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Ottimizzare la durata e l’efficienza delle turbine: come Global Hydro e CONMONSense di SDT hanno reso possibile il monitoraggio acustico in tempo reale nel settore idroelettrico

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L'erosione dei sedimenti e la cavitazione sono due delle forze più distruttive che minacciano le centrali idroelettriche in tutto il mondo.

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Settore: Energia idroelettrica ed energie rinnovabili
Applicazione: Turbine idrauliche (Francis e Pelton)
Ubicazione: Centrale idroelettrica di Tumpen-Habichen, Tirolo, Austria
Soluzione: Sensori AE CONMONSense di SDT Ultrasound, alla base delle soluzioni software SediSense (sedimenti) e CaviDect (cavitazione) di Global Hydro all’interno della piattaforma IoT Hydrox

Sintesi
L’erosione da sedimenti e la cavitazione sono due delle forze più distruttive che minacciano le centrali idroelettriche in tutto il mondo. Fino a poco tempo fa, gli operatori degli impianti facevano affidamento su sensori di torbidità a monte o su restrizioni operative statiche, senza una visibilità diretta e in tempo reale dei danni fisici effettivi che si verificavano all’interno della turbina.

Combinando la tecnologia di rilevamento ad alta precisione delle emissioni acustiche (AE) trasmesse attraverso la struttura di SDT con l’architettura edge-and-cloud Hydrox IoT di Global Hydro, Global Hydro ha dimostrato con successo una soluzione di monitoraggio unificata e in tempo reale. Implementata su tre turbine Francis presso la centrale da 15 MW di Tumpen-Habichen in Austria, questa innovazione congiunta ha isolato l’energia d’impatto dei sedimenti, identificato le soglie di inizio della cavitazione, e ha rivelato che la cavitazione attiva costringeva la turbina T3 a funzionare con un’apertura delle pale di guida superiore del 6% rispetto a quella necessaria per raggiungere la stessa potenza in uscita – una temporanea perdita di efficienza idraulica legata alla cavitazione stessa, distinta dall’usura da erosione dei sedimenti in corso nell’impianto e precedentemente mascherata da essa.

Grazie a queste informazioni in tempo reale, gli operatori sono passati da una manutenzione reattiva a una protezione predittiva degli impianti, riducendo dinamicamente la potenza per eliminare la cavitazione attiva pur mantenendo

La sfida: una doppia minaccia per gli impianti idroelettrici
Le centrali idroelettriche che operano in bacini idrografici alpini e alimentati da ghiacciai devono affrontare gravi sollecitazioni operative causate dall’acqua carica di sedimenti. Il quarzo duro e la sabbia fine aggirano i sistemi di desabbiamento a monte, causando usura idroabrasiva su giranti, pale di guida e tubi di aspirazione.

A aggravare questo problema è la cavitazione, ovvero l’implosione di bolle di vapore che provoca microgetti e corrosione superficiale. Le particelle di sedimento abbassano la soglia di pressione per la cavitazione, mentre le superfici irruvidite dalla cavitazione accelerano l’erosione abrasiva.

Gli operatori del sito dimostrativo hanno dovuto affrontare tre ostacoli principali:

Indicatori inaffidabili
I sensori di torbidità a monte misurano la diffusione della luce nell’acqua, non il vero impatto cinetico o il potenziale dannoso dei sedimenti grossolani che raggiungono la turbina.
Perdite di efficienza nascoste
Senza un monitoraggio interno in tempo reale, gli operatori attribuivano l’usura di tutti i componenti esclusivamente ai sedimenti, ignari del fatto che fosse presente anche una cavitazione attiva, che da un lato erodeva silenziosamente le superfici idrauliche nel tempo e, dall’altro, comprometteva l’efficienza idraulica ogni volta che la turbina funzionava in un intervallo operativo soggetto a cavitazione.
Funzionamento prudente contro funzionamento rischioso
La prevenzione tradizionale della cavitazione si basa su limiti operativi statici, definiti per lo scenario peggiore, che o sacrificano la produzione di energia con acqua pulita oppure falliscono in caso di variazioni impreviste della portata.
La soluzione: la tecnologia di rilevamento incontra l’IoT avanzato
Per superare questi limiti, Global Hydro ha integrato i sensori CONMONSense AE di SDT come base di rilevamento per SediSense, la sua soluzione di monitoraggio dei sedimenti basata sull’intelligenza artificiale, installata direttamente sulle superfici idrauliche esterne delle turbine (corpo a spirale, pale di guida e cono del tubo di aspirazione). Gli stessi sensori rilevano sia l’erosione da sedimenti che la cavitazione; a seconda delle esigenze del cliente, è possibile attivare SediSense (monitoraggio dei sedimenti) e CaviDect (monitoraggio della cavitazione).

