Asegurando la Durabilidad de por Vida de LucidPipeTM Power System: Reducción del Impacto de la Cavitación Preparado por:

Transcripción

1 Asegurando la Durabilidad de por Vida de LucidPipeTM Power System: Reducción del Impacto de la Cavitación Preparado por: Joshua Thomas, Gerente del Programa de Ingeniería, Lucid Energy Noah Weaverdyck, Ingeniero de Aplicaciones, Lucid Energy Dr. Michael C. Johnson, Laboratorio de Investigación del Agua de Utah, Utah State University

2 Introducción LucidPipe TM Power System es una solución de agua a cable de recuperación de energía desarrollado por Lucid Energy, Inc., una empresa dedicada a proveer sistemas de energía renovable que les permiten a las instalaciones industriales, municipales y agrícolas generar electricidad limpia, confiable y a bajo costo a partir del agua que fluye en tuberías por gravedad y efluentes. LucidPipe utiliza un sistema patentado, una turbina generadora instalada en la tubería para capturar la energía del agua en movimiento rápido dentro de grandes sistemas de tuberías alimentadas por gravedad, convirtiéndolo en una fuente continua de electricidad a bajo costo. LucidPipe recupera energía que de otra manera se desperdiciaría, ya que ésta se acumula en forma de presión en el cabezal de las tuberías alimentadas por gravedad, convirtiendo ese potencial en energía eléctrica limpia y renovable - sin afectar las operaciones. El agua fluye a través de la turbina por elevación de LucidPipe, generando energía a medida que ella gira. Esta turbina hidrodinámica ha sido diseñada y probada para maximizar la generación de energía sin interrumpir el flujo del agua. A medida que las velocidades aumentan, aumenta la producción de energía. Debido al diseño basado en la elevación, el sistema produce energía a través de una amplia gama de condiciones de flujo.

3 Esta turbina original por elevación es el componente clave dentro de LucidPipe Power System,y se denomina Turbina Esférica de Lucid (LST, por sus siglas en inglés). Diseñada y probada en el campo para una máxima eficiencia, también se ha sometido a pruebas para determinar los problemas potenciales que pueden surgir, como la cavitación. La cavitación es la formación de bolsas de vapor en un fluido, el colapso del cual puede resultar en daños a una cuchilla de la turbina. Debido al alto grado de complejidad que implica los principios más básicos de la dinámica de fluidos resultantes de la operación de la turbina, Lucid buscó definir las condiciones mensurables que son características de este tema. En agosto de 2011, Lucid Energy realizó pruebas en el Laboratorio de Investigación del Agua de Utah (UWRL) para entender cómo funciona el rendimiento de la turbina y hasta qué grado la LST puede estar en riesgo de exposición a la cavitación. LST es una turbina de flujo transversal que opera bajo los principios de la elevación, similar al diseño de la turbina eólica de Darrieus, y es muy adecuado para la detección de la cavitación en sus cuchillas. Las observaciones de las pruebas iniciales realizadas en 2010 sugerían la presencia de cavitación, aunque era difícil distinguir el ruido relacionado con la cavitación, con el ruido normal del sistema. LST instalada en una prueba de campo en Riverside, CA El riesgo de daño por cavitación a la turbina y los costos asociados con una vida útil más corta, así como el potencial de una eficiencia operativa inferior, motivó a Lucid Energy a desarrollar un sistema de adquisición de datos (DAQ) para medir con mayor precisión el potencial de cavitación en un entorno de laboratorio. La información obtenida de esta prueba se utilizó para validar los conceptos de diseño de la cuchilla u hoja, efectuar una operación más suave del sistema, y llevar los requisitos de diseño para los controles, y un sistema de seguimiento que podría gestionar el funcionamiento de la turbina, evitando de este modo las condiciones de cavitación por completo. Métodos Un acondicionador de señal y una tarjeta DAQ de alta frecuencia se utilizaron para registrar los datos específicos de la cavitación. Los acelerómetros piezoeléctricos fueron colocados en los rodamientos superiores e inferiores para medir las vibraciones. Un sensor de presión piezoeléctrico se montó a través de la pared del tubo y aguas abajo de la turbina para medir los pequeños cambios en la presión del agua que estén asociados con la rápida expansión y el colapso del vapor. Los datos de estos sensores y un tacómetro fueron capturados a una velocidad de muestreo de 250 khz, para garantizar una suficiente resolución. Estos datos fueron vinculados a datos de rendimiento recopilados en una frecuencia de muestreo más baja en un sistema de adquisición de datos en paralelo.

