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Come manutenzione avanzata può migliorare Hydro Power Systems Efficienza

Una maggiore attenzione al controllo delle emissioni di gas serra, unita all'aumento della domanda di energia elettrica e ai lenti progressi nei progetti nucleari sta portando a un'espansione delle fonti alternative di energia rinnovabile. Al momento, il principale è la produzione di energia idroelettrica, i cui principi base sono stati commercializzati negli ultimi anni 1880 e ora rappresentano circa il 16% della capacità di generazione di elettricità globale.

Uno dei vantaggi di Hydro-power è in realtà l'era della sua tecnologia di livello base; come metodo di generazione maturo, l'apparecchiatura viene provata e testata e, sebbene gran parte di essa debba essere rinnovata, significa che i perfezionamenti nei materiali e nelle tecniche di produzione possono essere applicati agli impianti esistenti.

L'efficienza e la longevità della generazione migliorate possono ora essere integrate durante la manutenzione di routine, offrendo 10% di aumento della potenza prodotta dalla stessa sorgente, senza reinvestire nell'hardware di ricambio, sicuramente un enorme vantaggio per l'industria. Va notato che non tutti i riparatori offrono lo stesso livello di servizio e competenza, quindi gli operatori idroelettrici devono scegliere con attenzione.

Base installata

La varietà di piante è enorme, dalla più piccola ruota Pelton alla più grande centrale idroelettrica del mondo, la diga delle Tre Gole 22,500MW in Cina. Tuttavia, il principio rimane lo stesso, utilizzando l'acqua corrente per trasformare una turbina e generare elettricità. La chiave per un'installazione di successo è l'efficienza e l'affidabilità, entrambe beneficiano degli ultimi progressi tecnologici del settore.

Negli ultimi anni, molti progetti idroelettrici hanno iniziato a funzionare in modi non previsti durante il loro design originale e sono state rese possibili nuove installazioni grazie a miglioramenti tecnologici. Naturalmente, il lavoro è ancora necessario per determinare come le attrezzature possono essere migliorate attraverso la tecnologia dei nuovi materiali e per identificare azioni e strumenti per prevedere e prevenire i guasti.

Tecnologia a turbina

Man mano che l'energia idroelettrica aumenta di popolarità, cresce la domanda di nuove installazioni. Grazie alle carenze intrinseche con la tecnologia tradizionale, potrebbe non essere adatto a soddisfare queste richieste in alcune località, come quelle con grandi popolazioni ittiche. Qui, i programmi di sviluppo, come il progetto della turbina Alden, hanno prodotto nuovi progetti che migliorano significativamente il tasso di mortalità dei pesci che viaggiano a valle e migliorano anche l'efficienza di generazione.

La ricerca sulle turbine idrauliche ha anche prodotto un nuovo criterio di progettazione rispettoso dei pesci per le turbine Kaplan e Francis che possono essere incorporate nelle unità durante i progetti di ricostruzione o in nuove strutture idroelettriche. Negli Stati Uniti, il Department of Energy (DOE) ha implementato un nuovo programma idroelettrico denominato "Advanced Hydropower Turbine System Program" (AHTS) che mira a sviluppare la tecnologia per massimizzare l'uso di energia idroelettrica riducendo al minimo gli effetti ambientali.

La ristrutturazione dei gruppi turbina esistenti può ora includere la più recente tecnologia dei materiali come il sistema di rivestimento ad alta velocità di ossigeno combustibile (HVOF), che utilizza materiali in carburo di tungsteno. Questo e altri analoghi sistemi di protezione per l'usura e il rivestimento possono essere utilizzati per proteggere le turbine idrauliche e le correnti d'aria contro l'erosione da sedimenti originati dall'acqua e ridurre gli effetti di cavitazione per le turbine Pelton, Kaplan e Francis.

Migliorare l'efficienza del generatore

Sono stati compiuti progressi nella progettazione e costruzione delle bobine dello statore ad alta tensione utilizzate all'interno del generatore, che possono fornire maggiore efficienza e affidabilità. La produzione di bobine ad alta tensione è una scienza molto precisa; i metodi di progettazione e costruzione varieranno tra i fornitori, così come le procedure di collaudo, che costituiscono la maggior parte della prova che il cliente ha della qualità del prodotto finito.

Ovviamente, quando le riparazioni non sono pianificate, la velocità è cruciale per il riavvio e il funzionamento delle apparecchiature, ma questo non può essere raggiunto a scapito della qualità, che ha implicazioni molto più durature. Per quanto riguarda i protocolli di prova per queste bobine ad alta tensione, l'industria idroelettrica lavora a standard più elevati rispetto ad alcuni settori industriali.

