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ASSET CONDITION MANAGEMENT
in a PUMP STORAGE - HYDRO
POWER PLANT
Dr. [email protected]
Imagination at work.
and
[email protected]
Apresentadores :
Dr. Ryszard Nowicki
[email protected] – +48-601-710-700
GE-Bently Senior Application Engineer / Hydro Specialist
Poznan - Polônia
Antonio Derani
[email protected] – 11-98331-8458
GE-Bently Regional Sales Manager / Account Manager
São Paulo - Brasil
Abreviações
CM&PS Condition Monitoring and Protection System – Sistemas de Proteção e
Monitoramento da Condição
CMS
-
Condition Management System – Sistema de Gerenciamento da Condição
D/A
-
Data Acquisition – Aquisição de Dados
ESD
-
Emergency Shutdown Device – Sistema de Parada de Emergência
HPP
-
Hydro Power Plant – Usina Hidrelétrica
HTG
-
Hydro Turbine-Generator – Gerador-Turbina Hidráulica
I/O
-
Input / Output – Entrada / Saída
PS HPP
-
Pump Storage Hydro Power Plant – Usina Hidrelétrica Reversível
Pu
-
Pump – Bomba
Tu
-
Turbine – Turbina
TM
-
Trip Multiply
GE Oil & Gas Organization
GE
Oil & Gas
Turbo
machinery
Drilling &
Services
Global Services
Sub Sea
Measurement
& Control
GE Measurement & Control
Bently
Nevada
Control
Solutions
Monitores
Serviçios de campo
Suporte técnico
Software System 1 ®
Diagnósticos de
máquinas
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Inspection
Technologies
•
•
•
•
Ultrasom, Corrente parasita
Inspeção Remota
CR/DR, Raio X, CT
Software
Reformas e peças
EX2100
Mark IV, V, VI, VIe
OC 4000 DCS
Atualização de Software
Measurement
& Sensing
•
•
•
•
•
Sensores
Instrumentação Nuclear
Fluxo (Panametrics)
Gás and Humidade
Pressão (Druck)
• Approximately 13,000 employees
• Operating in 60 countries
Flow & Process
Technologies
• Válvulas e atuadores
• Válvulas de alívio de
segurança
• Sopradores e
compressores
• Soluções para gasoduto
de gás natural
Introdução
INTRODUÇÃO
Sistemas de Monitoramento de Condição (CMS) são usados
em praticamente todas as plantas modernas de geração de
energia. (Térmica, Eólica, Hidro, etc)
O que geralmente difere uma Usina Hidroelétrica (HPP) de
outras modalidades é a velocidade de rotação e a
massa/estrutura de seus componentes.
Em uma Usina Reversível (PSHPP – Pump Storage Hydro
Power Plant), existem algumas particularidades específicas,
como um maior um número de componentes, a rotação do sistema em duas
direções e uma maior intermitência de operação.
Desta forma, muitas funcionalidades do Sistema de Monitoramento são similares
para todas as plantas, mas plantas reversíveis necessitam de algumas funções
adicionais.
Informações Gerais sobre
Plantas Elétricas Reversíveis
- PSHPP
{ Importantes para a Arquitetura do Sistema de Monitoramento}
Três Cenários sobre
MODOS DE OPERAÇÃO
DA PLANTA
CENÁRIO #1
Unidades Separadas para GERAÇÃO e para
BOMBEAMENTO
CENÁRIO #2
Unidades Combinadas para GERAÇÃO e para
BOMBEAMENTO (CONJUNTOS TERNÁRIOS)
GENERATOR / MOTOR
Francis or
Pelton
PUMP
Para troca entre os modos
Turbina e Bomba, podem existir
os seguintes componentes:
 Embreagem (operada em
repouso),
 Turbina de Partida ou
 Conversor de Torque
Sincronizado
E.g. Projeto ANDRITZ Hydro in KOPS 2 /
Austria 3* 200 MVA:
• 500 (925) RPM
• Full load 20..30 [s] for Tu & Pu Mode
B1: Supporto Alternatore Superiore
B2: Supporto Alternatore Inferiore
GENERATOR
B3: Supporto Turbina Superiore
B4: Supporto Turbina Inferiore
TURBINE
B5: Supporto Pompa Superiore
B6: Supporto Pompa Inferiore
PUMP
CENÁRIO #3
Unidade geral para GERAÇÃO e BOMBEAMENTO:
TURBINA-BOMBA REVERSÍVEL
Turbina-Bomba:
 Velocidade Fixa
 Velocidade Variável
MODOS DE OPERAÇÃO Disponíveis:
i.
ii.
iii.
iv.
