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Cómo el mantenimiento avanzado puede mejorar la eficiencia de los sistemas de energía hidráulica

Un mayor enfoque en el control de las emisiones de gases de efecto invernadero, junto con el aumento de la demanda de electricidad y el lento avance en los proyectos nucleares está llevando a una expansión de las fuentes alternativas de energía renovable. Actualmente lidera el paquete la hidroelectricidad, cuyos principios básicos se comercializaron en los últimos 1880 y ahora representa alrededor del 16% de la capacidad global de generación de electricidad.

Una de las ventajas de Hydro-power es en realidad la era de su tecnología de nivel básico; como un método de generación madura, el equipo está probado y, aunque una gran parte de él se debe renovar, significa que los refinamientos en los materiales y las técnicas de fabricación se pueden aplicar a las instalaciones existentes.

Ahora se puede incorporar eficiencia de generación mejorada y longevidad durante el mantenimiento de rutina, entregando aumentos de 10% en la producción de energía de la misma fuente, sin reinvertir en hardware de reemplazo, seguramente un beneficio mutuo para la industria. Cabe señalar que no todos los reparadores ofrecen el mismo nivel de servicio y experiencia, por lo que los operadores de hidrogeneradores deben elegir cuidadosamente.

Base instalada

La variedad de plantas es enorme, desde la rueda Pelton más pequeña hasta la central hidroeléctrica más grande del mundo, la represa 22,500MW Three Gorges en China. Sin embargo, el principio sigue siendo el mismo, usar agua corriente para encender una turbina y generar electricidad. La clave para una instalación exitosa es la eficiencia y la confiabilidad, que se benefician de los últimos avances tecnológicos en el sector.

En los últimos años, muchos proyectos hidroeléctricos han comenzado a operar de formas que no se habían previsto durante su diseño original y se han hecho posibles nuevas instalaciones mediante mejoras en la tecnología. Por supuesto, aún se necesita trabajo para determinar cómo se puede mejorar el equipo a través de la tecnología de nuevos materiales, así como para identificar acciones y herramientas para predecir y prevenir fallas.

Tecnología de turbina

A medida que la hidroelectricidad aumenta su popularidad, crece la demanda de nuevas instalaciones. Gracias a las deficiencias inherentes con la tecnología tradicional, puede no ser adecuado para satisfacer estas demandas en algunos lugares, como aquellos con grandes poblaciones de peces. Aquí, los programas de desarrollo, como el proyecto de turbina Alden, han producido nuevos diseños que mejoran significativamente la tasa de mortalidad de los peces que viajan corriente abajo mientras que también mejoran la eficiencia de generación.

La investigación en turbinas hidráulicas también ha producido un nuevo criterio de diseño amigable con los peces para las turbinas Kaplan y Francis que pueden incorporarse en unidades durante proyectos de reconstrucción o en nuevas instalaciones hidroeléctricas. En los EE. UU., El Departamento de Energía (DOE) ha implementado un nuevo programa hidroeléctrico denominado "Programa avanzado de sistemas de turbinas hidroeléctricas" (AHTS) que busca desarrollar tecnología para maximizar el uso de la energía hidroeléctrica y minimizar los efectos ambientales.

La renovación de los conjuntos de turbinas existentes ahora puede incluir la última tecnología de materiales, como el sistema de recubrimiento de combustible de alta velocidad (HVOF), que utiliza materiales de carburo de tungsteno. Este y otros sistemas similares de protección contra el desgaste y el revestimiento se pueden utilizar para proteger las turbinas de agua y los tubos de aspiración contra la erosión del sedimento generado por el agua y reducir los efectos de la cavitación para las turbinas Pelton, Kaplan y Francis.

Mejorando la eficiencia del generador

Se han realizado avances en el diseño y la construcción de las bobinas del estator de alta tensión utilizadas dentro del generador, lo que puede proporcionar una mayor eficiencia y fiabilidad. La fabricación de bobinas de alta tensión es una ciencia muy precisa; los métodos de diseño y construcción variarán entre los proveedores, al igual que los procedimientos de prueba, que constituyen la mayor parte de la prueba que el cliente tiene de la calidad del producto terminado.

Obviamente, cuando las reparaciones no son planificadas, la velocidad es crucial para que el equipo vuelva a funcionar, pero esto no se puede lograr en detrimento de la calidad, lo que tiene implicaciones mucho más duraderas. Con respecto a los protocolos de prueba para estas bobinas de alta tensión, la industria hidroeléctrica trabaja con estándares más altos que algunos sectores industriales.

