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1. PERÁCIO DA CONCEIÇÃO CONTREIRAS TAUÃ HENRIQUE AZEVEDO VICTOR OLIVEIRA CANABRAVA VICTOR SAID DOS SANTOS SOUSA VICTORIA BENVENUTO DA SILVA YASMIN DOS SANTOS FERREIRA FUNCIONAMENTO DO GOVERNADOR DE UMA TURBINA A VAPOR: MECÂNICO, HIDRÁULICO E ELETRÔNICO Salvador 2014
2. PERÁCIO DA CONCEIÇÃO CONTREIRAS TAUÃ HENRIQUE AZEVEDO VICTOR OLIVEIRA CANABRAVA VICTOR SAID DOS SANTOS SOUSA VICTORIA BENVENUTO DA SILVA YASMIN DOS SANTOS FERREIRA FUNCIONAMENTO DO GOVERNADOR DE UMA TURBINA A VAPOR: MECÂNICO, HIDRÁULICO E ELETRÔNICO Relatório de pesquisa apresentado à Disciplina de Equipamentos Industriais do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia da Bahia, Campus Salvador, como requisito de avaliação parcial da IV Unidade. ORIENTADOR: Claudio Reynaldo Barbosa de Sousa Salvador 2014
3. RESUMO O trabalho consiste na apresentação das turbinas a vapor, tendo como foco um de seus componentes, o governador. O estudo baseia-se em revisões bibliográficas e banco de dados em web-sites, tendo como principal objetivo realizar um estudo e exposição dos mecanismos de funcionamento dos governadores, também chamados de reguladores de velocidade. O vapor tem sido utilizado há muitos anos como utilidade nas indústrias, e no caso das turbinas a vapor, sua finalidade básica é transformar energia térmica em forma de vapor, em trabalho mecânico para acionar outros equipamentos. Nesse contexto, os governadores atuam no controle de distúrbios na demanda do vapor, através da variação da vazão de admissão desse vapor. Compreender o papel que o governador desempenha na totalidade do funcionamento de uma turbina é essencial para dar-lhe o devido destaque. O relatório constitui-se na fomentação de conhecimentos sobre governador como componente da turbina, bem como seus diferentes tipos. Palavras-chave: turbina, vapor, governadores, válvulas.
4. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1 – Esquema da 1ª Etapa de transformação de energia da Turbina a vapor.................... 7 Figura 2 – Princípio da Ação ou Impulsão ................................................................................. 8 Figura 3 – Princípio da Ação ou Impulsão definido por Isaac Newton ..................................... 8 Figura 4 – Princípio da Reação em uma Turbina a Vapor ......................................................... 9 Figura 5 – Princípio da Reação .................................................................................................. 9 Figura 6 – Turbina de fluxo direto............................................................................................ 11 Figura 7 – (a) Turbina com Reaquecimento único; .... (b) Turbina de Reaquecimento Duplo 11 Figura 8 – Turbina com extração automática ........................................................................... 12 Figura 9 – Turbina com extração não automática .................................................................... 12 Figura 10 – Turbina de indução ................................................................................................ 13 Figura 11 – Turbina com extração-indução .............................................................................. 13 Figura 12 – Turbina de fluxo duplo .......................................................................................... 13 Figura 13 – Tipos de Estágios da Turbina de Ação .................................................................. 15 Figura 14 – Estágio de Parsons da Turbina de Reação............................................................. 16 Figura 15 – Carcaça de uma turbina a vapor (em corte) .......................................................... 18 Figura 16 – Eixo da turbina a vapor (em corte) ........................................................................ 19 Figura 17 – Expansores de uma turbina a vapor ...................................................................... 19 Figura 18 – Fixação das palhetas móveis ao disco do rotor ..................................................... 20 Figura 19 – Diafragma de uma turbina a vapor ........................................................................ 20 Figura 20 – Mancal de radial de deslizamento ......................................................................... 21 Figura 21- Válvula de Admissão, (a) construção "Single-valve"; (b) construção "Multivalves" ...................................................................................................................................... 22 Figura 22 – Válvula de controle de extração ............................................................................ 23 Figura 23 – Válvula de Bloqueio Automático ou válvula de "trip" ......................................... 23 Figura 24 – Governador Centrífugo ......................................................................................... 26 Figura 25 – Governador de Velocidade Centrífugo Hidráulico. .............................................. 26 Figura 26 – Partes constituintes de um Governador Centrífugo .............................................. 27 Figura 27 – Componentes do Governador Hidráulico.............................................................. 30 Figura 28 – Variações dos governadores hidráulicos ............................................................... 31
5. SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................... 5 2 TURBINAS ............................................................................................................................ 6 2.1 TURBINAS A VAPOR ........................................................................................................ 6 3 CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR ............................................................ 10 3.1 QUANTO À PRESSÃO DE DESCARGA: ....................................................................... 10 3.2 QUANTO AO FLUXO DE VAPOR ATRAVÉS DA TURBINA: ................................... 10 3.3 QUANTO AO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO ...................................................... 14 3.3.1 Turbinas de Ação ............................................................................................................. 14 3.3.2 Turbinas de Reação ......................................................................................................... 15 3.4 QUANTO AO NÚMERO DE ESTÁGIOS ....................................................................... 16 3.5 QUANTO À DIREÇÃO DO FLUXO DE VAPOR ........................................................... 16 3.6 QUANTO À SEQUÊNCIA DO FLUXO DE VAPOR ...................................................... 17 3.7 QUANTO A LIGAÇÃO AO EQUIPAMENTO ACIONADO ......................................... 17 3.8 QUANTO A LIGAÇÃO AO EQUIPAMENTO ACIONADO ......................................... 17 4 COMPONENTES DAS TURBINAS A VAPOR .............................................................. 18 5 DEFINIÇÃO DE GOVERNADORES OU REGULADORES DE VELOCIDADE ..... 24 5.1 GOVERNADOR MECÂNICO .......................................................................................... 25 5.1.1 Componentes ................................................................................................................... 27 5.2 GOVERNADOR ELETRÔNICO ...................................................................................... 28 5.3 GOVERNADOR HIDRÁULICO ...................................................................................... 29 5.3.1 Princípio de Funcionamento ............................................................................................ 29 5.3.2 Componentes ................................................................................................................... 30 6 CONTROLE DE VELOCIDADE...................................................................................... 32 7 PROBLEMAS OPERACIONAIS ...................................................................................... 34 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS .............................................................................................. 35 REFERÊNCIAS ..................................................................................................................... 36
6. 5 1 INTRODUÇÃO Os primeiros relatos históricos sobre o precursor das turbinas a vapor (TAV) ocorreram na Grécia, no século I, quando Heron de Alexandria desenvolveu a Eolípila, ferramenta utilizada como brinquedo por crianças. O desenvolvimento das turbinas a vapor enquanto equipamento mecânico capaz de efetuar trabalho só ocorreu no século XIX, quando o engenheiro Carl Gustaf de Laval desenvolveu-a para essa finalidade. A produção de energia elétrica por meio desse equipamento, uma de suas principais aplicações contemporâneas, ocorreu posteriormente, quando Charles Parsons associou-a a um gerador elétrico. Atualmente, turbinas a vapor tem ampla utilização industrial, sendo aplicadas para diversas finalidades. Seguindo a tendência evolutiva da indústria contemporânea, as TAV devem possuir alto grau de precisão e exatidão na conversão energética e execução de tarefas, a fim de gerar tal aprimoramento são utilizados governadores de turbina a vapor (GTAV). Governador é um acessório das turbinas destinado ao controle de velocidade das mesmas, são responsáveis por manter a rotação e entrada de vapor constante. Existem diversos tipos de GTAV, entretanto, aqui serão abordados três tipos principais de governadores: os mecânicos, hidráulicos e eletrônicos. Cada um desses tipos aplicam-se para condições e necessidades específicas de processo, em linhas gerais, os eletrônicos efetuam um controle mais preciso e seguro, enquanto os mecânicos e hidráulicos destinam-se a aplicações com um grau de segurança e controle mais flexível. Dentro desse contexto, o objetivo desse trabalho é efetuar uma análise descritiva a respeito dos governadores de turbinas a vapor, no que se refere à compreensão do funcionamento e funcionalidades desses. Explanando desde sua definição, aos seus tipos, problemas operacionais e componentes, pretende-se abordá-los de forma a compreender sua aplicação processual e importância para a otimização dos GTAV. A fim de possibilitar esse estudo a principal metodologia empregada foi a revisão bibliográfica, esta etapa foi realizada utilizando de diversas fontes distintas, principalmente originárias do meio virtual. Das ferramentas utilizadas, destacam-se livros, artigos científicos, apostilas e websites de empresas fabricantes de turbinas a vapor e governadores.
