10 CASOS ESTUDIADOS DE MONITOREO Y DIAGNOSTICO EN TIEMPO REAL EN PLANTAS HIDROELÉCTRICAS

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1 10 CASOS ESTUDIADOS DE MONITOREO Y DIAGNOSTICO EN TIEMPO REAL EN PLANTAS HIDROELÉCTRICAS Mr. Marc R. Bssonnette, P.Eng. VbroSystM Inc., Longueul, Quebec, Canada RESUMEN El montoreo en tempo real, proporcona nestmable nformacón de la maqunara que permte al personal de planta tomar decsones con conocmento de causa del estado de los equpos de generacón y planfcar el mantenmento según requermento; mentras se ncrementa la dsponbldad por la reduccón de los tempos de parada de máquna y evtando las paradas forzadas. Estudando la máquna en todos los rangos de operacón y condcones transtoras, desde grupo parado hasta sobrevelocdad, permte una ampla evaluacón del estado de la máquna y su comportamento. Los sstemas presentados han demostrado muchas veces sus benefcos y efectvdad, utlzando el arte, tecnología y la capacdad analítca de estos sstemas para mplementar el mantenmento basado en el estado de la máquna, dagnostcando los problemas y protegendo los componentes de averías y saldas de fuera de servco de la máquna. INTRODUCCION Los benefcos del control en tempo real han sdo largamente reclamados para grupos hdroeléctrcos, pero raramente ha sdo tan claramente demostrados como en los casos estudados y presentados más adelante. El montoreo de la máquna no es todavía practca común en la ndustra hdráulca. De todas las máqunas hdráulcas nstaladas en el mundo, solamente algunos centos han sdo equpadas con nstrumentacón para el control en tempo real. De los pocos sstemas dsponbles, solo unos cuantos han probado su efectvdad como los sstemas mostrados proporconando un control general para un amplo análss y dagnóstco del grupo. El entreherro es un buen ndcador de la condcón y comportamento dnámco de la máquna. Puesto que el entreherro es el corazón del generador y es la nterface entre las fuerzas mecáncas y eléctrcas, muchos problemas son evdencados en el, y lo que no se ve es algunas veces tan mportante como lo que se ve. Por otra parte, la dsponbldad de correlaconar otros parámetros de estado con el entreherro proporcona la capacdad de efectuar un precso y amplo análss y dagnóstco. El sstema de montoreo del entreherro (AGMS) y su parente el sstema de montoreo de condcón de la máquna ZOOM, han sdo nstalados sobre más de 450 generadores hdráulcos en los 12 últmos años. En numerosas oportundades, estos mostraron su efcaca para detectar sgnos de anomalías, proporconando crucal nformacón para un rápdo y precso dagnóstco, permtendo conocer el estado de la máquna para mplementar el mantenmento basado según estado de la máquna, y prevnendo catastrófcos ncdentes.

2 DESCRIPCION GENERAL DEL SISTEMA Los sstemas mostrados han sdo presentados en numerosas oportundades últmamente, por consecuenca no vamos a entrar en detalles descrbendo estos sstemas [1,2,5,6]. No obstante, como un repaso, aquí presentamos una revsón de las prncpales partculardades y característcas del sstema de montoreo del entreherro (AGMS) y el sstema de montoreo de condcón de la máquna ZOOM. El sstema de montoreo del entreherro AGMS fue desarrollado prmero por el Insttuto de Investgacones de Hydro-Québec (IREQ) en los prmeros años de los 80, para detectar y prevenr el frotamento entre el rotor y estator; sn embargo este sstema demostró que tene mucho más utldad como una herramenta para el mantenmento según estado de la máquna, así como una herramenta de dagnostco que muestra el comportamento dnámco y la verdadera condcón de la máquna y como una herramenta segura para prevenr daños a los componentes del grupo y saldas de fuera de servco nopnadas. El ZOOM es una extensón de AGMS, que montorea y correlacona otros parámetros para un amplo análss de la máquna. El AGMS usa sensores capactvos nstalados en el estator para medr la luz del entreherro en cualquer condcón de funconamento desde máquna parada hasta la sobrevelocdad. Las dos grandes cualdades de los sensores capacítvos son : la nmundad a las condcones del duro medo ambente en que se encuentra los generadores y mejora su precsón cuando la dstanca decrece. La fnaldad de nstalar sensores dentro del generador es la confabldad y segurdad que requeren las plantas de generacón. Son menos complejos, fácl de nstalar y mantener s alguna vez son requerdos, no representan resgo alguno para la máquna, y no entorpecen a la operacón. El número de sensores es de 4 a 16, dependendo prelmnarmente del dámetro y tpo de generador. Los sensores son conectados a un equpo de adquscón de datos fuera del generador, el cual almenta a una PC ubcada en la sala de control. Local o remoto, los datos son de fácl acceso para los análss. Confguracón del sstema AGMS (8 canales) Al controlador va enlace prncpal RS-485 El número fnal y ubcacón de los sensores depende del dseño de la máquna (n secónes del estator, planches de anclaje, areas problematcas, etc.) Sonda de sncronzacón ESTATOR ROTOR Undad de adquscón de datos AGMS 90 Exctatrz Cojnete de guía superor Arrollamento del estator Generador Núcleo del estator Campo magnétco Cojnete de guía nferor y cojnete de empuje Eje Servomotor Cojnete de guía de la turbna Caja en espral Eje de los álabes Puntas de los álabes (Kaplan) Banda de rodete (Francs) Cable de comuncacones Panel e ndcadores (RS-485 y Sncronsmo) de la undad FIGURA # 1 2 Posbldades de entrada al ZOOM El ZOOM tene la partculardad de tener una arqutectura aberta, lo que permte al usuaro tener un sstema a medda según las necesdades de la máquna o dsponbldad presupuestal. El sstema puede ser confgurado para montorear los sgnos vtales (usualmente de 8 a 16 entradas) o para un montoreo extensvo ( 24 a 64 entradas) del generador hasta la turbna. Muchos sstemas ZOOM son utlzados para montorear y correlaconar las vbracones de las máqunas. El sstema puede fáclmente amplarse de acuerdo a los requermentos de la planta o cuando la dsponbldad presupuestal lo permte. El ZOOM es un gran sstema que acepta tambén señales de otros P C KV MW N S RPM MVAR

