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Operación de Parques Eólicos

 

 

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Los altos costos de operación y mantención de las turbinas eólicas reducen la eficiencia económica de los Parque Eólicos. Uno de las principales causas de estos altos costos son las mantenciones no programadas debido a fallas inesperadas. El principal remedio para este problema lo constituye el Análisis continúo o habitual de la operación de las turbinas, de manera de detectar anomalías de operación antes que las fallas se produzcan.

 

Por otra parte, es habitual que las turbinas eólicas generen menos potencia eléctrica que la especificada por el fabricante a través de la curva de potencia garantizada. Lo cual tiene como consecuencia una disminución de los ingresos económicos del Parque Eólico. Para conseguir que la turbina alcance la potencia garantizada es necesario medir y analizar la curva de potencia real de la turbina, con el objeto de identificar las causa de esta disminución y realizar las acciones correctivas necesarias.

 

 

 

1- Análisis de la Operación de Parque Eólicos

 

 

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El Análisis de la operación de Parque Eólicos permite identificar los eventuales problemas que presenta normalmente la operación de un parque eólico, los cuales pueden ser la causa de:

·         generación real del Parque Eólico sea menor a la generación teórica o máxima

·         las turbinas del parque eólico presenta fallas mecánicas o eléctricas antes de cumplirse la vida útil de estos componentes.

 

Las principales fuentes para realizar el análisis de la operación de un Parque Eólico son:

·         el análisis de los datos provistos por los sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) de las turbinas eólicas.

·         la obtención y análisis de la curva de potencia real de las turbinas eólicas (de acuerdo a la norma IEC 61400-12), y su comparación  con la curva de potencia teórica o garantizada.

·         el análisis de los datos obtenidos de la operación del parque medidos con sensores adicionales a los que las turbinas poseen de fábrica, como por ejemplo datos de vibraciones obtenidos con acelerómetros puestos en las partes mecánicas, etc.

·         el análisis de los datos obtenidos de las inspecciones a las turbinas, como por ejemplo la cantidad de partículas en los lubricantes de los componentes mecánicos, el estado de las aspas de la turbina, el estado de desgaste o corrosión de la partes de la turbina, etc.

 

El objetivo del Análisis de la operación de un parque eólico es la corrección a  tiempo de los problemas de puesta a punto, alineamiento, definición de parámetros de operación , fallas que presenten las turbinas y la anticipación en la ocurrencia de estas. De manera que el Parque Eólico opere a máxima eficiencia energética, maximizando la energía generada y minimizando sus costos de operación y mantención.

 

 

 

 

 

2- Análisis de los datos provenientes de los sistemas SCADA de las turbinas

 

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Los sistemas SCADA de turbina eólicas proveen información del estado de operación de la turbina. Esta información incluye en general los valores en tiempo real de las siguientes variables: valores sensados por los instrumentos meteorológicos de la turbina (velocidad y dirección del viento, temperatura y presión atmosférica), la potencia eléctrica generada por la turbina (activa y reactiva), la frecuencia; el valor del ángulo de orientación del rotor de la turbinas respecto del viento y del ángulo de pitch de las aspas; la temperatura, aceleraciones y vibraciones de los componentes críticos de la turbina. Esta gran cantidad de valiosa información permite principalmente realizar los siguientes análisis:

 

·         estimar la curva de potencia de las turbinas considerando como datos la  velocidad y dirección del viento y otros valores  medidos por los instrumentos de las propias turbinas.

·         comparar las curvas de potencia de las turbinas del parque eólico.

·         comparar la generación instantánea de las turbinas del parque eólico.

·         comparar los ángulos de alineamientos de los rotores de las turbinas respecto de la dirección del viento.

·         estudiar el comportamiento mecánico de los principales componentes de la turbina, de manera de detectar anomalías, ineficiencias u operación fuera de rango.

·         estudiar el comportamiento eléctrico de la turbina frente variaciones del voltaje y frecuencia de la red, y frente a variaciones extremas de las variables meteorológicas.

·         estudiar la interrelación entre las variables de operación antes mencionadas, verificando que la turbina se encuentra operando dentro de su rango de diseño.

 

Lo interesante del análisis de los datos provenientes de los sistemas SCADA, es que permiten a un costo muy bajo y, en algunos casos, en  tiempo real la detección de importantes anomalías en el funcionamiento de una turbina eólica, así como la predicción de futuras fallas.

