Monitorización de centrales hidroeléctricas con HBM medición de la eficiencia de los álabes de turbinas

Mejora de la eficiencia de una central hidroeléctrica y producción optimizada de energía verde

Esta historia explica cómo se obtuvo una mejora del 10% en la eficiencia de una central hidroeléctrica ya existente, utilizando tecnología avanzada de galgas extensométricas y el sistema de medición PMX. La central hidroeléctrica Puertas de Hierro I es una de las de mayor tamaño de Europa y se encuentra en la presa más grande del Danubio, en el cañón de las Puertas de Hierro, entre Rumanía y Serbia.

El proyecto se inició en 1964, como una iniciativa conjunta de los gobiernos de Rumanía y Yugoslavia, que contemplaba la construcción de un gran embalse en el río Danubio, del que se beneficiarían ambos países. Cuando se terminó de construir en 1972, era una de las plantas hidroeléctricas más importantes del mundo. Sus 12 unidades generaban 2052 MW, que los dos países se repartían a partes iguales, a razón de 1026 MW cada uno.

Las soluciones de mecanización anteriores habían llegado al límite

Después de más de 30 años en explotación, en 2009 Serbia inició un proyecto de modernización de seis de las turbinas. El objetivo era incrementar la potencia instalada y la eficiencia, en un 10%. Las turbinas instaladas en esta central hidroeléctrica son turbinas Kaplan antiguas con álabes ajustables, con un diseño que requería cambios y optimización. El objetivo consistía en determinar, mediante pruebas exhaustivas de los estados operativos, cuál era la relación óptima entre consumo de agua y producción de electricidad. Para ello, el IEENT (Instituto Nikola Tesla de Belgrado), en colaboración con la MFB (Facultad de Ciencias Mecánicas, Universidad de Belgrado) y el TRC PRO (Technical Research Center) puso a punto un concepto para medir la eficiencia en tiempo real, en condiciones de trabajo. Para optimizar la eficiencia y obtener el máximo incremento en la producción, se calculó la producción de electricidad y el diseño mecánico de los álabes de las turbinas, con arreglo a los estándares más recientes.

Tecnología de sensores fiable

La herramienta de medida básica consistió en galgas extensométricas, que se instalaron directamente en la etapa de entrada del rodete de la turbina. Las galgas extensométricas tienen la ventaja de que ofrecen una alta estabilidad a largo plazo. Esta característica era importante en este proyecto, porque la planta opera prácticamente en continuo y no resultaba eficiente detener la turbina para efectuar recalibraciones.

  • Las primeras medidas que se hicieron con estas galgas extensométricas fueron de par. 
  • Igualmente, se hicieron medidas de fuerza axial y velocidad en la etapa de entrada de la turbina.

Las galgas extensométricas para medición de par y fuerza axial se instalaron en el eje situado entre el rodete de la turbina y el generador (por encima del rodete y por debajo del generador). Se colocaron en cuatro ejes (vistos desde arriba, en cuatro puntos equiespaciados a lo largo del perímetro de la circunferencia).

Para las medidas de par, los ingenieros decidieron utilizar la galga extensométrica tipo HBM XY41-3/700. Se emplearon dos puentes completos de galgas extensométricas con conexión en paralelo.

Para las medidas de fuerza axial, se eligió la galga extensométrica XY31-3/350; en este caso, cuatro puentes completos de galgas extensométricas con conexión en paralelo.

Después de instalar las galgas extensométricas en el eje, se les aplicó un recubrimiento especial que proporcionaba protección eléctrica. Y, para evitar interferencias electromagnéticas, se aplicó una capa final en las zonas de medición, para proteger las galgas extensométricas del entorno.

Como el eje de la turbina gira durante el funcionamiento del equipo, los ingenieros tuvieron que buscar un forma segura de transmitir la débil señal de las galgas extensométricas hasta un amplificador de medida PMX. Así que, adicionalmente, se instaló un sistema de telemetría, encargado de enviar las señales de medida de forma inalámbrica desde el eje rotatorio hasta el receptor.

Todo equipado con componentes HBM

El sistema de medición y control debía cumplir una serie de condiciones: medidas rápidas y fiables, configuración sencilla, cálculos en tiempo real, información de diagnóstico, no requerir la instalación de software adicional y buena eficacia de costes. El sistema de control y medición PMX las cumplía todas.

