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35 años de investigación, innovando con energía 1 Instituto de Investigaciones Eléctricas Modelado y Simulación por Computadora de Sistemas y Procesos en el Sector Eléctrico M. en I. Julián A. Adame Miranda Director Ejecutivo

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35 años de investigación, innovando con energía 1

Instituto de Investigaciones Eléctricas

Modelado y Simulación por

Computadora de Sistemas y Procesos en el Sector Eléctrico

M. en I. Julián A. Adame Miranda Director Ejecutivo

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Introducción (Misión, visión, campi, organigrama)

Importancia del modelado numérico.

Aplicaciones del modelado numérico:

Diseño y rediseño de equipos y componentes.

Análisis estructural e integridad mecánica.

Simulación de equipos, sistemas y procesos.

Análisis y diagnóstico de fallas.

Beneficios del Modelado Numérico en el Sector

Eléctrico.

Contenido

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Promover y apoyar la innovación mediante la investigación aplicada y el desarrollo tecnológico con alto valor agregado para aumentar la competitividad de la industria eléctrica y otras industrias con necesidades afines.

Misión

Ser el instituto de referencia en innovación en el ámbito nacional, conformado por científicos y tecnólogos de reconocido prestigio, cuyos resultados impulsen el desarrollo sustentable del país.

Visión

Misión y Visión

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Cam

pus C

uern

avac

a • Ubicado en Calle Reforma 113, colonia Palmira Cuernavaca Morelos.

• Más de 29,000 m2 construidos con más de 50 laboratorios.

• 6.5 hectáreas

Cam

pus M

onte

rrey

• Parque de Investigación e Innovación Tecnológica (PIIT), de Monterrey, Nuevo León.

• 8,716 m2 de construcción.

• 1.6 hectáreas de terreno.

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Tecn

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ólic

a)

• Ubicado en Juchitán de Zaragoza, La Ventosa, Edo. de Oaxaca.

• 32 hectáreas

Leibnitz núm. 11, piso 5, Col. Anzures Delegación Miguel Hidalgo, México, D.F. C.P. 11590

Oficinas en México Oficinas en Veracruz Av. Ruiz Cortines núm. 1513 Edif. Cañedo Fraccionamiento Costa de Oro Boca del Río, Veracruz C.P 94299

Campi

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Organigrama

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El modelado numérico implica la aplicación de modelos matemáticos y computacionales que representan el comportamiento del modelo físico y nos permite el análisis y solución de problemas estructurales, fluido-dinámicos, térmicos, electromagnetismo, especialmente cuando la geometría del componente o sistema es compleja y no puede ser analizada con métodos analíticos.

En el Instituto de Investigaciones Eléctricas se han desarrollados modelos numéricos con la finalidad de:

Diseño y rediseño de equipos y componentes.

Análisis estructural e integridad mecánica.

Simulación de equipos, sistemas y procesos.

Análisis y diagnóstico de fallas.

Importancia del Modelado Numérico

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Aplicación del Modelado Numérico al

Diseño y Rediseño de Equipos y Componentes

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Objetivo: Modelado de fenómenos electromagnéticos para la optimización del diseño.

Resultados: Modelo numéricos que permiten:

• Determinación de pérdidas.

• Análisis del comportamiento de los aislamientos ante impulso.

• Análisis del comportamiento térmico.

• Análisis de esfuerzos magnéticos y mecánicos.

Análisis ante eventos transitorios,

Comportamiento dieléctrico y térmico.

Distribución de Tensión en los Devanados

0

25

50

74.999

100

0 10 20 30 40 50

Dev_inferior (1)Tensión %V

Dev_(2)Tensión %V

Dev_(3)Tensión %V

Dev. Superior (4)Tensión %V

Cálculo de esfuerzos electromagnéticos y mecánicos en transformadores.

Análisis del comportamiento de generadores a varias velocidades (Generador Eólico)

Optimización del Diseño de Equipo Eléctrico de Potencia

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Problemática: Altos niveles de emisiones contaminantes generadas al quemar combustibles derivados del petróleo.

Resultados: • Rediseño de los estabilizadores de flama y

atomizadores de combustible mediante CFD. • Cumplimiento de la norma ambiental. • Reducción de partículas no quemadas. • Menores emisiones de CO. • Mayor eficiencia térmica. • Menores excesos de oxígeno. • Menor ensuciamiento. • Incremento de la disponibilidad del equipo.

Rediseño de Quemadores de Generadores de Vapor

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Problemática: Erosión en válvulas de paro, toberas, sellos de laberinto, tetones de álabes y discos del rotor.

Resultados: Con base en análisis CFD se hicieron modificaciones al diseño original de los componentes para reducir de manera sustancial la erosión y con esto disminuir las pérdidas de energía. Mayor vida útil de los componentes. • Extensión de periodos entre los

mantenimientos • Reducción de costos de operación y

mantenimiento de las turbinas

14

12 6 12 6 12 66

95

4 7 7 4 7 7 4 7 7 4 7

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DIAPHRAGM

UNIT: mm

FLOW14 72 3

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36.5 18

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12 6 12 6 12 6

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95 35

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R2

R6

40°

R19

R10R55 R6R4

R20

3536°

R2

4 7 7 4 7 7 4 7 7 4 7

0.64

FLOW

Rediseño de Componentes de Turbinas de Vapor

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Problemática: Baja eficiencia de los rodetes.

