Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL Reunião Turbodiag - CTJL | Abril 2011
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL
Autor/apresentador
Área
Título do trabalho
Centro de Pesquisas de Energia Elétrica - CEPEL
Bruno Reis Cardoso - Carlos Frederico Trotta Matt
DTE - DLE
Atividades realizadas Atividades realizadas durante o ano de 2010 no durante o ano de 2010 no
projeto TURBODIAGprojeto TURBODIAG
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Histórico de atividades em 2010
Estimativas de dano iniciais
Ações Futuras
Sumário
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Histórico de atividades em 2010
Fim de 2009 Emissão relatório DTE 42544/09
Descrição das metodologias aplicadas no projeto TURBODIAG
2010 Visitas periódicas ao CTJL Avaliar o comportamento do Sistema SOMA Realizar back ups do banco de dados
Sistema SOMA similar ao do CTJL no CEPEL Análises
Estimativas iniciais de dano nos componentes Dados de entrada
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Fonte: Kiyoshi Saito, Akira Sakuma and Masataka Fukuda, “Recent life assessment technology for existing steam turbines”, JSME International Journal, Series B, Vol. 49, No. 2, 2006, pp. 192-197
Componentes Localização Tipo de dano Ação Tipo de
inspeção Limite de aplicação
Base das palhetas
Fadiga de baixo ciclo
Desbaste superficial
END Quando o desbaste da superfície não é mais viável e/ou o material tem deterioração severa.
Furo central Fluência Fadiga de baixo ciclo
Desbaste do furo Troca
END
Quando o desbaste do furo não é mais viável e/ou qualquer anormalidade aparece em inspeções mais detalhadas.
Rotor intermediário de alta pressão
Rabo de andorinha
Fluência Fadiga de alto ciclo
Desbaste superficial
END
Quando a iniciação da trinca é confirmada e/ou qualquer anormalidade aparece em inspeções mais detalhadas.
Superfície interna
Fadiga de baixo ciclo
Desbaste superficial
END Quando o desbaste da superfície não é mais viável e/ou o material tem deterioração severa. Carcaça interna
Rosca fêmea Fluência de alta temperatura
Desbaste da rosca
END Quando o desbaste da superfície não é mais viável.
Superfície interna
Fluência Fadiga de baixo ciclo
Desbaste superficial
END Quando o desbaste da superfície não é mais viável e/ou o material tem deterioração severa.
Carcaça externa do rotor intermediário de alta pressão Superfície
externa Fluência
Desbaste superficial
END Quando o desbaste da superfície não é mais viável e/ou o material tem deterioração severa.
Corpo Fluência Fadiga de baixo ciclo
Desbaste superficial
END Quando o desbaste da superfície não é mais viável e/ou o material tem deterioração severa. Válvulas principais
Rosca fêmea Fluência Desbaste da rosca
END Quando o desbaste da superfície não é mais viável.
Palhetas do rotor intermediário de alta pressão
Rabo de andorinha, tenon, shroud cover
Fluência Fadiga de alto ciclo Troca
END e inspeção visual
Quando a iniciação da trinca é confirmada e/ou qualquer anormalidade aparece em inspeções mais detalhadas.
Bocal do diafragma do rotor intermediário de alta pressão
Diafragma Deformação por fluência
Desbaste superficial
Inspeção visual
Quando o desbaste da superfície não é mais viável.
Parafusos da carcaça do rotor intermediário de alta pressão
Rosca Fluência Troca END Quando a iniciação da trinca é confirmada.
