PROYECTO IVMinicentrales Hidroelctricas|FRANKLIN MARTIN ROMERO JARRO

Unidad Acadmica de Ingeniera de Sistemas, Elctrica y Electrnica, Universidad Catlica de CuencaCuenca, Ecuador

franklinsupre@hotmail.com

Resumen Unacentral minihidrulicaes un tipo especial decentral hidroelctrica, utilizada para lageneracin de energa elctricaen pequea escala, a partir de la energa potencial o cintica del agua. La energa minihidrulica se considera un tipo deenerga renovabley se encuentra dentro de la regulacin jurdica asociada a estas energas. Las mini centrales han sido muy utilizadas a lo largo del tiempo debido a su pequeo tamao y por tanto costo inicial y facilidad de instalacin, por lo que han sido muy usadas a nivel local o incluso privado. Existen dos tipos diferentes de centrales minihidrulicas: las centrales de "agua fluyente", en las que se desva el agua de un ro por un canal y tuberas hasta alcanzar una turbina, la cual genera electricidad. Posteriormente el agua es devuelta a su cauce. Las centrales "a pie de presa", basan su funcionamiento en el almacenamiento del agua en un embalse; vacindose por una tubera ubicada en la base de la presa, que va a desembocar en una turbina.Palabras clave: minihidrulica, localizacin, tipos, seleccin, control.I. MINICENTRAL HIDRAULICALas centrales hidroelctricas pueden definirse como instalaciones mediante las que se consigue aprovechar la energa contenida en una masa de agua situada a una cierta altura, transformndola en energa elctrica. Esto se logra conduciendo el agua desde el nivel en el que se encuentra, hasta un nivel inferior en el que se sitan una o varias turbinas hidrulicas que son accionadas por el agua y que a su vez hacen girar uno o varios generadores, produciendo energa elctrica

Fig. 1 Transformacin de energa hidrulica en energa elctrica.II. ASPECTOS TECNICOS DE UNA MINICENTRAL HIDRAULICATipos de minicentrales hidroelctricas Centrales de agua fluyente: estas centrales no acumulan agua, sino que utilizan el caudal del ro tal y como venga. El agua que no se emplee seguir su curso siendo evacuada por el aliviadero de la central. Pueden situarse en el mismo cauce del ro o en un canal hecho a tal efecto, y tendrn reserva o no en funcin de lo que se haya ensanchado el ro en la zona de la central.

Fig. 2 Esquema de central de agua fluyente.Los elementos principales de estas instalaciones que pueden observarse en la figura anterior son: 1. Azud 2. Toma de agua 3. Canal de derivacin 4. Cmara de carga 5. Tubera forzada 6. Edificio con su equipamiento electromecnico 7. Canal de salida

Centrales de pie de presa: se emplean embalses para acumular un considerable volumen de caudal y elevar el nivel del agua, de forma que se puede controlar la potencia que producen en cada momento. Se situarn al pie de la presa o en una derivacin del curso.

Fig. 3 Esquema de central a pie de presa.Son elementos principales de estas centrales: 1. Presa 2. Toma de agua3. Tubera forzada4. Edificio con su equipamiento electromecnico 5. Canal de salida Centrales de bombeo: regulan la demanda energtica bombeando agua hasta una altura superior en los momentos de escaso consumo. De esta forma se recupera energa que se podr emplear cuando sea necesario turbinando de nuevo esa agua bombeada. Se tienen centrales en las que la mquina funciona como bomba y turbina o centrales en las que se tienen por separado ambas mquinas. La tendencia en minihidrulica es turbinar los caudales excedentes, los desembalsados o los ecolgicos. Elementos de una mini central hidroelctricaUna mini central est constituida por diversos componentes y equipos que puede clasificarse en tres grandes grupos: Obra civil Equipamiento electromecnico Equipos auxiliares.Obra civil

Obras de captacin

Las obras de captacin del agua son las que estn relacionadas con la desviacin del caudal de agua hacia la mini central, adems 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 captacin de agua deben tener obras de filtracin de slidos que pueden afectar la vida til de la turbina y todos las partes electromecnicas de la central de generacin.

