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Turbinas e ejetores

Segurana na operao de unidades de processo 3

Sumrio

1 Turbina a vapor 5

Ciclo trmico do vapor 5

A instalao trmica a vapor 6 Turbinas: utilizao e caractersticas 7

Componentes bsicos das turbinas 9

2 Classificao das turbinas 18

Turbinas: princpio de funcionamento 18

Turbinas: classificao 22

3 Operao das turbinas 28

Partida 29

Parada 30

Sistemas de controle 30

4 Sistema de lubrificao 37

Bombas de leo/filtros 37

Ejetores 38

5 Aspectos de segurana 39

Proteo da turbina 39

Superviso das condies operacionais 42

Precaues operacionais 43

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Segurana na operao de unidades de processo4

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Turbina a vapor

Do ponto de vista de aproveitamento de energia, o ciclo trmico a vapor, do qual a tur-

bina a vapor parte integrante, apresenta rendimentos bastante satisfatrios, quando

comparados com os rendimentos de outras mquinas como a turbina a gs ou os mo-

tores de combusto interna.

Por isso, a turbina a vapor atualmente o mais usado entre os diversos tipos de acio-

nadores primrios existentes.

Este fascculo tratar das turbinas a vapor, suas caractersticas, emprego, partes com-

ponentes, funcionamento, operao e aspectos de segurana.

Ciclo trmico do vapor

O objetivo de qualquer mquina trmica transformar calor em trabalho. Para isso, em

toda instalao trmica, usamos uma substncia, chamada fluido de trabalho, ou seja

gua e vapor, que percorre um ciclo termodinmico no qual:

recebe calor de uma fonte quente;

realiza trabalho durante um processo de expanso;

rejeita a parte do calor recebido no transformada em trabalho para uma fontefria;

consome parte do trabalho produzido na expanso para retornar ao estado ini-

cial, completando o ciclo.

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A instalao trmica a vapor

Os quatro processos acima descritos correspondem aos quatro elementos fundamen-

tais da instalao trmica a vapor, conforme ilustra a figura:

a caldeira, na qual a substncia de trabalho, a gua, recebe calor dos gases

de combusto, resultantes da queima da mistura combustvel-ar na fornalha,

vaporizando-se.

a turbina, na qual o vapor gerado na caldeira expande-se, desde a alta pres-

so da caldeira at a baixa presso do condensador, fornecendo durante esta

expanso trabalho em seu eixo, utilizado normalmente para acionamento de um

gerador eltrico, bomba, compressor, ventilador, etc..

o condensador, no qual o vapor de baixa presso descarregado da turbina

cede a parcela do calor recebido na caldeira, que no foi transformado em tra-balho na turbina, gua de refrigerao do condensador, condensando-se.

a bomba de alimentao da caldeira, que eleva a presso do condensado,

para que ele possa ser reinjetado na caldeira, completando o ciclo. A bomba,

para pressurizao do condensado, consome parte do trabalho produzido na

turbina.

Veja na representao esquemtica a seguir, como esses elementos se relacionam.

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A figura mostra um exemplo de arranjo tpico e um balano energtico dos principais

componentes de uma central trmica real.

Turbinas: utilizao e caractersticas

A turbina a vapor uma mquina acionadora primria, cuja funo transformar a

energia do vapor admitido em trabalho de acionamento de equipamentos rotati-

vos.

Os principais usos da turbina a vapor so:

acionamento de geradores eltricos em centrais termoeltricas convencionais

ou nucleares;

acionamento mecnico de equipamentos rotativos (bombas, compressores,

ventiladores), em indstrias que possuem gerao de vapor;

acionamento martimo, em navios de guerra ou mercantes de grande porte.

O calor residual contido no vapor descarregado pela turbina pode ser aproveitado

seja no processo industrial, seja para fins de aquecimento, em lugar de ser rejei-

tado para o ambiente. Assim, indstrias que consomem quantidades apreciveis

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de vapor como refinarias, petroqumicas ou fbricas de papel, em muitos casos,

possuem centrais trmicas prprias.

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Turbinas e ejetores


Alm do aproveitamento do calor residual, a turbina a vapor tambm apresenta uma

srie de caractersticas favorveis do ponto de vista mecnico. Elas so:

1. A turbina a vapor uma mquina rotativa pura na qual a fora acionadora aplica-

da diretamente no elemento rotativo da mquina. Isso resulta em um funciona-

mento extremamente suave da mquina e em velocidade uniforme do conjunto

formado pela turbina e a mquina acionada.

2. A turbina a vapor no necessita de lubrificao interna. Assim, o vapor que sai da

turbina isento de leo e permite o aproveitamento imediato do condensado.

3. Trata-se de uma mquina de fcil operao e controle, pois seu dispositivo de con-

trole de velocidade, o governador, bastante simples. Isso possibilita variaes de

velocidade em faixas razoavelmente amplas.

4. Apresenta grande confiabilidade operacional.

5. Suas campanhas operacionais mdias, ou seja, a durao em meses entre inter-venes de manuteno, so bastante longas.

6. A manuteno simples e econmica.

7. Tem vida til bastante longa.

Componentes bsicos das turbinas

As turbinas so compostas de vrias partes. Seu elemento principal, no entanto so osexpansores, ou seja, pequenos orifcios de formato especial por onde o vapor obri-

gado a escoar, transformando a energia do vapor em energia cintica, isto , energia

de movimento.

Os expansores tm formas construtivas especficas, de acordo com sua aplicao.

