O sistema VTUR Turbine Specific Primary Trip é um componente de proteção central do sistema de controle de turbinas a gás e vapor Mark VI, projetado como a primeira linha de defesa para garantir a operação segura das unidades de turbina. O IS200VTURH1B é uma placa terminal crítica dentro deste sistema, atuando como hub de interface entre a placa de controle principal do VTUR e os sensores/atuadores de campo. Ele é responsável por agregar sinais críticos, como velocidade, tensão e status da chama, e executar comandos de disparo e sincronização do controlador. Conhecido pela sua elevada fiabilidade, resposta rápida e diagnóstico abrangente, este sistema é amplamente utilizado nos setores energético e industrial onde são exigidos os mais elevados padrões de segurança.
2. Funções essenciais e princípios detalhados
A placa terminal IS200VTURH1B funciona em conjunto com a placa principal VTUR para implementar um sistema de proteção e controle redundante e multicamadas para turbinas.
2.1 Proteção Primária contra Sobrevelocidade e Medição de Velocidade
Esta é a função de proteção mais crítica do sistema VTUR, projetada para evitar que a velocidade da turbina exceda os limites do projeto mecânico e evitar falhas catastróficas.
Princípio Técnico:
Aquisição de sinal: O sistema se conecta a quatro captadores de velocidade magnéticos passivos independentes através da placa terminal IS200VTURH1B. Esses sensores são montados adjacentes a uma roda de velocidade de sessenta dentes girando com o eixo da turbina. A alternância de dente e folga altera o fluxo magnético, gerando um sinal de tensão CA com frequência proporcional à velocidade. Este design é vantajoso porque não requer alimentação externa, é robusto e possui forte imunidade a ruídos.
Processamento de Sinal: Os sinais senoidais fracos dos sensores são transmitidos através de cabos blindados para o IS200VTURH1B e depois para a placa principal do VTUR. O VTUR contém taxa de pulso para circuitos digitais, que primeiro filtram o sinal (removendo o ruído de alta frequência), fixam-no (limitando a amplitude da tensão para proteger os circuitos subsequentes) e aplicam o acoplamento CA (removendo o deslocamento CC). Um gatilho Schmitt então converte a onda senoidal em um trem de pulso de onda quadrada, onde cada pulso representa a passagem de um dente.
Cálculo e votação de velocidade: O controlador (VCMI) calcula a velocidade em tempo real (RPM) medindo a frequência de pulso. Em um sistema TMR (Triplo Modular Redundante), três módulos controladores calculam a velocidade de forma independente e uma seleção do valor mediano é realizada – o valor médio das três leituras é usado como a velocidade final válida para controle e proteção. Este mecanismo pode tolerar uma falha em qualquer módulo ou sensor único, aumentando significativamente a confiabilidade do sistema.
Lógica de disparo por sobrevelocidade: O cálculo primário de disparo por sobrevelocidade é realizado principalmente no controlador. O controlador compara a velocidade média votada com um ponto de ajuste de disparo por sobrevelocidade predefinido. Quando a velocidade excede o ponto de ajuste, o controlador gera imediatamente um sinal de desarme. Este sinal é enviado para a placa VTUR, que então aciona os relés de disparo primários na placa terminal de disparo TRPx. Esses relés controlam o circuito de alimentação dos Solenóides de Disparo de Emergência (ETDs). A desenergização do relé faz com que o solenóide libere a pressão, acionando o sistema hidráulico mecânico para fechar rapidamente as válvulas de combustível ou vapor da turbina, conseguindo um desligamento.
2.2 Desarme rápido por sobrevelocidade
Para aplicações como turbinas a gás que exigem resposta extremamente rápida, a proteção primária padrão contra sobrevelocidade pode não ser suficientemente rápida. Portanto, o VTUR incorpora um algoritmo Fast Overspeed Trip que é executado diretamente no hardware do VTUR, ignorando o controlador e reduzindo o tempo de resposta do trip para 30 milissegundos ou menos.
