Descripcion de la planta Hidroelectrica de Madden

 Revista de Iniciación Iniciación Científica Científica – RIC – Journal of Underg Undergraduate raduate Researc Research h

Informe de la Gira #1: Hidroelectrica Madden Ernesto Tamayo, Uribiades Delgado Licenciatura en Ingeniería Electromecánica – Facultad de Ingeniería Eléctrica – Universidad Tecnológica de Panamá

Resumen  Este documento busca presentar de forma general las cosas observadas ! e"periencias #ue tuvimos durante nuestra gira a la central $idroeléctrica de %adden& Presentaremos los elementos más importantes #ue $a! dentro de la  planta ! describiremos la función #ue reali'a cada uno de ellos& (e presentará también una e"plicación del proceso #ue se reali'a en la planta para la generación de energía eléctrica ! conoceremos $acia donde se transporta esa energía& alabras !la"es )entral generadora energía eléctrica *idroeléctrica Turbinas& Turbinas&

bstract  T$is document presents in a general form t$e t$ings seen and e"perienced during our tour to t$e %adden *!droelectric plant& +e +e,ll ,ll present t$e most important elements t$at lie inside t$e plant and describe t$e function t$at eac$ one develops& -lso an e"planation of t$e process t$at involves t$e electric energ! production .ill be provided as .ell as information about .$ere t$at energ! goes&

$ey%ords/ generating plant electric electric energ! energ! $!droelectric $!droelectric turbines&

Introducci&n En los 0ltimo 0ltimoss a1os a1os Panam Panamáá $a e"per e"perime imenta ntado do un aumento en los niveles de polución ! de contaminación lo #ue #ue $a ocas ocasion ionad ado o tamb tambié ién n un aume aument nto o en las las enfermedades a nivel nacional& En parte esto se debe a la necesidad de cubrir la demanda de energía eléctrica en el  país !a #ue una de nuestras fuentes de producción de energía eléctrica más grandes es a través de la #uema de combus combustib tibles les fósiles fósiles como como el 2iésel 2iésel o el 3un4er 3un4er los cuale ualess emit emiteen gase gasess #ue #ue son son e"tr e"trem emaadam damente ente contaminantes para el ambiente ! lo más alarmante del caso es #ue la demanda de energía eléctrica seguirá aumentando& Es por esto esto #ue se está intentando intentando generar  energ energía ía más más 5limp 5limpia6 ia6 a través través de fuente fuentess alter alternas nas de gene genera raci ción ón como como lo son son la ener energí gíaa eóli eólica ca sola solar7 r7 fotovoltaica mareomotri' ! energía a'ul& Esto también

del agua& La cantidad de ríos ! otros cuerpos de agua #ue $a! en nuestro país convierte a las $idroeléctricas en una de las las form formas as de gene genera raci ción ón más más impo import rtan ante tess ! adecua adecuadas das para para dismin disminuir uir nuestr nuestraa depend dependenc encia ia de la #uema de combustibles fósiles para generación&

1' Descri(ci&n de la lanta La $idr $idroe oelé léct ctri rica ca %add %adden en ante antess cono conoci cida da como como 5-la8uela6 fue dise1ada en 9:;< por el ingeniero E&(& =andolp$ ! su construcción dio inicio el > de febrero de 9:;>& (u función más importante es la de mantener un nivel apropiado de agua en reserva para la operación de las esclusas ! el paso de barcos del )anal de Panamá& -dem -demás ás se empl emplea ea tamb tambié ién n para para la gene genera raci ción ón de energía $idroeléctrica necesaria para el funcionamiento del canal principalmente de las oficinas desde las cuales se gestiona el tránsito de barcos& ?tra de las funciones de la represa es la de evitar las inundaciones por el desbordamiento del rio )$agres las cuales cuales fueron fueron mu! peligr peligrosa osass durant durantee la época época de la construcción del canal&

inclu!e a la energía eléctrica producida mediante *idro la cual no tiene ninguna clase de emisión peligrosa para el ambiente simplemente traba8a en base al movimiento

El gobi gobier erno no de los los Esta Estado doss Unid Unidos os cons constr tru! u!ó ó una una carretera de concreto de 9@ ! media millas de largo para unir a la represa con el poblado de (ummit ! $acer  factible el transporte de traba8adores ! de los materiales& Figura 9& Inicios de la c onstrucción del embalse de la represa %adden&

