Monitoramento da usina hidrelétrica com HBM: Medindo a eficiência das lâminas da turbina

Melhore a Eficiência de uma Usina de Energia Elétrica e Ajude a Aumentar o uso de Energia Verde

Esta história nos diz como a eficiência de uma usina de energia elétrica existente aumentou em até 10%, usando a moderna tecnologia de medição de strain e o sistema de medição PMX. A Central Hidrelétrica Iron Gate I (Djerdap Gorge) é a maior barragem do rio Danúbio e uma das maiores usinas hidrelétricas da Europa. Está localizado no desfiladeiro Iron Gate, entre a Romênia e a Sérvia.

O projeto começou em 1964 como joint venture entre os governos da Romênia e da Iugoslávia para a construção de uma grande barragem no rio Danúbio, que servirá ambos os países. No momento da conclusão em 1972, era uma das maiores usinas hidrelétricas do mundo com doze unidades gerando 2.052 MW, divididas igualmente entre os dois países em 1.026 MW cada.

A "Iron Gate" / Djerdap Gorge dam. Fonte: Shutterstock

Soluções de mecanização anteriores atingem seus limites

Depois de estar em operação por mais de 30 anos, o projeto de revitalização de seis turbinas começou na Sérvia em 2009. O objetivo era aumentar a potência instalada, bem como a eficiência em 10%. As turbinas instaladas em Đerdap1 são turbinas Kaplan antigas com lâminas ajustáveis, e o design antigo precisava de mudança e otimização. O objetivo era determinar, através de testes extensivos de estados operacionais, onde a proporção de eletricidade produzida e água consumida era a maior. Para isso, o IEENT (Instituto de Nikola Tesla em Belgrado), em cooperação com a MFB (Faculdade de Ciências Mecânicas, Universidade de Belgrado) e TRC PRO (Centro de Pesquisa Técnica), projetou um conceito de como medir a eficiência em tempo real em condições de trabalho. Para obter o maior impacto e aumentar a produção de energia da turbina, o projeto mecânico das lâminas da turbina foi calculado e projetado de acordo com os padrões mais recentes.

Especialistas de medição em atividade — Equipe de especialistas técnicos realizando a medição.Imagem: TRC

Rotor da turbine — Rotor da turbina sendo preparado e reconstruído com novas lâminas. Fonte: TRC

Tecnologia confiável de sensores

A ferramenta básica para a medição são strain gauges, que são instalados diretamente na fase de entrada da roda de turbina. Os strain gauges têm a vantagem de oferecer uma alta estabilidade a longo prazo. Isso é importante neste projeto porque eles trabalham em uma operação praticamente infinita da planta, além de não ser eficiente parar a turbina para uma recalibração.

Na primeira medição de strain gauge foi realizada a medição do torque.
Na segunda medição de strain gauge foram realizadas as medidas de força e velocidade axiais no estágio de entrada da turbina.

Os strain gauges para o torque e medida da força axial foram posicionados no eixo entre a roda da turbina e o gerador (acima da roda da turbina e abaixo do gerador). Eles foram colocados em quatro eixos (vista de cima: quatro pontos igualmente espaçados na circunferência).

Para a medição de torque, os engenheiros decidiram utilizar o strain gauge HBM XY41-3/700. Duas pontes completas de strain gauge trabalhando em conexão paralela.

Para a medição da força axial, os engenheiros escolheram o strain gauge tipo XY31-3/350. Quatro pontes completas de strain gauge trabalhando em conexão paralela.

Strain gauge instalado no eixo 1 — Eixo 1

Strain gauge instalado no eixo 2 — Eixo 2

Strain gauge instalado no eixo 3 — Eixo 3

Strain gauge instalado no eixo 4 — Eixo 4

Após a instalação dos strain gauges no eixo, eles receberam uma proteção elétrica com uma cobertura especial. Neste ambiente hostil, para blindar a medição dos strains gauges contra interferências eletromagnéticas, uma cobertura final foi colocada nas áreas de medição.

Como o eixo da turbina gira em condições de trabalho, os engenheiros tiveram que encontrar uma maneira segura de transmitir o sinal muito pequeno dos strain gauges para o sistema amplificador de medição PMX. Além disso, foi instalado um sistema de telemetria, que envia os sinais de medição sem fio do eixo giratório para o receptor.

Funcionando com HBM

Eixo que conecta a roda da turbina e o gerador (onde os strain gauges estão instalados)

O sistema de medição e controle precisa realizar várias tarefas, como medidas rápidas e confiáveis, configuração fácil, cálculos em tempo real, informações de diagnóstico, sem a instalação de software adicional e com preços atrativos. Estes requisitos podem ser cumpridos com o Sistema de medição e controle PMX.

