CENTRAL HIDROELECTRICA SENSUNAPAN

AUTORES

Sergio Augusto Bolaños Vargas 00039612

Axel Leonardo Doñán Rodríguez 00056512

Horario: Miércoles 11:30

Universidad Centroamericana “José Simeón Cañas”

INSTRUCTORES

Ligia Eugenia López Henríquez

Resumen:

En el presente trabajo se tienen como objetivos, comparar el caudal total obtenido en el canal se reunión de ambos ríos, con la suma de los caudales individuales obtenidos directamente de los canales individuales de ambos ríos, sin dejar de lado posibles causas de errores. Asimismo, conocer el papel que desempaña cada una de las partes que conforman a una Central Hidroeléctrica. Los resultados fueron positivos, al asegurarse la ley de continuidad, estableciendo que la suma de los caudales individuales medidos es igual al caudal final tomado, el cual se dirige directamente a través de la tubería forzada hacia la casa de máquinas.

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INDICE

Introducción……………………………………………………………………………………….... 3

Datos y resultados………………………………………………………………………………....... 4

Discusión de resultados…………………………………………………………………………….. 6

Conclusiones…………………………………………………………...…………………………… 6

Recomendaciones…………………………………………………………………………………… 6

Investigación adicional……………………………………………………………………………….7

Bibliografía……………………………………………………………………………………….....11

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INTRODUCCION TEÓRICA

Energía Hidroeléctrica

dEl agua proveniente de la evaporación de los océanos, además de servir para otros fines, tales como riego, limpieza, enfriamiento, consumo, etc., que lo convierten en un líquido vital para los seres humanos, se utiliza también para accionar máquinas giratorias llamadas turbinas, que a su vez mueven generadores que transforman la energía mecánica en energía eléctrica.

Las centrales hidroeléctricas aprovechan los caudales y caídas de agua. Todo comienza cuando el sol calienta las masas de agua, de su evaporación se forman nubes y eventualmente lluvia que fluye a través de caudalosos ríos. El agua en esos ríos tiene una enorme cantidad de energía mecánica potencial, y para aprovechar esta energía se seleccionan cauces de ríos que tienen algunas características importantes que incluyen amplo caudal de agua y diferencias importantes de altura en corta distancia.

Ciclo de la energía hidráulica

En los cursos naturales de agua, la energía hidraúlica se disipa en remolinos, erosión de las riberas y cauces, choques y arranque de material de las rocas sueltas y en los ruidos del torrente etc. Para extraer esta energía y convertirla en energía mecánica utilizable, es

prociso eliminar las pérdidas naturales creando un cauce artificial donde el agua fluya con pérdidas mínimas y finalmente, convertir la energía potencial disponible en energía mecánica por medio de máquinas apropiadas como turbinas.

En muchos aprovechamientos es posible reducir a un mínimo estas pérdidas hidráulicas, y la altura de salto así recuperada aprovecharse en la central hidroeléctrica. Para ello existen fundamentalmente dos métodos:

Método de desviación de la corriente.

Método de interceptación de la corriente con un dique o presa.

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Magnitudes Hidráulicas

La potencia eléctrica que se obtiene en una central es directamente proporcional a la altura del salto de agua y al caudal instalado. Estas magnitudes son fundamentales a la hora de plantear la instalación de una planta de producción hidroeléctrica, por lo que es importante definir algunos términos:

Cota: Valor de la altura a la que se encuentra una superficie o punto respecto el nivel del mar

Salto de agua: Caída de masas de agua desde un nivel a otro inmediatamente inferior. Numéricamente se define como la diferencia de cota.

Caudal: Cantidad de líquido que circula a través de cada una de las secciones de conducción abierta o cerrada.

La altura del salto es la distancia vertical de desplazamiento del agua en el aprovechamiento hidroeléctrico. Se han de tener en cuenta 3 definiciones:

Salto bruto: Es la distancia comprendida entre el nivel máximo aguas arriba del salto y el nivel normal del río donde se descarga el caudal turbinado.

Salto útil: Es el desnivel comprendido entre la superficie libre del agua en el punto de carga y el nivel de desague de la turbina

Salto neta: Altura del salto que impulsa la turbina y que es igual al salto útil menos las pérdidas de cargua producidas a lo largo de la conducción forzada, si existiese.

DATOS Y RESULTADOS

o Canal del río Papaloate

EL canal se divide en 5 áreas, estas se muestran en la figura separadas entre si por las lineas verdes vericales. Las lineas amarillas muestran los ejes verticales sobre los que se realizaron las mediciones, marcando los puntos rojos los lugares exactos en los que se realizaron las mediciones. Las medidas en la imagen están dadas en centímetros, los cálculos se ha realizado en metros para obtener las unidades correspondientes. Se utiliza la misma configuración de imagen para los demás canales.

Medidas rpm Medidas rpsAltura 1/4. 2/4. 3/4. 1/4. 2/4. 3/4.