Assim poderemos ter expansores constituindo:

Bocal: utilizado nas

turbinas de pequena

potncia e estgio ni-

co de ao, que pode

ser de presso ou de

velocidade. Possui um

nico expansor.

bocal e arco de palhetas guias de uma turbina de pequena potncia

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Turbinas e ejetores


Arco de expansores:

constitudo por vrios ex-

pansores trabalhando em

paralelo. usado no est-

gio nico de mquinas de

simples estgio ou no pri-

meiro estgio de mqui-

nas multi-estgio.

cmara de vapor, arco de expansores e arco de palhetas guias

Anel de expansores: estgio intermedirio ou final de uma turbina de ao, de

vrios estgios. Esse anel seguido de uma roda de palhetas mveis, montadas

em peas chamadas diafragmas. Os diafragmas so constitudos por dois semi-

crculos, um encaixado na tampa e outro encaixado na metade inferior da carcaa,

que separam os diversos estgios de uma turbina de ao multi-estgio.

diafragma com anel de expansores

Anel de palhetas fixas: pre-

sentes em cada estgio de rea-

o de uma turbina de reao

multi-estgio. A expanso do

vapor se realiza parte nas pa-

lhetas fixas, parte nas palhetas

mveis.

anel de palhetas fixas

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Turbinas e ejetores


As palhetas mveis constituem um estgio de ao. Elas so encaixadas em rebai-

xos usinados na periferia das rodas ou discos de palhetas. Estes discos ou rodas so,

por sua vez, montados em um eixo nico, constituindo o que se chama de conjunto

rotativo da mquina.

O conjuntorotativo constitudo por discos, montados em um eixo, com fixao por

interferncia e chaveta. Eles se constituem em partes componentes das turbinas de

ao, nas quais usa-se a construo do tipo disco e diafragma.

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A carcaa de uma turbina suporta os diafragmas e expansores ou os anis-suportes e

as palhetas fixas, os mancais, as vlvulas de controle de admisso e de extrao de

vapor, a vlvula de desarme rpido, e outras partes estacionrias.

Em turbinas pequenas, admitem-se carcaas de partio vertical, porm a grande mai-oria das turbinas tem carcaa de partio horizontal, na altura do eixo. Esta construo

facilita a manuteno da mquina, pois permite acesso ao seu interior, pela simples

remoo de sua metade superior, permanecendo a metade inferior em seu suporte.

Vlvulas de controle de admisso

Para que a turbina opere eficazmente, ela precisa que o vapor seja fornecido de ma-

neira estvel. Essa funo exercida pelas vlvulas de controle de admisso que po-

dem estar em um sistema mult i -valve (de vlvulas mltiplas, ou parcializadoras) ou

em um sistema s ingle -valve(de vlvula nica).

Na construo mult i -valve, o controle da admisso de vapor feito atravs de vrias

vlvulas, em paralelo, cada uma alimentando um grupo de expansores. A abertura

destas vlvulas seqencial: medida que a vazo total de vapor cresce, para aten-

der ao aumento da carga, a quantidade de expansores que est recebendo vapor

cresce proporcionalmente.

Assim, a vazo de vapor atravs de cada expansor em operao, pode ser mantida

constante, a despeito das flutuaes da carga. Isto aumenta bastante a eficincia da

turbina, principalmente em condies de baixa carga.

A abertura seqencial das vlvulas de controle de admisso de vapor pode ser obtida

por meio de um eixo de cames, ou por meio de vlvulas com hastes de comprimento

varivel, acionadas por uma barra horizontal.

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Na construo single-valve, a vlvula de controle da admisso de vapor nica, ad-

mitindo vapor simultaneamente para todos os expansores. Esta construo pouco

eficiente quando a turbina opera com carga baixa e, em conseqncia, com baixa va-

zo total de vapor, a qual dividida igualmente por cada expansor. Isso faz a vazo em

cada expansor ser bastante inferior sua vazo de projeto e prejudica a eficincia daturbina.

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Para melhorar sua eficincia com baixa carga, as turbinas single-valve possuem vl-

vulas parcializadoras, de acionamento manual, que podem fechar grupos de expanso-

res. Quando a turbina estiver trabalhando com baixa carga, o operador poder melho-

rar a eficincia da mquina, fechando manualmente uma ou mais vlvulas parcializa-

doras.

Vlvulas de controle de extrao

Algumas turbinas possuem uma retirada parcial de vapor, em um estgio intermedirio,

e portanto a uma presso intermediria, entre a de admisso e a de descarga, conhe-

cida como extrao. Essa retirada realizada pela vlvula de controle de extrao.

Esse tipo de vlvula funciona da mesma forma que a vlvula de controle de admisso,

com a diferena de que controlada pela presso do vapor extrado.

Vlvula de bloqueio automtico

A maneira usual de parar uma turbina a vapor pelo fechamento rpido de uma vl-

vula, chamada vlvula de bloqueio automtico, colocada em srie com a vlvula de

controle de admisso. Isso permite cortar totalmente a admisso de vapor para a turbi-

na. Essa vlvula tambm conhecida como vlvula de desarme rpido ou como vl-

vula de trip.

Quando uma determinada velocidade atingida (velocidade de trip), a fora centrfuga

sobre o pino de trip vence a fora da mola e o pino expulso de seu alojamento, acio-

nando o gatilho de trip. Este, por sua vez, libera a alavanca, o que provoca o fecha-

mento da vlvula de bloqueio automtico e a parada da turbina. A velocidade em que o

dispositivo de desarme atuar pode ser regulada pela modificao da tenso inicial da

mola.

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O dispositivo de desarme protege a turbina, impedindo que opere em velocidades su-

periores velocidade de trip. Se isso acontecer, as tenses resultantes da fora cen-

trfuga tornam-se perigosas para a resistncia mecnica do conjunto rotativo da turbi-

na.