No primeiro passo, o PMX foi usado como um amplificador de quatro canais para entradas de tensão. A primeira entrada foi a tensão do sistema de telemetria para medições de torque usando os strain gauges instalados na turbina. A segunda entrada foi o sistema de telemetria para a medição de força axial na turbina e a terceira entrada foi a velocidade rotacional. Todos os sinais foram amostrados com 19,2 kHz, o que garante uma alta largura de banda de sinal e avaliação dos sinais de medição.

Todos os ajustes do sistema PMX são processados através da interface Ethernet padrão e do servidor web interno do PMX. Esta solução oferece o benefício de ajustes feitos através da rede da máquina ou mesmo remotamente se uma rede Wi-Fi adicional estiver disponível. Então, cada engenheiro teve uma visão em tempo real da aplicação e do status do teste. Um controle integrado do operador garantiu a operação segura.

Ponto de medição protegido (um dos quatro) com sistema de telemetria.

Rack elétrico com o HBM — Rack elétrico com o PMX

Poderoso cálculo em tempo real com as "Smart Functions" do PMX

No segundo passo, as informações desejadas e relevantes tiveram que ser calculadas em tempo real. Isto pode ser feito com as Funções Inteligentes do PMX, que pode ser usado pelo operador com muita facilidade sem ter habilidades de software extensas. Elas oferecem várias funções matemáticas, como uma calculadora de bolso, funções lógicas e avaliações de processos até funções de controle, como o controlador PID.

Para calcular a potência mecânica, a seguinte fórmula pode ser usada:

Unidades: P: W; M: Nm; n: rpm.

Tela do servidor web do PMX — Visão geral do servidor web PMX com sinais de medição, sinais calculados e sinais de E/S.

Servidor web PMX com os cálculos de energia

Instalação segura e diagnóstico

Como proteção adicional contra poeira e EMI, o amplificador PMX foi montado em um gabinete, que inclui a alimentação do sistema de telemetria também.

O vidro no armário permite uma visão direta para o PMX e a indicação do LED de diagnóstico. Esta é uma indicação fácil e rápida para determinar um erro potencial no dispositivo e o estado da medição. Esta é uma grande vantagem para os engenheiros de serviço, pois podem obter informações rápidas sem usar nenhum equipamento de teste adicional.

Um diagnóstico detalhado e profundo é armazenado no arquivo de registro do PMX. Este arquivo é armazenado na memória interna do PMX. Abrange todos os erros do dispositivo e da medição, bem como quaisquer alterações de parametrização feitas pelos operadores. Isto permite 100% de cobertura de todo o teste e processo de medição.

"Achamos o servidor web do PMX uma ferramenta muito útil para parametrização, configuração e controle. Não precisávamos de nenhum software adicional e poderíamos usar o navegador web padrão no tablet ou no smartphone do nosso PC. E está permanentemente disponível em tempo real em toda a área da planta", diz Hotimir Licen da TRC PRO.

Processo de aquisição de dados e avaliação

Nos requisitos, a equipe de engenharia definiu um software de aquisição e avaliação de dados que fosse fácil de usar, robusto e poderoso, que deveria capturar todos os sinais de medição a toda velocidade, bem como os canais calculados do sistema PMX. Estes canais são calculados em tempo real, o que significa que eles são calculados com a mesma velocidade que os sinais de medição. Além disso, o software teria que ser capaz de visualizar e armazenar todos os dados e gerar um relatório impresso sob demanda.

Todos os dados foram capturados com o software de aquisição de dados catman da HBM:

Captura da tela de aquisição de dados no HBM catman — Captura de tela da aplicação HBM catman para torque e medição de força axial durante a aquisição de dados com PMX

Capturas de tela do software catman — Capturas de tela da aplicação catman para torque e medição de força axial durante a aquisição de dados com PMX

Gravação no catman (Captura de tela) — Gravação em HBM catman com inicialização da turbina A4: Torque, força axial, velocidade de rotação e potência calculada

After finishing the project on A4, efficiency tests were performed and new turbine characteristics were determined.

Turbine and generator number A4, where measurements are performed (source: TRC PRO)

Team of technical experts performing measurements

Aqui estão mais uma vez os destaques da solução de medição HBM implementada:

Implementação rápida e fácil
Configuração fácil e diagnóstico útil
Alta resolução, precisão e velocidade
Canais calculados dentro do dispositivo:
- Sinais dinâmicos e sinais filtrados
- Cálculo de torque a partir de medidas de deformação
- Cálculo de força a partir de medidas de deformação
- Cálculo de energia a partir do torque e da medição da velocidade rotacional
- Desenvolvimento de aplicativos de visualização na Web para armazenamento de dados sem PC e visualização em um PC, tablet ou smartphone (qualquer dispositivo com o navegador web).