Monitoraggio degli impianti idroelettrici con HBM: misurare l’efficienza delle pale delle turbine

Migliorare l’efficienza di un impianto idroelettrico e imparare a produrre energia verde

Questa storia ci racconta come è stato possibile aumentare l’efficienza di un impianto idroelettrico fino al 10% usando la moderna tecnologia degli estensimetri e il sistema di misura PMX. La centrale idroelettrica Porte di ferro I (Djerdap Gorge) è la diga più grande sul Danubio e uno dei maggiori impianti idroelettrici d’Europa. Si trova sulla gola delle Porte di ferro, tra la Romania e la Serbia.

Il progetto è iniziato nel 1964 come joint-venture tra i governi di Romania e Jugoslavia per la costruzione di una grande diga sul Danubio, che avrebbe servito entrambi i Paesi. Una volta terminata la costruzione nel 1972, è risultata una delle centrali idroelettriche più grandi al mondo, con dodici unità che generavano 2.052 MW, divisi equamente tra i due Paesi, con 1.026 MW ciascuno.

La diga "Porte di ferro" / Djerdap Gorge. Fonte: Shutterstock

Le soluzioni di meccanizzazione precedenti raggiungono i loro limiti

Dopo 30 anni di funzionamento, nel 2009 in Serbia è stato avviato il progetto di rilancio per sei turbine. Lo scopo era aumentare del 10% la potenza installata e l'efficienza. Le turbine installate su Đerdap1 sono vecchie turbine Kaplan con pale regolabili, un design che richiedeva modifiche e ottimizzazione. L’obiettivo era determinare con test approfonditi delle condizioni operative il punto in cui il rapporto tra elettricità prodotta e acqua consumata era maggiore. Con questo scopo, IEENT (l’istituto di Nikola Tesla a Belgrado) in collaborazione con MFB (facoltà di Scienze Meccaniche dell’Università di Belgrado) e TRC PRO (Technical Research Center - centro di ricerca tecnica) hanno progettato un concetto su come misurare l'efficienza in tempo reale in condizioni di lavoro. Per ottenere il massimo sforzo e aumento, la produzione di energia della turbina e il design meccanico delle pale delle turbine sono stati calcolati e progettati secondo i più recenti standard.

Measurement experts during their work — Team di esperti tecnici che eseguono la misurazione.

Turbine runner — Preparazione e ricostruzione del carrello della turbina con nuove pale. Fonte: TRC

La tecnologia affidabile dei sensori

Lo strumento base per la misurazione sono gli estensimetri, installati direttamente nella fase di ingresso della girante della turbina. Gli estensimetri offrono il vantaggio di avere un'elevata stabilità a lungo termine. È importante in questo progetto perché hanno praticamente un funzionamento infinito nell’impianto e arrestare la turbina per ripetere la taratura ne comprometterebbe l’efficienza.

La prima misurazione con estensimetro ha effettuato la misurazione della coppia..
La seconda misurazione con estensimetro ha rilevato la forza assiale e la velocità sulla turbina in fase di input..

Gli estensimetri per la misurazione della coppia e della forza assiale sono stati posizionati sull’albero tra la girante della turbina e il generatore (sopra la girante della turbina e sotto il generatore). Sono stati posizionati su quattro assi (vista dall’alto: quattro punti equidistanti sulla circonferenza).

Per la misurazione della coppia, gli ingegneri hanno deciso di usare l'estensimetro di tipo HBM XY41-3/700. Due full bridge di estensimetri lavorano con collegamenti in parallelo.

Per la misurazione della forza assiale, gli ingegneri hanno scelto l'estensimetro di tipo XY31-3/350. Quattro full bridge di estensimetri lavorano qui con collegamenti in parallelo.Asse 1

Strain gauge installed on axis 1 — Asse 1

Strain gauge installations on axis 2 — Asse 2

Strain gauge installations on axis 3 — Asse 3

Strain gauge installations on axis 4 — Asse 4

Dopo aver installato gli estensimetri sull’albero, gli stessi sono stati dotati di una protezione elettrica con una speciale copertura. Per evitare che le misurazioni con estensimetro in questo ambiente ostile fossero interessate da interferenze elettromagnetiche (IEM), è stata applicata una copertura finale sulle aree oggetto di misurazione.

Dato che l’albero della turbina ruota in condizioni di lavoro, gli ingegneri hanno dovuto trovare un modo sicuro per trasmettere il minuscolo segnale dall'estensimetro al sistema dell’amplificatore di misura PMX. Inoltre è stato installato un sistema telemetrico che invia i segnali di misura senza fili dall’albero di rotazione al ricevitore.

Pronto e funzionante con HBM

Shaft connecting turbine wheel and generator — Albero che collega la girante della turbina e il generatore (dove sono installati gli estensimetri)

Il sistema di misurazione e controllo deve soddisfare diversi requisiti, come misurazioni rapide e affidabili, facile configurazione, calcoli in tempo reale, informazioni diagnostiche, nessun software da installare in aggiunta e prezzi convenienti. Requisiti soddisfatti con il sistema di misurazione e controllo PMX.