3 sstemas que se encuentran en el mercado así como de los nstrumentos exstentes en la central. Por ejemplo, el ZOOM puede comuncarse con GENGUARD system, fabrcado por IRIS Power Engneerng, para la nformacón de la actvdad de las descargas parcales. Esto hace del ZOOM una completa y muy mportante herramenta a mplementar. Adconalmente el programa permte regstrar el estado de operacón de la máquna al msmo tempo en que se están mdendo los parámetros, tener un ngreso externo de medda, o suprmr las alarmas durante condcones específcas de operacón. El AGMS tene como foco el mínmo entreherro para cada polo del rotor, actuando como punto de referenca físca de la máquna en rotacón. La medda de sgnatura regstra la nformacón del mínmo entreherro de los polos en rotacón. La medcón de polo es el regstro sobre un número específco de rotacones, y la medcón de tendencas sgue la evolucón de los parámetros durante días, semanas y meses, y la medcón de alarma vgla los ncdentes. Con el ZOOM, los parámetros adconales son sncronzados con mínmo entreherro de los polos del rotor. Correlaconando estos parámetros sobre los gráfcos, se obtene una completa vsón de la máquna dnámcamente y un análss lógco del comportamento de la máquna proporconando precsos dagnóstcos. CASOS ESTUDIADOS Los sguentes 10 casos estudados lustran las bondades de los sstemas. Hemos delberadamente mantendo la confdencaldad de todas la partes descrtas, hasta no obtener las autorzacones respectvas. Sn embargo, el objetvo de este documento es enfatzar los benefcos proporconados por los sstemas. La mayoría de los casos son descrtos en base a los reportes emtdos por el Servco de Interpretacón de Resultados, un servco que ofrece VbroSystM. Este consste en una sere de controles que se efectúa bajo dferentes condcones de operacón y transtoros y que es regstrada por los sstemas AGMS o ZOOM. Los datos son analzados y un reporte es emtdo en base a las observacones y análss de los resultados, completando con las recomendacones. 1. Comportamento del entreherro durante el arranque y la parada. Un sstema de montoreo del entreherro fue nstalado a prncpos de 1998 sobre un generador/motor de 27MW, en una estacón de turbna/bomba en los Estados Undos. Poco después, una prueba del comportamento dnámco fue realzada en abrl Especal atencón se tomó a las pruebas y evaluacón de la máquna durante el arranque y parada, como práctca común en turbna/bomba son frecuentes daramente los cclos de arranque y parada. El GRAPHICO #1 presenta la varacón del entreherro en mls de todos los polos del rotor durante 160 vueltas desde el arranque hasta la velocdad nomnal sn exctacón. El mayor entreherro se observa al nco ( 1155 mls). En conclusón, la fuerza centrfuga es la únca que actúa sobre el anllo del rotor y los polos y por lo tanto es la únca responsable de la reduccón del entreherro. Dependendo del dseño del rotor, un anllo flotante tendrá mayor expansón que un anllo fjo como es la característca en este caso. Más aun, la redondez del rotor tendrá una varacón por ende. El GRAPHICO #1 muestra la expansón del anllo 75 mls (7.1% 1 ) durante esta condcón transtora y un ncremento de la redondez de 29 mls (2.7%) a 40 mls (3.8%). Estos valores son excelentes y están dentro de las tolerancas de montaje. 1 A través de este documento, el porcentaje se refere a la relacón sobre el valor nomnal en la condcón estátca y fría para estos parametro (vea Apendce1) 3

4 1160 Rotor Rm Roundness at Start-up: 29 mls A r G a p ( m l s ) Rotor Rm Roundness at Speed No Load: 40 mls Ar Gap Reducton by Centrfugal Force on Rotor Rm: 75 mls 28/1 8/36 16/72 24/108 4/ turn(s) 27 pole(s) E+1 mls GEN3 Ar Gap DN 022 DEG. Stator core 1998/04/03 11:37: tr Up; Start up aft starts - JSA GRAFICO #1 Comportamento del entreherro durante el arranque de un Generador/Motor Begnng of Restrcton A r G a p ( m l s ) Rm Movement (Sudden Contracton) /1 13/72 25/143 9/215 21/ turn(s) 1 pole(s) E+1 mls GEN3 Ar gap DN 022 DEG. Stator core 1998/04/02 15:30:14 CCW; 290 tr Down; Shut-down GRAFICO #2 Comportamento del entreherro durante la parada de un Generador/Motor 4

5 General Tendency of the Maxmum Gap 1130 A r G a p ( m l s ) General Tendency of the Mnmum Gap 17/179 13/197 9/ turn(s) 1 pole(s) E+0 mls GEN3 Ar gap DN 022 DEG. Stator core 1998/04/02 15:30:14 CCW; 290 tr Down; Shut-down GRAFICO #3 Seccón del movmento de expansón del anllo El GRAFICO #2 lustra la varacón del entreherro durante 290 vueltas en la parada. Este aumenta en 60 mls (5.7%) cuando el rotor gra más despaco, mentras que el valor de la redondez va de 38 mls (3.6%) a 29 mls (2.7%). Sn embargo, el gráfco revela un nteresante fenómeno durante la parada. Como se ve, el rotor no sgue una perfecta curva exponencal. Todos los sensores muestran lo msmo; dos repentnos cambos. El prmero ocurre cuando la redondez aumenta 4 mls y gradualmente sube hasta 7 mls durante las sguentes 20 vueltas. La segunda rotura de la curva representa un repentno movmento del anllo flotante por el cual la redondez del rotor dsmnuye nstantáneamente 7 mls. El GRAFICO #3 es una amplacón de la seccón de la curva, en la cual muestra el movmento del anllo. Esto se presume que exste una restrccón temporal en la base del patín del anllo que ayuda la lbre contraccón. El comenzo de la restrccón ocurró entre la vuelta #182 y termnó en la vuelta #204. Debdo a las frecuentes paradas de la undad, una nspeccón vsual del soporte y amarre del anllo es recomendable observando sgnos de polvo metálco en las cuñas debdo a la frccón y sgnos de fsuras. Tambén el cambo de valores durante los arranques y paradas requere ser controlado de cerca. Tempranos sgnos de problemas estructurales serán detectados con un montoreo y control de las tendencas del entreherro, redondez del rotor y estator. 5

