Monitoreo de Eficiencia en Centrales Hidroeléctricas

Monitoreo de Eficiencia en Centrales Hidroeléctricas
"Uno de los principales beneficios de contar con
este sistema instalado de monitoreo de eficiencia
ha sido la visibilidad del comportamiento de
operación de la unidad de generación en todo
momento y bajo múltiples condiciones de
operación...al poder instrumentar de una forma
mucho más precisa el flujo de agua, se ha logrado
tener una incertidumbre en la medición del 0.5%. "
- Juan Carlos Peñaloza Torres, Lees Lab S.A. de C.V. (http://www.leeslab.com.mx)
El Reto:
Integrar un sistema de adquisición de datos en tiempo real en una central hidroeléctrica para realizar cálculos de eficiencia a una turbina tipo
Francis. El sistema de monitoreo local debe ser capaz de adquirir y realizar cálculos en tiempo real, sobre todo de manera permanente y confiable,
guardando los valores obtenidos de las variables medidas y calculadas en una base de datos. Finalmente, el sistema debe permitir consultas de
información vía Internet a través de un sistema remoto.
Lea el Caso
de Estudio
Completo
La Solución:
Implementar un sistema de medición y análisis en campo basado en la plataforma PAC de National Instruments utilizando la familia Compact
FieldPoint. Esta plataforma para adquisición de señales es una parte crítica del sistema ya que debe de garantizar una lectura continua de las
señales. Las características de expansión, confiabilidad, y operación en condiciones de temperatura y humedad severas en Compact FieldPoint
representaron un factor determinante para su selección. La aplicación de adquisición y análisis de señales está desarrollada combinando diferentes
programas que se ejecutan de manera independiente y, en su conjunto, generan la información para su consulta desde una terminal en un cuarto de
control o a través de un navegador de internet dentro de la intranet de Comisión Federal de Electricidad (CFE). A la fecha, Lees Lab ha instalado
quince sistemas de monitoreo local y remoto en las cuatro diferentes regiones de México. El primero de ellos fue puesto en operación 1 de
Diciembre de 2006 y los restantes tienen en promedio 14 meses operando de manera permanente.
Autor(es):
Juan Carlos Peñaloza Torres - Lees Lab S.A. de C.V. (http://www.leeslab.com.mx)
Introducción
Cuando una turbina de generación hidroeléctrica entra en servicio, ya sea por primera vez o por modernización en alguna de sus partes, como parte del
proceso de recepción es necesario que el cliente final realice una serie de pruebas de aceptación para verificar y validar las garantías que ofrece el
proveedor. Para realizar esto, el fabricante o algún laboratorio autorizado instrumenta la unidad de generación para conocer el comportamiento de la
misma. Esta instalación solo se realiza durante esta etapa y el resultado de estas pruebas es la única referencia para aceptar o rechazar aquello
instalado por los proveedores.
Lees Lab (http://digital.ni.com/worldwide/latam.nsf/b63ef100ab4b5df486256425006883b7/d086e6bb8b6215c486256b0a005909e2?OpenDocument)
pertenece al grupo de Miembros de Alianza PREMIER (http://digital.ni.com/worldwide/latam.nsf/sb/Alliance+Program?OpenDocument&node=165600_esa
) de National Instruments y está ubicada en la ciudad de Querétaro. La empresa tiene 11 años desarrollando proyectos de adquisición y control de datos
atendiendo diferentes industrias, entre ellas la industria de la energía. Ahí se han desarrollado diferentes aplicaciones utilizando plataformas como PXI,
Compact FieldPoint y CompactRIO, y aprovechando la capacidad gráfica de programación de LabVIEW y el Módulo de LabVIEW Real-Time.
Descripción de la Aplicación
Para poder analizar correctamente la eficiencia de una turbina es necesario realizar diferentes cálculos basados en 8 variables físicas:
Flujo, o cantidad de agua que pasa por la tubería que mueve la turbina
Nivel de presa, o embalse
Nivel de descarga de la turbina, o desfogue.
Presión de columna de agua en la tubería, o presión estática
Presión diferencial para utilizar el método indirecto de cálculo de flujo de agua conocido como Winter-Kennedy
Temperatura del agua de la tubería de presión
Potencia activa del generador eléctrico
Posición, o apertura de álabes en la turbina
Con la medición de las señales mencionadas previamente se realiza el cálculo de las siguientes variables requeridas:
Eficiencia del generador eléctrico
Eficiencia de la turbina
Potencia de la turbina
Potencia de la turbina corregida
Potencia hidráulica
Consumo específico
Consumo específico corregido
Peso específico del agua
Caída neta
Diferencia entre la caída neta y la caída de prueba
Flujo Winter-Kennedy
Flujo Winter-Kennedy corregido
Presión estática corregida
Sumergencia
Nivel de desfogue (msnm).
Velocidad a la entrada a la turbina
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Velocidad a la entrada a la turbina
Velocidad de salida
Nivel de embalse (msnm)
El sistema de medición con Compact FieldPoint es capaz de realizar el monitoreo y adquisición de las 8 variables utilizando módulos de entradas
analógicas para las señales de 4 a 20 mA y de protocolo Hart, y los puertos seriales RS-232 y RS-485. El controlador se conecta vía Ethernet con la
estación de trabajo maestra encargada de realizar los cálculos de eficiencia de la turbina, así como el cálculo de las otras 19 variables de forma
permanente. Por último, el sistema calcula y monitorea en tiempo real las variables y las almacena en una base de datos para que puedan ser
consultados de manera remota por diferentes usuarios a través de páginas Web de consulta dentro de la intranet de Comisión Federal de Electricidad.
En las figuras 1 y 2 se observa un diagrama conceptual del sistema de monitoreo de eficiencia en centrales hidroeléctricas.
