Diseño de una minicentral de energía hidroeléctrica

Ingeniería. Electricidad. Turbinas. Generadores. Tratamiento residuos. Clasificación de centrales. Energías renovables. Saltos geodésicos

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UNIVERSIDAD ALAS PERUANAS

FILIAL – ABANCAY

facultad de ingeniería y arquitectura

carrera profesional de ingeniería ambiental

“Diseño de una mini central de energía hidroeléctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Abancay-Apurímac.”

INDICE:

INTRODUCCIÓN. 3

ANTECEDENTES E IMPORTANCIA 3

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA. 4

DETERMINACIÓN DE OBJETIVOS 4

Objetivos generales. 4

Objetivos específicos. 4

JUSTIFICACIÓN Y APLICACIÓN 4

CAPITULO I: GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA 5

1.1 Aspectos Generales. 5

1.2 Tipos De Centrales De Generación De Energía Eléctrica 5

1.3 Clasificación De Las Centrales De Energía Eléctrica 6

1.4 Energía Del Agua 6

1.5 Principio De Bernoulli 7

1.6 Mini Centrales Hidroeléctricas. 8

1.7 Clasificación De Las Mini Centrales Por La Potencia. 9

1.8 Clasificación De Las Mini Centrales Por La Presa 10

1.9 Elementos De Una Mini Central Hidroeléctrica 11

1.10 Obra Civil. 11

1.11 Equipos Auxiliares. 12

1.12 Turbinas. 13

1.13 Problemas Con Las Turbinas. 15

1.14 Generadores. 15

1.15 Elementos De Regulación. 16

1.16 Transformadores. 16

1.17 Celdas Y Cuadros Eléctricos. 19

1.18 Línea Eléctrica De Interconexión. 19

1.19 Sistema SCADA De Control Para Mini Centrales Hidroeléctricas. 19

CAPITULO II: DISEÑO Y APLICACIÓN DE MINICENTRALES. 20

2.1 Aspectos Generales. 20

2.2 Requerimientos Necesarios Para La Instalación De Una Mini Central. 20

2.3 Criterios Teóricos Para El Diseño De Una Mini Central. 20

2.4 Métodos Para Determinar Los Saltos Geodésicos 21

2.5 Calculo Del Caudal. 23

2.6 Calculo Hidráulico. 27

2.7 Dimensionamiento De Componentes. 29

2.8 Turbinas. 29

2.9 Calculo De Los Diferentes Tipos De Turbina. 30

2.10 Criterios Para La Elección Del Generador. 34

2.11 Criterios De Elección Del Transformador 35

2.12 Clases De Cortocircuitos Producidos En Las Redes Eléctricas 37

2.13 Calculo De Protecciones 39

2.14 Sistemas De Control De Las Redes Eléctricas; Elementos De Control Y Protección. 44

CAPITULO III: APLICACIÓN DEL CÁLCULO A LAS CONDICIONES FÍSICAS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 45

3.1 Diseño De La Mini Central Para La Planta De Tratamiento De Aguas Residuales 45

3.2 Reconocimiento 48

3.3 Diseño De La Mini Central A Instalar En La Planta De Tratamiento De Aguas Residuales. 49

3.4 Elección Del Tipo De Turbina A Instalar En La Panta de tratamiento de aguas residuales 51

3.5 Elección De La Turbina 51

3.6 Calculo Referencial De Las Características De La Turbina. 51

3.7 Esquema De Instalación De Las Mini Turbinas En La Ptar 53

3.8 Elección Del Generador 53

CAPITULO IV: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES. 57

4.1 Conclusiones. 57

4.2 Recomendaciones. 58

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS. 59

DISEÑO DE UNA MINICENTRAL DE ENERGÍA HIDROELÉCTRICA EN LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES EN LA CIUDAD DE ABANCAY”

INTRODUCCIÓN.

La energía eléctrica tiene una alta incidencia en las actividades diarias de los seres humanos debido a algunas ventajas tales como:

  • Facilidad de empleo.
  • Las reducidas emisiones que produce su consumo.
  • La facilidad de transporte a grandes distancias.
  • Se puede obtener a partir de varias fuentes de energía primaria.
  • Energía renovable dependiendo de la energía primaria que se utilice para generarla.

Es por estas ventajas la energía eléctrica se ha convertido en indispensable para el desarrollo de las actividades diarias de los seres humanos ya que sin energía eléctrica no tendríamos la posibilidad de desarrollar actividades como: trabajo, comunicación, transporte etc.

Como una consecuencia a la alta dependencia de la energía eléctrica para los seres humanos hay una constante búsqueda de nuevas fuentes de energía primaria para convertirla en energía eléctrica, en la actualidad la búsqueda de fuentes de energía primaria está tomando nuevas variables y condiciones fundamentales para considerar estas fuentes como viables, unos de los aspectos importantes es la sustentabilidad de las fuentes es decir el impacto ambiental y la durabilidad de la fuente de energía, tomando en consideración estos aspectos se ha determinado la posibilidad de hacer un pequeño diseño y construcción para la generación eléctrica en base a energías primarias renovables que se encuentran en la naturaleza.

ANTECEDENTES E IMPORTANCIA.

En la actualidad el uso de energía obtenida a base de la combustión de hidrocarburos está generando grandes problemas al medio ambiente debido a las emisiones de gases de efecto invernadero, y los efectos que esto genera en el clima, es por esto de la necesidad de buscar y reemplazar la energía basada en la combustión de hidrocarburos por energías renovables que sean amigables con el medioambiente una de las alternativas que tenemos es la energía eléctrica obtenida a partir de la energía cinética del agua comúnmente conocida como energía hidroeléctrica.

Además de buscar nuevas fuentes de energía también hay que optimizar el uso de los recursos disponibles, es por esto que al diseñar una mini central de energía eléctrica para la planta de tratamiento de aguas residuales se pretende optimizar la infraestructura de la planta ya que las condiciones físicas nos permiten generar energía eléctrica.

La mini central tendrá como objetivo generar parte de la energía utilizada para el funcionamiento de la planta así como del aprovechamiento de la infraestructura instalada en la planta.

Una de las ventajas que presenta la planta de tratamiento de aguas residuales es que gran parte de la infraestructura con la que cuenta la planta es la misma que se necesita para la implementación de una mini central lo cual reduciría los costos y aumenta la factibilidad del proyecto.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.

En época de estiaje en nuestro país se generan graves inconvenientes por la falta de energía eléctrica es cuando se recurre a la generación de energía, principalmente hidrocarburos como fuente de energía primaria, para evitar el uso de energía eléctrica a partir de los hidrocarburos se está planteando un sin número de proyectos para la implementación de mini centrales a lo largo de la geografía proyectos al realizar este proyecto de tesis pretendemos demostrar que si reutilizamos las instalaciones de tratamiento de agua es posible viabilizar los proyectos de mini centrales debido a la reducción de costos por la construcción.

DETERMINACIÓN DE OBJETIVOS

Objetivos generales.

  • Diseñar una mini central hidroeléctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales de la ciudad de Abancay.

Objetivos específicos.

  • Obtener los parámetros necesarios para la construcción de una mini central de energía hidroeléctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales, a partir de una simulación en escala.
  • Plantear el uso eficiente de la energía generada en la mini central de energía hidroeléctrica en la planta de tratamiento de aguas residuales.

JUSTIFICACIÓN Y APLICACIÓN

Las fuentes de energía no renovables y la mala utilización de la energía, está generando cambios climáticos y degenerando el medio ambiente, por eso es necesario buscar fuentes de energía renovables como la energía hidroeléctrica ya que es un recurso sumamente abundante en nuestro país.

Partiendo de que toda actividad que realizan los seres humanos tenemos, que la generación hidroeléctrica genera impactos en el medio ambiente ya conocidos, el uso del agua para las actividades diarias de los seres humanos también generan contaminación en el agua, para el tratamiento de esta agua se estaba construyen una planta de tratamiento en la ciudad de Abancay , la misma que es transportada por una red de interceptores y ductos hacia la planta ubicada en el sector de Illanlla o Pachacha Alta.

Este caudal de agua que se quiere aprovechar para generar energía hidroeléctrica yaque la mayor parte de la infraestructura que se tiene en la planta es la que se necesita para la instalación de mini centrales hidroeléctricas.

Las mini centrales como toda actividad generan un impacto el medio ambiente, pero en este caso la mini central será instalada en un ecosistema que ya está modificado y se aprovechara la energía que este puede producir.

CAPITULO I:

GENERACIÓN DE ENERGÍA ELÉCTRICA

1.1 Aspectos Generales.

En la naturaleza se encuentran diferentes tipos de energías primarias que se pueden convertir en energía eléctrica entre los tipos de energía que se encuentran en la naturaleza son: Energía térmica, mecánica, eléctrica, luminosa, etc.

Las fuentes de energía primaria se clasifican en dos tipos como son:

  • fuentes renovables
  • fuentes no renovables

1.1.1 Fuentes renovables.

Son todas aquellas fuentes de energía que se pueden regenerar después de su utilización ya sea de manera natural o por la acción de agentes externos implementados por los seres humanos entre las principales fuentes de energía renovable que encontramos en la naturaleza están las energías directamente relacionadas con el sol como son:

  • Energía eólica.
  • Energía cinética del agua.
  • Energía luminosa.
  • Energía termo solar.

Estas fuentes de energía están en constante regeneración en forma natural ya que se regeneran con los rayos del sol.

Otras de las fuentes de energía consideradas renovables es la energía que se puede obtener de la combustión de vegetación pero esta fuente de energía no es muy eficiente ya que el ciclo de regeneración es más alto y las emisiones de la combustión se vuelven altamente peligrosos ya que contribuyen con el efecto invernadero y por ende el cambio climático.

1.1.2 Fuentes no renovables.

Entre las fuentes de energía no renovables están principalmente la energía que se obtiene de la combustión de hidrocarburos, esta es la principal fuente de energía que se utiliza en la industria, en el transporte, esta es una fuente de energía que no es renovable ya que los hidrocarburos se agotan, no hay como generarlos con algún proceso conocido por el hombre.

1.2 Tipos De Centrales De Generación De Energía Eléctrica.

La energía eléctrica es obtenida de la transformación de energías primarias que se encuentran en la naturaleza, a lo largo de la historia la tecnología ha ido evolucionando para encontrar diversas formas de transformar las energías que se encuentran en la naturaleza en energía eléctrica, y con la evolución de la tecnología se han podido ir potenciando nuevas formas de obtener energía eléctrica.

1.3 Clasificación De Las Centrales De Energía Eléctrica.

La clasificación de las centrales de generación de energía eléctrica se puede hacer considerando varios aspectos como la capacidad de potencia generada, el tipo de energía primaria que utiliza para la generación entre otras clasificaciones.

1.3.1 Por la potencia generada.

Por la cantidad de potencia generada tenemos la siguiente clasificación según la Organización latinoamericana de energía.

