Universidad Tecnológica de Panamá

Facultad de Ingeniería Eléctrica

Lic. En Ingeniería Electromecánica

Producción de la Energía Eléctrica

Informe de laboratorio #1

Central Hidroeléctrica Madden

Presentado por:

Arnoldo Pineda Portugal (8-854-250)

Grupo: 1IE-141

Subgrupo A

Profesor: Julio Quiel

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Índice

ContenidoÍndice..................................................................................................................................................1

Introducción......................................................................................................................................2

Antecedentes...................................................................................................................................3

Lugar y Fecha de Recaudación de Datos....................................................................................3

Características Generales de la central hidroeléctrica de Madden......................................4

El embalse de Madden...................................................................................................4

Generación, casa de Máquinas.....................................................................................5

Modo de Operación de la planta...................................................................................................6

Anexos..............................................................................................................................................8

Figura 1..............................................................................................................................................8

Figura 2..............................................................................................................................................8

Figura 3 ..............................................................................................................................................9

Figura 4..............................................................................................................................................9

Figura 5............................................................................................................................................10

Figura 6............................................................................................................................................10

Figura 7............................................................................................................................................11

Figura 8............................................................................................................................................11

Figura 9............................................................................................................................................12

Conclusiones..................................................................................................................................13

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Introducción

El siguiente informe técnico pretende esclarecer la operación de la planta hidroeléctrica de Madden comenzando con establecer los antecedentes históricos de las centrales hidroeléctricas y su importancia después mas especifico de la para luego ya ir entrando en Materia y poder comenzar con las características detalladas de la hidroeléctrica de Madden de primero porque para poder comprender su funcionamiento se debe entender perfectamente las características de la central hidroeléctrica, empezando con la localización de la Central, su construcción, sus afluentes y las distintas mejoras sustanciales de generación a través del tiempo a la actualidad una vez finalizado ese punto corresponde describir el embalse de la hidroeléctrica que por ser un tema muy relacionado a la ingeniería civil no se va a profundizar mucho en este informe, pero aún sigue siendo importante porque influye sustancialmente en el modo de operación de la hidroeléctrica, después se detallan las características más relacionadas a la Ingeniería electromecánica, que son las generalidades de generación de la planta, su cuarto de máquinas y su cuarto de control. En el cual se describirá los componentes fundamentales de la planta y como se interactúan con ellos para poder obtener un valor deseado por ultimo después de definir las características de la planta se describe su modo de operación y después se incluyen varios anexos para entender mucho de los contenidos y descripciones tratadas en el informe.

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Antecedentes

En una central hidroeléctrica se utiliza hidráulica para la generación de energía eléctrica. En general, estas centrales aprovechan la energía potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel. Los antiguos aprovechaban ya la energía del agua; utilizaban ruedas hidráulicas para moler trigo. La hidroelectricidad tuvo mucha importancia durante la Revolución Industrial. Impulsó a las industrias textiles y del cuero y los talleres de construcción de máquinas a principios del siglo XIX. La gran ventaja de la energía hidráulica o hidroeléctrica es la reducción de costos de combustible y por ende del servicio de energía eléctrica. El costo de operar una planta hidroeléctrica es casi inmune a la volatilidad de los combustibles fósiles; carbón, gas natural, bunker. Además, la hidroelectricidad es la alternativa energética real para proveer energía en las cantidades que se requieren en el país, dada la magnitud de las capacidades en que se puede desarrollar. Según su capacidad podemos encontrar micro hidroeléctricas, pequeñas y grandes centrales hidroeléctricas. En este informe técnico se desarrollara especialmente la Hidroeléctrica : Madden de la cual se tuvo la oportunidad de recabar datos científicos y diferentes conocimientos de profesionales que laboran en esta central hidroeléctrica. Como bien se conoce los elementos principales de las hidroeléctrica son su toma de agua que en este caso es un Lago, vertedero si tiene o embalse y su casa de máquinas con su subestación eléctrica correspondiente.

