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Cómo maximizar la vida útil y la eficiencia de las turbinas: cómo Global Hydro y CONMONSense de SDT han hecho posible la monitorización acústica en tiempo real para la energía hidroeléctrica

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La erosión por sedimentos y la cavitación son dos de las fuerzas más destructivas a las que se enfrentan las centrales hidroeléctricas de todo el mundo.

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Sector: Energía hidroeléctrica y energías renovables
Aplicación: Turbinas hidráulicas (Francis y Pelton)
Ubicación: Central hidroeléctrica de Tumpen-Habichen, Tirol, Austria
Solución: Sensores CONMONSense AE de SDT Ultrasound, que impulsan las soluciones de software SediSense (sedimentos) y CaviDect (cavitación) de Global Hydro dentro de la plataforma Hydrox IoT

Resumen ejecutivo
La erosión por sedimentos y la cavitación son dos de las fuerzas más destructivas a las que se enfrentan las centrales hidroeléctricas de todo el mundo. Hasta hace poco, los operadores de las centrales dependían de sensores de turbidez situados aguas arriba o de restricciones operativas estáticas, sin disponer de una visibilidad directa y en tiempo real de los daños físicos reales que se producían en el interior de la turbina.

Al combinar la tecnología de detección de emisión acústica (AE) transmitida por la estructura de alta precisión de SDT con la arquitectura Hydrox IoT de Global Hydro, que integra el borde y la nube, Global Hydro ha demostrado con éxito una solución de monitorización unificada y en tiempo real. Implementada en tres turbinas Francis de la central de Tumpen-Habichen, de 15 MW, en Austria, esta innovación conjunta aisló la energía de impacto de los sedimentos, identificó los umbrales de inicio de la cavitación, y reveló que la cavitación activa obligaba a la turbina T3 a funcionar con una apertura de los álabes guía un 6 % mayor de la necesaria para alcanzar la misma potencia de salida —una pérdida temporal de eficiencia hidráulica vinculada a la propia cavitación, independiente del desgaste continuo por erosión de sedimentos de la central y que anteriormente había quedado enmascarada por este—.

Gracias a esta información en tiempo real, los operadores pasaron de un mantenimiento reactivo a una protección predictiva de los activos, reduciendo la potencia de forma dinámica para eliminar la cavitación activa sin dejar de mantener

El reto: una doble amenaza para los activos de las turbinas
Las centrales hidroeléctricas que operan en cuencas alpinas y alimentadas por glaciares se enfrentan a un grave estrés operativo debido al agua cargada de sedimentos. El cuarzo duro y la arena fina eluden los sistemas de desarenado situados aguas arriba, provocando un desgaste hidroabrasivo en los rotores, los álabes guía y los tubos de succión.

A este problema se suma la cavitación, la implosión de burbujas de vapor que provoca microchorros y picaduras superficiales. Las partículas de sedimento reducen el umbral de presión para la cavitación, mientras que las superficies rugosas por la cavitación aceleran la erosión abrasiva.

Los operadores de la planta de demostración se enfrentaban a tres obstáculos principales:

Indicadores poco fiables
Los sensores de turbidez situados aguas arriba miden la dispersión de la luz en el agua, no el verdadero impacto cinético ni el potencial dañino de los sedimentos gruesos que llegan a la turbina.
Pérdidas de eficiencia ocultas
Sin una monitorización interna en tiempo real, los operadores atribuían todo el desgaste de los componentes exclusivamente a los sedimentos, sin saber que también se producía cavitación activa, que erosionaba silenciosamente las superficies hidráulicas con el paso del tiempo y, en ese mismo momento, reducía la eficiencia hidráulica cada vez que la turbina funcionaba en un rango operativo con cavitación.
Funcionamiento conservador frente a arriesgado
La prevención tradicional de la cavitación se basa en límites operativos estáticos, basados en el peor de los casos, que o bien sacrifican la producción de energía con agua limpia o bien fallan ante cambios inesperados en el caudal.
La solución: la tecnología de detección se une al IoT avanzado
Para superar estas limitaciones, Global Hydro integró los sensores CONMONSense AE de SDT como base de detección para SediSense, su solución de monitorización de sedimentos impulsada por IA, desplegada directamente sobre las superficies hidráulicas exteriores de las turbinas (carcasa en espiral, álabes guía y cono del tubo de succión). Estos mismos sensores detectan tanto la erosión por sedimentos como la cavitación; en función de los requisitos del cliente, se pueden activar SediSense (monitorización de sedimentos) y CaviDect (monitorización de cavitación).