7. 6 2 TURBINAS As turbinas consistem em um motor composto de uma roda móvel (motor rotativo), sobre a qual é aplicada a energia de um fluido motor: água, vapor, gás e entre outros, esta energia é convertida em energia mecânica e transferida através de um eixo para realizar um determinado trabalho, como por exemplo, movimentar outro equipamento mecânico rotativo, que pode vir a ser uma bomba, um compressor, uma hélice ou um gerador elétrico, neste último caso sendo muito útil na geração de energia elétrica. Elas também têm aplicações na propulsão naval e aeronáutica. Dependendo do seu tipo, as turbinas podem ter uma rotação fixa ou variável dentro de uma faixa específica, contudo, quando são utilizadas para a geração de energia elétrica a sua rotação é pré-determinada a se manter em um valor fixo para que se tenha uma frequência da rede constante. As turbinas são classificadas de acordo com o seu acionamento, sendo assim classificam-se como turbinas hidráulicas ou de água, turbinas a vapor ou turbinas a gás, também denominada de combustão. 2.1 TURBINAS A VAPOR As turbinas a vapor são equipamentos acionadores que tem a função de transformar a energia contida no vapor vivo sob a forma de energia térmica e pressão em energia cinética e transformar esta em energia mecânica para acionar outro equipamento, como bombas, compressores, geradores, dentre outros. Resumidamente, este tipo de turbina tem como objetivo transformar a energia, contida no fluxo contínuo de vapor que receber em trabalho mecânico. Contudo, sabe-se segundo a 2ª Lei da Termodinâmica de Kelvin-Planck que "é impossível a construção de uma máquina que, operando em um ciclo termodinâmico, converta toda a quantidade de calor recebido em trabalho", através disso pode-se concluir que a conversão integral de uma energia em trabalho não é possível, visto que há perda energética ao decorrer do processo por outro meios, como por dissipação. Dessa maneira, somente parte da energia contida no vapor que a turbina recebe pode ser convertida em trabalho, essa
8. 7 energia é denominada exergia, a outra parte que não pode ser convertida em trabalho é denominada anergia e esta permanece no vapor que é descarregado pela turbina. Em geral essa anergia que permanece no vapor é rejeitada para o ambiente, em um condensador, contudo, em alguns casos, esta energia é utilizada para fins de aquecimento, por exemplo. Reutilizando assim a energia residual e viabilizando o ciclo. Numa turbina a vapor, a transformação da energia do vapor em trabalho é realizada em duas etapas: 1ª Etapa: Na primeira etapa, a energia do vapor é transformada em energia cinética através do escoamento de pequenos orifícios que possuem um formato específico, esses orifícios são denominados expansores. Ao escoar pelos expansores o vapor adquire alta velocidade, devido à pequena área de passagem, dessa forma a sua energia cinética aumenta e consequentemente sua entalpia (propriedade de um corpo ou fluido, refere-se à quantidade de energia que ele possui), pressão e temperatura diminuem, há também o aumento no volume específico do vapor. O aumento da velocidade e queda na pressão através do expansor, que reduz a área de passagem, pode ser explicado através das duas equações da hidrodinâmica a Equação da Continuidade, equação 1, e a Equação de Bernoulli, equação 2. A1.v1 = A2.v2 P1 + A.v = Constante .v12 = P2 + .v22 P+ (1) .v2 = Constante (2) O fluido ao entrar num entrar num estrangulamento, que no caso da turbina refere-se ao expansor, sua área A torna-se menor e então a velocidade v deve ficar maior, pois A.v permanece constante (Equação da Continuidade). Se a velocidade for maior, a pressão deve ser menor, pois a soma P + .v2 = Constante. Assim há uma redução da pressão do vapor na passagem pelo expansor, a figura 1 esquematiza a etapa 1. Figura 1 – Esquema da 1ª Etapa de transformação de energia da Turbina a vapor Energia do Vapor • Alta pressão • Alta temperarura • Entalpia elevada Expansores • Redução da passagem • Aumento da velocidade Fonte: Autoria Própria. Energia Cinética • Redução da Temperatura • Redução da Pressão • Redução da Entalpia
9. 8 2ª Etapa: Na segunda etapa, a energia cinética obtida através dos expansores é transformada em trabalho mecânico, tal transformação de energia pode ser realizada de duas maneiras diferentes: segundo o princípio da Ação ou segundo o princípio da Reação. Princípio da Ação ou Impulsão: Caso o expansor for instalado fixamente e o jato do vapor expandido for direcionado contra uma palheta ou cunha montada na periferia de um rotor, a força da ação do jato do vapor irá deslocar esta palheta ou cunha fazendo o rotor girar, a figura 2 ilustra esse princípio. Figura 2 – Princípio da Ação ou Impulsão Fonte: Autoria Própria. Newton afirmou que é necessário exercer uma força para mudar a velocidade em módulo e sentido de um corpo em movimento. Na figura 3, o jato de vapor (que pode ser representado como um corpo em movimento) tem a sua velocidade alterada pelo anteparo circular, colocado em um carrinho ligado a um peso W. A força resultante move o anteparo e consequentemente o carrinho, levantando o peso W. Este é o Princípio da Ação ou Impulsão. Figura 3 – Princípio da Ação ou Impulsão definido por Isaac Newton Fonte: CÉZAR, 2014.
