A reabilitação do grupo turbina-gerador deve ser estudada com detalhes depois de concluída a etapa de diagnósticos e estudos da usina. Assim, é possível verificar as condições reais em que se encontra a usina e qual o tipo de repotenciação é viável para ser efetuada.
A Tabela 16 apresenta as alternativas de repotenciação para o grupo turbina- gerador:
Tabela 16: Alternativas de Repotenciação das Unidades Geradoras (VEIGA, 2001).
Repotenciação Pot. Turbina Gerador Operação
Mínima 2,50% Reparo Reparo Base
Leve 10% Reparo (operação no limite) Repotenciação (cl. isolação) Base/Ponta
20% Nova Condição Operação
30% Substituição da Roda Repotenciação (geral) Base/Ponta
Repotenciação Mínima:
A Repotenciação Mínima pode proporcionar ganhos de capacidade da ordem de 2,5%, correspondendo ao reparo da turbina e do gerador. Este reparo é a recuperação dos componentes desgastados, proporcionando a extensão da vida útil do equipamento.
O rotor de uma turbina hidráulica pode estar sujeito a desgaste operacional em função das condições operacionais do hidrogerador, das características de projeto e das propriedades do material empregado na sua construção. A causa mais comum de desgaste de um rotor é a erosão por cavitação. O fluxo de água sobre a pá do rotor de uma turbina hidráulica gera campos de pressão ao longo da superfície da pá. Nas regiões da superfície da pá, onde a pressão atinge valores inferiores à pressão de vapor da água na temperatura de operação da turbina, formam-se bolhas de vapor de água (cavidades). Essas bolhas são conduzidas pelo fluxo até atingirem regiões com pressão superior à pressão de vapor e condensam-se instantaneamente. A partícula de água condensada é projetada abruptamente sobre a superfície da pá. O martelamento gerado, pelo impacto das partículas líquidas sobre as pás do rotor, gera um processo de carregamento operacional do rotor. Essas regiões sofrem solicitações dinâmicas que causam fadiga ocasionando a perda de material da superfície das pás, que é a erosão por cavitação (FILIPPIN; LIRA, 2001). Como as superfícies perdem o seu perfil original e ideal, por apresentarem crateras, o desempenho da turbina fica prejudicado em termos de rendimento (transformação da energia hidráulica em energia mecânica) e de resistência mecânica, além de poder desenvolver um processo de cavitação acelerado. A atividade de reparo aplicada nesse caso é a reposição do material perdido na erosão por cavitação, recompondo o perfil das pás. Essa reposição de material é feita por soldagem a arco elétrico (FILIPPIN; LIRA, 2001).
As outras atividades que contribuem para a recuperação da turbina hidráulica e do gerador seria substituir todos os elementos ou materiais que estiverem apresentando desgastes e aqueles que se tornaram obsoletos. Isto pode implicar em modificações nos eixos e mancais de guia das turbinas, nos enrolamentos de campo e do estator do gerador, no rotor, nos sistemas de ventilação, nas vedações, nas lubrificações, na isolação dos componentes do gerador e na instrumentação.
A Repotenciação Mínima prevê a continuidade da operação das unidades geradoras sob as mesmas condições originais, normalmente como o projeto elaborado na fase de construção da usina, fornecendo energia de base.
Repotenciação Leve:
A Repotenciação Leve, que prevê ganhos de capacidade da ordem de 10% de acordo com a ANEEL, consiste em acumular água para operação na ponta ou, se houver condições hidrológicas, na base, operando na capacidade limite de projeto da turbina. Isto exige que seja realizado o reparo da turbina e a verificação da resistência mecânica de componentes.
O próprio processo de soldagem a arco elétrico para repor na turbina o material perdido na erosão por cavitação, insere tensões residuais na região denominada Zona Termicamente Afetada (ZTA). O nível de tensão residual é função do tipo de material de base, do processo de soldagem empregado, da velocidade de resfriamento e da geometria e condições de apoio da estrutura. As tensões residuais reinantes em cada porção de material se somam às tensões de trabalho (tensões operacionais), podendo levar esta região da estrutura à falha mesmo com as cargas operacionais dentro do limite de projeto (FILIPPIN; LIRA, 2001).
As medidas que minimizam falhas como trincas nas pás dos rotores das turbinas são: otimização da faixa de operação, emprego de materiais mais resistentes à cavitação nas recuperações dos rotores, o emprego de processos de soldagem a arco elétrico com menor aporte de calor e o alívio das tensões residuais. O método mais eficiente para aliviar as tensões residuais seria o tratamento térmico localizado, que consiste em aquecer a região a ser aliviada até uma temperatura definida em função das composições do material de base do rotor e do material de adição a ser empregado na soldagem de reparo, por um período de tempo suficiente, para que ocorra uma acomodação desta região sob uma nova condição de equilíbrio isento de tensões, ou pelo menos com menor intensidade (FILIPPIN; LIRA, 2001).
A Repotenciação Leve exige também que o gerador melhore suas condições de isolamento, devido ao seu maior aquecimento na operação. Os enrolamentos dos
geradores antigos construídos com isolação da classe de temperatura B, que suportam a temperatura de até 120oC, possuem vida útil de 25 anos. Desta forma, a repotenciação pode implicar na substituição do enrolamento do estator, mudando não só a sua secção condutora, como também a classe de temperatura de B para F que suporta temperatura de 155oC (VEIGA, 2001). Essa mudança permite instalar, na mesma ranhura existente no núcleo do estator, barras com secção maior de cobre e uma secção menor de isolação com o mesmo poder dielétrico. O enrolamento de campo do gerador, quase sempre suporta um acréscimo de potência da ordem de 20%, sem necessidade de ser substituído. Recomenda-se a modernização do equipamento de excitação por serem constituídos de máquinas rotativas.
Com o aumento da potência gerada, aumenta-se o calor dissipado pelos componentes do gerador, sendo necessário verificar se o sistema de ventilação está de acordo com as modificações realizadas com o processo de repotenciação. O projeto de ventilação deverá sofrer modificações como: inserir ventiladores maiores (sistemas de ventilação do tipo aberto), aumentar o fluxo de água (sistemas de resfriamento à água) ou resfriar a água dos radiadores (sistemas de ventilação do tipo circuito fechado com radiadores).
Repotenciação Pesada:
A Repotenciação Pesada que, segundo a classificação da ANEEL, prevê ganhos de 20% a 30% na capacidade instalada, corresponde a aproveitamentos onde estudos hidrológicos indicam novas curvas de permanência dos reservatórios e, portanto, novos valores de energia assegurada. Sendo assim, torna-se necessária a substituição da roda da turbina para que ela opere sob novas condições de projeto. O gerador deverá sofrer repotenciação completa, pela troca de classe de isolação, substituição de enrolamento, chapas de núcleo e, possivelmente, até a substituição do rotor. No caso de ser verificado um valor de capacidade de geração muito superior ao instalado, pode ser viável a troca completa do grupo turbina-gerador.
Pode-se citar como sendo um caso “record” de repotenciação a usina hidrelétrica americana Hoover Dam, cujo ganho de potência chegou a 51% (VEIGA, 2001).