Filtração de fluidos em turbina hidrelétrica

Introdução

As turbinas hidrelétricas representam aproximadamente 17% do número total de unidades geradoras de energia nos Estados Unidos e Canadá. De acordo com o Relatório de Disponibilidade de Geração do Conselho Norte-Americano de Confiabilidade Elétrica (NERC), as falhas do mecanismo de comporta, do regulador da turbina, dos rolamentos do gerador e do sistema de óleo lubrificante estão entre as 25 principais causas de interrupções forçadas e programadas e reduções de capacidade de turbinas hidrelétricas. Isto representa uma tremenda oportunidade de aplicar filtragem de última geração em usinas hidrelétricas para melhorar a confiabilidade e a disponibilidade das turbinas hidrelétricas.

Turbinas hidrelétricas - Como elas funcionam

Existem vários projetos diferentes de turbinas hidrelétricas, mas todos eles incorporam o princípio simples de converter a energia potencial armazenada na água em energia mecânica, usando uma parte dela para girar uma roda de pás ou um rotor do tipo hélice na turbina. Essa energia mecânica rotativa é usada para girar um gerador elétrico para produzir energia elétrica. Existem duas categorias de turbinas hidrelétricas: Impulso e Reação. As turbinas de impulso são acionadas por um ou mais jatos de água direcionados tangencialmente em “baldes” ou “pás” de um rotor em forma de roda girando no ar. As turbinas de reação estão completamente imersas em água e são acionadas pela diferença na pressão da água entre o lado da pressão e o lado de descarga da pá do rotor - da mesma forma que a hélice de um moinho de vento é movida pelo vento.

As turbinas hidrelétricas podem ter orientação de eixo vertical ou horizontal. A maioria das turbinas de reação possui eixos orientados verticalmente. Estas representam a maioria de todas as turbinas hidrelétricas em serviço.

Usinas Hidrelétricas de Armazenamento Bombeado

As centrais eléctricas produzem electricidade de forma mais económica, mantendo uma produção constante em vez de variável. Contudo, uma vez que a procura de electricidade flutua, estas centrais eléctricas têm um excedente de electricidade durante os períodos “fora de ponta”. Este excedente de poder de “despejo” é frequentemente vendido pela instalação para usinas hidrelétricas reversíveis a baixo custo. A usina reversível utiliza essa energia barata para bombear água de um reservatório inferior para um reservatório superior, onde é armazenada. Durante os períodos de pico de demanda, a água é liberada do reservatório mais alto e flui através de uma turbina para gerar eletricidade que pode ser vendida a um preço premium.

Alguns projetos usam uma bomba e um sistema de comporta separados para a parte de bombeamento da operação, e uma turbina e uma comporta separadas para a parte de geração da operação. Os projetos mais modernos utilizam uma turbina reversível e um motor/gerador para bombear e gerar energia. Elas são semelhantes às turbinas de reação padrão em sua função e design e normalmente possuem um eixo vertical.

Controle de contaminação

Há diversas aplicações hidrelétricas que podem se beneficiar do Total Fluid ManagementSM, o programa exclusivo de integração de equipamentos e serviços da Pall, projetado para produzir a mais alta eficiência com o menor custo. Entre eles estão unidades de energia hidráulica com válvula de admissão (HPUs), sistemas de lubrificação de rolamentos de turbinas e o sistema regulador de turbina. Destes três, o sistema regulador da turbina é de longe a aplicação mais crítica em termos de limpeza do óleo hidráulico devido à sua importância na manutenção da velocidade de rotação adequada da turbina.

Governador de turbina

O governador usa feedback mecânico ou eletrônico para detectar a velocidade da turbina. Válvulas proporcionais ou direcionais controladas pelo governador operam cilindros que abrem e fecham comportas ou válvulas de agulha para ajustar o fluxo de água para a turbina, a fim de manter uma velocidade constante da turbina. As turbinas hidrelétricas giram a velocidades relativamente baixas em comparação com as turbinas a vapor, com turbinas hidrelétricas maiores girando a 35-75 rpm e as menores girando a 150 rpm. O grande diâmetro da turbina combinado com a enorme inércia da água que flui através dela torna o controle preciso da velocidade de rotação uma preocupação crítica.

