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

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1 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião 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 durante o ano de 2010 no projeto TURBODIAG

2 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011  Histórico de atividades em 2010  Estimativas de dano iniciais  Ações Futuras Sumário

3 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 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

4 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 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 SELECIONADOS E PRINCIPAIS MECANISMOS DE DANO Estimativas de dano iniciais

5 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais 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 o C;  Temperatura média metal superfície externa carcaça  530 o C  temperatura média de metal superfície externa do rotor  520 o C  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

6 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Parâmetros de geometria adotados  Desenhos do rotor e da carcaça fornecidos ao CEPEL pela TRACTEBEL  d 1R  730 mm  d 2R  792 mm  d 3R  942 mm  d 1C  1120 mm  d 2C  1200 mm

7 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA  Nu = 3,551  10 4  h cR = 3,749  10 3 W/m 2 o C  T 1R = 455 o C. Logo, Δ TR = T 2R – T 1R = 520 o C – 455 o C  65 o C

8 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA

9 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA  Superfície interna do rotor  σ r = 0 MPa; σ θ = - 111 MPa; σ z = - 103 MPa  Superfície externa do rotor  σ r = -12,5 MPa; σ θ = 107 MPa; σ z = - 48 MPa  Tensão equivalente de Von-Mises  Superfície interna  107 MPa  Superfície externa  141 MPa

10 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Tempo de ruptura por fluência  Larson-Miller  Curva Mestre Fonte: Viswanathan, 1993

11 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Tempo de ruptura por fluência  Manson Haferd  Curva Mestre Fonte: Creep Properties of Heat Resistant Steels and Superalloys, 2003

12 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Tempo de ruptura por fluência  Penny, 1996  Mecânica do dano  Coeficientes A e B obtidos de ajustes experimentais

13 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Tempo de ruptura por fluência  Vida Remanescente = Tempo de ruptura – Tempo de operação

14 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Dano de Fluência acumulado  Danos obtidos serão o ω 0 para implementação do sistema

15 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Vida consumida por fadiga térmica  Transientes de operação  Método Analítico  Variações deformação total (Δε t ) 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  Dados obtidos da operação e do Sistema SOMA criado no CEPEL

16 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA  Registros de operação  ΔT e Δt  Obtidos do SOMA  Manobras de operação consideradas  Partidas Frias  Partidas Quentes  Bloqueios  Ciclos de operação simétricos  Média ponderada

17 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA  Digitalização das curvas  Interpolação  Variação de deformação total nominal  Δε tn Fonte: Viswanathan, 1993

18 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA  Fator concentração de deformação Kt  3  ε y  0,002 Fonte: Viswanathan, 1993

19 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA  Conhecido o Δε t  Estimativa do número de Ciclos NR  Curvas de Fadiga Isotérmica a 550 o C Fonte: Holdsworth et al, 2001

20 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA  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

21 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Dano de Fadiga Térmica acumulado  Danos obtidos serão o ω 0 para implementação do sistema Estimativas de dano iniciais

22 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Dano total acumulado por Fluência e Fadiga Térmica  Danos obtidos serão o ω 0 para implementação do sistema Estimativas de dano iniciais 1 Parâmetro de Larson-Miller; 2 Parâmetro de Manson-Haferd; 3 Mecânica do dano (Penny, 1996)

23 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais 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 o C  Dados obtidos da operação e do Sistema SOMA criado no CEPEL  Pressão  Média entre I731PT3015 e I732PT3001

24 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão  Memória de calculo  Implementada no Sistema SOMA  Tensões na tubulação  σ θ código ASME  D2  diâmetro externo da tubulação  y = 0,7  t  espessura da tubulação  C = 0  E = 1  σ θ  29,5 MPa

25 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão  Tempo de ruptura por fluência  Penny, 1996  Mecânica do dano  Coeficientes A e B obtidos de ajustes experimentais

26 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Estimativas de dano iniciais Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão  Dano de Fluência acumulado  Dano obtido nulo?  σ θ muito baixo  Simulações computacionais  Como estimar a fixação?  Strain gages  Monkman-Grant  Correção no PXI do SOMA