4 Análisis Investigaciones anteriores sobre la cavitación (Escaler, 2006) para turbinas del tipo Kaplan o Francis encontraron que las mediciones hechas con sensores de emisiones acústicas de alta frecuencia no difieren significativamente de las tomadas con acelerómetros de baja frecuencia, lo que sugiere una banda de frecuencias en torno a 10 khz cuando se mide con el rodamiento guía. Lucid Energy propuso la teoría de que los datos de las pruebas podrían permitir una correlación entre la cavitación medida en su sensor de emisiones de ultrasonidos y la vibración medida en los rodamientos de la turbina. Esto permitiría el desarrollo de un sistema de vigilancia activa, capaz de detectar la cavitación sin el costo añadido de un sensor de presión de alta frecuencia. A diferencia de una turbina Kaplan, LST no es radialmente simétrico alrededor del eje, en torno al cual el agua fluye. Esto significa un enfoque distinto de ataque y un coeficiente diferente de elevación para una hoja o cuchilla dada en cada punto de medida, que se mueve alrededor del eje de la turbina de rotación, y permite que el punto en el que comienza a ocurrir la cavitación en una hoja de la turbina se expresa en términos de posición de rotación. Debido a que la cavitación se produce como un resultado directo de la operación de la turbina, los cambios en la magnitud relativa deben ser evidentes a la misma velocidad que la frecuencia de la hoja. Esto llevó a Lucid Energy a buscar la periodicidad en la forma de onda demodulada del transductor ultrasónico que coincidía con la cuchilla de frecuencia de paso, según lo determinado por los datos de RPM del tacómetro. Periodicidad observada en el sensor de emisiones ultrasónicas que muestra los perfiles de cavitación de cinco hojas o cuchillas. Este proceso permitió la diferenciación entre los picos aleatorios ocasionales en la presión y los picos debido a la cavitación de las cuchillas, así como la capacidad de observar los perfiles de cavitación característicos para cada uno de Condiciones de cavitación con coincidencias en la periodicidad en todos los canales

5 las cinco cuchillas, por su posición relativa a la señal de tacómetro, que se activa una vez por la rotación. Para garantizar un análisis robusto, este método para la identificación de cavitación se aplicó a una amplia gama de regímenes de funcionamiento por encima y por debajo de donde se pudo confirmar la periodicidad. La periodicidad a juego de las formas de onda de cada tipo de sensor era evidente, y la magnitud relativa de la cavitación y las vibraciones medidas, tal como se caracterizaron por los extremos de las formas de onda, muestran una correlación prometedora. Implicaciones de Diseño Este análisis confirmó que el ruido identificado durante pruebas anteriores fue en efecto debido a la cavitación. Una de las secciones de tubería se modificó en UWRL con la instalación de seis ventanas de policarbonato para permitir la confirmación visual de la presencia y la ubicación de la cavitación. Tres ventanas se colocaron a cada lado de la tubería, a lo largo de la línea media de la turbina con el fin de observar la hoja aguas arriba, aguas abajo y en el punto en el que pasa más cercano a la pared. El uso de una luz estroboscópica de alta frecuencia, una cámara fotográfica y una cámara de vídeo de alta definición han permitido registrar las observaciones visuales de la cavitación e identificar la principal fuente del ruido de cavitación en la pared de la tubería. Esto también confirmó la posición de la hoja en la línea media y la parte más cercana de la pared del tubo, así como la ubicación en la que se produjo la primera cavitación incipiente en el sistema de LucidPipe. La cavitación en la superficie de la hoja en la pared de la tubería, vista a través de una ventana. Los conocimientos adquiridos a partir de estas pruebas contribuyó mucho para el posterior diseño de LST y es fuerte evidencia de la correlación entre la cavitación y las vibraciones, lo que motivó a Lucid

