Bypass ratio of 6:1 significa que o volume de ar escoando através do fan e nucleo de bypass do motor é seis vezes o volume do ar através do núcleo.

19 Esquema de um motor turboprop

20 GE 90 FAMILY: MOST POWERFUL ENGINES IN WORLD
GE Aircraft Engines was specified by Boeing to develop a 115,000 pound-thrust GE90 derivative engine for all longer-range LR and -300ER derivatives. Derivative engine represents the successful culmination of GE's strategy in the early 1990s to build a new centerline engine for the Boeing 777 family. Since its initial testing, the GE90-115B has set numerous aviation records including reaching a sustained record 122,965 lbs. of thrust during initial ground testing at GE's outdoor test facility

21 GE B Compressor Tubeira Fan Turbina Inlet Combustor

22 TENDÊNCIAS A MOTORES ENORMES
1958: Boeing 707, United States' first commercial jet airliner 1995: Boeing 777, FAA Certified Similar to PWJT4A: T=17,000 lbf, a ~ 1 PW : T=100,000 lbf , a ~ 6

23 QUÃO GRANDE É O MOTOR DO 777-300?
11 ft 7 in (3.53 m) 11 ft 3 in (3.43 m) Maior e mais potente turbofan já construído (11 ft 3 in (3.43 m) em diâmetro) Neste caso, cabine do 737 é apenas 3% mais larga do que o motor 777

24 MOTORES COMMERCIAIS E MILITARES (APPROX. SAME THRUST, APPROX
MOTORES COMMERCIAIS E MILITARES (APPROX. SAME THRUST, APPROX. CORRECT RELATIVE SIZES) GE CFM56 for Boeing 737 T~30,000 lbf, a ~ 5 P&W 119 for F- 22, T~35,000 lbf, a ~ 0.3

25 Commercial PW4000 Combustor Military F Afterburner

26 2 SPOOL DEVICE: PW2000 Low Pressure Compressor (wlow)
High Pressure Compressor (whigh)

27 P&W / G.E. GP7000 FAMILY

28 P&W / G.E. GP7000 DETALHES E ESPECIFICAÇÕES
Esforços entre a Pratt & Whitney e General Electric GP7000 é derivada de um dos maiores sucessos em programas de aviação da história (famílias GE90 e PW4000) Mais de 250 milhões de horas de desempenho Construída no núcleo GE90 e PW4000 baixo spool, mas com novas tecnologias Melhor da tecnologia GE Aircraft Engines e Pratt & Whitney Two-spool manutenção simples e confiável Melhor capacidade carga paga, desempenho e retenção de desempenho. Menor ruído e baixas emissões nesta classe. Características do Motor Fan tip diameter: 116 in (2.94 m) Length, flange to flange: 187 in (4.7 m) Takeoff thrust: 70,000 lb (311 kN) Bypass ratio: 8.7

29 WORLD’S LARGEST PASSENGER AIRLINER: A380-800
A Wing span 79.8m (261ft 10in), length 73m (239ft 6in). Height 24,1 m (79ft 1in)

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31 Comparação

32 Chart Conversion

33 Turbinas a gás para aplicação O&G

34 O&G APLICAÇÕES Qual a diferença das Turbinas O&G de outras aplicações?
Oil & Gas Acessibilidade / Confiabilidade Robustez Alta razão potência / peso Eficiência não muito crítica

35 Turbinas para geração de potência elétrica
Custo da eletricidade Eficiência Custo de Operação e Manutenção

36 Conclusão Produtos de Turbinas a Gás diferentes para cada mercado

37 Devido a diferenças no mercado, clientes de oil & gas muitas vezes insistem em concordância com códigos API, estando dispostos a aceitar o maior custo resultante do pacote da turbomáquina.