Princípio Técnico:
PR_Single (Pulse Rate - Single): Este algoritmo divide dois sinais redundantes de sensores de velocidade em duas placas VTUR redundantes. Cada placa usa seu sinal de sensor único para tomar uma decisão independente de excesso de velocidade. O sistema permanece operacional somente se nenhuma placa acionar um desarme. Isso fornece redundância tanto no nível do sensor quanto na placa VTUR e é o algoritmo preferido para turbinas a gás da série LM.
PR_Max (Pulse Rate - Maximum): Este algoritmo conecta dois sinais redundantes de sensores de velocidade a uma única placa VTUR. A placa compara continuamente os valores de velocidade e sempre usa a maior das duas velocidades para avaliar o excesso de velocidade. Este método protege efetivamente contra falha de desarme em casos de 'eixo quebrado' ou desaceleração severa onde o sinal de um sensor falha ou cai erroneamente, ao mesmo tempo que evita desarmes incômodos devido à falha de um único sensor.
Opções de algoritmo: VTUR oferece dois algoritmos de viagem rápida.
Intertravamento de hardware: O sinal de disparo rápido é emitido através de saídas dedicadas (PTR1 a PTR6) na placa VTUR e é conectado ao circuito primário do relé de disparo através de uma lógica de porta OR. Isso garante que os relés de desarme serão ativados se o desarme primário padrão OU o desarme rápido for acionado.
2.3 Monitoramento de Tensão e Corrente do Eixo
Esta função protege os rolamentos do gerador da turbina contra danos por erosão elétrica causados pelas correntes do eixo.
Princípio Técnico:
Teste CA: Iniciado pelo controlador R, ele injeta um sinal de teste de 1 kHz no circuito de medição de tensão do eixo. Os controladores S e T saudáveis devem detectar esse deslocamento de frequência específico. Este teste verifica a integridade de todo o circuito desde o VTUR até o ponto de medição.
Teste CC: Também iniciado pelo controlador R, ele aplica uma tensão CC de 5 V ao circuito externo eixo-terra e mede a corrente CC resultante. Ao calcular a resistência do circuito, o sistema pode determinar se a resistência de contato da escova ( Limite da escova ) e o circuito de derivação ( Limite de derivação ) estão dentro da faixa normal. Uma resistência excessivamente alta normalmente indica desgaste da escova, mau contato ou circuito aberto.
Fenômeno e perigo: Durante a operação da turbina, a tensão pode se acumular no eixo do rotor em relação ao solo devido à carga de vapor (impacto de gotas de água nas pás), ondulação do campo do gerador ou assimetria do circuito magnético. Quando esta tensão se acumula o suficiente para quebrar a película de óleo do rolamento, ocorrem correntes de descarga instantâneas, causando erosão elétrica nas pistas e esferas do rolamento (conhecida como congelamento), levando finalmente à falha do rolamento.
Sistema de monitoramento: Escovas de carvão instaladas no eixo direcionam a tensão do eixo para a placa terminal VTURH1B. O sistema monitora a tensão eixo-terra e a corrente do eixo que flui através das escovas (medida através da queda de tensão através de um resistor shunt de precisão). O VTUR utiliza circuitos de instrumentação de alta impedância para garantir que o sistema original de aterramento do eixo não seja afetado.
Testes de autodiagnóstico:
2.4 Detecção de Chamas
Em aplicações de turbinas a gás, o VTUR trabalha com a placa TRPG para monitorar até oito detectores de chamas Geiger-Müller.
Princípio Técnico:
Operação do detector: Na ausência de chama, o capacitor interno do detector é carregado com a tensão de alimentação de 335 V CC. Quando a radiação ultravioleta está presente, o gás dentro do detector ioniza, fazendo com que o capacitor se descarregue rapidamente através da placa TRPG.
