TÉCNICAS DE ANÁLISIS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA 2010 2a Parte.pdf · LAS INSTALACIONES...
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Acapulco, Gro./ Septiembre 29 del 2010Ing. Ramón Rosas Moya
TÉCNICAS DE ANÁLISIS PARA EL AHORRO DE ENERGÍA
2ª Parte: Evaluación de Ahorros de Energía
SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
ENERGÍAÚTIL
ENERGÍAMECANICA
ENERGÍAMANOMÉTRICA
PÉRDIDAS
PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE LA ENERGÍA PARA EL TRABAJO DE BOMBEO
2
• Tarifas Eléctricas• Instalaciones Eléctricas• Motores Eléctricos• Bombas Centrífugas• El Sistema de Conducción• Aplicación de Velocidad Variable
CONTENIDO TEMÁTICO DEL TALLERCONTENIDO TEMÁTICO DEL TALLER
3
ENERGÍAÚTIL
ENERGÍAMECANICA
ENERGÍAMANOMÉTRICA
PÉRDIDAS
TARIFAS ELÉCTRICAS
SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
4
TARIFAS ELÉCTRICAS
Tarifas Aplicables Exclusivamente para Bombeo de Agua para Riego Agrícola.
• Tarifa 9: Suministrada en baja tensión
• Tarifa 9M: Suministro en media tensión
• Tarifa 9-CU: Estímulo con cargo único
• Tarifa 9-N: Estímulo para bombeo nocturno
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TARIFAS ELÉCTRICAS
Tarifas Aplicables para Bombeo de Agua Potable o Negra de Servicios Público Municipal.
Tarifa 6: Tarifa exclusiva para el bombeo de aguas potables o negras de servicio público
Tarifa OM: Ordinaria en media tensión con demanda menor de 100 kW
Tarifa HM: Horarioa en media tensión con demanda de más de 100 kW
Tarifas en alta tensión (HS, HSL, HT y HTL)
6
LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
ENERGÍAÚTIL
ENERGÍAMECANICA
ENERGÍAMANOMÉTRICA
PÉRDIDAS
7
LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Optimización Del Factor de Potencia
Optimización del Transformador
Optimización del Calibre de los Conductores
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
a) Aumento de las pérdidas en los cables
b) Un aumento en la caída de voltaje resultando en uninsuficiente suministro de potencia a las cargas
c) Incremento en el consumo de energía y la facturación.
> Pérdidas en transformadores
> Pérdidas en conductores eléctricos
Problemas de Bajo Factor de Potencia
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Corriente activa (80 ampers)Corriente aparente (100 A) Corriente reactiva (60 ampers)
Corriente activa (80 ampers)Corriente aparente (100 A)
Corriente reactiva (60 ampers)
Suministro100 A
FP = 0.8
Suministro80 A
FP = 1
Pérdidas = 16,200 kWh/año
Pérdidas = 10,400 kWh/año
Capacitor
80 ampers
60 a
mpe
rs
Compensación del FP con capacitores
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICASOPTIMIZACIÓN DEL FACTOR DE POTENCIA
1) Identificar el origen del bajo factor de potencia
2) Si el motor está sobredimensionado, sustituirlo por unode la capacidad adecuada
3) Si el motor está en mal estado, sustituirlo por unonuevo de alta eficiencia.
4) Instalar capacitores para suministrar los reactivos querequiera el motor.
Pasos a seguir para Optimizar el Factor de Potencia
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
TRANSFORMADOR:
• Optimización del factor de potencia.
• Operación en la zona de máxima
eficiencia.
• Eficiente remoción de calor.
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Pérdidas en un transformador
Potencia Nominal (kVA)
Pérdidas en el hierro
(W)
Pérdidas en el Cobre a Potencia
Nominal (W)
255075
100125160200250315400500630800
1000125016002000250031504000500063008000
10000
195345400435480490570675750900
10001250169018002010250027503480350043005000630070007600
670810
1080108523502600340042305250620080509000
108001260016800190002390029600305003400039500450005700068500
Curva de Eficiencia del Transformador
90.0%
92.5%
95.0%
97.5%
100.0%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
Factor de Carga
Efic
ienc
ia
13
LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Incremento de la Pérdidas en Transformadores como función de la temperatura
05
1015
202530
0 20 40 60 80 100
Temperatura (°C)
Incr
emen
to d
e la
s Pé
rdid
as (%
)
14
LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES
CALIBRE ÓPTIMO
0100
200300400
500600
0 5 10 15 20 25 30CALIBRE
CO
STO
INVERSIÓN OPERACIÓN TOTAL
OPTIMO
15
LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
OPTIMIZACIÓN DEL CALIBRE DE LOS CONDUCTORES
CASO: Selección del calibre óptimo del conductor.