22 cm 195 206 202 3.25 3.43 3.3788 cm 213 235 236 3.55 3.92 3.93

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Medidas m/sAltura 1/4. 2/4. 3/4.22 cm 0.46 0.48 0.4788 cm 0.50 0.55 0.55

Distancia

Vmedia Area Q Q1

0.08 0 0.09 0

0.07

0.2 0.48 0.23 0.110.4 0.52 0.23 0.120.6 0.51 0.23 0.12

0.72 0 0.09 0

o Canal del río Sensunapan

El caudal total teórico de la central es la suma de los caudales de cada canal, siendo este:

Qt=Q1+Q 2=0.07+0.34=0.41m3

s

o Canal final (Unión de los canales anteriores)

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ProfundidadMedidas m/s

1/4. 2/4. 3/4.

20% (abajo) 1.41 1.43 1.42

80% (arriba) 1.31 1.39 1.41

Distancia Vmedia Area Q Q20.154 0 0.15 0

0.34

0.385 1.36 0.40 0.550.77 1.41 0.40 0.57

1.155 1.42 0.40 0.571.386 0 0.15 0

ProfundidadMedidas rpm Medidas rps

1/4. 2/4.

3/4.

1/4. 2/4. 3/4.

20% (abajo) 619 626 623 10.32

10.43

10.38

80% (arriba) 574 610 619 9.57 10.17

10.32

Medidas rpm Medidas rpsProfundida

d1/4. 2/4. 3/4. 1/4. 2/4. 3/4.

20% (abajo) 718 661 618 11.97

11.02

10.30

80% (arriba)

772 696 644 12.87

11.60

10.73

Medidas m/s

Profundidad 1/4. 2/4. 3/4.

20% (abajo) 1.62 1.49 1.39

80% (arriba) 1.74 1.57 1.45

Distancia Vmedia Area Q Qtotal0.198 0 0.17 0

0.41

0.459 1.68 0.44 0.740.99 1.53 0.44 0.67

1.485 1.42 0.44 0.631.782 0 0.17 0

DISCUSION DE RESULTADOS

Los resultados demuestran que el caudal se mantiene constante a lo largo de los fierentes canales, esto demuestra la buena obra civil que se realizo en la construccion de estos.

Estos resultados pueden resultar engañosos por el numero de mediciones realizadas asi como por la inexperiencia en la utilizacion del equipo por nuestra parte a la hora de realizar la medicion.

CONCLUSIONES

La estructura analizada de los canales no contiene ninguna fuga ni pérdida mayor, esto se observa al realizar Q1+Q2, lo que es igual a Qtotal. Siendo Q1 y Q2 las mediciones en los canales de cada rio y Qtotal el canal final.

De acuerdo a los valores de velocidad obtenidos en diferentes puntos del fluido, se establece que existe un perfil de velocidades dentro, lo cual obliga a tomar la medida de más de un punto para lograr representatividad en el valor del caudal resultante.

Al realizar mayor división en el área del canal, el valor de la velocidad media obtenida, y por tanto del caudal, se verá afectada en alguna medida, siendo más exacto y confiable el valor obtenido con mayor número de áreas analisadas en el canal.

RECOMENDACIONES

Incluso con el tipo de helice utilizada para la medición el método esta sujeto a errores humanos, esto se podría mejorar utilizanvo un tipo dicerente de tubo para montar la helice. Una forma rectangular daria una mejor impresión de si la helice esta alineada con el flujo del agua. Un nivel ayudaria a verificar de mejor manera la verticalidad con la que esta se mantiene

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Según lo visto en clase, la teoria de diseño de canales indica que es lo recomendable que en caso de ser el canal de forma rectangular el lado que queda en contacto con el aire sea de mayor longitud para asi reducir el perimetro mojado, algo que no es asi en el canal del rio Papaloate.

Como ya se indico el método es propenso a erores, por lo que para obtener un resultado mejor seria bueno considerar realizar mas mediciones.

INVESTIGACIÓN ADICIONAL

Partes de la Central Hidroeléctrica

Tubería forzada

Tiene una longitud de 1,500 metros, un diámetro de 58 pulgadas con 12 juntas de expansión o compensadores de dilatación, los cuales permiten desplazamientos relativos entre sus extremos sin entrar en deformaciones plásticas. En la tubería forzada se produce la transformación de energía hidráulica de posición en energía hidráulica de velocidad y presión, fundamentalmente esta última. Asimismo, es la tubería que se encarga de llevar el agua desde la cámara de carga hasta la turbina. Debe estar preparada para soportar la presión que produce la columna de agua, además de la sobrepresión que provoca el golpe de ariete en caso de parada brusca de la pequeña central.

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Sifón

El sifón es una estructura hidráulica que se utiliza en canales para conducir el agua através de obstáculos tales como un río o en el caso de la central en estudio, una depresión del terreno. El funcionamiento se basa en producir un vacío en el interior del conducto, de tal manera que la diferencia de presión entre la entrada (presión atmosférica) y en el interior del conducto (presión casi cero) hace que el agua fluya en sentido ascendente, para garantizar un correcto funcionamiento se debe evitar que se introduzca aire en el conducto, por esta razón la entrada al sifón debe ser siempre ahogada.