Lugar y Fecha de Recaudación de Datos

Todos los datos fueron tomados en la Hidroeléctrica Madden ya sea visualmente, a través de información escrita facilitada por los operadores de la Hidroeléctrica y contada oralmente a través de operadores cualificados y que laboran en la central el día Martes 16 de abril de 2013.

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Características Generales de la central hidroeléctrica de Madden

Esta hidroeléctrica está localizada a 40 kilómetros de la ciudad de Panamá en la comunidad de Chilibre. Originalmente esta se conocía con el nombre de Alajuela, pero se le cambio el nombre a Madden , en memoria del representante Martin B. Madden quien previamente fue presidente del Comité del Senado de apropiaciones y quien murió en 1928 siendo instrumental en la obtención de aprobación para construir la represa. Fue diseñada originalmente en 1930; los contratos se adjudicaron en octubre de 1931 y la construcción comenzó en febrero de 1935. Originalmente, dos unidades fueron completadas en Febrero y marzo de 1935 con capacidad de generación de 8 MW por turbina. Las provisiones para una tercera unidad la cual fue añadida en 1942 a la planta. Para darle una capacidad máxima de 36 MW.

Se utilizaron aproximadamente 459 000 metros cúbicos de concreto, creando un lago de más de 50.5 kilómetros cuadrados y también una reserva de 800 millones de metros cúbicos de agua para la operación del canal manteniendo la profundidad adecuada para la navegación durante la época seca, también para suplir agua potable a la ciudad de Panamá y para la generación eléctrica. También sirve como medio de control de inundaciones que podían afectar a la operación del canal con corrientes suficientemente fuertes en Gamboa donde llega el rio Chagres al canal.

La Hidroeléctrica de Madden toma las aguas del Lago Alajuela en las riberas del Canal de Panamá.

El embalse de MaddenLa represa principal de concreto es del tipo gravedad. Tiene 275 metros de largo y tiene 67 metros de altura con respecto a la parte más baja de su fundación. La cresta tiene 12.2 metros de ancho y su base es de 55 metros de ancho. El nivel máximo del lago es de 76.8 metros sobre el nivel del mar. La represa es complementada por 13 represas pequeñas de tierra, adyacentes a la represa principal, las cuales se llenan de a acuerdo a las depresiones naturales. La cuenca de la represa es de 1026 kilómetros cuadrados. El vertedero de Madden puede ser abierto desde el cuarto de control localizado adentro del cuarto de máquinas utilizando un software de computadora o manualmente por los operadores de la planta en algún caso de emergencia, o en algún caso muy crítico pueden usarse las llaves mecánicas para verter una cantidad aun mayor de agua mejor conocida como las válvulas de emergencia que hasta ahora nunca se han utilizado.

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Generación, casa de MáquinasActualmente la planta de Madden tiene la capacidad de generar 36 MW de potencia. La planta está equipada con tres turbinas Allis Chalmers tipo francis, con una capacidad de 16600 hp cada una, a una velocidad de 212 rpm. Cuenta con 3 generadores idénticos fabricados por General Electric, con una capacidad de 12000KW cada uno , factor de potencia de 0.9 una potencia aparente de 13000KVA y una diferencia de potencial en sus terminales de 6.9 KV. Originalmente los generadores instalados en esta planta trabajaban a una frecuencia de 25 ciclos, los cuales fueron rebobinados para operar a la frecuencia utilizada en Panamá de 60 ciclos esto entre los años 1957 y 1960. Ahora describiendo el sistema de distribución de la energía eléctrica generada por la planta, está posee una subestación inmediatamente al lado del cuarto de máquinas y se encuentra a la intemperie y está debidamente cerrada al acceso público para prevenir cualquier potencial accidente por una descarga eléctrica lo primero que se puede observar son 3 grandes transformadores cada uno con sistema de refrigeración lo suficientemente fuerte para prevenir un fallo grave en el mismo que pueda entorpecer la generación eléctrica o que se tenga que apagar una unidad debido al sobrecalentamiento, además se posee un transformador de emergencia que en caso tal un transformador dejara de funcionar , el transformador de emergencia entre inmediatamente en acción para evitar que sea necesario que se apague una unidad del sistema, después de los transformadores tenemos una línea de transmisión en la cual se pueden apreciar los sensores en la estructura que (que también se pueden apreciar en el cuarto de control), en esta línea hay una bifurcación que divide el flujo eléctrico en 3, dos de ellos iran por la torre de la línea de transmisión y otro ira a un transformador de servicio el cual disminuirá el voltaje al voltaje usado por la planta para su propia utilización , la subestación de la hidroeléctrica de Madden se conecta al sistema de potencia de Panamá mediante una línea de transmisión de 44kV doble circuito (en una torre hay 2 lineas de transmisión con su correspondientes fases y retorno), con una extensión de 20km que se interconecta con la subestación localizada en Summit para finalmente ser elevada al voltaje de transmisión que es de 115kV. También hay que tomar en cuenta que esta planta no siempre trabaja a su máxima capacidad, tienen establecidas prioridades y la primera de ellas es no afectar el abastecimiento de agua potable a las comunidades cercanas. Esta planta que principalmente abastece las necesidades eléctricas del canal también puede colaborar con la demanda del resto del país.