1'1 Tama)o

Aournal of Undergraduate =esearc$ @<9BC Dol& 9/

@

La represa principal tiene unos :<@ pies de largo ! 9G<  pies de anc$o en su base& Posee un embalse inferior #ue se encuentra a :< pies sobre el nivel del mar ! uno superior #ue llega $asta los @>H pies sobre el nivel del mar ! puede contener @: millones de pies c0bicos de agua& 1'* otencia de la (lanta

transformadores #ue disminu!en el volta8e de BB JD $asta BG< D para uso interno de la planta& Los generadores instalados en la planta traba8aban anteriormente a una frecuencia de @> ciclos pero fueron rebobinados para operar a una frecuencia de < ciclos la cual es utili'ada en Panamá& 1'. /actor de (lanta

La $idroeléctrica cuenta con ; unidades de turbina Francis de la marca -llis )$almers con unidad capacidad instalada de 9@ %+ cada una lo #ue da un total de ; %+& a1o

El factor de planta depende del nivel #ue tenga el embalse de la *idroeléctrica ! de lo #ue se produce con ella&

1'+ Ubicaci&n

)alcularemos el F&P mediante la ecuación/

La central se encuentra en el corregimiento de )$ilibre a apro"imadamente B< 4ilómetros de la ciudad de Panamá& Figura @&

Dista desde la entrada de la )entral&

 Promedio de produccionanual  Factor de Planta = Capacidad instalada∗a ñ o 1'

!one-i&n a la red

Los generadores de la planta poseen un volta8e de generación de &: JD el cual es elevado a BB JD por los transformadores para luego ser transportados a través de @ líneas de transmisión #ue conectan a la subestación de %adden con la de (ummit& También $a! @

Para el promedio de producción anual tomaremos en cuenta la del a1o @<9@ #ue fue de 9:G K+$&

 F actor de Planta =

198 x 10 6

36 x 10

9

Wh

W ( 8760 horas )

= 0.6278

Figura ;& Parte inferior de la planta en donde se ve el e8e de la turbina&

*' Descri(ci&n de los com(onentes y de su funci&n' Las partes de una

principales

9

Embalse o re(resa/ es una acumulación de agua #ue se encarga de suplir a las turbinas de la $idroeléctrica del caudal necesario para #ue estas giren ! produ'can energía eléctrica& Fuente: http://www.megustachitre.com/2014

2) Tuberías de presión o forzadas: conducen el agua desde el punto en el cual se tiene una gran energía potencial, o sea, el embalse; hasta la turbina. Fuente: alam.com/stoc!

de agua (conductos): ") Toma tuberías a tra#$s de las cuales ingresa el agua del embalse hacia las tuberías %ue lle#an a la turbina.

*idroeléctrica la conforman/

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;

velocidad de las turbinas ! los ciclos por  segundo de la generación&

B

re0illas:  son las #ue se encargan de filtrar los residuos sólidos grandes #ue pueden ingresar   por los tubos de admisión de agua ! da1ar  internamente las turbinas&

G

Generador el6ctrico: es el encargado de convertir la energía mecánica producida en la turbina a energía eléctrica&

:

78neas de

Fuente/ $ac4er&ind&bresp

>

al"ula de cierre de conducto: su principal funcion es el cierre ! estrangulacion de grandes volumenes de li#uidos #ue se presentan en la  planta&  Turbina 2idraulica: se encarga de convertir la energia cinetica #ue viene del caudal de agua en energia mecanica o movimiento #ue puede ser convertido luego a otras formas de energia&

H

Gobernador 3electr&nico4 digital5: es e l encargado de  permitirle ver al operador la  potencia #ue se está generando en tiempo real

transmisi&n 3subestaci&n5:  (on a#uellas #ue transportan la energía eléctrica  producida  por el generador  de la planta ! el volta8e #ue pasa  por ellas es de BBJD&

9< !asa de m9uinas: su función es

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B 3

soportar es de

1000 pie s / s

& )uando el caudal de la  planta es demasiado el e#uipo de control de

albergar las má#uinas ! los elementos de regulación ! comando& Fuente/ $ttp/...§orelectricidad&com@;99

99 !anal de descarga: es el tramo #ue permite el flu8o del caudal de agua al finali'ar su recorrido desde el embalse superior $asta el embalse inferior& La planta no contaba con po'o de oscilación  pie'ometrica ni con c$imenea de e#uilibrio por lo #ue no se pudieron incluir&

