UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
MONOGRAFÍA ANALISIS DE LA CENTRAL HIDROELECTRICA CHEVES
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GRUPO EJECUTOR: Castillo Rodrigue Frank German Roman Jimenez Joel Gonzales Romero Diego Vargas Quispe Yony Sanchez Osorio Isael
PROFESOR: ING. GONZALES CHAVEZ, SALOMÉ
CURSO, CODIGO DEL CURSO Y SECCIÓN: TURBOMAQUINAS TURBOMAQUINAS I, MN232 –B
2017-I
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CONTENIDO 1. OBJETIVOS......................... ............ .......................... .......................... .......................... .......................... .......................... .................... ....... 3 2. IDENTIFICACIÓN DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA .......................... ............. ............. 3 3. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO.......................... ............. .......................... .......................... ........................ ........... 5 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS ......................... ............ .......................... .......................... .......................... ................ ... 12 5. BALANCE ENERGETICO ........................... .............. .......................... .......................... .......................... .................... ....... 21 6. CONCLUSIONES ........................... ............. ........................... .......................... .......................... .......................... .................... ....... 22 7. ANEXOS .......................... ............. ......................... .......................... ........................... .......................... .......................... ...................... ......... 23 8. BIBLIOGRAFÍA .......................... ............. .......................... ........................... ........................... .......................... ........................ ........... 26
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1. OBJETIVOS -
Realizar un minucioso estudio del diseño de la turbina, comprobando sus parámetros de diseño. Además de un análisis de los resultados, para comprobar el tipo de turbina y la cantidad de chorros que tiene esta
-
Comprobar los triángulos de diseño
-
Realizar el balance energético
2. IDENTIFICACIÓN DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
Fig. N° 01. Central hidroeléctrica Cheves (Referencia: Statkraft)
La Central Hidroeléctrica de Cheves, se ubica en la vertiente del Océano Pacífico, en la cuenca del río Huara, entre las localidades de Sayán y Churín, provincias de Huara y Oyón, del departamento de Lima.
Fig. N° 02. Mapa de toda la central hidroeléctrica
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La represa Checas se ubica en los distritos Pachangara y Checras, tiene como función almacenar recurso hídrico para operar a mayor potencia en horas punta o en horas de mayor costo marginal que se presenta en el día (CMg), asimismo tiene tres desarenadores y cámara de carga de 10 000 m3.
Fig. N° 03. Mapa de la toma Checras
La toma Huara se ubica en los distritos Andajes y Pachangara, tiene como función es derivar las aguas del rio Huara a través de un túnel denominado Tunel de Transferencia (Conveyance Tunnel) que tiene una capacidad de 20 m3/s y una londitud de 2.53 Km.
Fig. N° 04. Mapa de la toma Huara
La represa se ubica en los distritos Pachangara y Checras, su función es de naturalizar el flujo del rio Huara hacia los usuarios agua abajo del proyecto.
Fig. N° 05. Mapa de la represa Picunche 4
3. PROCEDIMIENTO DE CÁLCULO DATOS Altura bruta: Hb=603 m Altura neta: Hn=591 m
Caudal nominal: Qn=33 m3/s Caudal en cada turbina: Qturb=16.5 m 3/s
Potencia nominal de la central hidroeléctrica: Pn CH=179.8 MW Potencia nominal de cada turbogenerador: Pn=89.9 MW
Velocidad angular: N=450 RPM
Diámetro Pelton: Øp=2235 mm
Altitud: altitud=-10.85º Latitud: latitud=-76.9º
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CÁLCULOS PREVIOS Antes de calcular las cifras y números específicos del diseño de la turbina es necesario el cálculo de los siguientes valores: Velocidad tang encial:
= ∗ N: Velocidad angular (rad/s) r 2: Radio de Pelton (m)
260 ∗(2.235 = (450 ) ∗ 1 2 ) = . / Aceleración de gravedad:
= . ⁄ Potenci a mecánica o al eje:
Debido a que para calcular el número específico de revoluciones de potencia (Ns) se utiliza el valor de la potencia mecánica en la unidad HP, se realiza el siguiente cálculo:
() = () = 9810 ∗16.5 ∗(591 ) () = 95.662 = 128285 1 ∗ () = ()∗ 746 1 ∗ 0.95 () = (95.662 )∗ 746 () =
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Cifra de presión (ψ)
= 2 u2: Velocidad tangencial en el D pelton (m/s) Hn: Altura neta o altura útil (m) g: Aceleración de la gravedad (m/s 2)
= (52.6591 609/) 2(9.8 ) = .
