PA001-p - VibroSystM

UHE Igarapava – Como o monitoramento do entreferro
evitou danos de grande monta no gerador
Autores:
Raimundo Jorge Ivo Metzker, CEMIG
Marc R. Bissonnette, VibroSystM
André Tétreault, VibroSystM
Jackson Lin, VibroSystM
Introdução
A usina hidrelétrica de Igarapava compreende 5 máquinas tipo bulbo de 42 MW cada e está
localizada no Rio Grande, divisa entre os Estados de Minas Gerais e São Paulo, no Brasil. O
Proprietário da usina é o Consórcio Igarapava, que congrega cinco Empresas: Companhia
Vale do Rio Doce – CVRD, Companhia Mineira de Metais – CMM, Companhia Siderúrgica
Nacional – CSN, Companhia Energética de Minas Gerais – CEMIG e Mineração Morro
Velho. Os geradores foram projetados e fornecidos pela ABB Brasil e as turbinas pela VoestAlpine da Áustria.
Estas são as primeiras máquinas tipo bulbo a serem instaladas no Brasil. Por isso, o
Proprietário insistiu para que fossem totalmente equipadas com um sistema completo de
monitoramento on-line que pudesse monitorar diversos parâmetros do gerador para efetivar
manutenção baseada nas condições da máquina logo após o comissionamento das unidades.
Os parâmetros monitorados foram: entreferro rotor-estator1; vibração radial e axial do eixo no
gerador e no mancal-guia da turbina; pressão hidráulica; potência do gerador (MW); potência
reativa do gerador (MVAR); tensão do gerador; corrente do estator; corrente da excitatriz;
temperatura do estator; níveis de água à montante e a jusante; pressão de água à montante e a
jusante.
Em Igarapava, o espaço nominal entre rotor-estator é de apenas 11 mm, e portanto o monitoramento do entreferro se toma cada vez mais crítico, especialmente visto que a deformação do
estator2 levando à distorção do entreferro é comum em muitas máquinas tipo bulbo em todo
o mundo. Para geradores do tipo bulbo, as máquinas de Igarapava são consideradas de
grande porte e o monitoramento do entreferro foi julgado como indispensável.
Histórico
Em 27 de Julho de 1999, a unidade 2 de Igarapava sofreu roçamento rotor-estator no período
de 5 meses após o comissionamento. O fato levou a um extensa e custosa parada para reparo
da unidade. Nesta época, o sistema de monitoramento da máquina, a ser fornecido pela
VibroSystM do Canadá, ainda não havia sido instalado. Devido a constrangimentos de
projeto, as unidades 1 e 2 não tinham seus sistemas de monitoramento comissionados a
tempo para a partida dessa duas unidades. Em função da ocorrência dos danos no rotorestator, o comissionamento do sistema ZOOM3 para todas as 5 unidades foi acelerado
enquanto, concomitantemente, o Contratante principal estava investigando a causa do contato
rotor-estator. Pela perspectiva do Contratante, a Concessionária havia adquirido o sistema de
monitoramento especificamente para evitar tal problema. Assim, era mais do que lógico
tornar o sistema totalmente operacional o mais rápido possível e utilizá-lo para o objetivo
proposto.
Em Setembro de 1999, enquanto estava na usina de Igarapava para completar a instalação do
sistema e efetuar o comissionamento nas unidades 1, 2 e 5, a VibroSystM teve a mesma a
oportunidade de efetuar medições de teste em todas as cinco máquinas. Após revisar as
curvas polares e tendências armazens das no arquivo de dados do sistema, a VibroSystM
constatou uma irregularidade na máquina 4 que já havia sido previamente comissionada.
Problemas no Entreferro Rotor-Estator na Máquina 4
Um total de quatro sensores de entreferro estão instalados no perímetro do núcleo do estator
aproximadamente 25 cm (ou 10 polegadas) da borda do ferro do estator. Os sensores estão
instalados nos pontos 45o, 135o, 225o e 315o (veja Figura 1).