6 2. Comportamento del entreherro durante los rechazos de carga. Las pruebas de rechazo de carga son efectuadas entre otras para verfcar la rgdez mecánca y balanceo de la máquna, durante las pruebas de puesta en servco de nuevas undades o reconstrudas. Esta garantza un margen de segurdad ante la eventualdad de una repentna actuacón de la proteccón. Esta prueba revela la rgdez del rotor y estator, el alneamento del eje, y el comportamento vbraconal de la máquna. Regstrando esta prueba con el AGMS o el ZOOM, se consgue una vsón completa de la condcón del generador o la máquna, con el fn de crear una base ncal de datos para futuras comparacones del comportamento de la undad. La peor condcón de un rechazo de carga ocurre cuando la máquna esta a plena carga y se abre el nterruptor de máquna así como el nterruptor de campo. Por un nstante, antes que los elementos de cerre de la turbna reacconen, el agua actúa sobre la turbna. Sn carga magnétca sobre el generador, la máquna se acelera y puede entrar en sobrevelocdad, hasta que los elementos de cerre actúan; luego, la velocdad de máquna baja hasta parar. En el nstante en que el campo magnétco deja de actuar, el conjunto estator se mueve haca afuera, por cuanto el campo magnétco no tra más haca adentro. Smultáneamente, desbalances mecáncos, desalneamento del rotor, eje y turbna, pueden ser vstos como vbracón anormal. El GRAFICO #4 muestra la varacón del entreherro durante un rechazo de carga de un generador de 28 MW en Canadá. En el desarrollo de aproxmadamente 50 revolucones, el rechazo de carga ocurre en la vuelta #16. Un lgero ncremento del entreherro es vsble en la vuelta #17 reflejando la expansón del estator por la perdda de la fuerza magnétca que tra. Esto nos da una buena dea de la rgdez del estator, la cual es buena en este caso. Luego se observa una rápda reduccón del entreherro por la expansón del rotor como consecuenca de la fuerza centrfuga debdo a la sobrevelocdad 150% de la velocdad nomnal, hasta la vuelta #23 cuando los alabes se cerran, segudo por una permanente contraccón y un ncremento del entreherro como la máquna dsmnuye la velocdad de rotacón Load Rejecton Roundness: 0.55 mm Stator Setback: 0.09 mm 150% Overspeed Roundness: 0.58 mm 8.30 A r G a p ( m m ) Ar Gap Reducton: 0.12 mm 116/1 44/9 88/18 16/26 60/35 104/44 7 turn(s) 0 pole(s) E-1 mm GEN6 Ar gap CHANNEL 1 Generator 1998/06/24 11:32:18 50 tr Down; LOAD REJ. R-7; 20.2 MW GRAFICO #4 Prueba de rechazo de carga con 150% de sobrevelocdad 6

7 El valor de la redondez del rotor antes del rechazo de carga es de 0.55 mm (5.5%). Al pco de la sobrevelocdad 150%, el valor de la redondez del rotor es 0.58 mm (5.8%). Al fnal, el valor de la redondez se reduce a 0.49 mm (4.9%). La reduccón del entreherro entre las vueltas #16 y #22 es de 0.12 mm (1.2%). Todos estos valores son aceptables. Pero más aun, s comparamos en el msmo plano para cada sensor del entreherro, los valores son cas déntcos. Esto sgnfca que el anllo del rotor se encuentra ben fjado y los ejes de rotacón no se desplazan por cuanto todos los sensores ven exactamente lo msmo. S el rotor hubese perddo su capacdad de encogmento alta velocdad, se hubera tendo dferentes valores y modelos para cada sensor. S los ejes del rotor se hubesen desplazado, esto sgnfca un desequlbro mecánco, se hubese tendo dferentes valores después del rechazo de carga cuando el rotor retorna a las condcones ncales. Podríamos tambén haber sdo capaces de regstrar el desplazamento y ángulo de desplazamento del rotor/eje. De todo lo observado, se concluye que mecáncamente la rgdez del rotor es excelente y el anllo se encuentra ben ajustado, el rotor se encuentra ben balanceado y no presenta vsbles desequlbros mecáncos o magnétcos. La refaccón de la máquna ha sdo ben ejecutada y pasó las pruebas de control en forma clara. 3. Dagnóstco del problema de altas vbracones sobre el eje de un generador. Determnar el orgen de la vbracones sobre una undad es algunas veces tarea dfícl. Se debe proceder por elmnacón medante una sere de pruebas medcones y análss. Aquí es el procedmento aplcado al dagnostco de altos nveles de vbracones en el cojnete guía de un generador de 2 años de antgüedad de un grupo de 50 MW en los Estados Undos. La undad dseñada con cojnete guía en la parte superor del generador y otro encma de la turbna requere un precso montaje para elmnar errores geométrcos. Dos seres de pruebas fueron tomadas bajo dferentes condcones de operacón, usando el sstema ZOOM. Como propósto de análss, el polo 70 fue selecconado como referenca, porque el sstema demostró que este polo se encuentra dentro de los ejes de coordenadas del descentrado del rotor, y permanece gual cuando se aplca el campo y bajo carga. El prmer paso relacona el comportamento de la vbracones vs dferentes condcones de operacón. El GRAFICO #5 muestra que la vbracón pco a pco se ncrementa exponencalmente con la velocdad de rotacón de la máquna y establzándose cuando se aplca el campo. Esto ndca un desequlbro mecánco. COMPORTAMIENTO VIBRATORIO DE LA UNIDAD Vbrac n (mls) Cojnete Gen. X Cojnete Gen. Y Cojnete Turb. X Cojnete Turb. Y 13 RPM VNSC 10,5 MW 14,9 MW 19,7 MW 25 MW 29,7 MW 44 MW 50,3 MW Condcones de Operac n GRAFICO #5 7

