UNIVERSIDAD DE PIURA MAESTRIA EN INGENIERIA CIVIL CON MENCION EN RECURSOS HIDRICOS
“Diseño de una mini central hidroeléctrica – Rio la Gallega” Tesis para optar el título de Ingeniero Civil.
Jesús Humberto Moreno Mantilla Asesor: Dr. Ing. Daniel Marcelo Aldana
Piura Enero 2011
1. INTR INTROD ODUC UCCI CION ON
2. OBJETI OBJETIVO VO DEL PROYEC PROYECTO TO El objetivo objetivo del presente proyecto proyecto es dotar del recurso hidroenergetico hidroenergetico a los centros pobl poblado adoss de Piedra Piedra del toro, toro, La Unión Unión y San Luis. Luis. Dichos Dichos centros centros poblado pobladoss pertenecen pertenecen a la provincia de Morropon. Para lo cual se utilizaran utilizaran las aguas del rio rio la Gallega a través de una captación captación de agua tipo fluyente ubicado aguas arriba del puente la Gallega.
3. UBICAC UBICACIÓN IÓN DEL PROYEC PROYECTO TO El embalse será ubicado en Santo Domingo, Santa Catalina de Mosa y Provincia de Morropón. Sus coordenadas coordenadas son: Latitud 5° 7'5.34"S 7'5.34"S y Longitud 79°53'43.66"O. Tal como se puede apreciar en la figura adjunta. Figura Nº 01 y Nº 02.
Figura Nº 01
2. OBJETI OBJETIVO VO DEL PROYEC PROYECTO TO El objetivo objetivo del presente proyecto proyecto es dotar del recurso hidroenergetico hidroenergetico a los centros pobl poblado adoss de Piedra Piedra del toro, toro, La Unión Unión y San Luis. Luis. Dichos Dichos centros centros poblado pobladoss pertenecen pertenecen a la provincia de Morropon. Para lo cual se utilizaran utilizaran las aguas del rio rio la Gallega a través de una captación captación de agua tipo fluyente ubicado aguas arriba del puente la Gallega.
3. UBICAC UBICACIÓN IÓN DEL PROYEC PROYECTO TO El embalse será ubicado en Santo Domingo, Santa Catalina de Mosa y Provincia de Morropón. Sus coordenadas coordenadas son: Latitud 5° 7'5.34"S 7'5.34"S y Longitud 79°53'43.66"O. Tal como se puede apreciar en la figura adjunta. Figura Nº 01 y Nº 02.
Figura Nº 01
Figura Nº 02 Así mismo se presenta a través de la figura Nº 03 y 04 un esquema de los posibles componentes de la mini central a diseñar.
Figura Nº03
Figura Nº 04
4. CALCULO DE LA DEMANDA DE LOS PUEBLOS A ELECTRIFICAR El análisis de la demanda es un aspecto importante para el diseño o estudio de un micro o mini central hidroeléctrica. Sus resultados deben aportar el consumo actual de la población a la que se desea suministrar energía, y con estos, proyectar la demanda durante un periodo de tiempo según necesidad. Por tratarse de un análisis en zonas rurales aisladas, donde las poblaciones se encuentran alejadas de los grandes servicios interconectados y muchas veces aun sin servicio eléctrico alguno, no es posible aplicar los métodos tradicionales para la estimación de la demanda futura de un país como la extrapolación de la demanda anterior o modelos econométricos en base a indicadores nacionales o departamentales. Cada región aislada tiene sus propias características de densidad, crecimiento poblacional, infraestructura, servicios existentes, recursos naturales y potenciales de producción. Por lo tanto, cada región aislada prevista para la electrificación necesita una evaluación particular de su potencial de desarrollo y su futura demanda de energía eléctrica, tanto en gabinete como en campo. Para nuestro trabajo para el cálculo de la demanda se va a utilizar el método desarrollado por Ramiro Ortiz, en su libro, Pequeñas centrales hidroeléctricas (2001), metodología más rigurosa, que requiere mayor información acerca de las actividades de la comunidad o centro poblado: • Actividades en el hogar: hora de acostarse, levantarse, preparar los alimentos, etc. • Actividades industriales y comerciales: agricultura, industria maderera, pesca, ganadería, minería, bodegas, restaurantes, hoteles y otros • Servicios públicos: colegios, escuelas, salud, comunicaciones, agua y saneamiento. Con la información recabada se obtiene una visión de las necesidades de la comunidad y puede asignarse una demanda o potencia eléctrica a cada una de ellas, en lo que respecta a cada uno de los sectores: • Demanda residencial: se debe tomar una vivienda representativa y proyectarla hacia el total de las viviendas. La información de la demanda residencial se dividirá en: iluminación; conservación y preparación de alimentos y; recreación y comodidades. • Demanda industrial y comercial: se pueden prever casos individuales de acuerdo al tipo de industria y considerar, según sea el caso, una muestra representativa de una industria mayoritaria, si fuera necesario. Algunos datos de la demanda industrial se pueden ver en la tabla 3.