10. 9 Princípio da Reação: Caso o expansor seja instalado na periferia de um rotor, o jato do vapor expandido fará com que ele se desloque em direção oposta do jato de vapor, devido a força de reação que atua sobre ele, na figura 4 esse princípio é ilustrado. Figura 4 – Princípio da Reação em uma Turbina a Vapor Fonte: Autoria Própria. Imagine que o carrinho da figura abaixo não tenha abertura alguma e que no seu interior contenha vapor sob pressão. A pressão exercida nas paredes tanto do lado esquerdo como do lado direito estarão equilibradas e havendo balanceamento de forças, a caixa permanecerá em repouso. Contudo, se for feito um orifício em um do lado direito do carrinho e neste orifício for colocado um expansor, haverá, através do expansor, um jato de vapor expandido e a pressão no expansor será menor do que a pressão do lado esquerdo do carrinho, sendo assim haverá um desbalanceamento de forças e dessa forma o carrinho irá se mover na direção oposta a do jato do vapor expandido e levantará o peso W ao qual está ligado. Este é o Princípio da Reação. Figura 5 – Princípio da Reação Fonte: CÉZAR, 2014.
11. 10 3 CLASSIFICAÇÃO DAS TURBINAS A VAPOR As turbinas a vapor podem ser classificadas: a) de acordo com a pressão de descarga; b) de acordo com o fluxo de vapor através da turbina; c) de acordo com o principio de funcionamento; d) de acordo com o número de estágios; e) de acordo com o fluxo de vapor; f) de acordo com a ligação ao equipamento acionado; g) de acordo com o pressão de vapor na exaustão ou pressão de descarga; h) de acordo com a ligação ao equipamento acionado. 3.1 QUANTO À PRESSÃO DE DESCARGA: Turbinas condensantes: são turbinas que possuem a pressão de descarga inferior à pressão atmosférica e descarregam o fluido para um condensador. É o tipo de turbina mais utilizado para a geração de energia. Turbinas não-condensantes (ou de contrapressão): são turbinas que possuem a pressão de descarga superior à pressão atmosférica e descarregam o fluido diretamente para a linha de vapor. É o tipo de turbina mais utilizado em processos em que o vapor de descarga é usado para aquecer. 3.2 QUANTO AO FLUXO DE VAPOR ATRAVÉS DA TURBINA: Quanto à direção do fluxo, as turbinas a vapor podem ser classificadas como turbinas: a) de fluxo direto; b) com reaquecimento; c) com extração automática; d) com extração não automática;
12. 11 e) com indução; f) com extração-indução; g) com fluxo dividido na descarga. Turbinas de fluxo direto: Neste tipo de turbina todo o vapor passa de forma direta por todos os estágios, ou seja, não há retirada intermediária de vapor em local algum antes do último estágio, como mostra a Figura 1. Figura 6 – Turbina de fluxo direto Fonte: OLIVEIRA, 2014. Turbinas com reaquecimento: Todo o vapor é retirado da turbina, antes do último estágio, e é reaquecido através de uma caldeira; logo após isso ele é enviado de volta à turbina, ainda antes do último estágio, e segue o caminho até direto a descarga (Figura 2a). Algumas turbinas de reaquecimento tem esse processo repetido duas vezes, esses tipos ganham o nome de turbina com reaquecimento duplo (Figura 2b). Figura 7 – (a) Turbina com Reaquecimento único; (b) Turbina com Reaquecimento Duplo (a) (b) Fonte: HOLANDO, 2014.
13. 12 Turbinas com extração automática: há uma retirada parcial de vapor para realizar aquecimento ou uso no processo industrial. Possuem válvulas de controle de extração para que a pressão do vapor extraído seja mantida constante. O sistema de controle funciona simultaneamente às válvulas de controle para manter constante a velocidade e a pressão. Figura 8 – Turbina com extração automática Fonte: OLIVEIRA, 2014. Turbinas com extração não automática – Pode conter até nove pontos de retirada de vapor, em diferentes estágios. As pressões do vapor de extração variam com as flutuações da carga da turbina. Em caso de utilização do vapor para processos industriais estas variações de pressão são inadmissíveis mas para a utilização do vapor como produto de aquecimento, essa variação pode ser perfeitamente aceitável. Figura 9 – Turbina com extração não automática Fonte: HOLANDO, 2014. Turbinas com indução: Consiste numa turbina que possui duas entradas, onde uma é de alta pressão e a outra é de média pressão, estas duas entradas usadas combinadas podem acionar uma turbina de indução.
14. 13 Figura 10 – Turbina de indução Fonte: OLIVEIRA, 2014. Turbinas com extração-indução: É um tipo de turbina usado para processos que em determinados momentos há consumo de vapor de média pressão e em outros momentos há geração de vapor. Figura 11 – Turbina com extração-indução Fonte: OLIVEIRA, 2014. Turbinas com fluxo dividido na descarga: Em turbinas de condensação de potência elevada, é obrigatório o uso de palhetas excessivamente longas nos estágios finais. Para diminuir os distúrbios mecânicos, consequentes do grande tamanho das palhetas, nestes casos empregam-se, turbinas com fluxo dividido na descarga. Figura 12 – Turbina de fluxo duplo Fonte: HOLANDO, 2014.
15. 14 3.3 QUANTO AO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Para que a eficiência das turbinas a vapor seja maior é preciso haver um reaproveitamento da energia cinética gerada pelo expansor, transformando-a em trabalho mecânico. Existe duas maneiras de obter esta energia cinética, estas maneiras são o princípio de ação e o princípio de reação. 3.3.1 Turbinas de Ação Turbinas de ação: é aquela em que predomina a força de ação ou impulsão. Na sua constituição possui vários expansores dispostos em paralelo, compondo dessa forma um arco ou anel de expansores, que podem ocupar uma parte ou toda a circunferência da câmara de vapor. Vale a pena ressaltar que os anéis de expansores também podem ser denominados de rodas de palhetas fixas. Nos anéis de expansores, a energia contida no vapor (entalpia) é transformada em energia cinética, o que se denomina um estágio de ação, em consequência desse estágio há uma queda na pressão, entalpia e temperatura do vapor e um aumento na velocidade. Contudo, quando percorre as palhetas móveis não há expansão, ou seja, queda de pressão, uma vez que tais palhetas têm seção simétrica resultando em áreas de passagens constantes para o vapor. Dessa forma, sem expansão, a velocidade do vapor será constante por um tempo e logo após ela será reduzida, transformando assim a energia cinética em trabalho mecânico. Os estágios deste tipo de turbina podem ser de dois tipos, Rateau e Curtis. Estágio Rateau (de pressão): Caso seja o primeiro estágio da turbina, compreende um arco de expansores e um rotor de palheta móvel. Caso venha se tratar de um estágio intermediário, compreenderá um anel de palhetas estacionário (expansoras) e um rotor de palhetas móvel. O arco de expansores e o anel de palhetas reduzem a pressão e geram um aumento de velocidade do vapor, quando os rotores de palhetas móveis são acionados, reduzem a velocidade do vapor. Estágio Curtis (de velocidade): Composto de um arco de expansores, seguido por duas rodas de palhetas móveis em um único disco móvel, entre as quais há um arco de palhetas guias estacionário. A queda de pressão do estágio e consequentemente o aumento da
16. 15 velocidade ocorre no arco de expansores. Os rotores de palhetas móveis são acionados, reduzindo a velocidade do vapor. É importante ressaltar que não há expansão nas palhetas guias, permanecendo constantes, ao longo delas, tanto a pressão como a velocidade, elas apenas orientam o fluxo para que os esforços no segundo rotor sejam semelhantes aos primeiros esforços. Figura 13 – Tipos de Estágios da Turbina de Ação Fonte: TURBINAS, 2014. 3.3.2 Turbinas de Reação Turbinas de Reação: É aquela em que predomina a força de reação. Na sua constituição terá vários estágios, colocados em série, sendo que cada um deles será composto de um anel de expansores, seguido de uma roda de palhetas móveis. Neste tipo de turbina tanto as palhetas fixas como móveis possuem seção assimétrica, permitindo a passagem constante para o vapor. Ao contrário da turbina de ação onde a expansão do vapor só ocorre nos anéis de expansores, na de reação parte da expansão do vapor ocorrerá nas palhetas fixas e outra parte ocorrerá nas palhetas móveis. Nessas palhetas, a pressão de entrada é maior do que a pressão de saída. Nas palhetas fixas terá uma expansão parcial do vapor, ocasionando a queda da pressão e aumento da velocidade, nas palhetas móveis ocorrerá o restante da expansão, uma segunda queda de pressão e em um aumento da velocidade do vapor em relação à palheta. Contudo, nas móveis, após algum tempo a velocidade caíra, pois estas atuam não só como expansores, mas também pelo princípio da ação, transformando a energia cinética em trabalho mecânico. Seu tipo de estágio é o Parsons.
