Evaluación de la eficiencia energética de generadores en plantas

Tendencia tecnológica
Evaluación de la eficiencia energética de
generadores en plantas hidroeléctricas:
Casos de estudio
Francisco Antonio Carvajal Martínez y Rosario Esther González del Castillo
Abstract
Three aged generators, 2 MW, 8 MW and 16 MW of capacity installed and operating in two different hydroelectric Power Plants at
Mexico, were evaluated on-site, to determine the energy efficiency and provide a technical support to a rehabilitation program. This
on-site assessment was based on the calorimetric method. The objects of the tests were to determine the losses of the electrical generator
under different load conditions, to obtain an efficiency curve to compare with original efficiency values. This paper includes descriptions
of the method followed and actual tests made. The results of the calculations also are given. The results of the tests show that the load
losses of generator can be determined with fair accuracy by this method, on units with an open cooling system.
Introducción
La infraestructura de generación de energía eléctrica de
la Comisión Federal de Electricidad (CFE) se compone
de 209 plantas generadoras, con una capacidad instalada
de 52,515 MW. Las centrales hidroeléctricas producen
11,266.78 MW, 21.82% de esta energía (Comisión Federal
de Electricidad, 2015). En años recientes, la CFE ha
desarrollado proyectos hidroeléctricos de gran capacidad,
sin embargo, centrales hidroeléctricas de baja capacidad con
generadores de hasta 30 MW se encuentran en operación
comercial.
Recientemente, la Gerencia de Equipos Eléctricos del
Instituto de Investigaciones Eléctricas ha realizado
conjuntamente con la CFE, proyectos relativos al desarrollo
y aplicación de técnicas de evaluación de la eficiencia
energética de generadores eléctricos de gran capacidad
instalados en centrales hidroeléctricas (Reyes et al.,
2012). Adicionalmente, la CFE ha iniciado un programa
de rehabilitación para centrales hidroeléctricas de baja
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Boletín IIE, 2015
enero-marzo
baja capacidad, se incluyeron tres
generadores con capacidades de
2 MW, 8 MW y 16 MW, operando en
dos diferentes centrales hidroeléctricas
de la CFE, los cuales tienen al menos
20 años de operación y actualmente se
encuentran incluidos en un programa
de rehabilitación y modernización. En
la tabla 1 se incluyen sus características
técnicas.
capacidad con 20 o más años de operación. Debido a
esto, dicha entidad ha solicitado al IIE apoyo técnico para
el desarrollo y aplicación de técnicas de evaluación de la
eficiencia energética de los generadores eléctricos de baja
capacidad que operan en esas plantas.
Como parte de estos proyectos se evaluaron tres generadores
hidroeléctricos de 2 MW, 8 MW y 16 MW de capacidad de
generación y con varios años de operación, se evaluaron para
determinar su eficiencia energética y con esta información
proporcionar un soporte técnico a un programa de
rehabilitación y modernización. La evaluación de la eficiencia
energética de estas unidades generadoras operando en planta,
se basa en el método colorimétrico establecido en normas (IEC
60034-2-1). Este artículo incluye la descripción del método de
evaluación aplicado, su implementación, las pruebas aplicadas
en planta, así como los resultados obtenidos y su análisis.
Generadores evaluados
Como parte de la evaluación de eficiencia energética de
generadores utilizados en centrales hidroeléctricas de
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Dichos generadores evaluados cuentan
con un sistema de enfriamiento por
aire en circuito abierto, esto es, el
aire de enfriamiento es tomado del
medio ambiente circundante a la
máquina, a través de conductos de
ventilación, este aire de enfriamiento
es impulsado a través del estator y el
rotor del generador por los ventiladores
montados en su eje y es descargado a
la parte exterior del generador o de la
central, a través de conductos de escape.
Descripción de la prueba
(método calorimétrico)
La eficiencia de un generador eléctrico
es la relación que existe entre su
potencia de entrada y su potencia
de salida, operando en condiciones
específicas. En máquinas pequeñas,
estas potencias se pueden medir de
una manera directa con medidores de
par mecánico y medidores de energía
eléctrica, sin embargo, en generadores
de mayor capacidad donde la potencia
mecánica de entrada proporcionada
por la turbina no se puede medir
directamente, se requiere un método
de prueba para obtener la eficiencia
energética del generador.