• Servicios públicos: la energía eléctrica aportara soluciones en materia de salud, educación, comunicaciones y alumbrado público.
5. DEMANDA POTENCIAL Una vez que se ha identificado la demanda actual, independiente o no de que haya servicio de energía eléctrica, se requiere conocer el consumo durante el día representativo. Que proyectado refleje de la comunidad en la semana, mes u otro periodo. De la encuesta se obtiene información característica de la comunidad en sus hábitos de consumo, distribuidos de acuerdo con el tipo de necesidad que ya se ha visto. Entonces la demanda potencial será obtenida de la siguiente tabla: TABLA Nº 01 POTENCIA MEDIA DE ALGUNOS EQUIPOS ELECTRICOS
Residencial Refrigerador Televisor Radiograbadora Equipo de sonido Licuadora Ventilador Máquina de coser Plancha Radio, teléfono Cocina eléctrica (por boquilla)
250 100 40 100 200 100 100 1 000-1 500 100 1 000-1 500
Agroindustria Aserradero Carpintería Trapiche Telares Molino de granos Beneficiarios de café Molinos de canteras Fábricas de hielo Matadero o molino de pescado Cuarto frío o cámara de refrigeració Bombeo
30-60 3-15 10-20 2-6 3-20 5-30 6-30 6-60 5-10 6-60 2- 100
El horario de uso (24 horas), está dividido en periodos según la actividad de la comunidad. Esta división se obtiene de la información recogida en campo. En la tabla 5 se considero la siguiente distribución: Tabla Nº 02
A continuación se procederá al cálculo de la demanda potencial para esto se realizo una encuesta para determinar la población a servir.
ELECTRIFI Así mismo se procedió a la determinación de la demanda a partir de las siguientes tablas
Tabla Nº 03
UTILIDAD DE USUARIO REPRESENTATIVO ILUMINACION
Sala Comedor Dormitorio 1 Dormitorio 2 Dormitorio 3 Baño Puerta de Entrada
POTENCIA EN
CANTIDAD
DEMANDA RESIDENCIAL HORARIO DE USO
CS % 0-5
VATIOS
100 100 100 100 100 100 100
262 262 262 100 150 262 262
0.5 0.3 0.3 0.3 0.3 0.1 1
250 100
155 100
0.2 0.1
100 100 40 100
180 110 200 150
0.8 0.3 0.8 0.3
100 1200
100 185
0.2 0.2
5-7
7-11
11-13
13-17
ENERGIA KW-HORA 17-19
19-21
21-24
DIA 13.10 15.72 15.72 6.00 9.00 5.24 78.60
13,100.00 7,860.00 7,860.00 3,000.00 4,500.00 2,620.00
7,860.00 7,860.00 3,000.00 4,500.00 2,620.00 26,200.00 26,200.00
26,200.00
PREPARACION Y PRESERVACION DE ALIMENTOS
Nevera Licuadora
7,750.00
7,750.00
7,750.00
7,750.00 1,000.00
7,750.00
7,750.00
4,500.00
3,300.00 6,400.00 4,500.00
7,750.00
0.00 62.00 1.00 0.00 28.80 3.30 25.60 22.50 0.00 2.00 44.40
7,750.00
RECREACION
Televisor Equipo de sonido Gravadora Ventilador
14,400.00 6,400.00 4,500.00
4,500.00
6,400.00 4,500.00
14,400.00 6,400.00
OTROS
Maquina de Coser Plancha TOTAL
2,690.00
2,000.00 44,400.00 33,950.00
44,490.00 14,250.00 34,050.00 12,250.00 29,810.00
130,230.00 33,950.00
332.98
Tabla Nº 04
UTILIDAD DE USUARIO REPRESENTATIVO INDUSTRIA Y COMERCIO Tabla Nº 05
UTILIDAD TOTAL RESIDENCIAL SERVICIOS PUBLICOS INDUSTRIA Y COMERCIO CRECIMIENTO DE LA DEMANDA
AÑO
121,537.70
Tabla Nº 06
% 0.00
Tabla Nº 07
P
Año
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
DEMANDA INDUSTRIAL/COMERCIAL Potencia Energia Kwh-año % e n Vatios % 0.00 3.00 3.00 2.30 2.30 2.30 2.30 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.00 1.00 0.50 0.50 0.50 0.50
1,800.00 1,854.00 1,909.62 1,953.54 1,998.47 2,044.44 2,091.46 2,122.83 2,154.67 2,186.99 2,219.80 2,253.10 2,286.89 2,321.20 2,356.01 2,386.64 2,417.67 2,449.10 2,480.94 2,513.19 2,538.32 2,563.70 2,576.52 2,589.40 2,602.35 2,615.36
0.00 3.00 3.00 2.30 2.30 2.30 2.30 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.50 1.30 1.30 1.30 1.30 1.30 1.00 1.00 0.50 0.50 0.50 0.50
Tabla Nº 08
7,811.00 8,045.33 8,286.69 8,477.28 8,672.26 8,871.72 9,075.77 9,211.91 9,350.09 9,490.34 9,632.69 9,777.19 9,923.84 10,072.70 10,223.79 10,356.70 10,491.34 10,627.72 10,765.89 10,905.84 11,014.90 11,125.05 11,180.67 11,236.58 11,292.76 11,349.22
Año
0
Tabla Nº 09
PO 1 A partir de estos resultados se encontró que los centros poblados requieren para atender sus necesidades de energía eléctrica dentro los próximos 25 años, una planta hidroeléctrica con una potencia instalada de 210 kilovatios y una energía para el año 25 de 215,166.34 kw-h.
6. EVALUACION DE RECURSOS HIDROENERGETICOS Una vez efectuado el cálculo de la demanda de energía para los centros poblados en mención, el siguiente paso es realizar la evaluación del potencial de generación de energía en la zona, es decir la oferta. Esto es importante a fin de definir la viabilidad del proyecto y los próximos pasos a seguir (elaboración de estudios, gestión de financiamiento, ejecución, etc.). Es evidente que al escoger el lugar de evaluación de los recursos, la ubicación de la futura casa de maquinas debe encontrarse lo más cerca posible al lugar de la carga a servir (poblado, servicios varios).
La capacidad de generación de energía mediante el empleo de agua está determinada por la altura o caída (energía potencial) que se pueda obtener y del caudal disponible. La altura depende a la topografía del terreno y el caudal de las características del rio o arroyo que se va a utilizar. A continuación se describen métodos prácticos para la evaluación de la altura y del caudal. La utilización de cualquiera de estos dependerá de los materiales y equipos que se pueda llevar o encontrar en el lugar de evaluación, nivel de estudio (perfil, pre factibilidad, factibilidad), así como el tamaño del proyecto (pico, micro o mini central hidráulica), también en algunos casos se tomara en cuenta el esquema de financiamiento del proyecto. Para el presente proyecto contamos con los siguientes componentes de estructuras hidráulicas: • • • • • • • • • •
Barraje de derivación Toma de Ingreso. Compuerta de regulación. Aliviaderos. Canales de derivación Desarenador. Canal. Cámara de Carga Tubería a presión. Anclajes.
A continuación se presenta una figura de la posible ubicación de los componentes.
Figura Nº 05
6.1
MEDICION DEL SALTO HIDRAULICO
Como se puede apreciar que la diferencia de niveles desde la cámara de Cargas hasta la posible ubicación de las turbinas es de 35 metros aproximadamente. A continuación se presenta un cuadro con los diferentes métodos para medir el salto hidráulico:
Figura Nº 06 Tabla Nº 10
6.2
MEDICION DEL CAUDAL
Para la medición del caudal existen varios métodos que a continuación se nombraran. Pero para nuestro caso contamos con mediciones de una estación de aforo. De caudales promedios mensuales de 4 años que se muestran a continuación: Caudales promedios
frecuencias
C Tabla Nº 11
Tabla Nº 12
Rango de Tabla Nº 13
FrecuenciaAcumulada 120.00 100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 4
3
2
1
0
Figura Nº 07
En conclusión tenemos que al 75 % del tiempo se producen caudales menores o iguales que 2.2 m3/seg. Si tenemos una demanda de una potencia neta de 210 kw y un salto neto de 35 m. Entonces necesitamos un caudal de 1.2 m3/seg . Menor a la disponibilidad del recurso hídrico existente.
