Imagination at work.

Dr. Ryszard.Nowicki@ge.com and Antonio.Derani@ge.com

ASSET CONDITION MANAGEMENT in a PUMP STORAGE - HYDRO POWER PLANT

Apresentadores :

Antonio Derani

antonio.derani@ge.com – 11-98331-8458

GE-Bently Regional Sales Manager / Account Manager

São Paulo - Brasil

Dr. Ryszard Nowicki

ryszard.nowicki@ge.com – +48-601-710-700

GE-Bently Senior Application Engineer / Hydro Specialist

Poznan - Polônia

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

Drilling & Services

Turbo machinery

Sub Sea Global Services Measurement

& Control

GE Measurement & Control

• Reformas e peças • EX2100 • Mark IV, V, VI, VIe • OC 4000 DCS • Atualização de Software

• Monitores • Serviçios de campo • Suporte técnico • Software System 1 ® • Diagnósticos de

máquinas

• Ultrasom, Corrente parasita • Inspeção Remota

• CR/DR, Raio X, CT • Software

• Sensores • Instrumentação Nuclear

• Fluxo (Panametrics) • Gás and Humidade • Pressão (Druck)

• Válvulas e atuadores

• Válvulas de alívio de segurança

• Sopradores e compressores

• Soluções para gasoduto de gás natural

Bently Nevada

Control Solutions

Inspection Technologies

Flow & Process Technologies

• Approximately 13,000 employees

• Operating in 60 countries

Measurement & Sensing

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)

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

Francis or Pelton

PUMP

GENERATOR / MOTOR

E.g. Projeto ANDRITZ Hydro in KOPS 2 /

Austria 3* 200 MVA: • 500 (925) RPM • Full load 20..30 [s] for Tu & Pu Mode

GENERATOR

TURBINE

PUMP

B1: Supporto Alternatore Superiore

B2: Supporto Alternatore Inferiore

B4: Supporto Turbina Inferiore

B3: Supporto Turbina Superiore

B5: Supporto Pompa Superiore

B6: Supporto Pompa Inferiore

CENÁRIO #3 Unidade geral para GERAÇÃO e BOMBEAMENTO: TURBINA-BOMBA REVERSÍVEL

Turbina-Bomba:

Velocidade Fixa

Velocidade Variável

MODOS DE OPERAÇÃO Disponíveis: i. Modo TURBINA

ii. Modo BOMBA, sem conversor (velocidade fixa)

iii. Modo BOMBA, com conversor (velocidade

variável)

iv. 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

Gerenciamento do Negócio

Ativos de Produção

Controladores & I/O IHM/SCADA

Instrumentação de Processo

Gerenciamento de Processo Software

Gerenciamento da Manutenção

Monitoramento da Condição Engenharia de Confiabilidade

Supply Chain Financeio RH CRM

Operações

Systems dedicated to Operações Integradas

For:

BUSINESS MANAGEMENT

CRM, HR, Operations, ......

For:

PRODUCTION { PROCESS MANAGEMENT }

CONTROL SYSTEM, DCS, SCADA, HMI

......

For:

MAINTENANCE { ASSET MANAGEMENT }

COND. MANAGEMENT: MONITORING, PROTECTION,

DIAGNOSTICS, etc. .......

Sistemas dedicados para Operação Integrada

For:

MAINTENANCE { ASSET MANAGEMENT }

COND. MANAGEMENT: MONITORING, PROTECTION,

DIAGNOSTICS, etc. .......

Sistemas dedicados para Operação Integrada

ESTRUTURA DE UMA SOLUÇÃO MODERNA DE UM

SISTEMA DE MONITORAMENTO DE CONDIÇÃO PARA APOIO

DOS SERVIÇOS DE MANUTENÇÃO

Ativos da Usina

Transdutores

Proteção e Monitoramento

Sistemas de Aquisição de Dados

Sistemas Especialistas de Diagnóstico

Sistema de Gerenciamento da Condição

Técnica Hydro Power Plant Asset Management

Hydro Enterprise Asset Management

Componentes do Sistema de Gerenciamento de Ativos de uma Usina Hidrelétrica

Manutenção PREVENTIVA

{PM}

Manutenção PREDITIVA

{PdM}

Manutenção PROATIVA

{PaM}

Ryszard.Nowicki@ge.com

Estratégias de Manutenção x

Sistemas de Monitoramento

Manutenção Corretiva

Ativos da Usina

Ryszard.Nowicki@ge.com

HPP ASSETS

Manutenção PREVENTIVA

{PM}

Manutenção PREDITIVA

{PdM}

Manutenção PROATIVA

{PaM}

Manutenção Corretiva

Estratégias de Manutenção x

Sistemas de Monitoramento

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

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

34. DIREÇÃO DE ROTAÇÃO DO EIXO

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

• ACELERÔMETROS:

i. 330400 funções específicas

SINAIS GERADOS POR SENSORES DE VIBRAÇÃO

A – aceleração

V – velocidade

D - deslocamento

∫

∫ ∫∫

e / ou

SINAIS DE VIBRAÇÃO CONVERTIDOS EM SISTEMAS DE

MONITORAMENTO

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

Normas de

Monitoramento

ACELERAÇÃO v=∫adt

~1900 RPM

Velocidades

Usuais em

Hidrogeradores

Comparação Entre Sensores (<35Hz)

Soluções para Hidrogeração Sistemas de Proteção e Monitoramento (=CM&PS)

Por que habilitar proteção?