Tendencia tecnológica
Generador
No.1
No. 2
No. 3
Capacidad (KW)
2000
8000
16000
Tensión de generación (V)
6600
4400
4400
Corriente estator (A)
219
1312
2624
Velocidad (RPM)
720
360
360
Frecuencia (HZ)
60
60
60
Tabla 1. Datos de placa de generadores evaluados.
La norma internacional IEC 60034-2-1, incluye cuatro
métodos principales para la determinación de la eficiencia
energética de máquinas eléctricas rotatorias de gran
capacidad. Uno de estos métodos es el calorimétrico, el
cual puede ser aplicado en máquinas enfriadas por aire
en un sistema abierto y se incluye en la Norma IEC
34-2A . En la práctica, el método calorimétrico para la
determinación de pérdidas tiene ventajas de aplicación en
generadores hidroeléctricos, en comparación con otros
métodos incluidos en la normativa, debido principalmente
a que es un método de prueba no intrusivo. Éste método
considera que todas las pérdidas de la máquina aparecen
en forma de calor. La mayor parte del calor generado en
condiciones de carga es removido del generador por medio
del aire de enfriamiento, lo cual significa que las pérdidas
pueden ser determinadas principalmente con base en la
diferencia de temperatura a la entrada y a la salida del
sistema de enfriamiento, más el calor perdido por radiación
y convección en las superficies del generador. De acuerdo al
método calorimétrico, la eficiencia del generador eléctrico se
calcula con base en las pérdidas medidas durante las pruebas
realizadas:
η=
Pg
(Pg + Pi )
* 100
Pi = P1 + P2
Donde:
η Eficiencia energética (%).
Pg Potencia generada (kW).
Pi Pérdidas dentro de la superficie de
referencia del generador (kW).
P1 Pérdidas transmitidas al medio
refrigerante en forma de calor y que
puede ser medida calorimétricamente
(kW).
P2 Pérdidas no transmitidas al medio
refrigerante, pero que son disipadas a
través de la superficie de referencia por
conducción, convección, radiación,
fugas, etc. (kW).
Implementación del
circuito de prueba en
planta
Para la realización de las pruebas
en las centrales hidroeléctricas para
evaluar las pérdidas y la eficiencia del
generador se utilizó:
• Medidor de flujo aire (termo
anemómetro con manómetro
diferencial), con sistema de
adquisición automatizada de
mediciones.
• Cámara termográfica.
• Higrómetro-termómetro para
medición de temperatura y
humedad ambiente.
• Barómetro analógico para medición
de presión barométrica local.
• Sistema para medición de
temperaturas del aire de
enfriamiento basado en RTD.
• Medidor ultrasónico para medición
de flujo de aceite de enfriamiento
en chumaceras.
• Programa de computadora del
IIE para el cálculo de eficiencia
(EFIGEN).
19
Boletín IIE, 2015
enero-marzo
• Analizador de potencia para medición de parámetros de
generación.
El arreglo del circuito de medición en planta implementado
por el IIE para la evaluación de la eficiencia del generador se
muestra en la figura 1.
Desarrollo de pruebas en planta
•
•
Las mediciones en sitio para la determinación de la
eficiencia energética de los generadores se llevó a cabo de la
siguiente manera:
• Se realizaron mediciones del flujo y la temperatura de
aire en la entrada y la salida del sistema de enfriamiento
del generador. Para una mayor precisión en las
mediciones se realizó una división geométrica de los
conductos de aire, en secciones de aproximadamente
0,1 m x 0,1 m. La medición de la entrada (Qi) y salida
de flujo volumétrico de aire (Qo) y su temperatura
promedio se realizó cada hora, hasta lograr el equilibrio
•
•
térmico de acuerdo a los criterios
de la norma IEC 60034-2A.
Se midieron y calcularon las
áreas totales de la superficie de
referencia, incluyendo carcasa del
generador, así como las superficies
de las chumaceras y excitador.
La medición de la temperatura
de la superficie de referencia se
llevó a cabo utilizando una cámara
termográfica. Esta temperatura se
utilizó para determinar las pérdidas
por radiación y convección (P2).