Mancais

Os mancais so os dispositivos sobre os quais se apoiam eixos girantes, deslizantes

ou oscilantes. Uma turbina possui mancais radiais e mancais de escora.

O conjunto rotativo de turbinas a vapor normalmente suportado por dois mancais

radiais, um em cada ponta de eixo, ficando todas as rodas de palhetas entre ambos.

Os mancais radiais suportam, alm do peso prprio do conjunto rotativo,

a componente radial de qualquer outro esforo que atue sobre o conjunto rotativo.

Os mancais radiais so tambm responsveis pela manuteno das folgas entre o

conjunto rotativo e as partes estacionrias.

O mancal de escora responsvel pelo posicionamento axial do conjunto rotativo, em

relao s partes estacionrias da mquina, e, consequentemente, pela manuteno

das folgas axiais.

O mancal de escora de uma turbina deve ser capaz de resistir ao empuxo axial atuante

sobre o conjunto rotativo da mquina. Em turbinas de reao estes empuxos so con-

siderveis, enquanto que em turbinas de ao so bastante reduzidos.

Selagem

Entre uma pea estacionria e uma pea rotativa de uma turbina (como por exemplo

entre a carcaa e o eixo) deve existir sempre uma certa folga, pois o contato entre am-bas tecnicamente inadmissvel. Atravs dessas folgas poder ocorrer vazamento de

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vapor, se a presso for superior atmosfrica, ou entrada de ar, se a presso for infe-

rior atmosfrica. Para reduzir o vazamento de vapor ou a entrada de ar a um mnimo,

obrigatria a existncia de uma selagem nessas folgas.

A selagem pode ser feita por:

anis de carvo, ou

labirintos.

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Em turbinas de uso geral, s h dois pontos a selar: os locais onde as duas pontas do

eixo saem da mquina, atravessando a carcaa.

Em turbinas especiais, temos a selagem:

externa, que a selagem existente nos locais nos quais o eixo sai do interior da

mquina, atravessando a carcaa;

interna das palhetas fixas e das palhetas mveis.

Como em uma turbina de uso especial, a confiabilidade operacional e o tempo de

campanha so caractersticas mais importantes do que a economia ou simplicidade

construtiva, usa-se sempre a selagem por labirintos nessas mquinas, tanto para sela-

gens internas, como para selagens externas.

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Classificao das turbinas

Turbinas: princpio de funcionamento

Uma mquina motora a vapor tem como objetivo transformar a energia, contida no flu-

xo contnuo de vapor que recebe, em trabalho mecnico. O trabalho mecnico realiza-

do pela mquina pode ser o acionamento de um equipamento qualquer, como, por

exemplo, um gerador eltrico, um compressor, uma bomba, um ventilador.

A Segunda Lei da Termodinmica diz que somente parte da energia contida no va-

por, que chega mquina, poder ser convertida em trabalho. A parte restante da

energia, que no pode ser transformada em trabalho, permanece no vapor descarre-

gado pela mquina.

A energia no aproveitada, que permanece no vapor descarregado pela mquina, ,em muitos casos, simplesmente rejeitada para o ambiente, em um condensador. Em

outras situaes, entretanto, possvel aproveitar o vapor descarregado pela mquina,

por exemplo, para fins de aquecimento. Assim, sua energia residual aproveitada,

melhorando, em conseqncia, o rendimento trmico global do ciclo.

Em uma mquina alternativa a vapor a energia do vapor convertida diretamente em

trabalho mecnico, medida que o vapor se expande no interior do cilindro, deslocan-

do o mbolo, que por sua vez aciona o sistema biela-manivela, produzindo trabalho noeixo. Um exemplo disso, a locomotiva a vapor.

Em uma turbina a vapor, a transformao da energia do vapor em trabalho feita em

duas etapas:

1. Inicialmente, a energia do vapor transformada em energia cintica. Para isso, o

vapor obrigado a escoar atravs de pequenos orifcios, de formato especial, de-

nominados expansores, nos quais, devido pequena rea de passagem, ele ad-

quire alta velocidade, aumentando sua energia cintica, mas diminuindo, em con-

seqncia, seu calor. Em um expansor, alm do aumento de velocidade e da dimi-

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nuio do calor, ocorrem tambm queda na presso, queda na temperatura e au-

mento no volume especfico do vapor.

2. Na segunda etapa da transformao, a energia cintica obtida no expansor

transformada em trabalho mecnico.

O aproveitamento da energia cintica obtida no expansor para a realizao de trabalho

mecnico realizado de duas maneiras:

1. pelo princpio da ao: se o expansor for fixo e o jato de vapor for dirigido contra

um anteparo mvel, a fora de ao do jato de vapor ir deslocar o anteparo, na

direo do jato, levantando o peso P.

2. pelo princpio da reao: se o expansor puder mover-se, a fora de reao, queatua sobre ele, far com que se desloque, em direo oposta do jato de vapor,

levantando o peso P.

Nos dois casos, a energia do vapor foi transformada em energia cintica no expansor e

esta energia cintica foi, ento, convertida em trabalho. A fora resultante move o an-

teparo, na direo do jato, e levanta o peso P. Este , em essncia, o princpio da

ao.

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Newton, um cientista ingls do sculo XVII, estabeleceu uma lei que diz que a cada

ao corresponde uma reao igual e contrria. Assim, se fizermos um furo em um

dos lados da caixa e colocarmos neste furo um expansor haver, atravs do expansor

um jato de vapor que provocar um desbalanceamento de foras que far a caixa mo-

ver-se na direo oposta do jato do vapor, caracterizando o princpio da reao.

