Surveillance de centrale hydroélectrique avec HBM : mesure de l'efficacité des aubes

Améliorer l'efficacité d'une centrale hydraulique et contribuer à la croissance de l'énergie verte

Cette étude de cas nous montre comment l'efficacité d'une centrale hydroélectrique existante a augmenté jusqu'à 10%, en utilisant une technologie de jauge de contraintes moderne combiné au système de mesure PMX. La centrale hydroélectrique Iron Gate I (Djerdap Gorge) est le plus grand barrage du Danube et l'une des plus grandes centrales hydroélectriques d'Europe. Il est situé sur les gorges d'Iron Gate, entre la Roumanie et la Serbie.

Le projet a commencé en 1964, les gouvernements de la Roumanie et de la Yougoslavie décide la construction d'un important barrage sur le Danube. Un barrage qui desservirait les deux pays. Le barrage a été achevé en 1972, à cette époque il est l'une des plus grandes centrales hydroélectriques au monde. Il comprend douze unités produisant 2 052 MW, réparties entre les deux pays, chacun bénéficiant de 1 026 MW.

Le barrage "Iron Gate" / Djerdap Gorge.Source: Shutterstock

Les solutions de mécanisation de 1964 atteignent leurs limites

Après plus de 30 ans d'existence, le projet de revitalisation de six turbines débute en Serbie en 2009. L'objectif est alors d'augmenter la puissance installée ainsi que l'efficacité de 10%. Les turbines installées sur Đerdap1 sont d'anciennes turbines Kaplan avec des lames réglables, cette ancienne conception a donc dû être modifiée et optimisée. L'objectif était de déterminer, grâce à de nombreux essais dans différentes configurations, là où le rapport entre l'électricité produite et l'eau consommée était le plus élevé. A cet effet, l'IEENT (Institut de Nikola Tesla à Belgrade) en coopération avec le MFB (Faculté des Sciences Mécaniques, Université de Belgrade) et le TRC PRO (Centre de Recherche Technique) ont conçu un nouveau concept pour comprendre comment mesurer l'efficacité en temps réel dans des conditions de production. Pour obtenir le meilleur résultat possible, la production d'énergie de la turbine et la conception mécanique des aubes ont été conçues en prenant en compte les dernières normes.

Measurement experts during their work
Équipe d'experts techniques effectuant la mesure. Image: TRC
Turbine runner
La roue de turbine est en train d'être préparée et reconstruite avec de nouvelles lames. Source: TRC

Des capteurs fiables

La base pour effectuer les mesures est composée de jauges de contraintes installées directement à l'étage d'entrée de la roue de turbine. Les jauges de contraintes ont l'avantage d'offrir une stabilité élevée à long terme. Ce qui est très important dans ce projet car ils fonctionnent de manière continue dans l'usine. Il est donc contreproductif que d'arrêter la turbine pour un réétalonnage.

  • Les jauges de contraintes ont d'abord permis la mesure de couple.
  • Puis les mesures axiales de force et de vitesse sur la turbine dans l'étage d'entrée.

Des jauges de contraintes pour la mesure de couple et de force axiale ont été positionnées sur l'arbre entre la roue de turbine et le générateur (au-dessus de la roue et au-dessous du générateur). Elles ont été placées sur quatre axes (vue de dessus: quatre points équidistants sur la circonférence).

Pour la mesure du couple, les ingénieurs ont décidé d'utiliser la jauge de contraintes HBM de type XY41-3 / 700. Deux ponts complets de jauges de contraintes travaillent en parallèle.

Pour la mesure de la force axiale, les ingénieurs ont choisi la jauge de contraintes HBM de type XY31-3 / 350. Quatre ponts complets de jauges de contraintes travaillent ici en parallèle.

Strain gauge installed on axis 1
Axis 1
Strain gauge installations on axis 2
Axis 2
Strain gauge installations on axis 3
Axis 3
Strain gauge installations on axis 4
Axis 4

Après l'installation des jauges de contraintes sur l'arbre, elles ont reçu une protection électrique avec une couverture spéciale. Pour empêcher les interférences électromagnétiques (CEM) lors de la mesure de la jauge de contraintes, un couvercle final a été placé sur les zones de mesure.

Parce que l'arbre de la turbine tourne en condition de production, les ingénieurs ont dû trouver un moyen sûr de transmettre le très petit signal des jauges de contraintes au système d'amplification de mesure PMX. De plus, un système de télémétrie, qui envoie sans fil les signaux de mesure de l'arbre en rotation au récepteur, a été installé.

Up and running with HBM

Shaft connecting turbine wheel and generator
Arbre reliant la roue de la turbine et le générateur (où les jauges de contrainte sont installées)

Le système de mesure et de contrôle doit répondre à plusieurs critères, telles que des mesures rapides et fiables, une configuration facile, des calculs en temps réel, des informations de diagnostic, aucune installation de logiciel supplémentaire et un cout économique adapté. Ce qui est possible grâce au Système de mesure et de contrôle PMX.

