Válvulas Condicionadoras para Vapor Motriz

As usinas de açúcar no Brasil têm passado por verdadeiras revoluções tecnológicas em curtos espaços de tempo. Há cerca de 10 anos atrás, as caldeiras gerando vapor a 42 bar / 400 C eram o estado da arte. Hoje, praticamente não se fala mais nelas. Naquela época, uma usina totalmente eletrificada era um sonho de idealistas. Hoje, são realidade.

Com o aumento da capacidade de produção das caldeiras e com a geração de vapor com pressões e temperaturas mais elevadas, fomos levados a buscar soluções que são normalmente utilizadas nas grandes centrais termelétricas. A adoção das válvulas condicionadoras de vapor é um caso típico, e que praticamente provocou a aposentadoria forçada das antigas válvulas redutoras, instaladas com um sistema independente de desuperaquecimento de vapor.

Nas centrais termelétricas elas são denominadas “by-pass valve”, porque na prática permitem que desviemos todo o vapor motriz, destinado a uma dada turbina, para um nível de pressão mais baixo. São equipamentos muito peculiares, pois em uma central de geração de energia elétrica queremos que elas estejam sempre fechadas, passando todo o vapor pela turbina. Mas também queremos que elas respondam muito rapidamente a qualquer anormalidade que possa ocorrer no sistema. Devem ser, portanto, equipamentos muito confiáveis e com uma faixa de capacidade muito ampla.

A grande diferença de conceito de projeto, em relação às válvulas redutoras antigas, é que o controle da temperatura do vapor é feito no próprio equipamento, pela injeção de água quente na válvula condicionadora. Daí vem a denominação que recebeu nas usinas brasileiras, pois o equipamento estaria “condicionando” a temperatura do vapor na saída.

Trata-se de uma solução de engenharia muito interessante. A água quente normalmente é injetada no interior da própria haste da válvula que controla a vazão de vapor. Desta maneira, cria-se um sistema preditivo de controle da temperatura do vapor, proporcionando uma resposta muito rápida para as variações de vazão. Em outras palavras, quando a haste começa a se mover para permitir a passagem de vapor, ao mesmo tempo iniciamos a injeção de água quente para o controle da temperatura. Quanto mais a válvula abre, mais água é introduzida na válvula. Na tubulação de saída de vapor existe um sensor para medição da temperatura, que faz o ajuste fino da vazão de água quente.

A injeção de água na própria válvula resolve um outro problema muito freqüente nas usinas: como conseguir uma correta homogeneização da mistura água / vapor quando o sistema de desuperaquecimento do vapor é feito em tubulações de grande diâmetro. Embora já existam hoje sistemas melhor desenhados para vencer este desafio, no caso da válvula condicionadora os projetistas conseguem aproveitar a alta turbulência provocada no equipamento para obter uma mistura homogênea. Esta turbulência é obtida em função das grandes velocidades atingidas pelo vapor, em decorrência dos grandes diferenciais de pressão.

Como em grandes centrais termelétricas as caldeiras são enormes, estes equipamentos foram desenhados para poder operar com grandes faixas de capacidade. Estas válvulas podem reduzir a pressão do vapor motriz até a pressão do vapor de escape e controlar a sua temperatura (135 C) desde uma vazão de 10 t/h até 250 t/h em uma única válvula, por exemplo.

Aliás, como estas válvulas existem em princípio para ficar fechadas, o dimensionamento da sua capacidade é feito em função das anomalias que conseguimos prever para o nosso sistema. Podemos discutir a seguir algumas delas.

Quando a usina está operando com plena capacidade de moagem e existe um problema na linha da conexão elétrica, a exportação de energia deve ser interrompida. Como normalmente exportamos cerca de 70% da energia gerada, a vazão de vapor correspondente não pode passar pela turbina e deve, portanto, passar pela válvula, para poder atender aos consumidores de vapor de escape no processo.

Uma situação similar ocorre quando a moenda pára repentinamente, mas a exportação de energia elétrica permanece. Nesta situação, deve passar pela válvula uma vazão de vapor correspondente à geração de energia elétrica que estava sendo consumida pelos equipamentos de preparo de cana e de extração do caldo, para continuar gerando o vapor de escape necessário. É uma vazão muito menor do que a vazão do primeiro caso.

Outras situações podem ocorrer quando estamos partindo a usina sem venda de energia, quando estamos liquidando o processo com ou sem a venda de energia, e assim por diante. O projetista deve procurar prever todas as situações anômalas e assim definir a faixa de capacidade (“range”) da válvula.

As novas usinas costumam ser totalmente eletrificadas, tendo apenas o nível de pressão de vapor motriz, um nível intermediário de pressão (aproximadamente 16 bar) para atender a turbo bomba de emergência e o processo (desidratação, centrifugação e secagem de açúcar, secagem de levedura, etc) e o nível de pressão do vapor de escape. Para plantas deste tipo podemos usar o assim chamado sistema “paralelo” de válvulas, ou seja, uma condicionadora da pressão de vapor motriz até a pressão intermediária de vapor e uma condicionadora da pressão de vapor motriz até a pressão de vapor de escape.

Usinas antigas que exportam energia, porém que mantém o preparo e a moagem com acionamentos por turbinas, normalmente dispõem de turbo geradores com extração controlada para o nível intermediário de pressão (usualmente 22 bar). Para plantas deste tipo podemos usar o assim chamado sistema “série” de válvulas, ou seja, uma condicionadora da pressão de vapor motriz até a pressão intermediária de vapor e uma condicionadora da pressão intermediária de vapor até a pressão de vapor de escape.

Neste último tipo de planta o sistema “série” é mais indicado quando ocorre uma parada da moenda, e não queremos reduzir a exportação de energia. Nesta situação, a vazão na extração controlada vai cair bruscamente, e não vamos conseguir entregar todo o vapor de escape para o processo, a menos que o turbo gerador esteja sobre dimensionado para poder atender a esta situação.

As válvulas condicionadoras exigem alguns cuidados na sua instalação. Como são previstas, em princípio, para não abrir nunca, devemos cuidar para que o sistema de injeção de água tenha bom isolamento térmico e uma recirculação mínima para garantir uma temperatura elevada da água. Injeção de água fria poderia, em tese, provocar choques térmicos desnecessários.

Materiais da tubulação na saída das válvulas devem ser previstos com a possibilidade de um possível aumento da temperatura do vapor. O fabricante da válvula deve ser consultado a respeito.

Cuidados especiais devem ser tomados para se evitar bolsas de condensado na tubulação próxima às válvulas. Normalmente as válvulas podem ser montadas na posição vertical ou na posição horizontal, e os fabricantes também devem ser consultados. Em todos os casos, acessos para manutenção devem ser adequadamente previstos.

Outro aspecto importante a ser discutido no projeto é a facilidade para a sopragem das linhas. Usualmente estas válvulas são soldadas, e dispõem de dispositivos especiais que permitem a sopragem da linha apenas com a remoção dos internos das válvulas. Novamente, o fabricante deve ser consultado antes da compra.

Enfim, no passado recente instalávamos válvulas redutoras previstas para operar, em condições normais de moagem, na faixa de 5% a 10% da vazão da caldeira, visando poder atender variações no processo sem correr o risco de jogar vapor de escape para a atmosfera.

Hoje, instalamos válvulas condicionadoras que estão lá para, de preferência, não abrir nunca. Sinal das mudanças provocadas pelos tempos de petróleo a US$ 140.00 o barril.