Monitorización inteligente de una central hidroeléctrica
Nuevas tecnologías para un vehículo eléctrico más eficiente
junio 1, 2018
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junio 1, 2018CDIF UPC ha trabajado en el impacto del funcionamiento de las turbinas de la central hidráulica MICA realizando una monitorización inteligente que, además de detectar fallos incipientes y reducir los costes asociados al mantenimiento, puede estimar para cada zona de operación los efectos sobre la máquina en términos de desgaste, erosión o fatiga, facilitando la toma de decisiones.
De acuerdo con el libro Blanco de 1997, la UE se marcó como objetivo para 2010 satisfacer el 12% de las necesidades de consumo de energía y el 22,1% de las de consumo eléctrico a partir de fuentes renovables, fijando objetivos para cada Estado miembro en la Directiva 2001/77/CE. Los resultados obtenidos quedaron muy por debajo de las expectativas, por lo que en la Comunicación de 10 enero de 2007, titulada «Programa de trabajo de la energía renovable - Las energías renovables en el siglo XXI: construcción de un futuro más sostenible», la Comisión propuso para 2020, dos objetivos vinculantes: el 20% de fuentes de energía renovables en el consumo de energía de la Unión y el 10% de biocarburantes en el consumo de combustibles en el transporte, así como la creación de un nuevo marco legislativo.
Este marco ha contribuido a la irrupción de manera significativa de estas nuevas fuentes de generación de energía renovable, en especial la solar y la eólica, en la generación de electricidad.
Para compensar la naturaleza estocástica de estas fuentes de energía (dependen de las condiciones meteorológicas) se necesitan fuentes que puedan estabilizar la red eléctrica, aportando energía cuando no hay sol o no sopla el viento o almacenando energía en horas de bajo consumo. Las turbinas hidráulicas y las turbinas-bomba son componentes técnicos clave para contribuir a la estabilidad de la red y por la introducción de la energía renovable intermitente de las nuevas renovables.
En este contexto, la energía hidroeléctrica contribuye a la producción de energía renovable y aporta un almacenamiento energético altamente dinámico, requisitos que permiten una inyección de energía fotovoltaica y eólica en la red eléctrica manteniendo su estabilidad. Para estas funciones se requiere que las turbinas puedan regular entre la potencia mínima y la máxima. Esto es lo que se llama "generación flexible". En este contexto la generación hidráulica es un actor clave, ya que es capaz de proveer energía con un tiempo de respuesta inmediato y en la cantidad de energía requerida cuando no hay suficiente abastecimiento. Esto es así gracias a que una turbina de una de estas centrales puede entrar en funcionamiento en poco tiempo y producir energía a la potencia que el controlador determine.
Las turbinas hidráulicas, como todas las turbomáquinas, funcionan en condiciones óptimas cuando trabajan cerca de su punto de diseño. Fuera de estos rangos de potencia y en puntos de funcionamiento extremos como carga parcial baja o en sobrecarga, aparecen fenómenos de flujo complejos con mucha turbulencia y cavitación, que producen fuerzas dinámicas muy elevadas sobre la máquina. En estas condiciones de funcionamiento se producen deformaciones y tensiones en los rodillos y vibraciones que pueden provocar daños o reducir considerablemente su vida útil.
El Centro en Diagnóstico Industrial en Fluidodinámica (CDIF UPC) ha trabajado en el impacto que tienen este funcionamiento en las turbinas de la central hidráulica MICA, situada a 135km de Revelstoke, en la región de British Columbia (Canadá), dentro del proyecto europeo HYPERBOLE. MICA está operada por BCHydro y tiene una capacidad de generar 2.805MW a partir de las 6 turbinas con las que cuenta. En el momento de su construcción, en 1974, fue la segunda central más grande del mundo.
Por una parte, se instaló un sistema de monitorización. Por otra, se realizaron unas medidas experimentales en una de las turbinas de la central capaz de generar casi 500 MW a potencia máxima. Se midieron simultáneamente más de 70 canales de vibraciones, desplazamiento, presiones, tensiones en el carrete, fluctuaciones de par en el eje, ruido o potencia, para estudiar su comportamiento para las diferentes condiciones de operación. También se elaboró un modelo numérico para estudiar el comportamiento dinámico del grupo, aplicando las fuerzas dinámicas del fluido sobre la estructura de la turbina, permitiendo simular las deformaciones y vibraciones que se producen. Este modelo numérico se contrastó con las pruebas experimentales realizadas con la máquina en funcionamiento.
A partir de estos datos y del modelo, se desarrolló una mejora del sistema de monitorización de la turbina. La información que recogen los captadores se registra en la unidad de monitorización en la propia central, a las que se puede acceder de manera remota. Con los datos se calculan unos parámetros de control y unos "índices de la salud" de la máquina que indican para cada zona de funcionamiento los efectos sobre el rodillo (tensiones), la cavitación erosiva, la degradación de los cojinetes, así como la detección precoz de fenómenos inestables que pueden producir fluctuaciones en la potencia suministrada a la red.
Esta monitorización inteligente, además de detectar fallos incipientes y reducir los costes asociados al mantenimiento, puede estimar para cada zona de operación los efectos sobre la máquina en términos de desgaste, erosión o fatiga.
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