Instrumentacion 47693h

Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Civil CI5413 Instrumentación en Ing. Geotécnica y Estructural

Informe Final: Proyecto de Instrumentación y Monitoreo de un Aerogenerador

Alumnos:

Miguel Aros C. Luis Pinto P. Natalia Ramírez N Felipe Sánchez H.

Profesores:

Roberto Gesche S. Pedro Soto M.

Ayudante:

Felipe Jones A.

Fecha de Entrega:

18-12-2015


Contenidos 1.

Introducción al proyecto............................................................................... 1

2.

Presentación de la problemática y necesidad de instrumentación...............2

3.

Descripción de la estructura.........................................................................3

4.

Variables a medir.......................................................................................... 4 a.

Modelo de análisis..................................................................................... 4

b.

Solicitaciones y elementos de estudio.......................................................5

c.

Variables a medir en Torre.........................................................................6

d.

Variables a medir en zona anclajes de torre a fundaciones.......................8

e.

Variables a medir en Fundaciones.............................................................8

5.

Instrumentación a utilizar............................................................................. 8

6.

Esquema de instrumentación de la obra....................................................11

7.

Programa de monitoreo.............................................................................. 13

8.

Descripción de plan de adquisición, manejo e interpretación de datos......15

9.

Presupuesto del proyecto de instrumentación y monitoreo........................16

Conclusiones..................................................................................................... 19


1. Introducción al proyecto Este informe corresponde a la entrega final del curso Instrumentación en Ingeniería geotécnica y estructural, que consiste en la elección y planificación de un proyecto de instrumentación, ya sea en el área de geotecnia o estructural con el detalle y descripción de sus aspectos más relevantes, como la solución que presenta el proyecto, los parámetros controlados, los instrumentos utilizados para el monitoreo y la realización de un presupuesto, entre otros. La instrumentación de obras civiles estructurales y geotécnicas es importante para la ingeniería civil ya que es una herramienta para alertar ciertos problemas que se pueden presentar en las mismas. Esto, porque al ser monitoreadas con una frecuencia específica previamente estudiada, se puede analizar y estudiar los cambios que se generen, lo que podría entregar tiempo suficiente para enmendar posibles problemas. También se utiliza con fines investigativos o académicos para estructuras poco convencionales o nuevas de las que se quiere aprender más. Los parámetros medidos y monitoreados dependerán del tipo, función, ubicación, etc. de cada obra civil. Las variables medidas más convencionales abarcan una amplia gama: Aceleraciones, desplazamientos (laterales o verticales), presiones de poros, tensiones, humedad, temperatura, etc. por lo que se debe poner especial atención a qué parte, sección, característica de cada obra se desea monitorear. Para el trabajo descrito, se escogió la instrumentación de una estructura que forma parte de las mayores innovaciones en materia de producción de energía en territorio nacional. El elemento seleccionado es un aerogenerador o turbina eólica ubicada en uno de los 4 parques eólicos de la comuna de Canela, pionera en la inversión y desarrollo de “energías limpias” al ser primera comuna en Chile en producir energía a partir del viento. A continuación se muestra una imagen de un conjunto de las estructuras escogidas a instrumentar, ubicados en el parque eólico Canela l:

1


Ilustración 1: Turbinas eólicas en parque Canela I.

2. Presentación de la problemática y necesidad de instrumentación El grupo de trabajo considera que las razones principales que motivaron la instrumentación de este tipo de estructuras son: La generación de energía a través de energía eólica presenta muchos beneficios y ventajas en comparación a las demás energías renovables: No emite sustancias en la atmosfera, reduce la utilización de combustibles fósiles y no potencia el efecto invernadero, no produce contaminación del agua, es inagotable y en el último tiempo se menciona como la energía renovable más eficiente. Todo lo anterior ha desencadenado en que, debido a las condiciones favorables que se tienen en el país para generar electricidad a partir del viento, se comience a pensar en utilizar la energía eólica para diversificar la matriz energética y reducir la contaminación junto a la dependencia de biomasa como combustible. De hecho, en junio de 2015 se logró que la energía eólica representara un 4,2% de la energía producida por el Sistema Interconectado Central (SIC) y ya se han aprobado proyectos de producción de energía eólica para lograr la meta de que Chile genere un 15% del SIC a partir de Energías Renovables No Convencionales (ERNC). Al ser un método de producción energética muy nuevo en Chile, se cree que no existe mucha información y estudios de los aerogeneradores, por lo que su monitoreo podría ser un gran aporte para esta área, para mejorar sus modelos, conocer de mejor forma su comportamiento y en el futuro poder elaborar normas que controlen y ayuden a que se mantenga la integridad estructural de las turbinas eólicas. 3. 2


3. Descripción de la estructura La estructura a instrumentar es un aerogenerador de eje horizontal marca Vestas, modelo V82. La tabla resumen con sus dimensiones y pesos se muestran a continuación: Tabla 1: Resumen propiedades aerogenerador.