Nella prima fase, PMX è stato usato come amplificatore a quattro canali per gli input della tensione. Il primo input è stata la tensione dal sistema telemetrico per la misurazione della coppia con estensimetri installati sulla turbina. Il secondo input è stato il sistema telemetrico per la misurazione della forza assiale nella turbina e il terzo la velocità di rotazione. Tutti i segnali sono stati campionati con 19.2 kHz, il che garantisce un’elevata banda larga di misurazione e la valutazione dei segnali di misurazione.

Tutte le regolazioni al sistema PMX sono gestite tramite l’interfaccia Ethernet standard e il web server interno PMX. Questa soluzione offre i vantaggi della regolazione tramite la rete della macchina o anche da remoto, se è disponibile un Wi-Fi aggiuntivo. Ogni ingegnere ha così avuto una visione in tempo reale dell’applicazione e delle condizioni del test. Un controllo operatore integrato ha permesso di prevenire eventuali funzionamenti non sicuri.

Protected measuring point — Punto di misurazione protetto (uno di quattro) con sistema telemetrico.

Electric cabinet with HBM — Armadio elettrico con PMX

Potente calcolo in tempo reale con “Smart Functions” di PMX

Nella seconda fase è stato necessario calcolare le informazioni desiderate e rilevanti in tempo reale. Lo si può fare con le Smart Functions di PMX, che può essere usato dall’operatore molto facilmente senza particolari capacità software. Questo software offre diverse funzioni matematiche, come un calcolatore tascabile, funzioni logiche e valutazioni di processo fino alle funzioni di controller, come il controller PID.

Per calcolare la potenza meccanica, è possibile usare la seguente formula:

Unità: P: W; M: Nm; n: rpm.

PMX Screenshot Webserver — Panoramica del webserver PMX con segnali di misura, segnali calcolati e segnali I/O

PMX web server: Power calculations — Web server PMX con i calcoli di potenza

Installazione e diagnosi sicure

Come protezione aggiuntiva da polvere e IEM, l’amplificatore PMX è stato montato in un armadio elettrico, che comprende anche la fornitura del sistema telemetrico.

Il vetro nell’armadio consente di avere una visuale immediata su PMX e sugli indicatori LED diagnostici. È un’indicazione rapida e semplice per individuare un potenziale errore sul dispositivo e le condizioni della misurazione. È un grande vantaggio per gli ingegneri addetti all’assistenza, in quanto possono ricevere informazioni rapidamente senza usare dispositivi di prova aggiuntivi.

Nel file di registro di PMX è registrata una diagnostica più dettagliata e approfondita. Questo file è salvato nella memoria interna del PMX. Copre tutti gli errori futuri del dispositivo e di misura, oltre a cambiamenti nella parametrizzazione da parte degli operatori. Ciò consente una copertura del 100% dell’intero processo di prova e misura.

“Troviamo che il web server PMX sia uno strumento molto utile per parametrizzazione, impostazione e controllo. Non abbiamo avuto bisogno di altri software e abbiamo usato il web browser standard sul nostro PC, tablet o smartphone. Ed è disponibile in modo permanente in tempo reale nell’intera area dell’impianto elettrico”, dice Hotimir Licen di TRC PRO.

Acquisizione e valutazione dei dati del processo

Tra i requisiti, il team di ingegneri ha individuato un software DAQ e di valutazione facile da usare, robusto e potente, in grado di catturare tutti i segnali di misurazione alla massima velocità come i canali calcolati dal sistema PMX. Questi canali sono calcolati in tempo reale, il che significa che sono calcolati con la stessa velocità del segnale di misurazione. Inoltre, il software deve visualizzare e memorizzare tutti i dati e generare un report stampato su richiesta.

Tutti i dati catturati con il software di acquisizione dati catman di HBM:

catman data acquisition software screenshot — Screenshot dall'applicazione HBM catman per la misurazione di coppia e forza assiale durante l’acquisizione dati con PMX

Screenshot of the catman software — Screenshot dall'applicazione HBM catman per la misurazione di coppia e forza assiale durante l’acquisizione dati con PMX

Recording in catman (Screenshot) — Registrazione nel software catman HBM con avvio della turbina A4: coppia, forza assiale, velocità di rotazione e potenza calcolata

Dopo aver finito il progetto su A4, sono stati eseguiti test sull'efficienza e sono state individuate nuove caratteristiche della turbina.

Turbine and generator number A4 — La turbina e il generatore numero A4, dove sono eseguite le misurazioni (fonte: TRC PRO)

Team of technical experts — Team di esperti tecnici che eseguono la misurazione

Ecco ancora una volta le caratteristiche principali della soluzione di misura HBM implementata:

Facile e rapida da usare
Facile setup e utile diagnosi
Risoluzione, precisione e velocità elevate
Canali calcolati all’interno del dispositivo:

Segnali dinamici e segnali filtrati
Calcolo della coppia dalle misurazioni della deformazione
Calcolo della forza dalle misurazioni della deformazione
Calcolo della potenza dalle misurazioni di coppia e velocità di rotazione
Sviluppo di un’applicazione per visualizzazione web per archiviare i dati senza un PC e visualizzazione su un PC, tablet o smartphone (qualsiasi dispositivo con web browser).