Por ejemplo, el Centro de Servicio de Sulzer en Birmingham, donde las bobinas de repuesto se fabrican para su uso en todo el mundo, somete sus bobinas a una serie de pruebas exigentes tanto internas como por expertos en pruebas externas para garantizar el cumplimiento de estos estándares y en la mayoría de los casos superados. para entregar un producto garantizado

El mantenimiento de altos estándares de diseño y construcción tiene una serie de beneficios clave, especialmente la confiabilidad y la eficiencia operativa. Emplear un proceso de medición continua contra la especificación a lo largo del proceso de fabricación asegurará un ajuste inicial correcto así como un servicio confiable continuo.

Los avances en la estructura de la bobina y el aislamiento mejoran la longevidad

Además de la miríada de pequeñas diferencias en diseño, construcción y materiales de un fabricante a otro, hay dos métodos distintos de aislamiento de bobinas en la construcción del generador. Vale la pena centrarse en este aspecto de la reparación del generador, ya que puede marcar una gran diferencia en la eficiencia y el rendimiento de una unidad, a menudo sin tener que reemplazar los otros componentes principales.

Las bobinas o barras de repuesto se fabricarán utilizando el sistema de aislamiento con resina calentado y prensado individualmente o un método de baño de resina impregnado con vacío a presión (VPI). Mientras que las aplicaciones más pequeñas pueden preferir el método VPI, esto puede volverse inmanejable para instalaciones más grandes como grandes generadores.

El diseño y la construcción de la bobina rica en resina proporciona un control preciso de las dimensiones de la bobina dentro de la ranura, lo que, combinado con una buena práctica de bobinado, minimiza cualquier hueco entre la bobina y la ranura; lo que resulta en un buen control de la actividad de descarga parcial (PD) dentro de la ranura. La DP es uno de los principales modos de falla del aislamiento en máquinas rotatorias, lo que lo convierte en un buen indicador de la vida útil normal.

La bobina rica en resina usa una cinta de mica infundida con resina epoxi para la ranura, mientras que la resina para las bobinas contiene un flexibilizador que proporciona un pequeño grado de flexibilidad dentro de la resina, haciéndola menos susceptible al agrietamiento final que se observa en bobinas VPI más grandes. Las cintas de enrollamiento flexible permiten que la bobina se ajuste ligeramente durante la instalación en el estator, lo que garantiza una separación más uniforme entre los lados de la bobina en el bobinado final.

La resina epoxi es más susceptible a la actividad de PD en comparación con la mica, por lo que las bobinas ricas en resina, que contienen menos resina que el equivalente de VPI, proporcionan una mejor resistencia a la actividad de descarga parcial. En la mayoría de los casos, el uso de materiales aislantes modernos mejorará el rendimiento dieléctrico y térmico en comparación con los utilizados por el OEM durante la fabricación original.

También se puede mejorar el control de las pérdidas parásitas cambiando el método de transposición de la bobina del estator para reducir las pérdidas de corriente circulante (un proceso llamado transposición de Roebel), o cambiando las cubiertas de los devanados por un material no magnético. El software de diseño mejorado y los modernos equipos de bobinado también contribuyen a entregar bobinas de estator con una construcción más eficiente y robusta.

Laminación del núcleo del estator

No solo los bobinados del estator pueden influir en la eficiencia del generador, también el diseño y la construcción del núcleo del estator tienen influencia. Como parte de una renovación del generador, es esencial que la inspección y las pruebas se lleven a cabo en el núcleo del estator y el rotor. Estos pueden resaltar cualquier problema con la integridad del núcleo del estator que puede tener que ser reemplazado antes de poder instalar cualquier bobina.

La reconstrucción del núcleo utilizando nuevos segmentos de laminación que se fabrican a partir de un grado específico de pérdida de acero magnético puede dar como resultado una reducción de pérdidas 10% en comparación con el material utilizado en la construcción original. Además, las bobinas del campo del rotor se pueden desmontar y volver a aislar con materiales aislantes de clase F mejorados.

Sulzer también puede rediseñar, fabricar y ajustar nuevos sistemas de excitación de CA para reemplazar los sistemas de CC. El principal beneficio de este cambio es eliminar la posibilidad de que los depósitos de las escobillas de carbón contaminen los componentes del estator y del rotor; un beneficio adicional es la reducción en el tiempo de mantenimiento del engranaje del cepillo, lo que brinda tiempo de actividad adicional al generador.

