Proteção da maior turbina a gás do mundo

Neste artigo descreve-se a proteção da maior turbina a gás do mundo.

Este artigo pertence a uma série, que constitui o material de suporte do curso de análise de vibrações em turbomáquinas. As ligações para os outros artigos podem ser encontradas aqui.

Proteção da maior turbina a gás do mundo – Introdução

A verdade é que as máquinas de grandes dimensões não são necessariamente monitorizadas de forma diferente ou com equipamento diferente.

• Podem ter mais pontos de medição.
• Podem ter uma lógica de votação mais complexa.
• E podem qualificar-se para o mais extenso complemento de medições de proteção e monitorização de condição porque há muito em jogo em termos de perda de produção quando falham.

Mas é basicamente uma questão de mais – não de diferente. As consequências de um alarme falhado ou falso alarme é o que distingue estas máquinas. Grande significa caro e com grandes consequências.

Aqui fala-se sobre a turbina a gás – a máquina mais utilizada no mundo para viagens aéreas e que apresenta as mais altas eficiências térmicas (> 60%), para a produção de energia, quando em operação de ciclo combinado com uma turbina a vapor.

Um início humilde

Embora a primeira verdadeira turbina a gás tenha sido patenteada em 1791 por John Barber de Nottinghamshire, Inglaterra, passariam mais de 100 anos até que fosse demonstrada uma turbina a gás capaz de produzir mais energia do que a consumida, e quase 150 anos antes que uma fosse posta em funcionamento a produzir energia. Embora Barber tenha patenteado a sua invenção, não há registo de que tenha realmente construído o dispositivo que esboçou na sua patente (Figura 1).

Proteção damaior turbina a gás do mundo – Figura 1. Esboço da invenção de Barber da sua patente de 1791.

De facto, se o tivesse construído, teria rapidamente descoberto que o projeto sofria de uma falha fatal: termodinamicamente, não havia forma de gerar mais energia do que a consumida nos seus compressores, pelo que era um consumidor líquido de energia em vez de um produtor. Independentemente disso, as ideias fundamentais de comprimir, queimar e depois expandir um gás inflamável através das pás da turbina acabariam por ser postas em prática por uma geração posterior de técnicos.

Um desses técnicos foi Aurel Stodola, que esteve fortemente envolvido na primeira turbina a gás do mundo, utilizada para a produção de energia (Figura 2) – uma máquina de 4MW que entrou em funcionamento em 1939, numa central eléctrica municipal em Neuchâtel, Suíça, e que forneceria energia de reserva fiável (emergência e pico) durante os 63 anos seguintes.

Proteção damaior turbina a gás do mundo – Figura 2. Excerto do artigo de Aurel Stodola sobre a primeira turbina a gás do mundo em serviço de geração de energia.

Esta máquina é tão importante que foi designada como um marco histórico internacional de engenharia pela Sociedade Americana de Engenheiros Mecânicos (ASME).

O artigo é referenciado na edição de 20 de janeiro de 1940 da Nature (uma revista científica britânica) e mostra a máquina no seu banco de ensaios na antiga Brown, Boveri, and Co. em Baden, Suíça, onde foi fabricada.

Progresso constante

A partir dessa máquina histórica, em 1939, a potência e a eficiência cresceriam de forma constante nos 80 anos seguintes e a tecnologia progrediria ao longo de dois caminhos separados, mas que se cruzam: os concebidos para propulsão de aeronaves e os destinados a utilizações industriais. As temperaturas de combustão (Quadro 1) nas máquinas industriais mais avançadas acabariam por se tornar tão elevadas que seriam necessárias ligas exóticas para as palhetas, produzidas a partir de um único cristal e conhecidas como tecnologia SX (cristal único).

Tabela 1 – Classes de turbinas a gás, temperaturas de funcionamento e custos de palhetas

Classe	Data de introdução	Temperaturas	Metalurgia das palhetas	Custo aproximado da primeira fila das palhetas da turbina
E	Início dos anos 70	Até 1200°C	Fundição	0,5 M USD
F	Início dos anos 90	Até 1370°C	Solidificação direcional	1M USD
G	Início dos anos 2000’	Até 1480°C	Cristal único	2M USD
H	≈2010	Até 1600°C	Cristal único	> 2M USD

A tecnologia SX foi utilizada pela primeira vez na década de 1970 pela Pratt & Whitney para os seus motores de avião, como os utilizados nos caças F-15 e F-16 e, mais tarde, no Boeing 767 e no Airbus A310. A sua primeira utilização em turbinas de gás industriais foi no Siemens V84.3 em 1995. Atualmente, a tecnologia é utilizada regularmente nas máquinas das classes G, H e J de todos os fabricantes. O rendimento desta classe de máquinas em funcionamento em ciclo simples é superior a 40%; em funcionamento em ciclo combinado, ultrapassa os 60%.