C ifr a de caudal ( )
= ∗
u2: Velocidad tangencial en el D pelton (m/s) Qturb: Caudal efectivo o real (m 3/s) A: Área del diámetro Pelton (m2)
16. 5 = 52.6609 ∗ ∗ (2.235 ) 4 = .
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PARÁMETROS DE DISEÑO DE LA TURBINA Número específico de revoluciones de potencia (Ns) Para cada turbina:
= N: Velocidad angular (RPM) Peje: Potencia mecánica o al eje (HP) Hn: Altura neta o altura útil (m)
√ 121901 = (450 ) (591 ) = . Número específico de revoluciones de caudal (Nq) Para cada turbina:
= N: Velocidad angular (RPM) Qturb: Caudal efectivo o real (m 3/s) Hn: Altura neta o altura útil (m)
/s ( 450 )16. 5 m = (591 ) = .
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EFICIENCIAS EN EL PROCESO DE TRANSFORMACIÓN DE ENERGÍA Eficiencia de la turbina:
ƞ = ∗ ∗
: Eficiencia hidráulica. : Eficiencia mecánica. : Eficiencia volumétrica. Además, se sabe que:
= .∗ ∗ ƞ = ∗ . = . Considerando la eficiencia mecánica igual a 0.98 y la eficiencia volumétrica igual a 1, hallamos la eficiencia hidráulica:
= = 0.0.9985 = 0.96 CINEMÁTICA DEL FLUJO. Se sabe para las turbomáquinas la ecuación de Euler:
∞ = ∗ ( ) Ahora, la eficiencia hidráulica es:
= ∞ ∞ = ∗ ∞ = .∗ = .
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TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD
c2, u2, w2: Velocidades de entrada de la turbina c1, u1, w1: Velocidades de salida de la turbina La velocidad del salida del chorro:
= ∅∗ ∗∗
∅: El coeficiente de velocidad en el inyector será considerado igual a 0.98. = .∗√ ∗.∗ = . Para la entrada (2):
Mediante el uso de AutoCAD se determinara el suplemento de que es igual a 6.5° y aproximando que la velocidad del chorro , se hallara el .
= = 1806.5 = 173.5°
∗ (.) = = (. ) = .. = . (.) 10
: = ⃗ . ⃗ = . = .
Luego se calcular la velocidad absoluta
Para la salida (1):
. ∞ = ∗ ( ) = ∞ ∗ = ..∗ . = . . Velocidad relativa del flujo en la salida del rotor: = Se usará la altura de altura de Euler para calcular
También se conoce que:
= Considerado el valor de K=0.955.
= ∗ = .∗. = . Luego despejando la ecuación anterior, calculamos el valor de
= −( ) = −(.. . ) = .°
β:
Hallando el valor de la velocidad aparente en la salida.
= ( ∗ ) = . / Valor de ángulo de flujo en la salida
∗ = = .º Velocidad meridiana: 11
= ∗ = . / ANALISIS FINANCIERO Para hallar el costo del Kw-h se usa la fórmula de Se tiene que:
Donde:
− = ∗(+) (+)−
− = ∗ ∗
:costo de inversión por kw-h
ó : factor de demanda = ∗
:costo de inversión específico=
T: tiempo para recuperar la inversión=25 años
-para el factor de demanda se consultó al COES sobre la energía producida teniendo los siguientes resultados:
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Chart Title 2500
2000
) h W1500 M ( a i g r e 1000 n E 500
0 0
5
10
15
20
25
30
35
dia
FECHA
EMPRESA GRUPO/CENTRAL
TIPO GENERACIÓN
TOTAL (MWh)
107/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 2211,16
208/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 2367,42
309/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 2067,68
410/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 2308,02
511/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 2068,09
612/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 2126,29
713/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 2096,38
814/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 1939,58
915/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 1808,27
1016/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 1972,88
1117/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 1811,28
1218/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 1808,02
1319/06/2017 STATKRAFT CHEVES
HIDROELÉCTRICA 2084,14
• Fuente: • http://www.coes.org.pe/Portal/portalinformacion/generacion
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1420/06/2017 1521/06/2017 1622/06/2017 1723/06/2017 1824/06/2017 1925/06/2017 2026/06/2017 2127/06/2017 2228/06/2017 2329/06/2017 2430/06/2017 2501/07/2017 2602/07/2017 2703/07/2017 2804/07/2017 2905/07/2017 3006/07/2017 3107/07/2017
•
STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1889,35 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1926,45 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1917,32 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1781,97 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1935,55 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1723,99 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1761,24 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1867,75 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1629,12 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1645,31 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1821,23 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1618,3 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1680,66 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1692,66 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1612,45 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1641,51 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1533,96 STATKRAFT CHEVES HIDROELÉCTRICA 1474,48 Energía total producida (MW-h) 57822,51 Potencia producida (MW) 80,30907 factor de demanda(COES) 0,455395
Factor de demanda (CHEVES)=0,58
Remplazando I=1.0845soles/W Frc=0.1209
− = 4,05$ℎ
OBSERBACION:CHEVES VENDE SU ENERGIA 15$ EL kW-h
5$ = 9.9ℎ 4. ANÁLISIS DE RESULTADOS Análisis de los parámetros de diseño de la turbina 14
Con el valor del número específico de revoluciones de potencia (Nq) calculado anteriormente:
= . Podemos comprobar con los valores que se especifican a continuación que la turbina de la central hidroeléctrica Cheves es una turbina Pelton con varios inyectores. Pelton con un inyector: 5 < Ns < 30 Pelton con varios inyectores: 30 < Ns < 60 Francis lenta: 50 < Ns < 100 Francis normal : 100 < Ns < 200 Francis rápida: 200 < Ns < 400 Francis extrarápida, ruedas-hélice: 400 < Ns < 700 Kaplan: 500 < Ns < 1000 Kaplan de 2 palas: Ns = 1200
El valor del número específico de revoluciones de caudal tiene el valor de:
= .
Por la tanto de la tabla anterior tambíen vamos a poder verificar que la turbina escogida es una turbina Pelton de varias boquillas o varios inyectores debido a que se encuentra dentro del rango que comprende a este tipo de turbinas.
Además con el gráfico mostrado a continuacion podemos observar que para la altura neta que se aprovecha en la central hidroeléctrica Cheves (Hn) y la velocidad específica tangencial (U 2) la turbina Pelton con varios inyectores a utilizar será una turbina Pelton con 6 inyectores especificamente.
= 15
= . /
TRIÁNGULOS DE VELOCIDAD
Triángulo de velocidad en la entrada de la turbina Con los valores calculados anteriormente en el capítulo 4: 16
= 52.6609 / = 105.1692 / = 53.2/ = 173.5°
Triángulo de velocidad en la salida de la turbina Con los valores calculados en el capítulo 4 respecto a la salida de la turbina:
= 52.6609 / = 50.806 / = 4.665 / = 4.74° = 64.21º
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NÚMERO DE ÁLABES DE UN RODETE PELTON Los alabes o cucharas son la parte más importante de la turbina y su diseño constituye un estudio del fluido dinámica del problema. El ideal diseño de la cuchara sería que la tangente de la trayectoria relativa al chorro con relación al punto de ataque del rodete, sea tangente a la superficie de la cuchara en dicho punto. Esta situación se observa en la figura 6.
Fig. N° 06. Trayectoria de la cuchara
La figura 7 muestra el comportamiento del agua en distintos momentos, el número 1 corresponde a las primeras partículas de agua que tocan la cuchara, el número 2 corresponde al desvío del chorro por medio de la arista y el 3 corresponde a las últimas partículas que impactan a la cuchara.
Fig. N° 07. Trayectoria de las diversas partículas de agua en la cuchara
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Esto se observa mejor en la figura 8.
Fig. N° 08. Evolución del flujo del agua al giro del rodete
El número de alabes suele ser de 17 a 26 por rueda, dependiendo de la velocidad especifica de la turbina. Para alta velocidad especifica el número de alabes es menor. En efecto, para una rueda de un diámetro determinado por una carga y una velocidad de giro si la velocidad especifica es alta es que el gasto es grande, lo exige alabes mayores, y por tanto caben menos en la misma periferia de la rueda.
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Una fórmula empírica (Zaygun) permite obtener aproximadamente el número de cucharas:
Donde:
= 15 2ØØ
Ø = 2235 Calculando el diámetro de chorro: = Ø 6 4 Ø = 182.521 Entonces el número de alabes será: = .