El uso de materiales modernos tanto para el núcleo del estator como para el aislamiento ayuda a asegurar el funcionamiento confiable continuo de una instalación después de que el generador ha sido restaurado, pero también puede aumentar la producción máxima del generador recientemente reparado en más de 10%.

Prueba de alto voltaje para generadores Hydro

Las bobinas del estator se pueden probar de forma independiente antes de su instalación, lo que le brinda al centro de reparaciones y al cliente la tranquilidad de que cada bobina ha superado las numerosas pruebas disponibles.

La prueba eléctrica de la bobina completa incluye el Tan d, que es una medida de la integridad del aislamiento de la pared de la ranura, donde una cifra más baja indica una bobina de mejor calidad. En Sulzer, la cifra alcanzada es siempre inferior a la mitad del estándar internacional, con el objetivo de realizar menos de un tercio del estándar.

Se pueden realizar pruebas adicionales en bobinas de generación de energía por laboratorios independientes, incluida la prueba de resistencia térmica, que se lleva a cabo en 30kV durante horas 500, una tarea bastante simple para una bobina de alta calidad. Sin embargo, se realiza una prueba más ardua en 35kV durante horas 250, sin embargo, todas las bobinas proporcionadas por Sulzer también han superado este estándar.

En la mayoría de los casos, el cliente especificará los parámetros de prueba para las bobinas, que normalmente se especifican para operar en 11kV. Como evaluación inicial, las bobinas se someten a 23.9kV durante horas 400 mientras se calientan a la temperatura de funcionamiento normal, alrededor de 120 ° C. Esta prueba está de acuerdo con el exigente estándar IEEE 1553, que se refiere específicamente a las bobinas de los generadores hidroeléctricos.

Las bobinas adicionales pueden someterse inicialmente a la prueba de resistencia, que evalúa la capacidad de las bobinas para operar en condiciones de sobrevoltaje que pueden esperarse durante su vida útil. Se espera que las bobinas pasen esta prueba que se realiza en 28kV, así como otra prueba en 60kV y una prueba de devanado final en 22kV, sin problemas detectables con el aislamiento. Si bien las normas IEEE establecen el marco para estas pruebas, el cliente especifica las tensiones y duraciones de prueba exactas para garantizar que las bobinas cumplan con los requisitos de la aplicación individual.

Equilibrio de rotor de alta velocidad

A medida que el estator se completa, la atención recae en el rotor, que también puede beneficiarse de la tecnología mejorada de materiales de aislamiento. Las bobinas de campo del rotor normalmente se reinsularán como parte de un proyecto de renovación junto con el reemplazo de cualquier componente dañado. Claramente, el rotor tendrá que ser reequilibrado antes de volver al servicio.

El equilibrio dinámico de elementos giratorios es un aspecto importante de la fabricación y la reparación de cualquier maquinaria turbo. Un elemento giratorio que está desequilibrado puede causar dificultades operativas importantes, lo que puede impedir la puesta en marcha puntual de una instalación si se tiene que volver a equilibrar. Además, el elemento desequilibrado puede causar daños internos que privarán a la máquina de su eficiencia de diseño, reducirán la confiabilidad de la máquina y aumentarán los costos de operación y mantenimiento.

Para cualquier aplicación que requiera un equilibrio de alta velocidad, este proceso requiere un búnker de equilibrio especializado, pero muy pocos de estos están disponibles para el mercado de reparación independiente. A nivel mundial, Sulzer ha invertido en una cantidad de pozos de compensación de exceso de velocidad que se pueden utilizar como parte de cada proyecto de reparación para sus clientes. Aunque, debido a su rareza, Sulzer también los puso a disposición de los OEM y otros clientes. Cada pozo está equipado con electrónica avanzada y diagnósticos para proporcionar capacidades de detección de problemas de última generación.

Sistemas de almacenamiento por bombeo

Normalmente se utiliza como generación de relleno en los momentos de mayor demanda, aunque verde en términos de generación, obviamente consumen energía cuando se bombea agua nuevamente al almacenamiento de alto nivel. La eficiencia en los motores, conjuntos de bombas y generadores es crucial para la viabilidad de una instalación, ya que normalmente se ejecutan con márgenes de porcentaje muy bajos. Una mejora en la generación, o la eficiencia de bombeo, especialmente durante el trabajo de mantenimiento de rutina podría hacer la diferencia entre un sitio viable o no.