7.00 OBRAS CIVILES Se puede diferenciar muchos tipos de modelos hidráulicos de Mini Centrales en nuestro estudio tenemos un sistema de mediana altura es decir de 35 metros de altura para lo cual tendremos es siguiente esquema:
Figura Nº 08 Componentes hidráulicos: • • • • • • • • • •
Barraje de derivación Toma de Ingreso. Compuerta de regulación. Aliviaderos. Canales de derivación Desarenador. Canal. Cámara de Carga Tubería a presión. Anclajes.
Ver algunos detalles:
A continuación se presentara la memoria de cálculo de los diseños de cada componente:
1. Barraje de derivación, Toma de Ingreso, Compuerta de regulación, Aliviaderos.
PROYECTO : UBICACIÓN DEPARTAMENTO: DATO
X
PLANTA DONDE SE
1,-
3,-
PROYECTO :
P
DEPARTAMENTO:
PI
EL DISEÑO DE LA CAPTACIÓN Y EL COLCHON SERÁ LA SIGUIENTE
H=
1.68
P=
1.00
h2 2.20 Pf =
0.58
0.47
L. Barraje
Longitud de Colchon
1.05
9.30
PROYECT UBICACIÓN DEPARTAMENTO: INGRES
1 P
UBICACIÓN DEPARTAMENTO:
1,-
UBICACIÓN DEPARTAMENTO:
1,- Facto
5,- Altura Conjugada. DONDE : E = Energía Total de la Sección..
E = Z + d1 + V2 /2g
Z = Energia de Posición o o de Elevación. d1 = Altura o Tirante Conjugado en la zona contraida del agua V2/2g= Altura de Velocidades. g = Gravedad.
1.10 .=d2 Y 1= 1.00 d1 =
L=
Y1a= 0.70 0.72
3.40
2. DISEÑO DEL CANAL DE DERIVACION
Para el diseño del canal de derivación de la toma al sedimentador será el siguiente:
Se puede observar que es un canal rectangular de longitud de 105 m. cuyos parámetros hidráulicos cumplen cabalmente. Tenemos una velocidad aceptable de 2 m/seg. Un tirante de 0.74 m. y un flujo sub critico.
3. DISEÑO DEL SEDIMENTADOR Se diseñara el sedimentador utilizando el diagrama de Camp:
Figura 3. Diagrama de eficiencia de Camp (Bogardi 1974). Y con velocidades de decantación de: VELOCIDADES DE DECANTACION
Tamaño de la partícula (mm) 0.10 0.30 0.50
V d (m / seg ) 0.01 0.03 0.05
1.00
0.10
1.- NOMBRE DEL 2.- NUMERO DEL 3.- OFICINA ZON 4.- UBICACION D
4.
DISEÑO DEL CANAL RECOLECTOR HACIA CAMARA DE CARGA Desde la salida del sedimentador hasta la cámara de carga existe un desarrollo de canal de 250 m. y una diferencia de nivel de 0.8 m. Revestido de concreto.
5. DISEÑO DE LA TUBERIA DE ALTA PRESION La fórmula de Hazen-Williams, también denominada ecuación de Hazen-Williams, se utiliza particularmente para determinar la velocidad el agua en tuberías circulares llenas,o conductos cerrados es decir, que trabajan a presión.
Su formulación es: en función del radio hidráulico:
en función del diámetro Q = 0,2785 * C * ( Di)2,63 * S 0,54
Donde:
Rh = Radio hidráulico = Área de flujo / Perímetro húmedo = Di / 4 V = Velocidad media del agua en el tubo en [m/s]. Q = Caudal ó flujo volumétrico en [m³/s]. C = Coeficiente que depende de la rugosidad del tubo. 130 para tubos de acero soldado. 100 para tubos de hierro fundido.
128 para tubos de fibrocemento. 150 para tubos de polietileno de alta densidad.
Di = Diámetro interior en [m]. ( Nota: Di/4 = Radio hidráulico de una tubería trabajando a sección llena ) S = [[Pendiente - Pérdida de carga por unidad de longitud del conducto] [m/m].
Esta ecuación se limita por usarse solamente para agua como fluido de estudio, mientras que encuentra ventaja por solo asociar su coeficiente a la rugosidad relativa de la tubería que lo conduce, o lo que es lo mismo al material de la misma y el tiempo que este lleva de uso.