 

Ecoingenieros ofrece el Análisis independiente de los datos provenientes de los sistemas SCADA de turbinas eólicas y del Parque Eólico completo, incluyendo la  identificación de anomalías de la operación del Parque Eólico, de manera de anticipar las eventuales fallas en las turbinas.

 

Una limitación importante de la información provista por los sistemas SCADA de una turbina eólica se refiere a la medición de la velocidad y dirección del viento que enfrenta la turbina. Debido a que los sensores meteorológicos propios de las turbina eólicas que miden estas cantidades se encuentran aguas abajo del rotor de esta, y además se encuentran muy cercanos a la góndola. Esta interferencia resulta en que los valores medidos por estos sensores no  tengan, en una gran cantidad de ocasiones, la exactitud necesaria para medir con  confiabilidad la curva de potencia de la máquina.

 

 

 

3- Obtención y análisis de la curva de potencia de las turbinas eólicas

 

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La curva de potencia de una turbina eólica muestra la potencia eléctrica generada en función de la velocidad del viento. Esta curva muestra la eficiencia aerodinámica, mecánica y eléctrica con que la turbina opera, dando cuenta de la eficiencia económica del Parque Eólico operan.

 

Dado que la velocidad del viento es una variable aleatoria difícil de medir con exactitud, es necesario realizar su medición mediante un procedimiento estandarizado, de manera que las medidas obtenidas tengan una incertidumbre pequeña y dentro de un rango conocido. Para estos efectos, la industria eólica ha adoptado en forma generalizada el procedimiento para medir la velocidad del viento para elaborar la curva de potencia establecida en la norma IEC 61400-12. La metodología especificada en esta norma, permite que la medición de la curva de potencia  sea consistente, precisa y reproducible. Es decir, la metodología de medición de la norma IEC 61400-12 permite lo siguiente:

·         superar la precisión y confiabilidad de la curva de potencia obtenida con los instrumentos meteorológicos y sistema de control de la turbina eólica.

·         Identificar con exactitud y confiabilidad la operación de la turbina con errores en orientación del rotor en relación a la velocidad del viento.

·         Identificar la operación de la turbina con errores en la posición del ángulo de paso de las aspas.

·         Identificar la operación de la turbina con errores en especificación o seteo de parámetros de operación.

·         obtener una curva de potencia con la suficiente certeza para exigir el cumplimiento de garantías de desempeño a terceros, como por ejemplo, el fabricante de las turbinas o empresas encargadas de la reparación o mantención de estas máquinas.

Ecoingenieros ofrece el servicio de medición de la curva de potencia de acuerdo a la norma IEC 61400-12.

 

 

 

4- Medición y análisis de datos obtenidos con sensores adicionales a los del sistema SCADA

 

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Las turbinas eólicas cuentan con un sistema de control SCADA que permite monitorear los componentes estructurales, mecánicos y eléctricos de estas máquinas. Dado la complejidad de estos sistemas de control, y el ambiente hostil y complejo de operación de estas turbinas, es recomendable  hacer un monitoreo de esta máquinas utilizando sensores adicionales a los del sistema SCADA. De esta manera se podrá comprobar que los sensores y sistema de control propios de la turbina se encuentran operando correctamente y se encuentran midiendo las variables de operación de la turbina con una adecuada precisión.

Las principales variables que es recomendable medir con sensores adicionales a los del sistema SCADA de la turbina son:

·         ángulo de orientación del rotor respecto a la velocidad del viento.

·         Velocidad angular del rotor.

·         Velocidad y dirección del viento.

·         Aceleraciones en los puntos críticos de la turbina (eje de baja velocidad, caja de velocidades, eje de alta velocidad, generador eléctrico, chasis de la góndola, torre)

·         Torque en el eje de baja velocidad de la turbina.

·         Posición del eje de baja velocidad.

·         Temperatura del aceite de la caja de velocidades y generador eléctrico.

·         Voltaje, corriente y frecuencia del generador eléctrico.

·         Presión de los sistemas hidráulicos de la turbina.

 

El análisis de las anteriores variables permite detectar anomalías de operación, identificando patrones que ayudan a identificar futuras fallas, antes que están ocurran.

 

Ecoingenieros ofrece el servicio de medición y análisis de las variables descritas en los párrafos anteriores.