Ad esempio, il centro servizi Birmingham di Sulzer, dove le bobine di ricambio sono fabbricate per l'uso in tutto il mondo, sottopone le bobine ad una serie di test severi sia interni che esterni, per garantire che questi standard siano soddisfatti e in molti casi superati in ordine di consegnare un prodotto garantito.

Il mantenimento di elevati standard di progettazione e costruzione presenta una serie di vantaggi chiave, in particolare l'affidabilità e l'efficienza operativa. L'impiego di un processo di misurazione continua contro le specifiche durante tutto il processo di produzione garantirà il corretto adattamento iniziale e un servizio continuo e affidabile.

I progressi nella struttura e nell'isolamento della bobina migliorano la longevità

Oltre alla miriade di piccole differenze nel design, nella costruzione e nei materiali da un produttore all'altro, esistono due distinti metodi di isolamento delle bobine nella costruzione dei generatori. Vale la pena concentrarsi su questo aspetto della riparazione del generatore perché può fare una profonda differenza per l'efficienza e le prestazioni di un'unità, spesso senza dover sostituire gli altri componenti principali.

Le bobine o le barre sostitutive verranno prodotte utilizzando il sistema di isolamento in resina ricotto riscaldato e pressato singolarmente o il metodo con bagno di resina impregnato sotto vuoto (VPI). Mentre le applicazioni più piccole potrebbero preferire il metodo VPI, questo può diventare ingestibile per le installazioni più grandi come i grandi generatori.

La progettazione e la costruzione della bobina ricca di resina fornisce un controllo accurato delle dimensioni della bobina all'interno della fessura, che, combinata con una buona pratica di avvolgimento, minimizza eventuali vuoti tra la bobina e la fessura; risultante in un buon controllo dell'attività di scarica parziale (PD) all'interno dello slot. La PD è una delle principali modalità di guasto dell'isolamento nelle macchine rotanti, rendendolo un buon indicatore della normale aspettativa di servizio.

La bobina ricca di resina utilizza un nastro di mica infuso in resina epossidica termoindurente per la fessura mentre la resina per gli avvolgimenti terminali contiene un flessibile flessibile che fornisce un piccolo grado di flessibilità all'interno della resina, rendendolo meno suscettibile alla fessurazione dell'avvolgimento finale spesso visto in bobine VPI più grandi. I nastri flessibili avvolgibili consentono di regolare leggermente la bobina durante l'installazione nello statore, garantendo uno spazio più uniforme tra i lati della bobina nell'avvolgimento.

La resina epossidica è più suscettibile all'attività del PD rispetto alla mica e quindi le bobine di resina ricca, che contengono meno resina rispetto all'equivalente VPI, forniscono una migliore resistenza all'attività di scarico parziale. Nella maggior parte dei casi l'uso di materiali isolanti moderni migliorerà sia le prestazioni dielettriche che quelle termiche rispetto a quelle utilizzate dall'OEM durante la produzione originale.

Il miglioramento del controllo delle perdite vaganti può anche essere ottenuto cambiando il metodo di trasposizione della bobina statorica per ridurre le perdite di corrente circolante (un processo chiamato trasposizione di Roebel) o, cambiando le coperture avvolgenti su un materiale non magnetico. Il software di progettazione migliorato e le moderne attrezzature di avvolgimento contribuiscono anche a fornire bobine di statore con una costruzione più efficiente e robusta.

Laminazioni del nucleo dello statore

Non solo gli avvolgimenti dello statore possono influenzare l'efficienza del generatore, ma anche la progettazione e la costruzione dello stesso nucleo dello statore hanno un'influenza. Come parte di un rinnovamento del generatore, è essenziale che vengano eseguiti controlli e prove sul nucleo dello statore e sul rotore. Questi possono evidenziare eventuali problemi con l'integrità del nucleo dello statore che potrebbe dover essere sostituito prima di poter installare qualsiasi bobina.

La ricostruzione del nucleo utilizzando i nuovi segmenti di laminazione prodotti da uno specifico acciaio magnetico a perdita minore può comportare una riduzione delle perdite di 10% rispetto al materiale utilizzato nella costruzione originale. Inoltre, le bobine del rotore possono essere spogliate e ri-isolate con materiali isolanti di classe F migliorati.