Principali caratteristiche tecniche:

Rilevamento a ultrasuoni ad alta frequenza (20–100 kHz): i sensori piezoelettrici di SDT catturano l’energia ad alta frequenza generata dagli impatti delle particelle e dalle microimplosioni, filtrando il rumore di fondo a bassa frequenza (<20 kHz) proveniente dai macchinari.
Eterodina integrata nel sensore: l’eterodina interna di SDT converte i segnali ultrasonici nello spettro udibile. Ciò consente all’hardware standard dei PLC Beckhoff di campionare i dati in modo efficiente senza richiedere costosi sistemi di acquisizione a larghezza di banda ultraelevata.
Scomposizione statistica del segnale: un modello misto di tipo Expectation-Maximization (EM) separa il segnale in due indicatori distinti:
Componente di rumore di Rayleigh: misura il rumore di fondo continuo dovuto all’impatto delle particelle (Indicatore di erosione dei sedimenti).
Componente impulsiva di Weibull: rileva picchi transitori bruschi e ad alta energia (Indicatore di cavitazione).
Compensazione della linea di base tramite machine learning: un modello di machine learning con gradient boosting (addestrato sulla piattaforma cloud di Global Hydro) prevede il rumore idraulico operativo sulla base dei dati telemetrici (potenza, livello di carico, pressione, apertura delle paratoie). Sottraendo questa linea di base si isola l’attività sedimentaria pura in tempo reale.
Risultati e impatto operativo
La validazione sul campo su tre turbine Francis ha portato a importanti progressi operativi:

1. Individuazione della cavitazione nascosta e del relativo costo in termini di efficienza in tempo reale
Sulla turbina T3, il monitoraggio acustico ha rivelato bruschi impulsi quando l’apertura delle pale di guida superava l’85%. Quando funzionava in questo regime di cavitazione, la turbina richiedeva un’apertura delle pale di guida superiore del 6% per raggiungere esattamente la stessa potenza erogata rispetto alle condizioni senza cavitazione. Il sistema AE ha individuato con precisione sia la soglia esatta di insorgenza sia l’immediata perdita di efficienza idraulica causata dalla cavitazione attiva: un effetto operativo in tempo reale distinto da, e misurabile ben prima di, qualsiasi calo di efficienza a lungo termine che i sedimenti o l’erosione da cavitazione potrebbero eventualmente causare attraverso l’usura accumulata.

2. Riduzione predittiva della potenza e eliminazione del rischio
Grazie alla visibilità in tempo reale fornita dai sensori SDT, gli operatori hanno limitato dinamicamente l’apertura massima delle pale di guida della turbina T3, riducendo la potenza di picco da 3.200 kW a 3.000 kW. Nel corso di mesi di monitoraggio continuo post-intervento, le raffiche di impulsi di cavitazione sono scomparse e la componente di potenza impulsiva di Weibull si è azzerata, mentre il segnale di fondo di Rayleigh (sedimenti) è rimasto stabile, confermando che il declassamento ha eliminato l’attività di cavitazione senza influire sul segnale di sedimenti in corso. La produzione totale dell’impianto non ha subito variazioni, poiché le turbine adiacenti hanno compensato il carico. Il vantaggio è duplice: gli operatori hanno recuperato immediatamente l’efficienza idraulica persa a causa della cavitazione attiva, eliminando al contempo l’attività di cavitazione che altrimenti avrebbe contribuito all’erosione a lungo termine delle superfici idrauliche della turbina.

3. Visibilità reale dell’erosione localizzata
Durante gli eventi di lavaggio del bacino di raccolta, la potenza del rumore AE è scesa immediatamente man mano che i sedimenti venivano deviati dalla presa della turbina. Al contrario, i sensori convenzionali di torbidità in presa rimanevano artificialmente elevati. Il rilevamento strutturale di SDT ha dimostrato di misurare l’effettivo danno causato dalle particelle che raggiungono la girante, piuttosto che la qualità generale dell’acqua a monte. Questa è la funzionalità fondamentale offerta da SediSense: misurare l’impatto effettivo dei sedimenti sulla turbina, non un indicatore indiretto della qualità dell’acqua a monte.

Riepilogo dei vantaggi chiave
Sfida Approccio tradizionale Soluzione CONMONSense di Global Hydro × SDT
Monitoraggio dei sedimenti (SediSense) Sensori di torbidità a monte (indicatore basato sulla diffusione della luce). Quantificazione diretta dell’energia d’impatto sui componenti idraulici interni.
Rilevamento della cavitazione (CaviDect) Limiti operativi statici basati su ipotesi prudenziali. Identificazione in tempo reale delle soglie tramite analisi transitoria ad alta frequenza.
Efficienza dei dati Elevata larghezza di banda e costoso hardware di acquisizione specializzato. Eterodina integrata che consente l’acquisizione tramite hardware PLC standard.
Strategia di gestione degli impianti Manutenzione reattiva a seguito di usura significativa. Protezione predittiva degli impianti e controllo dinamico in risposta alle condizioni.
Nel loro insieme, questi risultati dimostrano che la tecnologia offre valore su due scale temporali: l’ottimizzazione immediata delle prestazioni, rilevando ed evitando condizioni operative di cavitazione che riducono l’efficienza idraulica e aumentano l’apertura delle pale di guida necessaria per una data potenza in uscita, e la protezione a lungo termine delle risorse, mitigando l’erosione da sedimenti e cavitazione che consuma gradualmente i componenti della turbina. Gli operatori non devono più attendere una riduzione misurabile dell’usura per vedere un ritorno sull’investimento, poiché i guadagni in termini di efficienza derivanti dall’evitare la cavitazione sono visibili fin dal primo giorno.

Questa applicazione, collaudata sul campo, evidenzia la forte sinergia tra CONMONSense di SDT, fornitore di sistemi di rilevamento di alta qualità, e Global Hydro, OEM innovativo e fornitore di soluzioni digitali. Insieme, offrono agli operatori del settore idroelettrico uno strumento scalabile per prolungare la vita utile delle turbine, ottimizzare l’efficienza e salvaguardare le infrastrutture critiche per l’energia verde in tutto il mondo.