Teste de Estanqueidade do Ar do Estator do Gerador

O Papel do Teste de Vazamento em Geradores Resfriados a Hidrogênio

Em grandes turbogeradores, o teste de estanqueidade ao ar não é uma simples verificação de “a pressão caiu ou não?”. Especialmente em máquinas resfriadas a hidrogênio, este teste é a forma prática de verificar se o gerador retém o gás com segurança. Em geradores de alta potência usados em turbinas a gás, turbinas a vapor e usinas de ciclo combinado, calor significativo é gerado nas regiões do estator e rotor. Esse calor precisa ser removido de forma estável; caso contrário, o isolamento envelhece, as temperaturas dos enrolamentos aumentam e a capacidade de carga diminui.

A preferência pelo hidrogênio não é à toa. Sua condutividade térmica é significativamente maior que a do ar. Em valores aproximados, a condutividade térmica do hidrogênio é de cerca de 0,168 W/(m·K); no ar, esse valor é de aproximadamente 0,026 W/(m·K). Ou seja, o hidrogênio transporta calor muito mais facilmente que o mesmo volume de ar. Além disso, sua densidade é muito baixa. A 0 °C e 1 atm, a densidade do hidrogênio é de cerca de 0,09 kg/m³, enquanto a densidade do ar é de aproximadamente 1,29 kg/m³. Quando o rotor gira, ocorrem perdas por atrito e vento no gás; a baixa densidade oferece vantagem aqui.

Na prática, isso significa: o hidrogênio tanto resfria bem quanto reduz a resistência do gás às partes rotativas. Em máquinas grandes, essa diferença é sentida em eficiência, temperatura e capacidade de carga.

Mas o hidrogênio tem um lado difícil. Quando misturado com ar em certas proporções, pode formar uma mistura inflamável e explosiva. Considera-se arriscado quando o hidrogênio está presente no ar em uma faixa de aproximadamente 4% a 75%. Por isso, antes do enchimento com hidrogênio, o invólucro, conexões, vedações, região do cooler, sistema de óleo de selagem e circuito de gás são testados da forma mais confiável possível. Não se trata apenas da conta de gás. É segurança.

Por que o teste é frequentemente feito com ar?

Após a comissionamento ou manutenção, a primeira verificação geralmente não é feita com hidrogênio. O sistema é pressurizado primeiro com ar ou com um gás inerte adequado, conforme o procedimento. O objetivo é ver se o invólucro e o circuito de gás mantêm a pressão. Se o teste for aceitável, as etapas de purga são aplicadas; o ar é removido, o gás de transição necessário é usado e o sistema é preparado para operação com hidrogênio.

Esta sequência pode variar conforme o fabricante. Documentos de fabricantes como GE, Siemens, Alstom ou Mitsubishi podem definir volume, pressão de teste, tempo de espera, limite de aceitação e etapas de purga de forma diferente. No entanto, a lógica prática não muda: antes de injetar hidrogênio, verifica-se o comportamento de retenção de gás do sistema.

Se o vazamento for alto com hidrogênio, várias coisas pioram ao mesmo tempo. O consumo de gás aumenta. A pureza do hidrogênio pode cair. O sistema de óleo de selagem é mais exigido. Em algumas áreas, há risco de acúmulo de hidrogênio. Se houver entrada de umidade e ar, o desempenho do resfriamento também se deteriora. Então começa a pergunta “por que o gerador está operando quente?”. Às vezes a resposta não está no lado elétrico, mas no lado do gás.

A Lógica do Gás por Trás da Medição

Em testes de estanqueidade, a diferença de pressão parece o dado mais óbvio à primeira vista. Se no início 300 kPa, no final 290 kPa, você diz “caiu 10 kPa”. Mas essa afirmação é incompleta por si só. Porque a pressão do gás varia com a temperatura.

Se o gás esfria, a pressão cai. Se o gás aquece, a pressão sobe. Mesmo sem vazamento no sistema, a mudança de temperatura cria movimento no manômetro. Portanto, no cálculo de vazamento do estator, a pressão não deve ser lida isoladamente, mas sim junto com a temperatura.

