Objetivos de Aprendizaje para Operaciones de Planta Hidroeléctrica
Tabla de contenidos 1. El rol de la Hidroeléctrica en el Sistema de Potencia...................... .................................................... ..............................2 2. Plantas hidroeléctricas....................... .............................................. .............................................. .................................................. .............................. ... 3 3. Manejo de las Aguas........ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................ ................. ................. ................ ............. ..... 4 4. Hidro turbina turbinass........ ................ ................ ................ ................ ................ ................. ................. ................ ................ ................ ................ ............. ......... ........ ...... ..5 5. Control y monitoreo de la Turbina....................... .............................................. ................................................... .................................. ...... 6 6. El Generador Hydro....................... .............................................. .............................................. .............................................. .................................. ........... 7 7. Monitoreo y control del Generador...................... ............................................. ................................................... .................................. ...... 8 8. Auxiliares de la planta hidroeléctrica.................... ........................................... ....................................................... .................................. 9 9. Operación del Equipo Eléctrico.................... ........................................... .............................................. ........................................ ................. 10 10. Operación de la planta Hidroeléctrica y su Mantenimiento.................................. ...................................... ....11
1. El rol de la Hidroeléctrica en el Sistema de Potencia El objetivo dar a los operadores y técnicos un entendimiento del rol de la energía hidroeléctrica en el sistema de potencia completo. Las características de las diferentes plantas hidroeléctricas son discutidas brevemente en lo referente a su efecto en la operación del sistema de potencia. Se presenta brevemente el sistema de potencia y además y además se repasan las tareas y responsabilidades del despachador y de los operadores del sistema de potencia. Luego de completar este módulo, los participantes deberán tener un entendimiento general de: Las características de las diferentes plantas hidroeléctricas: • o Baja caída, planta de pasada o Caída media con reservorio o Planta de alta caída o Planta tipo bomba para guardar energía Ventaja de lazos con otros sistemas de potencia vecinos • La mezcla de generación de energía • Los diferentes tipos de generación incluyendo fósil, turbina de combustión, y • nuclear Ventajas de la generación hidroeléctrica • El propósito del sistema de transmisión, Ej. Entregar energía en grandes • cantidades desde… Ventajas de integrara estaciones de generación a sistemas de distribución • El propósito de las distribuidoras, Ej. Entregar poder a los consumidores • individuales al voltaje apropiado. Comparación de la transmisión aérea con la subterránea • Aplicaciones específicas donde la transmisión en alto voltaje DC tiene • ventajas Repaso del equipo típico instalado en estaciones interruptoras, de • transformación y subestaciones. La curva de carga diaria y la de temporadas. • La necesidad de tener suficiente capacidad de generación en línea a todos • tiempos del día para igualar el pronóstico de carga, más la tolerancia por la fluctuación, más la previsión para la reserva de giro (spinning reserve). Despacho de carga económico • Prevención de la sobrecarga (baja frecuencia) • Aplicación del sistema AGC para controlar frecuencia e intercambio. • Métodos de controlar voltaje en diferentes puntos del sistema • El hidro-generador como un condensador síncrono • Seguridad del sistema de potencia. •
2. Plantas hidroeléctricas El propósito es introducir los componentes más importantes de una planta generadora hidroeléctrica. Un rápido repaso de cada equipo es presentado dejando claro que un estudio detallado se hará después. Principios básicos de hidráulica son presentados para ayudar en un mejor entendimiento de la operación de la planta. Ya completado el módulo el participante debe poder entender los siguientes conceptos. •
• • • •
•
• • • • •
• •
Factores que afectan la salida de una rueda de agua o hidro turbina. Ej. Q x H X eficiencia La función de las presas y los vertederos La localización de la casa de máquinas Preocupaciones ambiéntales en el diseño y operación de esquemas hidro. El funcionamiento de los más importantes equipos incluyendo: 1. Estructura de alimentación y trabajos de caída (head Works) 2. Tuberías de presión, tanques de crecidas y válvula de apagado de la turbina 3. Turbinas de impulso y de reacción 4. Sistema de control para la turbina 5. El elemento giratorio que consiste en los rodetes de las turbinas acoplados al rotor generador 6. Cojinete de impulso, cojinetes guía y sistemas de lubricación asociados 7. El sistema de excitación del generador, paneles de excitación y regulador de voltaje. 8. El estator del generado, radiadores de enfriamiento y ducto de descarga (bus discharge duct) 9. Transformador elevador del generador, interruptor y controles asociados 10. Cuarto de control principal de la planta y paneles de control locales 11. Transformadores auxiliares y cables auxiliares 12. Bombas y tuberías para los sistemas auxiliares, incluyendo aire comprimido, bombeo de agua (dewatering) y protección contra incendios Ejemplos de los cálculos de la capacidad de salida de la hidroeléctrica para diferentes condiciones. Ej. Caudal y caída La medición de presión en unidades americanas y métricas Efecto de la caída y gravedad específica en la presión La diferencia entre fuerza y presión La incompresibilidad de los fluidos, el principio del gato hidráulico La relación entre caída potencial, velocidad de caída y caída de presión (potential head, velocity head & pressure head) Formación de vacío debido a flujos de alta velocidad La necesidad de ventilación de válvulas y sistemas de tuberías.