8 R e l. V b r a t o n ( m l s ) Generator Gude Bearng X Turbne Gude Bearng X Hz E+0 mls GEN 07 Rel. vbraton GUIDE BRG. X Generator gude bearng 1998/01/14 15:29:09 10 tr; Full load; 50.8 MW; -5.4 MVAR; 10 turns E-1 mls GEN 07 Rel. vbraton TUR. BRG. X Turbne gude bearng 1998/01/14 15:29:09 10 tr; Full load; 50.8 MW; -5.4 MVAR; 10 turns GRAFICO #6 Espectro de vbracón en los ejes X de los cojnetes guía de generador y turbna R e l. 50 GGB X V b r a t o n ( m l s ) TGB X Feld Breaker Closng /27 40/40 28/53 16/66 0 turn(s) 38 pole(s) E+0 mls GEN 07 Rel. vbraton GUIDE BRG. X Generator gude bearng 1998/01/14 11:59: tr Up; Auto-Start w/feld Flash E+0 mls GEN 07 Rel. vbraton TURB. BRG. X Turbne gude bearng 1998/01/14 11:59: tr Up; Auto-Start w/feld Flash GRAFICO #7 Gráfco polo de la vbracón de los cojnetes guía con exctacón 8

9 El segundo paso se refere al análss espectral de los cojnetes guías del generador y de la turbna usando el programa ZOOM. El GRAFICO #6 muestra una frecuenca predomnante de 1.58 Hz el cual enlaza la frecuenca de rotacón de la máquna (94.7 RPM /60 seg.). Tambén muestra que las vbracones de la 2da. y 4ta. armónca de la frecuenca fundamental de la turbna fueron bajas. Añadendo el hecho que las vbracones pco a pco del cojnete guía turbna son bajas, esto ndca que el orgen del problema no está en el nvel de la turbna. El tercer paso mplca el estudo del desplazamento del eje vs. condcones de operacón para verfcar la presenca del desequlbro magnétco. La TABLA #1 muestra que el descentrado del rotor crea un tro magnétco lo sufcente para modfcar lgeramente las coordenadas de rotacón del eje, producendo un perceptble desequlbro mecánco, el cual genera la vbracón. Este efecto magnétco es confrmado con el GRAFICO #7 (vbracones de cojnetes vs polos/rotacón de la máquna) por el cebado de campo cuando se cerra el nterruptor de campo. Condtones PARAMETROS ROTOR de Operacón Crculardad Concentrcdad Angulo Baja Velocdad mls / 4.87 % 3.75 mls / 0.73 % 313 V.N.S.C mls / 4.97 % 3.94 mls / 0.77 % MW mls / 6.14 % 5.76 mls / 1.12 % MW mls / 5.75 % 5.68 mls / 1.11 % MW mls / 5.92 % 5.41 mls / 1.06 % 332 TABLA #1 El paso fnal fue para verfcar la establdad del perfl del rotor bajo varas condcones de operacón puesto que alguna modfcacón en la redondez del rotor podría tambén afectar la excentrcdad, por consguente el comportamento de las vbracones. Nuevamente, la TABLA #1 revela que el perfl varía muy poco y que el ángulo de descentrado se mantene. Por consguente, el perfl es estable y no contrbuye a las vbracones. El últmo paso demuestra que el problema de las altas vbracones provene de la excentrcdad del rotor y que el desequlbro magnétco contrbuye. Puesto que el descentrado geométrco del rotor es relatvamente pequeño (menor 1.2%) y que esta dentro de las tolerancas, se determnó que un balanceo del rotor debería ser sufcente para corregr el problema de vbracón. El reporte del RIS sugere nstalar un peso de 20 lbs en el ángulo opuesto del descentrado (135º), luego repetr la medcón a velocdad nomnal sn carga, para encontrar el peso y ángulo defntvos. 4. Evaluacón de la expansón térmca relatva del estator utlzando las medcones del entreherro. Las medcones del entreherro pueden ser utlzadas para evaluar el desplazamento relatvo del estator tanto longtudnalmente como axalmente y no movmento del anllo. Dos ejemplos son mostrados para lustrar la expansón unforme e rregular del estator. Una vez que la establdad del rotor está confrmada, podemos proceder con la evaluacón de la expansón térmca relatva del estator. Las medcones del entreherro de un polo del rotor frente a cada sensor son recopladas como referenca al menos en dos condcones de operacón: a velocdad nomnal exctado y a plena carga calente (por lo menos 3 horas funconando). 9

10 La varacón del entreherro es comparada en las dos condcones para cada sensor. La expansón se dce que es unforme s la dferenca es pequeña para cada sensor; y se dce que es rregular s uno o varos valores son dspersos. Esta técnca proporcona un valor relatvo con respecto a los ejes de rotacón del rotor. Una pequeña varacón (0.13 mm/5 mls) se espera debdo a la vbracón del eje, del estator, y debdo al sstema de precsón. S un problema o rregulardad es detectado, el aumento de sensores de no contacto de desplazamento, mrando la carcasa del generador nstalados en la parte superor e nferor de la carcasa en las fundacones de concreto es recomendable. El sstema ZOOM puede luego correlaconar el desplazamento absoluto de la carcasa con las medcones del entreherro. El prmer ejemplo representa la expansón unforme de un estator de un generador/motor en los Estados Undos. La TABLA #2 muestra que la máxma varacón observada es excelente. Los valores comparados con el grupo y a plena Por los frecuentes cambos de modo de operacón, las dos condcones no fueron posbles efectuar en la msma secuenca de tempo. Sn embargo, las dos condcones son consderadas representatvas. Entreherro del Polo 28 (mls) Pruebas Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 VNSC-Exctado 42 C % Carga 71 C Max. Expanson Relatva Dferenca TABLA #2 El segundo ejemplo se trata de una expansón rregular sobre un generador de 212 MW que todavía se encuentra en garantía en Venezuela. Cuatro de los ocho sensores fueron colocados nstalados cerca de 4 de las 12 planchas de anclaje del sstema de cuñas radales, dseñado para absorber la dlatacón térmca. En la TABLA #3 se muestra que los sensores numerados (2,4,6,8) tenen mayor varacón que aquellos que fueron numerados (1,3,5,7) localzados cerca de la plancha de anclaje. Las recomendacones fueron de verfcar el sstema de cuñas radales y adconar sensores de desplazamento en la carcasa del estator en lnea con los sensores del entreherro para posterores análss. Entreherro del Polo 52 (mls) Pruebas Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4 Sensor 5 Sensor 6 Sensor 7 Sensor 8 VNSC Exctado (46.3 C) 100% Carga (96.2 o C) Max. Expanson Relatva Dferenca , TABLA #3 10

