Monitorització intel·ligent d’una central hidràulica
Noves tecnologies per a un vehicle elèctric més eficient
juny 1, 2018
Monitorització intel·ligent de les plantes siderúrgiques de Celsa Group
juny 1, 2018CDIF UPC ha treballat en l’impacte del funcionament de les turbines de la central hidràulica MICA realitzant un monitoratge intel·ligent que, a més de detectar fallades incipients i reduir els costos associats al manteniment, pot estimar per a cada zona d’operació els efectes sobre la màquina en termes de desgast, erosió o fatiga, facilitant-ne la presa de decisions.
D’acord amb el llibre Blanc de 1997, la UE es va marcar com a objectiu a per al 2010 satisfer el 12% de les necessitats de consum d'energia i el 22,1% de les de consum elèctric a partir de fonts renovables, fixant objectius indicatius per a cada Estat membre en la Directiva 2001 / 77 / CE. Els resultats obtinguts van quedar molt per sota de les expectatives, de manera que en la Comunicació de 10 gener de 2007, titulada «Programa de treball de l'energia renovable - Les energies renovables al segle XXI: construcció d'un futur més sostenible», la Comissió va proposar, per al 2020, dos objectius vinculants: el 20% de fonts d'energia renovables en el consum d'energia de la Unió i el 10% de biocarburants en el consum de combustibles en el transport, així com la creació d'un nou marc legislatiu.
Aquest marc ha contribuït a la irrupció de manera significativa d’aquestes noves fonts de generació d’energia renovable, en especial la solar i la eòlica, en la generació d’electricitat.
Per a compensar la naturalesa estocàstica d’aquestes fonts d'energia (depenen de les condicions meteorològiques) es necessiten fonts que puguin estabilitzar la xarxa elèctrica, aportant energia quan no hi ha sol o no bufa el vent o emmagatzemant energia en hores de baix consum. Les turbines hidràuliques i les turbines-bomba són components tècnics clau per contribuir a l’estabilitat de la xarxa i per la introducció de l'energia renovable intermitent de les noves renovables.
En aquest context, l'energia hidroelèctrica contribueix a la producció d'energia renovable i aporta un emmagatzematge energètic altament dinàmic requisits que permeten una injecció de energia fotovoltaica i eòlica a la xarxa elèctrica mantenint la seva estabilitat. Per aquestes funcions es requereix que les turbines puguin regular entre la potència mínima i la màxima. Això és el que s’anomena “generació flexible”. En aquest context la generació hidràulica n’és un actor clau, ja que és capaç de proveir energia amb un temps de resposta immediat i a la quantitat d’energia requerida quan no hi ha prou proveïment. Això és així gràcies a que una turbina d’una d’aquestes centrals pot entrar en funcionament en poc temps i produir energia a la potència que el controlador determini.
Les turbines hidràuliques, com totes les turbomàquines, funcionen en condicions òptimes quan treballen al voltant del seu punt de disseny. Fora d’aquests rangs de potència i en punts de funcionament extrems com a càrrega parcial baixa o en sobrecàrrega, apareixen fenòmens de flux complexos amb molta turbulència i cavitació, que produeixen forces dinàmiques molt elevades sobre la màquina. En aquestes condicions de funcionament es produeixen deformacions i tensions als rodets i vibracions que poden provocar danys o reduir considerablement la seva vida útil.
El Centre en Diagnòstic Industrial en Fluidodinàmica (CDIF UPC) ha treballat en l’impacte que tenen aquest funcionament en les turbines de la central hidràulica MICA, situada a 135km de Revelstoke, a la regió de British Columbia (Canadà). MICA està operada per BCHydro té una capacitat de generar 2.805MW a partir de les 6 turbines amb les que compta. En el moment de la seva construcció, en 1974, va ser la segona central més gran del món dintre del projecte europeu HYPERBOLE.
Per una part es va instal·lar un sistema de monitoratge i per l’altre es van realitzar unes mesures experimental en una de les turbines de la central capaç de generar casi 500 MW a potència màxima. Es van mesurar simultàniament més de 70 canals de vibracions, desplaçament, pressions, tensions al rodet, fluctuacions de parell a l’eix, soroll, potència per estudiar el seu comportament per les diferents condicions d’operació. També es va elaborar un model numèric per estudiar el comportament dinàmic del grup, aplicant les forces dinàmiques del fluid sobre l’estructura de la turbina, permetent simular les deformacions i vibracions que es produeixen. Aquest model numèric es va contrastar amb les proves experimentals fetes amb la màquina en funcionament.
A partir d’aquestes dades i amb el model es va desenvolupar, una millora del sistema de monitoratge de la turbina. La informació que recullen els captadors es registra en la unitat de monitoratge en la pròpia central, a les quals s’hi pot accedir de manera remota. Amb les dades es calcules uns paràmetres de control i uns “índexs de la salut” de la màquina que indiquen per cada zona de funcionament els efectes sobre el rodet (tensions), la cavitació erosiva, la degradació dels coixinets així com la detecció precoç de fenòmens inestables que poden produir fluctuacions en la potència subministrada a la xarxa.
Aquest monitoratge intel·ligent a més de detectar fallades incipients i reduir els costos associats al manteniment, pot estimar per a cada zona d’operació els efectes sobre la màquina en termes de desgast, erosió o fatiga.
Proyectos Relacionados
- El grup de recerca Barcelona Fluids & Energy Lab (IFLUIDS) i el Centre d'Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA) de la UPC participen en el projecte europeu H-HOPE, centrat en el desenvolupament de solucions per produir energia neta a partir de fonts hídriques encara sense explotar, com ara canonades i canals d’aigua.
- Combinar l'activitat agrícola i la producció d'energia solar a partir de plaques fotovoltaiques és l’objectiu de SYMBIOSYST, un projecte impulsat per un consorci de 16 socis europeus entre els quals s’inclou la UPC. En el marc d’aquest projecte, es desenvoluparan eines tecnològiques per contribuir a generar energia neta per al sector agrícola a Europa.
- La producció de biogàs a partir de la digestió anaeròbia està experimentant un creixement exponencial a Europa en els últims anys, ja que pot ser produït localment i perquè té un clar efecte positiu sobre el reciclatge dels residus, la generació d'energia neta, el desenvolupament sostenible o l'acció pel clima. En aquest context es desenvolupa el projecte FertiLab, en el qual participen investigadors del Departament d'Enginyeria Agroalimentària i Biotecnologia (DEAB) de la UPC.
- La flexibilitat dels sistemes elèctrics és fonamental en el procés de transició energètica cap a models de generació d’energia més sostenibles. La Comissió Europea promou el desenvolupament de solucions que donin resposta als reptes de la gestió de les xarxes de distribució elèctrica del futur sistema energètic basat en fonts renovables. Una quota cada vegada més gran de generadors d’electricitat fluctuant, com els sistemes eòlic i solar, fa que sigui més difícil calcular les càrregues que s’estan alimentant.