Em uma turbina de ao teremos vrios expansores, em paralelo, constituindo um

arco ou um anel de expansores, conforme ocupem apenas parte ou toda a circunfe-

rncia.

Os anis de expansores so tambm conhecidos como rodas de palhetas fixas. Os

expansores dirigem seu jato de vapor na direo de uma roda de palhetas mveis.

Em um estgio de ao toda a transformao de energia do vapor em energia cintica

ocorrer nos expansores. Em conseqncia, no arco ou no anel de expansores (roda

de palhetas fixas) de um estgio de ao haver uma queda de presso do vapor e um

aumento da velocidade. Na roda de palhetas mveis no haver expanso (queda de

presso), pois as palhetas mveis tem seo simtrica, o que resulta em reas de

passagem constantes para o vapor. No havendo expanso, a velocidade do vapor em

relao s palhetas mveis ficar constante.

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Haver uma queda na velocidade absoluta do vapor nas palhetas mveis, trans-

formando, assim, a energia cintica, obtida nos expansores, em trabalho mecni-

co.

Em uma turbina de reao,teremos sempre vrios estgios, colocados em srie.Cada estgio constitudo de um anel de expansores (tambm chamado de roda

de palhetas fixas), seguido de uma roda de palhetas mveis.

Tanto as palhetas fixas, como as palhetas mveis tm seo assimtrica, o que

resulta em reas de passagens convergentes, para o vapor.

Na realidade, o que chamamos comercialmente de turbina de reao uma

combinao dos dois princpios: ao e reao. Nas palhetas fixas teremos uma

expanso parcial do vapor, enquanto que, nas palhetas mveis ocorrer o res-

tante da expanso. Isso resulta em uma segunda queda de presso e em um au-

mento da velocidade do vapor em relao palheta. Entretanto, mesmo havendo

um aumento da velocidade do vapor em relao palheta mvel, causada pela

sua expanso, a velocidade absoluta do vapor nas palhetas mveis cair, pois

estas atuam, no s como expansores, mas tambm, transformando a velocidade

gerada em trabalho mecnico.

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Define-se entalpia como sendo uma funo termodinmica do estado da substn-

cia, que a soma da energia interna com o produto da presso e volume do sis-

tema.

Em mquinas de grande potncia, nas quais se opera com grandes saltos de en-

talpia e nas quais a preocupao com a eficincia essencial, aparecem veloci-

dades excessivas nas palhetas, incompatveis com sua resistncia mecnica.

A soluo para o problema dividir o aproveitamento do salto de entalpia em v-

rios saltos menores subseqentes, que chamamos de estgios. Mquinas de

grande potncia tm, portanto, vrios estgios, colocados em srie, e que podem

ser tanto de ao quanto de reao.

Em mquinas de menor potncia, entretanto, o salto de entalpia a ser aproveitado

usualmente menor. Alm disso diminui a preocupao com a eficincia da m-

quina e cresce a importncia do custo inicial. Por isso, as mquinas de pequena

potncia so, usualmente, mquinas compactas, constitudas de um s estgio,

sempre de ao, embora com menor eficincia.

Turbinas: classificao

As turbinas podem ser classificadas de acordo com variados parmetros. Assim,

pode-se classific-las de acordo com:

os aspectos construtivos;

a aplicao, porte e a velocidade;

presso de descarga;

fluxo de vapor.

Considerando-se o aspecto construtivo, existem basicamente dois tipos de tur-

binas:

1. turbinas de uso geral: que so mquinas de pequena potncia que recebem

vapor em condies no muito severas e possuem eficincia apenas razovel,

pois a preocupao principal em seu projeto a obteno de uma mquina

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compacta e de baixo custo inicial. Esse tipo de turbina possui normalmente um

nico estgio, sempre de ao, que pode ser de velocidade ou de presso.

2. turbinas de uso especial so mquinas de mdia ou alta potncia que rece-

bem normalmente vapor de alta presso. A obteno de uma eficincia eleva-

da sempre um objetivo fundamental no projeto desse tipo de turbina. Essas

turbinas possuem sempre vrios estgios em srie. O primeiro destes estgios

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sempre um estgio de ao. Os estgios seguintes podem ser de ao ou de

reao.

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Em funo da aplicao, devero variar as condies de presso e temperatura do

vapor de admisso. Mquinas de pequena potncia utilizam vapor em condies mo-

deradas de presso e temperatura, enquanto que mquinas de grande porte, exigem

vapor com qualidade, presso e temperaturas mais rgidas (at na faixa de 310 kgf/cm2

e 550oC de temperatura).

As turbinas que acionam os geradores eltricos de grande porte so usualmente

ligadas a estes por acoplamento direto. Nesse caso, o conjunto dever girar a 3600

rpm (gerador de dois plos) ou 1800 rpm (gerador de quatro plos), para que a cor-

rente gerada tenha uma freqncia de 60 c/s (ou 60 Hz).

Em geradores de menor potncia, a turbina poder ser ligada ao gerador por meio

de um redutor de velocidade, o que permitir que a turbina trabalhe em rotaes supe-riores a 3600 rpm.

Turbinas para acionamento mecnico podem girar a at 20.000 rpm, sendo que,

para uma mesma potncia, o porte fsico da mquina diminui medida que aumenta

sua rotao (rpm) de trabalho.

As turbinas de uso especial, usadas para acionamento de compressores centrfugos

de processo, so normalmente mquinas de velocidade mais alta na faixa de opera-o, na maioria das aplicaes, situada entre 3.000 rpm e 12.000 rpm. Entretanto, em

alguns casos especiais podem atingir 20.000 rpm.