Algunas instalaciones de almacenamiento por bombeo utilizan turbinas y bombas separadas, mientras que otras emplean turbinas / generadores reversibles que pueden actuar como bomba y turbina. Un enfoque alternativo rentable es utilizar una bomba centrífuga de funcionamiento inverso, que puede mejorar la eficiencia del ciclo de bombeo y así reducir los costos de operación.

El mantenimiento de estas bombas y los generadores asociados requiere experiencia y experiencia, así como el acceso a las últimas innovaciones en el diseño de bombas, que Sulzer, como uno de los principales fabricantes de bombas del mundo, puede ofrecer.

Mantenimiento preventivo

Una central eléctrica necesita optimizar la producción para satisfacer la demanda de la manera más eficiente posible, pero inevitablemente llega un momento en que se requerirán reparaciones de mantenimiento, ya sean eléctricas o mecánicas. Por lo tanto, se puede combinar un programa de mantenimiento preventivo periódico con técnicas de monitoreo de condición para mejorar la confiabilidad y longevidad del equipo.

El empleo de una gama de equipos de monitoreo de condiciones, combinado con técnicas de análisis adecuadas, puede proporcionar una evaluación precisa del estado de las turbinas y generadores, lo que permite a los operadores garantizar la producción continua. Una de las herramientas más útiles es el análisis de vibración, que puede indicar problemas potenciales con rodamientos y grandes piezas giratorias; combinado con imágenes térmicas, puede producir una indicación precisa del estado general de la planta.

Las pruebas adicionales de los devanados eléctricos, especialmente el análisis de descarga parcial (DP), también pueden proporcionar información muy útil sobre el estado general del generador. La DP puede causar degradación del aislamiento, que si no se remedia, puede reducir la producción del generador y la falla prematura del sistema de aislamiento puede causar fallas del estator. El uso apropiado del monitoreo de condición proporciona una excelente herramienta de mantenimiento y puede garantizar una salida de generador eficiente.

Estudios termográficos

El uso de cámaras infrarrojas para el mantenimiento predictivo y preventivo es cada vez más común, especialmente cuando se evalúan equipos de alto valor o cuando una falla inesperada puede causar una interrupción considerable. Estas cámaras se pueden utilizar para analizar las temperaturas de funcionamiento de los rodamientos, motores, conexiones eléctricas y otros equipos y, como tales, pueden indicar áreas potenciales de preocupación sin tener que detener ninguna de las máquinas.

Al aplicar tecnología de infrarrojos, los ingenieros solo deben realizar los procedimientos de mantenimiento cuando son necesarios, en lugar de fijos, lo que mejora la eficiencia y reduce los costos de mantenimiento. Sulzer cree que más clientes pueden beneficiarse de esta tecnología y está ofreciendo encuestas termográficas gratuitas a clientes nuevos y existentes.

Soluciones completas de energía hidroeléctrica

Sulzer es un proveedor líder de soluciones de ingeniería para el sector de generación de energía, desde el monitoreo continuo de la condición hasta la finalización de proyectos llave en mano. La compañía ha desarrollado una gran red de centros de servicio capaces de mantener todos los equipos rotativos, como turbinas, generadores, motores y bombas, así como emplear ingenieros experimentados, equipados para completar proyectos en el sitio si es necesario.

La planta de fabricación de bobinas de alto voltaje con sede en el Centro de servicio de Birmingham, emplea un laminador de cobre interno para permitir que la producción de bobinas durante todo el día cumpla incluso con el plazo más ajustado. Utilizando los últimos sistemas de CAD, control de calidad preciso y pruebas exhaustivas, la producción moderna de bobinas puede mejorar significativamente el rendimiento y la eficiencia de cualquier generador que deba ser renovado.

El empleo de la última tecnología de materiales y procesos de fabricación permite al sector de la energía hidroeléctrica maximizar la eficiencia y confiabilidad de la infraestructura existente, así como desarrollar nuevas oportunidades. Sulzer tiene la experiencia, las herramientas y el equipo para brindar soporte de ingeniería a sus clientes para cualquier escala de proyecto, desde la supervisión de la ingeniería hasta la finalización de las reparaciones más grandes para turbinas, generadores y bombas.

Informador de la industria de procesos

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