Su cuarto de control se encuentra adentro del cuarto de máquinas techado en el cual se puede apreciar una combinación de tecnologías antiguas que yacen desde la inauguración de la planta con tecnologías modernas que se han introducido para mejorar la precisión y eficiencia del control de proceso. Los controles

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correspondientes al gobernador que antiguamente eran solo eléctricos han sido remplazados por gobernadores de tipo Electronico-Digital que permite al operador ver con mucha precisión y claramente algunas medidas importantes como son la generación en MW en tiempo real, la velocidad de las turbinas, los ciclos por segundo de la generación. Cabe destacar que este nuevo sistema de control o gobernador ha sido remplazado en 2 unidades , la tercera unidad aún no ha sido remplazada y opera con los sistemas de control antiguos , exclusivamente eléctricos, el cuarto de control de la hidroeléctrica de Madden también permite al operador controlar por completo la generación de la hidroeléctrica a través del uso de un software de ordenador de origen norte americano que muestra intuitivamente los controles de cada una de las unidades casi tal cual como se muestran en los paneles de control manual, además la compuertas de vertedero pueden ser accionadas por el software o bien manualmente. El cuarto de máquinas de Madden puede apreciarse que tiene 3 niveles, el primero o el nivel más alto se aprecia el extremo de los 3 generadores eléctricos con su correspondiente excitatriz arriba, a los lados de las 3 unidades se encuentran las servo válvulas hidráulicas, los gobernadores y el cuarto de control , en el segundo nivel de la casa de máquinas se puede apreciar lo correspondiente a las turbinas, el acoplamiento turbina-generador, las distintas válvulas y el servomotor que están en constante interacción con el gobernador.

Modo de Operación de la plantaEn la planta hidroeléctrica de Madden por ser una pequeña central de operación (tan solo 36MW) no requiere de mucha mano de obra humana para su operación debido a que el mismo sistema de generación esta totalmente muy computalizado y controlado estrictamente por un gobernador Electronico – Digital, que en conjunto con muchos sensores mantienen ciertos parámetros totalmente estables y sin cambios. La mayoría del personal que labora en la central mas que operar la planta, son mecánicos que le dan mantenimiento a los numerosos mecanismo que hay en la central y asegurarse que la generación no sea interrumpida. El modo de operación de la planta podría resumirse simplemente: Los operadores del cuarto de control (2 Ingenieros de Turno) están en contacto directo con los servicios meteorológicos nacionales y el centro nacional de despacho que es la oficina encargada de velar la demanda energética, reciben la distintas instrucciones de estos 2 centros para llegar a un acuerdo de cuanta energía requiere producir la planta en caso de ser ordenado por el centro nacional de Despacho o cuando es necesario que el operador vierta agua por el vertedero cuando se avecina una condición climática adversa es decir, por un lado la planta debe proveer la energía