De acordo com sua presso de descarga, as turbinas podem ser divididas em dois

tipos bsicos:

condensantes, quando sua presso de descarga inferior atmosfrica, e

no-condensantes (ou de contrapresso), quando sua presso de descarga

superior atmosfrica.

As turbinas condensantes descarregam para um condensador, enquanto as turbinas

decontrapresso descarregam simplesmente para uma linha de vapor.

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Com relao ao fluxo de vapor, temos:

turbina de fluxo direto, na qual toda a vazo de vapor admitido da mquina, atua

do primeiro ao ltimo estgio, sem qualquer retirada intermediria de vapor.

turbinas com reaquecimento, na

qual todo o fluxo de vapor admitido

na mquina retirado em um estgio

intermedirio, reaquecido na caldeira,

e retorna ao estgio seguinte da tur-

bina, de onde evolui, atravs dos es-

tgios finais, at a descarga.

turbinas com extrao automtica, na qual h em um, dois ou trs estgios in-

termedirios, uma retirada parcial de vapor, para fins de aquecimento ou uso no

processo industrial. A presso do vapor extrado mantida constantemente por

meio de vlvulas de controle de extrao..

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turbinas com extrao no-automtica na qual pode haver vrios pontos de reti-

rada de vapor em diferentes estgios e nveis de presso. Em cada ponto de extra-

o, a presso do vapor extrado de uma turbina com extrao no-automtica, va-

ria com as flutuaes da carga da turbina.

Turbina de fluxo radial

O fluxo de vapor em todas as turbinas, que vimos at agora, tinha uma direo axial.

Esta a soluo adotada na grande maioria das turbinas. Existe, entretanto, um tipo

de turbina, na qual o vapor admitido no centro da mquina e escoa, radialmente,

atravs de vrias rodas de palhetas, todas elas mveis e de reao, no sentido do ex-

terior da mquina.

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Operao das turbinas

Aps a instalao de turbinas de uso especial, iniciam-se os procedimentos de pre-

operao normalmente supervisionados por um tcnico do fabricante, que orienta o

pessoal de operao e manuteno, a respeito de todos os detalhes de operao emanuteno da mquina.

A pr-operao de uma turbina a vapor consta, em linhas gerais, das seguintes etapas:

a) Preparao dos diversos sistemas auxiliares:

Limpeza, circulao e teste do sistema de lubrificao.

Limpeza, circulao e teste do sistema de condensado.

Limpeza das linhas de vapor, com sopragem para remoo de restos de mate-

rial de solda e sujeira que possam causar danos s rodas devido ao desbalan-ceamento;

Calibrao e teste dos diversos instrumentos.

b) Teste de desempenho mecnico desacoplada:

Aumento lento de velocidade.

Observao de vibraes e ruidos anormais.

Observao da temperatura dos diversos mancais.

Observao das presses e temperaturas de vapor nos diversos manmetros e

termmetros. Leitura de diversos instrumentos.

Teste de trip, que consiste em confirmar o valor da rotao em que o sistema

de trip atua, de acordo com os dados de projeto da mquina.

c) Teste de desempenho mecnico acoplada:

Acoplamento da turbina ao equipamento acionado.

Aumento lento da velocidade do conjunto, em patamares definidos no procedi-

mento de partida at atingir a velocidade de operao, com o equipamento

acoplado e sem carga.

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d) Teste de desempenho:

Aplicao gradual da carga.

Embora turbinas a vapor sejam mquinas de construo robusta, existem folgas pe-

quenas entre partes estacionrias e partes rotativas, que devem ser mantidas, apesar

da grande variao de temperatura que sofrem, durante o procedimento de partida.

importante que os operadores leiam e sigam estas instrues.

Partida

Os detalhes do procedimento de partida de uma turbina variam de acordo com o tipoe tamanho da mquina. Como uma orientao de ordem geral, apresentado a seguir

um procedimento de partida para uma turbina multi-estgio, condensante, com extra-

o automtica, bomba de leo principal acionada pelo eixo da turbina, usada para

acionamento de gerador eltrico.

1. Parta a bomba auxiliar de leo e verifique a presso no sistema.

2. Verifique o nvel de leo no reservatrio.

3. Abra todos os drenos da carcaa.

4. Abra os drenos da selagem.5. Drene todo o condensado da linha de alimentao de vapor.

6. Estabelea a circulao de gua de resfriamento do condensador.

7. Faa nvel no condensador e parta a bomba de extrao de condensado.

8. Regule a presso nas cmaras de selagem, de alta e de baixa presso, para as

condies de partida.

9. Com o auxlio do ejetor, coloque em operao o sistema de vcuo do condensador.

10. Feche os drenos dos estgios que trabalham sob vcuo.

11. Aps o estabelecimento do vcuo parcial de partida, admita rapidamente vapor, em

quantidade suficiente para girar o conjunto rotativo e, em seguida, corte a admisso

de vapor.

12. Em turbinas que possuem o girador, (giro lento), faa seu teste de funcionamento

antes de coloc-lo em operao

13. Observe com ateno a ocorrncia de rudos, que indiquem possveis interfern-

cias entre o conjunto rotativo e as partes estacionrias.

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14. No havendo sinais de arrastamento, admita vapor suficiente para estabelecer uma

velocidade de cerca de 200 rpm. Mantenha essa velocidade por cerca de meia

hora, para aquecimento da carcaa e do conjunto rotativo.

15. Acione o dispositivo de trip manual, para test-lo.

16. Restabelea a admisso de vapor e aumente gradualmente a velocidade da turbi-

na, at atingir a velocidade de operao em cerca de 15 minutos, ou conforme pro-

cedimento especfico do equipamento.