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5. BALANCE ENERGETICO
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6. CONCLUSIONES
Al realizar el análisis de la central hidroeléctrica, con los datos proporcionados en la visita y con las consideraciones necesarias, se puedo corroborar que esta turbina Pelton cuenta con varios inyectores, con el Ns y Nq calculado, se pudo comprobar de forma teórica que cuenta con 6 inyectores. En la construcción de los triángulos de velocidad para el de la entrada, se consideró un ángulo de alabe de 13º, ya que este se encuentra dentro del rango de 10º a 15º. Este dato fue fundamental, ya que con este se pudo simular el valor de la eficiencia hidráulica y encontrar un valor para los cálculos. Para el triángulo de la salida de la turbina, este se aprecia como la suma de dos vectores colineales, ya que este se toma con = 180º, ya que con este se pudo tomar el mayor aprovechamiento de la velocidad de chorro.
Para la construcción del diagrama de Sankey, se toman los valores de la Potencia Hidráulica y las pérdidas que existen en la turbina como perdida mecánica, hidráulica, volumétrica y por el generador eléctrico. Y al ponerlos en el diagrama, no se logra apreciar las diferencias que traen estas, ya que al dimensionar los valores, existe una diferencia mínima, porque las eficiencias que existe en ellas, es mayor al 90% y no es notorio el dimensionado.
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7. ANEXOS Datos recopilados en la visita técnica a la central hidroeléctrica Cheves: TURBINAS: Cantidad de grupos generadores =2 Fabricante = RAINPOWER Disposición: vertical N° inyectores = 6 Ø rodete = 2900 mm Ø Pelton =2235 mm N° alabe = 21 Fluido = agua Nnominal = 450 RPM Velocidad de embalamiento = 520 RPM Potencia nominal= 89900 kW Qd = 16.5 Hn = 591 m Hbruta = 603 m ηTG=90.64%
nT = 91.35 % ηG=99.22%
Nivel de vibraciones: 0.2 mm/s Altitud de casa maquinas = 1556 m.s.n.m
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MATERIALES: CARCAZA: Q345b GB/ T 1591 RODETE: EN10025-2 EJE: GRADE D ASTM A 668 INYECTORES: EN 10283 6x4 CrNi 13-4+QT1 DEFLECTORES: EN 10283 6x4 CrNi 13-4+QT1
GENERADORES: 16 polos Potencia nominal: 104000 kVA cosØ =0.86 VN =13.8 kV N= 450 Aislamiento: F Enfriamiento: aire Sistema de excitación: tipos de excitación Vn: 230 V Tipo de excitación: banco de baterías Sistema de freno: electromecánico, zapata Sistema de refrigeración de cojinetes: aceite/ agua Medición de temperatura de cojinetes: Peso de aceite: 2 ½ cilindros turbinal 68 Peso nucleo: 100000 kg Peso total: 120000 kg
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Accesorios: Cantidad de termómetros 6 Detector de temp. Tipo resistencia Sistema de protección: relé (relé Bucholls)
Datos generales: Tiempo de ejecución: 4 años Túnel: 9883 m Subestación huacho 75 km longitud de transmisión Casa maquina tipo caverna Analizador de aceite incorporado Switchgear: 13.8 kV In: 4500 A 13.8 kV
104 MVA
220 kV
S.E. HUACHO
75 km
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8. BIBLIOGRAFÍA -
Procedimiento técnico del comité de operación económica del SEIN PR18: determinación de la potencia efectiva de centrales hidroeléctricas
- http://www.statkraft.com.pe/acerca-de-statkraft/statkraft-en-peru/centralhidroelectrica-cheves/ - https://www.osinergmin.gob.pe/seccion/centro_documental/electricidad/ Documentos/PROYECTOS%20GFE/Acorde%C3%B3n/Generaci%C3% B3n/1.1.1.pdf - http://sicoes.coes.org.pe/AppPublico/FichaTecnica/FichaTecnica/DatosC entralH?id=14964&iFamilia=4 - http://sicoes.coes.org.pe/AppPublico/FichaTecnica/FichaTecnica/DatosG eneradorH?id=14965&iFamilia=2 - http://sicoes.coes.org.pe/AppPublico/FichaTecnica/FichaTecnica/DatosG eneradorH?id=14966&iFamilia=2
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