6 Energy a instalar los mismos acelerómetros en su sitio de pruebas de campo para recoger datos en instalaciones reales. Las proyecciones de Lucid Energy con respecto a las condiciones en que esta turbina puede cavitar, se han validado con los mismos métodos utilizados en el laboratorio. Ahora es posible evitar situaciones operacionales donde podría ocurrir la cavitación. El desarrollo actual del sistema de control de LucidPipe se centra en gran medida en esta capacidad. La amplia gama operativa de la LST se presta bien para este control activo. Una comprensión amplia de cuándo podría ocurrir la cavitación dentro de un sistema dado, maximiza la generación de energía para que el sistema altere el régimen de funcionamiento, en lugar de parar todo el sistema, debido a la dependencia de las condiciones de flujo. Esta capacidad debe contribuir también a extender la vida de la turbina mediante la reducción de la probabilidad de daños a la hoja relacionados con la cavitación, y una vida más larga del sistema mediante la reducción de la posibilidad de vibración relacionados con la cavitación. Presión Hay pruebas adicionales previstas para el verano de 2012, con tal de entender cómo la operación en tuberías con una presión más alta extiende el alcance de funcionamiento libre de cavitación de LST. Un parámetro de cavitación común, usado como un predictor de cavitación, está dado por: Donde σ es el índice de cavitación, P u es la presión absoluta, P v es la presión de vapor del líquido, ρ es la densidad del fluido, y V es la velocidad. Debido a que la cavitación es causada por la rápida vaporización y condensación del agua, mayores presiones, con todas las demás variables constantes, se traducen en un menor potencial de cavitación, ya que mayores presiones ambientales inhiben la expansión del agua líquida en vapor. El número de cavitación se refiere a las presiones estáticas y dinámicas presentes en el sistema, para dar un predictor relativo global de la probabilidad de cavitación. Existe una relación entre presión y velocidad relativa, - así como los factores geométricos -, que pueden contribuir al desarrollo o supresión, de la cavitación. Los modelos de turbinas ensayadas hasta la fecha son relativamente grandes y por lo tanto se han probado con presiones de línea limitados. Un modelo más pequeño, con similitud geométrica, se pondrá a prueba para definir mejor los límites operativos e indicar los límites de operación que son libres de cavitación. Los datos existentes se compararon con los resultados, utilizando la turbina más pequeña, lo que permitiría una gama más amplia de presiones de funcionamiento en el laboratorio y que permitiría la extrapolación y la validación de los rangos de funcionamiento recomendados en la práctica. Operación Actual El primer LST que incorporó los conceptos de diseño resultantes de estas pruebas en UWRL fue instalado en una tubería de agua de 60" de diámetro y comenzó a funcionar el 12 de enero de Hasta la fecha, el sistema ha funcionado durante más de 3,200 horas y demostró una disponibilidad del 98.7%. El rango de operación libre de cavitación ha sido verificado para las condiciones de flujo encontrados hasta ahora, y mejoras en el diseño de las turbinas han dado como resultado en un funcionamiento más suave y una mayor generación de energía que cualquier turbina previamente probada. Los autores de este informe son Joshua Thomas, Gerente del Programa de Ingeniería, y Noé Weaverdyck, Ingeniero de Aplicaciones, Lucid Energy Inc, 108 NW 9th Avenue, Suite 201C, Portland, OR 97209, EE.UU., y el Dr. Michael C. Johnson, de la Fundación de Investigación de la Universidad de Utah, Laboratorio de Investigación del Agua de Utah, 1600 Canyon Road, Logan, UT 84321, Estados Unidos.