Especial atenção tem sido dada à operação dos turbogeradores sob condições de operações em sobrefreqüência e ou subfreqüências. Em particular, sobre os possíveis danos a que estão sujeitas as turbinas a vapor quando em prolongada operação sob condições de subfreqüência, durante uma severa condição de sobrecarga imposta ao sistema quando há uma perda de geração.
Uma turbina a vapor é constituída de vários grupos de palhetas (lâminas) de vários tamanhos e configurações, sendo que cada uma possui sua característica construção relacionada a freqüência natural própria. As turbinas são cuidadosamente projetadas para que as freqüências de ressonância das palhetas, para a rotação nominal, sejam suficientemente defasadas, de forma a evitar vibrações e excesso de “stress” ou fadiga. A figura 25 ilustra o fenômeno que envolve operações das turbinas fora da freqüência nominal (“off-frequency operation”), mostrando a amplitude de fadiga das vibrações para um conjunto de estágios de palhetas de uma turbina em função da freqüência nominal. Observa-se que quando a turbina opera fora de sua freqüência nominal, a amplitude de “stress” aumenta e algum dano é acumulado. Três níveis de “stress” A, B e C são mostrados figura 25: [27]
a) Operações das turbinas abaixo do nível A (f > 59,4ou f < 60,6 Hz) produzem pequenas amplitudes de
fadiga, devido as vibrações, tal que as palhetas podem operar indefinidamente sem qualquer dano. b) Operações entre os níveis A e B poderão produzir danos em 10000 ciclos de vibrações; c) Operações entre os níveis B e C, poderão ocorrer danos para 1000 ciclos de vibrações. [68]
Capítulo IV– A Influência de Variações de Freqüência no Sistema Elétrico
_____________________________________________________________________________
Figura 25: Freqüência x Amplitude de ‘stress’ (fadiga) para turbinas a vapor [27]
Pesquisas de uma grande quantidade de dados de freqüências de vibrações e seus tempos limites recomendados para operações fora da freqüência nominal e para diferentes turbinas a vapor estão representadas na figura 26 [27].
Figura 26: - Limites de freqüência de operação de uma turbina a vapor [27]
O diagrama da figura acima representa o tempo mínimo estimado para se quebrar alguma parte da estrutura das palhetas, ilustrando os limites de tempo para operação da turbina a vapor
Capítulo IV– A Influência de Variações de Freqüência no Sistema Elétrico
_____________________________________________________________________________
tanto para a subfreqüência quanto para a sobrefreqüência. O diagrama da figura 26 mostra que para um desvio de freqüência de 5% ou mais, o tempo de dano torna muito pequeno e que não é prático um sistema operar mais que poucos segundos nesta faixa. Como pode ser visto, para o limite inferior de freqüência, isto é, 56,5 Hz o tempo mínimo permissível é de um segundo, e para freqüências próximas da nominal, o tempo é indefinido de forma que uma variação de freqüência de 1% (59,4 ou 60,6 Hz), não terá qualquer efeito danoso sobre as palhetas. É importante ressaltar, que o efeito de operações fora da freqüência nominal é acumulativo, ou seja, meio minuto de operação a plena carga em 57,6 Hz hoje, deixa somente meio minuto de outra operação em 57,6 Hz por toda a vida útil da unidade. A partir da figura 26 analisada, tem- se os dados na tabela 4 abaixo, que mostra os valores de tempo máximo de operação de uma turbina a vapor de acordo com sua freqüência. Sendo a condição encontrada mais freqüentemente corresponde a sobrefreqüência nas turbinas [27] [68].
Tabela 4: Tempo máximo de operação de uma turbina a vapor de acordo com sua freqüência de operação Freqüência a plena carga Tempo Máximo de Operação
59,4 Hz Continuamente 58,8Hz 100 minutos 58,2Hz 10 minutos 57,6 Hz 1 minuto 57,0Hz 0,1 minuto 56,5 Hz 1 segundo
Na realidade, a predição do tempo para fadiga e ou perda da turbina é difícil. O tempo de stress é relacionado diretamente à freqüência, mas a determinação deste tempo dependente da
Capítulo IV– A Influência de Variações de Freqüência no Sistema Elétrico
_____________________________________________________________________________
possui uma construção, ou seja, não são exatamente todas iguais, devido a tolerâncias industriais. Outra variável é que, a fadiga também é reduzida por operações anormais não relacionadas a operação de variações de freqüência. O fabricante das turbinas deve especificar os dados relacionados com fadigas, pois estes limites variam dramaticamente entre fabricantes. Abaixo a figura 27 de referência do [68], (IEEE Guia para Proteção para Plantas Geradoras com
variações de Freqüência) mostrando quatro diferentes tipos de turbinas e o limite de trabalho
relacionado com variações de freqüência. Basicamente, há três zonas que caracterizam as possibilidades de operação de uma turbina: (a) zona de operação permitida: região em que o conjunto turbina-gerador pode operar por tempo indeterminado sem risco de danos; (b) zona de
operação por tempo restrito: região em que o conjunto turbina-gerador pode operar por
determinado tempo sem risco de danos; (c) zona de operação proibida: região em que o conjunto turbina-gerador não pode operar porque causaria danos a eles. Esses valores são utilizados para a determinação dos ajustes dos relés de sobrefreqüência e subfreqüência de proteção do gerador [68].
Capítulo IV– A Influência de Variações de Freqüência no Sistema Elétrico
_____________________________________________________________________________
Figura 27: Tempo máximo de operação de turbinas operando fora da freqüência nominal [68]
Na seqüência as figuras 28, 29 e 30 representativas de turbinas, com destaque para as palhetas, figuras retiradas da referência [46].
Capítulo IV– A Influência de Variações de Freqüência no Sistema Elétrico
_____________________________________________________________________________
Figura 28: Vista geral de uma turbina a vapor [46]
Capítulo IV– A Influência de Variações de Freqüência no Sistema Elétrico
_____________________________________________________________________________
Figura 30: Palhetas de turbina a vapor, tie-wire = presilha , shroud= chapa de junção [46]