Se registraron la temperatura
ambiente (Ta), humedad (h) y la
presión barométrica local.
La potencia eléctrica generada
se midió directamente en la
instrumentación del generador,
situada en el cuarto de control de
la central (Pg).
Figura 1. Circuito de medición en planta para la determinación de la eficiencia energética del generador.
20
Tendencia tecnológica
• Mediante el uso del software desarrollado por el IIE, se
realizó el cálculo de las pérdidas y la eficiencia a 100%
de carga nominal o carga máxima.
• También se realizó la medición y los cálculos anteriores
para el generador operando al 75% y 50% de la carga
nominal.
Resultados obtenidos de las pruebas
de eficiencia energética
Resultados del generador evaluado núm. 1
Este generador eléctrico de 2,000 kW se encuentra
instalado y operando en la central hidroeléctrica Colotlipa
de la CFE (U-2), la cual fue originalmente diseñada para
operar a 50 Hz. Actualmente opera a 60 Hz y cuenta con
un sistema de enfriamiento con base en aire en circuito
abierto (figura 2).
Las pruebas de evaluación de la
eficiencia energética del generador se
realizaron con la unidad generando
potencias eléctricas de 1,860 kW,
1,510 kW y 1,030 kW, a factor de
potencia unitario. La tabla 2 incluye
los parámetros medidos durante el
proceso de la estabilización térmica
de la unidad generadora a 100%
de carga. En la tabla 3 se incluyen
los parámetros utilizados para el
cálculo de pérdidas y la eficiencia
del generador para esta condición de
carga.
Figura 2. Generador evaluado núm. 1 de 2000 kW, C. H. Colotlipa de la CFE (U-2).
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Boletín IIE, 2015
enero-marzo
Equilibrio térmico del generador U2 C. H. Colotlipa (carga máxima 1860 KW)
Hora muestra:
08:00
09:00
10:00
11:00
12:00
13:00
14:00
15:00
16:00
17:00
Temp Aire frío (oC)
26.30
27.01
29.32
30.87
32.74
33.23
33.90
35.30
34.88
35.14
Densidad (Kg/m )
1.046
1.042
1.034
1.032
1.026
1.025
1.022
1.017
1.019
1.017
Cp (kJ/Kg-K)
1.039
1.041
1.042
1.037
1.038
1.037
1.037
1.038
1.037
1.038
76%
76%
68%
55%
50%
47%
46%
44%
43%
45%
43.11
44.64
45.45
48,41
49.42
49.78
49.99
51.62
51.55
52.44
233.53 229.95
225.19
218.79
3
Humedad
Ts ( C) [s(T*Q)/Qtotal]
o
Qs (m3/min)
229.78 229.23
Qs (m3/s)
225.09 227.61 228.75 224.64
3.83
3.82
3.89
3.83
3.75
3.65
3.75
3.79
3.81
3.74
16.81
17.63
16.13
17.55
16.69
16.55
16.09
16.32
16.67
17.30
Cp *rho*DeltaT*Qs (KW)
70.0
73.1
67.6
72.0
66.7
64.1
64.0
65.3
67.2
68.4
PTotal Enfrim:
70.0
73.1
67.6
72.0
66.7
64.1
64.0
65.3
67.2
68.4
4.43% -7.43%
6.40%
Delta T
dP/h:
-7.32% -3.82% -0.25% 2.14% 2.76% 1.82%
Tabla 2. Parámetros medidos durante el equilibrio térmico, generador evaluado núm. 1, operando a carga máxima.
Eficiencia del generador eléctrico evaluado núm.1
Potencia generada [kW]
1860
Factor de potencia
1.00
Condiciones ambientales
Temperatura [°C]
32.9
Presión barométrica [kPa]
92.53
Humedad
45%
Aire de enfriamiento
Temperatura aire entrada [°C]
35.14
Temperatura aire salida [°C]
52.44
Flujo de aire a la salida [m /s]
3.74
3
Pérdidas disipadas por el aire de enfriamiento [kW] (P1) 68.323
Superficie de referencia
Temperatura promedio de la superficie [°C]
44.74
Pérdidas disipadas en la superficie de referencia
[kW] (P2)
5.355
Pérdidas totales [kW](P1+P2)
73.68
Eficiencia calculada del generador núm. 1
96.19%
Tabla 3. Resultados de pérdidas y eficiencia para el generador
evaluado núm. 1 a 100% de carga.