27 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Ações futuras Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio  Dano de Fadiga Térmica acumulado  Implementar curvas CLE  Confirmar a curva utilizada Fonte: IT-OP-UTLC-01-02-003 REVISÃO 1

28 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Ações futuras Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão  Dano obtido nulo?  σ θ muito baixo  Simulações computacionais  Como estimar a fixação?  Strain gages  Monkman-Grant  Correção no PXI do SOMA  Testar outras formulações para estimar a tensão

29 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 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?

30 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Ações futuras Filtros de Estados dos Componentes

31 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Equipes de trabalho do CEPEL e Tractebel Energia Agradecimentos Obrigado! Bruno Reis Cardoso – Carlos Frederico Trotta Matt brunorc@cepel.brbrunorc@cepel.br – cfmatt@cepel.br cfmatt@cepel.br brunorc@cepel.brcfmatt@cepel.br Departamento de Tecnologias Especiais – DTE Departamento de Linhas e Estações – DLE

32 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Introdução  CHESF  CGTEE  Eletrobrás  Eletronorte  Tractebel Energia  Laboratório de Campo (UTLC)

33 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Metodologia LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA CUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMA INSTALAÇÃO PILOTO MODELAGEM NUMÉRICA ALGORITMOS DE ANÁLISE COMPRA DOS SENSORES IMPLEMENTAÇÃO ACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOS SOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICAS SIMULAÇÃO INSTRUMENTAÇÃO

34 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 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

35 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 FadigaFluência Simulação - Algoritmos Modelagem dos Mecanismos de Dano

36 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011  Cálculo do Dano Total Acumulado e da Vida Remanescente  Teoria de Acúmulo de Dano Linear  D =  Φ C + Φ F Simulação - Algoritmos

37 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA CUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMA INSTALAÇÃO PILOTO MODELAGEM NUMÉRICA ALGORITMOS DE ANÁLISE COMPRA DOS SENSORES IMPLEMENTAÇÃO ACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOS SOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICAS INSTRUMENTAÇÃO Instrumentação

38 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 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

39 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Sistema de Monitoração – SOMA Sinais analógicos acelerações - 7 mancais – 1 por plano 7 canais necessários - deslocamentos - 7 mancais – 2 por plano ~ 6 medições extras 20 canais necessários Sala de Operação Sinais Digitais Supervisório da Usina Servidor SOMA PXI FP - temperaturas - deformações switch Sinais analógicos - temperaturas - 4 termopares - deformações - 8 strain-gauges 12 canais necessários Sala de Relés Instrumentação - Customização

40 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Sistema de Monitoração – SOMA  Field Point  PXI  Servidor SOMA Instrumentação - Customização

41 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Sistema de Monitoração – SOMA  Field Point  Termopares e strain-gauges  Tensões e deformações  Tubulação Carcaça Externa  Vida remanescente  Monkman-Grant  Pressão Interna e Temperatura  Larson-Miller Instrumentação - Customização

42 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Sistema de Monitoração – SOMA  PXI  Dados dinâmicos  Vibração Relativa  Conjuto Turbo-Gerador  Vibração Absoluta  Complementar relativa  Banco de dados  Falhas de origem dinâmica Instrumentação - Customização

43 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Sistema de Monitoração – SOMA  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 Instrumentação - Customização

44 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Compra dos Sensores  Tractebel Energia Instrumentação - SensoresACELERÔMETROS STRAIN GAUGES

45 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011 Instalação do SOMA  Carcaça Externa e Válvula de Bloqueio AP 20ª Reunião ABRAGE/2009 22 Instrumentação - Instalação

46 Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPELReunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011  Validar Modelos de Dano e Vida Remanescente  Instalação do Hardware de Aquisição e Servidor SOMA  Implementação  Monitoramento e análise de resultados TURBODIAG  Software de Diagnóstico de Turbinas  TURBODIAG Ações Futuras