38 Introdução a turbinas a gás com aplicação óleo/gás
definição óleo / gás turbinas a gás e componentes instrumentação layout da estação de compressão turbinas a gás offshore considerações de combustível

39 Códigos e padrões porque padronizar padrões relevantes filosofia API
API data sheet review API 616 API 670 e 614

40 O&G definição óleo crú – óleo não processado proveniente de poço
gás associado – gás natural retirado do poço junto com o óleo crú (razão óleo-gas)

41 OIL & GAS Aplicações na indústria do óleo e gás exigem equipamento para: compressão bombeamento geração de eletricidade

42 Estas aplicações são geralmente divididas em três áreas da produção de óleo para venda de produto refinado upstream midstream downstream

43 Upstream Refere-se a produção de óleo e gás e processos associados

44 Midstream refere-se a processo de transporte de óleo e gás

45 Downstream Refinamento e distribuição dos produtos de óleo e gás

46 Upstream Self-generation – geração de energia para necessidades de campos de óleo e plataformas Enhanced oil recovery (EOR) – tecnologias avançadas para recuperação de óleo Gas Lift – injeção de gás para retirar óleo RED – processo que envolve turbina a gás

47 Upstream (cont) Waterflood – injeção de água no reservatório para aumentar a pressão e melhorar a produção gas reinjection – reinjeção de gás natural no reservatório para aumentar a pressão

48 Upstream (cont) Export Compression – acréscimo inicial da pressão de gás natural do campo para a tubulação Gas gatherning – coleta de gás natural de múltiplos poços

49 Upstream (cont) Gas plant and gas boost – processamento do gás para tubulação com qualidade (remoção do enxofre, água e CO2) Gas storage/withdrawal – injeção de gás no subsolo para uso posterior: estocagem no verão, uso no inverno

50 Midstream Pipeline compression – estação de compressão da tubulação para gás natural bombeado – tipicamente de 800 a 1200 psi Oil pipeline pumping – bombeamento de óleo crú ou refinado

51 Midstream (cont) LNG plant – planta de gás natural liquefeito (LNG), NG é resfriado e comprimido para transporte na forma líquida LNG terminal – carga e descarga de gás natural liquefeito para vasos

52 Downstream Refinary – processamento do óleo crú em vários componentes

53 Downstream Methanol plant – planta que produz álcool metílico através de metano (gás natural) Fischer-Tropsch liquid – gasolina artificial produzida de carvão e/ou outros hidrocarbonetos mais leves

54 Downstream Fractional distillation columm – torre de destilação para separar óleo crú em gasolina, diesel, óleo, nafita etc.. Cracking – quebra de cadeia de hidrocarbonetos extensos em cadeias menores

55 Downstream Blending-Mixing – uso de hidrocarbonetos para obter produtos refinados selecionados Distribuition – entrega de óleo e gás para usuário final

56 Componentes e Layout

57 Componentes e Layout maioria dos componentes do turbocompressor está classificado dentro do conjunto de turbina a gás fora do conjunto

58 Turbocompressor (cont)
dentro tubulação de óleo lubrificante tanques filtros bombas sistema de combustível e ignição gás natural (válvulas) óleo (bombas, válvulas)

59 dentro acessório de eixo sistema de deteção de fogo sistema de partida
controle e instrumentação sistema de selagem gás/óleo

60 Componentes e Layout

61 Turbocompressor (cont)
fora sistema completo de proteção contra incêndio sistema de entrada filtro de ar, telas) silenciador sistema de exaustão escapamento

62 Componentes e Layout Potência e vapor (co-geração)

63 COGERAÇÃO ( eletricidade + calor)
Cogeração tem eficiência energética maior que termelétrica •Planta de cogeração é mais cara para mesma potencia elétrica mas energia + barata •É mais difícil vender eletricidade e calor do que apenas eletricidade

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65 APIs referem-se a padrões de cada item citado, o foco muitas vezes nos sistemas auxiliares e não no núcleo da turbina

66 Turbinas a gás – sistemas de controle
Turbocompressores são dispositivos complexos exigem controle mecânico e eletrônico bem como instrumentação O sistema de controle de uma turbina comandada por um compressor deve ter no mínimo as seguintes funções através do Human Machine Interface