3. Manejo de las Aguas El objetivo es presentar y discutir todas las funciones que envuelven el uso y control de agua en un esquema hidroeléctrico. La importancia de los registros hidrológicos es discutido en relación con el planeamiento y operación y control de las reservas de una hidroeléctrica. Después de completar el módulo el participante debe ser capaz de entender los siguientes conceptos y aplicarlos en las actividades diarias: • • • •
•
• •
• • • • • • • • • •
• • • • •
Requerimientos para la implantación de una hidroeléctrica Flujo de agua en el área de recolección (agua descartada, cuenca de drenaje) Elevation (caída disponible) en sitios potenciales Estudio de la data hidrológica: 1. Promedio de flujos diarios 2. Promedio de flujos mensuales 3. Promedio de flujos anuales 4. Flujos de inundación rápida 5. Variaciones cíclicas. Ej. Patrón de sequía de 12 años La relación entre el tamaño del generador, la variación en flujo debido a la temporada y el factor de capacidad. Construcción de Presas Características de las diferentes tipos de presas: 1. Presa de gravedad 2. Presa tipo dique (relleno de tierra o piedras) 3. Presa tipo arco de concreto 4. Presa tipo contrafuerte (Ambursen dam: apoyos aguas abajo) de concreto Fuerzas que tratan de destruir la presa Monitoreo del desempeño de la presa. Ej. Fugas, estabilidad Función y localización de los vertederos Capacidad de los vertederos Construcción de los vertederos El Vertedero de sobreflujo no controlado Compuertas del vertedero Compuertas para desnatador / espumadera (skimmer) Construcción del reservorio o cámara de carga (forebay) La estructura de entrada incluyendo mayas para basura, barreras contra troncos, compuertas de entrada y entradas de ventilación La función del burbujeador en climas fríos Medios de transmisión del agua, canales, cañadas Arreglos en cascada de plantas hidroeléctricas Parámetros de control del reservorio Ayudas para el manejo de agua (despacho de aguas): 1. Curva de almacenamiento del reservorio 2. Entradas de flujo anticipadas para los próximas semanas y meses 3. Generación anticipada y salidas de flujo 4. Curva anticipada de caída del reservorio
4. Hidro turbinas El objetivo es presentar y discutir las características estructurales y funcionales de los diferentes tipos de hydroturbinas. Ciertas consideraciones operacionales también son presentadas como cavitación, elevación de la salida, velocidad de fuga, etc. Después de este módulo se deberá comprender y poder aplicar los siguientes conceptos: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
Turbinas de impulso y de reacción La rueda Pelton, vertical y horizontal Arreglos de un y múltiples boquillas Control de válvula de aguja y deflectores Válvulas de apagado de turbina Turbinas tipo hélice, vertical y horizontal Paletas con cabezas fijas y variables (Kaplan) Función del tubo de aspiración Paletas directrices, pasador de seguridad, lubricación Cojinetes guía para turbina Turbina tipo Francis, vertical y horizontal Empuje hidráulico, fuga por el cabezote (head cover leakage) Turbinas tipo tubo Turbinas tipo bombillo Turbinas tipo Deriaz Comparación entre las eficiencias de turbinas Sobre velocidad del generador de una turbina debido a rechazo de carga Crecidas de presión debidas a variación de carga (rechazo de carga) La función de las naves de crecidas (surge vessel) Cavitación – causas y efectos La influencia en la elevación de la salida
5. Control y monitoreo de la Turbina El objetivo de este módulo es presentar y discutir los diferentes tipos de equipos usados para monitorear y controlara la operación de la turbina hidráulica. Ejemplos típicos de actuadores mecánico hidráulicos y electro hidráulicos se explican además de los equipos de monitoreo y protección. Luego de este módulo se deben comprender y poder aplicar los siguientes conceptos: •
• •
•
•
•
• • • •
• • •
•
•
•
•
• • • • • • •
•