Modo TURBINA
Modo BOMBA, sem conversor (velocidade fixa)
Modo BOMBA, com conversor (velocidade
variável)
COMPENSADOR SÍNCRONO com conversor
CARACTERÍSTICAS
e DIMENSÕES
Sistemas de Monitoramento de
Condição em uma Usina
Hidrelétrica (Standard ou
Reversível)
SISTEMAS USADOS EM
UMA PLANTA
MODERNA
Systems dedicated to
Operações Integradas
Controladores & I/O
IHM/SCADA
Instrumentação de
Processo
Gerenciamento de
Processo
Software
Gerenciamento da Manutenção
Monitoramento da Condição
Engenharia de Confiabilidade
Ativos de Produção
Gerenciamento do Negócio
Supply Chain
Financeio RH CRM
Operações
Sistemas dedicados
para Operação Integrada
For:
For:
MAINTENANCE
PRODUCTION
{ ASSET MANAGEMENT }
{ PROCESS MANAGEMENT }
COND.
MANAGEMENT:
MONITORING,
PROTECTION,
DIAGNOSTICS, etc.
.......
CONTROL SYSTEM,
DCS, SCADA, HMI
......
For:
BUSINESS
MANAGEMENT
CRM, HR, Operations,
......
Sistemas dedicados
para Operação Integrada
For:
MAINTENANCE
{ ASSET MANAGEMENT }
COND.
MANAGEMENT:
MONITORING,
PROTECTION,
DIAGNOSTICS, etc.
.......
ESTRUTURA DE UMA
SOLUÇÃO MODERNA DE UM
SISTEMA DE MONITORAMENTO
DE CONDIÇÃO PARA APOIO
DOS SERVIÇOS DE
MANUTENÇÃO
Componentes do Sistema de Gerenciamento de
Ativos de uma Usina Hidrelétrica
Sistema de Gerenciamento da Condição
Técnica
 Hydro Power Plant Asset Management
 Hydro Enterprise Asset Management
Sistemas Especialistas de Diagnóstico
Sistemas de Aquisição de Dados
Proteção e Monitoramento
Transdutores
Ativos da Usina
Estratégias de Manutenção
x
Sistemas de Monitoramento
Manutenção
PROATIVA
{PaM}
Manutenção
PREDITIVA
{PdM}
Manutenção
PREVENTIVA
{PM}
Manutenção
Corretiva
Ativos da Usina
 [email protected]
Estratégias de Manutenção
x
Sistemas de Monitoramento
Manutenção
PROATIVA
{PaM}
Manutenção
PREDITIVA
{PdM}
Manutenção
PREVENTIVA
{PM}
Manutenção
Corretiva
HPP ASSETS
 [email protected]
Soluções para Hidrogeração:
SENSORES e medições
MEDIÇÕES PARA O
SISTEMA DE
MONITORAMENTO DE
CONDIÇÃO
Medições para
Avaliação da Condição
de Hidrogeradores
MOVIMENTO E POSIÇÃO VERTICAL:
1.
MANCAL DE ESCORA – POSIÇÃO DO ROTOR
2.
MANCAL DE ESCORA – ESPESSURA DO FILME DE ÓLEO
3.
POSIÇÃO DA TURBINA
MOVIMENTO E POSIÇÃO RADIAL:
4.
POSIÇÃO E DINÂMICA RADIAL DO ROTOR (XY)
5.
MONITORAMENTO DOS ANÉIS DE SELAGEM
6.
FOLGA ENTRE PONTA DAS PÁS E CÂMARA
7.
MONITORAMENTO DAS PLACAS DO ESTATOR
VIBRAÇÕES ABSOLUTAS (SÍSMICAS):
11.
MEDIÇÕES SÍSMICAS dos componentes mecânicos
12.
VIBRAÇÃO NA CARCAÇÃ DO ESTATOR (& POS.)
13.
VIBRAÇÃO NO NÚCLEO DO ESTATOR
14.
VIBRAÇÃO NAS BARRAS DO ESTATOR
15.
VIBRAÇÃO NAS CABEÇAS DE BOBINA DO ESTATOR
17.
CAVITAÇÃO
18.
VIBRAÇÕES TORSIONAIS DO EIXO E TORQUE
TEMPERATURAS:
21.
MANCAL DE ESCORA  TEMPERATURAS
22.
MANCAIS GUIAS  TEMPERATURAS
23.
GERADOR: TEMPERATURAS DO ESTATOR
24.
GERADOR: FLUÍDO DE REFRIGERAÇÃO :
TEMPERATURA DO AR / ÁGUA
25.
GERADOR: TEMPERATURA NOS POLOS DO ROTOR
26.
TEMPERATURA NOS ANÉIS
Medições para
Avaliação da Condição
de Hidrogeradores
relacionado À VELOCIDADE:
31.
Keyphasor
32.
Sobrevelocidade
33.
Creep Detection
34.
DIREÇÃO DE ROTAÇÃO DO EIXO
OUTRAS MEDIÇÕES ONLINE (relacionadas à condição)
41.
ENTREFERRO
42.
FLUXO MAGNÉTICO
43.
DESCARGAS PARCIAIS
44.
MONITORAMENTO DE OZÔNIO
45.
CORRENTES DAS ESCOVAS
46.
TEMPERATURAS DOS ANÉIS
47.
CORRENTE / TENSÃO DO GERADOR
48.
MONITORAMENTO DO PINO DE CISALHAMENTO
49.
PULSAÇÕES DE PRESSÃO
50.
POSIÇÃO DOS DISTRIBUIDORES
OUTRAS MEDIÇÕES OFFLINE (relacionadas à condição)
51.
TERMOGRAFIA
52.
ANÁLISE DE ÓLEO
OUTROS (úteis para diagnóstico):
71.
Variáveis de Processo
72.
Variáveis Ambientais
OUTROS (relacionadas à performance:
85.
Medição de Fluxo
COMENTÁRIOS SOBRE AS
MEDIÇÕES MAIS USUAIS
PARA SISTEMAS DE
MONITORAMENTO DE
CONDIÇÃO
Vibrações Mecânicas
Transdutores de Vibração
dedicados à MONITORAMENTO DA CONDIÇÃO
de eixos de baixa velocidade
Vibrações do Rotor:
i.
Transdutores de Proximidade
a partir de 0,2 Hz
Vibrações Sísmicas
•
VELÔMETROS:
i.
SEISMOPROBE
from 0,5 Hz
ii.
Velometro CT MOD
from 0,5 Hz
iii.
Velometro CT
from 1,5 Hz
iv.
Velometro
from 4,5 Hz
•
i.
ACELERÔMETROS:
330400
 funções específicas
SINAIS GERADOS POR SENSORES DE VIBRAÇÃO
e / ou
SINAIS DE VIBRAÇÃO CONVERTIDOS EM SISTEMAS DE
MONITORAMENTO
A – aceleração
V – velocidade
D - deslocamento
∫
∫
∫∫
FUNCIONALIDADES DOS SENSORES DE
VIBRAÇÃO
RELEVANTES PARA APLICAÇÕES HYDRO
Sensibilidade
Faixa de Frequência
Ruído (Relação Sinal/Ruído)
Influência do Campo Eletromagnético
Comparação entre Sensores (<70Hz)
VELOCIDADE v=∫adt
Normas de
Monitoramento
ACELERAÇÃO
Comparação Entre Sensores (<35Hz)
Velocidades
Usuais em
Hidrogeradores
~1900 RPM
Soluções para Hidrogeração
Sistemas de Proteção e
Monitoramento
(=CM&PS)
Por que habilitar proteção?