Bocatomas Presa de derivacin Canales de conduccin Aliviadero Desarenadores Tanque de presin Tubera de presin Casa de maquinas

EQUIPAMIENTO ELECTROMECNICO

Se consideran equipos fundamentales los siguientes: rgano de cierre de la turbina Turbina/s Generador/es Elementos de regulacin Transformador/es Celdas y cuadros elctricos Lnea elctrica de interconexin

EQUIPOS AUXILIARES

Estos equipos son tambin necesarios para el correcto funcionamiento de una mini central. Entre los ms comunes estn: Compuertas Reja y mquina limpiar rejas Gra para movimiento de mquinas Sistema contra-incendios Alumbrado Caudalmetro

Fig. 4 Componentes de una minicentral hidrulica.III. TURBINA HIDRAULICALa turbina constituye la parte ms importante de la central hidrulica, pues es la encargada de transformar la energa del agua en energa mecnica, que posteriormente ser transformada en electricidad por el alternador unido al eje de la turbina. Se puede hacer una primera clasificacin de las turbinas en funcin de los dos posibles mecanismos de transformacin de energa: Turbinas de accin: se crea un chorro de agua que choca a muy alta velocidad sobre unas cazoletas que estn fijas en la periferia de un disco, a las que transfiere toda su energa. Despus el agua cae al canal de descarga. Su carcasa es ligera, pues slo tiene que impedir salpicaduras y proporcionar seguridad a las personas. Dentro de este grupo se encuentran las turbinas Pelton. Turbinas de reaccin: la presin del agua acta directamente sobre los labes e ir disminuyendo segn avance el agua por ellos. En este caso la carcasa es ms robusta para poder soportar los esfuerzos del agua a presin. Dentro de este grupo estn las turbinas Francis y las Kaplan.Tipos de Turbinas Turbinas Pelton Turbinas de accin. Una serie de inyectores proyectan chorros de agua sobre la turbina, de forma que se produce el movimiento del disco. Una turbina Pelton de eje vertical puede tener hasta seis inyectores, mientras que las de eje horizontal suelen tener uno. La figura a continuacin muestra las secciones transversal y longitudinal de una central hidrulica equipada con una turbina de este tipo y las partes que la componen:

Fig. 5 Componentes de una turbina Pelton.

Fig. 6 Componentes de una turbina Pelton.1. Servomotor encargado de mover la vlvula de aguja.2. Tubera forzada.3. Codo de entrada. 4. Inyector. 5. Vlvula de aguja (regula el flujo de agua que llega a los labes). 6. Tobera. 7. Deflector (se encarga de desviar el chorro mientras la vlvula de aguja se est cerrando, o para evitar el golpe de ariete que producira un Memoria descriptiva 35 cierre de sta si se quiere impedir que se embale la mquina ante una desconexin del alternador). 8. Rodete.9. Canal de salida. 10. Alternador. 11. Carcasa Las turbinas Pelton carecen de tubo de aspiracin, por lo que no cuentan con la ganancia de rendimiento que ste produce. Se emplean en saltos elevados, que pueden llegar a los 1.200 m. Turbinas Francis Turbinas de reaccin de flujo radial y admisin total, empleadas en saltos intermedios. Poseen un distribuidor de labes regulables y un rodete de labes fijos. Se encastran fuertemente en hormign para evitar vibraciones, especialmente a rgimen bajo. En este tipo de turbinas el agua es conducida al rodete a travs del distribuidor y en ningn momento entra en contacto con la atmsfera, por lo que la presin se mantiene. Pueden ser de cmara abierta o de cmara en espiral. En el segundo caso, segn sea el tamao de la mquina, la carcasa se podr construir de hormign armado, acero soldado o hierro fundido. Dado que se pretende hacer llegar la misma cantidad de agua a cada labe del distribuidor, la seccin de la cmara va decreciendo segn se aleja de la brida de entrada. Si los labes de la turbina son pequeos se fabrican de fundicin, bronce o aluminio formando un solo cuerpo con el cubo. Si por el contrario son Memoria descriptiva 36 grandes, se sueldan al cubo y a la llanta, que por lo general se fabricar de acero fundido. Dado que en las turbinas de reaccin el agua sale a una velocidad elevada, se instala a la salida de stas un difusor que reduce gradualmente su velocidad para que llegue en unas condiciones ms moderadas al canal de salida. Si adems el difusor se encuentra sumergido en el canal de salida se consigue un efecto de succin que mejora el rendimiento de la mquina considerablemente (tubo de aspiracin).