COMPONENTES COMPONENTES SELECIONADOS E PRINCIPAIS SELECIONADOS E PRINCIPAIS
MECANISMOS DE DANO MECANISMOS DE DANO
Estimativas de dano iniciais
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Vida consumida por fluência Estágio permanente
Método Analítico Trocas térmicas e tensões no rotor
Parâmetros de operação adotados Tempo de operação em regime permanente 102.507h Pressão média do vapor 12,5 MPa; Temperatura média do vapor igual a 538 oC; Temperatura média metal superfície externa carcaça 530 oC temperatura média de metal superfície externa do rotor 520 oC Potência média da turbina igual a 320 MW Velocidade de rotação igual a 3.600 rpm
Dados obtidos da operação e do Sistema SOMA criado no CEPEL
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Parâmetros de geometria adotados
Desenhos do rotor e da carcaça fornecidos ao CEPEL pela TRACTEBEL
d1R 730 mm
d2R 792 mm
d3R 942 mm
d1C 1120 mm
d2C 1200 mm
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
Nu = 3,551 104 hcR = 3,749 103 W/m2 oC
T1R = 455 oC. Logo, ΔTR = T2R – T1R = 520 oC – 455 oC 65 oC
8.0
max6540360
GB
GBcc P
Ph
vapor
RR
dr
2
2Re
vapor
vaporPr
v
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k
dhNu 2
33,08,0
2
2122
602
1038,0
vapor
vapor
R
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vapor
R
r
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R
RRvaporR
R
cRRR d
dTTd
hTT
1
22221 ln)(
2
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
1
1
ln
ln
)1(2
111
23
8
1
1
)(
2
1
2
22
1
2
2
21
2
2
2222
1
2
2
1
2
1
2
2
1
R
R
R
R
R
R
R
R
RRvapor
R
R
RR
R
R
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r
r
r
r
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r
r
r
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r
r
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r
r
r
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1
1
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1ln
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1
21
8
11
1
23
8
1
1
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2
1
2
22
1
2
2
2
2
21
2
2
1222
2
1
2
2
1
2
1
2
2
1
R
R
R
R
R
R
R
R
R
R
RR
vapor
R
R
RR
R
R
vapor
r
r
r
r
r
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r
r
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2
1
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1
)(2
12
22
1
2
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
Superfície interna do rotor σr = 0 MPa; σθ = - 111 MPa; σz = - 103 MPa
Superfície externa do rotor σr = -12,5 MPa; σθ = 107 MPa; σz = - 48 MPa
Tensão equivalente de Von-Mises
Superfície interna 107 MPa
Superfície externa 141 MPa
222 )()()()()()(2
1)( rrrrrrr zzrreq
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Tempo de ruptura por fluência
Larson-Miller Curva Mestre
Fonte: Viswanathan, 1993
RtTPLM log20)(
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Tempo de ruptura por fluência
Manson Haferd Curva Mestre
Fonte: Creep Properties of Heat Resistant Steels and Superalloys, 2003
370
145,17log)(
T
tPMH R
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Tempo de ruptura por fluência
Penny, 1996 Mecânica do dano
Coeficientes A e B obtidos de ajustes experimentais
)(
)(),(
TB
R TATt
A(T)
350
450
550
650
750
850
950
1050
1150
1250
400 450 500 550 600 650 700
Temperatura (ºC)
A
A(T)
B(T)
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
400 450 500 550 600 650 700
Temperatura (ºC)
B
B(T)
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Tempo de ruptura por fluência
Vida Remanescente = Tempo de ruptura – Tempo de operação
Tempo de ruptura por fluência (horas) Método Superfície interna do rotor Superfície externa do rotor
Parâmetro de Larson-Miller 6,142 108 6,545 105 Parâmetro de Manson-Haferd 5,791 107 5,336 105
Mecânica do dano (Penny, 1996) 2,751 1011 1,717 107
Vida remanescente (horas) Método Superfície interna do rotor Superfície externa do rotor
Parâmetro de Larson-Miller 6,141 108 5,52 105 Parâmetro de Manson-Haferd 5,781 107 4,311 105
Mecânica do dano (Penny, 1996) 2,751 1011 1,707 107
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Dano de Fluência acumulado
Danos obtidos serão o ω0 para implementação do sistema
CON
i iiiR
iC
Tt
tD
1 , ),( Dano total acumulado por fluência (%) Método
Superfície interna do rotor Superfície externa do rotor Parâmetro de Larson-Miller 0,017 15,6
Parâmetro de Manson-Haferd 0,17 19,2 Mecânica do dano (Penny, 1996) 0 0,6
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Vida consumida por fadiga térmica Transientes de operação
Método Analítico Variações deformação total (Δεt) para cada ciclo
Parâmetros de operação adotados Horas de operação sincronizada até 31/03/2011 102507 Horas período (operação + desligada) 125757 Horas desligada 23250 Quantidade de Partidas Quentes 210 Quantidade de Partidas Frias 87 Quantidade de paradas 259. Intempestivas 74, 185 restantes
consideradas paradas normais, programadas