La necesidad de controles de turbina, sistemas e monitoreo, alarmas y anunciadores y dispositivos de protección Métodos para controlar el flujo del agua a través de la turbina Operación de los actuadores mecánico hidráulicos para el control de las paletas directrices Amplificación de la fuerza mediante el servo mecanismo. La necesidad de resetear la acción para estabilizar la operación del actuador. Operaciones con el sistema óleo hidráulico, incluyendo el tanque de aceite presurizado, las bombas de aceite y los compresores. Operaciones del gobernador automático utilizando la cabeza del gobernador de bolas (flyball govenor) El propósito del PMG, “Permanent Magnet Generator” Función del ajuste del regulador de velocidad, Ej. Ajuste por velocidad o carga Respuesta del gobernador de la turbina a cambios de frecuencia (velocidad) La función de la característica de caída de velocidad (droop Speed), Ej. Cambios en carga compartida entre generadores en paralelo El efecto de los cambios en el ajuste de caída de velocidad La función del la compuerta limitadora Utilización de la compuerta limitadora para control manual durante arranque o control de la potencia de salida Función de reset de la señal de amortiguamiento. Ej. Llamado dash pot en máquinas más antiguas Requerimientos para monitorear las condiciones de la turbina. Ej. Puntos críticos de medida. Las implicaciones de altas temperaturas den los cojinetes, vibración excesiva y del mal alineamiento de eje. Condiciones anormales de la turbina que implican apagado de la unidad. Ej. Sobre-velocidad Circuito de disparo (apagado) del generador turbina Tipos de dispositivos de disparo de sobre-velocidad Operación el actuador electro-hidráulico y sistema regulador Operación del SSG (Señal de velocidad del generador) en lugar del PMG La naturaleza de los controles digitales versus los análogos. Operaciones pre-programadas de turbina mediante control de microprocesador Utilizar el sistema SCADA para la operación remota del centro de control de energía Monitoreo y control de la turbina mediante la interfaz CRT del operador en la casa de máquinas.
6. El Generador Hydro El objetivo de este módulo es presentar y discutir las características de construcción del generador Hidro. Un repaso de la generación AC es presentado, ya que se considera necesario para el completo entendimiento. Luego de este módulo se deben comprender y poder aplicar los siguientes conceptos: • •
• • • •
• • • •
• • • • •
• • • • • • • • •
• •
Características de construcción del generador vertical Función de la carcasa del estator, el núcleo de hierro del estator y de las láminas del estator Enrollamientos del estator y arreglos de la conducción del estator Características de construcción del rotor Polos del rotor, corrientes de excitación y anillos deslizantes Arreglos de los cojinetes de empuje, utilizando cojinetes de empuje de zapata flotante (chumaceras) o cojinetes con resortes Cojinetes guía del generador Enfriamiento del aceite lubricante Sistema de gato de aceite de alta presión Protección de los cojinetes contra la pérdida de las corrientes de Focault (stray Eddie currents). Ej. Aislamiento de los cojinetes y aterrizaje del núcleo La función y operación del sistema de frenos Fuentes de pérdida de calor en el generador Sistema de enfriamiento de aire del generador Sistema de enfriamiento del agua del conductor del estator Equipo de terminaciones del generador. Ej. Terminales del generador, barra aislada de fase, PTs y CTs Características constructivas del generador horizontal Repaso de los fundamentos de generación AC Producción de la onda senoidal debido al campo magnético rotante Valores RMS de voltaje y corriente La relación entre frecuencia, velocidad de rotación y número de polos Enrollados trifásicos y conexiones Aterrizaje neutral a través de una resistencia o de un transformador de aterrizaje. Relaciones de voltaje para la conexión Y Los tipos de sistemas de excitación: o Excitación estática Excitador libre de brochas o Excitador externo o o El tradicional eje montado y el excitador piloto Control de la excitación Las condiciones requeridas para sincronizar el generador al sistema de potencia.
