Identificación de variables mecánicas de condición y de operación para el monitoreo de centrales hidroeléctricas

Abstract

Alrededor de 20% de la energía del mundo es generada por turbinas hidroeléctricas. Como el mercado energético y la disponibilidad de los recursos hídricos son muy variables, las turbinas suelen funcionar con rangos de operación amplios. Sin embargo, estas son diseñadas sólo para un punto óptimo. La operación fuera de las condiciones de diseño puede causar perdida de eficiencia, cavitación o vibraciones excesivas, dañinas para la instalación. Los fenómenos antes mencionados son los que motivan este estudio: Generalmente el operador de una unidad hidroeléctrica ajusta el caudal para cumplir con los requerimientos de potencia impuestos por el ente regulador, dentro de lo que el recurso permite, manteniendo la velocidad de giro de la turbina constante para generar a 50Hz. Este tipo de control pasa por alto el deterioro que puede sufrir la unidad al operar en ciertos rangos de caudal o altura. El objetivo de este trabajo es detectar mediante análisis de vibraciones, la ocurrencia de eventos de cavitación o vibraciones excesivas que acortan el tiempo medio entre fallas de la unidad. Para lograrlo se estudió una instalación de laboratorio en múltiples condiciones de carga para obtener patrones. Luego, en base a estos se tomaran datos en una central hidroeléctrica y se evaluará su condición. El resultado final del trabajo es definir una forma de detectar incipientemente episodios de cavitación en la central, pudiendo evitar los regímenes de carga responsables de ellos y así prevenir la acumulación de daños o desgaste prematuro. El trabajo comprendió: pruebas en una turbina de laboratorio, cambiando carga, caudal y RPM de operación. Posteriormente, para aplicar este modelo se tomaron datos, siguiendo el mismo protocolo, en la Central Chiburgo del grupo Colbún. A partir de los datos de laboratorio se observa que, comparando medidas a distintas condiciones de operación, la cavitación es claramente identificable. No obstante, para establecer un patrón que permita determinar en base a una sola medida la condición del flujo, se requiere analizar diferentes variables y parámetros estadísticos como: Skewness, Kurtosis, aceleración global o crest-factor. El análisis de emisiones acústicas permite de igual manera -y directamente en tiempo real- detectar problemas. Los parámetros que permiten identificar cavitación son monitoreables en tiempo real y permiten realizar un diagnóstico por parte del operador. La Kurtosis resultó ser una herramienta potente ya que permite detectar la aparición de cavitación incipientemente, antes de que los otros parámetros la revelen. La variación de RPM permite mejorar una condición de cavitación cuando se trabaja con caudal cercano al mínimo técnico, y podría permitir generar de forma segura aunque no se alcancen las condiciones establecidas por el fabricante.