Fig. 7 Componentes de una turbina Francis.El caudal de equipamiento ser el que maximice el volumen turbinado, es decir, el que junto con el caudal mnimo tcnico encierre un mayor rea de la curva de caudales clasificados. La altura del salto viene determinada por las caractersticas de la presa y el lugar en el que se quiera instalar la central. Con los datos de caudal y salto ya se puede calcular la potencia que es capaz de generar la central.1. Eje2. Alternador 3. Tubera forzada 4. Cmara espiral 5. Canal de salida 6. Tubo de aspiracin 7. Rodete Del distribuidor Fink, que no se aprecia en la imagen, se hablar con detalle ms adelante. En las turbinas de eje horizontal, como la que se va a disear en el presente proyecto, es importante que el cuerpo de la turbina est perfectamente anclado al hormign para evitar que las vibraciones daen la maquinaria o limiten su campo de funcionamiento. Turbinas Kaplan y semi-Kaplan Turbinas de reaccin de flujo axial. En este caso los labes de la turbina son siempre regulables, mientras que los distribuidores pueden ser regulables o no, en cuyo caso se tratara de una turbina semi-Kaplan. Los labes del rodete giran alrededor de su eje accionados por unas manivelas solidarias con unas bielas articuladas a una cruceta, que se puede desplazar por el interior del hueco del eje de la turbina. Las turbinas Kaplan son de admisin radial, mientras que las semiKaplan pueden ser de admisin radial o axial.

Fig. 8 Componentes de una turbina Kaplan.1. Alternador 2. labe directriz 3. Rodete 4. Tubo de aspiracin 5. Mecanismo de giro de los labes del rodete 6. EjeIV. SELECCION DEL TIPO DE TURBINALas turbinas hidrulicas deben ser seleccionadas en base a los siguientes parmetros: La cada de agua (salto geodsico). El caudal. Velocidad de rotacin Problemas de cavitacin Velocidad de embalamiento. CostoParmetros importantes a tener a consideracin: Para seleccionar el modelo de turbina no existe un modelo bien definido a usar esto debe ser analizado en particular dadas las especificaciones segn el fabricante. La turbina tipo Banki o tambin llamada de flujo cruzado esta especificada en la misma gama de operacin de la turbina Francis. Tiene un rendimiento del 70% menor que la Francis y se puede usar en un sector de cadas y con caudal bastante amplio. El uso de las bombas funcionando como turbinas, es en realidad la adaptacin 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 cadas de agua y pequeos caudales, pues en comparacin con las Francis estas ltimas presentan un pasada muy estrecha.

Para preseleccionar el tipo de turbina a instalar en una minicentral, se utilizan unos bacos que suelen facilitar los fabricantes de turbinas. Con ellos, se determina el tipo de turbina a partir de los parmetros de salto y caudal. Entrando en abcisas con el salto en m y en ordenadas en el caudal de agua en m3/s, se obtendra el tipo de turbina ms adecuado para la instalacin.

Fig. 9 Seleccin del tipo de turbina.No obstante, para elegir la turbina definitiva garantizando la mxima rentabilidad de la minicentral, se debern tener en cuenta la curva de caudales clasificados, imprescindible para determinar el caudal de equipamiento, y la infraestructura existente del aprovechamiento.V. ELEMENTOS DE REGULACION Y CONTROLSon aquellos que regulan los componentes mviles de las turbinas y pueden ser de dos tipos: Hidrulicos y electrnicos. Su misin es conseguir adecuar la turbina a las circunstancias existentes en cada momento (caudal turbinable, demanda elctrica....) para que pueda trabajar con el mejor rendimiento energtico posible en cada circunstancia.Sistema SCADA de control para mini centrales hidroelctricas Un sistema SCADA (supervisory control and data acquisition) que es una combinacin de adquisicin de datos y telemetra un sistema SCADA puede funcionar a unos cuantos metros como a miles de kilmetros. Este sistema proporciona los datos de funcionamiento en tiempo real de los aparatos que se estn monitoreando, esto permite realizar la supervisin de la mini central.