11 5. Envejecmento prematuro de un generador. Poco después de las pruebas de puesta en servco en otoño de 1995, una sere de controles y medcones fue ejecutada utlzando el sstema ZOOM sobre un generador nuevo de 50 MW en los Estados Undos. El propósto de estos controles fue para verfcar la ntegrdad de la nueva máquna (tolerancas y comportamento dnámco) y usar estos resultados como datos de base de referenca para futuros controles. En septembre 1997, una segunda sere de controles se realzó para evaluar el comportamento dnámco y determnar la condcón y evolucón de la undad. Parámetros Pruebas Tolerancas Ene. 96 Sept. 97 Montaje Aceptable Crítco Varacón Entreherro 11.8% 17.4% 13% 20% 30% Redondez del Estator 6.9% 11.6% 7% 12% 20% Concentrcdad Estator 1.0% 0.8% 5% 7.5% 10% Redondez del Rotor 4.9% 5.8% 6% 8% 10% Concentrcdad Rotor 1.7% 1.0% 1.2% 2.5% 4% Vbracón Generador (mls) (1) Vbracón Turbna (mls) (1) NA Vbracón Axal (mls) Nota: 1. Vbracón relatva promedo de los ejes X y Y. TABLA #4 La TABLA #4 compara los resultados de los controles del ZOOM de 1996 y S ben que la máquna fue consderada confable en el corto perodo, el análss resaltó una sgnfcatva deteroracón de la redondez del estator, un lgero ncremento en la redondez del rotor, una mejora en las concentrcdades del rotor y estator y alta vbracón en el cojnete guía del generador (ver caso 3). Como se muestra la fgura polar 2 del generador en el GRAFICO #8, el estator tene la tendenca de adoptar una forma oval. Esto es consderado como anormal para una undad de dos años de antgüedad y excede las tolerancas esperadas para una máquna con 15 años de operacón. Este se deteroró desde 6.9% hasta 11.6%. S ben los valores se contnúan aceptables, el rango de deteroracón se consdera prematuro. Esto se debe probablemente a problemas de montaje o de dseño en el sstema de patnes radales concebdo para facltar la dlatacón térmca del estator. El análss de la expansón térmca relatva del estator, con el auxlo de un polo del rotor como punto de referenca, confrma la gran expansón radal de aproxmadamente 20 mls en los ejes superor e nferor opuestos a los otros puntos. 2 Vsta superor del perfl del rotor dentro del perfl de estator. El polo #1 esta marcado por una recta del centro del rotor y los sensores están dentfcados por marcas sobre el perímetro del estator. Los círculos de referenca son trazados. Incluye valores calculados: rotor y estator excentrcdad y redondez, promedo del entreherro, máxmo y mínmo entreherro. Especfcamente este generador tene 76 polos y 8 sensores. 11

12 Ar Gap At cursor: Mnmum: Maxmum: Mean: 0.00 mls Pole 0 At mls Pole 1 At mls Pole 34 At mls Center Offset Rotor: mls At 332 Stator: 9.22 mls At 211 Roundness Rotor: Stator: mls mls Pole 1: 69 Grd: 0.00 Zoom: /01/14 15:27: MW; -4.8 MVAR GRAFICO #8 Vsta polar del generador a plena carga Con el tempo, un ncremento del perfl ovalado del estator podría orgnar la dstorsón de la redondez del rotor a causa de los esfuerzos cíclcos sobre el anllo del rotor en cada vuelta. La recomendacón fue de ncar las dscusones con el fabrcante para estudar el problema por cuanto la máquna se encuentra dentro del perodo de garantía e mplementar con sensores de desplazamento en la parte superor de la carcasa para futuros controles y estudo de la anomalía. Este caso demuestra la mportanca de efectuar pruebas y análss detallados durante las pruebas de puesta en servco de máqunas nuevas o reconstrudas y reptendo esto proceso en los subsecuentes años para comparar y evaluar la tendenca de evolucón de los parámetros del comportamento dnámco y condcón mecánca. Esta percepcón puede ser naprecable para comprometer al fabrcante durante las dscusones o aplcar los térmnos de la garantía. Este ejemplo demuestra nuevamente la efectvdad de la mplementaron del montoreo de la máquna con relacón a la nversón. 12