17. 16 Estágio Parsons: são sempre constituídos de uma roda de palhetas fixas, seguidas de uma roda de palhetas móveis. Como as turbinas de estágio único são sempre turbinas de ação, o uso dos estágios de reação restringe-se aos estágios intermediários e finais das turbinas de reação de estágios múltiplos, pois mesmo nestas o primeiro estágio é usualmente um estágio de ação. É importante salientar que há também turbinas combinadas como, por exemplo, turbinas Curtis/Rateau e Curtis/Parsons. Figura 14 – Estágio de Parsons da Turbina de Reação Fonte: TURBINAS, 2014. 3.4 QUANTO AO NÚMERO DE ESTÁGIOS Simples: são aquelas em que o vapor é expandido unicamente no sistema diretor da máquina (expansor). A queda de pressão do vapor ocorre somente nas peças estacionárias (fixas) e não nas partes ou peças móveis. Geralmente são as turbinas de ação. Multiestágios: são aquelas em que a expansão do vapor ocorre uma parte nas palhetas fixas e outra parte nas palhetas móveis, desse modo a pressão de entrada das palhetas móveis será maior que a pressão da sua saída. Geralmente são as turbinas de reação. 3.5 QUANTO À DIREÇÃO DO FLUXO DE VAPOR Axial: são aquelas nas quais o vapor percorre uma direção paralela ao seu eixo, elas podem ser empregadas com qualquer grau de expansão, pois são de fácil construção, bastando apenas para tal aumentar o número de estágios. Todas as turbinas de propulsão e as turbinas que acionam geradores elétricos são axiais.
18. 17 Radial: são aquelas em que o percurso de vapor ocorre na direção do raio geométrico e as palhetas são montadas perpendicularmente à superfície plana do disco. São divididas em radial centrífuga (onde a admissão do vapor é feita do eixo para a periferia do rotor) e radial centrípeta (onde a admissão do vapor é feita da periferia do rotor para o eixo). Salienta-se que além dessas há também a helicoidal. 3.6 QUANTO À SEQUÊNCIA DO FLUXO DE VAPOR Simples fluxo: o vapor admitido percorre um caminho paralelo ao seu eixo; Fluxo em série: eixos em linha e eixos paralelo (vertical ou horizontal); Fluxo reentrante: o vapor trabalha mais de uma vez na mesma e única coroa de palhetas moveis. 3.7 QUANTO A LIGAÇÃO AO EQUIPAMENTO ACIONADO Ligação Direta: quando equipamento acionado está diretamente ligado no prolongamento de seu eixo, ou seja, tanto os eixos da turbina como o eixo de seu utilizador estão alinhados, ocupando assim a mesma "linha de centro". Ligação Indireta: são aquelas que possuem entre o seu eixo e o do utilizador uma engrenagem redutora de velocidade. 3.8 QUANTO A LIGAÇÃO AO EQUIPAMENTO ACIONADO Ligação Direta: quando equipamento acionado está diretamente ligado no prolongamento de seu eixo, ou seja, tanto os eixos da turbina como o eixo de seu utilizador estão alinhados, ocupando assim a mesma "linha de centro". Ligação Indireta: são aquelas que possuem entre o seu eixo e o do utilizador uma engrenagem redutora de velocidade.
19. 18 4 COMPONENTES DAS TURBINAS A VAPOR Carcaça ou Estator (Roda Fixa): é o elemento fixo que envolve a turbina, no seu interior giram o eixo e os discos, ou tambor, e suporta diversas peças estacionárias, tais como diafragmas (ação), palhetas estacionárias (fixas), bocais, válvulas, mancais etc. Em outras palavras, é o elemento fixo da turbina que envolve o rotor cuja função é transformar a energia potencial (térmica) do vapor em energia cinética através dos expansores. Possui conexões de entrada e saída para o vapor, pode ser fundida ou de chapas trabalhadas e soldadas, partidas radialmente (turbinas pequenas), ou axialmente (mais usado). Dependendo da pressão e da temperatura que a turbina possa vir a trabalhar pode ser construída de ferro fundido, aço fundido, aço-carbono, aços-liga ou aço-inox. As turbinas de multiestágios que trabalham com vapor de alta pressão tem uma característica diferente, pois a sua carcaça é dividida em duas regiões: de alta pressão e de baixa pressão. Figura 15 – Carcaça de uma turbina a vapor (em corte) Fonte: SANDVIK, 2014. Eixo da Turbina: corresponde ao elemento no qual o rotor da turbina é fixado, é responsável por transmitir um movimento rotacional ao equipamento a ser acionado. Para a sua estabilidade e fixação, se apoiam aos mancais. Geralmente costumam ser usinados. Rotor (Roda Móvel): envolvido pela carcaça, o rotor é o elemento móvel da turbina a vapor, ele é responsável por converter a energia cinética proveniente dos expansores em energia mecânica. Consiste em uma peça em formato de um disco no qual é fixada ao eixo da turbina, em sua periferia encontra-se as palhetas móveis.