A base do cálculo é a seguinte relação:

Aqui, a pressão do estator não é usada sozinha; é avaliada em conjunto com a pressão atmosférica. Porque a pressão do estator lida em campo é geralmente a pressão manométrica. Ou seja, é o valor acima da pressão atmosférica. Para se aproximar da pressão absoluta, adiciona-se a pressão atmosférica:

Em uma usina próxima ao nível do mar, a abordagem de “colocar 100 kPa e pronto” às vezes não causa muitos problemas. Mas em um local de alta altitude ou em um teste de aceitação crítico, esse hábito estraga o cálculo. Se a pressão barométrica for realmente de 88-90 kPa, inserir 100 kPa não é um arredondamento inocente.

No lado da temperatura, a mesma atenção é necessária. Se o invólucro do estator ainda estiver esfriando após a manutenção, um teste feito antes do equilíbrio térmico medirá mais a transição térmica do que o vazamento. No papel, a fórmula funciona corretamente; se os dados forem ruins, o resultado ainda será ruim.

O vazamento pode ocorrer mesmo com a pressão aumentando?

Sim, em alguns exemplos, a pressão final parece mais alta que a inicial, mas como o efeito da temperatura é maior, o cálculo ainda pode indicar perda de gás. O oposto também é possível. A pressão cai um pouco, mas a temperatura também caiu; neste caso, o vazamento real pode ser menor do que a diferença de pressão nua.

Portanto, decidir apenas com base na pressão anotada no formulário de teste é precipitado. Pressão, pressão atmosférica, temperatura e tempo devem ser lidos juntos. A lógica do teste está aqui.

Dados Usados no Cálculo

O volume de gás do estator representa o volume fechado testado. Na calculadora, como informação de ajuda, é indicado que com o rotor presente geralmente se usa 110 m³, e sem o rotor 120 m³. Isso é um bom lembrete prático; mas não é o valor exato. Mesmo em dois geradores da mesma classe de potência, o volume do invólucro, o arranjo do cooler e a geometria interna podem ser diferentes. É necessário usar o volume que consta na folha de teste do fabricante.

O intervalo de tempo também afeta diretamente o resultado. Testes curtos amplificam o erro de medição. Por exemplo, em um teste de 10 minutos, uma diferença de leitura de 1 kPa pode se transformar em um grande valor de vazamento diário. Um teste mais estável de algumas horas geralmente parece mais confiável. Claro, aqui também é necessário que a temperatura do sistema esteja estabilizada.

Para o início e o fim, são obtidos três valores: pressão manométrica do estator, pressão atmosférica e temperatura do estator. Eles devem ser lidos ao mesmo tempo ou em momentos muito próximos. Em campo, às vezes as pressões são anotadas primeiro, e depois as temperaturas são percorridas e coletadas. Se a temperatura da máquina estiver mudando, esse pequeno atraso já se reflete na nota do teste.

É preciso cuidado com a unidade de pressão. Se a pressão absoluta for inserida no campo de pressão do estator, a pressão atmosférica será adicionada uma segunda vez. Esse erro infla o resultado. A pressão do estator esperada pela calculadora é a pressão manométrica; a pressão atmosférica é inserida separadamente.

Para a temperatura, a representatividade também é importante. Em invólucros grandes, a temperatura de um único ponto pode não ser suficiente. Se o procedimento de teste exigir múltiplos pontos de temperatura, deve-se usar a média ou a temperatura representativa definida. A facilidade de “colocar 20 °C” nem sempre é correta.

Fórmula e Cenário de 110 m³

A fórmula principal na calculadora tem a seguinte estrutura:

Nesta fórmula, \(Q\) fornece a taxa de vazamento de gás. \(V_1\) é o volume de gás do estator. \(P_1\) e \(P_2\) são as pressões manométricas do estator no início e no final do teste. \(B_1\) e \(B_2\) são as pressões atmosféricas nos mesmos momentos. \(T_1\) e \(T_2\) são as temperaturas inicial e final. \(h\) é a duração do teste.