POTENCIA EN (KW)

TIPO

0-50

MICRO CENTRAL

50-500

MINI CENTRAL

500-5000

PEQUEÑA CENTRAL

1.3.2 Por la energía primaria que utilizan.

Hay diversas maneras de obtener energía eléctrica a partir de las fuentes de energía que existe en el medioambiente a continuación describiremos brevemente las más importantes:

  • Centrales termoeléctricas.-Son las centrales que utilizan la energía térmica obtenida de la combustión de hidrocarburos principalmente para la generación de vapor que se introduce en una turbina que va conectada a un generador de energía eléctrica.
  • Centrales eólicas.- Estas centrales están diseñadas para aprovechar la energía del viento, mediante Hélices que transforman la energía cinética del viento en energía mecánica que en Combinación con un generador transforman la energía del viento en energía eléctrica.
  • Centrales fotoeléctricas.-Estas centrales transforman la energía lumínica del sol en energía eléctrica mediante el uso de paneles solares, estas centrales tienen la particularidad de no utilizar el Generador en el proceso de la obtención de la energía eléctrica.
  • Centrales nucleares.-Las centrales nucleares utilizan la energía térmica que genera la división o fusión de átomos, esta energía a su vez es transformada en vapor que luego se utiliza para mover una turbina para generar energía eléctrica.
  • Centrales termo solares.-El principio de funcionamiento de la central termo solar es obtener energía térmica de los rayos del sol para obtener vapor de agua y utilizarla en turbinas de la misma manera que una central térmica.
  • Centrales hidroeléctricas .Las centrales hidroeléctricas son aquellas que transforman la energía cinética delAgua en energía mecánica que se utiliza en un generador para obtener la energía eléctrica. Las centrales hidroeléctricas son las más utilizadas para la obtención de energía eléctrica debido a su alta eficiencia.

1.4 Energía Del Agua.

  • Energía potencial.-La energía potencial de un cuerpo es la capacidad de un sistema para realizar un trabajo en función a su posición o configuración en relación a un plano de referencia
  • Energía cinética.-La energía cinética de un cuerpo es la energía que proviene del movimiento de dicho cuerpo, está definida como el trabajo necesario para acelerar un cuerpo de una masa dada desde el reposo hasta la velocidad que posee. En mecánica clásica se puede calcular por la ecuación del trabajo de la segunda ley de newton: De aquí tenemos que la energía cinética se incrementa con el cuadro de la rapidez, es una medida dependiente del sistema de referencia.

En la hidrodinámica la energía cinética de un fluido depende de la densidad del fluido entonces tenemos que:

Ecuación para calcular el trabajo.

De aquí tenemos que la energía cinética se incrementa con el cuadro de la rapidez, es una medida dependiente del sistema de referencia.

En la hidrodinámica la energía cinética de un fluido depende de la densidad del Fluido entonces tenemos que:

Ecuación de Cálculo de la energía cinética de un fluido

Dónde:

P: densidad del fluido

V:velocidad

1.5 Principio De Bernoulli.

El estudio del movimiento de los fluidos en un sistema mecánico se denominada como hidrodinámica por el físico suizo Daniel Bernoulli quien según sus investigaciones determino que hay una relación entre la presión, la altura y la velocidad de un fluido ideal (sin viscosidad y sin rozamiento) en circulación y en un conducto cerrado, la energía del fluido es constante a lo largo del recorrido y depende de tres componentes:

  • Cinética energía que posee debido al movimiento del fluido.
  • Potencial gravitacional es la energía que posee debido a la ubicación geométrica del fluido.
  • Energía del fluido es la energía que está relacionada con la presión que posee el fluido.

La siguiente ecuación es la ecuación de Bernoulli en la que se relaciona los tres componentes:

Ecuación de Bernoulli

Dónde:

V: velocidad.

g:aceleración de la gravedad.

z:altura en la dirección de la gravedad desde un punto de referencia.

1.5.1 Circulación del agua en conductos cerrados.

La fórmula que vamos a utilizar para calcular la energía contenida en un fluido Incomprensible que circula en el interior de un tubo viene dada por la ecuación de Bernoulli:

Ecuación 1.4 Cálculo de la energía contenida en un ducto cerrado

Dónde:

h: energía total.

h:elevación de la línea de corriente sobre un plano de referencia.

p: presión.

γ: peso específico del fluido.

V: velocidad de la línea de corriente.

g:aceleración de la gravedad.

La energía total en el punto 1 es la suma de la energía potencial en el punto h1,

La energía de presión y la energía cinética.

Un aprovechamiento hidráulico necesita dos componentes básicos que son un determinado caudal y un determinado salto geodésico o desnivel en el cauce del flujo de caudal, se entiende por caudal a una masa de agua que fluye a través de un cauce natural o construido por la mano del hombre al igual que el desnivel puede ser natural o por construcción del hombre.

1.6 Mini Centrales Hidroeléctricas.

1.6.1 Definición de mini central hidroeléctrica.

Las centrales hidroeléctricas pueden definirse como instalaciones mediante las que se consigue aprovechar la energía contenida en una masa de agua situada a una cierta altura, transformándola en energía eléctrica. Esto se logra conduciendo el agua desde el nivel en el que se encuentra, hasta un nivel inferior en el que se sitúan una o varias turbinas hidráulicas que son accionadas por el agua y que a su vez hacen girar uno o varios generadores produciendo energía eléctrica.

En la siguiente figura se puede apreciar el esquema de transformación de energía hidráulica en energía eléctrica.

Figura 1. Esquema típico de un aprovechamiento hidroeléctrico

1.6.2 Antecedentes históricos de las mini centrales en Abancay.

La mini central hidroeléctrica en Abancay es la planta en el sector de Sara Ccata que empezó a operar en el año de 1965 la primera de sus dos turbinas, la segunda turbina fue instalada 22 años después juntas generan 6,2 MW de potencia. Es la única en esta tierra que abastece una pequeña parte de la cuidad de Abancay como: Av. Arenas, Días Bárcenas, Arequipa y los Jr. Lima y Junín.

1.7 Clasificación De Las Mini Centrales Por La Potencia.

La organización Latinoamericana de energía clasifica de acuerdo a la potencia instalada como se muestra en el siguiente cuadro:

POTENCIA EN (KW)

TIPO

0-50

MICRO CENTRAL

50-500

MINI CENTRAL

500-5000

PEQUEÑA CENTRAL

Clasificación de las mini centrales por la caída:

TIPO

BAJA(m)

MEDIA(m)

ALTA(m)

Micro

H<15

15<H>50

H>50

Mini

H<20

20<H>100

H>100

pequeña

H<25

25<H>130

H>130

El ISA clasifica las centrales hidroeléctricas de acuerdo a su potencia instalada de la siguiente forma:

TIPOS

POTENCIA(MW)

Micro centrales

Menores a 0.1

Mini centrales

De 0.1 a 1

Pequeña central hidroeléctrica

De 1 a 10

1.8 Clasificación De Las Mini Centrales Por La Presa.

Existen dos tipos básicos de mini centrales hidroeléctricas:

1.8.1 Centrales de agua fluyente.

En estas centrales, el agua a turbinar se capta del cauce del río por medio de una obra de toma, y una vez turbinada, se devuelve al río en un punto distinto al de captación.


Figura1.1. Esquema de una central de agua fluyente

Los elementos principales de estas instalaciones son:

  1. Azud
  2. Toma de agua
  3. Canal de derivación
  4. Cámara de carga
  5. Tubería forzada
  6. Edificio con su equipamiento electromecánico
  7. Canal de salida.

1.8.2 Centrales a pie de presa.

Son centrales con regulación. El agua al turbinar se almacena mediante una presa. La siguiente figura presenta una central a pie de presa.

Figura1.2. Esquema de una central de pie de presa

Los elementos principales de estas centrales son:

  1. Presa
  2. Toma de agua
  3. Tubería forzada
  4. Edificio con su equipamiento electromecánico
  5. Canal de salida

1.9 Elementos De Una Mini Central Hidroeléctrica.

Una mini central está constituida por diversos componentes y equipos que pueden clasificarse en tres grandes grupos:

  1. Obra civil.

    1. Obras de captación.

Las obras de captación del agua son las que están relacionadas con la desviación del caudal de agua hacia la mini central, además de asegurar la confiabilidad del servicio y de la calidad del agua.

Cuando se hace referencia a la calidad de agua se hace referencia a que las obras decaptación de agua deben tener obras de filtración de sólidos que pueden afectar la vida útil de la turbina y todos las partes electromecánicas de la central de generación.

1.10.2 Bocatomas.

Es la infraestructura ubicada en la entrada del canal de captación su misión será el de tomar una parte del caudal de una corriente de agua, aparte de la captación de agua otro de los objetivos de la bocatoma será el proveer de un caudal con la menor cantidad de sedimentos para minimizar los costos de operación y mantenimiento.

1.10.3 Presa de derivación.

Tiene por objetivo captar una parte del caudal del rio para facilitar su ingreso a la bocatoma para su conducción hacia la mini central.

1.10.4 Canales de conducción.

Son los encargados de transportar el caudal hacia la ubicación de la casa de máquinas donde estarán ubicadas las turbinas. Depende del material del que se a construido el canal depende la velocidad de conducción del agua hacia la turbina.

1.10.5 Aliviadero.

El objetivo principal de construir una aliviadero es la de brindar seguridad a la mini central, este debe ir ubicado en un sitio estratégico ya que este está destinado a verter el exceso de caudal cuando este propase la capacidad del canal, así evitaremos la posibilidad de desbordes del canal cuando varíen las condiciones normales de funcionamiento del canal

1.10.6 Desarenadores.

La función que cumple el desarenador dentro de la mini central es fundamental ya que este tiene como misión eliminar las partículas de material solido que se encuentran suspendidas en el caudal de agua mediante la disminución de la velocidad del caudal a 0,5 m/s.

1.10.7 Tanque de presión.

Es la estructura destinada a combinar un sistema de baja presión con un sistema de alta presión además está destinado a:

  • Mantener un nivel de reserva de carga para cambios bruscos de carga.
  • Evitar la llegada a la turbina de elementos sólidos.
  • Sirve como un control de caudal en condiciones atmosféricas adversas.
  • Evitar la entrada de aire en la tubería.

1.10.8 Tubería de presión.

La tubería de presión es la última etapa del transporte del caudal hacia la turbina los criterios para la elección de la turbina de presión son:

  • Considerar los materiales para las uniones
  • Comparar los costos de mantenimiento y vida útil de los diferentes materiales
  • Considerar los diámetros de tubería disponibles en el mercado

1.10.9 Casa de máquinas.

Es la estructura que aloja los equipos electromecánicos que transforman la energía cinética del agua en energía eléctrica entre los equipos que están ubicados en la casa de máquinas.

  • Empalme entre la tubería de presión y válvula de entrada.
  • Válvula dedicada a controlar el flujo de agua hacia la turbina.
  • Turbina es la que transforma la energía cinética del agua en energía mecánica.
  • Generador transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
  • Subestación eleva el voltaje de salida del generador para facilitar el transporte de la energía hacia los centros de consumo.
  • Canal de salida es la estructura que conduce las aguas turbinadas hacia el rio o canal de riego

1.10.10 Órgano de cierre de la turbina.

Son válvulas o compuertas que aíslan la turbina en caso de parada y permiten el vaciado de la tubería y las labores de reparación y mantenimiento.

1.11 Equipos Auxiliares.

Estos equipos son también necesarios para el correcto funcionamiento de una mini central. Entre los más comunes están:

  • Compuertas
  • Reja y máquina limpiar rejas
  • Grúa para movimiento de máquinas
  • Sistema contra-incendios
  • Alumbrado.
  • Caudalímetro.

1.12 Turbinas.

Son máquinas capaces de transformar la energía hidráulica en energía mecánica en su eje de salida. Su acoplamiento mediante un eje a un generador permite, finalmente, la generación de energía eléctrica.

Las turbinas hidráulicas utilizadas en mini centrales hidroeléctricas, deben ser seleccionadas de modo que podamos obtener el mejor rendimiento con las características de caudal y salto específico para cada caso, además debe cumplir las siguientes características facilidad de operación y mantención las turbinas que se utilizan en las mini centrales tienen el mismo principio de funcionamiento que las turbinas que funcionan en las grandes centrales hidroeléctricas a continuación se detallaran algunos conceptos para la correcta elección de la turbina para una mini central.