20. 19 Figura 16 – Eixo da turbina a vapor (em corte) Fonte: SANDVIK, 2014. Expansores: são elementos que tem a finalidade de orientar o jato de vapor em direção das palhetas móveis, eles possuem seção variável, dessa forma acabam reduzindo a pressão do vapor e aumentando a sua velocidade. Quando são utilizados no primeiro estágio das turbinas, geralmente são usinados (peças que são fabricadas com ferramentas de corte) separadamente em aço inox ferrítico, depois encaixados e soldados no arco de expansores. Quando são utilizados em estágios intermediários de turbinas de ação, os expansores são montados em um anel e após isso colocados dentro dos diafragmas (peça circular encaixada na carcaça da turbina). Eles são classificados em convergentes quando trabalham com pressões de descarga superiores ou iguais a 55% da pressão de admissão, ou convergente-divergentes quando trabalham com pressões de descarga menores que 55% da pressão de admissão. Figura 17 – Expansores de uma turbina a vapor Fonte: OLIVEIRA, 2014. Palhetas: como já mencionado, as palhetas dividem-se em fixas (estacionárias) e móveis. As palhetas fixas são responsáveis por conduzir o vapor em direção à coroa com palhetas móveis. Podem ser montadas diretamente no estator, ou em anéis suportes que são fixadas no mesmo. Já as palhetas móveis são fixadas ao disco do rotor pelo malhete e, ao
21. 20 contrário das fixas, são removíveis quando se situam nos estágios de pressões médias e altas, elas são montadas nas extremidades do aro de consolidação (tira metálica presa às espigas com a finalidade de aumentar a estabilidade das palhetas e diminuir a vibração da passagem do vapor) através da espiga, quando se situam em estágios de pressões baixas, são ligadas pelo arame amortecedor nas seções intermediárias, como ilustra a Figura 11. Figura 18 – Fixação das palhetas móveis ao disco do rotor Fonte: CHRISTINA, 2014. Diafragmas: constituídos por dois semicírculos tem a finalidade de separar dois discos adjacentes em uma turbina de ação de multiestágios. São montados no estator por um sistema de ranhuras e abraçam o eixo da turbina sem tocá-lo, contudo, para evitar possíveis vazamentos do vapor entre os estágios intermediários são instalados os labirintos (peças metálicas circulantes com a função de evitar o escapamento de vapor). Nos diafragmas são instalados os arcos intermediários e finais de expansores. Os diafragmas geralmente são fabricados em aço-inox ferrítico e em aço-carbono ou ferro fundido nas partes estruturais. A seguir a Figura 12 ilustra um diafragma. Figura 19 – Diafragma de uma turbina a vapor Fonte: Fonte: SANDVIK, 2014.
22. 21 Mancais: São os elementos que apoiam o eixo da turbina e suportam os esforços radiais e axiais que incidem sobre o conjunto rotativo, além de proporcionar folgas entre as partes móveis e estacionárias da turbina, geralmente são lubrificados a óleo. São divididos em: mancais radiais ou de apoio; mancais axiais ou de escora; e mancais mistos que vem a ser uma combinação dos de apoio e escora. Esses mancais podem ser de rolamento, quando trabalham com condições de cargas moderadas ou de deslizamento quando trabalham com condições de cargas pesadas. Os mancais de radiais são aqueles que, como próprio nome sugere, suporta os esforços radiais do conjunto rotativo, inclusive o peso do rotor. A sua maioria são de deslizamento, e geralmente são distribuídos um em cada extremidade da turbina, mantendo dessa forma o rotor em uma posição radial exata. Os mancais axiais são aqueles que resistem a todos os esforços axiais do conjunto rotativo, além do seu posicionamento, são também responsáveis pela manutenção das folgas axiais. Vale a pena ressaltar que nas turbinas de ação tais esforços são reduzidos enquanto que nas de reação assumem valores consideráveis. A seguir a Figura 13 ilustra um mancal radial. Figura 20 – Mancal de radial de deslizamento Fonte: HOLANDA, 2014. Válvulas de Controle de Admissão: são os elementos responsáveis por regular a vazão do vapor na entrada da turbina de acordo com a variação da carga gerada pela máquina acionada. O controle dessa vazão de vapor é executado pelas válvulas de admissão, contudo, elas são comandadas pelos governadores ou reguladores de velocidade. Em turbinas de uso mais comum é utilizada apenas uma válvula de admissão para a totalidade dos grupos de expansores. Em caso de baixa vazão de vapor ela permitirá a passagem que se dividirá para
23. 22 todos os expansores, dessa forma estes expansores irá trabalhar com vazões muito abaixo das que foi projetado e consequentemente levará a turbina a ter sua eficiência prejudicada, a construção dessas válvulas são denominadas "Single- valve", Figura 14. Quando se refere ao caso de turbinas mais complexas (especiais) utiliza-se múltiplas válvulas de admissão em série, essas por sua vez possuem um custo mais elevado em comparação as de "Single-valves" e são mais precisas, devido ao fato de que cada válvula está disponível para um grupo de expansores, e caso em algum momento processo a vazão de vapor seja baixa, somente um grupo de expansores estará com a válvula aberta, viabilizando a eficiência da turbina bem como a sua precisão, a construção dessas válvulas são denominadas "Multi-valve", Figura 15. Figura 21- Válvula de Admissão, (a) construção "Single-valve"; (b) construção "Multi-valves" (a) (b) Fonte: HOLANDA, 2014. Válvula de Controle de Extração: são os elementos dos quais se localizam em uma pressão intermediária, entre a pressão de admissão e a pressão de descarga das turbinas que possuem uma retirada parcial de vapor, essa pressão intermediária é denominada extração, data daí o nome de válvula de controle de extração, tal pressão dependendo das condições em que a turbina possa a vir trabalhar possui variações. Essas válvulas possuem o seu princípio de funcionamento similar ao das válvulas de admissão, contudo, ao contrário dessas que são controladas pelos governadores, as válvulas de controle de extração são controladas pela pressão do vapor extraído por meio do controlador de pressão de extração.
24. 23 Figura 22 – Válvula de controle de extração Fonte: CÉSAR, 2014. Válvula de Bloqueio Automático: também conhecida como válvula de desarme rápido ou válvula de trip, é o elemento responsável por interromper a vazão de vapor para a válvula de admissão, caso o valor do vapor pré-estabelecido do projeto seja ultrapassado. Como ela deve "cortar" a entrada de vapor na turbina ela é instalada em série em relação à válvula de controle de admissão, ela consiste de uma mola em seu interior que é contraposta a um pino ("gatilho" trip). É acoplada ao eixo da turbina, ou seja, quando o eixo descreve um movimento rotacional, ela acompanha esse movimento assim como a sua velocidade. Em processo, se apresenta totalmente aberta permitindo a passagem do vapor para as válvulas de controle de admissão, Figura 17 (posição normal), quando o eixo da turbina atinge uma velocidade superior à que foi determinada para os padrões do processo (sobrevelocidade), a força centrífuga gerada pelo movimento rotacional do eixo fará com que o pino "trip" seja deslocado do seu interior, dessa forma, o pino acaba vetando a vazão do vapor para as válvulas de controle de admissão e consequentemente a parada da turbina, como ilustra a Figura 17 (posição de atuação). Figura 23 – Válvula de Bloqueio Automático ou válvula de "trip" Fonte: HOLANDA, 2014.