67 Human Machine Interface
Monitoramento de maquinário e proteção start up, shutdown e sequência de proteção operação de equipamento estável alarme, lógica de shutdown Regulagem de carga controle/velocidade de combustível controle de processo controle de surge Comunicação (controle supervisório e aquisição de dados)

68 APIs setam mínimo de funcionalidade, redundância, alarmes e shutdown exigidos pelo HMI.
O sistema de controle também possui interface com a instrumentação da turbina a gás

69 Instrumentação típica
Sensores (instrumentos) de controle de alarme e desligamento Sensores de controle fornecem realimentação para controle de supervisório da máquina enquanto que sensores de alarme/desligamento (ou chaves) tem como intenção proteger a máquina contra falhas graves

70 Embora existam um grande número de instrumentos/sensores que atuam em ambas as funções

71 Por exemplo, a temperatura de saída do compressor tanto para controle quanto para desligamento devido a alta temperatura

72 Gas Turbine Instrumentation
Sensores de Temperatura (RTDs e termopares) óleo entrada/saída resfriamento de óleo gás combustível bearing metal trajetória do gás (T1, T2, T4, T5) compressor (Ts, Td) estator do compressor gerador Sensores de pressão trajetória do gás (P1, P2, P4) delta-P da entrada do filtro de ar entrada do óleo delta-P do óleo compressor (Ps, Pd)

73 Sensor de Fluxo Surge control (driven compressor)

74 Sensores de posição medida relativa do movimento entre carcaça e eixo
Gas Turbine, X, Y e Z Eixo de engrenagens, X, Y e Z Equipamento de direção X, Y e Z

75 Probes de velocidade ou acelerômetros
medida do movimento absoluto carcaça da turbina a gás carcaça do engrenagem carcaça da engrenagem auxiliar equipamento de direção

76 Alarmes Alarmes e chaves de desligamento
nível de óleo, temperatura e pressão delta-P selo do filtro de óleo temperatura da linha de óleo vibração da carcaça vibração sonda de proximidade posição empuxo axial temperatura e pressão do gás combustível detectores de gás e fogo delta-P filtro de entrada fornecimento de fonte de energia temperatura de exaustão planta de tratamento de gás velocidade de eixo (Key phasor)

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79 DEW POINT Quanto mais frio o ar, menos energia ele tem. Energia esta para as moléculas tornarem-se livres das pontes líquidas (ou sólidas no caso do gelo). Quanto mais frio o ar, menor a energia das moléculas escaparem das pontes líquidas e tornarem-se gás, ou seja está encorajando a condensação. Se vc aquece o ar, adiciona energia e encoraja a evaporação.

80 DEW POINT Para entender saturação, primeiro compreenda que a água em nossa atmosfera está constantemente evaporando e condensando. Moléculas de H2O estão constantemente indo de gás para líquido e de líquido para gás. Para determinar se as gotas de água crescem ou diminuem é necessário determinar qual o processo é dominante. Por exemplo, se vc tem moléculas evaporando e 1000 moléculas condenando, então evaporação é dominante e a chuva ou cristais de gelo não se formam. Mas quando vc reduz a temperatura do ar, reduzirá a energia das moléculas reduzindo a evaporação. Se acaso tiver 5000 moléculas condensando e 5000 evaporando, a temperatura para o qual isto ocorre é chamada dew point (ponto de orvalho). Neste ponto a condensação e evaporação são iguais. Na temperatura na qual a condensção domina em relação a evaporação, é possível formar gotas de chuva ou gelo.

81 Gas Fuels - Dew Point Hidrocarbonetos pesados aumentam o Dew Point
Formação de gotas deve ser prevenida Pode exigir aquecimento do combustível /tratamento do combustível Necessário um sistema preciso de análise do combustível - ASTM D1945 somente para C6+ - C14 abaixo do nível de ppmv é desejável - Medida do Dew Point

82 Gas Fuels - Dew Point Gas phase Liquid and gas phase Liquid phase

83 Dew Point and Fuel System Pressure Drop