Variações de temperatura provenientes do sensor I730TT3012
Dados obtidos da operação e do Sistema SOMA criado no CEPEL
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
Registros de operação ΔT e Δt Obtidos do SOMA
Manobras de operação consideradas Partidas Frias Partidas Quentes Bloqueios
Ciclos de operação simétricos Média ponderada
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
Digitalização das curvas Interpolação
Variação de deformação total nominal Δεtn
Fonte: Viswanathan, 1993
2R2P
r
r
t
c
k
r
R2cr
k
rhBi
)T2(tn
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
Fator concentração de deformação Kt 3
εy 0,002
Fonte: Viswanathan, 1993
tntt .K
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
Conhecido o Δεt Estimativa do número de Ciclos NR
Curvas de Fadiga Isotérmica a 550 oC
Fonte: Holdsworth et al, 2001
1,00E-01
1,00E+00
1,00E+01
1,00E+02 1,00E+03 1,00E+04 1,00E+05
NR (Ciclos)
t
(%
)
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Estimativas de dano iniciais
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
Manobras de operação Diferentes taxas de aquecimento
Média ponderada do dano para cada taxa durante o transiente
Partida Fria obtida do Sistema SOMA no
período de 23/09/2009
0,00
100,00
200,00
300,00
400,00
500,00
600,00
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000
Tempo (s)
Tem
per
atu
ra (
oC
)
I730TT3012
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Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Dano de Fadiga Térmica acumulado
Danos obtidos serão o ω0 para implementação do sistema
Dano total por fadiga térmica (%) Transiente de Operação Número de Cilcos Para 1 Ciclo Acumulado Total
Partida Fria 87 0,02 1,94 Partida Quente 210 0,01 2,24
Bloqueio 74 0,04 3,33 7,51
Estimativas de dano iniciais
CCN
i iR
iF N
nD
1 ,
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Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Dano total acumulado por Fluência e Fadiga Térmica
Danos obtidos serão o ω0 para implementação do sistema
Dano de Fluência (%) Dano de Fadiga (%) Dano Total (%) Fração de Vida (%)
15,6 1 7,51 23,11 76,89 19,2 2 7,51 26,71 73,29 0,6 3 7,51 8.11 91,89
Estimativas de dano iniciais
CCCO N
1i i,R
iN
1i iii,R
iFCT N
n
),T(t
tDDD
1 Parâmetro de Larson-Miller; 2 Parâmetro de Manson-Haferd; 3 Mecânica do dano (Penny, 1996)
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Estimativas de dano iniciais
Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão
Vida consumida por fluência Estágio permanente
Método Analítico Tensões na tubulação
Parâmetros de operação adotados Tempo de operação em regime permanente 102.507h Pressão média do vapor 14,5 MPa; Temperatura média do vapor igual a 538 oC
Dados obtidos da operação e do Sistema SOMA criado no CEPEL
Pressão Média entre I731PT3015 e I732PT3001
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Estimativas de dano iniciais
Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão
Memória de calculo Implementada no Sistema SOMA
Tensões na tubulação σθ código ASME
D2 diâmetro externo da tubulação y = 0,7 t espessura da tubulação C = 0 E = 1
σθ 29,5 MPa
)Ct.(E.2
)]Ct.(y.2D.[P 2
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Estimativas de dano iniciais
Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão
Tempo de ruptura por fluência
Penny, 1996 Mecânica do dano
Coeficientes A e B obtidos de ajustes experimentais
)(
)(),(
TB
R TATt
350
450
550
650
750
850
950
1050
1150
1250
400 450 500 550 600 650Temperatura (ºC)
A
A(T)
-20
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
400 450 500 550 600 650
Temperatura (ºC)
B
B(T)
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Componente Tempo de ruptura por fluência (horas)
Vida Remanescente (horas)
Dano Acumulado (%)
Fração de Vida (%)
Tubulação 6,749 1011 6,749 1011 0 100
Estimativas de dano iniciais
Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão Dano de Fluência acumulado
Dano obtido nulo? σθ muito baixo
Simulações computacionais Como estimar a fixação? Strain gages Monkman-Grant Correção no PXI do SOMA
CON
i iiiR
iC
Tt
tD
1 , ),(
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Ações futuras
Rotor da Turbina de Alta Pressão – Roda do 1° Estágio
Dano de Fadiga Térmica acumulado
Implementar curvas CLE Confirmar a curva utilizada
Fonte: IT-OP-UTLC-01-02-003 REVISÃO 1
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Ações futuras
Tubulação da Carcaça Externa de Alta Pressão
Dano obtido nulo? σθ muito baixo
Simulações computacionais Como estimar a fixação?
Strain gages Monkman-Grant Correção no PXI do SOMA
Testar outras formulações para estimar a tensão
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Ações futuras
Válvula de Bloqueio
Geometria mais complexa do escopo do projeto
Strain gages Monkman-Grant Correção no PXI do SOMA
Simulações computacionais Como estimar a fixação?
