Alinhamento de turbinas: ferramentas e estratégias para desempenho ideal

As turbinas são um componente essencial em muitos setores, como geração de energia e petróleo e gás. Por isso, manter as turbinas operacionais é uma prioridade para as equipes desses setores. O alinhamento regular é uma prática padrão de manutenção preventiva, mas máquinas grandes e complexas, como turbinas a vapor e a gás, podem ser particularmente difíceis de alinhar.

Este guia abordará a importância do alinhamento de turbinas e os desafios que as equipes enfrentam durante o processo. Também discutiremos ferramentas e práticas recomendadas que as equipes podem usar para garantir um alinhamento preciso, mesmo em ambientes difíceis.

O que é uma turbina?

Uma turbina é uma máquina que converte energia de um fluido em movimento (líquido, gás ou ar) em energia mecânica rotacional, frequentemente usada para gerar energia elétrica ou acionar outras máquinas. Por exemplo, turbinas eólicas são usadas para converter energia eólica em eletricidade. Turbinas a vapor fazem o mesmo, convertendo o vapor produzido em uma caldeira (de fontes como combustíveis fósseis, reações nucleares ou calor geotérmico) em energia mecânica rotacional, que pode então ser convertida em eletricidade. Turbinas a gás industriais também são usadas para produzir energia mecânica para acionar geradores, compressores ou bombas.

Para que a energia seja transferida suavemente, seja de uma turbina eólica convertendo em energia elétrica ou de uma turbina a vapor criando energia mecânica, todas as máquinas envolvidas no processo devem estar alinhadas corretamente ao longo do mesmo eixo de rotação.

Por que o alinhamento da turbina é importante

O desalinhamento da turbina resulta em baixa eficiência durante o processo de transferência de potência. O desalinhamento nas turbinas causa aumento do atrito, fazendo com que parte da energia produzida seja perdida na forma de calor (energia térmica) em vez de ser transferida para o meio desejado. As vibrações também podem aumentar, o que é uma forma de desperdício de energia mecânica.

Além do desperdício de energia, o excesso de calor e as vibrações podem danificar as máquinas e os componentes. O desalinhamento resulta em forças distribuídas de forma desigual entre componentes como vedações, rolamentos e outros componentes, reduzindo sua vida útil e aumentando os custos de manutenção.

O desalinhamento é a causa raiz de mais da metade das falhas em equipamentos rotativos e, para equipamentos gigantescos como turbinas, o custo de reparo dessas falhas pode aumentar rapidamente. O aumento da manutenção para substituir componentes defeituosos também leva a tempo de inatividade excessivo e aumento dos custos de mão de obra, impactando a receita e a produção enquanto as equipes trabalham para substituir componentes ou realizar reparos.

Quanto maior a turbina, mais potência ela pode converter. No entanto, tamanhos maiores também representam desafios significativos para o alinhamento da turbina.

Desafios do alinhamento de turbinas

Em um ambiente menor, pode haver apenas dois eixos para alinhar. No entanto, alinhamentos de turbinas maiores e mais complexos exigem o alinhamento de todo o conjunto de máquinas, incluindo turbinas, geradores, compressores e caixas de engrenagens, para atender às tolerâncias geométricas exigidas.

Mas isso é mais fácil de dizer do que de fazer, especialmente na geração de energia e em outras indústrias pesadas que utilizam turbinas enormes. Os principais desafios desse tipo de alinhamento multiacoplamento incluem:

• Restrições de tamanho: Rotores e carcaças de turbinas podem ser extremamente grandes e pesados. Por exemplo, as pás de uma turbina a vapor podem atingir 1.83 metro de comprimento, enquanto as pás de uma turbina eólica podem ultrapassar 150 metros, mais longas do que um campo de futebol. As carcaças podem pesar milhares de toneladas. Esses tamanhos enormes podem dificultar tanto a medição quanto a obtenção do alinhamento.
• Peso: As turbinas a vapor são encapsuladas em uma carcaça, que deve ser removida para realizar o alinhamento correto. No entanto, o peso da carcaça pode prejudicar o alinhamento. Mesmo quando o alinhamento com a tampa superior é realizado perfeitamente, recolocá-la pode deslocar os componentes o suficiente para causar desalinhamento.
• Expansão térmica: O alinhamento de turbinas a vapor pode ser especialmente desafiador, visto que elas podem operar em temperaturas acima de 1,093 °C (2,000 °F). Como os materiais se expandem em taxas diferentes e devido às temperaturas extremamente altas que esses componentes podem atingir, a expansão térmica é um grande desafio para o alinhamento de turbinas a vapor e a gás. Os componentes podem se expandir em vários milímetros a 2,000 °F, exigindo ajustes preditivos durante o alinhamento da turbina.
• Aumento de erros potenciais: Trens de máquinas complexos e com múltiplos acoplamentos geralmente incluem um rotor, uma caixa de engrenagens e um gerador, que devem estar todos alinhados. Cada acoplamento adiciona um potencial ponto de desalinhamento. Grandes distâncias entre os componentes, além dos múltiplos acoplamentos, aumentam a complexidade do processo de alinhamento da turbina.
• Acesso limitado: Ambientes de campo desafiadores frequentemente resultam em acesso limitado e dificuldade na realização de medições de alinhamento. Por exemplo, as máquinas podem não ser totalmente rotacionadas durante o processo de alinhamento devido à restrição de movimento. Turbinas de usinas nucleares estão em zonas de radiação controlada, limitando o acesso de técnicos. Os técnicos também podem ter uma linha de visão obstruída ou ter que trabalhar em áreas apertadas.