13 6. Deteccón de vbracones sobre un anllo flotante del rotor. Las vbracones sobre el anllo flotante del rotor se puede detectar por comparacón en los gráfcos de sgnatura de un solo sensor bajo dferentes condcones de operacón (para dstorsón del anllo) y en todos los sensores mdendo lo msmo (para vbracones en el anllo). La medda sgnatura regstra el mínmo entreherro de cada polo en una vuelta de la máquna. Típcamente, los perfles desarrollados deberían ser ndentcos para todos los sensores. Cuando se estuda la forma en detalle, por ejemplo un polo con respecto a los otros que estan juntos a este, se observa muy pequeña la varacón por las vbracones del eje, vbracones del estator (son práctcamente mperceptbles) y sobre todo, el sstema de precsón 3. Cualquera dferenca entre las curvas que excedan esta tolerenca es consderada como vbracones en el anllo. En este caso, un generador de 85MW en Canadá nos muestra las no-vbracones y vbracones del anllo del rotor. El GRAFICO #9 es un perfecto ejemplo en que el anllo del rotor esta lbre de vbracones a velocdad nomnal sn carga; aquí observamos que todas las curvas y detalles de ellas son déntcos. Numércamente la máxma dferenca que los valores muestran es de 1.3 mls, la cuale es bastante aceptable A r G a p ( m l s ) pole(s) E+1 mls UNIT #2 Ar gap Sensor 0 deg Generator 1997/03/21 14:26: % speed no load E+1 mls UNIT #2 Ar gap Sensor 180 deg Generator 1997/03/21 14:26: % speed no load E+1 mls UNIT #2 Ar gap Sensor 270 deg Generator 1997/03/21 14:26: % speed no load E+1 mls UNIT #2 Ar gap Sensor 90 deg Generator 1997/03/21 14:26: % speed no load GRAFICO #9 Sgnatura del anllo del rotor a velocdad nomnal sn carga Poco tempo después de las pruebas de puesta en servco en1985, se detectaron problemas en las cuñas del anllo del rotor. Un mantenmento mayor fue realzado en 1990 y el fabrcante modfcó los amarres del anllo flotante. En 1997 un sstema de control del entreherro fue nstalado y una sere de pruebas de comportamento fue regstrada en marzo del msmo año. Los resultados de los análss ndcaron que la expansón del anllo es rregular bajo dferentes condcones de operacón. Más aun estos revelan la presenca de bajas vbracones cíclcas cuando se aplca el campo magnétco. La frecuenca de vbracón es de 1.8 Hz, la cual corresponde a la frecuenca fundamental de la máquna. 3 La msma varacón descrta en el caso 4 pagna 10 :0.13mm / 5 mls 13

14 A r G a p ( m l s ) pole(s) E+1 mls UNIT #2 Ar gap Sensor 0 deg Generator 1997/03/25 13:48:15 85Mw,0Mvar,Hot E+1 mls UNIT #2 Ar gap Sensor 180 deg Generator 1997/03/25 13:48:15 85Mw,0Mvar,Hot E+1 mls UNIT #2 Ar gap Sensor 270 deg Generator 1997/03/25 13:48:15 85Mw,0Mvar,Hot E+1 mls UNIT #2 Ar gap Sensor 90 deg Generator 1997/03/25 13:48:15 85Mw,0Mvar,Hot GRAFICO #10 Sgnatura del anllos del rotor a plena carga- calente mostrando vbracón anllo El GRAFICO #10 muestra a los cuatro sensores leyendo la msma medcón a plena carga como una condcón normal de operacón. S ben que el perfl del rotor es aparentemente normal, nspecconando detendamente cada curva revela detalles dferentes en el perfl del anllo. Ahora el valor numérco muestra una máxma dferenca de 4.7 mls entre los sensores a 0º y 90º. Cuando se coloca el marcador en cada curva y se observa los polos, algunas veces se mra una cresta y en otras un valle. Por esto, las dferencas con los polos vecnos tenen ampltudes varables. Este ejercco puede repetrse para cada polo con el msmo resultado. Tres pueden ser las causas de las vbracones en el anllo: Bajo momento de nerca del anllo del rotor Desgaste lateral de las chavetas del anllo Débl estructura de la araña de la armadura Inspeccón y meddas de desgaste de las chavetas del anllo podrían dar una mportante psta de la naturaleza del problema. Esta baja vbracón cíclca no representa resgo por el momento. Para el futuro desgaste del anllo, se recomenda montorear las tendencas de los prncpales parámetros. Adtonalmente, una nspeccón annual del sstéma de los brazos de la araña se recomenda tambén. Fsuras en los brazos de la araña y presenca de polvo rojo cerca de las chavetas deben ser nvestgadas. 14

15 7. Problemas de extensón de vda de las máqunas. Esta 28 MW undad tpo bulbo en Canadá sufre una severa deformacón del estator y este problema se tuvo conocmento desde las pruebas de puesta en servco en La estructura muestra una permanente deformacón, como se observa en la fgura polar del generador en el GRAFICO #11, la cual ocurró con las prmeras cargas del generador. Ar Gap At cursor: Mnmum: Maxmum: Mean: 0.00 mm Pole 0 At mm Pole 54 At mm Pole 24 At mm Center Offset Rotor: 0.02 mm At 137 Stator: 2.42 mm At 299 Roundness Rotor: Stator: 0.57 mm 7.15 mm Pole 1: 293 Grd: 0.00 Zoom: /06/24 14:41:28 Testng; 82% gate; 29 MW MW GRAFICO #11 Vsta polar mostrando severa deformacón del estator Durante la parada de , la undad fue equpada con un sstema de montoreo del entreherro y una sere de pruebas fue conducda bajo dferentes condcones de operacón al retorno del servco en juno de La TABLA #5 resume los resultados. Se observó que el estator tene una sorprendente establdad dmensonal a pesar de la sgnfcatva de la redondez y concentrcdad, valores que superan largamente los estándares crítcos de tolerancas. Tambén se observan una excelente redondez y concentrcdad del rotor. Tolerancas Parámetros Pruebas Montaje Aceptable Crítco Varacón Entreherro 76.2% 13% 20% 30% Redondez del Estator 70.8% 7% 12% 20% Concentrcdad Estator 23.9% 5% 7.5% 10% Redondez del Rotor 5.4% 6% 8% 10% Concentrcdad Rotor 0.3% 1.2% 2.5% 4% TABLA #5 15