25. 24 5 DEFINIÇÃO DE GOVERNADORES OU REGULADORES DE VELOCIDADE A turbina a vapor deve suprir a demanda da carga imposta pela máquina acionada, como por exemplo, um gerador. Em termos mais específicos, ela deve gerar a potência necessária da qual a máquina acionada lhe impõe. Em alguns momentos do processo no qual a turbina está inserida, pode haver um aumento da carga da máquina acionada e caso o vapor de entrada da turbina não seja alterado, por consequência deste aumento, ela passará a ter a sua velocidade de rotação reduzida. De maneira inversa, em alguns momentos do processo pode haver uma diminuição da carga da máquina acionada, e caso o vapor de entrada da turbina não seja alterado, ela passará a ter uma velocidade rotacional elevada, ou seja, a variação de carga leva à variação da velocidade da turbina e consequentemente a variação da sua potência. Nesse contexto, o controle deste tipo de distúrbio é realizado através da variação da vazão de admissão do vapor, sendo assim, os governadores ou reguladores de velocidade de uma turbina são os elementos que têm a finalidade de manter constante a rotação do eixo da turbina através da variação de vapor de entrada da mesma, atuando dessa maneira, nas válvulas de controle de admissão. Os governadores são instalados no eixo da turbina, de modo que possa girar igualmente ou na mesma proporção e velocidade deste eixo. Quando há uma variação da carga e com vapor de admissão inalterado, a velocidade de rotação do eixo da turbina é alterada e como o governador está acoplado, de forma direta ou através de uma redução, ao eixo ele "sentirá" essa mudança de velocidade. Caso seja um aumento de carga, a velocidade do eixo irá diminuir, dessa forma, para compensar a variação da carga o governador fará com que a válvula de controle de admissão seja aberta, permitindo a vazão do vapor e elevando por sua vez a potência da turbina. Caso seja uma diminuição da carga, a velocidade do eixo irá aumentar, sendo assim, para compensar essa variação e, também, a sobrecarga da turbina o governador atua sobre a válvula de controle de admissão fechando-a, impedindo a vazão do vapor e reduzindo a potência do equipamento. Vale a pena ressaltar que normalmente o comando realizado sobre o governador sobre a válvula é automático. A utilização destes elementos permite manter a rotação das turbinas constante, como por exemplo, o caso de acionar um gerador elétrico, manter a pressão de descarga de uma bomba ou de um compressor em um padrão estável ou fazer com que a pressão do vapor de
26. 25 saída de uma turbina seja constante, como exemplo, as turbinas de contrapressão. Os principais tipos de governadores ou reguladores de velocidade são: mecânicos ou de massas oscilantes, hidráulicos e eletrônicos, contudo, dependendo do tipo de turbina e processo há outros tipos de governadores. 5.1 GOVERNADOR MECÂNICO Os governadores de velocidade mecânicos foram desenvolvidos primeiramente no século 17, para a regulação da velocidade de rotação das pás de um moinho, porém em 1788 James Watt monta um governador de velocidade para regular sua máquina a vapor, conseguindo desse modo o reconhecimento por ter inventado o governador de velocidade mecânico, que foi o primeiro tipo a ser utilizado industrialmente. Atualmente existem três tipos de reguladores de velocidade mecânicos, que são o regulador de rotação máxima, que impede a ultrapassagem de determinada rotação pela turbina, o regulador de marcha lenta e máxima, que procura manter a turbina entre o valor mínimo e o máximo sem permitir que a rotação dela caia ou aumente excessivamente, e o regulador universal, que regula a rotação da turbina, mantendo-a na velocidade designada, mesmo sendo essa um velocidade intermediária. O governador flyball, como ficou conhecido o governador de velocidade desenvolvido por Watt, é um governador centrífugo, ou seja, ele utiliza da força centrífuga, cuja fórmula que a expressa é a equação 2, para fundamentar seu princípio de funcionamento. Onde: m representa a massa, ω a velocidade angular e r o raio onde as massas do governador flyball giram. A construção de um regulador de velocidade centrífugo é simples como se pode ver na figura 1. (2) O funcionamento do governador centrífugo principia com a recepção da carga do processo no ponto D, sendo essa força transferida para as esferas que com esse impulso se distanciarão uma da outra, mantendo sempre o movimento angular. O movimento dessas esferas será transferido através de um sistema de parafusos e alavancas para o atuador da válvula, cuja conexão que se liga a ele está situada no ponto H, fazendo assim com que a válvula, que na figura 1 é tipo borboleta, se abra, liberando maior quantidade de vapor em
27. 26 direção à turbina que terá sua potência equalizada com a carga que é necessária para realizar o trabalho. Figura 24 – Governador Centrífugo Fonte: ODIO, 2014. Existem governadores centrífugos que possuem sua parte mecânica interligada a um mecanismo hidráulico, que auxiliará a gerar a força necessária para ocasionar a abertura da válvula em casos especiais. O governador demonstrado na figura 2 possui uma conformação similar ao governador flyball demonstrado na figura 1, possuindo duas massas que giram em torno de um eixo, porém existem duas molas que melhoram o funcionamento do governador que são as molas de retorno expressas pelas letras A e B, que irão garantir que as peças como o conjunto girante, que está preso na mola B e a peça D retornem para o local inicial em caso de parada no funcionamento do governador de velocidade centrífugo hidráulico. Figura 25 – Governador de Velocidade Centrífugo Hidráulico. Fonte: OLIVEIRA, 2014.
28. 27 A diferença entre ambos os governadores está no conjunto hidráulico, expresso pelas letras D e E na figura 2. Ao ocorrer alguma mudança de carga no processo no qual a turbina é o elemento ativador as esferas irão se afastar, realizando um movimento no mecanismo, fazendo com que a haste ascenda, fazendo com que se abram pequenos canais que levarão óleo para o ponto E, o atuador da válvula fazendo com que ela se abra ou se feche a depender da carga. Esses dutos de óleo se comportam de certa maneira como chaves, pois para determinada carga do processo haverá um número de dutos abertos levando óleo para a válvula que ficará aberta em determinada porcentagem. 5.1.1 Componentes Os governadores centrífugos, ilustrados na figura 26, são constituídos de diversos elementos mecânicos, mas entre eles destacam-se cinco: a válvula e a conexão com a válvula de controle de rotação, o eixo de rotação, as hastes de propagação e os contrapesos. Figura 26 – Partes constituintes de um Governador Centrífugo Fonte: Adaptações de TIMES, 2014. O Eixo de rotação é elemento responsável por manter a rotação do governador igual ou proporcional à rotação da turbina. Esse é componente fundamental do governador centrífugo, pois "recebe" mecanicamente a rotação da turbina distribuindo-a integralmente
29. 28 por toda a sua extensão. Como explicado, ele é responsável por manter constante a rotação da turbina, de modo que quando ocorrem variações na rotação da mesma, as hastes de propagação irão, por meio de movimentos alternativos, erguer os pesos. O papel das hastes é ser a extensão do eixo, efetuando a transformação do movimento rotativo em movimento alternativo capaz de alterar a condição de inercia dos contra pesos. Em outras palavras, a haste é responsável por efetuar o posicionamento dos pesos à medida que ocorre a variação da rotação nas turbinas. Com base nessa variação dos pesos ocorrerá a regulação da válvula de controle de rotação, a qual terá seu ajuste realizado por meio da conexão com a válvula. O Governador de velocidade centrífugo hidráulico, figura 25, como explicado, funciona de forma similar ao anterior e estruturalmente assemelha-se também. Todavia, há uma diferença notável na construção desse, pois ele utiliza para o equilíbrio de forças, ao invés de um sistema de pesos, um sistema de bombas hidráulicas. De acordo com Oliveira (2014), "as variações de rotação implicam numa variação da pressão de descarga da bomba, pressão esta que atua através de um sistema hidráulico na válvula de admissão de vapor". 5.2 GOVERNADOR ELETRÔNICO Os avanços na área da eletrônica nos últimos tempos possibilitaram a construção de governadores eletrônicos que são capazes de atender as necessidades de estabelecer um controle mais eficaz das turbinas a vapor de grande porte de forma superior aos governadores mecânicos e hidráulicos, os quais possuem certas limitações em suas propriedades de controle, tornando-os inadequados para uso em grandes geradores. Uma grande vantagem de utilizar circuitos eletrônicos é aumentar a rapidez de resposta e aperfeiçoar a confiabilidade do governador. Os governadores eletrônicos são responsáveis por tornar o controle da rotação da turbina a vapor mais preciso e dinâmico. O tempo de resposta, velocidade de atuação, exatidão e precisão são melhores nesse tipo de governador devido ao seu método de controle. De modo análogo a uma válvula com um posicionador, os governadores eletrônicos distinguem-se dos demais não por seu princípio físico de atuação no processo, mas pela sua forma de controle.