Durante os testes do sistema ZOOM na máquina 4, uma anomalia foi detectada no entreferro
rotor-estator na localização do sensor 225o. Baseado nos dados que foram mostrados através
do software de monitoramento ZOOM, VibroSystM suspeitou da presença de uma
deformação4 no aro do rotor. Utilizando a capacidade do software do sistema ZOOM de
mostrar os dados históricos, foi possível isolar em um ponto no tempo a “assinatura”5 (i.e. o
menor valor de entreferro de cada polo medido em uma revolução completa do rotor) para
cada sensor de entreferro.
De modo a facilitar a interpretação dos dados do entreferro, a VibroSystM referencia a
medição do entreferro aos pólos do rotor ao invés do tempo. Simplificando, isto significa que
um deslocamento de fase é mostrada em três dos quatro sensores de entreferro para alinhar
os traços de entreferro de todos os quatros sensores de acordo com seus pólos (para uma
explanação detalhada, veja Apêndice A).
25 cm
Sensor da borda
da parede do estator
Estrutura
do bulbo
Sensor de
entreferro
MVAR
,
,
,,
,, ,,
4x
45°
x,y
x,y
225°
Montante
x,y
135°
P
11 mm
Entreferro
nominal
6.45 m
Diâmetro interno
do estator
z
Rotor
Rotor
Jusante
315°
MW
,,
Estator
Sensor de
entreferro
P
Entreferro do Gerador
Estator
Vibração Relativa do Eixo
1.45 m
Altura da parede
do estator
Posição Axial Relativa
MW
MVAR
Potência Ativa e Reativa
Temperatura do Estator e Mancais
P Pressão de Água na Entrada e Saída
Figura 1: Seção cruzada da unidade tipo bulbo mostrando a localização dos sensores de entreferro na
parede do estator e outros parâmetros monitorados.
Isolando a assinatura de cada um dos quatro sensores de entreferro, foi possível identificar se
a deformação era permanente ou transitória (veja Figuras 2 e 3). Uma deformação
permanente resultaria em todos os quatro sensores de entreferro vendo o mesmo traço da
assinatura. Uma deformação transitória resultaria em todos os quatro sensores vendo um
traço diferente. Utilizando o software ZOOM, foi possível determinar que a amplitude da
deformação variou dependendo do ângulo para qual o rotor foi virado. A máxima amplitude
da deformação (ou entreferro mais crítico) ocorreu quando polo #39 do rotor passava
defronte do sensor 225o.
10.2
10.0
9.8
A
i
r
G
a
p
(
m
m
)
9.6
9.4
9.2
9.0
8.8
8.6
60
0.02
-0.03
-0.25
-0.09
mm
mm
mm
mm
50
GEN
GEN
GEN
GEN
4
4
4
4
Air
Air
Air
Air
40
30
13 pole(s)
gap Entreferro (45) Generator (Top)
gap Entreferro (135) Generator (Top)
gap Entreferro (225) Generator (Top)
gap Entreferro (315) Generator (Top)
20
1999/09/16
1999/09/16
1999/09/16
1999/09/16
13:19:07
13:19:07
13:19:07
13:19:07
10
Test
Test
Test
Test
at
at
at
at
S.N.L.
S.N.L.
S.N.L.
S.N.L.
Figura 2: Assinatura do entreferro em todos os quatro sensores mostrando os perfis do rotor em Velocidade
Sem Carga (Speed No Load). Em todas as figuras, as marcações em delta indicam variações entre aro do
rotor de posição estável (polo 59) e o aro móvel de pior locação (polo 39) ao longo de valores numéricos
para cada curva mostrada na parte inferior à direita.