Resultados del generador
evaluado núm. 2
El generador evaluado núm. 2, con
una capacidad de generación de
8000 kW, se encuentra instalado y
operando en la central hidroeléctrica
Necaxa de la CFE (U-4). Este
generador se evaluó operando a
7,100 kW, 6,030 kW, 4,230 kW y
factor de potencia unitario y tiene
un sistema de enfriamiento con base
en aire en circuito abierto (figura 3).
La tabla 4 incluye los parámetros
utilizados en el cálculo de las pérdidas
y la eficiencia energética de este
generador operando a carga máxima.
Resultados del generador
evaluado núm. 3
El generador evaluado núm. 3, con
una capacidad de generación de
16,000 kW, se encuentra instalado y
operando en la central hidroeléctrica
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Tendencia tecnológica
Necaxa de la CFE (U-2) y se
evaluó operando a 15,300 kW,
12,160 kW, 8,278 kW y factor de
potencia unitario. Tiene un sistema
de enfriamiento con base en aire en
circuito abierto (figura 4). La tabla 5
incluye los parámetros utilizados en el
cálculo de las pérdidas y la eficiencia
energética de este generador operando
a carga máxima.
Eficiencia del generador eléctrico evaluado núm. 2
Potencia generada [kW]
Factor de potencia
Condiciones ambientales
Temperatura [°C]
Presión barométrica [kPa]
Humedad
Aire de enfriamiento
Temperatura aire entrada [°C]
Temperatura aire salida [°C]
Flujo de aire a la salida [m3/s]
Pérdidas disipadas por el aire de enfriamiento [kW]
(P1)
Superficie de referencia
Temperatura promedio de la superficie [°C]
Pérdidas disipadas en la superficie de referencia [kW]
(P2)
Pérdidas totales [kW](P1+P2)
Eficiencia calculada del generador núm. 2
7100
1.00
35.7
92.28
46%
33.49
44.21
41.78
473.8
42.65
4.525
478.325
93.68%
Tabla 4. Resultados de pérdidas y eficiencia para el generador
evaluado núm. 2 a carga máxima.
Eficiencia generador eléctrico evaluado no. 3
Potencia generada [kW]
Factor de potencia
Condiciones ambientales
Temperatura [°C]
Presión barométrica [kPa]
Humedad
Aire de enfriamiento
Temperatura aire entrada [°C]
Temperatura aire salida [°C]
Flujo de aire a la salida [m3/s]
Pérdidas disipadas por los circuitos de
enfriamiento [kW] (P1)
Superficie de referencia
Temperatura promedio de la superficie [°C]
Pérdidas disipadas en la superficie de referencia
[kW] (P2)
Pérdidas totales [kW](P1+P2)
Eficiencia calculada del generador No. 3
Figura 3. Generador evaluado núm. 2 de
8000 kW, C. H. Necaxa de la CFE (U-4).
15300
1.00
35.8
92.28
43%
30.31
44.34
74.83
1126.92
46.54
9.128
1136.048
93.09%
Tabla 5. Resultados de pérdidas y eficiencia para el generador
evaluado núm. 3 a carga máxima.
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Boletín IIE, 2015
enero-marzo
Conclusiones
Los resultados de las pruebas de eficiencia energética
aplicadas a los generadores evaluados núm. 1, 2 y 3,
instalados y operando en centrales hidroeléctricas de la
CFE, permiten dar soporte técnico a las decisiones de la
rehabilitación y modernización de estos generadores con
varios años de operación.
El método calorimétrico aplicado para la determinación
de la eficiencia energética de los generadores se encuentra
normalizado, sin embargo, su correcta aplicación en sitio
depende de las características de cada central generadora y
en gran medida de la precisión de la instrumentación y la
correcta implementación de la instrumentación durante
la realización de las pruebas, así como de la correcta
interpretación de los resultados obtenidos, los cuales
muestran que las pérdidas del generador eléctrico y por lo
tanto la determinación de su eficiencia energética, se pueden
obtener con una precisión razonable mediante este método,
por lo que se considera que técnicamente su aplicación
es viable a otros tipos de generadores en estos rangos de
capacidad de generación.