+' Descri(ci&n de la ;(eraci&n de la lanta La central *idroeléctrica de %adden es una central  pe#ue1a la cual tiene una capacidad instalada de ; %+ ! cada una de sus ; unidades de turbina traba8an a @9@ rpm& Darios de los procesos reali'ados en la planta eran anteriormente monitoreados por un gobernador  electromecánico el cual fue reempla'ado recientemente  por uno electrónico7digital #ue se encarga de llevar el registro de la potencia real en %+ generada ! de la velocidad de giro de las turbinas en tiempo real& Kracias a esto la ma!or parte de la planta se encuentra automati'ada por lo #ue el personal #ue traba8a en la  planta es mu! poco& El sistema de e"citación por su parte está asociado con lo #ue es la potencia reactiva en D-= de la planta& Uno de los operadores de la  planta ingeniero eléctrico %á"imo %arín nos e"plica #ue el nivel mínimo #ue debe tener el embalse de la planta para operar  lo regula el I2--M pero la  planta no debe operar a menos de @<< pies c0bicos sobre el nivel del mar& El embalse a @>H pies c0bicos sobrepasa el nivel de operación de la planta ! el caudal má"imo de operación #ue puede

inundaciones #ue se ubica en el vertedero se pone en funcionamiento desde el cuarto de control para abrir las compuertas ! #ue el agua #ue $a! en e"ceso salga al área del vertedero& El factor de planta de la instalación depende del nivel #ue tenga el lago #ue suministra el agua a la $idroeléctrica& Figura B& )uarto de control de la planta

Los generadores de la planta tienen un volta8e de generación nominal de :<< D ! luego el transformador  eleva ese volta8e en su lado de alta tensión $asta los BB<<< D& 2espués de #ue el volta8e se eleva $asta BB<<< D ese flu8o de potencia via8a a través de @ líneas de transmisión $asta la subestación de (ummit& La planta también cuenta con ciertas protecciones para sus e#uipos este es el caso de los relevadores o rela!s los cuales se encargan de disparar los interruptores en las ma#uinas cuando registran alguna anomalía para evitar  da1os más grandes& Los generadores cuentan con relevadores de protección  para sobrevolta8e ba8o volta8e ! protección diferencial& Para el caso del relevador de protección diferencial vemos #ue su función principal es censar tanto la corriente #ue entra como la #ue sale de un generador o de un transformador lo #ue le permite saber si $a! fallas en el sistemaC por e8emplo en la planta $a! un relevador  en uno de los transformadores ! en la subestación de (ummit $a! otro si el relevador #ue $a! en (ummit no registra la misma magnitud de corriente #ue registra el de la planta en %adden esto nos indica #ue dentro del e#uipo al #ue está conectado el relevador $a! corriente #ue se está fugando& Esto representa una 5falla6 en el sistema& Figura >& (ubestación de %adden& Las líneas de transmisión se aprecian a la mano derec$a&

La parte del consumo interno de la planta #ue se conoce como 5servicio de estación6 es suplida a través de @ transformadores #ue reducen el volta8e de BB<<< D $asta BG< D& Estos transformadores a su ve' alimentan a lo #ue se conoce como 5centro de control de motores6 el cual inclu!e/ diferentes motores compresores bombas $idráulicas del gobernador

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iluminación de la planta e#uipo de oficina ! e#uipo de comunicación& Las preguntas #ue nos planteamos antes de ir a la gira serán contestadas a continuación/ 9& NOué lago es el #ue alimenta a la central *idroeléctrica %adden R<' Las aguas del lago -la8uela antiguo nombre de la central son las #ue proporcionan el caudal para #ue la turbinas generen la energía eléctrica&

@& N2e cuánto es la caída #ue $a! desde el embalse $asta las turbinas de la planta R<' El salto o distancia #ue e"iste entre el embalse aguas arriba a @>@ pies sobre el nivel del mar a má"ima capacidad ! aguas aba8o a :< pies del nivel del mar es de 9@ pies&

;& N)uánto es el nivel mínimo de reserva con el #ue  puede operar la $idroeléctrica R<' El nivel mínimo con el #ue la central puede producir  energía eléctrica es de un embalse aguas arriba de @<<  pies&

B& N)ada cuánto tiempo se les da mantenimiento a los e#uipos Turbinas R<' Estos e#uipos tienen un mantenimiento planificado 9 ve' al a1o pero si re#uieren #ue se les $aga otro se $acen las debidas gestiones& El tiempo #ue toman los traba8os del mantenimiento es de 9 semana apro"imadamente&

>& 2e cuanto es el volta8e #ue dan los generadores eléctricos ! cuál es el volta8e de las líneas de transmisión de la planta R<' Los generadores producen energía eléctrica a un valor nominal de :<< D esta energía pasa por un transformador para elevar ese volta8e $asta BB JD para  poder transportarlo por las líneas de transmisión&