10.6
10.5
10.4
Área de maior variação
10.3
10.2
10.1
A 10.0
i
r 9.9
G
a
p
(
m
m
)
9.8
9.7
9.6
9.5
9.4
9.3
9.2
9.1
9.0
60
-0.63
-0.76
-1.16
-0.88
mm
mm
mm
mm
50
GEN
GEN
GEN
GEN
4
4
4
4
Air
Air
Air
Air
40
30
13 pole(s)
gap Entreferro (45) Generator (Top)
gap Entreferro (135) Generator (Top)
gap Entreferro (225) Generator (Top)
gap Entreferro (315) Generator (Top)
20
1999/09/16
1999/09/16
1999/09/16
1999/09/16
14:26:45
14:26:45
14:26:45
14:26:45
10
Test
Test
Test
Test
at
at
at
at
42
42
42
42
MWatts
MWatts
MWatts
MWatts
Figura 3: Assinaturas do entreferro em todos os quatro sensores a plena carga (42 MW). Note a dramática
variação na forma para o sensor 225° entre os pólos 52 e 29 comparado com outros sensores e com a Figura 2.
10.7
10.6
10.5
10.4
10.3
A
i 10.2
r
10.1
G
a
p 10.0
(
m
m
)
9.9
9.8
9.7
9.6
9.5
60
-0.63
-0.40
-1.16
-0.58
mm
mm
mm
mm
50
GEN
GEN
GEN
GEN
4
4
4
4
Air
Air
Air
Air
gap
gap
gap
gap
40
30
13 pole(s)
Entreferro (45) Generator (Top)
Entreferro (45) Generator (Top)
Entreferro (225) Generator (Top)
Entreferro (225) Generator (Top)
20
1999/09/16
1999/09/07
1999/09/16
1999/09/07
14:26:45
12:00:14
14:26:45
12:00:14
10
Test
AUTO
Test
AUTO
at
at
at
at
42
42
42
42
MWatts
MW
MWatts
MW
Figura 4: Assinatura do entreferro para sensores opostos a 45o e 225o mostrando a rápida deterioração em
um período de 9 dias.
Sensor
45°
135°
225°
315°
07/07/99
9.89
10.17
10.10
9.37
Polo 39 / 42 MW (em mm)
16/07/99
9.57
9.74
9.44
8.98
Diferença
- 0.32
- 0.43
- 0.66
- 0.39
Tabela 1: Diferenças no entreferro para o polo 39 (localização do aro de maior movimento) em um período
de 9 dias
VibroSystM plotou os sensores 225o e 45o e os comparou com os mesmo dados da semana
anterior. Das assinaturas da Figura 4 e os dados da Tabela 1, fica claro que mesmo no
decorrer de uma semana, ocorreu uma significativa deterioração do entreferro. As vistas
polares do gerador na Figura 5 comparam os perfis do aro do rotor entre duas condições de
operação (i.e., velocidade sem carga e plena carga) e na Figura 6 compara os perfis do rotor
na carga de 42 MW tomados entre 9 dias (entre 7 e 16 de setembro de 1999).
Estudando os dados, a VibroSystM alertou a CEMIG de que o sistema de monitoramento
mostrou que uma falha potencial no entreferro rotor-estator poderia ocorrer a qualquer
momento.
Display
Upstream
ZOOM
2X
0°
Station:
IGARAPAVA
Generator:
GEN 4
Measurement
Type:
Signature
A 1999/09/16 14:26:45
B 1999/09/16 13:19:07
Date & Time:
315°
Location:
45°
Top
Comment:
Test at 42 MWatts
Test at S.N.L.
B
At Cursor
10.12 mm
9.95 mm
Pole: 1
Pole: 1
At: 0°
At: 0°
Processing Results
270°
90°
Roundness
Rotor
1.17 mm
0.97 mm
Center Offset
Rotor
Air Gap
Maximum
Minimum
0.24 mm
0.30 mm
at 129°
at 64°
10.60 mm
10.23 mm
9.43 mm
9.26 mm
Pole 49
Pole 35
Pole 39
Pole 17
10.09 mm
9.93 mm
Mean
225°
A
Mode
Rotation:
Speed:
135°
Legend:
CW
112.53 RPM
Generator Data
Rotor Shape A and Center
(FL @ 225° sensor)
Rotor Shape B and Center
(SNL @ 225° sensor)
Sensor Reference
Averages
Nominal
Air Gap:
Power:
Speed:
180°
11 mm
42 MWatts
112.50 RPM
Figura 5: Vista polar do gerador comparando as formas do rotor em velocidade sem carga (B) e plena carga
(A) utilizando sensor 225o. Valores numéricos à direita mostram as várias alterações no “offset” da
circularidade, ângulo e melhores/piores localizações.