Capacidades técnicas clave:

Detección ultrasónica de alta frecuencia (20-100 kHz): los sensores piezoeléctricos de SDT captan la energía de alta frecuencia generada por los impactos de partículas y las microimplosiones, filtrando el ruido de fondo de baja frecuencia (<20 kHz) de la maquinaria.
Heterodinización en el propio sensor: la heterodinización interna de SDT convierte las señales ultrasónicas al espectro audible. Esto permite que el hardware estándar de los PLC de Beckhoff muestree los datos de forma eficiente sin necesidad de costosos sistemas de adquisición con un ancho de banda ultraalto.
Descomposición estadística de la señal: un modelo de mezcla de Expectación-Maximización (EM) separa la señal en dos indicadores distintos:
Componente de ruido de Rayleigh: mide el ruido de fondo continuo provocado por el impacto de partículas (indicador de erosión de sedimentos).
Componente impulsivo de Weibull: capta picos transitorios bruscos y de alta energía (indicador de cavitación).
Compensación de la línea de base mediante aprendizaje automático: un modelo de aprendizaje automático de refuerzo de gradientes (entrenado en la plataforma en la nube de Global Hydro) predice el ruido hidráulico operativo basándose en la telemetría (potencia, altura de caída, presión, apertura de la compuerta). Al restar esta línea de base, se aísla la actividad pura de los sedimentos en tiempo real.
Resultados e impacto operativo
La validación sobre el terreno en tres turbinas Francis proporcionó avances operativos convincentes:

1. Detección de la cavitación oculta y su coste en términos de eficiencia en tiempo real
En la turbina T3, la monitorización acústica reveló repentinas ráfagas de impulsos cuando la apertura de los álabes guía superaba el 85 %. Al funcionar dentro de este régimen de cavitación, la turbina requería un 6 % más de apertura de los álabes guía para alcanzar exactamente la misma potencia de salida en comparación con condiciones sin cavitación. El sistema AE identificó con precisión tanto el umbral exacto de inicio como la pérdida inmediata de eficiencia hidráulica derivada de la cavitación activa: un efecto operativo en tiempo real distinto de —y medible mucho antes de— cualquier disminución de la eficiencia a largo plazo que los sedimentos o la erosión por cavitación pudieran causar eventualmente a través del desgaste acumulado.

2. Reducción predictiva de la potencia y eliminación de riesgos
Gracias a la visibilidad en tiempo real proporcionada por los sensores SDT, los operadores limitaron dinámicamente la apertura máxima de los álabes guía de la turbina T3, reduciendo la potencia máxima de 3.200 kW a 3.000 kW. Tras meses de monitorización continua tras la intervención, las ráfagas de impulsos de cavitación desaparecieron y el componente de potencia impulsiva de Weibull se redujo drásticamente, mientras que la señal de fondo de Rayleigh (sedimentos) se mantuvo estable, lo que confirmó que la reducción de potencia eliminó la actividad de cavitación sin afectar a la señal de sedimentos existente. La producción total de la central no se vio afectada, ya que las turbinas vecinas compensaron la carga. El beneficio es doble: los operadores recuperaron de inmediato la eficiencia hidráulica perdida debido a la cavitación activa, al tiempo que eliminaron la actividad de cavitación que, de otro modo, habría contribuido a la erosión a largo plazo de las superficies hidráulicas de la turbina.

3. Visibilidad real de la erosión localizada
Durante los eventos de purga del embalse de cabecera, la potencia del ruido de AE descendió de inmediato al desviarse los sedimentos de la toma de la turbina. Por el contrario, los sensores convencionales de turbidez de la toma se mantuvieron artificialmente elevados. La tecnología de detección por vibraciones estructurales de SDT demostró que mide el daño real causado por las partículas que llegan al rodete, en lugar de la calidad general del agua aguas arriba. Esta es la capacidad fundamental que ofrece SediSense: medir el impacto real de los sedimentos en la turbina, y no un indicador de la calidad del agua aguas arriba.

Resumen de las ventajas clave
Reto Enfoque tradicional Solución CONMONSense de Global Hydro × SDT
Monitorización de sedimentos (SediSense) Sensores de turbidez aguas arriba (indicador basado en la dispersión de la luz). Cuantificación directa de la energía de impacto sobre los componentes hidráulicos internos.
Detección de cavitación (CaviDect) Límites de funcionamiento estáticos basados en hipótesis conservadoras. Identificación de umbrales en tiempo real mediante análisis transitorio de alta frecuencia.
Eficiencia de los datos Ancho de banda elevado y costoso hardware de adquisición especializado. Heterodinización integrada que permite la adquisición mediante hardware PLC estándar.
Estrategia de activos Mantenimiento reactivo tras producirse un desgaste importante. Protección predictiva de los activos y control dinámico en función del estado.
En conjunto, estos resultados demuestran que la tecnología aporta valor en dos escalas temporales: optimización inmediata del rendimiento, al detectar y evitar condiciones de funcionamiento con cavitación que reducen la eficiencia hidráulica y aumentan la apertura de los álabes guía necesaria para una potencia de salida determinada, y protección de los activos a largo plazo, al mitigar la erosión por sedimentos y cavitación que desgasta gradualmente los componentes de la turbina. Los operadores ya no tienen que esperar a que se produzca una reducción cuantificable del desgaste para obtener un retorno de la inversión, ya que las mejoras en la eficiencia derivadas de evitar la cavitación son visibles desde el primer día.

Esta aplicación, probada sobre el terreno, pone de relieve la fuerte sinergia entre CONMONSense de SDT, como proveedor líder de sensores, y Global Hydro, como fabricante de equipos originales (OEM) innovador y proveedor de soluciones digitales. Juntos, ofrecen a los operadores hidroeléctricos una herramienta escalable para prolongar la vida útil de las turbinas, optimizar la eficiencia y proteger las infraestructuras críticas de energía verde en todo el mundo.