A continuación se presentan los cálculos para la determinación del diámetro económico de la tubería:
Calculo de a.- Datos d Teniendo la Potencia de la turbina, la altura neta se prosigue a la selección del tipo de turbina:
- Caudal de B - Cota de Tur - Cota de Ca - Presion de - Calidad de t - Longitud de
Uno de los principales criterios que se deben manejar a la hora de seleccionar el tipo de turbina a utilizar en una central, es la velocidad específica (Ns) cuyo valor exacto se obtiene a partir de la siguiente ecuación:
Donde:
ne son revoluciones por minuto, N es la potencia del eje o potencia al freno y h es la altura neta o altura del salto. Estos son los valores para el rendimiento máximo.
La velocidad específica Ns es el número de revoluciones que daría una turbina semejante a la que se trata de buscar y que entrega una potencia de un caballo, al ser instalada en un salto de altura unitaria. Esta velocidad específica, rige el estudio comparativo de la velocidad de las turbinas, y es la base para su clasificación. Se emplea en la elección de la turbina más adecuada, para un caudal y altura conocidos, en los anteproyectos de instalaciones hidráulicas, consiguiendo una normalización en la construcción de rodetes de turbinas. Los valores de esta velocidad específica para los actuales tipos de turbinas que hoy en día se construyen con mayor frecuencia (Pelton, Francis, Hélices y Kaplan) figuran en el siguiente cuadro: Velocidad específica Ns
Tipo de Turbina
De 5 a 30 De 30 a 50 De 50 a 100 De 100 a 200 De 200 a 300 De 300 a 500 Más de 500
Pelton con un inyector Pelton con varios inyectores Francis lenta Francis normal Francis rápida Francis doble gemela rápida o express Kaplan o hélice
Tal como se mencionó anteriormente N s sirve para clasificar las turbinas según su tipo. De hecho, N s se podría denominar más bien característica, tipo o algún nombre similar, puesto que indica el tipo de turbina. Al analizar la ecuación 1 se comprueba que a grandes alturas, para una velocidad y una potencia de salida dadas, se requiere una máquina de velocidad específica baja como una rueda de impulso. En cambio, una turbina de flujo axial con una alta Ns, es la indicada para pequeñas alturas. Sin embargo, una turbina de impulso puede ser adecuada para una instalación de poca altura si el caudal (o la potencia requerida) es pequeño, pero, a menudo, en estas condiciones el tamaño necesario de la rueda de impulso llega a ser exagerado. Además, de esta ecuación se observa que la velocidad específica de una turbina depende del número de revoluciones por minuto; cantidad que tiene un límite, y además debe tenerse en cuenta que para cada altura o salto existe un cierto número de revoluciones con el que el rendimiento es máximo. También depende de la potencia N a desarrollar, función a su vez del caudal Q de que pueda disponer, y de la altura h del salto. Fijada la potencia y el caudal aprovechable, el valor de la velocidad específica indica el tipo de turbina más adecuado. Hasta el momento, las ruedas de impulso se han utilizado para alturas tan bajas como 50 pies cuando la capacidad es pequeña, pero es más frecuente que se utilicen para alturas mayores de 500 o 1.000 pies, pues normalmente operan con una economía máxima si la carga es mayor que 900 pies. La altura límite para turbinas Francis es cercana a 1.500 pies debido a la posibilidad de cavitación y a la dificultad para construir revestimientos con el fin de soportar altas presiones; pero por lo general, suelen alcanzarse cargas de 900 pies con este tipo de turbinas. Para cargas de menos de 100 pies suelen usarse turbinas de hélice.
La figura 1 ilustra los intervalos de aplicación de diversas turbinas hidráulicas.
Diagrama de selección de turbinas hidráulicas caudal / altura
Se calculo la velocidad de rotación:
En la que: n = número de revoluciones por minuto (r.p.m.). f = frecuencia del sistema 50 períodos por segundo (p.p.s ). P = número de pares de polos del alternador (Pe mayúscula). 60 = segundos en un minuto. Los valores de la velocidad de giro n, en las turbinas hidráulicas están comprendidos entre 75 r.p.m. y 1000 r.p.m., según se deduce de la Tabla 1. No obstante, todos los tipos de turbinas se proyectan para poder soportar, momentáneamente, velocidades muy superiores a las de funcionamiento normal, surgidas ante las variaciones de carga, según consideraremos en breve.