Se trata de seleccionar el calibre óptimo del conductoreléctrico, para alimentar a un equipo de bombeo quedemanda 150 Ampers a 440 V.
La distancia a cablear son 130m, con 4 hilos.
La Norma indica que se debe usar un conductor calibremínimo de: 1/0.
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
CalibreResistencia ΔV
Ohms/km L (km) Ohms Volts %
1/0 0.3290 0.13 0.04277 6.42 1.46%
2/0 0.2610 0.13 0.03393 5.09 1.16%
3/0 0.2070 0.13 0.02691 4.04 0.92%
4/0 0.1640 0.13 0.02132 3.20 0.73%
250 0.1390 0.13 0.01807 2.71 0.62%
300 0.1157 0.13 0.01504 2.26 0.51%
350 0.0991 0.13 0.01288 1.93 0.44%
400 0.0867 0.13 0.01127 1.69 0.38%
500 0.0695 0.13 0.00904 1.36 0.31%
600 0.0578 0.13 0.00751 1.13 0.26%
750 0.0463 0.13 0.00602 0.90 0.21%
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
CalibrePérdidas
W/fase kW total kWh/año $/año VPN ($) *
1/0 962.3 2.89 25,290 35,405.86 $347,619.97
2/0 763.4 2.29 20,063 28,087.93 $275,771.46
3/0 605.5 1.82 15,912 22,276.64 $218,715.30
4/0 479.7 1.44 12,607 17,649.12 $173,281.69
250 406.6 1.22 10,685 14,958.71 $146,866.79
300 338.4 1.02 8,894 12,451.24 $122,248.12
350 289.9 0.87 7,618 10,664.81 $104,708.63
400 253.6 0.76 6,665 9,330.36 $91,606.84
500 203.3 0.61 5,342 7,479.35 $73,433.40
600 169.1 0.51 4,443 6,220.24 $61,071.23
750 135.4 0.41 3,559 4,982.65 $48,920.38
* i = 8%
n = 20 años
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
CalibrePrecio Unit Inversión Costo Total
($/m) ($) ($)
1/0 $105.50 $54,857.40 $402,477.37
2/0 $130.65 $67,938.00 $343,709.46
3/0 $164.88 $85,737.08 $304,452.38
4/0 $204.95 $106,571.40 $279,853.09
250 $246.90 $128,385.92 $275,252.71
300 $289.58 $150,579.00 $272,827.12
350 $338.59 $176,064.20 $280,772.83
400 $393.41 $204,571.12 $296,177.96
500 $462.38 $240,439.68 $313,873.08
600 $556.27 $289,260.40 $350,331.63
750 $678.46 $352,797.64 $401,718.02
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LAS INSTALACIONES ELÉCTRICAS
Costo de Conducción EléctricaL = 130 m, I = 150 A, n = 20 años, i = 8%
$0.00
$100,000.00
$200,000.00
$300,000.00
$400,000.00
$500,000.00
1/0
2/0
3/0
4/0
250
300
350
400
500
600
750
Calibre
Operación Inversión Total
20
SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
ENERGÍAÚTIL
ENERGÍAMECANICA
ENERGÍAMANOMÉTRICA
PÉRDIDAS
21
EL MOTOR ELÉCTRICO
EL MOTOR ELÉCTRICO
Eficiencia de Motores Eléctricos
Energía eléctrica
de entrada
Energía mecánica de salida
Pérdidas en forma de calorηm = Pm / Pe
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EL MOTOR ELÉCTRICO
EFICIENCIA ESTÁNDARD
ALTA EFICIENCIA
(NOM)
Evolución de la Eficiencia de los Motores en los últimos
añosSELLO FIDE
EFICIENCIA PREMIUM
Un motor de eficiencia premiun puede tener una
eficiencia entre 4 y 6% superior a uno estándar.
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EL MOTOR ELÉCTRICO
Un motor que ha sido reparado (rebobinado) pierde entre 2 y 3 % de su eficiencia en el proceso de reparación
MOTOR REPARADO
EFICIENCIA PREMIUM
EFICIENCIA ESTÁNDARD Un motor de eficiencia
premiun tiene una eficiencia 8% superior a uno estándar
que ha sido rebobinado.
24
LA BOMBA
Potencia Hidráulica
Potencia Mecánica
Pérdidas
Las Bombas son máquinas que transforman la
potencia mecánica en potencia hidráulica.
26
LA BOMBA
Muchas bombas se encuentran trabajando fuera de su zona óptima de diseño, lo que
se traduce en bajas eficiencias de operación.