Altura Torre [m] Largo de Aspas [m] ALTURA TOTAL [m] Peso Torre (3 secciones) [Ton] Peso Rotor y aspas [Ton] Peso Góndola [Ton] Peso Anillo Fundaciones [Ton] PESO TOTAL [Ton]

70 41 111 100 45 52 13 210

Ilustración 2: Esquema Aerogenerador VESTAS

3


La torre está compuesta por tres piezas que conforman el manto, unidas por flanges, estructura que también une la torre a la fundación. La fundación es de tipo superficial circular de hormigón armado (considerando que se tiene un terreno firme), y se caracteriza por una gran extensión en planta, tal de transmitir las cargas que recibe y su propio peso al terreno. Las cargas principales son las producidas por el peso propio de la estructura (torre, góndola y astas) y el empuje del viento. El peso propio constituye una acción vertical, mientras que el empuje del viento es una acción horizontal que actúa en dos zonas distintas, el área barrida por las astas y el fuste de la torre. Todas estas cargas deben ser conducidas al suelo sin superar la capacidad de este.

4. Variables a medir a. Modelo de análisis La estructura de análisis corresponde a un aerogenerador de eje horizontal, compuesto por una torre metálica. Un primer aspecto a revisar en estructuras tipo Aerogeneradores, es el tipo de comportamiento esperado. Preliminarmente, al revisar el porcentaje de la masa total ubicada en el extremo superior de la estructura se obtiene un 40%, lo cual es inferior al 50% requerido para que esta sea considerada un péndulo invertido. Luego el modelo se ajustara a un comportamiento dinámico de sistemas con masa distribuida. Sin embargo se considera un comportamiento intermedio entre un péndulo y una estructura con masa completamente distribuida para la diversificación de casos de estudio en el análisis estructural.

4


Ilustración 3 estudio como estructuras con masa distribuida.

Ilustración 4 estudio con estructura tipo péndulo.

b. Solicitaciones y elementos de estudio Las principales solicitaciones a la que se encuentran enfrentados los Aerogeneradores son: 

Cargas de peso propio 5


  

Operacionales Viento Sismo

Aquellos componentes considerados críticos en la revisión estructural son los siguientes: • • •

Torre. Zona anclajes de la Torre a las fundaciones Fundaciones

c. Variables a medir en Torre -TENSIONES: Se medirán tensiones que se traducirán en momentos solicitantes sobre el sector medio de cada una de las tres secciones cilíndricas que componen la torre de acero. Dada la configuración de la torre, su comportamiento se considera intermedio entre un péndulo y una estructura con masa completamente distribuida, luego de proyectos similares se observan las siguientes distribuciones de momento según las combinaciones de diseño:

Ilustración 5 composición de torre para aerogenerador, dividida en s1, s2 y s3.

6


Ilustración 6 distribución de momentos según el eje vertical de la torre.

Finalmente se identifican dos zonas solicitadas por cargas de distintas naturalezas. En primer lugar, el tramo superior de la torre, próxima a la góndola, se encuentra mayoritariamente solicitada por las cargas sísmicas y de operacionales. En segundo lugar se tiene el tramo inferior a dicha sección, en donde se encuentran las conexiones correspondientes al acoplamiento de los tres tramos cilíndricos que componen la torre. Esta sección se encuentra diseñada para solicitaciones de viento extremo que controlan la falla. -ACELERACIONES: Se presenta el interés de medir las vibraciones que se producen en la zona más propensa a excitaciones, la cual corresponde a la zona superior cercana a la góndola donde se encuentra la turbina. Dado que los acelerómetros son capaces de capturar un amplio rango de frecuencias se consideran para dicha labor. La solicitación de importancia para esta variable, es el viento, que corresponde a una carga variable en el tiempo y que dada su naturaleza puede cubrir rangos de frecuencias peligrosos para las estructuras en campo abierto.