Fig. 10 Sistema Scada.La instalacin de estos elementos es necesaria para regular y controlar el buen funcionamiento de la central, adems de los dispositivos de proteccin que deben colocarse en la central y la lnea elctrica, y que actuarn cuando se produzca algn fallo en la central. Los principales bucles de control y sistemas de supervisin y mando para una minicentral hidroelctrica son: Para el control de la turbina: Regulador de velocidad en instalaciones con grupos sncronos. Reguladores de nivel para centrales con grupos asncronos conectados a la red. Regulador de potencia generada para centrales en red aislada. Regulador de caudal turbinado. Para el control del generador: Regulador de tensin para grupos sncronos. Equipo de sincronizacin, cuando existen grupos sncronos funcionando conectados a la red. Bateras de condensadores y un rel taquimtrico, cuando existan grupos asncronos funcionando conectados a la red. Para el control de la turbina y el generador se pueden distinguir tres casos, en funcin del tipo de generador utilizado y del funcionamiento previsto: Central con generador sncrono funcionando conectado a la red. Aunque el control de la turbina no necesita un regulador de velocidad porque la frecuencia est mantenida por la red, es conveniente su instalacin. El mando del distribuidor se realiza por medio de un servo-oleohidrulico, y las rdenes de apertura y cierre proceden del regulador de nivel.

El control del generador es una regulacin del factor de potencia, ya que al estar conectado a la red est fija la tensin, y la variacin de la excitacin modifica la potencia reactiva suministrada por el grupo.

El equipo automtico de sincronizacin estar provisto de ajuste de velocidad y tensin del grupo, a travs de un rel de sincronismo.

Central con generador sncrono funcionando aislado. Se necesita un sistema de regulacin de velocidad y de potencia, para que el control de la turbina asegure el mantenimiento de la frecuencia de la red en cualquier condicin de carga.

El control del generador necesita un regulador de tensin que acte sobre la excitacin del alternador, con el fin de mantener la tensin dentro de los lmites admisibles.

Central con generador asncrono funcionando conectada a la red. No es necesario el control de la turbina al estar mantenida la frecuencia por la red. El mando del distribuidor se realiza mediante un servo-oleohidrulico, y las rdenes de apertura y cierre proceden del regulador de nivel.

Una batera de condensadores estticos, controlados de forma continua por medio de tiristores, efecta el control del generador.

Para realizar la conexin del grupo a la red se necesita un detector de velocidad que proporcione una seal cuando el grupo llegue a la velocidad de sincronismo, utilizndose un rel taquimtrico mecnico o elctrico.AutomatizacinLa automatizacin de una minicentral permite reducir los costes de operacin y mantenimiento, aumentar la seguridad de los equipos y optimizar el aprovechamiento energtico de la instalacin. El grado de automatizacin va a depender principalmente de la ubicacin y el tipo de central, de las posibilidades reales de regulacin, y del presupuesto, incluyendo el coste del personal de trabajo. La automatizacin ser total cuando incluya el arranque, regulacin y parada de la central, y ser parcial cuando mande solamente parada y alarma, en caso de que acten las protecciones de la central. En la actualidad todas las centrales de nueva construccin son totalmente automatizadas. De hecho, una de las actuaciones que se viene realizando en el sector hidroelctrico consiste en la modernizacin de antiguas instalaciones en explotacin para automatizar todos sus equipos y sistemas con objeto de obtener mayores rendimientos energticos y menores gastos de explotacin. En cuanto a la tecnologa se puede distinguir entre: Convencional. Basada en los rels electromecnicos o estticos. La utilizacin de rels convencionales es la forma ms sencilla y econmica de automatizar una central, aunque tiene la desventaja de ser ms limitada. Esta tecnologa permite automatizar Secuencias de arranque Secuencias de parada por protecciones Digital. Se refiere a tcnicas informticas que permiten la gestin de todas las funciones de la central. Los equipos de automatizacin que funcionan con microprocesadores ofrecen un abanico mayor de posibilidades de automatizacin, siendo posible la programacin de distintas secuencias la automatizacin de una minicentral permite reducir los costes Arranque y parada normal de grupo Parada de emergencia de grupo Regulacin del grupo por nivel o caudal Optimizacin de funcionamiento del conjunto de la instalacin.