30. 29 O governador eletrônico possui os mesmos três elementos básicos dos demais, que são: o transmissor-amplificador, um elemento sensor e um elemento final de correção. O sensor e o sistema de transmissão-amplificação são elétricos. A função essencial do sensor é gerar uma corrente alternada de alta frequência, por meio de um gerador de imã-permanente, também chamado de tacômetro ou por efeito fotoelétrico acoplado ao eixo da turbina. Em condições normais de operação, o sinal do tacômetro é aplicado a um filtro que indica saída zero se a velocidade for igual à pré-definida. Em caso de uma discrepância entre a velocidade definida e a real, cria-se uma diferença de potencial que seja proporcional a essa discrepância. Sendo assim, essa d.d.p é amplificada, em seguida demodulada e finalmente terá uma unidade misturadora que recebe diversas informações tais como controles manuais, posicionamento da válvula e realimentação fornecida por um circuito próprio. A partir daí sai uma corrente que, após ser amplificada, chega a um conversor eletro-hidráulico, o qual pode ser uma válvula solenoide, por exemplo, onde converterá a corrente em sinal hidráulico (pressão de óleo). Esta pressão de óleo irá posicionar as válvulas parcializadoras, atuando sobre o seu servo-motor. 5.3 GOVERNADOR HIDRÁULICO Diz-se que um governador é puramente hidráulico quando o elemento primário típico (aquele que sente as variações de velocidade da turbina) é substituído por uma bomba de óleo, normalmente composta por engrenagens, acionada pelo eixo da turbina. Reguladores deste tipo são classificados como anisócronos, ou seja, permitem oscilação de velocidade quando a carga se altera. Funcionam de forma compensatória: quando a carga aumenta, a velocidade diminui e vice-versa. A principal desvantagem deste tipo de governador é o elevado tempo morto para correção. 5.3.1 Princípio de Funcionamento A pressão de descarga da bomba de óleo é proporcional à rotação do eixo da turbina. Esta variável atua sobre um fole que está conectado à válvula de admissão do vapor. Assim, quando a velocidade da turbina diminui, a pressão diminuirá consequentemente, e assim o
31. 30 governador comandará a abertura da válvula de admissão do vapor para compensar a queda de velocidade. O ajuste da velocidade da turbina para uma dada carga pode ser obtido por meio de uma válvula agulha, cuja abertura, poderá ser controlada local ou remotamente, modificará a pressão na descarga da bomba. A pressão da descarga, ou pressão de saída, é aquela que o líquido presente na composição da bomba exerce em suas paredes. Assim como o governador mecânico, o regulador hidráulico possui limitações em suas características de controle, o que o torna inadequado para o uso em conjunto com turbo- geradores de grande porte. 5.3.2 Componentes O Governador Hidráulico, ilustrado na figura 27, é constituído um emaranhado de componentes hidráulicos dispostos de forma mecânica, com o objetivo de estabelecer uma relação de proporcionalidade com a rotação da turbina, e efetuar o controle por meio da válvula de admissão. Figura 27 – Componentes do Governador Hidráulico Fonte: GODOY, [S.A]. O elemento fundamental do Governador Hidráulico é a bomba de óleo, a qual está diretamente ligada ao eixo da turbina. Esta bomba está relativamente imersa em olho e tem o
32. 31 seu nível de óleo controlado por dois elementos a válvula de acionamento local e a de acionamento remoto. Essas duas válvulas são responsáveis por ajustar os valores da constante de proporcionalidade de rotação do governador, são elas o ponto de ajuste do mesmo. À medida que a bomba "recebe" as variações da rotação da turbina, ela propaga proporcionalmente essa rotação convertendo-a em energia de pressão. Por meio do princípio de vasos comunicantes, essa pressão será utilizada para atuar como a pressão de atuação na válvula de controle pneumática a diafragma. Como continuamente o valor das rotações irá variar, o valor de atuação na válvula também o fará. Devido ao fato da válvula a diafragma desencadear a abertura ou fechamento da válvula de admissão por meio da alavanca de transmissão, então o fluxo de vapor será controlado. Os governadores hidráulicos, portanto, partem desse princípio: por meio da conversão da energia de rotação da turbina, em energia de pressão – que está tem seus valores de conversão controlados pelas válvulas agulha de controle remoto, por transmissão pneumática, e válvula de controle local, por controle manual –, há o direcionamento da força de pressão para o diafragma da válvula de admissão, que terá a atuação transferida por meio da alavanca de transmissão, que possui movimento alternativo, desencadeando o controle da vazão de vapor para a turbina, por meio da abertura ou fechamento do orifício de passagem. Naturalmente, o modelo de governador hidráulico explicado é um modelo padrão genérico, que tenta abranger ao princípio de funcionamento geral dos governadores. Salientase que existe no mercado outros tipos de governadores hidráulicos, com diversas formas de atuação, controle e princípio de funcionamento. Na figura 28 é possível visualizar alguns variantes dos governadores hidráulicos encontrados industrialmente. Figura 28 – Variações dos governadores hidráulicos Fonte: OLIVEIRA, 2014.
33. 32 6 CONTROLE DE VELOCIDADE O sistema de controle de uma turbina a vapor, assim como os outros sistemas de controle, tem como objetivo manter a variável controlada em seu set point (valor desejado). A variável controlada de uma turbina a vapor é a velocidade que, independente da carga, deve se manter constante. Independente da precisão e da confiabilidade deste sistema de controle, sempre haverá, obrigatoriamente, um sistema de segurança, para que caso haja erro no primeiro sistema este possa reparar. O tipo de controle mais utilizado, mesmo que seja também o mais comum, é constituído por uma turbina de fluxo direto, com controle simples de velocidade. A velocidade numa turbina corresponde à vazão do vapor, e esta vazão de vapor é controlada a partir da abertura ou fechamento da válvula de admissão. Já a potência instantânea será determinada de acordo com as necessidades da carga, porém, se esta carga ultrapassar a capacidade máxima admitida o controle de velocidade e de potência serão afetados, dificultando o controle. Para determinar esta potência de vapor admitida utilizamos a formula 1. Onde: W = Potência do vapor admitido; m = Vazão de vapor, em massa; h1 = Entalpia do vapor admitido; h2 = Entalpia do vapor de descarga; W = m (h1 – h2) (1) Como as condições de vapor admitido e descarregado são constantes, a potência e a velocidade do vapor crescem proporcionalmente à vazão do vapor. Sendo assim, a velocidade da turbina será constante enquanto a potência for constante e a abertura da válvula de admissão também, porém, caso haja variação de alguma destas variáveis, a consequência será desproporcional. Consequências da variação de alguma variável: Mantendo-se a abertura da válvula de admissão e variando para menos a potência exigida, a velocidade do vapor irá aumentar por causa do excesso de vapor recebido. Neste
34. 33 caso, para que a velocidade do vapor da turbina seja aumentada, deve-se restringir a passagem de vapor pela válvula de admissão, fazendo com que a carga volte ao valor desejado. Mantendo-se a abertura da válvula de admissão e aumentando a carga no eixo da turbina, a velocidade do vapor cairá. Para aumentar a velocidade do vapor, logicamente, a válvula de admissão terá que diminuir o seu orifício de passagem, diminuindo por consequência a passagem do vapor. Como foi explanado ao decorrer deste trabalho, o controle da abertura da válvula de admissão acontece em função da variação da potência exigida pela carga, de forma diretamente proporcional, sempre com o objetivo de manter a velocidade da turbina constante. Como examinar todo este processo, para manter a velocidade constante, se torna algo cansativa, tendo que examinar constantemente os indicadores e atuando manualmente sobre a válvula, foi criado um dispositivo que efetua toda esta verificação e o controle automaticamente, este dispositivo chama-se Governador.