7. Monitoreo y control del Generador El objetivo de este módulo es presentar discutir la supervisión del generador hidro incluyendo control, monitoreo y protección. Incluido está un repaso de la salida de potencia activa y reactiva del generador. Luego de este módulo se deben comprender y poder aplicar los siguientes conceptos: •
• • •
•
•
•
•
• • • • • • •
• •
Control de las potencias activas (Mega watt) y reactivas (Mega Var) del generador Significado de mega watt, mega var, mega volt amperio, y factor de potencia Control del regulador de la salida de potencia Control AVR de la excitación con consecuente control sobre los terminales de voltaje y de salida de potencia reactiva El significado del ángulo de carga (ángulo de potencia) en la determinación de la salida de potencia de los generadores, los cuales se sincronizan juntos en el mismo sistema. Los límites de la operación del generador según se indica en la curva de capacidad Arreglo de los típicos paneles de control de los operadores para el generador hidro, incluyendo instrumentos, récords, alarma y anunciadores Cálculo de la salida (MVA) de los generadores a partir de los instrumentos que indican cantidades como los terminales de voltaje y la corriente del estator. La función de los medidores integrales, Ej. MWH y MVARH Puntos sensibles para monitorear la condición física del generador Operación de alarmas y anunciadores Sistemas de control digital, la interfaz CRT del operador Monitoreo y control de las plantas remotas mediante el sistema SCADA Información: listas impresas, tendencias, bitácora. Trasferencia de la información al centro de control de la energía y a otros departamentos de la compañía La necesidad de la protección del generador, la naturaleza de las fallas internas La aplicación de relés de protección y la resultante acción de disparo.
8. Auxiliares de la planta hidroeléctrica El objetivo es presentar y discutir la localización de los principales sistemas auxiliares que son necesarios para apoyar la operación de la turbina y el generador hidráulicos. También se demuestran las más importantes características del equipo auxiliar que forman los elementos comunes de los sistemas auxiliares. Luego de este módulo se deben comprender y poder aplicar los siguientes conceptos: •
• • •
•
•
• • • • • •
• •
• •
El funcionamiento y aplicación de los diferentes tipos de válvulas, incluyendo la válvula tipo compuerta, la válvula de globo, la válvula de control, la válvula de mariposa, la válvula esférica, la válvula de bypass, la válvula tipo check, y la válvula de alivio de presión. La operación de los respiraderos y drenajes en sistemas de tubos y equipos El efecto del martillo de agua. El funcionamiento y aplicación de las bombas centrífugas, tanto horizontal como vertical El funcionamiento y aplicación de las válvulas de desplazamiento positivo, incluyendo la bomba reciprocante, la bomba tipo tornillo y la bomba de engranajes. El funcionamiento y aplicación de compresores, incluyendo el compresor de enfriamiento y la extracción de agua del aire comprimido Coladeras y filtros La importancia de la correcta lubricación en todos los tipos de equipos Sistemas típicos de agua cruda y agua de servicio Características de los sistemas de enfriamiento de agua Sistemas de eliminación de agua y drenaje. El suministro de agua a alta presión para sistemas de protección contra incendios, incluyendo sistemas rociadores de inundación Otros sistemas de protección. Ej. CO2 o Halón Sistemas de aire comprimido, incluyendo aire de servicio, aire de instrumentación, aire para el acumulador de alta presión del regulador, y aire purgado (blowdown) para la operación del generador síncrono. Almacenaje de aceite y sistemas de limpieza Sistemas de ventilación para la casa máquinas
9. Operación del Equipo Eléctrico El objetivo es examinar, desde el punto de vista operacional, los diferentes equipos eléctricos que son comúnmente instalados en una planta hidroeléctrica. Se mira al equipo del patio de interrupción, la fuente de servicio auxiliar, la fuente de DC y la UPS. La seguridad del personal y del equipo también es discutida.
