Análise de falhas e melhorias nas resistências térmicas de medição da temperatura das buchas dos motores das grandes usinas hidrelétricas

Thread Content

As unidades 1 a 4 da usina hidrelétrica de Liujiaxia são turbinas-generadores suspensas. Três tipos de rolamentos – de empuxo, superiores e laterais – sustentam as forças axiais e radiais durante o funcionamento da unidade. A temperatura dos rolamentos é um indicador importante para monitorar o estado de funcionamento da unidade. A temperatura das buchas dos eixos é monitorada pelo sistema de proteção da unidade; se a temperatura ficar muito alta, é acionado um alarme ou a unidade é desligada. A importância disso é evidente. Mas, durante a operação da unidade, especialmente durante os períodos de cheias, quando os grandes geradores funcionam por longos períodos, ocorrem problemas como leituras incorretas, flutuações e ausência de valores nas resistências térmicas Pt100 utilizadas para medição da temperatura dos eixos. Isso torna difícil determinar se o problema está na própria unidade ou nas resistências de platina utilizadas para medição da temperatura, o que representa um risco para a segurança operacional da unidade. Resistência térmica yunrun.com.cn/product/list_80.html 1. Introdução ao sistema de medição de temperatura em turbinas hidráulicas Em aplicações industriais, existem dois princípios de medição de temperatura: termopares e resistências térmicas. A resistência térmica é baseada no efeito térmico da resistência para a medição da temperatura, ou seja, na característica de o valor de resistência de um corpo variar com as mudanças de temperatura. Portanto, basta medir a variação da resistência do resistor de platina sensível à temperatura para se determinar a temperatura. Os materiais de resistência térmica metálica mais utilizados atualmente são o platina e o cobre. Os códigos de calibração mais comuns são Pt100 e Cu50. A medição da temperatura dos rolamentos das turbinas da usina hidrelétrica de Liujiaxia é feita por meio de resistores térmicos Pt100. A resistência térmica Pt100 é instalada no local de produção, a uma certa distância do painel de controle. O sinal da resistência é transmitido até o módulo de coleta do computador por meio de fios. Geralmente, as resistências térmicas utilizam conexões de dois fios, três fios ou quatro fios. Como a temperatura das buchas dos eixos das turbinas da usina hidrelétrica de Liujiaxia excede o valor definido, são acionados automaticamente sinais de alerta e o sistema entra em modo de parada. Por isso, é necessária uma alta precisão na medição da temperatura. Para minimizar a influência do desequilíbrio da resistência dos cabos nos resultados das medições, utiliza-se um sensor de resistência térmica Pt100 em sistema de três fios para a medição da temperatura das buchas dos eixos. 2. Problemas existentes: Após analisar os dados estatísticos (ver Tabela 1), constatou-se que, durante o funcionamento do resistor térmico Pt100, os principais problemas são as mudanças frequentes nos valores de medição ； O elemento de medição de temperatura está em curto-circuito; sua resistência é de 0Ω ； O elemento de medição de temperatura está em curto-circuito; sua resistência é zero∞ ； Problemas como grande desvio entre o valor exibido e o valor medido real. Tabela 1: Tabela estatística de defeitos no sistema de medição de temperatura de abril a novembro. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312113198518.png 3. Análise das causas dos defeitos: ① Tempo prolongado de operação e dificuldade de manutenção. As resistências de medição de temperatura dos rolamentos de suporte estão localizadas em locais de difícil acesso, o que dificulta sua manutenção e substituição. Durante a operação da unidade, os sensores e alguns fios ficam submersos por um longo período no óleo de turbina, que tem alta temperatura. Além disso, eles são constantemente submetidos à pressão do fluxo de óleo e às vibrações da unidade, o que causa danos mecânicos significativos. Como os elementos de medição da temperatura na posição dos rolamentos geralmente só podem ser inspecionados e mantidos durante a manutenção de nível A, quando a unidade é desmontada. Em situações normais, se for necessário tratar um componente com defeito, é preciso solicitar uma parada não planejada da unidade, realizando uma série de procedimentos como drenagem do óleo, remoção do tanque de óleo das molas e extração das pás, o que resulta em um tempo longo de parada e em grande dificuldade. Portanto, durante o funcionamento normal, quando ocorrem fenômenos como saltos na resistência de medição de temperatura ou interrupções nos fios, geralmente não é possível resolver o problema a tempo, sendo necessário desativar temporariamente o ponto com defeito. A temperatura dos rolamentos é um parâmetro importante no funcionamento da unidade. A falta contínua de medições da temperatura nas partes dos rolamentos impede que os operadores avaliem de forma oportuna e precisa a condição de funcionamento da unidade, colocando assim em risco a segurança e a estabilidade do equipamento. ②Problemas no próprio resistor de medição de temperatura: a) Ausência de molas no local de fixação do componente. Como o componente de medição de temperatura, instalado nas buchas do eixo, está sujeito a vibrações contínuas durante o funcionamento, a ausência de molas no local de fixação impede que essas vibrações afetem negativamente o componente. b. Os fios de medição de temperatura não possuem proteção externa. Eles têm baixa resistência à óleo, à corrosão e ao calor ； Em um ambiente imerso em óleo por um longo período, é comum que ocorram fenômenos como endurecimento, quebra e rachaduras na superfície, o que encurta sua vida útil ； A vibração contínua pode causar a ruptura do fio na parte inferior do sensor (ver Figuras 1 e 2). Após inspeção no local, constatou-se que os defeitos de fio rompido na raiz representaram quase 50% do total de falhas nos resistores de medição de temperatura. Figura 1: Quebra do fio na parte inferior do sensor. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312155342368.png Figura 2: Quebra do fio na parte inferior do sensor. ③ Problemas na instalação da resistência de medição de temperatura. a) Problemas com as conexões dos fios. O comprimento curto dos fios que saem da resistência de medição de temperatura faz com que haja muitos pontos de conexão dentro do tanque de óleo. Cada ponto de conexão precisa ser soldado, mas, devido ao espaço limitado no tanque de óleo, a soldagem se torna difícil. Isso pode causar soldas fracas ou mesmo a separação das soldas, fazendo com que o componente de medição de temperatura se danifique devido às vibrações e ao fluxo do óleo durante seu funcionamento. Por exemplo, tomando a unidade 4 da usina hidrelétrica de Liujiaxia como exemplo, a conexão dos fios do resistor de medição de temperatura, localizados no canal de óleo superior, é feita por meio de parafusos. Os fios do elemento de medição de temperatura e os fios do cabo de medição são fixados à placa de epóxi por meio de porcas, a fim de se obter uma conexão adequada. No entanto, durante a inspeção e manutenção do conjunto, foi constatado que os terminais de conexão das placas epóxicas tendem a se soltar e oxidar, o que causa mau contato e leva a flutuações nas temperaturas. b. A instalação dos fios no tanque de óleo não é adequada; os fios são fixados e amarrados com fitas plásticas, o que pode danificar a camada externa dos fios. O material dos suportes fixos dentro do tanque de óleo é chapa fina de ferro, cujas bordas são bastante afiadas. Se a capa externa do fio não tiver uma camada protetora, ele pode ser facilmente danificado pelas partes afiadas, criando assim riscos potenciais. Em alguns casos, os fios de conexão não ficam bem fixados no tanque de óleo. Durante a operação da unidade, o fluxo do óleo e as flutuações causam a quebra dos fios de medição nas conexões, como mostrado na Figura 3. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312159048363.png Figura 3: Os fios de medição da temperatura estão desgastados. Além disso, a resistência de medição da temperatura e os fios associados não possuem proteção adequada. Como os fios utilizados para a medição da temperatura são finos, a camada de proteção é fraca. Durante a conexão dos fios, a proteção externa da resistência de medição da temperatura não se conecta adequadamente à proteção externa do cabo de medição da temperatura. O forte campo elétrico gerado pelo gerador, bem como o forte campo magnético resultante da fuga de magnetismo, causam interferências significativas no circuito de medição da temperatura, levando a flutuações na temperatura. 4. Medidas de melhoria ① Melhoria dos resistores de medição de temperatura. A Changhui Instrument Manufacturing Co., Ltd. adotou e incorporou tecnologias importadas do exterior na produção de resistores de platina para turbinas a vapor. No processo de melhoria desses resistores, a Changhui Instrument forneceu sugestões e suporte técnico. Foram instaladas molas especiais nos locais onde os resistores Pt100 são fixados, como mostrado na Figura 4. Isso ajuda a reduzir o impacto das vibrações do conjunto mecânico nos elementos de medição de temperatura ； Para os fios de medição de temperatura, deve-se escolher um material isolante externo com excelentes propriedades de resistência a óleos, corrosão e calor, a fim de prolongar a vida útil dos fios ； Use fios de medição de temperatura com blindagem em rede densa, para reduzir a interferência de campos magnéticos fortes nos elementos de medição. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312204195095.png Figura 4: Instalação de molas especiais nas partes fixas. Na área de conexão entre o fio condutor e a resistência de medição de temperatura, são utilizados tubos ondulados e fios revestidos para fornecer proteção adicional, como mostrado na Figura 5. É importante ressaltar aqui o método de proteção por meio da extensão do fio de revestimento. O fio de revestimento presente no interior do sensor é estendido para fora, de modo que toda a parte do fio que fica exposta ao fluxo de óleo seja coberta por esse fio de revestimento. Na verdade, o fio de revestimento é uma camada protetora feita de aço inoxidável, que pode ser dobrado à vontade. Ele oferece excelente resistência à corrosão, aos impactos e às vibrações. Dessa forma, é possível resolver completamente os problemas causados pela corrosão e pelos impactos do óleo no fio. Tempo de vida mais longo e desempenho mais confiável. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312208026363.png Figura 5: Proteção adicional. ② Instalação e fiação corretas do resistor de medição de temperatura. a) Devido à alta velocidade de rotação do óleo nos canais de condução, há uma grande força de impacto nas conexões entre o sensor de medição de temperatura e os cabos. Durante a instalação, deve-se tentar fazer a fiação de maneira que ela siga a direção do fluxo do óleo, a fim de reduzir o impacto do fluxo do óleo nos cabos localizados na base do sensor. b. Os fios da resistência térmica Pt100, utilizados para medição de temperatura, devem ser instalados dentro do tanque de óleo. A cada 500 mm, eles devem ser amarrados com fitas brancas. Em seguida, é aplicada tinta isolante nos locais onde as fitas brancas foram usadas para amarrar os fios, de modo que estes fiquem unidos em um único feixe. Isso reduz o impacto causado pelo fluxo do óleo. c) Os fios do resistor de medição devem ser reunidos em um único feixe, ao longo do suporte do selo axial. Em seguida, o feixe de fios deve ser fixado na parede do tanque de óleo ou no suporte correspondente, usando abraçadeiras. São utilizados suportes para fios revestidos com borracha resistente a óleo, a fim de evitar que a camada externa dos fios se desgaste, prevenindo assim danos mecânicos aos fios dentro do tanque de óleo. Quando o suporte para fios for grande, primeiro enrole o feixe de fios com uma fita branca e, em seguida, fixe-o com o suporte para fios. ③Melhoria do dispositivo de saída do tanque de óleo: é utilizado um dispositivo de saída do tanque de óleo especialmente projetado, conforme mostrado na Figura 6, para resolver problemas como vazamento de óleo durante a saída dos fios do tanque e dificuldades na instalação. A placa de base do dispositivo de saída do tanque de óleo, bem como os fechos para isolamento do óleo, são feitos de aço inoxidável 304, o que garante que não haja deformações durante a manutenção e desmontagem da unidade. A placa de aço possui vários orifícios por onde os fios podem passar. Após os fios serem inseridos, o fecho antivazamento é apertado. A fita seladora presente dentro do fecho se adapta perfeitamente ao revestimento externo dos fios, evitando que o óleo sob pressão vaze pelos orifícios durante o funcionamento da unidade. Com o uso deste dispositivo, não é necessário soldar os fios um por um ou conectá-los por meio de parafusos; em vez disso, eles passam diretamente do tanque de óleo até a caixa de terminais localizada na parede externa do recipiente de óleo. Reduz os estágios intermediários de transmissão, possuindo vantagens como processo simples e alto nível de proteção. Atualmente, todos os dispositivos de saída do óleo das unidades 1 a 4 da usina hidrelétrica de Liujiaxia foram substituídos, e não foram observados vazamentos de óleo durante o funcionamento. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312210257899.png Figura 6: Dispositivo de saída do tanque de óleo. ④ Os pontos de monitoramento importantes são equipados com configuração redundante. Como, durante o funcionamento normal da unidade, é muito difícil substituir os elementos de medição de temperatura em caso de danos, para aumentar a confiabilidade do funcionamento, deve-se utilizar resistências de medição duplas nos locais importantes, como os rolamentos de empuxo e de orientação. Ou seja, dentro da mesma capa de proteção, são instaladas duas resistências térmicas com o mesmo grau de precisão, para medir a temperatura do mesmo ponto. Os fios de conexão do elemento de medição de temperatura devem utilizar um sistema de seis fios, a fim de eliminar a influência da resistência desigual dos fios nos resultados das medições. http://yunrun.com.cn/upload/201908/31/201908312213255292.png Figura 7: Esquema da estrutura do resistor de medição de temperatura de dois terminais. O uso de um resistor de medição de temperatura de dois terminais permite que sejam obtidos dois pontos de medição no mesmo local. Os fios desses dois pontos de medição são conectados aos terminais localizados na parede externa do recipiente com óleo. Normalmente, um está em funcionamento e outro serve como reserva. Quando um componente falha, basta conectar o cabo externo à caixa de terminais ao componente de reserva, o que reduz os riscos associados à impossibilidade de substituir um componente danificado. Este artigo analisa as causas de problemas como interrupções nos fios do resistor de medição de temperatura nas usinas hidrelétricas, bem como o fato de os valores de medição atingirem valores máximos de forma repentina. São apresentadas as seguintes medidas de melhoria: ① Melhorar o resistor de medição de temperatura. ②Padronize a instalação e o cabeamento das resistências de medição de temperatura. ③Melhorar o dispositivo de saída do tanque de óleo. ④Os pontos de monitoramento importantes contam com configuração redundante. Seguindo o método descrito acima, foram realizadas modificações nas resistências de medição de temperatura dos rolamentos das unidades 1 a 4 da usina hidrelétrica de Liujiaxia. Os resultados mostraram que as resistências Pt100 modificadas conseguem funcionar de maneira segura, confiável e estável durante os períodos de manutenção anuais de nível A. Isso evita paralisações da usina devido a falhas ou danos nos componentes. A prática comprovou que esse método é fácil de ser aplicado no campo, podendo servir como referência para a modificação de resistências de medição de temperatura em outras usinas hidrelétricas já em operação, bem como para a seleção e instalação de tais resistências em novas usinas. Autores: Wang Ruyu, Gou Xiaojun e Luo Hongping, da Usina Hidrelétrica de Liujiaxia, da State Grid Gansu