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Ações futuras
Filtros de Estados dos Componentes
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Equipes de trabalho do CEPEL e Tractebel Energia
Agradecimentos
Obrigado!Obrigado!Bruno Reis Cardoso – Carlos Frederico Trotta MattBruno Reis Cardoso – Carlos Frederico Trotta Matt
[email protected] – – [email protected]
Departamento de Tecnologias Especiais – DTEDepartamento de Tecnologias Especiais – DTE
Departamento de Linhas e Estações – DLE Departamento de Linhas e Estações – DLE
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Introdução
CHESF
CGTEE
Eletrobrás
Eletronorte
Tractebel Energia Laboratório de Campo (UTLC)
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Metodologia
LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICOLEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO
ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMAESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA
CUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMACUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMA
INSTALAÇÃO PILOTOINSTALAÇÃO PILOTO
MODELAGEM NUMÉRICAMODELAGEM NUMÉRICA
ALGORITMOS DE ANÁLISEALGORITMOS DE ANÁLISE
COMPRA DOS SENSORESCOMPRA DOS SENSORES
IMPLEMENTAÇÃOIMPLEMENTAÇÃO
ACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOSACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOS
SOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICASSOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICAS
SIMULAÇÃOSIMULAÇÃO
INSTRUMENTAÇÃOINSTRUMENTAÇÃO
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Modelagem dos Fenômenos Físicos Envolvidos
Complementar o monitoramento Inviável instrumentação de todas as regiões do componente
Estimativas das grandezas mecânicas Dados de operação
Quantificação do mecanismo de dano predominante
Simulação - Modelagem
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FadigaFadiga FluênciaFluência
Simulação - Algoritmos
Modelagem dos Mecanismos de Dano
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Cálculo do Dano Total Acumulado e da Vida Remanescente
Teoria de Acúmulo de Dano Linear D= ΦC+ ΦF
Simulação - Algoritmos
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LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICOLEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO
ESPECIFICAÇÃO DO SISTEMAESPECIFICAÇÃO DO SISTEMA
CUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMACUSTOMIZAÇÃO DO SISTEMA
INSTALAÇÃO PILOTOINSTALAÇÃO PILOTO
MODELAGEM NUMÉRICAMODELAGEM NUMÉRICA
ALGORITMOS DE ANÁLISEALGORITMOS DE ANÁLISE
COMPRA DOS SENSORESCOMPRA DOS SENSORES
IMPLEMENTAÇÃOIMPLEMENTAÇÃO
ACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOSACOMPANHAMENTO E AVALIAÇÃO DE RESULTADOS
SOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICASSOFTWARE PILOTO DE DIAGNÓSTICO DE TURBINAS DE TERMELÉTRICAS
INSTRUMENTAÇÃOINSTRUMENTAÇÃO
Instrumentação
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Arquitetura Proposta – Visão Geral
Instrumentação - Especificação
Condicionador
PLC
SOMA
Unidade 07
proteção
Servidor- Elipse
OPC- grandezas de processo
sinais analógicos- deslocamentos
sinais analógicos - aceleração - temperaturas - deformações
sinais analógicos
sinais processados
DNP3
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Sistema de Monitoração – SOMA Sinais analógicosacelerações - 7 mancais – 1 por plano
7 canais necessários - deslocamentos - 7 mancais – 2 por plano ~ 6 medições extras
20 canais necessários
Sala de Operação
Sinais DigitaisSupervisório da UsinaServidor SOMA
PXIFP
- temperaturas- deformações
switch
Sinais analógicos- temperaturas - 4 termopares- deformações - 8 strain-gauges
12 canais necessários
Sala de Relés
Instrumentação - Customização
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Sistema de Monitoração – SOMA
Field Point
PXI
Servidor SOMA
Instrumentação - Customização
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Sistema de Monitoração – SOMA
Field Point Termopares e strain-gauges
Tensões e deformações Tubulação Carcaça Externa
Vida remanescente Monkman-Grant
Pressão Interna e Temperatura Larson-Miller
Instrumentação - Customização
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Sistema de Monitoração – SOMA
PXI Dados dinâmicos
Vibração Relativa Conjuto Turbo-Gerador
Vibração Absoluta Complementar relativa
Banco de dados Falhas de origem dinâmica
Instrumentação - Customização
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Sistema de Monitoração – SOMA
Servidor do SOMA Internet, coleta e banco de dados
Dados digitalizados do Supervisório
Mais importante do sistema Temperaturas, pressões...
Auxílio aos modelos de dano Vida remanescente
Instrumentação - Customização
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Compra dos Sensores Tractebel Energia
Instrumentação - Sensores
ACELERÔMETROSACELERÔMETROSSTRAIN GAUGESSTRAIN GAUGES
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Instalação do SOMA Carcaça Externa e Válvula de Bloqueio AP
20ª Reunião ABRAGE/2009 2220ª Reunião ABRAGE/2009 22
Instrumentação - Instalação
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Validar Modelos de Dano e Vida Remanescente
Instalação do Hardware de Aquisição e Servidor SOMA
Implementação
Monitoramento e análise de resultados
Software de Diagnóstico de Turbinas TURBODIAGTURBODIAG
Ações Futuras
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