Se as válvulas proporcionais ou direcionais do governador não responderem instantaneamente e com precisão às cargas flutuantes do gerador, há um atraso na posição da válvula integrada ou da válvula agulha. Isso resulta em uma condição oscilante em que a turbina está constantemente acelerando e desacelerando. Esta produção ineficiente de energia, embora difícil de quantificar, leva à perda de receitas para a concessionária. Além disso, se esta oscilação exceder a frequência máxima permitida, a turbina deverá ser desligada, resultando na perda temporária da produção de geração.

Além disso, no caso de uma perda repentina de carga, é importante que o regulador atue instantaneamente para desligar a turbina e evitar uma condição de velocidade “descontrolada”. A velocidade de fuga é a velocidade na qual a turbina excede a velocidade de rotação máxima projetada. Quando isto ocorre, é possível que a turbina se desintegre devido a enormes forças centrífugas.

Neyrpic e Woodward Governor Company são dois grandes fabricantes de sistemas de controle de turbinas hidrelétricas. O governador Neyrpic usa válvulas proporcionais para controlar comportas ou válvulas de agulha, enquanto o governador Woodward usa válvulas direcionais. Ambos os sistemas operam a pressões relativamente baixas (aproximadamente 200 psi).

Partículas do tamanho de lodo podem causar resposta lenta, emperramento ou desgaste das válvulas. Isto pode levar à oscilação da turbina ou a uma condição de velocidade “descontrolada” potencialmente perigosa. Devido às pequenas folgas nas válvulas proporcionais e direcionais (1-8µm), elas são inerentemente sensíveis à contaminação. Por esta razão, o fluido hidráulico do sistema regulador da turbina deve ser mantido em ISO 16/14/12 ou melhor. Para isso sugerimos as seguintes opções de filtragem em usinas hidrelétricas:

• Instale um conjunto de filtro sem válvula de passagem com elementos de Dirt Fuse de(β5(c)≥1000) da Pall na linha logo a montante de cada válvula proporcional ou direcional para fornecer proteção de “última chance”.
• Instale um conjunto de filtro da Pall com elemento de 5µm (β5(c)≥1000) na linha de pressão da unidade de energia hidráulica (HPU) para proteger as válvulas, bombas e cilindros.
  
• Substitua o bocal de abastecimento do reservatório por um filtro de ventilação de reservatório da Pall para eliminar a entrada de partículas transportadas pelo ar no reservatório da unidade de energia hidráulica (HPU).

Sistema de óleo lubrificante de rolamento

Atualmente, a maioria dos rolamentos de turbinas hidrelétricas são inspecionados e, se necessário, retrabalhados/substituídos durante interrupções programadas regularmente. Tempo de inatividade, retrabalho ou substituição de rolamentos e mão de obra podem representar um custo significativo para um produtor de energia hidrelétrica. A frequência com que esses rolamentos são substituídos/retrabalhados pode ser bastante reduzida se for dada a devida atenção aos níveis de contaminação do óleo lubrificante da turbina.

A contaminação por partículas é uma das principais causas de desgaste e falha prematura dos rolamentos. Mantendo os níveis de limpeza em ISO 16/14/12 ou melhor, a vida útil do mancal pode ser estendida. Para turbinas que utilizam rolamentos de rolos, os níveis de limpeza devem ser ISO 15/13/12 ou melhor. Às vezes, existem sistemas de lubrificação separados para cada rolamento da turbina hidrelétrica.

Esses reservatórios variam em tamanho de 45 a 100 galões, enquanto grandes sistemas de lubrificação central podem ter reservatórios de 1.000 galões. Para atingir o nível de limpeza exigido, cada sistema de lubrificação deve ter um conjunto de filtro Pall em linha (de preferência) ou em anel de rim. Turbinas com mancais de munhão ou rolamentos de rolos requerem filtração de 7µm (β7(c)≥1000) em usinas hidrelétricas. Também é recomendado que as tampas de enchimento sejam substituídas por filtros de ventilação do reservatório Pall para eliminar a introdução de partículas transportadas pelo ar no(s) reservatório(s).

Conduto forçado

A comporta é um conduto utilizado para transportar água da barragem ou reservatório até a turbina.

Corredor

Existem vários tipos diferentes de corredores. Eles traduzem o movimento linear da água em movimento rotacional através do uso de lâminas ou baldes. Muitos projetos se parecem muito com hélices grandes, enquanto outros são versões modernas da roda de pás. Alguns rotores do tipo hélice têm a capacidade de variar o passo das pás para obter um desempenho ideal em diferentes fluxos e pressões de cabeça.