Evento bem conhecido:
SAJNO-SUSHANSKAJA
Hydro Power Plant
Before the Accident
Crane
Generators
Air-Oil Tanks
Sump Tank
Imagination at work.
Governor
Pumps
Generator floor
17 August 2009 - After the Accident
Sump Tank
Air-Oil Tanks
Floor
Unit 2
Collector Ring
Crosshead –
Unit 2
Unit 1
Imagination at work.
Generator floor
FUNCIONALIDADES
ESPECÍFICAS
de SISTEMAS DE PROTEÇÃO
E MONITORAMENTO
CM&PS: FUNCIONALIDADES
ESPECÍFICAS, ….
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Sistema de Monitor com FONTE REDUNDANTE
Operação de Monitores em Baixa Frequência
Funcionalidade de Monitoramento Multi-Modo
Funcionalidade Trip Multiply
Auto Diagnóstico por Canal
Gateway de Comunicação
……….. E muitas outras
CM&PS – interface
com outros
SISTEMAS DE CONTROLE
DA USINA
CM&PS – INTERFACE COM OUTROS SISTEMAS
UNIT or/and STATION
CONTROL SYSTEM (DCS)
ESD: UNIT
PROTECTION SYSTEM
{Condition protection from BINARY
OUTPUTS of 3500 SYSTEM}
TRANSDUCERS
TRANSDUCER CABLES
PROCESS MEASUREMENTS
UNIT CONTROL
-HUMAN - MACHINE INTERFACING (NOT shown)
-TO CONTROL SYSTEM:
- Process measurements (connections NOT shown)
- ...
-FROM CONTROL SYSTEM:
- To ESD (process protection)
- Control of the unit devices (connections NOT shown)
- ...
DIGITAL INTERFACING with
CM&P SYSTEM: ETHERNET / RS
-FROM CONTROL SYSTEM:
TERMINAL/ELECTRONIC
HOUSINGS
Signal cables  up to 305 m
MONITORING
& PROTECTION
SYSTEM
-
alarm confirmation
rack RESET
level adjustment (incl. Trip Multiply)
bypass
Time synchronization
....
-TO CONTROL SYSTEM:
-
Measurements
Alarms
OK / NOT OK indication:
for RACK
for CHANNELS
....
FUNCIONALIDADE DE
MONITORAMENTO
MULTI-MODO
MONITOR MULTI-MODO
O Monitor permite a programação de até 8 tipos
diferentes de AJUSTES DE ALARMES, e um modo
flexível de controlar qual é o melhor para a o
modo de operação corrente.
 Modo GERADOR
 Modo BOMBEAMENTO
 Modo COMPENSADOR
 Níveis de Vibração (limites) dependentes do
NÍVEL
 Nível MUITO BAIXO
 Nível MUITO ALTO
 Níveis de Vibração (limites) dependentes da
POTÊNCIA
 „FAIXA NORMAL” de potência
 Potência „MENOR QUE O PROJETADO”
MONITOR MULTI-MODO
Duas formas de CONTROLE DE MODO
1. 3 contatos (conforme indicado)
2. Interface digital com o DCS
(através de gateway de comunicação)
Funcionalidade
TRIP MULTIPLY
LIMITES DE VIBRAÇÃO
DO ROTOR, conforme norma
~300MW unit
ALARM C-D @ 188 RPM
500 μm
TM3: 1,75
TM2: 1,50
TM1: 1,25
TM7: 1,7
TM6: 1,6
TM5: 1,5
TM4: 1,4
TM3: 1,3
Soluções para Hidrogeração
Exemplos de Sistemas de Proteção
e Monitoramento
(=CM&PS)
Measurements for Condition Evaluations of small
Pump Storage Machines (sliding bearings)
Measurements for Condition Evaluations of small
Reversible Machines (sliding bearings)
Hyatt PS HPP / US
Technology Type: Open Loop Pumped Hydro Storage
Rated Power 819 MW
Number of Units: 6 (3 GEN & 3 GEN/PUMP)
Hyatt PS HPP / US
Hyatt PS HPP / US
Oroville Dam is an earthfill embankment dam on the
Feather River east of the city of Oroville, California in the
United States. At 770 feet (230 m) high, it is the tallest dam in
the US. and serves mainly for water supply, hydroelectricity
generation and flood control.