Figura 4. Generador evaluado núm. 3 de
16,000 kW, C. H. Necaxa de la CFE (U-2).
La evaluación de la eficiencia energética del generador
eléctrico permite al usuario contar con valores actualizados,
considerando el estado y las condiciones de operación
actuales, esto para dar soporte técnico a los aspectos
relacionados con la gestión de los generadores que incluye:
• Soporte técnico a la toma de decisiones relativas a las actividades de mantenimiento, rehabilitación,
sustitución y operación de los generadores.
• Referencia técnica para futuros trabajos de modernización enfocados a mejorar la eficiencia de las
unidades generadoras.
• Valores actualizados para la determinación de la eficiencia global de los grupos turbina-generador.
• Cumplimiento de programas de eficiencia energética establecidos por el Gobierno Federal.
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Tendencia tecnológica
Referencias
Comisión Federal de Electricidad, http://www.cfe.gob.mx. Reyes M., Pascasio S., Pérez A., León R., Sistema para el Cálculo de
Parámetros Eléctricos y Eficiencia Energética para Generadores Hidroeléctricos de Gran Capacidad. Boletín IIE, Vol. 36, núm. 2,
abril-junio 2012.
IEC 60034-2-1. Rotating Electrical Machines - Part 2-1: Standard Methods for Determining Losses and Efficiency from Tests
(Excluding Machines for Traction Vehicles).
IEC 60034-2A. Rotating Electrical Machines - Part 2: Methods For Determining Losses And Efficiency Of Rotating Electrical
Machinery From Tests (Excluding Machines For Traction Vehicles) - First Supplement: Measurement Of Losses By The
Calorimetric Method.
Urquiza G., Basurto M. A., Castro L., Adamkowski A. and W. Flow. Measurement Methods Applied to Hydro Power Plants
(2012), In Tech, disponible en: http://www. intechopen.com
Currículum vítae
Francisco Antonio Carvajal Martínez
[[email protected]]
Rosario Esther González del Castillo
[[email protected]]
Maestro en Ciencias por la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica
y Eléctrica (ESIME), del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en
2003. Diploma de especialidad en Generadores de inducción por
la Nottingham Trent University en Inglaterra en 1991. Ingeniero
Industrial Electricista por el Instituto Tecnológico de Veracruz en
1982. Ingresó como investigador al área de Máquinas Eléctricas
Rotatorias de la Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE) del Instituto
de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 1984. Su área de investigación
incluye los aspectos relacionados al diseño, operación y diagnóstico
de motores y generadores de gran capacidad. Ha dirigido proyectos
para Petróleos Mexicanos (PEMEX), la Comisión Federal de
Electricidad (CFE) y usuarios privados. Actualmente realiza trabajos de
investigación para el desarrollo e implementación de metodologías de
análisis y medición de eficiencias de generadores operando en plantas
hidroeléctricas. Ha sido profesor en la Facultad de Ingeniería de la
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) y en la Facultad
de Ciencias Químicas e Industriales de la Universidad Autónoma del
Estado de Morelos (UAEM). Es autor de varios artículos nacionales e
internacionales dentro del área de Máquinas Eléctricas Rotatorias.
Máster en Integración de las Energías Renovables en el Sistema
Eléctrico por la Universidad del País Vasco (EHU) en Bilbao,
España en 2011. Licenciatura en Ingeniería Eléctrica por el Instituto
Tecnológico de Aguascalientes en 2008. Ingresó al Instituto de
Investigaciones Eléctricas (IIE) en abril de 2008 como becaria de
Adiestramiento en Investigación Tecnológica (AIT). Se incorporó
como investigadora a la Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE) en
2009. Ha participado en varios proyectos de investigación y desarrollo
tecnológico dentro de la línea de investigación de máquinas eléctricas
rotatorias. Participó como investigadora en el proyecto del desarrollo
de la ingeniería del subsistema eléctrico de la Máquina Eólica
Mexicana (MEM). Ha desempeñado la jefatura de los laboratorios
de la GEE. Actualmente participa en los proyectos de investigación
para el desarrollo e implementación de metodologías de análisis y
determinación de la eficiencia energética de motores y generadores
operando en centrales de generación y cogeneración.
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