17. Ajuste a presso nas selagens de alta e baixa presso para as condies de ope-

rao.

18. Quando no houver mais sada de condensado, feche os drenos da carcaa.

19. Abra a circulao de gua para o resfriador de leo, procurando manter uma tem-

peratura de 100o

F (45o

C) na sada do leo, aps o resfriador.20. Observe se o governador assumiu o controle da turbina, quando se atingiu a velo-

cidade mnima de sua faixa de atuao.

21. Coloque o gerador em linha e aplique uma carga de 20%.

22. Coloque em operao o sistema de extrao.

Parada

O procedimento de parada, para a mesma mquina do item anterior, consta, em li-

nhas gerais, das seguintes etapas:

1. Reduza gradualmente a carga do gerador at zero e retire-o rapidamente de linha.

2. Retire de operao o sistema de extrao.

3. Corte a admisso de vapor para a turbina, pelo acionamento manual do sistema de

trip.

4. Corte a admisso de vapor para os ejetores do condensador.

5. Verifique se a bomba auxiliar de leo partiu e mantm a presso correta no sistema

de leo.

6. Pare a bomba de extrao de condensado.

7. Corte a admisso de vapor para a selagem, mantendo a turbina no giro lento para

resfriamento em baixa rotao.

8. Abra todos os drenos atmosfricos.

9. Feche a gua de resfriamento para os resfriadores de leo.

10. Corte a circulao de gua de resfriamento para o condensador.

11. Conserve a bomba auxiliar de leo operando at que a turbina esteja fria.

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Sistemas de controle

O sistema de controle de uma turbina atua no fluxo de vapor atravs da mquina, para

manter o valor desejado de alguma varivel. Esta varivel normalmente a velocida-

de da turbina, que deve ser mantida constante, qualquer que seja a carga da turbina,

desde que esta no exceda sua capacidade mxima.

Em algumas situaes particulares como, por exemplo, em turbinas com extrao au-

tomtica pode haver um controle, em paralelo, sobre outra varivel alm da velocidade

da turbina. Controla-se, tambm, a presso do vapor extrado.

Qualquer que seja, entretanto, o sistema de controle empregado em uma turbina, ha-ver sempre um outro sistema, de segurana, independente do sistema de controle,

que impedir a velocidade de ultrapassar o limite de segurana, compatvel com a re-

sistncia mecnica de seu conjunto rotativo.

Esse sistema de segurana indispensvel, porque medida que a velocidade da

turbina cresce, crescem proporcionalmente ao seu quadrado as tenses sobre o con-

junto rotativo, resultantes da fora centrfuga decorrente da rotao da turbina.

Controle de velocidade

Estudaremos inicialmente a situao de uma turbina de fluxo direto, com controle

apenas de velocidade, que, embora mais simples, encontrado na maioria das turbi-

nas.

A vazo de vapor atravs da turbina proporcional abertura da vlvula de controle

de admisso. Desde que no seja excedida sua capacidade mxima, a potncia des-

envolvida pela turbina em cada instante ser determinada pelas necessidades da

carga acionada.

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Esse controle da abertura da vlvula de admisso, em funo da potncia exigida

pela carga acionada feito automaticamente por um dispositivo conhecido como go-

vernador.

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Para as turbinas de uso geral, mquinas de pequeno porte que acionam as bombascentrfugas de processo, no h necessidade de grande preciso nas caractersticas

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de controle do governador. Alm disso, o que se necessita de um governador sim-

ples e de baixo custo. A faixa de ajuste de velocidade necessria pequena, porque o

controle da descarga da bomba no feito atravs da velocidade da turbina.

Controle de extrao

O vapor a uma presso constante, para uso no processo, pode ser obtido em uma tur-

bina a vapor por meio de uma retirada parcial do vapor em evoluo na turbina, em um

estgio intermedirio, e, portanto em um nvel de presso intermedirio entre a pres-

so de admisso e a presso de descarga da turbina. A esta retirada, quando feita

com controle de presso, chamamos de extrao automtica.

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Em uma turbina com extrao automtica, o sistema de controle deve ser capaz de

controlar simultaneamente a presso do vapor extrado e a velocidade da turbina.

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Controle de presso de descarga

Em turbinas superpostas necessrio manter constante sua presso na descarga.

Para isso, a abertura das vlvulas de admisso controlada, no por um governador,

em funo da velocidade da turbina, mas por um regulador de presso de descarga,

em funo da presso de vapor na descarga da turbina.

A vazo de vapor atravs da turbina ser, ento, varivel para que a presso na sua

descarga se mantenha constante, qualquer que seja o consumo de vapor no coletor de

vapor para o qual descarrega.

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Sistema de lubrificao

O sistema de lubrificao de uma turbina a vapor tem duas finalidades bsicas: reduzir

o atrito nos mancais, permitindo que o conjunto rotativo gire o mais livremente poss-

vel, e refrigerar os mancais, impedindo que se superaqueam.

O aquecimento de mancal ocorre, em uma turbina a vapor, no s pelo prprio calor

gerado pelo atrito no mancal, mas tambm pelo calor conduzido do interior da turbina,

atravs do eixo.

Em turbinas de uso geral, normalmente mquinas de pequena potncia, a lubrifica-

o feita usualmente por meio de um reservatrio de leo, de pequena capacidade,

situado no prprio mancal.

Nas turbinas de uso especial, usa-se sempre lubrificao forada. Nela, o leo, tanto

para lubrificao dos mancais do compressor como para os sistemas de controle e de

segurana da turbina, suprido pelo mesmo sistema.