Display
Upstream
ZOOM
2X
0°
Station:
IGARAPAVA
Generator:
GEN 4
Measurement
Type:
Signature
A 1999/09/16 14:26:45
B 1999/09/07 12:00:14
Date & Time:
315°
Location:
45°
Top
Comment:
Test at 42 MWatts
Auto at 42 MW
B
At Cursor
10.12 mm
10.34 mm
Pole: 1
Pole: 1
At: 0°
At: 0°
Processing Results
270°
90°
Roundness
Rotor
Center Offset
Rotor
Air Gap
Maximum
Minimum
Mean
225°
A
135°
Legend:
Rotor Shape A and Center
(FL @ 225° sensor)
Rotor Shape B and Center
(FL @ 225° sensor, 8 days before)
Sensor Reference
Averages
Mode
Rotation:
Speed:
1.17 mm
0.84 mm
0.24 mm
0.19 mm
at 129°
at 92°
10.60 mm
10.70 mm
9.43 mm
9.87 mm
Pole 49
Pole 49
Pole 39
Pole 17
10.09 mm
10.37 mm
CW
112.53 RPM
Generator Data
180°
Nominal
Air Gap:
Power:
Speed:
11 mm
42 MWatts
112.50 RPM
Figura 6: Vista polar do gerador comparando a deterioração na forma do rotor em um período de 9 dias
(a plena carga de 42 MW).
Ações Tomadas
Percebendo a gravidade da situação e o perigo potencial de um contato iminente do entreferro
rotor-estator, o Engenheiro de Supervisão da CEMIG contatou imediatamente o Escritório
Central da CEMIG. De sua sede em Belo Horizonte, os Engenheiros da CEMIG puderam
acessar remotamente as informações via controlador remoto ZOOM e confirmar que o
perigo de um contato iminente era real. Os Engenheiros da CEMIG imprimiram os desenhos
ZOOM mais relevantes mostrando os resultados e os enviaram via fax para o escritório de
projetos do fabricante do gerador. Após estudo adicional, CEMIG tirou a máquina de
funcionamento e solicitou ao fabricante ABB que inspecionasse o aro do gerador.
Dois dias após dada a ordem para o desligamento da máquina, o fabricante visitou a planta
para conduzir investigações mais detalhadas. Descobriu-se que a máquina 4 estava em
condições bem piores que a máquina 2 quando seu rotor roçou o estator. Testes de percussão
foram executados nos parafusos de fixação do núcleo do rotor com a aranha. Vários
parafusos quebraram durante os testes. Estava evidente que a circularidade do rotor estava
perdida e, durante a rotação da máquina, este desbalanceamento estava forçando os parafusos
e levando-os a se romperem. CEMIG e o fabricante efetuaram uma revisão detalhada no
desenho do gerador de modo a corrigir os problemas e prevenir nova ocorrência.
Conclusão
Este é um caso típico no qual o monitoramento do entreferro feito pelo sistema ZOOM foi
capaz de prever e evitar a tempo um roçamento rotor-estator iminente de modo que ações
preventivas pudessem ser tomadas. A CEMIG pôde, nesse caso, concluir pela importância
do investimento no sistema ZOOM, que lhe rendeu plenos dividendos e total satisfação.
“Com esse evento, o investimento completo no sistema de monitoramento para toda a
planta pagou-se por si só antes mesmo que todas as unidades estivessem comissionadas”,
comentou um dos Engenheiros da CEMIG. Agora CEMIG está monitorando continuamente
o entreferro e todas as condições da máquina em todos os cinco geradores de modo a garantir
que o investimento do Consórcio Igarapava esteja totalmente protegido. Monitoramento online (ao contrário do monitoramento periódico, off-line) é particularmente útil como nesse
caso, que mostrou que mudanças críticas no entreferro podem ocorrer num período de
semanas, para as quais a medição periódica, off-line é insuficiente para identificar e corrigir
um problema antes que se transforme em uma parada forçada com custo muito elevado, seja
por danos nas máquinas, seja pelo tempo ocioso das mesmas.