Vamos considerar um gerador com volume de 110 m³, assumindo rotor instalado, e um teste de 1 hora. No início, pressão do estator 300 kPa, pressão atmosférica 100 kPa, temperatura do estator 20 °C. No final, pressão do estator 290 kPa, pressão atmosférica ainda 100 kPa e temperatura ainda 20 °C. A primeira verificação é:

Como a temperatura permaneceu a mesma, este exemplo é relativamente fácil. A queda de pressão é interpretada diretamente como perda de gás. Mas em campo real, a maioria dos testes não é tão limpa. A temperatura inicial pode ser 23 °C e a final 27 °C. Ou o invólucro pode esfriar lentamente durante o teste. É por isso que a calculadora inclui a temperatura na fórmula.

No cenário de teste fornecido, o volume do estator é 110 m³, a duração é 7,5 horas, os valores iniciais são P₁ = 502,61 kPa, B₁ = 100,38 kPa, T₁ = 23,75 °C; os valores finais são P₂ = 507,6 kPa, B₂ = 100,3 kPa, T₂ = 26,72 °C. Observe que a pressão final do estator é mais alta. No entanto, como a temperatura também subiu, a interpretação da quantidade de gás não pode ser feita apenas olhando para o aumento de pressão. Este é um bom exemplo de teste; mantém a pessoa longe do automatismo.

Interpretação de Campo do Resultado

Quando a taxa de vazamento de gás é convertida para um valor como m³/dia, fica mais fácil comparar testes realizados em diferentes durações. Não é correto colocar lado a lado um teste de 2 horas e um de 8 horas apenas com a diferença de pressão nua. O equivalente de vazamento diário é útil por isso.

No entanto, não se deve esperar que o resultado decida sozinho. O limite de aceitação é definido no procedimento do fabricante, nas instruções operacionais da usina ou no plano de teste de manutenção. Um valor de vazamento considerado aceitável em um gerador pode ser considerado excessivo em outra máquina. O volume do invólucro, a pressão operacional do hidrogênio, o arranjo do óleo de selagem, a configuração do resfriador e a idade da máquina afetam o resultado.

Se houver alto vazamento na operação com hidrogênio, primeiro o consumo de gás aumenta. O operador percebe isso pela necessidade de hidrogênio de reposição. Mas a questão principal é segurança e pureza. Quando a pureza do hidrogênio cai, o desempenho do resfriamento se deteriora. Se houver umidade, cria-se um ambiente indesejável para o isolamento. Se houver problema no lado do óleo de selagem, o hidrogênio pode se misturar ao sistema de óleo ou podem ocorrer passagens de ar/gás na direção oposta.

Os pontos de vazamento geralmente não são procurados em um único local. Caixas de terminais, conexões do cooler, superfícies de flanges, tampas de inspeção, regiões do óleo de selagem, conexões do secador de gás e linhas de instrumentação são verificados. A experiência mostra: às vezes, o que você pensa ser um grande vazamento sai de um pequeno fitting de instrumento. Outras vezes, todos os pequenos vazamentos se somam e prejudicam o comportamento do sistema.

Detalhes mais negligenciados no teste

• A pressão barométrica é subestimada. Especialmente em usinas de alta altitude, esse hábito distorce o resultado.
• O teste é iniciado antes da temperatura estabilizar. Se o invólucro ainda estiver aquecendo ou esfriando, o cálculo desvia diretamente.
• O volume do estator é inserido como suposição. A diferença entre 110 m³ e 120 m³ é de cerca de 9%; o resultado muda na mesma proporção.
• A pressão absoluta é inserida no lugar da pressão manométrica. Esse erro é silencioso, mas estraga o resultado.
• Os valores inicial e final são lidos com disciplina diferente. A confiabilidade de um teste vem da disciplina de medição antes da fórmula.

Breve Conclusão

O teste de estanqueidade do estator do gerador, especialmente em grandes geradores resfriados a hidrogênio, é uma etapa de controle segura antes do enchimento com hidrogênio. O objetivo do teste não é apenas ver a queda de pressão; é calcular a taxa de vazamento de gás lendo juntos o volume, a duração, a pressão atmosférica e o efeito da temperatura.

O hidrogênio é um bom refrigerante, reduz as perdas ao redor do rotor e oferece vantagens significativas em máquinas grandes. Mas se o controle de vazamento for fraco, essa vantagem rapidamente se transforma em problemas de segurança e operação. Portanto, o resultado do teste deve ser avaliado em conjunto com a qualidade da medição e os limites de aceitação do fabricante. A fórmula ajuda; o dado sólido dá a decisão.