Dimensão

O rácio potência/peso é de grande importância para os motores de aeronaves, mas de menor preocupação nas turbinas industriais. Independentemente disso, à medida que a potência de saída das turbinas a gás aumentou, a sua dimensão não aumentou proporcionalmente. Os maiores motores de aviação atuais produzem 100 vezes mais força de propulsão do que os primeiros motores, mas pesam apenas 25 vezes mais – uma melhoria de 400% na relação peso-potência.

“…o gigante da Siemens tem uma área de implantação aproximadamente igual à da máquina de Neuchâtel, mas produz 150 vezes mais potência.”

Na vertente industrial, já falámos da unidade de 4MW de 1939. Apresentava um rendimento de ciclo simples de 17,4%, uma temperatura de entrada da turbina de 550 C e funcionava a 3000 rpm. 80 anos mais tarde, surgiu a Siemens SGT5-9000HL (Figura 3).

Proteção damaior turbina a gás do mundo – Figura 3. A SGT5-9000HL tem capacidade para produzir até 593 MWe em ciclo simples, o que a torna a maior potência nominal de qualquer turbina a gás. Ela pode produzir 880 MWe em operação de ciclo combinado 1:1.

Também ela funciona a 3000 rpm, mas é aí que as semelhanças terminam. Tem uma potência nominal de até 593 MWe nas condições ISO, o que a torna oficialmente a turbina a gás mais potente do mundo quando se escreve este artigo.

Apresenta uma eficiência de ciclo simples superior a 43%. Quando colocada em operação de ciclo combinado 1:1, a eficiência salta para mais de 64% e a potência de saída para 880MWe. Em termos de dimensão, o gigante da Siemens tem uma área de implantação aproximadamente igual à da máquina de Neuchâtel, mas produz 150 vezes mais energia. No banco de ensaio, foram utilizados mais de 6000 sensores monitorizados em simultâneo para levar as máquinas 9000HL do gabinete de projeto para o mercado. A máquina foi submetida à primeira ignição em abril de 2020, para a variante de 60 Hz, e a primeira instalação da versão maior de 50 Hz, na central de ciclo combinado Keadby do Reino Unido, foi submetida à primeira ignição, em outubro de 2021, e foi entregue pela Siemens à Keadby em meados de 2022.

A mala de troféus

A Siemens não é alheia ao título de “a mais potente do mundo” no que respeita às turbinas a gás. Atualmente, o título é detido pela variante de 60 Hz, a SGT6-9000HL. E antes disso, a SGT5-8000H, lançada em 2008, conseguiu deter três recordes mundiais. O título tem andado para trás e para a frente ao longo dos anos e os diferentes fabricantes e a saudável concorrência entre eles continuam a aumentar as potências e eficiências cada vez mais. Atualmente, no entanto, o SGT5-9000HL está pronto para assumir o primeiro lugar na central elétrica de Keadby, onde estará a funcionar em ciclo combinado e terá uma capacidade de 880 MWe.

O que a Meggitt monitoriza

A Meggitt tem uma longa relação de trabalho com a Siemens e é o fornecedor padrão e preferencial de sistemas e sensores de monitorização de vibrações, juntamente com instrumentação de instabilidade de combustão nas suas turbinas de gás industriais em serviço de produção de energia. A família SGT-8000H é monitorizada pelos seus produtos e, agora, a SGT-9000HL.

Proteção da maior turbina a gás do mundo – Figura 5 – O monitor VM600

À medida que as turbinas a gás aumentam de tamanho, a construção básica permanece a mesma. A turbina propriamente dita tem apenas duas chumaceiras radiais e uma axial – tal como as turbinas a gás mais pequenas. O gerador tem duas chumaceiras radiais – tal como os geradores mais pequenos. O número de câmaras de combustão (tecnologia can-annular) varia consoante o tamanho do motor e a variante de 50 Hz ou 60 Hz. Quando colocadas em configurações de ciclo combinado, as turbinas a vapor também não são muito diferentes em termos de instrumentação. O que muda, evidentemente, é a quantidade de energia produzida pela turbina a gás e por qualquer turbina a vapor associada, se utilizar os gases de escape para produzir vapor. Um falso disparo ou um disparo falhado significa que estão em causa enormes quantidades de energia, talvez superiores a 800MWe.

A Meggitt está muito orgulhosa pelo facto de a Siemens ter confiado nas suas soluções durante muitos anos em toda a sua gama de turbinas a gás e a vapor, e essa confiança continua até à sua maior oferta: a família SGT-9000HL.

Proteção da maior turbina a gás do mundo – Resumo

Após 70 anos, a Meggittaprendeu as muitas nuances da proteção de máquinas e da monitorização do seu estado. E embora monitorize milhares de máquinas em todo o mundo, abrangendo coletivamente TW de potência, ainda há um significado especial em ser encarregue da turbina a gás mais potente do mundo.

Aqui pode ver um artigo sobre a proteção do maior grupo gerador a vapor do mundo.