16 Las sguentes recomendacones fueron dadas; aun que la deformacón del estator causa seras varacones del entreherro, la establdad del estator y rotor bajo todas las condcones de operacón no se vería comprometda nmedatamente, retardando por algunos años la reconstruccón de la undad. Se sugró la nstalacón de alarma para el entreherro y especal atencón debe darse al control de la redondez del estator y del mnmo entreherro. La nstalacón de un sstema de control de vbracones de barras estatorcas, además de la nspeccón anual del arrollamento del estator y sstema de acuñado en la seccón deformada es muy recomendable. Futuros problemas mecáncos de rgdez aparecerán dentro de 5 a 10 años, los cuales podrían acarrear fallas eléctrcas mayores en la bobna. Realmente, la severa deformacón del estator se espera que se produzcan cambos en las ranuras del núcleo del estator. La reduccón del rado trae como consecuenca un encogmento de las ranuras el cual comprme el materal aslante de las barras estatorcas, lo que podría provocar un corto crcuto entre barras. Inversamente, el ncremento del rado agranda las ranuras, el cual causa una perdda de ajuste radal, permtendo vbracones de las barras y desgaste del aslamento por frccón y un eventual corto crcuto aterra. Este caso demuestra que, a pesar que las deformacones dmensonales del generador son severas, la establdad de ambos rotor y estator bajo todas las condcones de operacón se mantene, llevando un montoreo permanente con la nstalacón de alarma para el entreherro y control de las vbracones de las barras estatórcas, se garantza realmente una segura operacón la cual dfere la necesdad de una reparacón mayor del generador. 8. Hundmento del estator de generadores tpo bulbo. La experenca con las medcones del entreherro en undades tpo bulbo han revelado que estos se nclnan hundéndose el estator por la seccón superor. Esto usualmente se debe por la falta de robustez en los sstemas de anclaje núcleo carcasa por dseño de fabrcacón o montaje. Esta condcón se consdera rreversble y el problema tende agravarse con el tempo debdo a las constantes fuerzas gravtaconales que actúan sobre la seccón sobresalente de la máquna. Como el entreherro dsmnuye por accón de la gravedad en la seccón superor, la atraccón magnétca aumenta exponencalmente. A su vez, este desequlbro magnétco agrava el problema por la generacón cíclca de esfuerzos sobre los componentes del rotor y esfuerzos en el estator. Esto puede afectar el comportamento del generador por la nduccón de vbracones, sobre calentamento, fatga, y permanente resgo de falla y/o frotamento del rotor con el estator. Una undad de 27 MW tpo bulbo en Europa del Este es un buen ejemplo en el GRAFICO #12. En un corto perodo de 2 años desde las pruebas de puesta en servco, el estator se deformó severamente adoptando una forma oval. Esta condcón es consderada alarmante y anormal. Su 39.55% de la redondez del estator sobre el valor nomnal del entreherro se encuentra muy por encma del 20% del valor crítco de toleranca, y es el prncpal responsable para el 52.33% del valor promedo del entreherro. El orgen de esta debldad parece ser de dseño o de construccón. Tanto como el sstema de amarre deja de soportar la seccón superor del estator, esto permte al estator moverse lateralamente haca afuera. Esta flexón es unforme por lo que la concentrcdad del estator apenas camba y queda como únco de los paramentros dentro de las tolerancas de montaje. 16

17 Ar Gap At cursor: Mnmum: Maxmum: Mean: 0.00 mm Pole 0 At mm Pole 40 At mm Pole 94 At mm Center Offset Rotor: 0.25 mm At 195 Stator: 0.44 mm At 141 Roundness Rotor: Stator: 1.15 mm 3.56 mm Pole 1: 0 Grd: 0.00 Zoom: /10/11 05:57:25 75% Load GRAFICO #12 Vsta polar de un generador tpo bulbo mostrando hundmento del estator El cambo prncpal en la crculardad del estator ocurre durante la aplcacón del campo. El entreherro dsmnuye 0.26 mm (2.9%) en la seccón superor, mentras que en la seccón nferor es solamente 0.08 mm (0.09%). Al msmo tempo, hay un desplazamento lateral del eje haca el lado donde se encuentra el menor promedo del entreherro (270º). Aun cuando no es vsble todavía, el doble del desequlbro magnétco por vuelta, puede eventualmente nducr a que por vbracones, el eje y el anllo del rotor prncpalmente fallen por fatga mecánca. Más aun el resgo de contacto entre el estator y el rotor es el más emnente. La varacón de la crculardad bajo dferentes condcones de operacón confrma que el problema está evoluconando agravándose con el tempo. Por lo tanto, el montoreo de las tendencas y nstalacón de una alarma para el entreherro son muy necesaros. Pruebas adconales a baja velocdad y a plena carga con máquna fría y calente se requeren, para evaluar la expansón térmca del estator y efectuar un análss más amplo del estado y comportamento del generador. 9. Elmnacón de paradas nnecesaras por mantenmento. [3] Los sstemas AGMS y ZOOM pueden tambén ser utlzados para verfcar suposcones del comportamento de la máquna. Altas vbracones (0.46 mm meddos radalmente en el eje debajo del cojnete de empuje generador) fueron causantes de seros desgastes en los anllos rozantes de las escobllas y soporte que se encuentran ubcados en la parte superor del generador de 76.5 MW. La vbracón se ncrementaba tanto cuando la máquna se exctaba así como cuando se ncrementaba la carga. Algunos observadores pensaron que el problema se debó a un problema magnétco por el generador debdo a la desvacón del punto de rotacón del rotor o estator. La correccón de este problema requería un extenso y costoso desmantelamento de la máquna para centrar y dar la redondez del estator así como para centrar y dar la redondez de la pantalla exteror del anllo con la araña del rotor. 17

18 Como una medda de cruzar nformacón de control, se decdó nstalar un sstema de montoreo del entreherro. Los resultados de las medcones del entreherro que se presentan en el GRAFICO #13 demuestran que el rotor y estator se encuentran muy ben centrados y las redondeces de estos son excelentes bajo todas las condcones de operacón. Esto demostró que el generador no es el causante de la vbracón. Posterormente nvestgacones realzadas por el departamento mecánco de la planta, luego de realzar posterores nvestgacones, encontró gran cantdad de escombros en las aletas fjas de la caja espral de la turbna. Esta condcón causo una desgual dstrbucón de la presón de agua a aplcarse en la turbna francs y por lo tanto se produjeron grandes vbracones. El desmonte fue retrado y la undad retornó a sus vbracones normales que son bajas (0.05 mm radal). GRAFICO #13 Vsta polar del generador En este caso, el montoreo dnámco del entreherro ayudó a evtar un costoso e nnecesaro desmontaje de dos meses de fuera de servco. 10. Prevnendo fallas catastrófcas. [4,5] El problema de la deformacón de la carcasa del estator/entreherro ncalmente fue observado en 1972, en todos los generadores de 60 MW de esta central en Canadá. En 1989, un sstema de montoreo del entreherro se nstaló en todos los 16 grupos. Se efectúo el control dnámco de la luz entre el rotor y el estator y el resultado de este montoreo fue; el entreherro varía debdo a las varacones de las temperaturas estaconales, un progresvo fenómeno de hnchazón del concreto, etc. Un programa de mplementacón del sstema AGMS al sstema ZOOM se nco en En 1991, la alarma de mínmo entreherro dsparó en el Grupo #1. El mínmo entreherro dnámcamente proporconado por el ZOOM fue de 200 mls (406 mls nomnal). Al msmo tempo se tomó la decsón de sacar la undad fuera de servco para re centrar el estator y ajustar y engrasar las chavetas de la planchas de anclaje con la carcasa. La undad retornó al servco menos de un mes después, justo antes de la demanda pco de la estacón. 18