Processamento de Sinal: VTUR e TRPG convertem cada evento de descarga em um pulso de tensão. Maior intensidade de chama leva a uma frequência de descarga mais alta, com uma faixa de frequência de pulso de 0 a 1000 pulsos por segundo. O VTUR conta os pulsos em uma janela de 40 milissegundos e compara a taxa de pulso com um ponto de ajuste para determinar a presença e intensidade da chama. Os pulsos de tensão são distribuídos para todos os três módulos do controlador (R, S, T), garantindo proteção redundante.
2.5 Sincronização Automática
Esta função combina automaticamente o estado do gerador com a rede elétrica para uma conexão suave e sem choques (fechamento do disjuntor principal).
Princípio Técnico:
K25P (Synchronizing Sequence Permissive): A partir do VTUR verifica se o estado da própria sequência da turbina permite a sincronização.
K25 (Relé de Sincronização Automática): Do VTUR, emprega técnicas de cruzamento de tensão zero e compensa o tempo de fechamento do disjuntor. Prevê o momento exato de fechamento do disjuntor para que os contatos façam quando a diferença de fase estiver próxima de zero, contabilizando o atraso mecânico.
K25A (Sync Check Relay): A partir da placa de proteção VPRO, atua como um backup independente. Ele verifica uma janela de sincronização fixa (normalmente diferença de fase de ±10°, diferença de frequência de ±0,27 Hz). Seus contatos fecham somente se todos os parâmetros estiverem dentro desta janela.
Entrada de sinal: As tensões do gerador e do barramento são trazidas por meio de dois conjuntos de transformadores de potencial (TPs) monofásicos, reduzidos para sinais de aproximadamente 115 V CA para medição na placa VTURH1B.
Processo de sincronização:
Fechamento Triplo Permissivo e Disjuntor: A emissão do comando de fechamento automático requer a permissão simultânea de três funções independentes:
Fechamento e Feedback: Quando todas as três permissivas forem satisfeitas, o VTUR emite o comando de fechamento para o disjuntor do gerador principal. Um contato auxiliar 52G/a do próprio disjuntor (não um relé intermediário) informa o tempo real de fechamento ao sistema, usado para otimizar futuras previsões de fechamento.
Correspondência de frequência (ajuste de velocidade): O VTUR compara as frequências do gerador e do barramento, gerando comandos de “aumentar” ou “diminuir” a velocidade enviados através do controlador ao sistema regulador para ajustar a velocidade do gerador em sincronismo com a rede.
Correspondência de tensão (ajuste de excitação): O VTUR compara as tensões do gerador e do barramento, enviando comandos através da rede UDH para o sistema de excitação EX2000 para ajustar a corrente de campo do gerador, combinando a tensão com a rede.
Sincronização de Fase: O VTUR captura com precisão os pontos de cruzamento zero das formas de onda de tensão do gerador e do barramento, calculando a diferença de fase em tempo real entre eles.
3. Interface e instalação de hardware
4. Diagnóstico e Manutenção
O sistema VTUR apresenta diagnósticos on-line abrangentes.
Indicação de LED do painel frontal: RUN (Operação - Verde Piscando), FALHA (Falha - Vermelho Sólido), STATUS (Normal - Desligado, Alarme de Diagnóstico - Laranja Constante).
Principais itens de diagnóstico:
Incompatibilidade do driver do relé/feedback: Compara o sinal de comando do relé de desarme com seu estado real de feedback.
Solenoid Power Absent: Monitora a potência do circuito de disparo na placa TRPx.
Tensão anormal do detector de chama: Monitora se a alimentação de 335 V CC está dentro da tolerância (314,9 V - 355,1 V).
Sincronizando Relé Lento ou Travado: Monitora o tempo de atuação dos relés K25, K25A e K25P.
Identificação da placa terminal: Lê o chip de identificação nas placas terminais (por exemplo, TTURH1B) para verificar a compatibilidade do hardware e a conexão correta, evitando configurações incorretas.
Tratamento de falhas: Todas as informações de diagnóstico acionam um alarme composto L3DIAG_VTUR. Códigos de falha específicos e possíveis causas podem ser visualizados na IHM, orientando a equipe de manutenção a localizar rapidamente o problema.
