Monitoreo de Eficiencia en Centrales Hidroeléctricas

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"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.

The Challenge:
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.

The Solution:
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.

Author(s):
Juan Carlos Peñaloza Torres - Lees Lab S.A. de C.V.

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 pertenece al grupo de Miembros de Alianza PREMIER 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
  • 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.

Author Information:
Juan Carlos Peñaloza Torres
Lees Lab S.A. de C.V.
Mexico
Tel: 52 442 2971185
Fax: 52 442 2279621
juanc.torres@leeslab.com.mx

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