California Department of Water Resources decided
to replace one unit's multi-wiped problem Babbitt
thrust bearing after a turbine upgrade with
increased thrust load as a result.
The station uses 1'st in the
USA PTFE Thrust Bearing
Hyatt PS HPP / US
Unit 4
Each the thrust probes surpassed
the alert and danger setpoints.
The maximum total movement
relative to the starting position was
on the U4 THRUST LEFT proximity
probe which reached 11.3 mil.
Figure shows the four thrust probes
from startup to shutdown.
Hyatt PS HPP / US
Unit 4
Each the thrust probes surpassed
the alert and danger setpoints.
The maximum total movement
relative to the starting position was
on the U4 THRUST LEFT proximity
probe which reached 11.3 mil.
The thrust load during this same
time period also surpassed the alert
and danger setpoints and
reached 1400 Klbs, see Figure 
Soluções para
Hidrogeração:
Plataforma de SOFTWARE
SISTEMA DE
DIAGNÓSTICO
interface com outros
sistemas da planta
CM&PS – INTERFACE COM OUTROS SISTEMAS
UNIT or/and STATION
CONTROL SYSTEM (DCS)
ESD: UNIT
PROTECTION SYSTEM
{Condition protection from BINARY
OUTPUTS of 3500 SYSTEM}
TRANSDUCERS
TRANSDUCER CABLES
PROCESS MEASUREMENTS
UNIT CONTROL
-HUMAN - MACHINE INTERFACING (NOT shown)
-TO CONTROL SYSTEM:
- Process measurements (connections NOT shown)
- ...
-FROM CONTROL SYSTEM:
- To ESD (process protection)
- Control of the unit devices (connections NOT shown)
- ...
DIGITAL INTERFACING with
CM&P SYSTEM: ETHERNET / RS
-FROM CONTROL SYSTEM:
TERMINAL/ELECTRONIC
HOUSINGS
Signal cables  up to 305 m
MONITORING
& PROTECTION
SYSTEM
-
alarm confirmation
rack RESET
level adjustment (incl. Trip Multiply)
bypass
Time synchronization
....
-TO CONTROL SYSTEM:
-
Measurements
Alarms
OK / NOT OK indication:
for RACK
for CHANNELS
....
Incluindo o Sistema de Diagnóstico
ESD: UNIT
PROTECTION SYSTEM
{Condition protection from BINARY
OUTPUTS of 3500 SYSTEM}
TRANSDUCERS
TRANSDUCER CABLES
UNIT or/and STATION
CONTROL SYSTEM (DCS)
PROCESS MEASUREMENTS
UNIT CONTROL
-HUMAN - MACHINE INTERFACING (NOT shown)
-TO CONTROL SYSTEM:
- Process measurements (connections NOT shown)
- ...
-FROM CONTROL SYSTEM:
- To ESD (process protection)
- Control of the unit devices (connections NOT shown)
- ...
DIGITAL INTERFACING with
CM&P SYSTEM: ETHERNET / RS
-FROM CONTROL SYSTEM:
TERMINAL/ELECTRONIC
HOUSINGS
MONITORING
& PROTECTION
SYSTEM
-
-TO CONTROL SYSTEM:
-
Signal cables  up to 305 m
-
A DIAGNOSTIC
SYSTEM
for Predictive / Proactive
Maintenance
alarm confirmation
rack RESET
level adjustment (incl. Trip Multiply)
bypass
....
Measurements
Alarms
OK / NOT OK indication:
for RACK
for CHANNELS
....