1.12.1 Clasificación de las turbinas.

De acuerdo al cambio de presión en el rodete o al grado de reacción:

  • Turbinas de acción .-son aquellas en las que el fluido no sufre un cambio de presión al paso por el rodete
  • Turbinas de reacción.-son las que el fluido sufre un cambio de presión en el rodete.

Por el diseño de rodete:

Las características de estos tipos de turbina serán detalladas a continuación

  • Turbinas Pelton.-Esta turbina está dentro de las turbinas de acción, de flujo tangencial, con un rodete formado por varias cucharetas y un sistema de toberas que son las encargadas de inyectar la presión a la tobera.El rango de aplicación de las turbinas Pelton es para velocidades de funcionamiento bajas, además está diseñada para trabajar con saltos grandes y bajos caudales su eficiencia es del 85%.

Figura1.3. Imagen de un rodete de una turbina Pelton.

  • Turbinas Michel Bank .- También están dentro de las turbinas de acción, de flujo transversal, la entrada radial y flujo transversal, en este caso el rodete está formado por alabes curvos la inyección de caudal se lo hace con un inyector, tienen una eficiencia en el orden del 80% y generan hasta 1000kW, debido a su forma son fáciles de construir reduciendo así su costo en relación a otro tipo de turbinas.

Figura1.4. Imagen de rodete Michel

  • Turbinas Francis.-Esta turbina fue desarrollada para trabajas con velocidades especificas medianas trabajando con saltos medianos y caudales de las mismas características su eficiencia oscila entre 83% y 90% su fabricación es compleja subiendo su costo de fabricación

Figura1.5. Imagen de rodete Francis

  • Turbina axial.-Esta es una turbina de reacción de flujo axial la velocidad especifica de funcionamiento es bastante alta puede trabajar con saltos bajos y caudales grandes alcanza hasta el 90% de eficiencia su construcción requiere herramienta especializada

Figura1.6. Imagen de rodete axial

1.13 Problemas Con Las Turbinas.

Los principales inconvenientes que tienen las turbinas son la cavitación y el embalamiento.

Cavitación.- cuando un líquido es sometido a una presión mayor a las de su presión de evaporización, el líquido se evapora formando pequeñas burbujas de vapor que al estallar producen graves daños en los rodetes.

Embalamiento.-Cuando se produce por una variación drástica de la carga en el eje de la turbina, la turbina toma una velocidad que puede dañar los componentes de la turbina llegando hasta destruirlas, esta velocidad depende de las condiciones de cada instalación.

1.14 Generadores.

Estas máquinas rotativas que transforman la energía mecánica de rotación que suministran las turbinas en energía eléctrica, en sus bornes o terminales. Pueden ser de dos tipos:

1.14.1 Generadores síncronos.- generado en el rotor por la acción de una fuente de corriente continua externa y al girar el rotor se produce un campo rotatorio en las bobinas del estator, produciéndose a su vez la energía eléctrica en los bornes de estas bobinas.

Los generadores síncronos se dividen en:

  • Por tipo de excitación
  • Auto excitados
  • Excitación externa
  • Por tipo rotor
  • Polos salientes
  • Polos lisos

Los generadores síncronos suelen emplearse en centrales con potencia superior a 2.000 kVA conectadas a la red, o en centrales de pequeña potencia que funcionan en isla (sin estar conectadas a la red).

Figuras1.7. Imagen del estator y del rotor de un generador síncrono

1.14.2 Generador asíncrono.-El generador asíncrono, por el contrario, debe estar siempre conectado a la red eléctrica, de la que toma la energía necesaria para producir su magnetización. Es usual emplearlos en centrales de menos de 500 kVA, siempre acopladas a la red. Para centrales con potencia aparente entre 500 y 2.000 kVA la elección de un generador síncrono o asíncrono, depende de la valoración económica, del sistema de funcionamiento y de los condicionantes técnicos exigidos por la compañía eléctrica.

Figura1.8. Imagen de un generador asíncrono

1.15 Elementos De Regulación.

Son aquellos que regulan los componentes móviles de las turbinas y pueden ser de dos tipos:

Hidráulicos y electrónicos. Su misión es conseguir adecuar la turbina a las circunstancias existentes en cada momento (caudal turbinable, demanda eléctrica....) para que pueda trabajar con el mejor rendimiento energético posible en cada circunstancia.

Figura1.9. Válvula de control

1.16 Transformadores.

Figura1.10 Transformador de transmisión

El transformador es uno de los elementos más importantes para el equipamiento eléctrico de la mini central, dependiendo del trabajo del generador este podrá ser baja/media; o media/alta tensión.

El objetivo de del trasformador es aumentar la tensión a nivel de la red comercial con el fin de transmitir dicha energía con las mínimas perdidas posibles. Según las características de uso, constructivas, por la función que realizan, por la clase de servicio a que se destinan, etc.; se podría clasificar los transformadores como se detallan a continuación:

Por su operación:

Esto hace referencia a la tensión o la potencia que tenga que ser conectado en la red.

  • Transformadores de distribución: Son los que manejan potencias que van desde 5 hasta 500 Kva, ya sean estos monofásicos o trifásicos.
  • Transformadores de potencia: Son aquellos que manejan tensiones superiores a los 500 Kva.

Por el número de fases:

  • Monofásicos: Pueden ser transformadores de potencia o de distribución los cuales cuentan con solo un devanado tanto de baja como de alta, los mismos se encuentran conectados a una fase y un neutro o tierra.

Figura1.11 Bobinado de transformador monofásico

  • Trifásicos: Pueden ser tanto de distribución como de potencia constan de tres bobinados tanto en alta como en baja y los mismo pueden o no se conectados a tierra o neutro como (dependiendo de la conexión Δ o Y).

Figura1. 12 Bobinado de un transformador trifásico

Por su utilización: De acuerdo a su uso dentro del sistema eléctrico.

Transformadores para generador: Son los transformadores de potencia que se encuentran colocados a la salida del generador.

Transformadores de subestación: Son aquellos que se conectan al final de la línea de transmisión para reducir la tensión a nivel de sub transmisión.

Transformadores de Distribución: Este tipo de transformadores reducen la tensión de las redes de transmisión en tensiones de distribución o de consumo general 110 o 220v.

Transformadores especiales: Se pueden considerar dentro de esta categoría:

  • Transformadores Reguladores de Energía.
  • Transformadores para arco Eléctrico.
  • Transformadores para fuentes de corriente continua, etc.

Transformadores de Instrumentos: Dentro de esta categoría se podrán encontrar todos aquellos que se utilizan para los distintos tipos de mediciones ya sean de potencial o de corriente, así como aquellos utilizados para los distintos tipos de control y de seguridad.

En función de las condiciones de Servicio:

  • Para instalación a la intemperie.
  • Para Instalación en interiores.

En función del lugar de instalación:

  • Para Instalación en poste.
  • Tipo subestación
  • Tipo pedestal.
  • Tipo bóveda o sumergible.

En Función del tipo de Refrigeración:

  • Tipo Sumergidos en aceite.
  • Tipo OA
  • Tipo OA/FA
  • Tipo OA/FA/OFA
  • Tipo OFA
  • Tipo OW
  • Tipo OFW

Tipo refrigeración en Seco.

Normalmente se instalan en el interior del edificio o de la central, minimizando la obra civil asociada a la subestación. Presenta el inconveniente de tener una baja evacuación del calor por la tanto las pérdidas debidas a este factor son alta por lo que se recomienda usar sistemas de refrigeración alternas mediante la circulación de aire forzado.

1.16.1 Dimensionamiento del transformador.

Para calcular los datos del transformador se tienen que tomar en consideración todas las cargas que se encuentren conectados en la red, por lo que el cálculo de la capacidad de un transformador para alimentar a un cierto número y tipo de cargas se debe hacer sobre ciertos conceptos, de manera tal que el transformador no opere con sobredimensionado (poca carga), o bien se sature rápidamente por insuficiencia.

La Capacidad nominal de un transformador está definida como los Kva que su devanado secundario debe ser capaz de operar por un cierto tiempo, en condiciones de tensión y frecuencia de diseño (valores nominales), sin que a una temperaturaambiente promedio de 30°C y máxima de 40 °C, la temperatura promedio en sudevanado exceda a 65°C.

Se deben considerar, si las cargas por alimentar son monofásicas o trifásicas como también si estas son resistivas, capacitivas o inductivas.

1.17 Celdas Y Cuadros Eléctricos.

Suelen instalarse generalmente en el interior de la mini central y están constituidos por diversos componentes eléctricos de regulación, control, protección y medida.

1.18 Línea Eléctrica De Interconexión.

Figura 1.13 Red eléctrica

Fuente: Encarta

Se denomina red eléctrica al conjunto de medios formado por generadores eléctricos, transformadores, líneas de transmisión y líneas de distribución utilizados para llevarla energía eléctrica a los elementos de carga. Con este fin se usan diferentes tensiones para limitar la caída de tensión en las líneas. Usualmente las más altas tensiones se usan en distancias más largas y mayores potencias. Uno de los componentes eléctricos más importantes es el transformador mediante el cual se obtiene bajar la tensión a un nivel de voltaje de tipo residencial.

El sistema de suministro eléctrico siempre comprende el conjunto de medios y elementos útiles para la generación, el transporte y la distribución de la energía eléctrica. Este conjunto está dotado de mecanismos de control, seguridad y protección.

Constituye un sistema integrado que además de disponer de sistemas de control distribuido, está regulado por un sistema de control centralizado que garantiza una explotación racional de los recursos de generación y una calidad de servicio acorde con la demanda de los usuarios, compensando las posibles incidencias y fallas producidas.

1.19 Sistema SCADA De Control Para Mini Centrales Hidroeléctricas.

Un sistema SCADA (supervisory control and data acquisition) que es una combinación de adquisición de datos y telemetría un sistema SCADA puede funcionar a unos cuantos metros como a miles de kilómetros.

Este sistema proporciona los datos de funcionamiento en tiempo real de los aparatos que se están monitoreando, esto permite realizar la supervisión de la mini central.

Figura1.14 Sistema SCADA

CAPITULO II

DISEÑO Y APLICACIÓN DE MINICENTRALES.

2.1 Aspectos Generales.

En el diseño de mini centrales hidroeléctricas uno de los aspectos de análisis son las condiciones físicas del lugar en donde se quiere implementar la mini central, ya que de estas dependerán la potencia y la confiabilidad del servicio que se pueda generar uno de los inconvenientes que se ha encontrado en la implementación de mini centrales de generación es el aspecto económico ya que como sabemos el costo de inversión inicial en los proyectos hidroeléctricos es bastante alto pero a largo plazo son los más rentables además del financiamiento el tiempo de construcción y puesta en marcha es una de las dificultades que este tipo de proyectos ha encontrado en el camino.

2.2 Requerimientos Necesarios Para La Instalación De Una Mini Central.

Básicamente los requerimientos de una mini central no son diferentes a los de una central de generación a gran escala los requerimientos son:

  • Caudal de agua
  • Salto geodésico

2.2.1 Caudal de agua.

Se necesita un caudal de agua constante para garantizar la continuidad de funcionamiento de la mini central, este caudal nos va a proveer de energía primaria para el movimiento de la turbina de la planta de generación hidroeléctrica.

2.2.2 Salto geodésico.

El salto geodésico es el desnivel en el cauce del caudal de agua, en el salto geodésico se produce la energía cinética del agua, energía que es aprovechada por las turbinas para generar el movimiento en el generador.

2.3 Criterios Teóricos Para El Diseño De Una Mini Central.

2.3.1 Alturas de salto neto.

Es la distancia vertical medida entre la lámina de agua de la toma de agua y la del canal de descarga, de acuerdo con las características de cada turbina se ha obtenido la siguiente tabla:

TIPO DE TURBINA

HORQUILLAS DE SALTO EN METROS

Kaplan y hélice

2<H<20

Francis

10<H<350

Pelton

50<H<1300

Michel-banki

3<H<200

turgo

50<H250

Tabla 2.1 Altura de trabajo de las turbinas

Con los datos de caudal y salto geodésico tomados de los estudios de pre factibilidad procedemos a dimensionar la mini central en todos sus componentes con la finalidad de garantizar el funcionamiento y la durabilidad del sistema entre los componentes a dimensionar son:

  • Obra civil
  • Equipamiento electromecánico
  • Equipos auxiliares.

2.3.2 Calculo de la altura aprovechable.

Determinar la altura vertical entre la cámara de carga y la casa de máquinas es indispensable para empezar con los cálculos de los componentes de la mini central debido a que esto nos proporciona la potencia a obtener para nuestro estudio.

2.3.3 Caída Neta.

La caída neta o altura neta es la altura del salto aprovechable por la turbina, es igual al salto útil menos las pérdidas de carga que tiene lugar a lo largo de la conducción forzada, reducciones, válvulas, etc.

2.4 Métodos Para Determinar Los Saltos Geodésicos.

2.4.1 Método del nivel con manguera

En este método se requiere una manguera y unas escalas; la altura Hx se determina como la diferencia entre las 2 indicaciones de las escalas, en los puntos del nivel de agua en la manguera; la altura total del aprovechamiento es la suma de estas diferencias desde la casa de máquinas hasta el tanque de presión.

Figura 2.1 método de nivel con manguera

2.4.2 Método del nivel de carpintero:

Este método es parecido al método de la manguera, para este método se requiere de un nivel de carpintero, unas escalas, una regla o un hilo. Para determinar la Hx se coloca las escalas en forma perpendicular y la regla de forma horizontal, luego el nivel se ubica sobre la regla, la altura total del aprovechamiento se determinan en la misma forma del procedimiento anterior.

Figura 2.2 Método de nivel de carpintero

2.4.3 Método del Clinómetro:

Este método resulta el más sencillo de realizar pero requiere de algunos cálculos matemáticos para determinar la altura entre los puntos 1 y 2 (fig.2.3) se requiereconocer ciertos parámetros como son los valores de las escalas de apoyo, en este casoH1 y H2, los ángulos θ1 y θ2 y la distancia Lx, que es la longitud entre los puntos 1 y 2, conocido estos datos se calcula la altura de la siguiente manera:

Se halla el promedio entre los ángulos.

  • A partir de la expresión trigonométrica del seno y el valor de Lx se encuentra la altura Hx.
  • La altura entre los puntos 1 y 2 es la diferencia entre (Hx+ H2) y H1.
  • La altura total del aprovechamiento será las sumas de las alturas H12.

Figura 2.3Método del Clinómetro.

2.4.4 Método del Barómetro:

En este método la presión atmosférica varia inversamente proporcional a la altura sobre el nivel del mar, así en función de la presión en un determinado lugar se puede determinar su altura; por tanto, si se conoce la diferencia de presión entre 2 puntos, se pueden determinar la diferencia de niveles existentes.

Cuando se dispone de un solo altímetro se realiza de la siguiente manera: Se aparta de un punto de altura conocida, se lee la altura en el altímetro y se anota la hora en que se hizo la observación y la temperatura que indica el termómetro. Luego se lleva el instrumento a los otros puntos cuya cota se desea conocer y en cada uno de ellos se anota la altura, la hora y la temperatura; se regresa inmediatamente al punto de partida y de nuevo se hace la lectura del tiempo y la temperatura.

Los cambios en las condiciones atmosféricas hacen que la altura leída inicialmente no concuerde con la lectura del altímetro luego de tomar los otros puntos. Se supone que las condiciones atmosféricas varían gradualmente durante el lapso de tiempo comprendida entre la altura inicial y la final.

2.4.5 Método del Profundímetro:

Es un método sencillo que mide la presión de una columna de agua y toma su equivalente en metros. Requiere de un tubo plástico en el cual se encuentra una columna de agua y al final del tubo se coloca un profundímetro, que indica la presión ejercida por el agua en su equivalente en metros, de acuerdo con la siguiente expresión:

Ecuación 2.1Calculo método del profundimetro

Dónde:

  • P= Es la lectura de la presión en Kpa.
  • H= Es la caída en metros.

2.4.6 Método del GPS:

En la actualidad el método del GPS sería el más adecuado para realizar las mediciones necesarias, ya que este método indica la posición de una persona o lugar mediante la triangulación de los satélites.

Claro está que se necesitaran realizar varias mediciones para de ahí sacar un valor medio y así reducir el margen de error.

Figura 2.4 grafico del método de GPS

2.5 Calculo Del Caudal.

La dinámica de fluidos define al caudal como la cantidad de fluido que avanza en una unidad de tiempo. También es conocido como caudal volumétrico o índice de flujo fluido.

El cálculo de caudal de agua viene expresado por la ecuación de continuidad:

Q=V*S

Ecuación 2.2Ecuación cálculo del caudal

Dónde:

  • Q : caudal (m3/s)
  • V : velocidad (m/s)
  • S : sección de la tubería (m2)

Para que el fluido se traslade entre dos puntos dentro de una línea de flujo, debe existir una diferencia de energía entre los dos puntos, la diferencia de energía representan las perdidas por rozamiento en la línea de flujo, el rozamiento no es una constante este depende de la estructura del material del que está compuesto la línea de flujo.

  • La rugosidad del conducto
  • La viscosidad del fluido
  • El régimen de funcionamiento (régimen laminar o régimen turbulento)
  • El caudal circulante, es decir de la velocidad

El cálculo de caudal se basa en la ecuación de Bernoulli

Ecuación 2.3Ecuación de Bernoulli.

Dónde:

  • g : aceleración de la gravedad
  • p : densidad del fluido
  • P : presión

Considerando el rozamiento, la ecuación entre dos puntos 1 y 2 se expresa como

Ecuación 2.4Ecuación de Bernoulli

Simplificando:

Ecuación 2.5Ecuación de Bernoulli

Donde perdidas (1,2) es la perdida de energía que sufre el fluido por causa del rozamiento al circular entre el punto 1 y 2. Si tomamos una distancia L del ducto de conducción o canal o rio tenemos que (perdidas (1,2)/L este valor representa la perdidas de altura por unidad de longitud de conducción este valor es la pendiente de la línea de energía y se lo denomina J.

Formulas experimentales

La fórmula de manning que sirve para relacionar la pendiente de energía con la velocidad de circulación del fluido cuando este es agua

Ecuación 2.6Formula de manning

Dónde:

  • n : cociente de rugosidad está relacionado

Directamente con el material de la tubería

Es el radio hidráulico de la sección

La altura geométrica es un dato. De esta manera con los datos conocidos en un punto como el del depósito o embalse donde la velocidad es cero la presión atmosférica es la presión entonces todas las pérdidas dependerán directamente de la velocidadentonces tenemos que:

Ecuación 2.7 Calculo de perdidas localizadas

Donde los coeficientes K se los puede conseguir en tablas especializadas o debe ser proporcionadas por el fabricante, las perdidas localizadas por lo general son insignificantes en la parte práctica por eso se utiliza el concepto de longitud equivalente para el cálculo de perdidas localizadas. En este caso, se calcula a partir del diámetro de la tubería y de los valores tabulados para cada tipo de elemento que pueda producir una perdida localizada.

2.5.1 Pérdidas de carga

Las pérdidas de carga se dan debido a la fricción de partículas entre sí y con las paredes del ducto ya sea este una tubería o un canal las condiciones de fricción dependen del material del ducto y de la trayectoria del ducto ya que varían las condiciones con las variaciones de sentido, con los elementos de control y demás componentes que forman la trayectoria del ducto.

2.5.2 Pérdidas de carga en ductos rectilíneos

Considerando el flujo uniforme, óseacon sección del ducto constante Tenemos que el principio de Bernoulli queda como:

Ecuación 2.8 Calculo de pérdidas en ductos rectilíneos

Dónde:

  • g : constante gravitatoria
  • y1 : altura geométrica en la dirección de la gravedad en la sección i=1 o 2
  • P :presión a lo largo de la línea de corriente
  • p: densidad del fluido

Siendo:

  • L: la distancia entre las secciones 1 y 2
  • J :la variación de la presión manométrica por unidad de longitud o pendiente piezometrica, valor que se determina empíricamente para los diversos tipos de material y es en función del radio hidráulico y de la rugosidad de las paredes y de la velocidad media del agua

2.5.3 Expresiones prácticas para el cálculo

Considerando ductos llenos donde:

Ecuación2.9 Ecuación de Bazin

La fórmula de Bazin se transforma en:

Los valores son:

0,16 tubos de acero sin soldadura

0,20 para tubos de cemento

0,23 para tubos de hierro fundido

2.5.4 Pérdidas de carga localizadas

Las pérdidas localizadas forman parte de la llamada “altura de velocidad” de la forma:

Ecuación2.10 Pérdidas de carga localizada

  • Hv : Perdidas de carga localizada
  • V : Velocidad media del agua, antes del punto a analizar conforme el caso
  • D :Coeficiente determinado en forma empírica para cada tipo de punto singular

TIPO DE SINGULARIDAD

K

Válvula de compuerta totalmente abierta

0.2

Válvula de compuerta mitad abierta

5.6

Curva de 90°

1

Curva de 45°

0.4

Válvula de pie

2.5

Emboque( entrada de tubería)

0.5

Salida de una tubería

1

Ensanchamiento brusco

(1-(D1/D2)2)2

Reducción brusca de sección (contracción)

0.5(1-(D1/D2)2

Tabla 2.2 Coeficiente de singularidad

2.5.5 Calculo de caudal de diseño cuando existe información.

La existencia de una muestra aceptable de mediciones de caudal de una cuenca en base a una curva de caudales así como una curva de frecuencia, con la información de la curva podemos determinar los caudales máximos y mínimos para el dimensionamiento de los elementos de la mini central.

2.5.5.1 Curva de caudales.

La curva de caudales es la que se desarrolla colocando en el plano cartesiano los datos de caudales vs el tiempo en perdidos diarios, mensuales, anuales dependiendo de las mediciones que se tengan a la mano.

2.5.5.2 Caudal pico.

Es el caudal máximo medido, en un periodo de tiempo denominado como periodo deretorno, del caudal pico depende el dimensionamiento de las obras de desvió y el vertedero de exceso.

Los periodos de retorno recomendados por organización latinoamericana de energía:

  • Micro-central ( 20-25 años)
  • Mini-central (50-100 años)
  • Pequeñas centrales (100-150 años)

2.5.5.3 Caudal mínimo.

El caudal mínimo es el caudal más bajo que se registra en un periodo de tiempo.

2.5.5.4 Caudal medio.

Es el promedio de los caudales medios en un periodo de tiempo.

2.5.5.5 Curva de duración de caudales.

Se obtiene al ordenar los valores de caudal obtenidos contra el número de veces que este se ha obtenido en un periodo de tiempo, esta curva nos va ayudar a encontrar la probabilidad que se repite un determinado valor de caudal.

2.5.5.6 Curva de frecuencia.

Esta curva es la representación del porcentaje de tiempo que se repitió un determinado caudal ordenando la frecuencia desde el mayor al menor.

2.5.5.7 Caudal de diseño

Este caudal lo obtenemos de las curvas de frecuencia y duración de caudales.

2.6 Calculo Hidráulico.

Una vez conocidos los datos de caudal y altura procedemos al cálculo de los componentes hidráulicos de la mini central, la tubería forzada y los componentes hidráulicos

2.6.1 Potencial Hidroeléctrico Teórico Bruto (P.H.T.B.).

El potencial hidroeléctrico bruto o potencia teórica es la potencia estimada que podemos obtener de las condiciones físicas de nuestro emplazamiento para la mini central este potencial se lo obtiene a partir de la formula.

Figura 2.5 Esquema de energía potencial del agua

Presión:

P=d*g*H

Dónde:

  • d : densidad del agua (1000Kg/m3)
  • g : aceleración de la gravedad en 9.8 m/s2
  • H : caída en metros

Potencia:

P=F*V

Dónde:

  • F : fuerza
  • v : velocidad

Fuerza:

P=d*g*H*S*V

Como el caudal es:

Q=V*S

Entonces tenemos

P=d*g*H*Q

Reemplazando los valores:

Simplificando:

Multiplicando los valores por un factor de rendimiento

Ecuación 2.11 Calculo de la potencia teórica de una central hidroeléctrica

Donde:

  • P : potencia en KW de la mini central
  • 9,8: peso específico del agua.
  • Q: caudal de agua que tenemos m3/seg.
  • H : altura del salto geodésico en m
  • KW: rendimiento estimado de los equipos (turbina generador)

Esta fórmula es la misma utilizada para el cálculo del PHB de las grandes centrales de generación hidroeléctrica.

2.6.2 Calculo de la energía.

El cálculo de energía se hace de acuerdo a la siguiente ecuación:

La potencia media:

Tomando en cuenta que A es la energía total que viene dada en KWh suministrados en el periodo de tiempo T0.

2.6.3 Factor de utilización y demanda.

El factor de utilización (m) representa el factor que relaciona el tiempo en el que se utiliza la energía entregada por la mini central, el factor de demanda relaciona la demanda con la potencia instalada en la mini central, para obtener valores aceptables tenemos que tratar que estos factores tiendan a Factor de carga.

Ecuación 2.12 Calculo de la potencia media.

Factor de utilización:

Ecuación 2.13 Calculo del factor de utilización.

2.7 Dimensionamiento De Componentes.

Para el cálculo de componentes de la central es necesario tener los datos inícialestales como caudal de diseño y la altura del salto, con esos datos podemos calcular la potencia que se puede generar con las condiciones de caudal y de salto geodésico.

2.8 Turbinas.

2.8.1 Criterios para la elección del tipo de turbina.

Las turbinas hidráulicas deben ser seleccionadas en base a los siguientes parámetros:

  • La caída de agua (salto geodésico).
  • El caudal.
  • Velocidad de rotación.
  • Problemas de cavitación.
  • Velocidad de embalamiento.
  • Costo.

Parámetros importantes a tener a consideración:

  • Para seleccionar el modelo de turbina no existe un modelo bien definido a usar esto debe ser analizado en particular dadas las especificaciones según el fabricante.
  • La turbina tipo Banki o también llamada de flujo cruzado esta especificada en la misma gama de operación de la turbina Francis.
  • Tiene un rendimiento del 70% menor que la Francis y se puede usar en un sector de caídas y con caudal bastante amplio.
  • El uso de las bombas funcionando como turbinas, es en realidad la adaptación de una bomba de agua normal que es adaptada como turbina.
  • Se puede considerar la media del rendimiento entre una bomba y un generador con un valor de un 65%.
  • Las turbinas tipo Pelton son usadas para aprovechar grandes caídas de agua y pequeños caudales, pues en comparación con las Francis estas últimas presentan un pasada muy estrecha.

2.8.2 Resumen y caudales a los que trabajan las turbinas

En la siguiente tabla se resumirá los caudales y saltos a los que trabajan cada una de las turbinas

TIPO DE TURBINA

HORQUILLAS DE SALTO EN METROS

Kaplan y hélice

2<H<20

Francis

10<H<350

Pelton

50<H<1300

Michel-banki

3<H<200

turgo

50<H250

Tabla 2.3 Caudales a los que trabajan las turbinas

2.9 Calculo De Los Diferentes Tipos De Turbina.

2.9.1 Calculo para los componentes de turbinas Pelton:

Para el cálculo de los componentes de una turbina tipo pelton procedemos en primerlugar hacer referencia al diagrama que muestra la relación entre la potencia y laaltura de la mini central:

Figura 2.6 Curva característica turbina pelton

Figura 2.7 Diagrama de cuchara turbina pelton

De estos gráficos sacamos la siguiente tabla que describe el cálculo que se debe seguir para calcular los componentes de una mini central.

Tabla 2.4 Formulas para el cálculo de las dimensiones de rodete turbina pelton

2.9.2 Calculo para turbinas tipo Francis, Kaplan, hélice turgo.

Para proceder con el cálculo de una turbina tipo Francis es necesario primero tener en claro los siguientes elementos:

Detalle rodete Kaplan

Figura 2.8 Diagramas rodete turbina axial

El siguiente diagrama nos sirve para dimensionar algunos componentes de la turbina

Figura 2.9 Curvas para dimensionar los componentes de las turbinas axiales

En la siguiente tabla se ubican las fórmulas para determinar las dimensiones de los componentes de un rodete de una turbina axial recordando que el cálculo es el mismo para los rodetes de las turbinas Francis,Kaplan,Turgo y axial, que solo varía el funcionamiento de la turbina.

Tabla 2.5 Formulas para el cálculo de las dimensiones de rodete turbinas axiales

2.10 Criterios Para La Elección Del Generador.

  • Nivel de voltaje
  • Potencia a generar
  • Número de revoluciones
  • Tipo de acoplamiento entre turbina y el generador
  • Altas potencias se recomienda el uso de generadores síncronos
  • En pequeñas centrales se recomienda el uso de generadores asíncronos

2.10.1 Cálculo y dimensionamiento del generador

La potencia del generador se escogerá en función de la potencia que se puede obtener en base a la siguiente fórmula: Potencia en W(watt)= caída de agua(m) x Caudal en lts/seg x 6 (factor) También podrían ayudarnos las siguientes formulas:

La potencia aparente S, la potencia activa P, y la potencia reactiva Q se pueden calcular:


Ecuación 2.13 Calculo de las potencias aparente reactiva y real

Para la elección correcta de la potencia que debe de tener nuestro generador es preciso tener claro los siguientes términos:

Carga Instalada: Es la suma de las potencias nominales de los elementos y equipos que se encuentran conectados en un área determinada de la instalación y este valor seexpresa generalmente en Kva o KW.

Demanda: Es la potencia que consume la carga, medida por lo general en un intervalo de tiempo expresada en KW o en Kva en un valor de factor de potencia específico.

Densidad de Carga: Es el cociente de la carga instalada y el área de la instalación, se expresa en Va/m2 y para los propósitos de una instalación eléctrica estos valores vienen especificados en tablas con los valores más comunes sobre todo para instalaciones industriales.

Demanda máxima: Es la máxima demanda que se tiene en una instalación o en unsistema durante un periodo de tiempo especificado por lo general en horas.

Factor de carga: En la mayoría de los casos la carga no es constante durante el año o durante un periodo de tiempo especificado considerado como representativo, ya que por ejemplo en las industrias estos valores varían de acuerdo a la producción de temporada de dicha industria.

Ecuación 2.14 Calculo de factor de carga

Factor de Demanda: Se puede definir como el cociente de la demanda máxima de un sistema y la carga instalada en el mismo.

Ecuación 2.15 Calculo del factor de demanda

Factor de diversidad: Es el resultado de sumar todas las demandas máximas individuales correspondientes al circuito en análisis y dividirlo para la demanda máxima de la instalación.

Ecuación 2.16 Calculo de factor de diversidad

Factor de Simultaneidad: Es un valor menor o igual a la unidad y este valor indica con qué frecuencia coinciden las cargas conectadas al mismo circuito en ese mismo instante de tiempo.

Ecuación 2.17 Calculo de factor de simultaneidad

2.11 Criterios de elección del transformador

  • Nivel de voltaje primario y secundario
  • Potencia instalada
  • Tipo de instalación, intemperie cabina PADMOUND.
  • Tipo de sistema conexión monofásicos TRIFSICOS.
  • Características constructivas (refrigerante, aislamiento, tipo de montaje)
  • Dimensionamiento de los componentes de las redes dedistribución

2.11.1 Dimensionamiento de los conductores de la red

Para el cálculo de los conductores de una red eléctrica hay que tomar en cuenta dosfactores fundamentales la corriente a transportar y la caída de tensión.

Corrientes de Cortocircuito:

Se produce un cortocircuito en un sistema de potencia, cuando entran en contacto, entre si o con tierra, conductores de varias fase.

Los valores de las corrientes de cortocircuito están sobre las 5 a 20 veces el valor de la corriente de carga.

Para simplificar el cálculo de las corrientes de cortocircuito se podrían tomar en cuenta las siguientes hipótesis simplificadas:

  • No se consideran las impedancias variables (producidas por los arcos).
  • Se prescinde de las corrientes de cargas previas.
  • Las impedancias de la red serán constantes.
  • La potencia de alimentación se considerar infinita.

La siguiente tabla nos indica las correspondencias de algunos de los componentes más comunes en las redes eléctricas.

Tabla 2.6 Tabla de impedancias de los componentes de un sistema eléctrico

Basados en todos estos parámetros podríamos establecer que una línea se compones de los siguientes elementos:

  • Una fuente de tensión alterna constante VF.
  • Una impedancia Zcc (compuesta por todas las impedancias que se encuentran en el circuito en la parte anterior al cortocircuito).
  • Una impedancia ZS correspondiente a la carga.

Cuando se produce un defecto de impedancia despreciable entre los puntos A y B, aparece una intensidad de cortocircuito permanente ICC; la cual es muy elevada, y cuya limitante es únicamente la impedancia Zcc.

Figura 2.10 Esquema de impedancias de sistema eléctrico

Cuando se produce un cortocircuito la corriente inicial es bastante alta pero va disminuyendo en amplitud gradualmente hasta llegar a un valor que se denomina corriente permanente de cortocircuito. Se pueden llegar a producir dos casos:

  • Corrientes de cortocircuito simétricas: Se produce cuando en el momento del cortocircuito la f.e.m. del generador es máxima. La intensidad en este caso tiene forma simétrica.
  • Corriente de cortocircuito Asimétrica: Cuando el valor de la f.e.m. del generador es distinto de su valor máximo. La intensidad, al inicio tiene forma asimétrica y una amplitud mayor a la anterior, debido a que a la componente alterna se le superpone una componente unidireccional.

La amplitud máxima de la corriente de cortocircuito asimétrica es igual a 1.8 veces la amplitud de la corriente de cortocircuito simétrica.

Figura 2.11 Esquema de las clases de corto circuito

2.12 Clases De Cortocircuitos Producidos En Las Redes Eléctricas.

Cortocircuito Trifásico: Esto sucede cuando se ponen en contacto las tres fases en un mismo punto. Se podría considerar como el cortocircuito más severo en la mayoría de los casos.

Cortocircuito Bifásico: Cuando entran en contacto 2 fases cualquiera del sistema.

Cortocircuito Bifásica a tierra: Entran en contacto dos fases cualquiera y la tierra del sistema.

Cortocircuito Monofásico: Al ponerse en contacto una fase cualquiera con la tierra del sistema es el cortocircuito más común.

El cálculo de la intensidad de cortocircuito se basa en el cálculo de la impedancia Zcc, la misma que es la impedancia equivalente a todas las impedancias (de la fuente y las líneas) recorridas por la Iccdesde el generador hasta el punto de defecto.

Figura 2.12 Esquema de clases de corto circuitos trifásicos

Para el cálculo de una falla ocurrida en un sistema de distribución se pueden utilizar las siguientes formulas.

Intensidad de Cortocircuito Icc en el punto o

Ecuación 2.18 Cálculo de la intensidad de corriente de cortocircuito

Dónde:

  • Scc=Potencia del cortocircuito.
  • Icc=Corriente de cortocircuito.

Impedancia de Cortocircuito:

Ecuación 2.19 cálculo de la impedancia de cortocircuito

Dónde:

  • V2L=Tensión del secundario
  • Ucc=Tensión de corto circuito.
  • Sn=Potencia Nominal.

Impedancia en el secundario del transformador

Ecuación 2.20 Calculo de impedancia del secundario del transformador

Además se puede obtener la intensidad de choque en base a la siguiente relación:

Ecuación 2.21 Cálculo de la intensidad máxima de cortocircuito

2.13 Calculo De Protecciones.

Para poder colocar las protecciones necesarias el circuito se necesita saber 2 valores de corriente de cortocircuito:

  • La corriente máxima de cortocircuito (al principio de la línea), cortocircuito trifásico, que determina:
  • El poder de corte de los interruptores.
  • El poder de cierre de la aparamenta.

2.13.1 Procedimiento de elección de un elemento de protección.

Los fusibles funden a sobrecargas con una intensidad de fusión (en tiempo real=60seg) igual al resultado de multiplicar el coeficiente de fusión del fusible por la intensidad nominal del fusible.

Los fusible funden a cortocircuitos con unas intensidades mayores o iguales a IF5(valor de la intensidad de fusión del fusible en 5 segundos), ya que salvo que sean de fusión rápida, los fusibles deben fundir como muy tarde a los 5 segundos de producirse el corto. (Siempre y cuando se encuentre bien calculado).

Para elegir el fusible, partimos de un circuito con un conductor conocido, que tiene una Imáxadms superior a la que pasará por él. Por ello, se cumplirán las siguientes condiciones:

2.13.2 Condiciones para la elección de la IN del fusible:

IC (A) <= IN (A) del fusible <Imáxadms (A)

Ecuación 2.22 Ecuación para la elección del fusible

Dónde:

  • Ic (A): Corriente del conductor.
  • IN: Corriente nominal de fusible.
  • Imáxadms: Corriente Máxima Admisible.

La intensidad de cálculo será menor o igual que la nominal del fusible, y esta a su vez, estará por debajo de la máxima admisible que admita el conductor. Si esto último no se cumple, habría que elevar la sección del conductor.

2.13.3 Condición de protección frente a sobrecargas: (Si se pueden dar)

Is (A) = CFF x IN (A) 1,45Imáxadms (A)

CFF= Coeficiente de Fusión del Fusible.

El valor del CFF depende de la IN del fusible.

Is(A) = La intensidad de sobrecarga del fusible (resultado de multiplicar el coeficiente de fusión del fusible por la intensidad nominal), que produce la fusión segura del fusible a tiempo convencional, será menor o igual que la Imáxadms que soporta el conductor incrementada en un 45% (norma UNE 20460). Si no se cumple, habría que elevar la sección del conductor.

Para hallar el coeficiente de fusión del fusible, hay que utilizar la curva de fusión del fusible, y hallar la intensidad de fusión If, en el tiempo convencional de sobrecarga.

Tabla2.7 Tabla de coeficientes de fusión de fusibles tipo cuchilla

2.13.4 Condición de la elección de corte.

El fusible debe tener un poder de corte (KA) elegido del catálogo, superior a la máxima corriente de cortocircuito que pueda pasar por él, para asegurar que se funde antes de autodestruirse.

Dicha intensidad de cortocircuito será la del tripolar simétrico o la del cortocircuito fase-tierra según sea trifásica o monofásica la instalación a proteger.

2.13.5 Condición de protección frente a cortocircuitos I:

Significa que la intensidad de fusión del fusible en 5 segundos, debe de ser menor que la intensidad que aguanta el conductor al producirse un cortocircuito que dure los 5 segundos. Si no se cumple, hay que elevar la sección.

De esta forma aseguramos que cuando se funde el fusible a los 5 segundos, por el cable habrá pasado una intensidad inferior a la máxima que puede soportar, y por lo tanto el conductor no habrá superado su temperatura de cortocircuito.

Tabla 2.8 valores para escoger el amperaje del fusible

2.13.6 Condición de protección frente a cortocircuitos II:

Mediante esta condición aseguramos que una corriente pequeña de cortocircuito, no sea confundida por el fusible como una sobrecarga, y por lo tanto, si el fusible la ve mayor que la IF5, entonces fundirá en menos de 5 segundos, que es el tiempo máximo que puede durar un cortocircuito.

Puede suceder que no se cumpla la condición anterior, por ser la intensidad permanente de cortocircuito al final del conductor menor que la intensidad de fusión del fusible en 5 segundos. Entonces habrá que elevar la sección del conductor y calcular de nuevo "Zt = Zf" e "Ipccf" (ya que varía al cambiar impedancia del último tramo) y comprobar otra vez la quinta condición.

2.13.7 Condición de protección frente a cortocircuitos III:

Si no se cumple esta condición, habría que elevar la sección, calculando de nuevo "Zt= Zf" e "Ipccf" (varía al cambiar impedancia del último tramo) y comprobando otravez la quinta y sexta condición.

El tiempo máximo que soporta el conductor la intensidad permanente de cortocircuito "f", deberá de ser mayor que el tiempo máximo que tarda en fundir el fusible al pasar por él dicha intensidad de cortocircuito. Con esta condición, aseguramos que la curva de carga del cable esté por encima de la curva de carga del fusible.

La fórmula que nos permite calcular el tiempo de fusión del fusible con la intensidad permanente de cortocircuito "f", se basa en que en la curva de fusible se cumple que I2x t = cte. (máximo esfuerzo térmico que puede disipar).

Elementos de Protección: Una red eléctrica tiene que estar provista de todas las protecciones tanto contra sobre corrientes y sobre voltajes, ya que mediante la correcta utilización de las protecciones se pueden eliminar las paralizaciones del servicio o daños severos en los equipos que pudieran producir por fallas eléctricas.

Dentro de la protección contra sobre corrientes se tienen los seccionadores-fusibles en MT y los fusibles NH en Baja tensión.

La protección contra sobre voltajes de origen atmosférico se lo hace mediante pararrayos, los cuales se colocan entre las líneas de distribución y los elementos que desee proteger; la conexión se realiza entre fase y tierra.

2.13.8 Seccionadores tipo Fusible:

Los seccionadores tipos fusible son comúnmente utilizados en sistemas de media tensión debido a sus características como:

  • Elemento de conexión y desconexión de circuitos.
  • Como elemento de protección.

El elemento de protección constituye el elemento fusible, que se encuentra dentro del cartucho de conexión y desconexión.

El fusible se tiene que seleccionar de acuerdo a la corriente nominal de circulación aunque los valores de corriente de ruptura vienen especificados por el fabricante para cada valor de corriente nominal.

Figura 2.13 tira fusible

Características:

  • Son instalados por lo general en el primario de los transformadores.
  • La corriente de interrupción máxima es 20KAmp en un valor de 2 a 35Kv.
  • Capacidad de corriente máxima en paso continuo=300A.

Fusibles NH: Este tipo de fusible generalmente se usa en baja tensión, constan de una base y un cartucho.

Los fusibles NH tienen un indicador de operación que consta de un alambre especialtensado en paralelo al elemento fusible, por lo que cuando este actúa este se corta y el indicador superior se levanta indicando que el fusible actuó.

Figura 2.14 fusible tipo cuchilla

Pararrayos: Un transformador puede estar sujeto a severos voltajes de rayo como consecuencia de una descarga directa a las terminales del mismo. Pueden resultar voltajes menos severos por descargas que ocurran en una parte distante del sistema o por descargas a tierra cerca del sistema.

Como el voltaje producido por un rayo puede sobrepasar la resistencia del aislamiento del transformador, es necesaria su protección.

Los pararrayos son dispositivos que nos permiten proteger las instalaciones contrasobretensiones de origen atmosférico.

El pararrayos se encuentra conectado permanentemente en el sistema, opera cuando se presenta una sobretensión de determinada magnitud, descargando la corriente a tierra.

La función del pararrayos no es eliminar las ondas de sobretensión presentadas durante las descargas atmosféricas, sino limitar su magnitud a valores que no sean perjudiciales para los elementos del sistema.

Figura 2.15 Curva de funcionamiento de los fusibles

Las ondas que normalmente se presentan son de 1.5 x 40us (onda Americana) y 1x 40us (onda Europea). Esto quiere decir que alcanza su valor de frente en 1,5 s 1 us.

La función del pararrayos es cortar su valor máximo de onda.

Figura 2.16 Pararrayo

El pararrayos se encuentra compuesto por una serie de discos de óxido de Zinc apilados en el interior de un cuerpo cilíndrico de material aislante, por ejemplo un aislador de porcelana.

Estos discos, cada uno en contacto con su superior y su inferior, están eléctricamente conectados en serie.

El conjunto se conecta entre la línea y tierra, tiene pues un borne superior conectado a la línea y un borne inferior conectado a tierra.

Estos elementos de Oxido zinc presentan una resistencia variable con la tensión, de forma que a la tensión de servicio su resistencia es del orden de millones de Ohm (Mw) por lo cual la corriente a tierra que circula por ellos en una línea de MT es del orden del miliamperio (mA).

Al llegar a un determinado valor de sobretensión, su resistencia desciende bruscamente a valores del orden de unos pocos ohmios (10 a 20 w), con lo cual seproduce una corriente de descarga a tierra, normalmente del orden de algunos KA,que amortigua la sobre tensión por disipación de su energía. Se trata de un impulso de corriente en forma de onda de frente brusco de breve duración (unos pocos microsegundos). Una vez desaparecida la sobretensión el pararrayos recupera su resistencia inicial del orden de MΩ.

Este tipo de pararrayos se fabrican para corrientes de descarga de 5KA, 10KA y 20KA.

2.14 Sistemas De Control De Las Redes Eléctricas; Elementos De Control Y Protección.

Los equipos eléctricos necesarios mínimos para la protección tanto de las redes eléctricas como de sus componentes son los siguientes:

  • Disyuntores y seccionadores: Los mismos que se emplean para la conexión y desconexión a la red.
  • Transformadores de medida: Tanto de tensión como de intensidad, que facilitan los valores instantáneos de estas magnitudes en diversas partes de la instalación.
  • Transformadores de equipos auxiliares: Que suministran el voltaje necesario para el correcto funcionamiento de los equipos necesarios en el interior de la sala de máquinas.
  • Pararrayos o auto válvulas: Los cuales actúan como descargadores a tierra de las sobre intensidades que se producen.

2.14.1 Sistema SCADA.

El sistema SCADA (Supervisory Control and data acquisition), es un sistema utilizado en muchos procesos de producción, este sistema combina la adquisición de datos como la transmisión de los mismos, el sistema SCADA tiene la capacidad de transmitir órdenes a los dispositivos de la red.

Dependiendo de la configuración del sistema SCADA se clasifican en sistema

SCADA EMS o EMS SCADA

Ventajas sistema SCADA

  • Almacenamiento de datos y mantener un sistema de estadística de funcionamiento
  • Versatilidad en la presentación de la información
  • Mantener la supervisión del sistema mediante un sinnúmero de sensores
  • Se pueden simular condiciones de funcionamiento
  • Simplificar el control del funcionamiento del sistema
  • Minimizar el uso de personal para el control y el funcionamiento
  • Se reducen los elementos del sistema Un sistema escadapuede subdividirse en varios sub sistemas:

Instrumentación y equipos de control remotos maquinas giratorias, controladores, válvulas, contactares, y sensores en general

RTU y terminales ubicados en terreno estos equipos son los que poseen lógica tales como PLC, DCS, y IED

Sistema de comunicaciones señales de radio, radiofrecuencia, telefonía, cable, satélite, fibra óptica, además de todos los protocolos de comunicaciones.

Estación de control central (ECC) es el sistema de control formado por una red de computadoras para el control de los equipos

Sistema computacional de procesamiento de datos el software SCADA permite elanálisis a través de indicadores gráficos y alarmas derivadas de la información recibida por el ECC.

Figura 2.17 esquema del sistema de comunicación de la mini central

CAPITULO III

APLICACIÓN DEL CÁLCULO A LAS CONDICIONES FÍSICAS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

3.1 Diseño de la mini central para la planta de tratamiento de aguas residuales

El diseño de la mini central de generación hidroeléctrica consistirá en un análisis técnico económico, para determinar la factibilidad de la instalación de una mini central de generación hidroeléctrica en la PTAR.

3.1.1 Objetivos principales de la planta de tratamiento de aguas residuales

Uno de los objetivos principales de la planta de tratamiento de aguas residuales está en el devolver la calidad del agua de los ríos de la ciudad de Cuenca, para esto se conduce a través de ductos las aguas residuales a lo largo de las riveras de los ríos de la ciudad de Abancay hacia la planta de tratamiento de aguas residuales.

Al recuperar la calidad del agua se puede reutilizar el efluente de la planta de tratamiento de aguas residuales en actividades tales como riego, cultivo de peces, recreación, generación de energía hidroeléctrica, etc.

3.1.2 Características generales de la planta.

La planta de tratamiento de aguas residuales de ETAPA, está constituida por una estructura de tratamiento preliminar y dos módulos de tratamiento independientes, el área de tratamiento preliminar está compuesta por:

  • Interceptores.
  • Cajón de llegada.
  • Cribas auto limpiante.
  • Desarenadores.

Y dos módulos de tratamiento independientes compuestos por:

  • Lagunas aireadas.
  • Lagunas facultativas.
  • Lagunas de maduración.

3.1.3 Interceptores

Los interceptores son los encargados de captar las aguas residuales y conducirlas hacia la planta, es una red de ductos que tiene una longitud alrededor 50Km.

3.1.4 Cajón de llegada

El cajón de llegada es el encargado de romper la presión del emisario final además de servir de bypass, para controlar el caudal que ingresa a la planta en épocas de lluvia, y con esto salvaguardar los equipos de la planta y el proceso de tratamiento de lasaguas residuales.

El caudal de diseño del cajón es de 3.65 m3/s, el caudal máximo horario en tiempo seco ha sido determinado como 2.27m3/s.

Medidas:

  • Longitud = 11.6m; ancho=5m altura 2,5m; espesor de las paredes =0,30m.
  • Vertedero bypass
  • Longitud =10m; altura = 1.1m ancho de canal = 1.5m diámetro de la tubería de descarga1000mm
  • Compuerta de admisión
  • Altura = 1,3m; ancho = 1,3m

3.1.5 Cribas mecánicas auto limpiantes

Las tres cribas están construidas aguas abajo del cajón de llegada las cribas tienen como misión eliminar los sólidos que tengan un diámetro mayor a 20mm, para alargar la vida útil de la planta, así como cuidar que estos elementos sólidos no interfieran en los procesos biológicos del tratamiento.

Dimensiones:

  • Ancho de canal 1.5m
  • Longitud del canal = 5m
  • Número de unidades = 3
  • Capacidad de remoción= 680l/s C/U
  • Operación = automática y manual
  • Forma de las barras = rectangular
  • Espaciamiento entre barras = 20mm
  • Dimensiones de las barras= 10*50mm
  • Angulo de inclinación=75º
  • Velocidad del rastrillo principal = 3m/minuto
  • Motor reductor = 1.5HP (1800 rpm)
  • Accionamiento de rastrillo = cable galvanizado 3/8”.
  • El cable esta enrollado en dos carretes de 300mm de diámetro
  • Tablero de mando, control, calibración, etc.
  • Compuertas de ingreso y salida.
  • Estructuras de acceso y escaleras de seguridad.
  • Banda transportadora de desechos cribados hacia contenedores estándar de la empresa municipal de aseo para evacuación mediante conteiner.
  • Número de contenedores =3
  • Sistemas de rieles para alternancia de contenedores
  • Estructuras de fondo en contenedores para escurridos de deshechos cribados
  • Los desechos cribados son continuamente cubiertos con cal para evitar problemas ambientales
  • Rastrillos para limpieza manual de cribas en épocas de lluvia.

3.1.6 Desarenadores.

La planta tiene dos unidades que están diseñados para trabajar con el 100% del caudal de diseño con una sola unidad, la misión de los desarenadores es la de evacuar las partículas con un diámetro mayor a 0.2mm, y cuyo peso específico sea mayor o igual a 2.65, o con velocidades de sedimentación superiores a las de los sólidosorgánicos, al evacuar estas partículas se alarga la vida útil de las lagunas; además dealargar los periodos de tiempo para la limpieza de los sedimentos acumulados en las lagunas.Dimensiones del desarenador.

  • Número de unidades 2
  • Ancho 10m largo 10m
  • Profundidad 1.45m
  • Operación automática local y remota
  • Tablero de control
  • Dimensiones del transportador de arena
  • Diámetro 200mm
  • Longitud 10m
  • Número de unidades 2
  • Angulo de inclinación 25º
  • Operación automática local y remota
  • Capacidad de remoción 10m3/día

3.1.7 Lagunas aireadas

Luego que las aguas son sometidas al filtrado de elementos sólidos en el área de pre tratamiento estas pasan a las lagunas aireadas que están situadas aguas abajo con respecto a los desarenadores.

En estas lagunas se asimila la materia orgánica soluble y además se reduce el conteo bacteriano.

Características:

Los Taludes de las lagunas están construidos por hormigón lanzado con armadura metálica, con mezcla asfáltica en las juntas de las losetas y se encuentra impermeabilizado en el fondo con arcilla compactada

La conducción del agua hacia las lagunas se lo realiza a través de una tubería de 1m de diámetrola misma que se encuentra sumergida.El vertedero de la laguna tiene una forma rectangular de 10m de longitud con un cajón de carga para la conducción mediante tubería hacia la siguiente etapa del tratamiento.

Dimensiones:

  • Área 6Ha. 3ha c/u profundidad 4.5m.
  • Número de unidades 2 en paralelo.
  • Inclinación de taludes 2:1.
  • Volumen 135000m3 c/u.
  • Total de aireadores 10 unidades, en c/u potencia 75HP con un ángulo de inclinación 45º c/u velocidad de rotación de 1750 rpm.
  • Los aireadores son flotantes de alta velocidad de eje inclinado.
  • Sensores de oxigeno con transmisor e indicadores.
  • Sensores de profundidad con transmisores e indicadores.
  • Controles eléctricos y tableros.

3.1.8 Lagunas facultativas.

Están ubicadas aguas abajo de las lagunas aireadas, la tubería de ingreso es de 0,90m de diámetro, en esta etapa del tratamiento se asimila los sólidos biológicos, en estas lagunas se dan las condiciones ideales para la mortalidad bacteriana y se asegura una adecuada remoción de nematodos intestinales.

El vertedero de la laguna tiene las mismas características que el vertedero de las lagunas aireadas, por lo demás la estructura de los taludes es similar en todas las lagunas.

Dimensiones:

  • Áreas de las lagunas 13Ha c/u
  • Profundidad 2m
  • Número de unidades 2 en paralelo
  • Inclinación de taludes 2:1
  • Volumen 260000m3 c/u
  • Sensores de oxígeno y temperatura con transmisor e indicadores
  • Sensores de profundidad con transmisores e indicadores
  • Controles eléctricos y tablero

3.1.9 Lagunas de maduración.

En las unidades de maduración se sigue el proceso biológico iniciado en las anteriores etapas del tratamiento, eliminar contaminación remanente de los procesos anteriores y evacuar las aguas al rio.

Las características de los taludes y el vertedero son similares a las lagunas de las etapas anteriores.

Dimensiones:

  • Área de las lagunas 7.4 Ha superior 5.6Ha inferior
  • Número de unidades 2 en paralelo
  • Inclinación de taludes 2:1
  • Profundidad de las lagunas 2m
  • Volumen 148000m3 superior 112.000m3 inferior
  • Sensores de oxígeno y temperatura con transmisor e indicadores
  • Sensores de profundidad con transmisores e indicadores
  • Controles eléctricos y tablero

3.2 Reconocimiento.

En la fase de reconocimiento analizamos los lugares dentro de la planta que presentan las condiciones para la instalación de las turbinas para la mini central para esto observamos los siguientes lugares dentro de la planta:

Tabla3.1 Reconocimiento de lugares con potencial para instalación de mini turbinas

3.2.1 Determinación de las alturas

Para determinar las alturas vamos a utilizar el método del nivel que es un método preciso y adecuado para pequeños saltos geodésicos

Figura3.2 Método del nivel para determinar las alturas de la planta de tratamiento de aguas residuales

Figura 3.3 Esquema de distribución de las lagunas en la PTAR

Tabla3.2 Altura Y Caudal Promedio Entre Lagunas de la planta de tratamiento de aguas residuales.

3.3 Diseño de la mini central a instalar en la planta de tratamiento de aguas residuales.

Una vez culminada la fase de recolección de datos vamos a proceder a realizar los cálculos para el diseño de la mini central en la planta de tratamiento de aguas residuales.

3.3.1 Dimensionamiento de los componentes de la mini central

En esta fase tomamos en consideración que la planta está en etapa de funcionamiento normal así que hay que tratar de no modificar el funcionamiento de la planta tanto para abaratar costos como para no modificar que el tratamiento del agua ya que no hay que olvidar que el agua que vamos a utilizar está en tratamiento.

3.3.2 Obras de captación y canales de conducción.

Las obras de captación y canales de conducción del agua para la mini central será la misma red de interceptores instalados a lo largo de los causes de los ríos de la ciudad de Cuenca, así como toda la red de alcantarillado de la ciudad.

3.3.3 Aliviadero

El aliviadero de la mini central será el sistema de Bypass instalado en el cajón de llegada de la planta de tratamiento de aguas residuales, sistema descrito en la explicación de funcionamiento del cajón de llegada.

3.3.4 Limpia rejas de la mini central

La función de limpia rejas de la mini central la cumplirá el sistema de cribas instalado en la PTAR.

3.3.5 Desarenador de la mini central.

Los desarenadores instalados en la planta de tratamiento de aguas residuales, servirán como des arenadores para la mini central.

3.3.6 Tanque de presión.

El tanque de presión de la mini central serán los tanques de presión instalados en los aliviaderos que conducen el agua entre laguna y laguna de la planta de tratamiento de aguas residuales.

3.3.7 Tubería de presión.

La tubería de presión para las mini turbinas será la misma tubería que transporta el agua entre las lagunas que hacen parte del tratamiento de las aguas residuales.

3.3.8 Casa de máquinas.

La casa de máquinas de los grupos generadores serán estructuras pequeñas instaladas en el sector de los aliviaderos donde irán instaladas las mini turbinas

Figura3.4 Diagrama de casa de maquinas

3.3.9 Órganos de cierre de caudal.

Los órganos de cierre de la mini central, serán las mismas compuertas que permiten la apertura y cierre de caudal de la planta de tratamiento de aguas residuales , estas compuertas están ubicadas

1. En el cajón de llegada.

2. En el ingreso de caudal hacia los desarenadores.

3. En el ingreso a las lagunas aireadas.

3.3.10 Equipos auxiliares

Como equipos auxiliares de la mini central están todos los equipos que hacen partedel sistema ESCADA instalado en la planta ya que gracias a este sistema se podrá obtener un sistema de control y registro de los datos de la mini central

3.4 Elección Del Tipo De Turbina A Instalar En La Planta De Tratamiento De Aguas Residuales.

Con los datos de alturas y caudales de la tabla 3.3 procedemos a escoger el tipo de turbina que podríamos utilizar en la PTAR, la turbina a escoger deberá cumplir ciertas condiciones para que nos brinde un mayor rendimiento con las condiciones de los saltos y caudales de la planta, para esto utilizaremos la siguiente curva

Figura 3.5 Curva relación entre altura y caudal de los diferentes tipos de turbina

De la curva determinamos que para las condiciones de caudal y alturas de la PTAR las turbinas que podríamos utilizar son las turbinas tipo Kaplan, Francis

3.5 Elección de la turbina

Como conclusión del análisis del rendimiento de las turbinas tomamos la decisión de utilizar una turbina tipo Kaplan por las siguientes razones:

  • La turbina mantiene el rendimiento estable a diferentes ingresos de caudal.
  • La construcción de la obra civil no implica gran variación de la infraestructura existente.
  • La tubería forzada no sufriría ningún cambio significativo.
  • Al no modificar de gran manera las instalaciones actuales el impacto generado será mínimo.

3.6 Calculo referencial de las características de la turbina.

Como sabemos en el mercado podemos encontrar gran variedad de ofertas de mini turbinas, que son construidas en serie abaratando los costos es por eso que vamos a realizar un cálculo referencial de los componentes de las mismas ya que a la hora de la ejecución del proyecto la opción más factible será la compra de una turbina construida en serie.

Figura 3.6 esquema de turbinas a instalar en la planta.

Como determinamos en los puntos anteriores las turbinas que utilizaremos serán unas turbinas Kaplan para los seis casos en las siguientes tablas se detallaran algunos valores de los componentes de las mini turbinas.

Tabla 3.3 Tablas con las características generales de las mini turbinas a instalar en la planta de tratamiento de aguas residuales.

Como podemos observar de los resultados del cálculo de componentes de las mini turbinas para la planta de tratamientos de aguas residuales de Abancay, las dimensiones son aproximadas entre sí, considerando que en potencias pequeñas las variaciones de rendimiento no afecta en mayor medida la potencia de salida de las turbinas, se podría considerar que se puede utilizar una medida estándar para las seis mini turbinas.

3.7 Esquema de instalación de las mini turbinas en la planta de tratamiento de aguas residuales.

La propuesta es instalar las mini turbinas sobre las estructuras de los vertederos, con la finalidad de aprovechar la infraestructura existente y no modificar en gran medida las instalaciones existentes. En el siguiente grafico se presenta un esquema de la instalación de las mini turbinas

Figura 3.7 esquema del montaje de las mini turbinas en la planta de tratamiento de aguas residuales.

3.8 Elección del generador

Para la elección del generador realizaremos un análisis comparativo de las características técnicas de los diferentes tipos de generador que podríamos utilizar en la mini central para la PTAR.

3.8.1 Designación del generador adecuado.

Los generadores más comunes en el mercado son el generador síncrono y asíncrono en la siguiente tabla que compara algunas de las principales características de los mismos.

Tabla 3.4 Tabla comparativa de las características del generador

De la tabla 3.4 podemos determinar que el generador más conveniente para las mini centrales es el generador de inducción ya que ofrece las mejores características para la instalación en pequeños proyectos hidroeléctricos. Calculo de valores para escoger la potencia del generador.A continuación procedemos a ajustar las potencias de generación a potencias comerciales para poder adquirir el generador.

Tabla 3.5 tabla de potencias comerciales de los generadores.

3.8.2 Numero de polos del generador.

Tabla 3.6 Tabla de los números de polos de los generadores a instalarse en la planta

De la tabla tenemos el número de polos de los generadores escogidos de con el criterio que los generadores de inducción para trabajar necesitan que la velocidad de giro del eje debe ser mayo a la velocidad del flujo para trabajar como generador.

3.8.3 Voltaje de los generadores

El voltaje de los generadores que utilizaremos en la planta de tratamiento será de 460V ya que es un voltaje estandarizado para motores de las potencias que van a tener en las turbinas.

3.8.4 Características de los generadores a instalarse en la planta

Tabla 3.7 Tabla con las características de los generadores instalados en la PTAR

En la tabla 3.7 tenemos el resumen de las características de los generadores que vamos a instalar en las mini turbinas en la planta en la columna potencia comercial tenemos los valores de potencia comercial de las mini turbinas como vemos hemosajustado las potencias a 20Kw para estandarizar los valores para reducir costos en mantenimiento y manejo de los generadores. Solamente el generador de la maduración 1 es de un diferente valor ya que la diferencia de potencias es alta.

3.8.5 Sistemas de regulación y control para generadores.

Para la regulación de los generadores vamos a tener que utilizar un sistema de regulación de caudal variando el ángulo de los alabes de la turbina de acuerdo a la carga que se tenga en las turbinas.

3.8.6 Automatización de la Mini Central de la planta de tratamiento de aguas residuales.

La automatización de una minicentral permite reducir los costes de operación y mantenimiento, aumentar la seguridad de los equipos y optimizar el aprovechamiento energético de la instalación.El control de la mini central tendrá que estar en capacidad de manejar las siguientes variables:

Figura 3.8 Representación gráfica de las características de las variables de control de la mini central

El sistema de automatización y control de la mini central debe estar en capacidad de adaptarse al sistema conectado actualmente en los equipos de la PTAR este sistema de control es el sistema de la empresa siemens.

3.8.7 Elección del transformador

El transformador elevador para la transmisión de la energía generada en las turbinas tiene que ser de las siguientes características

Tabla 3.8 Tabla con las características de los transformadores elevadores de la mini central

Siguiendo con el criterio de estandarizar los valores de los elementos de la minicentral podemos concluir que necesitamos 5 transformadores de 30 KVA y 1 transformador de 50 KVA con las características de voltaje y conexión expuestas en la tabla 3.17

3.8.8 Análisis del uso que se podría dar a la energía generada en este proyecto.

La cantidad de energía teórica calculada con el caudal promedio de la planta nos podría servir para abastecer las estaciones de transformación instaladas en los postesen el área de las lagunas de la PTAR. Estos transformadores se reflejan en la siguiente tabla:

Tabla 3.9 Tabla con las potencias diversificadas de la planta de tratamiento

Las turbinas de las mini centrales se instalaran en un sistema eléctrico que enlazaría las seis turbinas que generarían 140 KW, de esta manera alimentar el consumo de la planta de lodos, y los sistemas de iluminación y de dragado de las lagunas como se indica en el plano anexo el sistema utilizaría el cableado ya instalado en la planta de esta manera existiría un ahorro en la implementación del sistema de distribución.

Tabla 3.10 Tabla de los transformadores alimentados con la energía de la mini central

Tomando en cuenta los factores de diversificación podemos decir que necesitamos 105 kV para alimentar estos transformadores de la planta, energía que podríamos brindar con la instalación de las mini centrales en la planta de tratamiento de aguas residuales.

Entonces concluimos que la potencia que se generaría en las mini turbinas seria la necesaria para alimentar estas estaciones de transformación instaladas en la planta de tratamiento de aguas residuales.

CAPITULO IV

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

4.1 CONCLUSIONES.

  • Los pequeños proyectos hidroeléctricos son una alternativa para el desarrollo de la población en áreas rurales, nuestro proyecto busca incentivar la utilización de la infraestructura existente, construida en áreas urbanas para la instalación de pequeños proyectos hidroeléctricos, con la intención de reutilizar la infraestructura reduciendo así los costos y ampliando la probabilidad que los proyectos lleguen a su ejecución.
  • El proyecto de diseño de la mini central en las instalaciones de la planta de tratamiento de aguas residuales en illanlla de la ciudad de Abancay es factible, gracias a la reutilización de lainfraestructura existente dentro de la planta.
  • De acuerdo al análisis de rentabilidad económica nuestro proyecto es rentable a largo plazo, pero cabe recalcar los beneficios a obtener inmediatamente:
  • Se contara con un sistema de autogeneración para el consumo interno de la planta (el 10% del consumo total de la planta).
  • Al aprovechar la infraestructura existente minimizamos el impacto generado ya que el ecosistema que utilizamos es un ecosistema ya modificado.
  • La potencia teórica calculada de la mini central podría abastecer la demanda para el funcionamiento de la planta de lodos y el sistema de iluminación de las lagunas. Yaqué este sistema necesita 105 Kw de carga diversificada para su funcionamiento, y las mini centrales estarían en capacidad de generar 145 KW, con los caudales mínimo de ingreso de los últimos diez años.
  • Con la generación de energía eléctrica mejoramos la eficiencia y potenciamos los objetivos de la planta que es la protección del medio ambiente ya que se tendrá una fuente de energía renovable con un recurso renovable. De acuerdo con el análisis estadístico de los caudales promedio de ingreso a la planta podemos obtener la siguiente tabla de proyección de energía generada.

4.2 RECOMENDACIONES.

  • Analizar otras energías alternativas para plantear un sistema hibrido que pueda suplir la totalidad de lademanda de energía eléctrica de la planta.
  • Plantear un sistema de control que opere la planta en paralelo con el sistema para aprovechar el 100% de la energía cinética de la planta de tratamiento de aguas residuales.
  • Fomentar la investigación y construcción de turbinas hidroeléctricas en el país porque gracias a la topología nacional, poseemos un gran potencial cinético para generar energía hidroeléctrica.
  • Realizar estudios de factibilidad en otras instalaciones que presenten las condiciones para la instalación de mini centrales.
  • Incentivar los estudios para la instalación de mini centrales en los nuevos proyectos que manejen agua fluyente.
  • Utilizar un sistema de automatismo para el control de las turbinas con el fin de reducir el costo de operación del sistema.
  • De acuerdo al análisis estadístico de los caudales de ingreso podemos darnos cuenta que se podría generar mayor energía eléctrica para suplir un porcentaje mayor de la energía que se consume en la planta de tratamiento de aguas residuales.

BIBLIOGRAFÍA Y REFERENCIAS.

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  • ORTIZ Ramiro “ pequeñas centrales hidroeléctricas” segunda edición, editorial mexicana 1982
  • OLADE “manual de diseño estandarización y fabricación de equipos para Pequeñas centrales hidroeléctricas volumen 1 1983
  • CASTRO “ mini centrales hidroeléctricas Madrid 2006
  • L. TAPIA “operación de subestaciones” ecuador 2005
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