Fig. 11 Sistema de automatizacin. Los centros de control remoto sirven para gestionar una o varias centrales automatizadas a travs de tcnicas de telemando. Para poder emplear esta opcin es imprescindible contar con los equipos informticos y el sofware adecuados, que se instalarn en paralelo en la central y el centro de control.VI. CRITERIOS IMPORTANTES PARA EL DISEO DE UNA CENTRAL HIDROELECTRICASALTO El salto es la diferencia de nivel entre la lmina de agua en la toma y el punto del ro en el que se restituye el agua turbinada. En realidad, esta definicin corresponde a lo que se denomina salto bruto (Hb). Adems del salto bruto, se manejan otros dos conceptos de salto, el salto til (Hu) y el salto neto (Hn).

Fig. 12 Esquema del salto de agua.Salto bruto (Hb): Diferencia de altura entre la lmina de agua en la toma y el nivel del ro en el punto de descarga del agua turbinada. Salto til (Hu): Diferencia entre el nivel de la lmina de agua en la cmara de carga y el nivel de desage de la turbina. Salto neto (Hn): Es el resultado de restar al salto til (Hu) las prdidas de carga (H) originadas por el paso del agua a travs de la embocadura de la cmara de carga y de la tubera forzada y sus accesorios. El clculo de las prdidas de carga se realiza mediante frmulas empricas ampliamente difundidas. Una consideracin aceptable es suponer que la prdida de carga es del orden de un 5% a un 10% del salto bruto. El salto bruto puede estimarse en primera instancia a partir de un plano topogrfico. Sin embargo, una determinacin ms exacta requiere un levantamiento taquimtrico.Caudal de equipamiento Para poder determinar la potencia a instalar y la energa producible a lo largo del ao en una minicentral hidroelctrica, es imprescindible conocer el caudal circulante por el ro en la zona prxima a la toma de agua. Aforar es medir el caudal de una corriente de agua en un punto de la misma en un instante determinado. En aquellos aprovechamientos en los que no existe una estacin de aforo prxima a la central, se realiza un estudio hidrolgico aplicando un modelo matemtico de simulacin basado en los datos de precipitaciones sobre la cuenca y caudales de una cuenca de similares caractersticas. Tambin se pueden estimar los caudales que circulan por el ro a partir de los caudales turbinados por una central prxima, siempre y cuando ambas centrales tengan ms o menos la misma aportacin y la central de la que se toman los datos est bien dimensionada y adems su caudal de equipamiento no est condicionado por la infraestructura propia de la central (canal de derivacin, tubera forzada etc). En cualquier caso, se deben obtener datos de caudales correspondientes a una serie de aos lo suficientemente amplia como para incluir aos secos, normales y hmedos. Para caracterizar hidrolgicamente los aos para los que se dispone de registro de caudales, se debe recopilar la informacin de lluvias de las estaciones meteorolgicas del entorno, realizando un clculo correlativo de lluvias y caudales para comprobar si existe relacin entre la aportacin de lluvias y los caudales registrados. En la figura se muestra, un ejemplo de distribucin de precipitaciones para una serie de 15 aos.

Fig. 13 Datos de precipitacin anual Una vez determinados los aos normales se toman los caudales correspondientes a esos aos y se calculan los caudales medios diarios. A partir de estos caudales medios diarios se construye la curva de caudales clasificados, que indica el nmero de das del ao en los que circula un caudal determinado por el ro. En la figura 18 pueden verse una curva de caudales medios diarios y su correspondiente curva de caudales clasificados.

Fig. 14 Curvas de caudales medios diarios. El caudal de equipamiento de la central se establece a partir de la curva de caudales clasificados. En esta curva hay que descontar el caudal ecolgico, que es el caudal que debe circular como mnimo por el ro durante todo el ao. El caudal ecolgico suele indicarlo el Organismo de Cuenca o las Diputaciones Forales. En el caso de no ser as, una buena estimacin es considerar el caudal ecolgico igual al 10% del caudal medio interanual. Una vez que se le ha descontado el caudal ecolgico a la curva de caudales clasificados, se elige el posible caudal de equipamiento en el intervalo de la curva comprendido entre el Q80 y el Q100, siendo el Q80 el caudal que circula por el ro durante 80 das al ao y el Q100 el que circula durante 100 das al ao (figura 19).