INTERFACING with a
DIAGNOSTIC SYSTEM
-FROM CONTROL SYSTEM:
-time synchronization
-process variables
-TO CONTROL SYSTEM:
-Announcements about technical condition changes
Funcionalidades de
Diagnóstico
10
NOT HEALTHY ORBIT SHAPE
8
6
4
2
0
0
2X
20 micro m pp/div
4X
6X
• YPeak-to-Peak:
~300 μm
•
X
:
Orders:
0.5X/div ~255 μm
Peak-to-Peak
(X to Y) CCW Rotation
8X
125 rpm
Coleta de Dados
específica em CONDIÇÃO
DE ALARME
COLETA DE DADOS EM CONDIÇÃO DE ALARME
•
Data collation provided for all points included into „COLLECTION GROUP”
•
ALARM CONDITIONS can be generated by
•HARDWARE ALARMS (on the level of the MONITORING SYSTEM)
•SOFTWARE ALARMS on the level of the DIAGNOSTIC SYSTEM)
•
2 types of DATA: STATIC (numbers) & DYNAMIC/WAVEFORMS
•
DATA in the ALARM CONDITIONS are collected as bellow:
( functions)
TIME
If TRIP:
*)
Δ t= .... & ΔRPM= ... as configured
TDOM = TRENDS of THE DIAGNOSTICALLY ORIENTED MEASUREMENTS.
Análise Baseada em
Estado
Não confundir com Monitoramento Multi-Modo do Monitor
de Vibração
STATE BASED ANALYSIS: N-D (D=dimensions)
Influência do ESTADO (de
operação da máquina) na
determinação das medições
relacionadas à condição
por exemplo:
•
•
•
•
•
posições,
vibrações,
temperaturas,
entreferro,
......
Porque, para vários
ESTADOS, as medições
podem ser diferentes !
An example for 3-D:
States: Power=3;Head=2;Temp=3
STATE BASED ANALYSIS: 1-D
State: (Active Power=6)
Process Variable
228 MW
#6
213 MW
#5
186 MW
#4
165 MW
#3
150 MW
#2
135 MW
SYMPTOM
0 MW
#1
COMO O SISTEMA DE
MONITORAMENTO DE CONDIÇÃO
PODE SER ÚTIL PARA OTIMIZAR A
OPERAÇÃO DA USINA?
COMO O CMS PODE SER ÚTIL PARA
OTIMIZAR A OPERAÇÃO DA PLANTA?
Um dos problemas usuais em
Usinas Hidrelétricas é
cavitação.
O uso do Sistema de
Monitoramento pode ser útil
em identificar a condição
técnica da unidade, o tempo
que a unidade operou em
condições não-ótimas e
permitir a otimização da
operação.
Curva Característica representando Potência x
Intensidade de Erosão
Não é o bastante medir
apenas uma vez o perfil de
erosão, pois ele muda
durante o tempo de trabalho
da planta.
Um bom CMS, com medições
adequadas, permite
identificar com mais precisão
o perfil e suas mudanças no
tempo, e permitir o controle
dentro de condições mais
favoráveis.
Kerckhoff 2 turbine
SHANAHAN & ABBOT, 1993
Uma curva característica de planta reversível. A intensidade de
cavitação depende do modo de operação.
Intensidade de Cavitação é +/- 10 dB Maior em Modo Bomba
Courtesy of Mr. Tim SHANAHAN, Acoustic Technologies Inc.
from a PS HPP w/ such 2 HITACHI units
Uma curva característica de planta reversível. A
intensidade de cavitação depende da condição técnica
Unit #1 operou o dobro de horas
Unit #2 operou apenas em modo gerador
Courtesy of Mr. Tim SHANAHAN, Acoustic Technologies Inc.
from a PS HPP w/ such 2 HITACHI units
QUESTÕES?
MUITO OBRIGADO!
Por favor, para dúvidas, sugestões,
comentários ou informações adicionais, não
hesite em nos contactar, por email ou telefone:
Antonio Derani
[email protected] – 11-98331-8458
Dr. Ryszard Nowicki
[email protected] – +48-601-710-700