1
2
3
4
5
Entreferro: espaço livre entre as partes fixas (estator) e girante (rotor) de um gerador ou motor
Deformação do estator: tendência do estator em uma máquina horizontal de ovalar devido à força da
gravidade
Sistema ZOOM: abreviação de Zero Outage On-line Monitoring System. É um sistema de
monitoramento multi-parâmetros das condições da máquina em funcionamento para geradores e
turbinas de hidrelétricas. ZOOM incorpora no sistema básico o AGMS (Air Gap Monitoring System).
ZOOM e AGMS são fabricados por VibroSystM / Canadá
Deformação do rotor: área da forma do aro do rotor que se move para fora do círculo normal. É
sinônimo de perda de espaço livre e portanto, de entreferro crítico
Assinatura: medição do valor mínimo do entreferro de cada polo do rotor em uma rotação da máquina
mostrando o perfil da forma do rotor como vista por cada sensor
APÊNDICE A
Entreferro – Introdução à análise dos resultados
1. Comparação dos métodos de referência
2. Comparação das formas de gerador
Entreferro – Introdução à análise
dos resultados
1. Comparação dos métodos de referência
Em oposição aos métodos
S1
tradicionais de monitoramento
GS1
referenciados ao tempo,
o sistema AGMS da VibroSystM
P1
P8
P2
é baseado numa aproximação
referenciada ao polo.
GS4
G
P7
P3 S2 S2
S4
Sendo o entreferro o menor
passo eletromecânico da
P6
P4
máquina, o polo serve como
P5
referência física por todo o eixo
da máquina, permitindo análises
GS3
rápidas e simples pelos
S3
Engenheiros de Manutenção.
Tradicional
Gráfico Referenciado ao Tempo
Entreferro
S1
Exemplo:
Vista superior de
um estator perfeito
centralizado,
com rotor quase
perfeito
(um polo [P2] está
saliente para ajudar
na comparação abaixo)
AGMS
Gráfico Referenciado ao Polo
Entreferro
P1
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
S1
GS1
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
GS1
Tempo
Entreferro
S2
Polo
Entreferro
P3
P2
P1
P8
P7
P6
P5
P4
S2
GS2
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
GS2
Tempo
Entreferro
S3
Polo
Entreferro
P5
P4
P3
P2
P1
P8
P7
P6
S3
GS3
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
GS3
Tempo
Entreferro
S4
Polo
Entreferro
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
P8
S4
GS4
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
GS4
Tempo
Entreferro
Polo
Entreferro
Combinado
(as curvas estão misturadas)
Copyright © 1999 VibroSystM Inc.
Tempo
Combinado
(todas as curvas superimpostas
perfeitamente)
Polo
Entreferro – Introdução à análise
dos resultados
2. Comparação das formas do gerador
Rotor e estator perfeitos | Centralizado
S1
Entreferro
P8
S4
P1
P2
P7
P3
P6
S2
P4
P5
P8
S3
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
Polo
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
Polo
Rotor irregular em estator perfeito | Centralizado
S1
Entreferro
P1
P8
S4
P2
P7
P3
P6
S2
P4
P5
P8
S3
Rotor irregular em estator perfeito | Não centralizado
S1
Entreferro
P1
P8
S4
P2
P7
P3
P6
NOTA: Curvas como linhas
S2
P4
P5
P8
S3
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
Polo
Rotor irregular em estator irregular | Não centralizado
S1
Entreferro
P1
P8
S4
P2
P7
NOTA: Curvas como degraus
S2
P3
P6
P4
P5
S3
Copyright © 1999 VibroSystM Inc.
P8
P7
P6
P5
P4
P3
P2
P1
Polo