Fig. 15 Curva de caudales.Para los posibles caudales comprendidos en este intervalo, se hace una estimacin de las horas de funcionamiento de la central, siempre teniendo en cuenta el tipo de turbina que se proyecte instalar. Cada tipo de turbina tiene un rango de funcionamiento con un caudal mximo y otro mnimo por debajo del cual la turbina no funcionara con rendimiento aceptable.Este caudal mnimo es aproximadamente: Para turbinas PELTON : 10% Qequipamiento Para turbinas KAPLAN : 25% Qequipamiento Para turbinas FRANCIS : 40% QequipamientoUna vez que se ha elegido el tipo de turbina, se estiman las producciones que se obtendran para cada posible caudal de equipamiento. No siempre se elige el caudal que proporciona mayor produccin, ya que hay que tener en cuenta tambin la inversin necesaria en cada caso. Puede ocurrir que la diferencia de kWh generados de una a otra variante, no compense el incremento de inversin que hay que realizar. En ocasiones, el caudal de equipamiento est condicionado por la infraestructura existente en la minicentral. Este sera el caso de las minicentrales que tienen un canal de derivacin con una capacidad de transporte inferior al caudal de equipamiento deducido a partir de la curva de caudales clasificados. En este caso, la inversin necesaria para acondicionar el canal puede hacer inviable la reconstruccin de la minicentral y por consiguiente, se opta por un caudal de equipamiento igual al caudal mximo que puede transportar el canal de derivacin.-En el diseo de mini centrales hidroelctricas uno de los aspectos de anlisis son las condiciones fsicas del lugar en donde se quiere implementar la mini central, ya que de estas dependern la potencia y la confiabilidad del servicio que se pueda generar, uno de los inconvenientes que se ha encontrado en la implementacin de mini centrales de generacin es el aspecto econmico ya que como sabemos el costo de inversin inicial en los proyectos hidroelctricos es bastante alto pero a largo plazo son los ms rentables adems del financiamiento el tiempo de construccin y puesta en marcha es una de las dificultades que este tipo de proyectos ha encontrado en el camino.Anlisis de pre factibilidad Para determinar si existen las condiciones naturales para la instalacin de la mini central, es necesario realizar un anlisis de pre factibilidad del proyecto este consistir en: Inventario. Reconocimiento. Pre factibilidad.Inventario En la parte del inventario se realiza una inspeccin del rea en el cual se quiere implementar la mini central para determinar el potencial terico o bruto del rea y analizar la posibilidad de implementar una mini central, adems de determinar el potencial tambin hay que determinar las necesidades energticas del rea de incidencia de la mini central. Reconocimiento. Una vez reconocido un sitio con un potencial terico que nos puede servir para la instalacin de una mini central debemos realizar un reconocimiento con ms profundidad del sitio para determinar caudales saltos geodsicos lugares de emplazamiento y analizar la parte fsica del sector. Pre factibilidad Una vez que hemos seleccionado el sitio del emplazamiento para la mini central en el estudio de pre factibilidad se debe realizar un dimensionamiento de las obras civiles de los aparatos de la mini central para determinar en mejor medida la viabilidad del proyecto. Requerimientos necesarios para la instalacin de una mini central Bsicamente los requerimientos de una mini central no son diferentes a los de una central de generacin a gran escala los requerimientos son: Caudal de agua Salto geodsico Caudal de agua Se necesita un caudal de agua constante para garantizar la continuidad de funcionamiento de la mini central, este caudal va a ser l nos va a proveer de la energa primaria para el movimiento de la turbina de la planta de generacin hidroelctrica. Salto geodsico El salto geodsico es el desnivel en el cauce del caudal de agua, en el salto geodsico se produce la energa cintica del agua, energa que es aprovechada por las turbinas para generar el movimiento en el generador.Criterios tericos para el diseo de una mini central Alturas de salto neto Es la distancia vertical medida entre la lmina de agua de la toma de agua y la del canal de descarga, de acuerdo con esto y a las caractersticas de cada turbina se ha obtenido la siguiente tabla: TIPOS DE TURBINAHORQUILLAS DE SALTO (m)

Kaplan2