 

 

 

 

5- Inspección técnica y análisis de datos de turbinas eólicas

 

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La inspección de la turbinas entrega información valiosa sobre el estado de operación de estas máquinas. Dentro de esta información destaca por su importancia la siguiente:

·         la contaminación y propiedades físicas de los lubricantes de la turbina, en especial  el aceite de la caja de velocidades.

·         el desgaste y oxidación de los elementos de los sistemas de orientación de la góndola y del ángulo de paso de las aspas del rotor, como engranajes, cremalleras y superficies de desgaste.

·         las aislaciones eléctricas de los conductores y otros equipos eléctricos.

·         el estado de los intercambiadores de calor, y sus fluidos, pertenecientes a los sistemas de refrigeración de la caja de velocidades y los equipos de electrónica de potencia.

·         el estado de desgaste o erosión de las aspas del rotor de la turbina.

 

La anterior información y su análisis es necesaria para evitar fallas en la turbina y hacer posible que esta opere cercana a su máxima eficiencia.

 

 

6- Inspección y análisis de lubricantes y desgaste

 

 

 

 

La lubricación de una turbina eólica es uno de los factores que más afectan a su vida disponibilidad y vida útil. En el caso de turbinas con caja de engranajes, la lubricación de este componente es vital para que la máquina opere en forma eficiente, tanto en el aspecto técnico como en el aspecto económico. En general  la caja de engranajes de una turbina eólica tiene una garantía otorgada por el fabricante de 2 años, de manera que para la vida útil de este componente alcance la vida útil de diseño de 20 años, es necesario ejecutar un riguroso programa de Análisis de Lubricación y Desgaste.

 

El Análisis de Lubricación y Desgaste antes mencionado constituye una parte vital de la mantención predictiva de la turbina eólica y en especial de la caja de engranajes.

 

Las principales acciones que incluye el Análisis antes descrito es el siguiente:

 

·         Análisis de desgaste, incluyendo: el reconocimiento de desgaste anormal de piezas, identificando el tipo de desgaste y los componentes que se están desgastando.

·         Análisis de la degradación del lubricante.

·         Análisis de las condiciones de operación del lubricante como temperatura, tipo y nivel de contaminación por partículas.

 

 

7- Análisis del comportamiento eléctrico del Parque Eólico

 

 

 

El comportamiento eléctrico del Parque Eólico conectado a la red eléctrica influye sobre la cantidad de energía generada por la central, afecta la vida útil del parque y la calidad de la energía de los consumidores.

En este aspecto es necesario analizar y revisar continuamente los siguientes aspectos:

·         Rango de voltaje y frecuencia de operación de las turbinas eólicas durante la operación.

·         Rango de voltaje y frecuencia de operación de las turbinas eólicas en el punto de conexión del Parque Eólico a la red.

·         Variaciones máximas y mínimas de voltaje y frecuencia en el punto de conexión.

·         Proceso de desconexión de las turbinas por problemas de la red eléctrica.

·         Verificar que se cumplan las características eléctricas garantizadas por el fabricante de las turbinas, específicamente  las características técnicas medidas de acuerdo a la norma IEC61400-21.

·         Verificar que se cumplan los rangos de voltaje y frecuencia que debe proveer la red eléctrica.

 

 

 

Las conclusiones de los análisis de la operación de turbinas y parque eólicos antes descritos, (a) análisis de los datos provenientes de los sistemas SCADA, b) análisis de la curva de potencia, c) análisis de datos obtenidos con sensores adicionales a los del sistema SCADA, d) análisis de datos obtenidos en inspecciones y e) análisis de lubricantes y

 

 

 

8- Acciones Correctivas.

 

 

Las conclusiones de los análisis de la operación de turbinas y parque eólicos antes descritos, (a) análisis de los datos provenientes de los sistemas SCADA, b) análisis de la curva de potencia, c) análisis de datos obtenidos con sensores adicionales a los del sistema SCADA, d) análisis de datos obtenidos en inspecciones y e) análisis de lubricantes y desgaste.) definirán las acciones correctivas que es recomendable realizar en las turbinas eólicas.

 

Dentro de estas acciones correctivas las más habituales son las siguientes

 

·         Cambio de sensores meteorológicos

·         Ajuste de parámetros del sistema de control de la turbina.

·         Cambio se sensores de posición de orientación de la góndola respecto del viento.

·         Cambio de sensores del ángulo de paso de las aspas.

·         Cambio anticipado de lubricantes y filtros.

·         Cambio anticipado de rodamientos, anticipando una falla.

·         Reemplazo de componentes mayores de la turbina.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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