35. 34 7 PROBLEMAS OPERACIONAIS Já foi visto que o governador de velocidade possui como principal função regular a velocidade de rotação da turbina de acordo com a carga exigida pelo processo fazendo com que sejam reduzidas as oscilações de rotação, garantindo assim que a turbina será capaz de suprir as necessidades do processo no qual ela está inserida. O governador de velocidade é similar a um controlador, que substitui o controle humano reduzindo o erro no processo de tal modo que pode ser considerado erradicado. O governador também possui essa mesma função: Solucionar problemas. Por isso não há como ter um problema operacional no instrumento que e utilizado para solucionar dificuldades operacionais, pois seria inviável ter mais uma dificuldade para ser solucionada, porém distúrbios no processo podem afetar diretamente o bom funcionamento do governador, causando danos à turbina. Dentre esses distúrbios pode-se citar a parada da passagem de vapor pela turbina, seja pela parada da caldeira ou por defeito em algum ponto da válvula, esse defeito na produção de energia pode danificar seriamente a turbina, pois a mesma continuará trabalhando sem vapor, porque o governador está enviado o sinal para que seja aberta a válvula, mas ainda assim o vapor, ou gás, não chega até a turbina. Outro distúrbio que pode ocorrer é a falta de óleo, no caso de um governador hidráulico, que sem óleo não pode aumentar a vazão de vapor, ocasionando a diminuição da potência gerada pela turbina. A falta de alimentação ao governador pode ser também outro fator que trará problemas operacionais, pois sem o governador não há nada controlando como a turbina se moverá e a que velocidade ela deve estar, e sem o controle da velocidade da turbina ela pode chegar ao valor mínimo e até parar a depender da situação, mas também ela pode chegar em seu valor máximo e ocasionar acidentes graves, por isso é importante cuidar de todas as variáveis que podem influir no funcionamento do governador de velocidade, para que seu funcionamento seja sempre o melhor possível para o processo.
36. 35 8 CONSIDERAÇÕES FINAIS Ao garantirem o controle de velocidade do eixo, uma das mais importantes variáveis da turbina, os governadores são componentes indispensáveis para que se mantenha o correto funcionamento deste equipamento. Tendo em vista a enorme variedade de processos que fazem parte da indústria moderna, um equipamento como a turbina deve estar apto a receber diferentes tipos de carga e a se adequar às suas particularidades. Como ficou evidenciado com este trabalho, os reguladores desempenham um importante papel e nesse sentido merecem destaque quando fala-se em estudo de turbinas. Com o término deste trabalho, cujo objeto de pesquisa é o governador, foi possível evidenciar a importância deste componente, além de entender melhor como ele funciona e que papel desempenha, dando ênfase à compreensão das principais características dos diferentes tipos de regulador. Assim, tendo contemplado todos os pilares básicos para o entendimento deste assunto, espera-se que o objetivo inicial proposto tenha sido atingido e almeja-se ainda que este manuscrito sirva de ferramenta confiável para o estudo deste tão pouco conhecido tema.
37. 36 REFERÊNCIAS ANDRADE, Alan Sulato. Máquinas térmicas AT-056. Universidade Federal do Paraná. Disponível em: <http://goo.gl/p75Yva>. Acesso em: 09 fev. 2014 BALANÇO Pesos Governador; Disponível em <http://goo.gl/kUPI1V>. Acesso em: 14 fev. 2014. BASE SÓLIDA ENERGIA. Sistema Governador. Disponível em: <http://www.basesolidaenergia.com.br/Sistema-Governador.php>. Acesso em: 07 de fev. 2014. CARVALHO, Julio Cesar. FUTIKAMI, Edmar Eidy. LIMA, Viviane Nagakura. STRAPAÇÃO, Marcelo. VALENTINI, Miguel Igino. Simulador de regulador de velocidade para turbinas hidráulicas Francis. Disponível em: <http://www.daelt.ct.utfpr.edu.br/engenharia/tcc/monografia_simulador_francis_2003.pdf>. Acesso em: 08 de fev. 2014. CÉSAR, Evelin. Turbinas a Vapor. Disponível em: <http://goo.gl/pey5Bc>. Acesso em: 12 fev. 2014. CHRISTINA, Elaine. Turbinas a vapor. Disponível em: <http://goo.gl/3sWTup>. Acesso em: 09 fev. 2014. COFAP. Bomba de óleo. Disponível em: <http://www.mmcofap.com.br/marelli-bombaoleo.aspx>. Acesso em: 08 de fev. 2014. CONTROLE da Potência Ativa e da Frequência. Disponível em <http://goo.gl/EVnDnN>; Acesso em: 02 fev. 2014. DARTORA, Fábio Lopes. Desenvolvimento de Reguladores Mecânicos Centrífugos Para Aplicação em Motores a Diesel Equipados com Bombas Injetoras Unitárias. Disponível em <http://goo.gl/gToZm7>. Acesso em: 14 fev. 2014.
38. 37 GODOY, Jorge. Turbinas a Vapor. Rio de Janeiro, apostila da Eletrobrás, [S.A]. HOLANDA, Eduardo. Turbinas a vapor 3. Disponível em: <http://goo.gl/OsZWcK>. Acesso em: 10 fev. 2014. OLIVEIRA, Elieser Parcero. Turbinas a Vapor. Disponível em: <http://goo.gl/bLDVSV>. Acesso em: 09 fev. 2014. SANDVIK Coromant. Carcaça de turbina. Disponível em: <http://goo.gl/wpaf0e>. Acesso em: 27 jan. 2014. SOFTWARE TIMES. Book review: Freefall: America, Free Markets, and the Sinking of the World Economy. Disponível em: <http://goo.gl/4WSFYH>. Acesso em: 16 fev. 2014. TURBINAS a vapor. Disponível em: <http://goo.gl/8fdv16>. Acesso em: 24 jan. 2014. VOITH. Regulador de Turbina. Disponível em: <http://www.voith.com/br/produtos-eservicos/energia-hidreletrica/automacao/regulador-de-turbina-3090.html>. Acesso em: 08 de fev. 2014.