PROTECCIÓN Y MONITOREO INTEGRAL DE LAS CONDICIONES DINÁMICAS DE HIDROGENERADORES DE POTENCIA

PROTECCIÓN Y MONITOREO INTEGRAL DE LAS

CONDICIONES DINÁMICAS DE HIDROGENERADORES DE

POTENCIA, CH BAJO DE MINA Y BAITUN PANAMA

CASOS REALES.

Juan C. Hidalgo B., BSEE, MBA

Jonathan Zuñiga, BSEM, MSc

Abstracto—Tradicionalmente, los sistemas de protección de las

centrales de generación de energía eléctrica están enfocados en

la protección de las condiciones eléctricas del generador. Sin

embargo, hoy en día, cada vez son más los responsables de estas

plantas que están comprendiendo que existen múltiples fallas de

origen mecánico que pueden ser detectadas mediante un

adecuado monitoreo en línea de la condición de las vibraciones

mecánicas, siguiendo los principios del mantenimiento basado en

la condición. El uso de un sistema electrónico diseñado con

características de procesamiento suficientemente rápidas y

redundancia, junto con sensores de proximidad para medir la

posición relativa del eje con respecto a su fundación, sensores de

vibración absoluta y sensores para medir el airgap entre el rotor

y el estator, pueden ser usados para proteger y monitorear

eficientemente el grupo turbogenerador y complementar su

confiabilidad con las protecciones eléctricas.

En este documento presentamos el proceso de conceptualización,

diseño, instalación y puesta en marcha de dos sistemas de

protección y monitoreo para las Plantas Hidroeléctricas Bajo de

Mina y Baitún en Panamá. Así, como los resultados y

conclusiones obtenidas.

Index Terms—Vibraciones, sensor proximidad, acelerómetro,

ISO 10816-5, MEGGITT.

I. ANTECEDENTES

A. Datos técnicos de las Plantas Hidroeléctricas Bajo de

Mina y Baitún

Las plantas de Bajo de Mina y Baitún son dos centrales

hidroeléctricas situadas sobre el cauce del Río Chiriquí Viejo,

el cual cuenta con una capacidad instalada de generación

hidroeléctrica de cerca de 375 MW. Las plantas están

ubicadas en el sector de Vuelta de Mina en Volcán, Panamá.

Los proyectos tienen una capacidad instalada en conjunto de

142 MW y reemplazarán aproximadamente el 26% de la

generación eléctrica por medio de combustible fósiles en

Panamá y representa el 10% de la capacidad eléctrica

instalada en el país. Generarán electricidad para

aproximadamente 270,000 habitantes.

La dueña de la planta es CILSA (Constructora de

Infraestructura Latinoamericana, S.A.) representada por el Ing.

Emilio González, y es parte del Grupo CARSO, con sede en

México.

El sistema de protección fue una sugerencia de los

reaseguradores de las dos plantas, por temas como los

ocurridos en la Planta en Rusia (Sayano-Shushenksaya, en el

río Yinesei, ubicado en Siberia del Este), donde murieron 7

personas debido a una sobretensión hidráulica en las unidades

3 y 4. Se inicio el proceso de evaluación de oferentes y la

contratación a la empresa TERMOGRAM Consultores SA,

supliendo un sistema de protección de MEGGITT Sensing

Systems combinado con un sistema de monitoreo de

AzimaDLI.

II. MONITOREO DE LA CONDICION POR VIBRACIONES

Tanto el control como el diagnóstico de vibración de

máquinas y agregados han cobrado una gran importancia

durante los últimos años. Cada vez con más frecuencia incluso

máquinas de pequeño y mediano tamaño están siendo

Bajo de Mina- Casa de Máquinas

Unidades 2

Carga de Diseño 113.62 m

Potencia por unidad 28.4 MW

Potencia Instalada 56.80 MW

Baitún - Casa de Máquinas

Unidades 2

Carga de Diseño 129.51 m

Potencia por unidad 42.95 MW

Potencia Instalada 85.90 MW

incluidas en estrategias de control de vibración con sistemas

permanentes de monitoreo por vibraciones.

Las vibraciones son consecuencia de la transmisión de

fuerzas por la maquina que provocan su desgaste y aceleran su

daño. Los elementos que soportan esas fuerzas, como los

cojinetes, suelen ser accesibles desde el exterior, y así, en esos

puntos se pueden medir las vibraciones resultantes de la

excitación.

Cuando empieza a surgir una avería, cambian los procesos

dinámicos de la maquina y a su vez cambian algunas de las

fuerzas que actúan sobre sus piezas, lo que afecta los niveles y

la forma del espectro de vibración.

