Mantenimiento predictivo y eficiencia de turbinas eólicas
El monitoreo de vibraciones aumenta la eficiencia operativa
El mantenimiento predictivo basado en la monitorización de vibraciones puede aumentar la eficiencia de los aerogeneradores, previniendo fallos catastróficos y tiempos de inactividad no planificados.
El costo de mantenimiento en la industria de la energía eólica está aumentando porque el número de turbinas está creciendo, incluyendo muchas turbinas más viejas que requieren un mantenimiento más frecuente. En el caso de un parque eólico marino, alrededor de una cuarta parte del costo total corresponde a la operación y el mantenimiento.
La introducción de tecnología sofisticada de control de estado puede ayudar a mantener estos costos bajo control. El uso del monitoreo de vibraciones para realizar un seguimiento de las partes giratorias de una turbina ayuda a los equipos de mantenimiento a detectar problemas potenciales y realizar las reparaciones necesarias en la primera oportunidad para evitar averías.
En esta técnica, la firma de vibración de los rodamientos y otras partes móviles se supervisa mediante sensores de vibración, también conocidos como acelerómetros. Cualquier variación respecto a la norma puede indicar indicios tempranos de fallo, lo que permite corregir pequeños problemas antes de que se salgan de control.
Crecimiento y demandas de la industria de la energía eólica
La energía eólica es un área de la ingeniería en rápida expansión. En 2017, la capacidad global de turbinas eólicas alcanzó los 539.581 [megavatios/aerogeneradores — *Note: "capacity" usually implies MW, but sticking to literal translation of the sentence structure*] según el Consejo Global de Energía Eólica, y se espera que esta cifra crezca significativamente durante la próxima década.
A pesar de este crecimiento, la energía eólica sigue siendo muy exigente. Para lograr la rentabilidad, los operadores deben maximizar la eficiencia aumentando la producción y controlando los costes. Evitar el tiempo de inactividad no programado, como el causado por fallos catastróficos en los componentes, es fundamental.
Las turbinas eólicas deben operar en condiciones muy duras. En los últimos años, los fuertes vientos han causado fallas en las turbinas debido a daños en los engranajes. Además de los costos de reparación, los operadores pueden enfrentar multas y reclamaciones de indemnización.
Beneficios del Monitoreo Avanzado de Vibraciones
Si bien los sensores utilizados en aplicaciones de alta especificación, como las turbinas eólicas, son de primera calidad, su costo se ha reducido lo suficiente como para justificar el uso de múltiples sensores. Esto mejora la recopilación de datos y optimiza la detección de fallas.
El uso de múltiples sensores también es compatible con técnicas como la envolvente de aceleración, que extrae la señal de vibración de un rodamiento defectuoso filtrando el ruido de otros componentes.
Costes por tiempo de inactividad y mantenimiento predictivo
El tiempo de inactividad no programado no se limita a la industria de la energía eólica. Una encuesta conjunta de plantservices.com y ARC Advisory Group estimó que el tiempo de inactividad no programado le cuesta a las industrias de procesos globales alrededor de 20 mil millones de dólares al año.
La encuesta reveló que casi el 90 por ciento de las empresas que utilizan el mantenimiento predictivo tenían como objetivo aumentar el tiempo de actividad, mientras que más de la mitad buscaban reducir los costos de mantenimiento y operativos.
La encuesta recomendó integrar los sistemas de mantenimiento predictivo con los sistemas de control de toda la planta y vincular el rendimiento del sistema a incentivos financieros. Este enfoque es especialmente relevante para la energía eólica, donde el mantenimiento es difícil y costoso, y la eficiencia es fundamental.
Históricamente, algunos ingenieros creían que era más barato seguir utilizando equipos desgastados en lugar de invertir en reemplazos. Sin embargo, cuando se considera el verdadero costo del tiempo de inactividad no programado, este enfoque demuestra ser ineficaz.
Las máquinas que presentan defectos corren mayor riesgo de fallo y tiempo de inactividad. Los sistemas de monitorización de estado permiten a los ingenieros planificar el mantenimiento y sustituir los componentes defectuosos antes de que se produzcan los fallos.