7


Ilustración 7: Góndola y turbina

d. Variables a medir en zona anclajes de torre a fundaciones -TENSIONES: En la parte inferior de la torre, en la unión con las fundaciones, es posible que ocurra falla por pandeo del manto, dada la esbeltez de la estructura (mucha altura, poco diámetro). Se medirán las tensiones producidas en la zona, tal de monitorear que no se alcancen compresiones cercanas a las que producen la falla. Se medirá en ocho puntos equiespaciados en el perímetro, tal de cubrir las direcciones de esfuerzos posibles.

e. Variables a medir en Fundaciones -DESPLAZAMIENTOS: Se medirán desplazamientos en la parte superior de la fundación, que quedan sobre la cota de terreno. Esto con el fin de identificar 8


asentamientos o levantamientos en la fundación, producto de momento en la base. Las fundaciones de aerogeneradores son diseñadas tal de itir solo compresiones, sin embargo, la solicitación de viento origina momentos que pueden generar tracciones que se traducirán en asentamientos en la base. Estos asentamientos son relevantes dado que hay cableado que pasa de la torre a la base anclada, y se deben reducir al mínimo; además de levantamientos y asentamientos diferenciales, que no pueden superar los valores isibles.

5. Instrumentación a utilizar -STRAIN GAGE: Se utilizarán en total 40 Strain Gages, cuyas especificaciones técnicas se describen en la Tabla 2. Un total de 24 Stain Gages estarán distribuidos en el perímetro del manto a la mitad de cada una de las tres sección que componen la torre, en grupos de a cuatro, dado que en el sector contiguo a la conexión (por flanges) la rigidez es mucho mayor a la correspondiente en los sectores medios, hecho que permite descartar dicho sector del análisis. Dada la dirección preferente del viento (de sur a norte), se utilizaran cuatro Strain Gages en los cuatro sentidos colineales y perpendiculares a la dominante del viento. También se utilizaran 16 strain gages para el sector inferior, equiespaciados, sobre el flange anular de anclaje entre torre y fundación.

Ilustración 8: Strain gage Tabla 2: Especificaciones técnicas strain gages

Modelo Dimensiones [mm] Resistencia [Ω] Tipo

BF350-SC 9x5 350 AA Uniaxial semiconductor 9


Máxima deformación Rango de temperatura [°C]

3% [-50,80]

Referencia dirección del viento: DGAC

Se utilizarán 2 Strain Gages en cada sección de medición. Dicha consideración nace de las altas variaciones de temperatura que se generan en el sector de Canela y que son potencialmente dañinas para las mediciones registradas. La idea de utilizar 2 Strain Gages es la utilización activa de uno, recopilando información de tensiones y recibiendo influencia del medio externo, y pasiva de otro, de modo tal, que recopile solo la información que la variación de temperatura genera en el sensor. Finalmente con estos dos set de datos se podrá realizar la corrección pertinente por temperatura.

-ACELERÓMETRO: Se elige un acelerómetro triaxial para la zona superior de la torre, en la sección anterior a la góndola. La ventaja del acelerómetro sobre los demás instrumentos de medición radica en el amplio rango de frecuencias que abarca y poder integrar la señar para obtener información sobre la velocidad y desplazamiento.

Ilustración 9: Acelerómetro Tabla 3: Especificaciones técnicas acelerómetros

Modelo Sensitividad [mV/g] Rango de medición [g] Rango de frecuencia [Hz] Rango de temperatura [°C]

PCB 393A03 (U – T) 1000 [-5,+5] [0.5-2000] [-54,121] 10


Material

Acero Inoxidable

-PRISMA TOPOGRÁFICO: prisma Bi Reflex con perno, correspondiente a un prisma para ser instalado realizando una pequeña perforación en la fundación, ajustando el perno y asegurando este con resina. Este permite medir desplazamientos al medir la diferencia de cotas con una estación total. Dado que las mediciones topográficas se encargaran a un externo (Terrametric levantamientos topográficos fue consultado para este fin), la estación total depende de aquella que tengan disponible. El prisma quedará instalado en el lugar tal de evitar errores por colocación y remoción con cada medición.

Ilustración 10: Prisma Bi Reflex con perno

6. Esquema de instrumentación de la obra La estructura se instrumentará en 5 puntos, como se muestran en la Ilustración 11. -PUNTO 1: bajo la góndola, tendrá un acelerómetro ubicado en la parte lateral, por dentro de la torre. Se ubica bajo la góndola ya que esta puede girar (según la dirección del viento), por lo que se complicaría el cableado; y por dentro de la torre ya que instalarlo por fuera sería una complicación extra que no se justifica (Ilustración 12Ilustración 12).