Os principais componentes do sistema de lubrificao so: bombas de leo, filtros,

resfriadores e acumuladores.

Bombas de leo/filtros

Existem sempre duas bombas de leo:

a principal, que opera normalmente,

a reserva, que entra em operao automaticamente em caso de falha da principal.

A bomba reserva normalmente idntica principal e, por segurana operacional,

uma delas acionada a motor eltrico, enquanto a outra acionada pela turbina a va-

por.

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Tambm para os filtros e resfriadores existe um sistema principal e um sistema reserva

para garantir sua confiabilidade operacional. Os tambores acumuladores servem para

garantir alimentao ao sistema em casos de falha da bomba de leo de lubrificao.

Ejetores

Os ejetores tm como funo retirar o ar e outros gases no condensveis que che-

gam ao condensador durante a operao da turbina, para que no se acumulem no

condensador, prejudicando o vcuo. Os ejetores primrios succionam do topo do con-

densador da turbina uma mistura de vapor dgua, ar e gases no condensveis. Essa

mistura descarregada no condensador do ejetor primrio. Esse processo pode ser

repetido em vrios estgios, de modo a eliminar o ar e os gases do condensado.

A funo dos ejetores, durante a operao normal de turbina, no estabelecer o v-

cuo no condensador, mas somente retirar dele os gases no condensveis.

Antes da partida da turbina, no h condensao do vapor, por isso no se consegue

estabelecer um bom vcuo no condensador. Consegue-se estabelecer apenas um v-

cuo parcial por meio dos prprios ejetores de operao normal, ou mesmo por um

ejetor de partida de maior capacidade, que descarrega diretamente para a atmosfera.

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Aspectos de segurana

O sistema de segurana de uma turbina a vapor deve ser projetado de maneira a pro-

teger:

a prpria turbina;

o equipamento acionado;

a unidade onde o conjunto turbina-equipamento acionado opera.

Entre os dispositivos de proteo, usados no sistema de segurana de turbinas a va-

por, alguns funcionam apenas como alarme, isto , fornecem ao operador apenas uma

indicao, sonora ou visual, de que est ocorrendo determinada situao insegura,deixando a cargo do operador as providncias corretivas necessrias.

Quando determinada condio considerada insegura atingida, outros dispositivos

atuam sobre a vlvula de bloqueio automtico (vlvula de trip), fazendo com que esta

corte totalmente a admisso de vapor para a turbina e parando, em conseqncia, a

mquina.

Outros ainda, atuam em um primeiro nvel como alarme, e, no agravamento da situa-o insegura, em um segundo nvel, como corte da admisso de vapor.

Proteo da turbina

comum encontrarmos, nos sistemas de segurana de turbinas a vapor, dispositivos

de proteo contra situaes inseguras para a prpria turbina. Eles so:

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1. Dispositivo de desarme por sobrevelocidade: toda a turbina possui um para

garantir que a velocidade da turbina jamais ultrapasse avelocidade mxima per-

missvel para o conjunto rotativo.

2. Desarme manual: o operador, quando deseja, por qualquer razo, parar uma tur-

bina a vapor, atua sempre sobre um dispositivo de desarme manual, que permitir

o fechamento da vlvula de bloqueio automtico, cortando a alimentao de vapor

para a turbina. Turbinas de uso geral possuem normalmente apenas uma alavanca

de desarme manual local, mais conhecida como alavanca de trip, que, atuada pelo

operador, libera o fechamento da vlvula de bloqueio automtico.

J em turbinas de uso especial, o fechamento da vlvula de bloqueio automtico

comandado pela despressurizao do circuito hidrulico ou pneumtico, que a

mantm aberta.

3. Dispositivos de proteo contra lubrificao deficiente: toda a turbina que pos-sua sistema de lubrificao forada deve ter, em seu sistema de segurana, prote-

o contra eventuais falhas ou funcionamento defeituoso do sistema, presso do

leo, problemas nas bombas, temperatura excessiva no leo, mau funcionamento

das vlvulas de controle, etc.

4. Sensores de vibraes: uma maneira bastante razovel de avaliar o estado me-

cnico de um equipamento em funcionamento acompanhar a evoluo de seu n-

vel de vibraes. Um equipamento rotativo de alta velocidade, como uma turbina a

vapor, apresenta, com bastante freqncia, um aumento de seu nvel de vibraes,antes da ocorrncia de uma falha mecnica qualquer. Mais ainda, medida que o

desgaste operacional da mquina aumenta, aumenta tambm seu nvel de vibra-

es. Por essa razo, em turbinas de uso especial, comum encontrarmos senso-

res de vibraes colocados sobre os mancais da mquina. Estes sensores podem

atuar como instrumentos indicadores, ou simplesmente como alarme, acendendo

um sinal luminoso quando a vibrao superar um limite predeterminado.

5. Sinal luminoso:o fluxo de vapor exausto no pode ser inferior a um valor mnimo,

conhecido como mnimo fluxo exausto, para que no haja superaquecimento dos

estgios finais da turbina. Se o fluxo exausto cair abaixo deste valor mnimo nor-

malmente acionado um sinal luminoso de alarme no painel de controle.

Os dispositivos de proteo utilizados dependem do tipo de equipamento acionado

pela turbina. Em um compressor centrfugo de processo, por exemplo, comum en-

contrarmos dispositivos de proteo contra:

baixa vazo (para evitar a ocorrncia de surge no compressor);

nvel de vibrao elevado;

baixa presso de leo para os mancais;

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desgaste do mancal de escora;

nvel alto no vaso de suco;

temperatura elevada na descarga.