Instalación de sensores en turbinas eólicas
Cuando se montan en posiciones clave en equipos mecánicos, los sensores de vibración proporcionan supervisión y análisis continuos. Si bien esto requiere una inversión, el costo es mínimo en comparación con el costo potencial del tiempo de inactividad de una turbina eólica.
Hay dos tipos principales de acelerómetros industriales: acelerómetros de CA y acelerómetros de 4 a 20 miliamperios.
Los acelerómetros de CA se utilizan típicamente con colectores de datos para el monitoreo de vibraciones de máquinas críticas o complejas, como cajas de engranajes y turbinas, lo que los convierte en la opción preferida para las turbinas eólicas. En contraste, los sensores de 4 a 20 miliamperios se usan comúnmente con sistemas PLC para monitorear activos de menor valor, como bombas y motores.
Los sensores de vibración modernos funcionan en amplios rangos de temperatura y miden tanto altas como bajas frecuencias con gran precisión y baja histéresis. Las robustas carcasas de acero inoxidable protegen contra la humedad, el polvo, los aceites y otros contaminantes.
Los acelerómetros se pueden montar en las carcasas para medir la vibración de la carcasa y la vibración radial y axial de los ejes rotativos. El análisis se centra en frecuencias específicas asociadas con componentes mecánicos o tipos de fallas, como el desequilibrio o la desalineación. Por ejemplo, los rodamientos de elementos rodantes muestran una vibración creciente a frecuencias características a medida que el desgaste progresa.
Especificación de acelerómetros de vibración para aerogeneradores
La especificación correcta de los acelerómetros de vibración requiere la consideración de los niveles de vibración, los rangos de frecuencia, las limitaciones de montaje y las condiciones ambientales. Se recomienda trabajar en estrecha colaboración con un proveedor experimentado.
Para aplicaciones de turbinas eólicas, los acelerómetros de baja frecuencia son ideales para detectar anomalías. Los modelos de uso común incluyen sensores de 100 milivoltios por g, con opciones de mayor sensibilidad de 250 o 500 milivoltios por g para componentes de baja velocidad como los ejes de salida del generador.
En muchos proyectos de turbinas eólicas que involucran a Hansford Sensors, se instala una caja de conexiones local en la parte superior de la turbina para albergar el cableado del acelerómetro. Las señales se transmiten a nivel del suelo utilizando un cable de pares trenzados apantallados multipolar, que se conecta a un sistema de monitorización en línea.
Esta disposición permite a los operadores monitorear el estado de las turbina en tiempo real utilizando dispositivos portátiles con acceso a internet, lo que permite identificar fallas y tomar medidas correctivas antes de que se produzca una avería.
Envolvente de aceleración para la detección temprana de fallas
Aunque los acelerómetros modernos son muy sofisticados, aislar la señal de un rodamiento averiado dentro de una turbina eólica puede resultar difícil debido a la vibración de fondo.
La envolvente de aceleración es una técnica eficaz de procesamiento de señales que filtra las vibraciones repetitivas de bajo nivel para aislar el sonido de un rodamiento. Se utiliza ampliamente para detectar defectos tempranos en rodamientos al separar las señales de falla del ruido de fondo.
Un defecto en un elemento rodante genera impactos repetidos que excitan frecuencias resonantes en las estructuras circundantes de la máquina. Aunque estas señales se atenúan entre los impactos, influyen en la respuesta de vibración general de la máquina.
La envolvente de aceleración mejora las señales del acelerómetro mediante un proceso de dos pasos. Primero, un filtro pasa banda aisla el rango de frecuencia donde existe la señal del defecto. Esto revela impactos repetitivos de alta frecuencia causados por elementos rodantes que entran en contacto con los defectos.
Segundo, la señal se rectifica y demodula para producir una envolvente que resalta la señal de defecto. Esta envolvente hace que las señales de falla espaciadas regularmente destaquen del ruido aleatorio, como el roce del eje.
Una vez filtrados, los datos de vibración son recopilados y analizados por especialistas, quienes pueden determinar si se requiere mantenimiento inmediato o si se pueden programar reparaciones.
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