Sulzer può anche riprogettare, produrre e montare nuovi sistemi di eccitazione AC per sostituire i sistemi CC. Il principale vantaggio di questo cambiamento è quello di rimuovere la possibilità di depositi da spazzole di carbone che contaminano i componenti dello statore e del rotore; un ulteriore vantaggio è la riduzione del tempo di manutenzione degli ingranaggi delle spazzole che consente un tempo di funzionamento aggiuntivo del generatore.

L'uso di materiali moderni sia per il nucleo statorico che per l'isolamento contribuisce quindi a garantire il funzionamento affidabile e affidabile di un impianto dopo che il generatore è stato ristrutturato, ma può anche aumentare la potenza massima del generatore appena riparato di oltre 10%.

Test ad alta tensione per idro generatori

Le bobine dello statore possono essere testate indipendentemente prima di essere installate, dando al centro di riparazione e alla tranquillità del cliente che ogni bobina ha superato i numerosi test disponibili.

Il test elettrico della bobina completata include la Tan d, che è una misura dell'integrità dell'isolamento della parete dello slot, dove una figura inferiore indica una bobina di migliore qualità. A Sulzer, la cifra raggiunta è sempre inferiore alla metà dello standard internazionale, con l'obiettivo di realizzare meno di un terzo dello standard.

Ulteriori test possono essere effettuati su campioni di bobine di idro-generazione da parte di laboratori indipendenti, incluso il test di resistenza termica, che viene eseguito a 30kV per 500 ore, un compito abbastanza semplice per una bobina di alta qualità. Tuttavia, 35kV esegue un test più impegnativo per 250 ore, tuttavia tutte le bobine fornite da Sulzer hanno superato anche questo standard.

Nella maggior parte dei casi, il client specificherà i parametri di test per le bobine, che normalmente vengono specificate per funzionare su 11kV. Come valutazione di base, le bobine vengono sottoposte a 23.9kV per 400 ore mentre vengono riscaldate alla normale temperatura operativa, intorno a 120 ° C. Questo test è conforme allo standard IEEE 1553, che si riferisce in particolare alle bobine del generatore idroelettrico.

Le bobine aggiuntive possono essere inizialmente sottoposte al test di resistenza, che valuta la capacità delle bobine di operare in condizioni di sovratensione che potrebbero essere previste durante la loro vita. Ci si aspetta che le bobine superino questo test che è condotto a 28kV, così come un ulteriore test a 60kV e un test di avvolgimento finale a 22kV, senza problemi rilevabili con l'isolamento. Mentre gli standard IEEE definiscono il quadro per questi test, le specifiche tensioni e durate di prova vengono specificate dal cliente per garantire che le bobine soddisfino i requisiti della singola applicazione.

Bilanciamento del rotore ad alta velocità

Quando lo statore è completato, l'attenzione cade sul rotore, che può anche beneficiare della migliore tecnologia dei materiali isolanti. Le bobine di campo del rotore saranno normalmente ri-isolate come parte di un progetto di ristrutturazione insieme alla sostituzione di eventuali componenti danneggiati. Chiaramente, il rotore dovrà essere riequilibrato prima di tornare in servizio.

Il bilanciamento dinamico degli elementi rotanti è un aspetto importante della produzione e della riparazione di qualsiasi macchina turbo. Un elemento rotante non equilibrato può causare grosse difficoltà operative, che possono impedire il tempestivo avvio di un impianto se deve essere riequilibrato. Inoltre, l'elemento sbilanciato può causare danni interni che derubano una macchina della sua efficienza di progettazione, riducono l'affidabilità della macchina e aumentano i costi operativi e di manutenzione.

Per tutte le applicazioni che richiedono un bilanciamento ad alta velocità, questo processo richiede un bunker di bilanciamento specializzato, ma pochissime di queste sono disponibili per il mercato delle riparazioni indipendente. A livello globale, Sulzer ha investito in una serie di pozzi di bilanciamento di velocità eccessiva che possono essere utilizzati come parte di ciascun progetto di riparazione per i propri clienti. Sebbene, a causa della loro rarità, Sulzer li ha resi disponibili anche agli OEM e ad altri clienti. Ogni fossa è dotata di elettronica avanzata e diagnostica per fornire funzionalità avanzate di risoluzione dei problemi.

Sistemi di stoccaggio pompati

Generalmente utilizzati come generazione di riempimento in momenti di picco della domanda, anche se sono verdi in termini di generazione, ovviamente consumano energia quando si rimanda l'acqua allo stoccaggio ad alto livello. L'efficienza nei motori, nei gruppi di pompaggio e nei generatori è cruciale per la redditività di un impianto poiché normalmente vengono eseguiti su margini percentuali molto bassi. Un miglioramento nel generare o nel pompare l'efficienza, specialmente durante i lavori di manutenzione ordinaria, potrebbe quindi fare la differenza tra un sito che è redditizio o meno.

