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ENSAYOS DE MANTENIMIENTO PREDICTIVO EN INSTALACIONES DE PRODUCCIÓN ELÉCTRICA

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Rendimiento de Turbinas Hidráulicas

Una central hidroeléctrica es una instalación que aprovecha la transición brusca de una masa de agua situada inicialmente en un nivel energético superior, a un nivel con un contenido energético menor. El elemento que transforma parte de la energía del sistema fluido en trabajo mecánico es la turbina, cuyo rodete a su vez al accionar el rotor del generador hace posible la transformación por parte de este de la energía mecánica de rotación en energía eléctrica.

El rendimiento o eficiencia de una turbina se define como el cociente entre la energía producida por la misma y la energía disponible, es por ello que el conocimiento del rendimiento de una central hidroeléctrica, dotada con uno o varios grupos turbina-alternador, se traduce en una mejor explotación de la misma mediante la optimización del aprovechamiento del agua disponible, adicionalmente sirve para realizar un seguimiento del estado de la unidad, cuyo desgaste y deterioro se traduce en una pérdida de rendimiento de la instalación.

Central Hidroeléctrica


El rendimiento de una turbina hidráulica de una central hidroeléctrica puede determinarse por dos métodos:

  1. Mediante la realización de ensayos sobre el modelo, aplicando las correspondientes leyes de semejanza.

  2. Mediante la realización de los correspondientes ensayos sobre el prototipo, siendo este último el método mas generalizado. La realización de este tipo de ensayos se realiza habitualmente siguiendo los criterios marcados por alguna de las normas siguientes:

    • IEC 41 “Field acceptance tests to determine the hydraulic performance of hydraulic turbines, storage pumps and pump turbines”.

    • ASME PTC 18 “Hydraulic turbines. Performance test codes”.

La diferencia fundamental entre ambas normas es que mientras que el PTC 18 sigue considerando las unidades clásicas referentes a salto bruto, neto, etc; en la IEC 41 se definen como energías específicas (hidráulica, mecánica, etc.), expresadas en Julios/kilogramo (J.kg-1).

Rendimiento de la Turbina


Las razones que justifican la realización de un ensayo de rendimiento son múltiples:

  • Verificar que se cumplen las Garantías contractuales ofrecidas por el fabricante de la turbina, comprobando que la potencia garantizada se consigue sin penalizar el rendimiento, esto es, mediante un caudal turbinado no mayor que el especificado.

  • Valorar la posibilidad de un incremento de la energía producible acometiendo el cambio del rodete de la turbina.

  • Controlar el deterioro de la instalación a lo largo de años sucesivos.

  • Controlar el caudal turbinado por la máquina o conjunto de ellas.

  • Valorar las alteraciones producidas en el rendimiento como consecuencia de reparaciones o modificaciones realizadas.

  • Ajustar la leva hidráulica o mecanismo pala-álabe de correlación de aperturas en turbinas de doble regulación.

  • Determinar las pérdidas de carga que se producen en los diferentes elementos de la instalación (conducción forzada, válvulas, etc.).

Turbina
Ensayo de Rendimiento

La expresión que define el rendimiento de la turbina, en %, es:

Rendimiento de la turbina en %

Donde
Pa= potencia en barras del alternador, en kW;
δa= pérdidas del alternador, en kW;
δv= pérdidas en volantes de inercia, en kW;
δc= pérdidas en cojinetes, en kW;
δg= pérdidas en engranajes, en kW.
ρ= densidad del agua, en kg.m-3;
g= aceleración local de la gravedad, en m.s-2;
Qt= caudal turbinado, en m3.s-1;
Hn= salto neto, en m.

Esto es, la evaluación del rendimiento de una turbina conlleva la determinación de una serie de parámetros, de los cuales el caudal es el más importante, ya que su determinación puede realizarse mediante la aplicación de diferentes métodos de medida; bien absolutos: diagrama tiempo-presión (Gibson), ultrasonidos, molinetes, termodinámico, etc.; bien relativos ó index diferenciales: Winter-Kennedy, Venturi, Peck, etc. La elección del método de medida dependerá básicamente de las características de los pasajes hidráulicos de la instalación, del salto, de la accesibilidad y, por supuesto, de la incertidumbre de medida asumible por el propietario.

Turbina
Evaluación de Rendimiento

Además del rendimiento de la turbina, propiamente dicho, el ensayo de rendimiento permite determinar:

  • Rendimiento del grupo.
  • Rendimiento de la instalación.
  • Rendimiento del circuito hidráulico.
  • Pérdidas de carga en elementos del circuito.
  • Efecto del sistema de aereación sobre las prestaciones de la turbina.
  • Funcionamiento con perturbaciones hidráulicas (antorchas y cavitación) mínimas.
  • Límites de inversión de potencia.

Gráfica

Tanto la IEC 41 como el PTC 18 establecen que los ensayos de rendimiento de una turbina deben ser realizados por una empresa independiente que garantice la imparcialidad de los resultados obtenidos, evitando la práctica, a veces habitual, de que sea el propio fabricante de la turbina quien realice el ensayo de rendimiento de la misma. El personal de ASIng Servicios de Ingeniería, además de tener una experiencia acumulada de más de veinte años en la realización de ensayos de rendimiento de turbinas en todo tipo de instalaciones, dispone de la instrumentación apropiada en cada caso para la realización de los ensayos según el método de medida adoptado.


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