Termografia aplicada ao controle de eficiência energética em usinas nucleares

Termografia aplicada ao controle de eficiência energética em usinas nucleares

(Parte 1 de 3)

EDSON MINELLI e ATTILIO BRUNO VERATTI

Gerência de Suporte e Teste (GST.O) – Divisão de Parada e Manutenção (DIPM.O) - Grupo de Manutenção Preditiva e Diagnostica Eletrobrás Termonuclear S/A – Rodovia BR-101 Km 132 – Praia de Itaorna – Angra dos Reis – RJ –

Brasil.

Icon Tecnologia – Av. Macuco, 240 conj. 121 – São Paulo – SP – Brasil e-mail: minelli@eletronuclear.gov.br - abv@icontec.com.br

1) Introdução:

Com a maturidade da geração nuclear de energia, a busca por padrões superiores de segurança e confiabilidade tem levado a um crescente interesse sobre o controle da eficiência energética das Usinas. Dados operacionais revelam que as perdas entre o Reator e a Turbina podem variar entre 5 e 9%, perdas essas que tornam-se mais preocupantes devido ao aumento de competitividade do Setor Energético Brasileiro em razão da criação do mercado regulador de energia elétrica

(ONS). Apesar do mercado ainda se encontrar desequilibrado, com forte pressão do lado da demanda, esse quadro tende a se equalizar nos próximos 03 anos com a construção das Usinas de ciclo combinado e a gás. Dentro desta conjuntura, nossa Organização vem buscando criar processos que elevem nossa eficiência térmica, inclusive desenvolvendo parcerias com a iniciativa privada como no caso da Icon Tecnologia e acreditamos, como veremos a seguir, que as técnicas de inspeção e análise termográfica podem dar uma grande contribuição nesse sentido.

Nesse trabalho trataremos de um conceito denominado por nós de Eficiência Energética em Plantas Nucleares (EEPN) de uma maneira ampla, ou seja, considerando o retorno financeiro necessário a manutenção da mais alta segurança e qualidade imprescindíveis em nosso ramo de negócio.

Dessa forma este conceito de EEPN engloba desde a energia térmica gerada no reator até a energia elétrica entregue à rede distribuidora. Parte deste conceito se baseia na manutenção de componentes por onde as perdas térmicas demonstram-se bastantes expressivas traduzindose em maior consumo de energia e podendo inclusive provocar interrupções no fornecimento de energia elétrica. Nosso trabalho irá se concentrar em três tópicos, como veremos a seguir:

Componentes Térmicos:

Este segmento talvez seja a maior inovação em termos de análise e inspeção termográfica, incluindo-se aqui os isolamentos térmicos dos circuitos principais e secundários, purgadores, caldeira auxiliar e válvulas de alivio e segurança. São esses equipamentos que resultam em grande parte pela perda de eficiência do ciclo térmico da Usina. Nesses casos é possível identificar falhas de isolamento térmico, estimar a espessura de revestimentos, falha de purgadores e passagem de válvulas. Cabe ressaltar que existem outras técnicas que permitem a identificação de falhas nos equipamentos acima mencionados, mas nenhuma aponta para uma relação custo x benefício tão elevada quanto a inspeção e análise termográfica.

Componentes do Sistema Elétrico:

Este segmento é composto por disjuntores, chaves, barramentos e conexões elétricas que muitas vezes provocam paradas na operação da Usina ou interrupções no fornecimento de energia elétrica as distribuidoras.

Componentes Eletro-Mecânicos:

Aqui trataremos de mais uma nova área de aplicação da termografia, onde é possível em conjunto com outras tecnologias, aumentar a confiabilidade dos equipamentos

com a conjugação da analise vibracional e da tribologia

Compõe este segmento bombas, motores elétricos, geradores, onde podemos verificar as condições dos mancais, acoplamentos e enrolamentos. Em todos os itens acima a técnica da Termografia desempenha um importante papel na localização de falhas e quantificação de perdas, contribuindo efetivamente para um aprimoramento da EEPN e possibilitando elevados Retornos de Investimento (RDI).

O Retorno de Investimento (RDI) em uma Usina Nuclear pode atingir valores superiores a 50 vezes o capital investido em inspeções e equipamentos, sobretudo

população estão em jogo

quando considerações ambientais e a segurança da

2) Monitoração de Componentes Térmicos:

A monitoração de componentes térmicos engloba os seguintes itens:

2.1) Detecção de Áreas de Falhas e Quantificação de Perdas Térmicas em Revestimentos.

