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Auto-oscillazioneG.Pasqualotto – Andritz Hydro Italy – BOLZANO 12.05.2017

Andritz Hydro Proprietary and Confidential

Andritz Hydro Proprietary and Confidential2

Auto-oscillationAuto-oscillation



Cos‘è l‘auto-oscillazione?

Literature published by Andritz:CEATI REPORT No. T092700-0364Hydraulic Phenomena that occur in operating HydraulicTurbines

Springer, ISBN 978-1-4471-4251-5Flow-induced Pulsation and Vibration inHydroelectric Machinery

Other Publications:Ffestiniog (storage pump discharge valve)KandergrundJaeger, C., Resonance in hydropower systems. Water Power &

Dam Construction, Jan. 1982Bersimis IIWylie, E. B., and Streeter, V. L., Resonance in Bersimis No. 2

Piping System. Trans. ASME, Journal of Basic Engineering, Dec. 1965, p. 925 – 931

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Principio fondamentaleLe pulsazioni di pressione che si verificano nelle condotte possono raggiungere valori critici se causate da fenomeni con effetti di smorzamento bassi o nulli.

Nel funzionamento normale, il manifestarsi di oscillazioni di pressione estreme è solitamente ostacolato dagli effetti dissipativi. Il sistema smorzante più efficace è la turbina stessa la cui caratteristica di portata agisce come uno smorzatore nella condotta idraulicaIn aggiunta, gli effetti dissipativi «attriti» nella colonna di fluido in movimento tendono a ridurre l’ampiezza di oscillazione in caso di fenomeni di risonanza Al contrario, l’effetto smorzante associato ad oscillazioni che si manifestano all’interno di una colonna d’acqua confinata (ad esempio l’acqua che si trova tra la presa di monte e una valvola a sfera) in condizioni di piccola portata o portata nulla, è molto basso. Data una sorta di eccitazione periodica, è possibile che si manifestino delle pulsazioni di pressione molto elevate. Mentre oscillazioni forzate non sono probabili in questa condizione, la possibilità dell’insorgere di oscillazioni dovute ad auto eccitazione è reale in certe condizioni.

Il principale “ sospettato ” è la valvola di chiusura a valle della condotta forzata.Alcuni tipi di valvole, per esempio le valvole rotative, sono predisposte con tenute mobili che vengono accostate dopo la chiusura del rotore. La chiusura delle tenuta avviene attraverso l’utilizzo di acqua pressurizzata:

Se la tenuta rimane sempre accostata, non dovrebbero insorgere problemi.Se l’effetto tenuta non è perfetto, per esempio dovuto ad un trafilamento di una tenuta posta sull’otturatore o se il filtro utilizzato nel circuito di comando è intasato o parzialmente intasato si genera una perdita di pressione in camera chiudi cherende la posizione dell’anello otturatore instabile.Questa instabilità, potrebbe generare onde di pressione (positive e negative) che viaggiando attraverso la condotta vengono riflesse a livello del pozzo piezometrico o dell’opera di presa, innescando il fenomeno dell’auto eccitazione.Considerando che gli effetti dissipativi sono molto bassi, dei fenomeni di risonanza sono probabili.

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Auto-oscillazioneAuto-oscillazione della condotta – l’effetto ‘leaking seal’


Auto-oscillazioneAuto-oscillazione della condotta – l’effetto ‘leaking seal’

Contromisure

Considerando il fatto che si possono raggiungre valori di pressione in condotta elevati (risk of self destruction), questo fenomeno deve essere preso in seria considerazione.

L’utilizzo di valvole con un provato design, assieme ad un piano di manutenzione accurato è essenziale per evitare l’innescarsi del fenomeno di auto-oscillazione

Nel caso in cui si manifesti il fenomeno di auto oscillazione, esistono possibili rimedi operativi che si sono già dimostrati efficaci:

Avviare l’unità o aprire la valvola o il bypass crea un effetto smorzante che aiuta a mitigare / fermare le oscillazioni


Cosa può andare male? Quali sono gliscenari peggiori?