Apesar dos desafios, o alinhamento da turbina é possível com as ferramentas certas e práticas de manutenção implementadas.

Melhores práticas de alinhamento de turbinas

O alinhamento adequado das turbinas é fundamental para garantir a transferência eficiente de energia, minimizar o desgaste e prolongar a vida útil dos componentes em sistemas industriais e de geração de energia. Abaixo, apresentamos as melhores práticas para alcançar e manter o alinhamento, mesmo diante de desafios como escala massiva, expansão térmica e conjuntos de máquinas complexos.

1. Alinhar durante o comissionamento

O alinhamento começa na fase de comissionamento, quando um sistema de turbina é instalado ou revisado pela primeira vez. Esse alinhamento inicial define a linha de base para desempenho e longevidade. Por exemplo, o rotor de uma turbina a vapor, que pode pesar até 40 toneladas, deve ser alinhado com uma precisão de 0.02 mm para garantir uma operação suave com geradores ou compressores. Utilize ferramentas de alta precisão, como sistemas de alinhamento a laser, para medir linhas centrais de eixos em grandes distâncias, como os 20 a 30 metros de um conjunto de máquinas típico. O alinhamento adequado no comissionamento reduz as vibrações iniciais e previne o desgaste cumulativo, reduzindo os custos de manutenção ao longo da vida útil da turbina.

2. Compensar o crescimento térmico

Endereçar expansão térmica, use dados de crescimento térmico fornecidos pelo fabricante ou modelos de software para prever taxas de expansão para materiais como aço ou ligas de titânio.

3. Use recursos avançados para alinhamento de trens de máquinas

Sistemas modernos de alinhamento a laser, como os da Pruftechnik, permitem recursos de "movimento em tempo real", permitindo que os técnicos ajustem os componentes em tempo real enquanto monitoram o alinhamento em todos os acoplamentos. As ferramentas de movimento em tempo real fornecem feedback visual, garantindo que os ajustes mantenham todo o conjunto dentro da tolerância. Isso é especialmente vital em ambientes de campo onde o acesso restrito complica os ajustes.

4. Verificações de rotina e dados de alinhamento de tendências

O alinhamento não é uma tarefa única. Verificações regulares são essenciais para manter o desempenho à medida que as turbinas envelhecem ou as condições de operação mudam. Programe inspeções de alinhamento durante a manutenção planejada ou após eventos significativos, como a reinstalação da carcaça. Utilize o monitoramento de vibração e sensores de alinhamento para monitorar as tendências dos dados ao longo do tempo, identificando desalinhamentos graduais antes que causem danos. Armazene os dados de alinhamento em um software de manutenção para monitorar tendências, como aumento da vibração ou desgaste dos rolamentos, e prever quando o realinhamento será necessário.

Como os sistemas de alinhamento a laser simplificam o alinhamento de turbinas

O alinhamento de turbinas usando métodos tradicionais, como relógios comparadores, é extremamente desafiador devido ao tamanho e à complexidade das máquinas. No entanto, sistemas de alinhamento a laser único, como RotAlinhamento, Alinhamento opcional e Alinhamento do eixo são construídos para se adaptar ao ambiente desafiador do alinhamento do eixo da turbina e têm vários recursos que tornam o alinhamento perfeito possível.

O tamanho das turbinas impede que elas girem livremente durante o processo de alinhamento sem a ajuda de guindastes, guinchos de corrente ou macacos hidráulicos. Recursos como o modo de medição IntelliPoint registram o alinhamento em vários pontos de parada, eliminando erros causados ​​por rotação irregular ou assentamento do eixo.

O LiveTrend é outro recurso da Pruftechnik que mede e registra as mudanças posicionais em tempo real causadas pelo crescimento térmico durante a operação, medindo o deslocamento paralelo e angular. As equipes podem então usar essas informações durante os alinhamentos a frio para posicionar os eixos da turbina de forma que estejam alinhados quando atingirem a temperatura operacional máxima.

Até mesmo o alinhamento de trens de máquinas complexos e com múltiplos acoplamentos é mais fácil com ferramentas a laser. RotAlign Touch O sistema permite alinhar um conjunto de máquinas com até 14 máquinas. No modo de acoplamento múltiplo, uma única volta do eixo permite a leitura de todos os acoplamentos do conjunto, sem a necessidade de mover os sensores de um acoplamento para outro. O sistema então fornece resultados que mostram o quanto cada máquina do conjunto precisa se mover para atingir o alinhamento, proporcionando fluxos de trabalho prontos para uso em campo, simplificando até mesmo os alinhamentos de máquinas mais complexos.

Todos os sistemas de alinhamento a laser da Pruftechnik podem carregar documentação digital diretamente na nuvem para fácil acesso, geração de relatórios e rastreabilidade a longo prazo. Isso garante que cada alinhamento seja registrado, revisado e armazenado, ajudando as equipes a demonstrar conformidade e agilizar a manutenção futura.

Os sistemas de alinhamento a laser podem cortar alinhamento de turbinas a vapor tempo pela metade. Com Sistemas de alinhamento a laser da Pruftechnik, o alinhamento da turbina se torna não apenas realizável, mas também eficiente, preciso e repetível.