Luego de este módulo se deben comprender y poder aplicar los siguientes conceptos: • •
•
•
•
•
• • • • •
• • •
• •
• •
• •
•
Lectura de los diagramas unificares y esquemáticos Arreglos del interruptor del generador 1. Voltaje en el generador 2. En el lado de alta directamente conectado al transformador elevador del generador Características de los transformadores incluyendo: 1. Conexiones Terminales 2. Aterrizaje 3. Arreglos del enfriamiento 4. Dispositivos de protección del transformador 5. La importancia de la emisión de gases del transformador 6. Sellado con nitrógeno Las funciones y características del equipo en el patio de interrupción, incluyendo: 1. Desconectadores 2. Desconectadores de tierra 3. Pararrayos (lighting arresters) 4. Transformadores de Potencial - PTs La aplicación de cables de alta tensión La función de los interruptores de circuito, incluyendo extinción de arco por aceite, aire, SF6, vacío y devanados explotados. La función del patio de interrupción (Switchyard bus) Arreglos de barras Fuente de poder auxiliar Capacidad del generador de arranque sin conexión a la red (Black start) Distribución del panel de potencia auxiliar de la planta Poder auxiliar para locaciones remotas, Ej. Vertedero y estructuras de control Interruptores y contactores de motor para la operación de auxiliares de la planta. Las características de los breakers y los contactores en la pérdida de energía. Ej. Permanecer cerrados o abrirse. Fuentes de poder DC La aplicación de poder DC para luces de emergencia, equipo de emergencia, control, alarma y protección de circuitos. La previsión de fuentes UPS para circuitos críticos La importancia del equipo de seguridad y de seguridad personal en relación con el equipo de alto voltaje. La aplicación de procedimientos operativos para evitar daños debidos a la mala operación. La aplicación de procedimientos de libranza para asegurar la seguridad del personal cuando ser realizan mantenimientos. La responsabilidad de cada individuo de asegurara su propia seguridad personal cuando trabaja alrededor del equipo eléctrico de la planta.
10. Operación de la planta Hidroeléctrica y su Mantenimiento El objetivo es revisar y demostrar las responsabilidades generales y los trabajos realizados por el personal de operaciones y mantenimiento en una planta típica hidroeléctrica. También está un repaso breve de los requerimientos ambientales que afectan la operación de la planta. Luego de este módulo se deben comprender y poder aplicar los siguientes conceptos: • • • • • • • • •
• • • •
• •
• • • •
Personal de operaciones para diferentes tipos de plantas. Responsabilidades generales del operador Seguridad del equipo y del personal Procedimiento de libranzas Estatus de los equipos (disponibilidad) Inspección de rutina del equipo operativos Registrando y reportando; condiciones, incidentes, defectos La importancia del orden y limpieza Operaciones de rutina. Ej. Arranque, apagado, operación tipo condensador síncrono, dewatering, etc. Factores que imponen límites a la operación Operación de tomas de agua y estructuras de control Factores ecológicos Escaleras para peces y elevadores, efectos en la variación del nivel de agua, contenido de oxígeno disuelto La importancia del planeamiento a largo plazo del mantenimiento Mantenimiento de emergencia, mantenimiento en operación, mantenimiento preventivo y mantenimiento predictivo. Programa de inspección de equipo, diario, mensual, anual y overhaul. Procedimiento de trabajos de mantenimiento (guías de trabajo) Registros de mantenimiento Monitoreo de condiciones.