Dans la première étape, le PMX a été utilisé comme un amplificateur à quatre voies pour les entrées tension. La première entrée était la tension du système de télémétrie pour les mesures de couple en utilisant les jauges de contraintes installées sur la turbine. La deuxième entrée était le système de télémétrie pour la mesure de la force axiale dans la turbine, et la troisième entrée était la vitesse de rotation. Tous les signaux ont été échantillonnés à 19,2 kHz, ce qui garantit une bande passante de mesure élevée et une évaluation des signaux de mesure.

Tous les réglages du système PMX sont gérés via l'interface Ethernet standard et le serveur Web interne. Cette solution offre l'avantage de pouvoir effectuer des réglages via le réseau de la machine ou même à distance si le Wi-Fi est disponible. Chaque ingénieur disposait donc d'une vue en temps réel de l'application.

Protected measuring point
Point de mesure protégé (un sur quatre) avec système de télémétrie.
Electric cabinet with HBM
Armoire électrique avec PMX

Un calcul puissant et en temps réel avec les "Smart Functions" PMX

Lors de la seconde phase, les informations requises devaient être calculées en temps réel. Une option proposée par le PMX grâce à ses fonctions intelligentes. Ces fonctions sont très faciles à utiliser pour l'opérateur, et ne nécessitent que peu de compétences en logiciel. Les fonctions intelligentes du PMX offrent plusieurs fonctions mathématiques, comme une calculatrice de poche, des fonctions logiques et des évaluations de processus jusqu'aux fonctions de contrôle comme le contrôleur PID.

Pour calculer la puissance mécanique, la formule suivante peut être utilisée :

 

Unités: P: P: W; M: Nm; n: tr / min.

PMX Screenshot Webserver
Vue d'ensemble du serveur Web PMX avec des signaux de mesure, des signaux calculés et des signaux d'E / S.
PMX web server: Power calculations
Serveur Web PMX avec les calculs de puissance

Une installation et un diagnostic sécurisés

L'amplificateur PMX a été monté dans une armoire, qui comprend également l'alimentation du système de télémétrie, pour permettre une protection supplémentaire contre la poussière et la CEM. 

La porte vitrée permet une vue directe sur le PMX et l'indication LED de diagnostic. Cette indication permet de déterminer une erreur potentielle sur l'appareil et l'état de la mesure. C'est un avantage considérable pour la maintenance, puisqu'ils peuvent obtenir les informations rapidement sans avoir à utiliser un équipement de test supplémentaire.

Un diagnostic détaillé et approfondi est stocké dans le fichier journal du PMX. Ce fichier est stocké dans la mémoire interne du PMX. Il enregistre toutes les erreurs de l'appareil, de la mesure, ainsi que toutes les modifications apportées à la paramétrisation effectuée par les opérateurs. Cela permet une couverture à 100% de l'ensemble du processus de test et de mesure.

« Le serveur Web PMX est un outil très utile pour le paramétrage, la configuration et le contrôle. Nous n'avions pas besoin de logiciel supplémentaire et pouvions utiliser le navigateur Web standard sur la tablette ou le smartphone de notre PC. Et il est disponible en permanence en temps réel sur l'ensemble de la centrale » , explique Hotimir Licen de TRC PRO.

Traiter l'acquisition de données et l'évaluation

Dans les exigences requises par l'équipe d'ingénieurs figuraient un logiciel d'acquisition de données et d'évaluation facile à utiliser, robuste et puissant, capable de capturer tous les signaux de mesure à pleine vitesse ainsi que les voies calculés à partir du système PMX. Ces voies sont calculées en temps réel, ce qui signifie qu'elles sont calculées avec la même vitesse que les signaux de mesure. De plus, le logiciel doit visualiser et stocker toutes les données et générer un rapport imprimé à la demande.

Toutes les données ont été enregistrées avec le logiciel d'acquisition de données catman de HBM :

catman data acquisition software screenshot
Capture d'écran de l'application catman d'HBM pour la mesure du couple et de la force axiale lors de l'acquisition de données avec PMX
Screenshot of the catman software
Captures d'écran de l'application catman pour la mesure du couple et de la force axiale lors de l'acquisition de données avec PMX
Recording in catman (Screenshot)
Enregistrement dans le logiciel Catman d'HBM avec démarrage de la turbine A4: couple, force axiale, vitesse de rotation et puissance calculée

Après avoir terminé le projet sur A4, des tests d'efficacité ont été effectués et les nouvelles caractéristiques de la turbine ont été déterminées.

Turbine and generator number A4
Turbine et numéro de générateur A4, où les mesures sont effectuées (source: TRC PRO)
Team of technical experts
Équipe d'experts techniques effectuant des mesures

Voici à nouveau les points forts de la solution de mesure HBM mise en œuvre :

  • Déploiement rapide et facile
  • Configuration facile et diagnostic utile
  • Haute résolution, précision et vitesse
  • Voies calculés à l'intérieur de l'appareil :
    • Signaux dynamiques et signaux filtrés
    • Calcul du couple à partir des mesures de déformation
    • Calcul de la force à partir des mesures de déformation
    • Calcul de puissance à partir du couple et de la mesure de la vitesse de rotation
    • Développement d'applications de visualisation Web pour le stockage de données sans PC et visualisation sur un PC, une tablette ou un smartphone (tout appareil avec un navigateur Web).
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