Sensoriamento óptico quase-distribuído aplicado ao monitoramento de trocadores de calor de usinas hidrelétricas

This work aims to develop optical sensors for temperature monitoring in hydroelectric power plant heat exchangers. The proposed sensors are based on the Fiber Bragg Gratings technology. First of all, a prototype with three sensors inscribed in a same fiber was developed. This fiber was then fixed to a conventional Pt100 sensor rod and inserted in a thermowell. The ensemble was then calibrated in a workbench, presenting a maximum combined uncertainty of 2,06 °C. The sensor was installed in one of the heat exchangers of the Salto Osório’s hydroelectric power plant. This power plant is situated in the Iguaçu river, at the Paraná state. Despite the satisfactory results, the sensor was improved to a second version. In this, fifteen optical Bragg sensors were inscribed in a same fiber. The fixation with a conventional sensor was no longer necessary, because the first version results comproved the efficiency and response time in comparison to a conventional sensor. For this reason, it was decided to position the fiber inside a stainless steel rod, due to his low thermal expansion coefficient and high corrosion immunity. The utilization of fifteen fiber Bragg gratings aims to improve the sensor spatial resolution. Therefore, measurements every ten centimeters with respect to the heat exchanger’s height are possible. This provides the generation of a thermal map of the heat exchanger’s surface, which can be used for determination of possible points of obstruction in the hydraulic circuit of the heat exchanger. The heat exchanger’s obstruction in hydroelectric power plants usually occur by bio-fouling, and has direct influence in the generator’s cooling system efficiency. The obtained results have demonstrated the feasibility in application of the optical sensors technology in hydroelectric power plants.

Este trabalho tem por objetivo desenvolver sensores ópticos para o monitoramento de temperatura em trocadores de calor de uma planta de geração hidráulica. Os sensores propostos baseiam-se na tecnologia de redes de Bragg em fibra ótica. Primeiramente, um protótipo com três sensores inscritos em uma mesma fibra foi desenvolvido. Esta fibra foi então fixada a uma haste de um sensor convencional do tipo Pt100 e inserida em um poço termométrico. O conjunto foi então calibrado em bancada, apresentando uma incerteza combinada expandida máxima de 2,06 °C. O sensor foi instalado em um dos trocadores de calor da usina hidrelétrica Salto Osório. Esta usina situa-se no curso do Rio Iguaçu, no estado do Paraná. Apesar dos resultados satisfatórios, o sensor foi aperfeiçoado para uma segunda versão. Nesta, quinze sensores foram inscritos em uma mesma fibra. A fixação junto a um sensor convencional não foi mais necessária, pois os resultados da primeira versão do sensor comprovaram a sua eficiência e tempo de resposta frente ao sensor convencional. Por este motivo, optou-se por posicionar a fibra no interior de um tubo de aço inoxidável, devido ao seu baixo coeficiente de expansão térmica e alta resistência à corrosão. A utilização de quinze redes de Bragg em fibra visa aumentar a resolução espacial do sensor. Desta forma, medições a cada dez centímetros com relação à altura do trocador de calor são possíveis. Isto propicia a geração de um mapa térmico da superfície do trocador de calor, que poderá ser utilizado para a determinação de possíveis pontos de obstrução do circuito hidráulico do trocador. As obstruções dos trocadores em usinas hidrelétricas geralmente ocorrem pelo fenômeno da bioincrustação, e influenciam diretamente no rendimento dos sistemas de arrefecimento dos geradores. Os resultados obtidos demonstram a viabilidade da aplicação da tecnologia de sensores ópticos em plantas de geração hidráulica.