Medición de las Señales Físicas
Para determinar correctamente los valores de las variables importante es necesario leer de forma adecuada diferentes señales físicas utilizando diversos
transductores. La gran mayoría de las señales se adquirieron utilizando el módulo de entradas analógicas cFP-AI-110. Para hacer la medición de flujo
cumpliendo con normas hidráulicas ASME PTC 18-2000 y IEC 41 se utilizaron sensores por ultrasonido y se aplicó el principio de “tiempo de travesía”.
Este cálculo cumple con la condición de ser permanente y da una imprecisión en la lectura de la señal menor al 2%. Para las mediciones de nivel
(embalse y desfogue), utilizados para calcular la caída neta y sumergencia de turbina, así como de presión estática y diferencial, para la potencia
hidráulica y estimar el flujo, se utilizaron transmisores que utilizan el protocolo de comunicación HART conectados a los módulos cFP-AI-110.
SML - Sistema de Monitoreo Local para resultados instantáneos
Todas las señales instrumentadas en campo toman sentido una vez que se pasan a través de diferentes algoritmos matemáticos ya sea en los
controladores de adquisición con LabVIEW Real-Time o en la estación de trabajo principal con LabVIEW. Estos algoritmos están basados en normas
internacionales para el cálculo de eficiencias en turbinas.
La aplicación de software principal que está corriendo en las terminales locales cuenta con las siguientes capacidades:
1. Análisis de información en tiempo real de 25 variables medidas y calculadas (ver figura 3)
2. Despliegue de las variables más importantes de forma gráfica.
3. Configuración de forma sencilla e ilustrativa más de 25 variables y constantes de pruebas.
4. Generación de gráficas de eficiencia de la turbina en tiempo real, con hasta 8 unidades simultáneas (ver figura 4)
5. Consultas históricas de todas las variables, calculadas y medidas, de forma grafica o en tabla, con habilidad de exportar a un archivo compatible
en Excel (ver figura 5).
6. Análisis y filtrado múltiple de información que ha sido guardada a través del tiempo.
SMR – Sistema de Monitoreo Remoto para consultas en la intranet
Para la consulta de los datos a través de la intranet de CFE, se implementó el Sistema de Monitoreo Remoto (SMR) que obtiene los datos del servidor
maestro concentrando toda la información de cada SML. La figura 6 muestra la página de acceso al SMR correspondiente a la Central Hidroeléctrica
Temascal; ésta muestra la ubicación geográfica de la central hidroeléctrica y un menú de opciones de consulta como modo ejecutivo, monitoreo remoto,
historiales, gráficas, gráfica de eficiencia y uso del agua. Desde estas páginas es posible ver las señales medidas, variables calculadas, comparación de
datos, exportar los resultados a un archivo de Excel e imprimir.
Beneficios al Cliente
Uno de los principales beneficios de contar con este sistema instalado de monitoreo de eficiencia ha sido la visibilidad del comportamiento de operación
de la unidad de generación en todo momento y bajo múltiples condiciones de operación. Esta visibilidad permite que no sólo los ingenieros sino los altos
directivos tengan información en tiempo real de la eficiencia de las unidades, necesidad de mantenimiento mayor o menor, así como una reducción de
costos de producción al poder tomar decisiones en la forma de operarlas.
Además, al poder instrumentar de una forma mucho más precisa el flujo de agua, se ha logrado tener una incertidumbre en la medición del 0.5%. Esta
medición es aceptada bajo normas hidráulicas por lo que permitiría que se tuviera una facturación precisa, permanente y confiable entre la Comisión
Nacional del Agua y Comisión Federal de Electricidad.
Finalmente, aún y cuando el proceso de conceptualización del proyecto y su consolidación tomó varios meses, ahora es posible replicar e instalar este
sistema de monitoreo en tan sólo unas semanas lo que resulta en una modernización de los equipos instalados de una forma más rápida.
Conclusiones
Desde su instalación, los sistemas de monitoreo de eficiencia implementados con PACs han trabajado sin problemas bajo condiciones severas de
temperatura y humedad. Gracias a las capacidades de flexibilidad de programación y procesamiento de cada controlador embebido, fue posible diseñar
una arquitectura verdaderamente distribuida de análisis y procesamiento de señales, reduciendo así la carga de trabajo en una sola computadora.
Finalmente, aprovechando las capacidades de programación de LabVIEW pudimos desarrollar el sistema de despliegue de información y reportes que se
ajustara a las necesidades específicas de Comisión Federal de Electricidad, mejorando así la visibilidad que ellos tienen de su base instalada.
Información del Autor:
Juan Carlos Peñaloza Torres
Lees Lab S.A. de C.V. (http://www.leeslab.com.mx)
México
Tel: 52 442 2971185
Fax: 52 442 2279621
[email protected] (mailto:[email protected])
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Figura 1. Diagrama conceptual del Sistema de Monitoreo de Eficiencia
Figura 2. Diagrama conceptual del Sistema de Monitoreo de Eficiencia (Variables de Campo)
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Figura 3. Pantalla de resultados instantáneos del SML en la C. H. Temascal, Oaxaca, México
Figura 4. Pantalla correspondiente a la grafica de la eficiencia de la turbina
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Figura 5. Pantalla principal para la generación de reportes
Figura 6. Página de inicio del SMR de la C.H Temascal
Legal
Este caso de estudio (este "caso de estudio") fue desarrollado por un cliente de National Instruments ("NI"). ESTE CASO DE ESTUDIO ES PROPORCIONADO
"COMO ES" SIN GARANTÍA DE NINGUN TIPO Y SUJETO A CIERTAS RESTRICCIONES QUE SE EXPONEN EN LOS TÉRMINOS DE USO EN NI.COM.
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