11


Ilustración 11: Puntos a instrumentar

Ilustración 12: Instrumentación en el punto 1

-PUNTOS 2, 3 Y 4: Se ubicarán 8 strain gages por punto a instrumentar, radialmente y separados 90° entre ellos. Se orientarán dos en la dirección predominante del viento (SSO), tal que las otras dos sean perpendiculares a estas. Estos se ubicarán por dentro de la torre, para facilitar la instalación. Ilustración 13. Se ubican dos, uno vertical y uno horizontal, por posición, tal de registrar deformación por temperatura

12


Ilustración 13: Instrumentación en puntos 2, 3 y 4

-PUNTO 5: Este corresponde a la base de la torre. Por una parte, se pondrán 16 strain gages radialmente, separados a 45° (dobles también), e instalados por la parte exterior de la torre (Ilustración 14). En la superficie de la fundación, se ubicarán prismas topográficos en 8 posiciones separadas 45°, y serán removidos luego de cada medición (pertenecen a la empresa subcontratada). Esto se muestra en la Ilustración 15.

Ilustración 14: Instrumentación con strain gages en punto 5

13


Ilustración 15: Instrumentación con prismas topográficos en punto 5

7. Programa de monitoreo Se define el programa de monitoreo como la sucesión de las siguientes actividades: 1) Instalación de los instrumentos Se instalarán todos los instrumentos en una misma semana por 3 personas especializadas y un ingeniero supervisor. Se colocarán los 16 strain gages de la base por fuera de la torre, los grupos de 8 strain gages de cada parte de la estructura se instalarán en las secciones interiores y en la parte más alta de la misma estructura, debajo de la góndola se instalará el acelerómetro. Además, se marcarán los puntos donde se medirán los asentamientos con los prismas topográficos. 2) Registro de información Los instrumentos comenzarán a registrar datos de forma continua apenas se instalen. Los acelerómetros medirán a una frecuencia de 200 [Hz], frecuencia que se determinó teniendo como referencia que los sismos se pueden medir de forma clara con este número de muestras. Además, se obtuvo de un estudio de aerogeneradores con dimensiones similares al modelo Vestas V82, la frecuencia natural de estas estructuras para sus tres primeros modos (Ilustración 2) con el objetivo de poder determinar si con la frecuencia escogida se puede obtener una buena cantidad de datos en un periodo con el que vibra la estructura.

14


Ilustración 16: Estudio tres primeros modos de un aerogenerador.

Para los strain gages se designó una frecuencia de muestreo de 100 [Hz] también de forma continua, múltiplo de la frecuencia de muestreo de los acelerómetros y se determinó que se debía sincronizar en base a un tiempo reloj. Si bien estas frecuencias son altas, se consideraron para asegurar una buena toma de datos al inicio del monitoreo. Se estableció que se respetarán estos valores el primer mes, luego de tener suficiente información para decidir si esta frecuencia es excesiva. Aun así, los valores nunca deberán ser menores a 100 [Hz]. Respecto a la medición de prismas, lo hará la empresa Terrametric con una frecuencia de dos veces por mes. 3) Recopilación de información Se designó que la persona encargada de recopilar la información fuese dos veces los primeros dos meses con ese objetivo y para revisar que no ocurrieran imprevistos o que se dieran buenas condiciones para el funcionamiento de los sensores. 4) Mantenimiento de los sensores Se aprovecharán los viajes de recopilación de la información para realizar la mantención de los sensores y se realizará una vez al mes.

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8. Descripción de plan de adquisición, manejo e interpretación de datos Se debe tener en consideración la cantidad de elementos a emplear para la instrumentación de la torre. Para esto, contabilizando la cantidad de Strain Gages y Acelerómetros que se deben utilizar en el proyecto, se tiene la Tabla 4. Tabla 4: Cantidad de Instrumentos.

Ítem Acelerómetro Strain Gage Mediciones Topográficas

Modelo PCB 393A03 (U - T) BF350-SC Estación total y prismas

Cantidad 1 40 4

Considerando esto, se debe tener una recolección de datos de 21 canales al menos. Estimando a groso modo, un Data Logger estándar cuenta con 12 canales de entrada. Por ende, se estima la necesidad de contar con 4 de estos.

Ahora bien, en la Tabla 5 se denotan las variables y parámetros a medir por cada uno de los Instrumentos. Tabla 5: Instrumentos y Parámetros a medir

Ítem Acelerómetro Strain Gage Mediciones Topográficas

Aceleraci Desplazamie Momen Espect Asentamient ón nto to ro os Sí Sí Sí Sí -

-

-

-

Sí

Luego, a fin de obtener estos datos de los instrumentos Strain Gage y Acelerómetro, se presenta el siguiente diagrama de bloque a programar en Labview.

16


Ilustración 17: Diagrama de Bloque

9. Presupuesto del proyecto de instrumentación y monitoreo El presupuesto se verá desglosado en 4 partes: 1. 2. 3. 4.

Costos Cables Costos Costos

de los Instrumentos Strain Gage y Acelerómetro. asociados a los Instrumentos. Movilización e Instalación. asociados a la Mantención y al Monitoreo.