Alcuni impianti di stoccaggio pompati utilizzano turbine e pompe separate mentre altri impiegano turbine / generatori reversibili che possono fungere sia da pompa che da turbina. Un approccio alternativo economicamente vantaggioso consiste nell'utilizzare una pompa centrifuga a inversione di marcia, che può migliorare l'efficienza del ciclo di pompaggio e quindi ridurre i costi operativi.

Il mantenimento di queste pompe e dei generatori associati richiede esperienza ed esperienza, nonché l'accesso alle più recenti innovazioni nel design delle pompe, che Sulzer, come uno dei principali produttori mondiali di pompe, può fornire.

La manutenzione preventiva

Una centrale elettrica deve ottimizzare la produzione per soddisfare la domanda nel modo più efficiente possibile, ma, inevitabilmente, arriva il momento in cui saranno necessarie riparazioni di manutenzione, elettriche o meccaniche. Pertanto, un programma di manutenzione periodica e preventiva può essere combinato con tecniche di monitoraggio delle condizioni per migliorare l'affidabilità e la longevità delle apparecchiature.

L'impiego di una gamma di apparecchiature per il monitoraggio delle condizioni, combinato con adeguate tecniche di analisi, può fornire una valutazione accurata dello stato delle turbine e dei generatori, consentendo agli operatori di garantire una produzione continua. Uno degli strumenti più utili è l'analisi delle vibrazioni, che può indicare potenziali problemi con i cuscinetti e le parti rotanti di grandi dimensioni; combinato con la termografia, può produrre un'indicazione accurata dello stato generale della pianta.

Ulteriori test degli avvolgimenti elettrici, in particolare l'analisi delle scariche parziali (PD), possono anche fornire informazioni molto utili sulle condizioni generali del generatore. Il PD può causare un degrado dell'isolamento che, se non risolto, può portare a una riduzione della potenza del generatore e al guasto prematuro del sistema di isolamento, causando guasti dello statore. L'uso appropriato del monitoraggio delle condizioni fornisce un eccellente strumento di manutenzione e può garantire una produzione efficiente del generatore.

Indagini termografiche

L'uso di telecamere a infrarossi per la manutenzione predittiva e preventiva sta diventando sempre più comune, specialmente quando si valutano apparecchiature di alto valore o dove un guasto imprevisto potrebbe causare notevoli disagi. Queste telecamere possono essere utilizzate per analizzare le temperature di funzionamento di cuscinetti, motori, collegamenti elettrici e altre apparecchiature e, in quanto tali, possono indicare potenziali aree di preoccupazione senza dover fermare nessuno dei macchinari.

Applicando la tecnologia a infrarossi, agli ingegneri viene richiesto solo di eseguire le procedure di manutenzione quando sono richieste, piuttosto che su base fissa, il che migliora l'efficienza e riduce i costi di manutenzione. Sulzer ritiene che un numero maggiore di clienti possa trarre vantaggio da questa tecnologia e offra sondaggi termografici gratuiti sia ai clienti nuovi che a quelli esistenti.

Soluzioni complete di energia idroelettrica

Sulzer è un fornitore leader di soluzioni ingegneristiche per il settore della generazione di energia, dal monitoraggio costante delle condizioni fino ai progetti chiavi in ​​mano completi. L'azienda ha sviluppato una vasta rete di centri di assistenza in grado di mantenere tutte le apparecchiature rotanti come turbine, generatori, motori e pompe e impiegare ingegneri esperti, attrezzati per completare i progetti sul posto se necessario.

Lo stabilimento di produzione di bobine ad alta tensione con sede al Birmingham Service Centre, impiega un laminatoio di rame interno per consentire alla produzione di coil ininterrotta di soddisfare anche la scadenza più stretta. Utilizzando i più recenti sistemi CAD, un controllo di qualità preciso e test approfonditi, la moderna produzione di bobine può migliorare in modo significativo le prestazioni e l'efficienza di qualsiasi generatore che è necessario rinnovare.

L'impiego della tecnologia dei materiali e dei processi produttivi più recenti consente al settore idroelettrico di massimizzare l'efficienza e l'affidabilità dell'infrastruttura esistente e di sviluppare nuove opportunità. Sulzer ha l'esperienza, gli strumenti e le attrezzature per fornire supporto ingegneristico ai propri clienti per qualsiasi livello di progetto, dalla supervisione tecnica fino al completamento delle più grandi riparazioni a turbine, generatori e pompe.

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