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necesaria que se le solicite y además aprovechar la abundancia de recurso potencial para convertirlo en electricidad y así poder aprovecharse, o venderse y por el otro lado controlar el flujo o el volumen de agua en el lago ante una potencial inundación para evitar el desbordamiento y la posible afectación a áreas cercanas con estos parámetros junto a las distintas prioridades que hay en la planta, primero el consumo de agua potable que proviene del afluente y segundo la generación, los operadores llegan a un acuerdo con las distintas entidades para ya sea aumentar o disminuir la producción eléctrica en la planta utilizando los controles a su disposición ya sea manualmente o por software y ante cualquier problema que puedan estar detectando los sensores los demás trabajadores de la planta que como se mencionó anteriormente se encargan de dar mantenimiento ante los distintos problemas.

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Anexos

Figura 1. Se Puede apreciar toda la planta hidroeléctrica vista desde el lado del vertedero.

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Figura 2. Vertedero de la planta hidroeléctrica de Madden , se puede apreciar el punto donde se vierte el agua que ya paso por las turbinas y genero electricidad.

Figura 3 . Vista frontal del edificio del cuarto de máquinas se puede apreciar el nombre de la planta a la derecha de la planta se encuentra la subestación eléctrica y al fondo el embalse de la represa, se puede ver que la subestación finaliza en el techo de la estructura la cual va a las torres de transmisión que se encuentra en una pequeña elevación cercana.

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Figura 4. Sub estación de Madden. A mano izquierda los transformadores primarios que elevan el voltaje de 6.9 kV a 44kV a mano derecha la línea de transmisión con sus distintos sensores de control.

Figura 5. Parte interior del edificio de cuarto de máquinas se puede apreciar claramente las 3 unidades de generación de la planta, los casilleros que están al lado contienen el cerebro del gobernador Electrico-Digital en las dos unidades cercanas y totalmente eléctrico en la del fondo. A mano derecha se encuentra el cuarto de control y la escalera para descender a los niveles inferiores.

Figura 6. Imagen a manera de ilustración de lo que sería el cuarto de control en el cual cada unidad posee sus propios sensores y al operador que a través de la computadora puede controlar los distintos parámetros de la turbina y el generador para así aumentar o disminuir la producción.

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Figura 7. Se puede apreciar la turbina tipo francis de una de las unidades en el nivel inferior del cuarto de Máquinas.

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Figura 8. Acoplamiento Turbina-Generador.

Figura 9. Válvulas de Emergencia de vertedero que corresponde al nivel mas inferior de la planta.

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Conclusiones

El uso de hidroeléctricas para producir energía reduce enormemente la dependencia de los combustibles fósiles y produce energía eléctrica más barata.

Toda obra produce efectos en el ambiente, es importante una buena planificación y estudio ambiental para evitar reducir al máximo la contaminación.

Se necesita la energía eléctrica, y cada día en mayor cantidad, las hidroeléctricas son una alternativa, pero sus efectos negativos al medio ambiente tienen un costo social muy alto. Lo que se plantea es que debe existir un equilibrio, para no depender solo del petróleo y las hidroeléctricas, existen otras fuentes de energía renovable y más amigable con el medio ambiente que deben ser explotadas en Panamá.

La energía hidroeléctrica es un recurso natural especialmente indicado para zonas lluviosas o por las que circulan ríos caudalosos; es recomendable que estos ríos tengan cauces poco variables aunque en el caso de ríos con caudales oscilantes se pueden usar los embalses para el almacenamiento de agua en tiempos de sequía.

Desde épocas anteriores los principios de la energía hidroeléctrica y las turbinas fueron utilizados como por ejemplo, Los antiguos romanos y griegos.

la energía hidroeléctrica como fuente para producir electricidad puede ser muy beneficiosa puesto que aprovecha la energía producida por el agua en movimiento para hacer corriente eléctrica, pero traería problemas por el hecho de inundar grandes terrenos fértiles y cambiar completamente la vista de un ecosistema posiblemente muy admirable.