Resultados:

• Incremento de eficiencia y potencia de la turbina mediante optimización de los álabes del rodete basado en análisis CFD.

• Incremento de un /.1% en la eficiencia media pesada (hasta 95%). Incremento 14.6 MW de la capacidad para la condición al 100% de carga.

• Planos de fabricación generados a partir del análisis de la integridad estructural del rodete mediante el análisis de la interacción fluido-estructura, utilizando el método de elemento finito.

Optimización de Rodetes de Turbinas Hidráulicas

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Objetivo: Desarrollo de un prototipo de aerogenerador de 1.2 MWe, clase IEC-IA, orientado a una producción industrial.

Resultados: Diseño aerodinámico, mecánico, eléctrico, y del sistema de supervisión y control de un aerogenerador clase IEC-IA para vientos intensos, de 1.2 MWe de potencia nominal, tres aspas, 60 m de diámetro de rotor y torre tubular de acero de 60 m de altura. Con velocidad de inicio de 4 m/s y velocidad de salida de 25 m/s

Curva de potencia a nivel del mar

Máquina Eólica Mexicana (MEM)

Cubo porta aspas de aerogenerador

Maqueta virtual de aerogenerador

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Aplicación del Modelado Numérico al

Análisis Estructural e Integridad Mecánica

de Equipos y Componentes

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Problemática: Altas temperaturas en losa de concreto reforzado.

Resultados: Modelado y análisis de transferencia de calor de una losa de concreto reforzado de un edificio de casa de máquinas. Se empelaron elementos finitos de tipo sólido que consideran el acero de refuerzo de la losa. Los esfuerzos máximos resultaron menores que los permitidos por las especificaciones del ACI, justificando que los materiales no sufrieron degradación y que no afectaba la operación de la planta.

Detalle inferior

Detalle superior de la losa

Distribución de los esfuerzos por temperatura, superficies superior e inferior, en la dirección Z

Análisis Estructural de Estructuras de Concreto

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Objetivo:

Beneficios: Se estima el consumo de vida útil debido a la magnitud de los esfuerzos térmicos que se producen por los cambios en los parámetros de operación (temperatura y presión) de una turbina de vapor. Se consideran diferentes regímenes de operación: arranques, paros y cambios de carga.

Cuantificar el consumo de vida útil debido a transitorios térmicos (cambios de potencia) durante la operación de turbinas.

Sistema de Monitoreo en Tiempo Real de Esfuerzos Térmicos en Rotores de Turbinas

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Problemática: Resultados: Evaluación de su vida útil remanente mediante análisis transitorio de temperaturas y esfuerzos, de fatiga mecánica y de mecánica de la fractura. La evaluación es complementada con resultados de inspección borosónica.

Evaluar la integridad mecánica de rotores de turbogeneradores, considerando el historial de operación y los resultados de pruebas no destructivas.

Evaluación de Vida Útil de Rotores de Turbogeneradores

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Problemática:

Evaluar el impacto en consumo de vida útil por cambios en el modo de operación (operación base a operación cíclica).

Resultados:

Se evaluó el gradiente de temperatura crítico, se determinaron los esfuerzos térmicos y el consumo de vida útil. Se consideraron modos de operación estacionario y transitorios.

Evaluación del Comportamiento Térmico-Estructural de Domos y Cabezales de Generadores de Vapor

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Problemática:

Resultados: La repotenciación de unidades de generación trae consigo un incremento de los parámetros de operación (flujo, temperatura y presión). Se estructuró una metodología de análisis, se desarrollaron las herramientas para avaluar la magnitud de los esfuerzos dinámicos debidos a vibraciones inducidas por flujo. La evaluación se realizó cumpliendo con requerimientos internacionales.

Verificar la integridad mecánica del secador considerando los parámetros de operación después de la repotenciación.

Análisis de Integridad Mecánica de Secadores de Vapor de Reactores BWR

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Aplicación del Modelado Numérico a

Simulación de Equipos, Sistemas y Procesos

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Problemática: Evaluar el recurso energético de campos geotérmicos.

Resultados:

Evaluación del recurso energético del campo geotérmico bajo diferentes condiciones de explotación mediante la simulación numérica de flujo multi-fásico y transporte de calor.

Herramientas computacionales para apoyar la toma de decisiones relacionadas con la óptima explotación, administración y expansión de los campos geotérmicos.

Simulación de Yacimientos Geotérmicos

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Problemática: Implementación de modelos hidráulicos de redes de ductos y simulación de escenarios de transporte de vapor.

Resultados: Modelado y simulación numérica para evaluar el comportamiento y optimizar el flujo de vapor en la red. Estudio de alternativas de transporte relacionadas con diferentes escenarios operativos. Aporte de elementos de decisión para mejorar la operación de la red, o para su diseño y/o modificación.