Todos estes dispositivos atuam inicialmente como alarme e, no agravamento da situa-

o perigosa, como corte, atuando sobre a vlvula solenide, que aciona a alimenta-

o de vapor para a turbina.

Com relao ao nvel de vibrao usado normalmente apenas um alarme.

Desgaste do mancal de escora

As folgas axiais entre o conjunto rotativo e as partes estacionrias de uma turbina a

vapor so mantidas pelo mancal de escora. medida que o mancal de escora se des-gasta, durante a operao da turbina, essas folgas se modificam, inicialmente prejudi-

cando a eficincia da turbina, e, em um estgio posterior, podendo causar dano m-

quina por interferncia entre partes rotativas e estacionrias.

Aumento da presso de descarga

Em turbinas de condensao, o aumento da presso de descarga normalmente de-

corrente de problemas no condensador, que prejudicam a manuteno do vcuo, como

por exemplo, temperatura elevada da gua de resfriamento, obstruo dos tubos, en-trada de ar, mau funcionamento dos ejetores, etc.

Em turbinas de contrapresso o aumento da presso de descarga pode ser decorrente

da presso excessiva no header (ou coletor) para o qual a turbina descarrega ou de

uma obstruo em sua linha de descarga.

Proteo de situaes relacionadas com o processo

O sistema de segurana de uma turbina a vapor pode incluir tambm dispositivos de

proteo contra situaes perigosas para o processo, da qual o conjunto turbina-

equipamento acionado parte integrante.

Em turbinas de uso geral, encontramos normalmente os seguintes dispositivos de

proteo:

desarme por sobrevelocidade;

desarme manual local;

vlvula sentinela (menor que a vlvula de segurana);

vlvula de segurana na linha de descarga.

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Em turbinas de uso especial, comum encontrarmos os seguintes dispositivos de

proteo:

desarme por sobrevelocidade;

vlvula de segurana no condensador ou na linha de descarga;

desarme manual local;

desarme manual remoto;

alarme e corte por baixa presso de leo para os mancais da turbina ou do equi-

pamento acionado;

alarme por nvel de vibrao elevado na turbina ou no equipamento acionado;

alarme e corte por desgaste do mancal de escora da turbina ou do equipamento

acionado, que pode provocar vibrao excessiva;

alarme e corte por contrapresso elevada na descarga da turbina;

outros dispositivos de proteo do equipamento acionado; dispositivos de proteo do processo.

Superviso das condies operacionais

A superviso das condies operacionais de uma turbina a vapor feita por meio de

uma srie de instrumentos. Alguns destes instrumentos so simplesmente indicadores,

outros so registradores e outros ainda so componentes do sistema de controle ousegurana.

Em uma turbina de uso geral, a instrumentao bastante simples, consistindo apenas

de um tacmetro de vibrao e de manmetros e termmetros de vapor, alm do con-

trole de velocidade pelo governador.

J em turbinas de uso especial, a instrumentao bem mais sofisticada. Alguns dos

instrumentos mais encontrados neste tipo de turbina so:

indicador de empeno do eixo;

sensores de vibrao;

indicador de dilatao da carcaa;

indicador de posio axial do conjunto rotativo em relao carcaa;

termmetros e manmetros;

tacmetro de vibrao ou eletrnico;

controle de velocidade pelo governador.

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Turning-gear (giro lento/girador)

Toda turbina a vapor deve ser previamente aquecida, antes de ser colocada em opera-

o. Este aquecimento deve ser feito com a turbina girando a baixa rotao, para que

se evitem possveis empenos do seu eixo e as conseqncias de expanses

e dilataes diferenciais. Em turbinas de grande porte, o resfriamento tambm deve

ser feito com o conjunto rotativo girando em baixa rotao.

Isolamento trmico

Para minimizar as perdas de calor para o exterior, as turbinas a vapor tm sua carcaa,

bem como as linhas de vapor, isoladas termicamente, com material adequado.

Precaues operacionais

As seguintes preocupaes devem ser observadas com relao operao de turbi-

nas a vapor:

Evite mudanas sbitas das condies operacionais da turbina, que possam causar

dilataes diferenciais, que so perigosas para a mquina devido s suas peque-

nas folgas internas.

Evite passar vapor atravs da turbina com o conjunto rotativo parado, pois isto

pode conduzir a uma dilatao desigual e consequentemente empeno do conjuntorotativo.

Evite operar uma turbina condensante com baixo vcuo na descarga, por perodo

prolongado, causando superaquecimento dos estgios finais.

Verifique sempre o funcionamento do sistema de trip durante o procedimento de

partida.

Durante a operao da turbina, verifique, em intervalos regulares, a operao da

bomba de leo reserva, e o estado dos filtros de leo.

Drene completamente a carcaa e a linha de admisso de vapor, antes de admitir

vapor para a turbina.

Verifique periodicamente a existncia de contaminao no sistema de leo.

Repare imediatamente qualquer vazamento no sistema de leo.

Faa anotaes peridicas das presses e temperaturas de leo e vapor e das

leituras dos demais instrumentos existentes na turbina.

No deixe a admisso de vapor para a selagem aberta, com o conjunto rotativo

parado, pois isto poder causar um empeno permanente do eixo.

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Utilizar o turning gear (giro lento) durante o perodo de aquecimento anterior parti-

da, ou durante o resfriamento aps a parada, para evitar contraes/expanses no

conjunto rotativo.

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Referncias bibliogrficas

FOUST e outros. Princpios das operaes unitrias. Traduo: Horcio Macedo.

Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 2a ed., 1982.

PETROBRS. Turbinas a vapor. Por Jorge Godoy. DIVEN, 1976.

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