El punto uno queda expresado en la Tabla 6, las cotizaciones se llevaron a cabo en la página web de National Instrument. Tabla 6: Costos de los Instrumentos.

Ítem

Modelo

Costo Unitario

Cantida

Costo Total 17


Acelerómetr o Strain Gage Data Logger

PCB 393A03 (U - T) BF350-SC CompactDAG Systems

[UF]

d

[UF]

23.83 0.11

1 40

23.83 4.30

477.03

4

1908.14 1936.26

La estimación de costos asociada al cableado de los aparatos descritos anteriormente queda denotada en la Tabla 7. Estas cotizaciones se llevaron a cabo en la página web del National Instrument. Tabla 7: Estimación de los Costos de los Cables.

Ítem - Cable RG 4 ejes - Apantallado

Uso Acelerómetro Strain Gage

Costo[UF/m] 0.71 0.11

Largo 80 980

Costo Total [UF] 56.40 110.54 166.94

18


En la Tabla 8, se detallan los costos asociados a viajes para la instalación de los mismos Ítems detallados en la Tabla 6. Tabla 8: Estimación de Costos de Instalación y Traslado.

Ítem Movilización Chofer Peajes/Bencina Instaladores Herramientas Taladro Percutor Cautín

Costo Directo

Hora Hombre[UF/Hr]

Horas[Hrs ]

Costo Total

12 10.8

0.16

40

0.22

40

18.40 10.80 8.96 0.90 1.40 0.32 40.78

0.896 1.4 0.32

Se contabilizan en algunos casos costos hundidos y/o directos, así como también costos por Hora Hombre dependiendo del Ítem. Dado que las mantenciones de los Instrumentos Strain Gage y Acelerómetro son de difícil estimación, se estiman como un 30% de su costo. Además se estiman los costos para Topografía, Monitoreo e Interpretación de los datos. Tabla 9: Estimación de Costos de Mantención y Monitoreo para los primeros 2 meses

Costo Ítem Directo Mantención Strain Gage 7.147854 Mantención 0.0322156 Acelerómetro 8 Ingeniero Supervisor Arriendo Estación Total

Hora Hombre[UF/Hr]

0.326

Horas[Hr s] Costo Total

182

7.147854 0.0322156 8 59.332

9.6

9.6

39.2 29.4 33.6

39.2 29.40 40 184.71206 97

Topógrafo

Peajes/Bencina Movilización - Chofer

0.16

40

19


Finalmente la estimación de costos finales es de: 2328.69 UF. Cabe señalar que se espera que el sistema energético que sostenga el monitoreo, sea de parte de la empresa ENDESA propietaria del Parque Eólico.

Conclusiones En relación a las variables a medir se puede decir que fueron abarcados parámetros de vital importancia para vigas con masa distribuida y para péndulos, que son los dos modelos que caracterizan el comportamiento de la torre de generación aerodinámica. Dada la naturaleza de la torre, como un cilindro metálico, la fluencia en la sección es un modo de falla potencialmente probable, al igual que los pandeos localizados, por lo que la flexión es un esfuerzo importante de cuantificar a lo largo de la torre. Respecto a las frecuencias de analizadas se pueden decir que se logró abarcar la totalidad de frecuencias externas e internas que solicitan la estructura y pueden generar acoplamientos dañinos. Sin embargo, el rango que el acelerómetro es capaz de registrar es muy amplio por lo que se propone considerar un instrumento de menores cualidades que pueda reducir costos sin repercutir en los datos registrados. Por otro lado el strain gage seleccionado carece de cualidades simples de instalación, ya que dada su configuración este debe ser soldado desde los terminales, trabajo delicado que requiere cuidado y una cómoda maniobrabilidad en el proceso de instalación, por lo que sugerir un strain gage que pueda ser soldado desde cables montados de fábrica podría facilitar el trabajo. Se puede observar en base a los costos, que el Ítem de mayor importe, se trata del Data Logger. Este ítem hace que sea el costo de los equipos con holgada diferencia el de mayor costo. Desde luego que muchos de los costos pueden variar dependiendo de una buena coordinación con la empresa propietaria del Parque Eólico. Estos se pueden aminorar considerando que se puede llegar a un acuerdo de responsabilidad compartida en términos de mediciones topográficas y de interpretación de datos, aminorando los costos de la Tabla 9. También se debe tener en consideración que los costos aumenten en caso de que no se disponga de alimentación energética en el terreno, en cuyo caso se deben sumar costos asociados a la autogeneración de energía para sostener el sistema de monitoreo.

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