Simulación de Flujo de Vapor en la Red de Ductos de Campos Geotérmicos

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Problemática: Modelar y simular un generador eólico tipo DFIG de 850 kW para identificar y validar los lazos del sistema de control regulatorio.

Resultados: Incluye los modelos de la turbina eólica tripala de eje horizontal, el generador eléctrico de inducción doble alimentado, el convertidor electrónico trifásico CA/CD/CA y el enlace al sistema eléctrico de potencia.

Simulación para evaluar los lazos de control de velocidad y potencia del generador eólico mediante la comparación de los resultados con datos medidos.

Modelado y Simulación del Sistema de Control de Turbogeneradores Eólicos

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Problemática: Alto índice de fallas por rotura de tubos en calderas.

Resultados:

Se desarrolló un simulador que permite analizar a detalle los fenómenos internos en calderas, mejorando la disponibilidad y analizando causas raíz de fallas.

Simulación de Generadores de Vapor

El simulador contribuye a la mejora de los índices de productividad de las instalaciones mediante el análisis para identificar y prevenir condiciones de operación que afectan a las calderas. Con ello se incrementa su vida útil, disponibilidad y eficiencia, aportando energía en condiciones de calidad al Sistema Eléctrico Nacional.

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Problemática: Baja confiabilidad del recuperador de calor.

Resultados: Modelo numérico basado en el análisis de dinámica de fluidos computacional (CFD) que permite:

• Localizar las zonas de mayor temperatura en los componentes del recuperador de calor debidas a operación normal, transitorios o maniobras del operador.

• Evaluar diferentes esquemas de operación y su efecto en la emisión de contaminantes.

• Predecir y corregir flujo y temperatura de gases no uniforme, excesivas caídas de presión o baja producción de vapor.

Simulación del Comportamiento de Recuperadores de Calor

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Problemática: Contar con un modelo integral de un turbogenerador de combustión para evaluar sistemas de control en tiempo real en laboratorio.

Resultados: Modela con el mismo grado de complejidad la turbina a gas y el generador síncrono trifásico. Ejecuta experimentos de simulación en tiempo libre en PC y en tiempo real en prototipo PXI. Permite diseñar y evaluar sistemas de control potencia activa-frecuencia y potencia reactiva-voltaje.

Modelado y Simulación de Turbogeneradores de Combustión

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Aplicación del Modelado Numérico al

Análisis y Diagnóstico de Fallas

de Equipos y Sistemas

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Problemática: Cavitación e inestabilidades en bombas de uso industrial y aeronáutico.

Resultados: Aplicación de CFD para simular en 3D las inestabilidades detectadas de forma experimental. Se estudió el fenómeno de cavitación, identificando los parámetros que favorecen su aparición (geometría y rugosidad). Se estudió el uso de diferentes tipos de inductores para disminuir la cavitación en bombas de uso industrial y aeronáutico.

Cavitación e Inestabilidad en Bombas Hidráulicas

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Problemática: Fallas en álabes de turbinas de gas por fatiga térmica.

Resultados: Caracterización de álabes de turbinas de gas con recubrimiento cerámico y aire de enfriamiento analizando comportamiento en estado estable (100% de carga), y durante un arranque normal de la turbina, utilizando CFD.

Estudio del mecanismo de transferencia de calor en álabes enfriados por aire para evaluar el tiempo crítico de propagación de fisuras causadas por fatiga térmica.

Se diseñó una nueva curva de arranque que permite prolongar la vida de los álabes en un 100% por concepto de fatiga térmica de baja frecuencia.

1

GAS TURBINE BLADE COATED 2%,THERMOMECHANICAL STRESS

537576.444

615.889655.333

694.778734.222

773.667813.111

852.556892

FEB 20 200823:59:34

ELEMENTS

TEMPERATURESTMIN=537TMAX=892

Análisis de Fallas en Álabes de Turbinas de Gas

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Problemática: Identificar la causa raíz de la fuga de vapor a través de la brida de unión de los segmentos superior e inferior de la carcasa.

Resultados: Se identificó que el apriete/ estiramiento de algunos pernos de la brida de unión es insuficiente para mantener en contacto la superficies de ambas bridas.

Evaluación del Comportamiento Térmico-Estructural de la Carcasa de una Turbina

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La aplicación de herramientas de ingeniería asistida por computadora (CAE) como Ansys, Matlab, Fluent, Comsol y otros, traen como beneficios:

Facilitar la evaluación de las alternativas de diseño mecánico sin tener que construir prototipos para evaluar su desempeño.

La identificación de causa raíz de fallas.

Evaluar la integridad mecánica de componentes críticos.

Mejorar el desempeño energético/mecánico mediante el rediseño mecánico de componentes.

Definir límites de cargas.

Optimizar planes de mantenimiento.

Reducir costos de fabricación.

Beneficios del Modelado Numérico en el Sector Eléctrico

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¡Gracias por su atención!

M.I. Julián A. Adame Miranda

Instituto de Investigaciones Eléctricas Calle Reforma 113 Col. Palmira

62490 Cuernavaca, Morelos, México Teléfonos: (777) 3182424, (55) 52548437

Correo electrónico: [email protected], www.iie.org.mx