>

Francis la decisión más acertada& G& N)uál fenómeno es el #ue causa el ma!or da1o a las turbinas R<' El fenómeno de 5cavitación6 es el #ue más afecta a los e#uipos de la planta ! es la ra'ón de #ue las turbinas no puedan producir $asta los 9@ %+ de potencia&

:& -nualmente N#ué porcenta8e de la energía producida  por %adden es brindada al servicio eléctrico de Panamá R<' Este porcenta8e de energía depende del mercado de la generación del resto del país ! también depende del nivel #ue tenga el lagoC pero generalmente la ma!or   parte de la energía producida por la planta se va al (IM

a %ue el consumo interno de la planta no es mu grande. 9<& NOué tipo de $idráulica es ! por#ué se escogió $acerla de ese tipo R<' Esta se clasifica como una presa de gravedad cu!a fabricación ! características permite resistir el empu8e del agua mediante su propio peso& El empu8e de embalse es transmitido $acia el suelo por lo #ue este debe ser lo suficientemente estable para soportar el peso de la presa ! del embalse& Estas constitu!en la represa de ma!or  durabilidad ! #ue menor mantenimiento re#uieren&

' !onclusiones •

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•

& N)uál es la capacidad instalada de esta central $idroeléctrica R<' La planta cuenta con ; Turbinas las cuales tiene una capacidad instalada de 9@ %+ cada una& Esto da un total de ; %+ de capacidad instalada total&

•

•

H& NOué tipo de turbinas se utili'an en %adden ! por  #ué R<' La planta está e#uipada con tres turbinas -llis )$almers tipo Francis con generadores idénticos fabricados con una capacidad de 9<< $p cada una ! #ue traba8an a una velocidad de @9@ rpm& (e escogieron estas debido a #ue el salto entre un embalse ! otro es de una distancia intermedia lo #ue $ace a las turbinas

Panamá cuenta con gran cantidad de ríos en territorio nacional por lo #ue una $idroeléctrica es una de las me8ores formas #ue $a! para  producir energía eléctrica& La energía eléctrica producida en $idroeléctricas se considera 5energía limpia6 !a #ue no emite ning0n tipo de contaminante& Las $idroeléctricas de embalse utili'an el  principio de conservación de la energía para generación aprovec$ando la energía cinética del agua en el embalse superior para después $acerla pasar por las turbinas ! generar energía mecánica la cual luego será convertida a energía eléctrica por el generador& Los costos de producción de energía en *idroeléctricas son prácticamente nulos lo #ue $ace esta forma de generación mu! rentable& La central de %adden no es una gran productora de energía eléctrica pero reali'a el importante traba8o de evitar los desbordamientos del rio )$agres ! de proporcionar agua para el funcionamiento del canal&

.' =ibliograf8a •

Información de las clases dictadas por la  profesora del curso Aessica Kuevara&

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

Tríptico sobre la planta #ue se nos dio durante la gira& *istoria de la planta/

Oueremos dar un agradecimiento especial a los traba8adores de la planta *idroeléctrica de %adden #uienes mu! amablemente se ofrecieron a guiarnos por  la planta mostrarnos su funcionamiento ! responder  cada una de nuestras preguntas e in#uietudes& ;scar Mc>ay,  %ecánico de instrumentos de precisión #uien nos brindó sus conocimientos generales acerca de la planta con los cuales redactamos la descripción de la  planta& Mario Rodr8gue? Electricista de plantas de generación con su a!uda logramos preparar la sección de descripción de los componentes ! de la función de cada uno& M9-imo Mar8n, ingeniero eléctrico encargado de las operaciones de la planta #uien con su vasto conocimiento sobre las operaciones de la planta nos a!udó a completar la descripción de la operación de la  planta&

Figura G& Tuberías del sistema de agua de enfriamiento

@' ne-os

Figura & -ntiguo gobernador electromecánico utili'ado en la planta&

Figura :& Dálvula de emergencia&

Figura 9<& Unidad e"citatri' #ue leva el registro de la potencia reactiva de la planta& Figura H& E8e del rotor de una de las turbinas de la planta&

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Figura 99& Engrana8e del generador eléctrico& Figura 9@& 3omba de la turbina $idráulica&

H

Figura 9B& Eti#ueta de libran'a sobre una válvula de suministro de agua&

Figura 9>& Foto de los traba8os de construcción de la central $idroeléctrica&

Figura 9& 2iagrama unifilar del sistema de generación ! transmisión& Figura 9;& Parte interna del generador eléctrico&

Figura 9H& E#uipo #ue controla la apertura o cierre de las B compuertas de tambor&