Evento bem conhecido:

SAJNO-SUSHANSKAJA Hydro Power Plant

Imagination at work.

Before the Accident

Generators

Sump Tank

Air-Oil Tanks

Governor

Pumps Generator floor

Crane

Imagination at work. Generator floor

17 August 2009 - After the Accident

Air-Oil Tanks

Sump Tank

Crosshead –

Unit 2

Collector Ring

Unit 1

Unit 2

Floor

FUNCIONALIDADES ESPECÍFICAS

de SISTEMAS DE PROTEÇÃO

E MONITORAMENTO

CM&PS: FUNCIONALIDADES ESPECÍFICAS, ….

1. Sistema de Monitor com FONTE REDUNDANTE

2. Operação de Monitores em Baixa Frequência

3. Funcionalidade de Monitoramento Multi-Modo

4. Funcionalidade Trip Multiply

5. Auto Diagnóstico por Canal

6. 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)

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)

- ...

ESD: UNIT PROTECTION SYSTEM

{Condition protection from BINARY

OUTPUTS of 3500 SYSTEM}

TERMINAL/ELECTRONIC

HOUSINGS

TRANSDUCERS

TRANSDUCER CABLES DIGITAL INTERFACING with CM&P SYSTEM: ETHERNET / RS

-FROM CONTROL 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

- ....

MONITORING

& PROTECTION

SYSTEM

Signal cables up to 305 m

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

TM1: 1,25

TM2: 1,50

TM3: 1,75

TM3: 1,3

TM4: 1,4

TM5: 1,5

TM6: 1,6 TM7: 1,7

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)

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)

- ...

ESD: UNIT PROTECTION SYSTEM

{Condition protection from BINARY

OUTPUTS of 3500 SYSTEM}

TERMINAL/ELECTRONIC

HOUSINGS

TRANSDUCERS

TRANSDUCER CABLES DIGITAL INTERFACING with CM&P SYSTEM: ETHERNET / RS

-FROM CONTROL 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

- ....

MONITORING

& PROTECTION

SYSTEM

Signal cables up to 305 m

A DIAGNOSTIC

SYSTEM

for Predictive / Proactive

Maintenance

Incluindo o Sistema de Diagnóstico 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)

- ...

ESD: UNIT PROTECTION SYSTEM

{Condition protection from BINARY

OUTPUTS of 3500 SYSTEM}

TERMINAL/ELECTRONIC

HOUSINGS

TRANSDUCERS

TRANSDUCER CABLES

INTERFACING with a DIAGNOSTIC SYSTEM

-FROM CONTROL SYSTEM: -time synchronization -process variables

-TO CONTROL SYSTEM:

-Announcements about technical condition changes

DIGITAL INTERFACING with CM&P SYSTEM: ETHERNET / RS

-FROM CONTROL SYSTEM: - alarm confirmation - rack RESET - level adjustment (incl. Trip Multiply) - bypass - ....

-TO CONTROL SYSTEM: - Measurements - Alarms - OK / NOT OK indication:

- for RACK - for CHANNELS

- ....

MONITORING

& PROTECTION

SYSTEM

Signal cables up to 305 m

Funcionalidades de Diagnóstico

10

8

6

4

2

0

Orders: 0.5X/div

0 2X 4X 6X 8X

20 micro m pp/div (X to Y) CCW Rotation 125 rpm

• YPeak-to-Peak: • XPeak-to-Peak:

~300 μm ~255 μm

NOT HEALTHY ORBIT SHAPE

Coleta de Dados específica em CONDIÇÃO

DE ALARME

COLETA DE DADOS EM CONDIÇÃO DE ALARME

*) TDOM = TRENDS of THE DIAGNOSTICALLY ORIENTED MEASUREMENTS.

• 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 ( functions)

• DATA in the ALARM CONDITIONS are collected as bellow:

If TRIP: Δ t= .... & ΔRPM= ... as configured

TIME

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)

SYMPTOM

Pro

cess

Va

ria

ble

0 MW

135 MW

150 MW

165 MW

186 MW

213 MW

228 MW

#1

#2

#3

#4

#5

#6

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

Courtesy of Mr. Tim SHANAHAN, Acoustic Technologies Inc.

from a PS HPP w/ such 2 HITACHI units

Unit #1 operou o dobro de horas

Unit #2 operou apenas em modo gerador

QUESTÕES?

Antonio Derani

antonio.derani@ge.com – 11-98331-8458

Dr. Ryszard Nowicki

ryszard.nowicki@ge.com – +48-601-710-700

MUITO OBRIGADO! Por favor, para dúvidas, sugestões, comentários ou informações adicionais, não hesite em nos contactar, por email ou telefone: