Post on 18-Jul-2018
Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas Reversibles.
Profesores:
• Marcelo Rojas Coronel, Universidad Señor deSIPAN – Chiclayo – Perú,
• Jesús Alberto Pérez Mesa, EAFIT
• Víctor Hugo Sánchez, Argemiro Collazos yRamiro Ortiz F – UNIVALLE.
Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas
Reversibles.
Contenido:1. Importancia de las MicroCHE en el desarrollo rural. 2. Las MicroCHE en el contexto rural de Perú. 3. Estudios y obras civiles de las MicroCHE .4. Aplicación de las máquinas reversibles en MicroCHE.5. La Bomba como turbina - PUT. 6. Modelación Numérica de una PUT.7. El motor asíncrono como generador. 8. Estabilidad electromecánica.
Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas
Reversibles.
Agenda:
Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas
Reversibles.HORA JUEVES VIERNES
8 - 9 Importancia de las MicroCHE Modelación Numérica de una PUT
9 - 10 Las MicroCHE en el Perú Obras civiles de las MicroCHE
10 - 11 Estudios de las MicroCHE El motor asíncrono como generador
11 - 12 Las máquinas reversibles en MicroCHE.
Estabilidad electromecánica
RECESO
2 - 4 La Bomba como turbina - PUT Práctica de laboratorio.
4 - 6 Práctica de laboratorio. Práctica de laboratorio.
Prof´s: Víctor Hugo Sánchez MsC, Argemiro Collazos MsC y Ramiro Ortiz F Ramiro Ortiz Flórez (PhD)
Laboratorio de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas.
Escuela de Ingeniería Eléctrica y Electrónica – EIEEvictor.sanchez@correounivalle.edu.co,
arjemiro.collazos@correounivalle.edu.co,
ramiro.ortiz@correounivalle.edu.co;
Microcentrales Hidroeléctricas con aplicación de Máquinas
Reversibles.
Importancia de las MicroCHE en el desarrollo rural.
1. Objetivos del milenio.
2. http://www.gapminder.org/videos/hans-rosling-and-the-magic-washing-machine/
3. Micro CHE.
Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM).
En la Cumbre del Milenio de las Naciones Unidasrealizada en septiembre del 2000, los líderesmundiales dieron al desarrollo un lugar centraldentro del plan de acción mundial al suscribir laDeclaración del Milenio, de la cual luegoextrajeron los Objetivos de Desarrollo delMilenio (ODM).
Objetivos de Desarrollo del Milenio (ODM).
Los ODMs plantean metas concretas con plazosestablecidos para reducir drásticamente lascondiciones de extrema pobreza en susmúltiples dimensiones hasta el año 2015:pobreza de ingresos, hambre, enfermedades,exclusión, falta de infraestructura y refugio; almismo tiempo promueven la igualdad degénero, la educación, la salud y la sostenibilidaddel medio ambiente.
Los Objetivos de Desarrollo del Milenio
1. Erradicar la pobreza extrema y el hambre.
2. Lograr la enseñanza primaria universal.
3. Promover la igualdad entre los géneros y laautonomía de la mujer.
4. Reducir la mortalidad infantil.
5. Garantizar la sostenibilidad del medio ambiente.
6. Fomentar una asociación mundial para eldesarrollo.
Nuevo mandamiento
ELPAIS.com >Sociedad
El Vaticano considera "pecado grave" atentar contra el medio ambiente.El cardenal Martino dice que hace falta "un cambio de vida en Occidente" para comprender la importancia del equilibrio de la naturaleza EFE - Roma - 07/06/2007
http://www.elpais.com/articulo/sociedad/Vaticano/considera/pecado/grave/atentar/medio/ambiente/elpepusoc/20070607elpepusoc_3/Tes
DESARROLLO DE LA ENERGÍA ELÉCTRICA UTILIZANDO SUS
RECURSOS HIDROENERGÉTICOS EN PEQUEÑA ESCALA.
Tipo Potencia (kW) Usuario
Picocentrales (PicoCHE) 0,5 y 5 Finca o similar
Microcentrales (MicroCHE) 5 y 50 Caserío
Minicentrales (MiniCHE) 50 y 500 Cabecera municipal
Pequeñas Centrales (PCH) 500 y 10000 Municipio
Clasificación para pequeños aprovechamientos
hidroenergéticos según la capacidad instalada y el
tipo de usuario en las ZNI (fuente: OLADE).
Proyecto PCH
Costos en miles Características
US$ US$/KwPotencia
(kW)
Caudal
(m3/s)
Caída
(m)
Taraira 225 7,5 30
La Chorrera 205,7 1,18 2*87.5 2,2 12
Pizarro 3900 5,9 3*220 17 4,9
Jurado 8000 8,0 1*500, 2*250 5,4 23,6
San Pedro 22150 1,38 2*8000 24 80
Guapi
(propuesto)25000 1,22 3*6000 23,7 91,1
Mitú 26397 14,6 1800 71 2,7
Costos de construcción de PCH´S realizados en las ZNI
(tomado de la página: www.ipse.gov.co/).
Ítem PCH (1,5 MW, 14 m)
Trabajos de montaje y
construcción.
30 –35
Equipo electromecánico. 50 – 60
Estudios y diseño. 10 - 15
Distribución porcentual de los costos de
construcción de una PCH (datos procesados y
tomados de la International Energy Commission).
Costo por kilowatt instalado para Mini CHE en función de la caída (THERMIE)
Zonas No Interconectada (fuente IPSE)
2. Estudios de las MicroCHE.
Proceso de conversión de energía
Regulador de caudal
Regulador de tensión
Energía mecánica
Energía hidráulica
Energía eléctrica
Mini CHE en derivación de alta caída.
Mini CHE en derivación de alta caída.
la potencia hidráulica total ,
dada en kilowatts es igual a:
QHP estH 81,9
donde: Q es el caudal dado en
(m3/s) y H es la caída en (m).
La potencia hidráulica
Tipos de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas
TipoCaída (m)
Baja Media Alta
Micro H>15 15<H<50 H>50
Mini H<20 20<H<100 H>100
Pequeña H<25 25<H<130 H>130
Demanda de energía
Cartografía
PLANO GENERAL
Medición de la caída.
Clinómetro
Plano cartográfico
Opciones de aprovechamiento
Perfil de la tubería.
Hidrología
Histograma
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0 20 40 60 80 100 120 140
Curva de frecuencia
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%
Curva de frecuencias y probabilidades.
Medición de caudal.
Potencia y Energía.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Energía firmeEnergía adicional
Hidroenergía
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Energía firme
PotInst
Hidro
Adicc
Hidro
Firme
HidroHidro
E
EEFC
Energía adiccional
Factor de carga Hidroenergético
3.Obras civiles de las MicroCHE
MiniCHE en derivación
Obras hidráulicas de la MiniCHE
MiniCHE en derivación
Mini CHE en derivación de baja caída.
Bocatoma Tirol
Bocatoma Tirol
Bocatoma Tirol
Bocatoma Tirol
Bocatoma Tirol
La toma temporal sobre el río Misicuni es una toma de hormigón ciclópeo, tipo tirolesa, con capacidad de 1 m3/s, un vertedero lateral, canales, un desarenador, una cámara de distribución y dos líneas de tubería tipo alvenius de 400 mm de diámetro y de 450 m de longitud hasta el portal Bocatoma.
www.misicuni.net/.../images/toma-temporal-01.jpg
Bocatoma lateral.
Bocatoma lateral.
Bocatoma lateral
Bocatoma lateral.
Bocatoma lateral
Bocatoma lateral
Desarenador
Desarenador
Desarenador
www.chavimochic.gob.pe/.../Fotos/Camara4.JPG
Desarenador
www.chavimochic.gob.pe/.../Fotos/Camara4.JPG
Desarenador
www.chavimochic.gob.pe/.../Fotos/Camara4.JPG
Conducción.
Canal
Canal
Canal
Canal
Rebosadero
Tanque de carga
Tanque de carga
Tanque de carga
Tanque de carga
www.chavimochic.gob.pe/.../Fotos/Camara4.JPG
Conducción a presión.
Conducción a presión.
Conducción a presión.
Conducción a presión.
hercules.cedex.es/.../Ecuador/phase_obras.htm
Apoyos.
Apoyos
Anclajes.
Anclajes.
Selección del diámetro de la tubería.
Accesorios.
Válvulas
Válvulas
Equipo electro mecánico.
Turbina Francis
Turbina Francis
Turbina Pelton
Turbina Pelton
Turbina Michel - Banki
Turbina Michel - Banki
Turbina Kaplan
Turbina Kaplan
Turbina de reacción y de acción.
Rango de operación de las turbinas.
Rango de operación de las turbinas.
Generador eléctrico.
Generador sincrónico.
Generador asíncrono.
4. BOMBAS COMO
TURBINAS
Máquinas reversibles operando en modo motobomba y en modo turbina generador
Costo por unidad de potencia para proyectos de generación hidroeléctrica en pequeña escala.
Curva de eficiencia de la bomba en modo directo e inverso
Cuidados en el uso de PUT.
Por ello deben verificarse las siguientescondiciones de operación en modo turbina yelementos de diseño:• Velocidad de embalamiento..• Cavitación.• Requerimientos en el diseño. cambiar el
sentido de las roscas, chequear los límites depresión de la carcasa, verificar que el eje puedaresistir el torque ejercído y que los cojinetes seajustan a la nueva velocidad.
• Regulación de la potencia mecánica.
Sentido de las roscas
Velocidades a la entrada y salida de la turbina.
Velocidades a la entrada y salida de la bomba.
Métodos a partir de las características hidráulicas en el modo bomba
Los autores de este método, indican que las condiciones de caudal, altura y eficiencia
entre el modo bomba y modo turbina, están relacionados a través de coeficientes, de la
siguiente forma:
BQT QKQ , BHT HKH y BT K;
donde:
TQ y BQ son los caudales en el punto de óptima eficiencia como turbina y como bomba.
TH y BH son las alturas en el punto de óptima eficiencia como turbina y como bomba.
T y B son las eficiencias hidráulicas como turbina y como bomba.
QK , HK y K son los coeficientes de caudal, altura y eficiencia que relacionan los dos
modos respectivamente
Coeficientes para caudal, altura y eficiencia en función de eficiencia de la bomba.
Referencia QK HK
K
Stephanoff [1] B
1
B
1
1
Mc. Claskey [1] B
1
B
1
1
Sharma- Williams
[2] 8.0
1
B 2.1
1
B 1
BUTU [1] 205.02
385.085.05.9
5
B
B
385.085.0
15
B B
03.01
MICI [3] 0,9 - 1,0 1,56 - 1,78 0,75 - 0,80
Métodos a partir de la velocidad específica en el modo bomba.
Los investigadores Mijailov 0. Audicio y Augusto Nelson Carvalo han encontrado
que las condiciones de caudal, altura y eficiencia entre el modo bomba y modo turbina,
están relacionados a través de la velocidad específica qBn . La cual se determinan
prácticamente de igual forma, pero con diferentes unidades, de la siguiente forma:
Mijailov: 75.0
B
BB
qBH
Qnn ; donde Bn [rpm], BQ [m³/s] y BH [m].
Audicio: 75.01673B
BB
qBH
Qnn ; donde Bn [rpm], BQ [l/s] y BH [m].
Carvalo: 75.0
310
gH
Qnn
B
BB
qB ; donde Bn [rps], BQ [m3/s] y BH [m].
Coeficientes para caudal, altura y eficiencia en función de la velocidad específica
Referencia QK HK
K
Mijailov
[5] 292.3078.0 qBn
112.3078.0 qBn
96.00014.0 qBn
0. Audicio
[4] 25.0
21.1 B 3.028.0
ln6.0121.1 qBB n
25.027.0ln5.0195.0 qBB n
Carvalo
[6]
2246.10114.010*5225
qBqB nn
7688.00214.010*2
225
qBqB nn N.A.
Características de caudal y altura de la bomba a seleccionar, eficiencia y potencia en el modo
turbina.
Referencia Sn QK
HK
K
BQ [l/min
]
BH [m]
T [%]
TP [Kw]
HP [Kw
]
Tipo
Stephanoff N.A. 1,17 1,37 1,0 940 33 0,73 5,9 8.9 2.0*2.0*9.5
Mc.
Claskey N.A. 1,37 1,37 1,0 803 33 0,73 5,9 8.9 2.0*2.0*9.5
Sharma-
Williams N.A. 0,78 0,69 1,0 1415 66 0,73 5,9 8.9 5*6*13.5
BUTU N.A. 1,94 1,78 0,96 568 25 0,70 5,7 8.9 2.0*2.0*9.5
MICI N.A. 0,9 1,56 0,75 1222 29 0,55 4,4 8.9 3.0*3.0*11.0
Mijailov 13,6 4,36 4,18 0,98 253 11 0,71 5,8 8.9 1.5*1.5*5.5
0. Audicio 1,65 1,31 1,97 0,64 840 23 0,47 3,8 8.9 2.0*2.0*9.5
Augusto
Carvalo 42,2 0,86 0,83 1 1279 54 0,73 5,9 8.9 5*6*13.5
Worthington, D – 814 3*2*8
Resultados de las pruebas realizadas a la bomba (Worthington, D – 814 3*2*8)
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
15 20 25 30 35 40 45
Q(H
), V
(H),
P M
ec (
H)
y E
ficie
ncia
H (m)Q (m3/min) v (m3/s) P Mec (kW) Ef iciencia (H/E)
Resultados de la simulación con CFD para la (bomba Worthington, D – 814 3*2*8)
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
15 20 25 30 35 40 45
Q(H
), V
(H),
Po
t M
ec (
H)
y E
ficie
ncia
(H
)
H (m)Q [m3/min] V [m/s] Pot Mec [KW] Ef iciencia
Bomba Halberg NOWA, tipo 8020, 4*3*8
Adecuaciones para reducir flujos parásitos en la bomba centrifuga (bomba Halberg NOWA, tipo
8020, 4*3*8)
Resultados de la simulación con CFD (bombaHalberg NOWA, tipo 8020, 4*3*8).
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10 15 20 25 30
Q(H
), V
(H),
Po
t M
ec (
H)
y E
ficie
ncia
(H
)
H (m)Q (m3/min) V (m/s) Pot Mec (KW) Eficiencia
Re manufacturación del Impeler
El resultado del rediseño y la manufactura de losimpelers para las dos bombas del laboratorio noarrojó los mejores resultados. El impeler que mejorcomportamiento por unidad de potencia lo obtuvoel modelo convergente, que se aproximó a lapotencia generada por el impeler original de labomba.
Re manufacturación Worthington, D –814 3*2*8
Re manufacturación Worthington, D –814 3*2*8
Re manufacturación Halberg NOWA, tipo 8020, 4*3*8
El Generador Asíncrono.
Motor asíncrono operando en modo generador
Generador asíncrono GA.
Generado asíncrono GA.
La máquina asíncrona se caracteriza por surobustez y bajo costo por unidad de potencia.Como generador se destaca, porque no requiereequipo de sincronización, posee capacidad desobrevelocidad y protección inherente contracortocircuitos; no obstante su principaldesventaja es que requiere de una fuenteexterna de reactivos.
GA con condensador de excitación.
Diagrama equivalente y característica en vacío de autoexcitación GA
Motores asíncronos de prueba.Marca ABB WEG Siemens
Equipo Nuevo Nuevo Usado
Tipo Alta eficiencia Normal Normal
No de fases 3 3 3
Referencia M2QA112L4A 1001748767 XX
FP 0,84 0,83 0,80
Tensión (V) 220/440 220/440 220/440
Corriente máx (A) 20,4/10,2 26,6/13,3 15/7,5
Corriente vacío (A) 9,50 6.0 2,90
Potencia (kW) 5,50 7,40 5,50
Velocidad (rpm) 1730,00 1760,00 1730,00
Número de devanados 6 6 6
Pruebas de vacío y corto para los motores asíncronos
Capacitores requeridos según la carga
Condensadores mínimos necesarios para excitar los generadores
Motor
Cg (µF). Cg” (µF).
Calcula
do
Registrado
(interconectado)
Prueba
(aislado)Calculado
Prueba (aislado)
Con flujo Sin
flujo
Siemens 13.50 12.57 16.0 2.7 10 40
ABB40.10 44.42 76.0 8.0 35 90
WEG 26.06 47.32 23.5 5.2 20 60
Deslizamiento en función de la relación entre la potencias como generador y
motor.
GA auto excitado y auto regulado.
Caída de tensión en los condensadores serie
GA auto excitado y auto regulado con TI´s.
Condensadores para la autoregulacióncon TI´s (100/1).
Relació
n en el
TI
Condensador para autoregulación y corriente en el
secundario del TI
Siemens ABB WEG
Ck2 (µF)Ik2
(Amp)Ck2 (µF)
Ik2
(Amp)
Ck2
(µF)
Ik2
(Amp)
1 1109,7 20,4 1364,1 26,6 542,6 15,00
5 44,4 4,08 54,6 5,32 21,7 3,0
10 11,1 0,41 13,6 0,53 5,4 0,3
20 2,8 0,02 3,4 0,03 1,4 0,02
GA auto excitado y auto regulado con TI´s.
Generador aislado.
Generador aislado.
Generador aislado.