PROBLEMÁTICA
27
CAUDAL
CARG
A
Cavitación por falta de NPSH
Zona óptima
Recirculación en la descarga
Recirculación en la succión
Reducción de la vida de los impulsores
Alta temperatura de operación
29
LA BOMBA
LA BOMBA
Normas de Eficiencia Energética en Bombeo
• NOM-001-ENER: Eficiencia energética de bombasverticales tipo turbina con motor externo eléctricovertical.
• NOM-006-ENER: Eficiencia energética electromecánicaen sistemas de bombeo para pozo profundo en operación
• NOM-010-ENER: Eficiencia energética de bombassumergibles
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LA BOMBA
NOM-001-ENER
Intervalo de Gasto Eficiencia Mínima Número de Pasos
1.0 - 3.0 64 8
3.66 - 11.55 71 5
2.90 - 24.97 70 7
4.7 - 34.65 70 6
10.0 - 68.0 73 7
17.0 - 69.3 77 5
20.4 - 66.6 77 7
39.7 - 75.0 80 5
32.0 - 150.0 80 5
85.5 - 141.6 80 5
61.1 - 250.0 80 5
101.0 - 209.0 81 7
139.4 - 256.9 81 5
222.6 - 353.9 81 5
321.8 - 818.9 81 5
533.6 - 902.2 81 5
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LA BOMBA
NOM-010-ENER
Capacidad de la Bomba (l/s)
Eficiencia (%)
Hasta 2.0 48
Mayor que 2.0 hasta 5.0 61
Mayor que 5.0 hasta 15.0 71
Mayor que 15.0 hasta 25.0 72
Mayor que 25.0 hasta 30.0 74
Mayor que 30.0 hasta 60.0 77
Mayor que 60.0 78
Valores de referencia para la eficiencia de la bomba sumergible
33
LA BOMBA
Motor Eficiencia del Motor Sumergible
( % )kW HP
Hasta 1.5 Hasta 2 68
Mayor que 1.5 hasta 2.2 Mayor que 2.0 hasta 3.0 72
Mayor que 2.2 hasta 3.7 Mayor que 3.0 hasta 5.0 73
Mayor que 3.7 hasta 5.6 Mayor que 5.0 hasta 7.5 75
Mayor que 5.6 hasta 7.5 Mayor que 7.5 hasta 10.0 77
Mayor que 7.5 hasta 11.2 Mayor que 10.0 hasta 15.0 79
Mayor que 11.2 hasta 14.9 Mayor que 15.0 hasta 20.0 80
Mayor que 14.9 hasta 22.5 Mayor que 20.0 hasta 30.0 81
Mayor que 22.5 hasta 29.8 Mayor que 30.0 hasta 40.0 83
Mayor que 29.8 hasta 44.7 Mayor que 40.0 hasta 60.0 86
Mayor que 44.7 Mayor que 60 87
Valores de referencia para la eficiencia del motor sumergible
34
LA BOMBA
NOM-006-ENER
Intervalos de Potencias Eficiencia Electromecánica ( % )
kW HP
5.6 - 14.9 7.5 - 20 52
15.7 - 37.3 21 - 50 56
38.0 - 93.3 51 - 125 60
94.0 - 261 126 - 350 64
35
LA BOMBA
# SIMBOLO DESCRIPCION 1 Di DIAMETRO INTERNO DE LA TUBERIA (m) 2 n FRECUENCIA DE ROTACION (RPM) 3 ND NIVEL DINAMICO (m) 4 x DISTANCIA DESDE EL NIVEL DE REFERENCIA A LA LINEA DE CENTROS DEL MANOMETRO (m) 5 P1 LECTURA DEL MANOMETRO A LA DESCARGA (m) 6 Pm PRESION A LA DESCARGA = [(4) + (5)] (m) 7 A AREA DEL TUBO A LA DESCARGA = [3,141 592 × (1)2/4] (m2) 8 qv FLUJO (m3/s) 9 hv CARGA DE VELOCIDAD = [{(8)/(7)}2 / 19,613 3] (m) 10 hfc PERDIDAS DE FRICCION EN LA COLUMNA (m) 11 hd CARGA A LA DESCARGA = [(6) + (9) + (10)] (m) 12 H CARGA TOTAL = [(3) + (11)] (m) 13 IA, IB, IC CORRIENTE POR FASE
PROMEDIO = [(IA + IB + IC) / 3] (A) 14 VAB, VBC, VCA VOLTAJE ENTRE FASES
PROMEDIO = [(VAB + VAC + VBC) / 3] (V) 15 fpA, fpB, fpC FACTOR DE POTENCIA POR FASE