Para la primera etapa, PMX se utilizó como amplificador de cuatro canales para entradas de tensión. La primera entrada era de tensión, procedente del sistema de telemetría (lecturas de par obtenidas por las galgas extensométricas instaladas en la turbina). La segunda entrada era el sistema de telemetría de medida de fuerza axial en la turbina; por último, la tercera entrada era la velocidad de rotación. Todas las señales se muestrearon a una frecuencia de 19,2 kHz, lo que garantiza un ancho de banda de medición elevado y la evaluación de las señales de medición.

Todos los ajustes del sistema PMX se gestionaron a través de la interfaz Ethernet estándar y el servidor web interno de PMX. Esta solución tiene la ventaja de que los ajustes se pueden realizar a través de la red del equipo o incluso de forma remota, si se dispone de una red Wi-Fi adicional. Cada ingeniero puede acceder a una vista en tiempo real de la aplicación y el estado de la prueba. Un control integrado impide que se lleven a cabo operaciones no seguras.

Potentes funciones de cálculo en tiempo real con las funciones inteligentes de PMX

En la segunda fase, era preciso calcular la información deseada y relevante en tiempo real. Esto se puede hacer con las funciones inteligentes de PMX, fáciles de utilizar para el operario aunque no posea conocimientos de software avanzados. PMX ofrece varias funciones matemáticas, como una calculadora de bolsillo, funciones lógicas, evaluaciones de proceso y hasta funciones de controlador, por ejemplo, un controlador PID.

Para calcular la potencia mecánica se puede utilizar la fórmula siguiente:

 

Unidades: P: W; M: Nm; n: rpm. 

Instalación y diagnóstico en condiciones de seguridad

Como protección adicional frente al polvo y las interferencias electromagnéticas, el amplificador PMX se instaló en un armario que además, incorporaba la alimentación eléctrica del sistema de telemetría. 

El panel de vidrio del armario proporciona una visión directa del amplificador PMX y los ledes de diagnóstico. De este modo se disponía de una indicación rápida y sencilla, para detectar cualquier posible error en el dispositivo y para conocer el estado de medición. Esta indicación supuso una importante ventaja para los ingenieros a cargo de las pruebas, ya que les proporcionaba información rápida sin necesidad de utilizar equipos de pruebas adicionales.

En el archivo de registro PMX se almacenan datos de diagnóstico con un mayor nivel de detalle. Este archivo se guarda en la memoria interna del sistema PMX e incluye todos los errores que se producen en el dispositivo y durante la medición, así como cualquier cambio en la configuración de los parámetros efectuado por los operarios. De hecho, cubre el 100% del proceso de ensayo y medición.

“El servidor web de PMX nos resultó una herramienta muy útil de parametrización, configuración y control. No nos hizo falta ningún software adicional y pudimos utilizar el navegador web estándar de nuestros PC, tablets o smartphones. Además, se encuentra permanentemente disponible en tiempo real en toda la central eléctrica”, comenta Hotimir Licen, de TRC PRO.

Adquisición y evaluación de datos de proceso

Entre sus requisitos, el equipo de ingenieros especificó un software de adquisición de datos y evaluación que fuera fácil de usar, robusto y potente, que se utilizaría para captar todas las señales de medida a velocidad máxima, además de los canales calculados del sistema PMX. Estos canales se calculan en tiempo real; es decir, proporcionan valores sincronizados con las señales de medida. Por añadidura, el software debía permitir visualizar todos los datos, almacenarlos y generar informes impresos a demanda.

Todos los datos se captaron con el software de adquisición de datos catman de HBM:

Una vez finalizado el proyecto con la turbina A4, se llevaron a cabo pruebas de eficiencia y se determinaron las características de la nueva turbina.

Aspectos más destacados de la solución de HBM utilizada:

  • Instalación rápida y sencilla.
  • Configuración sencilla y capacidad práctica de diagnóstico.
  • Alta resolución, precisión y velocidad.
  • Canales de cálculo internos.
    • Señales dinámicas y señales filtradas
    • Cálculo de par a partir de mediciones de deformación
    • Cálculo de fuerzas a partir de mediciones de deformación
    • Cálculo de potencia a partir del par y las medidas de velocidad de rotación
    • Desarrollo de una aplicación para visualización web, para almacenamiento de datos sin un PC conectado, y para visualización desde un PC, una tablet o un smartphone (cualquier dispositivo con el navegador web instalado)
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