Evaluación de la eficiencia energética de generadores en plantas hidroeléctricas: Casos de estudio

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1 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, 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 17

2 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 ). 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 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. 18

3 Generador No.1 No. 2 No. 3 Capacidad (KW) Tensión de generación (V) Corriente estator (A) Velocidad (RPM) Frecuencia (HZ) Tabla 1. Datos de placa de generadores evaluados. La norma internacional IEC , 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 = ( P + P ) g P P i = P 1 + P 2 g Donde: i 100 * η Eficiencia energética (%). P g Potencia generada (kw). P i Pérdidas dentro de la superficie de referencia del generador (kw). P 1 Pérdidas transmitidas al medio refrigerante en forma de calor y que puede ser medida calorimétricamente (kw). P 2 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

4 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 A. 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 (P 2 ). Se registraron la temperatura ambiente (T a ), 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 (P g ). Figura 1. Circuito de medición en planta para la determinación de la eficiencia energética del generador. 20

5 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). 21

6 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 ( o C) Densidad (Kg/m 3 ) Cp (kj/kg-k) Humedad 76% 76% 68% 55% 50% 47% 46% 44% 43% 45% Ts ( o C) [s(t*q)/qtotal] , Qs (m 3 /min) Qs (m 3 /s) Delta T Cp *rho*deltat*qs (KW) PTotal Enfrim: dp/h: 4.43% -7.43% 6.40% -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] Humedad 45% Aire de enfriamiento Temperatura aire entrada [ C] Temperatura aire salida [ C] Flujo de aire a la salida [m 3 /s] 3.74 Pérdidas disipadas por el aire de enfriamiento [kw] (P 1 ) Superficie de referencia Temperatura promedio de la superficie [ C] Pérdidas disipadas en la superficie de referencia [kw] (P 2 ) Pérdidas totales [kw](p 1 +P 2 ) Eficiencia calculada del generador núm % 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 22

7 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] 7100 Factor de potencia 1.00 Condiciones ambientales Temperatura [ C] 35.7 Presión barométrica [kpa] Humedad 46% Aire de enfriamiento Temperatura aire entrada [ C] Temperatura aire salida [ C] Flujo de aire a la salida [m 3 /s] Pérdidas disipadas por el aire de enfriamiento [kw] (P 1 ) Superficie de referencia Temperatura promedio de la superficie [ C] Pérdidas disipadas en la superficie de referencia [kw] (P 2 ) Pérdidas totales [kw](p 1 +P 2 ) Eficiencia calculada del generador núm % Tabla 4. Resultados de pérdidas y eficiencia para el generador evaluado núm. 2 a carga máxima. Figura 3. Generador evaluado núm. 2 de 8000 kw, C. H. Necaxa de la CFE (U-4). Eficiencia generador eléctrico evaluado no. 3 Potencia generada [kw] Factor de potencia 1.00 Condiciones ambientales Temperatura [ C] 35.8 Presión barométrica [kpa] Humedad 43% Aire de enfriamiento Temperatura aire entrada [ C] Temperatura aire salida [ C] Flujo de aire a la salida [m 3 /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] (P 2 ) Pérdidas totales [kw](p 1 +P 2 ) Eficiencia calculada del generador No % Tabla 5. Resultados de pérdidas y eficiencia para el generador evaluado núm. 3 a carga máxima. 23

8 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. 24

9 Referencias Comisión Federal de Electricidad, 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 IEC Rotating Electrical Machines - Part 2-1: Standard Methods for Determining Losses and Efficiency from Tests (Excluding Machines for Traction Vehicles). IEC A. 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: intechopen.com Currículum vítae Francisco Antonio Carvajal Martínez [carvajal@iie.org.mx] Maestro en Ciencias por la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME), del Instituto Politécnico Nacional (IPN) en Diploma de especialidad en Generadores de inducción por la Nottingham Trent University en Inglaterra en Ingeniero Industrial Electricista por el Instituto Tecnológico de Veracruz en Ingresó como investigador al área de Máquinas Eléctricas Rotatorias de la Gerencia de Equipos Eléctricos (GEE) del Instituto de Investigaciones Eléctricas (IIE) en 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. Rosario Esther González del Castillo [rosario.gonzalez@iie.org.mx] Máster en Integración de las Energías Renovables en el Sistema Eléctrico por la Universidad del País Vasco (EHU) en Bilbao, España en Licenciatura en Ingeniería Eléctrica por el Instituto Tecnológico de Aguascalientes en 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 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. 25