PROMEDIO = [(fpA + fpB + fpC) / 3] (%) 16 Pe POTENCIA DE ENTRADA AL MOTOR = 1,732×(13)×(14)×(15) X 10-5 (kW) 17 Ps POTENCIA DE SALIDA DE LA BOMBA = [(8) × (12) × 9,806] (kW) 18 h EFICIENCIA ELECTROMECANICA = [(17) / (16)] × 100 (%)
NOM-006-ENER
36
LA BOMBA
El trabajo de campo para evaluar la eficiencia de operación de la bomba de un pozo que trabaja 4,200 h/año, arrojó los siguientes datos:
Gasto: Q = 61.0 lps
Nivel Dinámico: Nd = 62.5 m
D. ref-manómetro: Dnr = 0.5 m
Pérdidas por fricción: Pfr = 0.3 mca
Presión de descarga: Pr = 1.3 kg/cm2
Potencia eléctrica: Pe = 105.27 kW
Tipo de bomba: Turbina Vertical
Potencia nominal del Motor: 150 HP
38
LA BOMBA
Cálculo de la carga de Bombeo:
H = Nd + Dnr + Pfr + (Pr * 10)
= 62.5 + 0.5 + 0.3 + (1.3 *10)
= 76.3 mca
39
Ahorro de Energía en Riego Agrícola
LA BOMBA
Cálculo de la Potencia Manométrica:
Ph = Q * H * ρ * g
= 0.061 * 76.3 *1000 * 9.81
= 45,659 Watts
= 45.66 kW
40
LA BOMBA
Cálculo de la Eficiencia Electromecánica:
Eem = Ph / Pe
= 45.66 / 105.27
= 0.4337
= 43.37%
41
LA BOMBA
Cálculo de los Ahorros mínimos a lograrse:
• Eficiencia mínima de acuerdo a norma:
Eem’= 64%
• Potencia eléctrica esperada:
Pe’ = Ph / Eem’
Pe’ = 45.66 / 0.64
Pe’ = 71.34 kW
CASO DE EJEMPLO
42
LA BOMBA
Cálculo de los Ahorros mínimos a lograrse:
• Potencia eléctrica mínima a ahorrarse:
ΔPe = Pe – Pe’
= 105.27 - 71.34 = 33.93 kW
• Energía anual a ahorrarse:
ΔE = ΔPe * hr/año
= 33.93 * 4200 h/año = 142,506 kWh/año
43
SISTEMA DE CONDUCCIÓN
SUMINISTRO DE ENERGÍA ELÉCTRICA
ENERGÍAÚTIL
ENERGÍAMECANICA
ENERGÍAMANOMÉTRICA
PÉRDIDAS
44
SISTEMA DE CONDUCCIÓN
BOMBAS OPERANDO EN PARALELO
Bomba A
Bomba B
Succión Descarga
Qc (total del sistema) = QA + QB HC = HA = HB
45
SISTEMA DE CONDUCCIÓN
Varias bombas en paralelo operando sobre el mismo sistema de conducción
0
20
40
60
80
100
120
0 50 100 150 200 250 300 350Gasto
Car
ga
1 Bba 2 Bbas 3 Bbas 4 Bbas Sistema Sistema
Caso 1
Caso 2
46
APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE
Potencia de Bombeo
0
100
0 100
Gasto (Q)
Carg
a (H
) (Q1, H1)
Q1
H1
Ph = Q1 x H1
47
Modificación de la Curva del Sistema
0.0
100.0
0 100
Gasto (Q)
Carg
a (H
)
Curva 2 Curva 1 Bomba
(Q1, H1)
(Q2, H2)
Q1Q2
H2
H1
APLICACIÓN DE VELOCIDAD VARIABLE
48
Modificación de la Curva de la Bomba
0.0
100.0
0 100
Gasto (Q)
Car
ga (H
)
Curva 2 Curva 1 Bomba N1 Bomba N2
(Q1, H1)
(Q2, H2)
Q1Q2
H2
H1
H2'(Q2, H2')
N2
N1
49
Modificación Simultánea de las Curvas del Sistema y la Bomba
0.0
100.0
0 100
Gasto (Q)
Carg
a (H
)
Curva 2 Curva 1 Bomba N1 Bomba N2
(Q1, H1)
Q1Q2
H1(Q2, H1)
N1
N2'
50
RESUMENÁreas de Oportunidad de Ahorro de Energía
1. Selección de la Tarifa Más Económica2. Optimización del Factor de Potencia
4. Operación de Bombas en Zona de Máxima Eficiencia5. Utilización de Motores de Alta Eficiencia6. Disminuir Pérdidas de Carga en Tuberías7. Aplicación de Velocidad Variable
3. Optimización del Calibre de Conductores
51
52
Muchas GraciasIng. Ramón Rosas Moya
[email protected]. 229-9803477
GRUPO ERGON PLUS, S.A. de C.V.Profesionales Especialistas en Eficiencia Energética
52