19 GRAFICO #15 Ploteo del entreherro en el momento de la alarma GRAFICO #16 Ploteo del entreherro al retornar al servco El sstema de montoreo en tempo real ha efectuado una sgnfcatva contrbucón a la central, garantzando la reduccón del resgo de contacto entre el rotor y estator vía la perdda de la luz radal por ejemplo perdda del entreherro. Esta valosa nformacón ayudo apropadamente a extender la fecha de mantenmento correctvo antes que se produzca el frotamento del rotor con el estator. Esto ayudó al manejo de la planta determnando cual de las 16 undades requró prortara atencón. CONCLUSION En la exposcón somera de estos casos, se demuestra que el montoreo del entreherro juega un rol de prmera línea en el control del comportamento y estado de una máquna. Tambén se muestra la capacdad de correlaconar varos parámetros en un ntegrado sstema de vglanca de condcón de la máquna, lo cual permte una ampla evaluacón y estudo del grupo. En un mundo demandante donde el personal de planta y gerentes son exgdos a ncrementar la dsponbldad del equpamento de generacón hdráulca, es fácl demostrar que las nformacones obtendas con los sstemas de montoreo on-lne de VbroSystM pueden proporconar una sgnfcatva contrbucón. Obtenendo la correcta nformacón en el tempo oportuno, permte al personal de la planta tomar las correctas decsones, las cuales tenen un drecto mpacto sobre los costos de operacón y explotacón de la central hdroeléctrca. 19

20 REFERENCIAS [1] Clouter, M., Bssonnette, M., Ar Gap Measurng System,1st Int l Machnery Montorng & Dagnostc Conference, Las Vegas NV, USA, May 1989 [2] Menard, P.,Bourgeos, J.-M., Usng Capactve Sensors for AC Generator Montorng, CIGRÉ Study Comttee 11,Int l Conference on Large Hgh Voltage Electrc Systems, CIGRÉ, Montréal QC, Canada, September 1989 [3] Pollock, G. B., Lyles, J. F., Vertcal Hydraulc Generators, Experence wth Dynamc Ar Gap Montorng, IEEE/PES Wnter Meetng, New York NY, USA, January 1992 [4] Casselman, D., Dstrct Electrcal Dvson, A Success Story, Memorandum Ontaro Hydro, Cornwall ON, Canada, December 1992 [5] Bssonnette, M., On-lne Montorng & Measurement of Hydrogenerator, IEEE Panel Dscusson on Advances n Hydroelectrc Machne Condton Montorng, IEEE Summer Power Meetng, Seattle WA, USA, July 1992 [6] Bourgeos, J.-M., Bssonnette, M., Capactve Sensor Technology: A Key for Better Montorng of Hydropower Generator, Hydropower 92,Rotterdam, Netherland, 1992 DETALLES BIOGRÁFICOS DEL AUTOR El Sr. Marc R. Bssonnette es un ngenero electrcsta graduado en la unversdad de Sherbrooke (Sherbrooke Canadá) en Desde 1987 el se encuentra nvolucrado con el desarrollo y marketng de los sstemas de montoreo para grandes máqunas rotantes. El Sr. Bssonnette es actualmente Gerente de Ventas para VbroSystM Machne Condton Montorng Dvson. AGRADECIMIENTOS El autor qusera agradecer al Sr. Paul Menard, consultor de GenExpert, Canadá, por su contrbucón técnca en muchos de estos caso. AGMS y ZOOM son marcas regstradas de VbroSystM Inc., Canada GenGuard es una marca de fabrca de Irs Power Engneerng, Canada 20

21 APENDICE 1 GUIA DE TOLERANCIAS MECANICAS PARA GENERADORES HIDROELECTRICOS 3 TOLERANCIAS MECANICAS Desvacón 1 Parámetro Defncón Montaje Aceptable Crtco Entreherro Redondez del estator Concentrcdad estator Redondez del rotor Concentrcdad rotor VIBRACION Máxma dferenca entre el entreherro meddo en cualquer punto sobre un msmo plano y el entreherro teórco (nomnal). Dferenca entre los rados nternos máxmo y mínmo meddos desde el eje de rotacón del rotor Dferenca entre el eje de rotacón del rotor y el mejor centro meddo en el msmo plano y calculado tenendo como referenca el polo del rotor Dferenca entre los rados exterores máxmo y mínmo meddos en el msmo plano Dferenca entre el eje de rotacón del rotor y el mejor centro calculado de los rados externos de cada polo en el msmo plano 13% 20% 30% 7% 12% 20% 5% 7.5% 10% 6% 8% 10% 1.2% 2.5% 4% Eje Undades hdráulcas (0-300rpm) Undades hdráulcas ( rpm) Núcleo estator Meddo entre el núcleo y la carcasa Carcasa Meddo entre la carcasa y la plancha de anclaje Notas: 1 - Desvacones expresadas en porcentaje del entreherro (teórco) 2 - Vbracones pco a pco expresadas en mls. 3 - Ref.: Guía técnca Dvsón de estudos y Normalzacón, VP ngenería HQ, Guía de tolerancas de montaje y sstema de alneamento de eje, CEA 21