O primeiro objetivo dessa modalidade de inspeção é a localização regiões não isoladas e de falhas em revestimentos de linhas de vapor nos ciclos principal e secundário, caldeiras, etc. Já a quantificação da perda de energia tem por objetivo permitir o controle da quantidade de calor trocado por um equipamento com o ambiente, em função de suas condições de operação e estado do revestimento. Este dado é de grande importância para se conhecer sua

Figura 1:

eficiência térmica ou para a para a tomada de decisão quanto à troca ou reparo de revestimentos isolantes. O método adotado para o cálculo de perda térmica parte dos mecanismos de convecção e radiação, como se segue:

Q CNV + Q RAD = h (tE - tA) A T + s e (TE4 - TA4) A T

(Tabela 1)

Tabela 1

QCND = calor transferido por condução em kcal/h m2

QCNV = calor transferido por convecção em kcal/h m2 QRAD = calor transferido por radiação em kcal/h m2 tI = temperatura da face interna da parede em graus C tE = temperatura da face externa da parede em graus C

TA = temperatura do ar em graus C L = espessura da camada em metros k = condutividade térmica do material em kcal m/m2hoC h = coeficiente de transmissão de calor por convecção em kcal/m2hoC s = constante de Stefan-Boltzmann e = emissividade do revestimento externo

TE = temperatura da face externa em graus Kelvin

TA = temperatura ambiente em graus Kelvin A = área em m2

T = tempo em horas

Figura 2:

Para a realização dessa tarefa são utilizados programas aplicativos que permitem, a partir das temperaturas tomadas externamente por termografia, o cálculo do número de calorias, BTU ou Kwh trocados com o ambiente em um dado período de tempo. Com tal informação, a decisão sobre a necessidade de reposição do revestimento é obtida através da comparação direta entre o custo dessa operação e o custo da energia trocada com o ambiente.

2.2) Avaliação da Espessura de Revestimentos (AER):

Em equipamentos que não permitam a verificação direta do estado dos revestimentos refratários (como na Caldeira Auxiliar do Sistema de Rejeito e Selagem da Turbina), é possível estabelecer-se uma correlação entre a espessura do revestimento e as temperaturas externas, medidas com o auxílio de radiômetros ou termovisores. A Avaliação de Espessura de Revestimentos (aplicativo

AER-ICON) é realizada a partir do cálculo do fluxo de calor que passa através da parede do equipamento. Esse cálculo leva em conta o uso de paredes multi-camada

(geralmente até 5 camadas) com diferentes espessuras e condutividades térmicas para cada material.

Figura 3:

Com base na temperatura interna do processo e nas características físicas dos materiais que compõem a parede, pode-se estabelecer uma correlação entre a temperatura externa e a espessura restante de revestimento naquele local.

Dessa forma, os valores de temperatura externa convertem-se em uma valiosa fonte de informação para os operadores que podem, a partir dessa avaliação, decidir quando da conveniência de reparos ou paradas. O grande benefício dessa análise é a possibilidade de se estabelecer os valores limites de espessura de revestimento aceitáveis e o acompanhamento das fases finais da campanha, com o objetivo de prolongá-la com segurança, diminuir tempos de parada e aumentar a produtividade do equipamento.

Figura 4:

2.3) Controle da Operação de Purgadores

O purgador tem papel fundamental na drenagem do condensado dos sistemas de vapor e, quando apresenta defeito, pode gerar problemas, tais como: - Perda de vapor, diminuindo a eficiência do sistema.

- Pressurização das linhas de retorno, podendo prejudicar o funcionamento de outros purgadores.

- Alagamento do sistema, causando queda da temperatura (que se torna mais grave se for um purgador de processo).

Vazamentos de fluidos através de uma válvula normalmente fechada são facilmente observados pela inspeção termográfica em razão do pequeno delta de temperatura à montante e à jusante da válvula. No caso de válvulas normalmente abertas, bloqueios apresentam grandes deltas de temperatura. Isso pode ocorrer inclusive em válvulas de retenção. Essas inspeções são de grande utilidade em Usinas Nucleares, devido ao uso de acido bórico em vários processos. Levando-se em conta as condições do processo, como pressão e temperatura, é possível estabelecer critérios de análise através de gradientes térmicos antes e após o purgador. Ainda em fase de desenvolvimento, estamos trabalhando com a seguinte relação entre o estado operacional dos purgadores e o gradiente térmico entre a entrada e a saída dos mesmos: A aplicação da termografia na análise de purgadores tem se mostrado rápida e eficaz. Rápida, não só porque o tempo de inspeção pode ser até 3 vezes menor em relação a métodos convencionais, mas também porque com apenas uma imagem é possível avaliar conjuntos de purgadores instalados em paralelo. Eficaz, pelo fato de não ser uma avaliação subjetiva, ou seja, a termografia nos fornece a imagem com a distribuição térmica, sendo possível avaliar com boa margem de segurança as condições reais do purgador.

Outro aspecto importante é que a imagem pode ser feita à distância, o que pode facilitar a inspeção, quando o purgador estiver em local de difícil acesso. Por esse motivo tem se mostrado economicamente mais viável do que as outras existentes no mercado, apresentando excelente relação custo x benefício e resultados expressivos.

3) Monitoração do Sistema Elétrico

A detecção termográfica de um componente elétrico defeituoso baseia-se na identificação de uma anomalia térmica no sistema. Na maioria dos casos essa anomalia é uma elevação de sua temperatura em função de um aumento anormal de sua resistência ôhmica devido a ocorrência de oxidação, corrosão ou falta de contato. Dessa forma, um componente defeituoso se apresenta como um ponto quente em comparação com o ambiente ou outros componentes similares em bom estado.

(Parte 1 de 3)

Comentários