El hecho de que las señales vibratorias lleven tanta

información sobre el estado de la maquina constituye la base

del empleo de la medida y el análisis de vibración como

indicación del estado de la maquina y de la necesidad de

revisarla.

A. Fuentes de vibración

Con muy pocas excepciones los problemas mecánicos son

lo que causa problemas en una maquina, lo más frecuente es:

Desequilibrio de las partes rotativas, Desalineación de los

acoplamientos y cojinetes, Flexión de los ejes, Engranajes

desgastados excéntricos o dañados, Mal estado de correas o

cadenas de Transmisión, Cojinetes defectuosos, Variación de

torsión, Fuerzas electromagnéticas, Fuerzas aerodinámicas,

Fuerzas hidráulicas, Juego, rozamiento y Resonancia.

B. Como se mide la vibración?

Las características de desplazamiento, velocidad o

aceleración de la vibración se miden para determinar cuan

severa es esta, son denominados a menudo como la amplitud

de la vibración y es la indicación que sirve para determinar

que tan bien o que tan mal funciona, mientras mayor la

amplitud más severa es la vibración.

1) Desplazamiento :

Es la distancia total que atraviesa la parte que vibra, desde

un extremo a otro, normalmente se mide en milésimas de

pulgada o en micras, utilizada normalmente en equipos con

frecuencias de 600 cpm o menos. En turbinas hidroeléctricas

por sus características de baja velocidad es muy recomendada.

2) Velocidad :

Es la velocidad de la señal vibratoria, el valor que nos

interesa capturar será el máximo o de cero a pico.

Normalmente se mide en mm/s o pulgadas/s, utilizada

normalmente en equipos con frecuencias de 600 cpm a 60.000

cpm

3) Aceleración:

En este caso la aceleración es el coeficiente de cambio de

la velocidad, normalmente se expresa en g (aceleración de la

gravedad) en el pico o por norma internacional 9,81 m/s2 o

386 pulg/s2, utilizada principalmente en equipos con

frecuencias superiores a 60.000 cpm

C. Técnicas de Sensado

Para turbinas hidroeléctricas existen básicamente dos

técnicas de sensado para monitorear las vibraciones, lo mas

usual es usarlas en conjunto por las razones que se expondrán:

• Medición de vibración sobre elementos no rodantes,

por ejemplo, cojinetes, la normativa aplicable es la

ISO 10186-1 y la ISO 10816-5 (estas reemplazan a la

ISO 2372)[2]. Este tipo de medición se le conoce

como Vibración Absoluta y se usan normalmente

sensores piezoeléctricos como acelerómetros o

velocímetros para aplicaciones de baja velocidad

Los acelerómetros están compuestos del sensor, que

puede tener o no la electrónica integrada y el cable de

transmisión (figura 1)

• Medición de vibración sobre ejes, por ejemplo, la

vibración relativa entre el eje y sus cojinetes, la

normativa aplicable es la ISO 10187-1[3]. y la ISO

10817-5 (estas reemplazan a la ISO 7919). Este tipo

de medición se le conoce como Vibración Relativa y

se usan sensores de proximidad inductivos sin

contacto con el eje

Los sensores relativos están compuestos por tres partes: El

sensor inductivo (figura 2), el cable de extensión que viene en

longitudes especificas y calibradas para el sensor y el

acondicionador de señal (permite transmitir la señal en voltaje

o corriente según las necesidades). Usualmente se colocan

dos sensores separados 90 grados para sensar el movimiento

total y posición promedio del eje en cada plano de medición y

perpendicular al eje. Usualmente en una turbina se tienen

varios planos de medición, en posiciones radiales y axiales

para cada cojinete.

Se recomienda al lector compre estas normas en el sitio

web de ISO para obtener un mejor criterio sobre ambas

técnicas de sensado.

Como regla general, se recomienda usar sensores relativos

de vibración para todas aquellas máquinas verticales u

horizontales con cojinetes (Journal Bearings). Como medida

preventiva y suponiendo que con el tiempo los cojinetes

pueden perder rigidez y existe riesgo de vibración sincrónica

con el eje, se recomienda el uso complementario de los

sensores de vibración absoluta.

Siguiendo esta recomendación es usual ver dos juegos de

sensores en el arreglo de la figura 4, dos transductores de

proximidad y dos acelerómetros en paralelo para que vean el

mismo movimiento estructural

El transductor de proximidad dará la información de

desplazamiento y el acelerómetro la aceleración

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