Governador

Este é o sistema que monitora e mantém automaticamente a velocidade da unidade hidráulica. Também é utilizado para sincronizar o gerador com a frequência do sistema (Hz) para conexão à rede elétrica e para desligar a unidade em caso de perda repentina de carga. Tal como acontece com as turbinas a vapor, o mau funcionamento do regulador pode resultar em uma condição perigosa de descontrole (velocidade excessiva). Wicket Gate Estes são componentes aerodinâmicos e ajustáveis angularmente que direcionam e controlam (aceleram) o fluxo de água para o rotor em turbinas hidrelétricas do tipo reação. São regulados pelo governador através de controles mecânico-hidráulicos ou eletro-hidráulicos.

Válvula de agulha

A válvula agulha é utilizada para regular o fluxo de água para o rotor em turbinas hidrelétricas do tipo impulso, e é regulada pelo governador por meio de controles mecânico-hidráulicos ou eletro-hidráulicos.

Válvula de admissão

A válvula de entrada está localizada a montante da turbina e serve para cortar o fluxo de água em caso de emergência ou para manutenção. Essas válvulas são geralmente válvulas esféricas ou borboleta e geralmente são operadas por unidades de energia hidráulica.

Rolamento Guia Principal

Este rolamento está localizado mais próximo do rotor da turbina e suporta radialmente o rotor rotativo e o conjunto do eixo. Muitos projetos incorporam um rolamento guia superior e inferior.

Rolamento de impulso

O mancal de impulso suporta o peso da turbina e das peças rotativas do gerador para projetos de turbinas verticais. Ele pode estar localizado diretamente acima ou abaixo do rotor do gerador. Os projetos horizontais podem ter dois rolamentos axiais ou um rolamento axial de dupla ação para transportar o impulso axial em ambas as direções.

Bomba de elevação

Algumas grandes turbinas hidrelétricas são equipadas com bombas de elevação (às vezes chamadas de bombas de óleo de elevação) que são usadas para bombear óleo de baixo fluxo e alta pressão para os mancais durante o processo de aumento da velocidade do rotor da velocidade mínima até a velocidade nominal máxima de projeto. Os mancais da turbina são levantados hidrostaticamente da pista do mancal para reduzir o contato metal-metal em velocidades rotacionais mais baixas.

Bomba de elevação

Grandes turbinas hidrelétricas podem usar uma bomba de elevação antes da partida ou desligamento para evitar o contato metal-metal dos rolamentos. Ao forçar o óleo pressurizado nos mancais da turbina, o munhão é levantado da pista até que, no caso da partida da turbina, forças hidrodinâmicas suficientes sejam geradas pela rotação do mancal para atingir folgas operacionais.

Como as folgas no mancal da turbina são mínimas durante a partida e a parada, é importante manter a limpeza do óleo da bomba de elevação nos padrões ISO. 15/13/12 ou melhor. Para atingir esse nível de limpeza, recomenda-se que um conjunto de filtro Pall com um elemento de 7 µm (β7(c)≥1000) seja instalado na linha de pressão da bomba de elevação (preferencial) ou em um circuito renal fora do reservatório de óleo lubrificante da turbina.

Remoção de água

Devido à sua proximidade com a água, os óleos lubrificantes de turbinas hidrelétricas geralmente apresentam um teor de água inaceitavelmente alto. Isso pode resultar em uma variedade de problemas que vão desde o crescimento bacteriano/fúngico e degradação prematura do óleo até desgaste e falha de componentes. A pontuação do mancal do rolamento pode ocorrer como resultado da espessura insuficiente da película de óleo causada pela contaminação da água. A água também pode causar ferrugem em tubulações e outros componentes, produzindo partículas que promovem desgaste dos mancais e degradação do desempenho em válvulas proporcionais e direcionais.

Por estas razões, recomenda-se a utilização de um purificador de desidratação a vácuo Pall. para filtração em usinas hidrelétricas para reduzir a concentração de água bem abaixo do nível de saturação do óleo. Um grande fabricante de turbinas recomenda o uso de purificadores de desidratação a vácuo em operação contínua para remover a contaminação da água. A filtragem βx(c)≥1000 integral e de alta eficiência do purificador Pall removerá ferrugem prejudicial e partículas de desgaste já presentes no sistema, enquanto sua capacidade de remoção de água ajudará a prevenir outros problemas associados à contaminação da água.