Cámara de carga

La cámara de carga es un depósito localizado al final del sifón y del cual arranca la tubería forzada. En algunos casos se utiliza como depósito final de regulación, aunque

normalmente tiene solo capacidad para suministrar el volumen necesario para el arranque de la turbina sin intermitencias.

Dique en el río Papaloate y Sensunapán respectivmente

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Ambos diques de mampostería estructural sin refuerzo, de 19 m con forma de arco y 3.5 m de altura respectivamente. Ambos son muro trasversal al curso del río, que provocan un remanso de agua sin producir una elevación notable del nivel. Su objetivo es desviar parte del caudal del río hacia la toma de la central, removiendo antes los elementos sólidos a través de rejillas ubicadas a la entrada del canal de derivación. Aquella parte que no es derivada, se vierte por el aliviadero y sigue su curso normal por el río, esto con el fin de evitar una subida del nivel del agua en el embalse que sobrepase el máximo permitido y a su vez, poder evacuar el agua sobrante sin necesidad de que pase por la central.

Canales de derivación

El primer tramo que recorre el agua al salir de los diques. Canales en los cuales es posible calcular el caudal proveniente de cada río que se dirige hacia la tubería forzada y posteriormente a las turbinas.

Desarenador

Se utiliza para eliminar la arena y sedimentos de la corriente en el canal. En la figura anterior, se puede observar el by pass a la izquierda para la limpieza del desarenador del río Papaloate.

Válvulas

Las válvulas ofrecen una mayor fiabilidad que las compuertas, pero producen mayores pérdidas de carga. Debido a una carga hidrostática de 95 m la Central de Sensunapan, cuenta con válvulas de admisión con control hidráulico de tipo mariposa, con cierres por contrapeso y

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accionadas por un sistema de aceite hidráulico a una presión de 3,000 psi.

Casa de máquinas

Es el lugar donde se sitúa el equipamiento de la mini central: turbinas, bancadas, generadores, alternadores, cuadros eléctricos, cuadros de control, etc. La ubicación del edificio debe analizarse muy atentamente, considerando los estudios topográficos, geológicos y geotécnicos, y la accesibilidad al mismo

Turbinas Hidráulicas

La turbina hidráulica es el elemento clave de la mini central. Aprovecha la energía cinética y potencial que contiene el agua, transformándola en un movimiento de rotación, que transferido mediante un eje al generador produce energía eléctrica. En el caso de la Central de Sensunapan, posee 3 turbinas de reacción de flujo radial Francis, de eje horizontal, cada unidad con una potencia nominal de 971 KW a una velocidad de rotación de 1,200 rpm

Generador Eléctrico

Es la máquina que transforma la energía mecánica de rotación de la turbina en energía eléctrica. El principio de su funcionamiento se basa en la ley de Faraday, mediante la cual, cuando un conductor eléctrico se mueve en un campo magnético se produce una corriente eléctrica a través de él. En el caso de Sensunapan, usa un generador del tipo asíncrono, el cual utiliza el exceso de velocidad del rotor al superar la velocidad de sincronismo para producir un campo giratorio excitador; la desventaja es que el uso del generador no precisa un regulador de velocidad en la turbina.

Automatización

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La automatización de una mini central permite reducir los costes de operación y mantenimiento, aumentar la seguridad de los equipos y optimizar el aprovechamiento energético de la instalación. El grado de automatización va a depender principalmente de la ubicación y el tipo de central, de las posibilidades reales de regulación, y del presupuesto, incluyendo el coste del personal de trabajo. Para la Central en consideración, la automatización es tal, que se puede regular el caudal que le llega a cada una de las turbinas y a su vez monitorear la potencia eléctrica que cada una genera.

Subestación Elevadora

Transformador de 3 Mva (voltios por amperios). El transformador elevador es para transformar el total de la energía que se genera, el voltaje del primario de 46 Kv con conexión delta y el del secundario 4.16 Kv con conexión estrella con neutro a tierra.

Tableros para la protección individual de los generadores

Los generadores, por su tamaño, están protegidos contra alto y bajo voltaje y contra potencia inversa, por relevadores Basler; y contra sobre intensidades, corrientes de corto circuito y desbalances por medio de relevadores Siprotec de Siemens que operan interruptores al vacío de 800 amperios.

Bibliografía

Francisco Lozano y Jean-François Cottin. Electrificación con base en recursos de energía renovable. Informe final Ministerio del Medio Ambiente y Recursos Naturales de El Salvador, Octubre 2002.

Leiva Rivas, W., Portillo Trejo, J. y Saade Banegas, J. Desarrollo de una metodología de evaluación para rehabilitación de pequeñas centrales hidráulicas (PCH’s). UCA, Octubre 2007.

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