A seguito del colpo d’ariete – Possiblità di allagamento

Perchè? Quali sono gli stress?Carichi meccanici, vibrazioni a bassa frequenza, pressioni elevate

È già successo?Si: Hyatt, Waldeck 2, other Power Plants

Risk Estimation

Minor Moderate Serious CatastrophicSeverity

Prob

abili

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Occ

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Auto-oscillazioneValutazione dei rischi: MIV – Valvole rotative


Quale può essere la causa?Una perdita nell‘O-Ring della tenuta di servizio combinata a dei filtri ostruiti ha causato il fenomeno

Il fenomeno è stato interrotto:Aprendo diverse valvole di bypass in unità adiacenti / vuotando la condotta

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Auto-oscillazioneAuto-oscillazione


Quale può essere la causa?Una perdita nell‘O-Ring della tenuta di servizio ha causato il fenomeno

Il fenomeno è stato interrotto:Attivando la tenuta di manutenzione

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È’ avvenuto un caso recente in Italia a fine Gennaio 2017:Nr. 2 Francis Verticali su singola condotta forzata, biforcato e valvole di macchina con otturatore.

Auto-oscillazioneValutazione dei rischi: MIV – Valvole rotative

…fortunatamente risolto dissipando portata …

Blocco di entrambi i

gruppi

Inizio del fenomeno

1:100:00 1:40 2:30

Fine del fenomeno

Max picco pressione

~26 bar

~36 bar


Due ore dalla prima all’ultima foto!

Auto-oscillazioneQuali sono gli scenari peggiori?


Auto-oscillazioneQuali sono gli scenari peggiori?


Auto-oscillazioneDiagnosi

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Upstream pressure

Downstream pressureMoveable ringSealing-ring

Closing chamber

Opening chamber

Rotor Body

Perdita nella tenuta di servizioPresenza di materiale nelle camere

di controlloSbilanciamento tra il servomotore di

destra e di sinistra che causa unadeflessione inaspettata del rotore(e.g. deformed sealing)

Water supply


Danni nella zona di tenuta tra rotore e anellomobile (erosione, corpi estranei)Water jets / perdite/trafilamenti a causa dei

danni all’anello di tenuta

Auto-oscillazioneAnalisi


A causa dei cicli di chiusura e apertura consumo delle tenutein elastomero materiale nellecamere di controllo

Raccomandazioni: Pulire / Eseguire il flushing delle camere di comando devono essere previstidei controlli regolari

Auto-oscillazioneAnalisi


Intervenendo sul designSeparazione della sorgente di pressione prevista per

il sistema di comando delle tenutePosizione della condotta e dei pozzi piezometriciDeflessione del rotore in combinazione alla corsa delle tenuteTipo e dimensione di filtro previsto nel sistema di comandoDiverse linee di drenaggio per facilitare il rilevamento delle perditeGuanizioni in elastomero robuste per gli anelli mobili

MonitorandoMonitorando la pressione della camere di comando della tenuta di servizioMonitorando la pressione dell’acqua del circuito di alimentazioneMonitorando la pressione della condotta

Attraverso la manutenzioneCheck regolari del sistema di comandoPulizia / Flushing delle camere di comando

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Auto-oscillazionePossibili misure


Disturbare la risonanza aumentando il flusso e quindi dissipandoApertura del bypass (non applicabile per le Pelton)Aprendo la MIVAvviando una o più unità

Disturbare la risonanza attraverso la diminuzione del flussoChiusura della tenuta di revisione

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Auto-oscillationContromisure possibili

Auto-oscillazione : Dispositivo di rilevamento



Auto-oscillazioneAuto-oscillazione Algoritmo

Auto-oscillationPressure perturbations

Indicator for detection


Auto-oscillazioneAuto-oscillazione Algoritmo


Auto-oscillazioneAuto-oscillazione Topologia

Manually:Trigger alert

Fully automatic:automatic response i.e.: as open-by - pass

Safety PLC


Requisiti per un sistema di rilevamento

Sistema indipendenteSicuro SIL2 / Performance level dAlgoritmo robustoFacile da configurareUtilizzabile universalmente, sia per rifacimenti che per nuoveconfigurazioni

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Auto-oscillazioneAuto-oscillazione Rilevamento

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