UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN ANTONIO ABAD DEL CUSCO FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA, ELECTRONICA, INFORMATICA Y MECANICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA PROYECTO:
“ESTUDIO Y DISEÑO PRELIMINAR PARA UNA MINICENTRAL HIDROELÉCTRICA UBICADA EN LA CUENCA
DEL RÍO LUCMOS (AFLUENTE DEL RIO APURIMAC) – CURAHUASI APURIMAC” Curso:
Centrales Electricas I
Docente:
M.Sc. Ing. Wilbert Julio LOAIZA CUBA
Responsables: Abel Edwin CCOYCCOSI CHURA Harry SOTELO PRUDENCIO Saul Terrazas Licuona Yomert Alccahuaman Valencia Semestre: Fecha:
2016-II Cusco, febrero del 2017 CUSCO-PERU
ÍNDICE CAPITULO 1: RESUMEN EJECUTIVO............................................................................................1 1.1 Introducción....................................................................................................................... 1 1.2 Ubicación............................................................................................................................ 1 1.3 Concepción General........................................................................................................... 2 1.4 Operación........................................................................................................................... 2 1.5 Costo.....................................................................................................................................2 1.5 Cronograma....................................................................................................................... 3 1.6 Producción de energía................................................................................................ ..... 3 1.5 Análisis económico............................................................................................................ 3 CAPITULO 2: MEMORIA DESCRIPTIVA.......................................................................................3 2.1 Justificación del proyecto.................................................................................................. 3 2.2 Objetivos........................................................................................................................... 4 2.2.1 Objetivo General............................................................................................................ 4 2.2.2 Objetivos Específicos....................................................................................................... 4 2.3 Memoria descriptiva.......................................................................................................... 5 2.3.1 Determinación el sitio.-................................................................................................... 5 2.3.2 Altura.-........................................................................................................................... 6 2.3.3 Caudal: ............................................................................................................................ 6 2.3.4 Potencia........................................................................................................................... 6 2.3.5 Energía............................................................................................................................. 6 6. Turbina.................................................................................................................................. 7 7. Tubería.................................................................................................................................. 9 8. Obras civiles........................................................................................................................... 9 9. Válvulas................................................................................................................................ 14 10. Casa de máquinas............................................................................................................... 15 CAPÍTULO 3: MEMORIA DE CÁLCULO.........................................................................................15 3.1 Determinación del caudal................................................................................................... 15
3.1.1 Determinación del área de la cuenca............................................................................... 16 3.1.2 Determinación de la precipitación media en el lugar..................................................... 16 3.1.3 Estimación del coeficiente de escorrentía. ...................................................................... 17 3.1.4 Determinación del caudal real de la cuenca. ................................................................... 19 3.2 Potencia............................................................................................................................... 21 3.3 Energía................................................................................................................................. 21 3.4 Turbina................................................................................................................................ 23 3.4.1. Potencia de la turbina..................................................................................................... 23 3.4.2 Números específicos de revoluciones:............................................................................. 24 3.4.3 Selección rápida de una turbina:...................................................................................... 25 3.5 Tubería................................................................................................................................ 28 3.6 Obras civiles.......................................................................................................................... 31 3.6.1 Bocatoma......................................................................................................................... 32 3.6.2 ALIVIADERO...................................................................................................................... 35 3.6.3 DESARENADORES Y CAMARA DE CARGA......................................................................... 37 3.6.3.2 CAMARA DE CARGA....................................................................................................... 39 3.6.4 CANAL............................................................................................................................... 39 9. Válvulas................................................................................................................................. 41 10. Casa de máquinas................................................................................................................. 42 CAPÍTULO 4: IMPACTO AMBIENTAL............................................................................................45 4.1 Impacto visual..................................................................................................................... 45 4.2 Impacto sobre la flora......................................................................................................... 45 4.3 Impacto sobre la fauna........................................................................................................ 46 CAPÍTULO 5: ANÁLISIS ECONÓMICO...........................................................................................47 5.1 Datos para la evaluación económica................................................................................... 47 PREVISIÓN DE LA VENTA DE ENERGÍA..................................................................................... 49 CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES...............................................................51
CAPITULO 1: RESUMEN EJECUTIVO 1.1 Introducción La mini central hidroeléctrica Lucmos, sera una central que tiene 108.02 kW de capacidad instalada y genera en promedio anual 157.88MWh de energía neta (barra del generador). El tiempo de ejecución de las obras es de 24 meses. 1.2 Ubicación El Proyecto se ubica cercanamente de la localidad de Curahuasi, más específicamente en las coordenadas; con latitud -13.5426 y longitud -72.6968, entre la carretera de Cusco a Abancay.
RIO APURIMAC
RIO LUCMOS
CURAHUASI
Gráfica 1: Ubicación del proyecto Minicentral Hidroeléctrica Lucmos(Fuente: Google Earth Pro)
1.3 Concepción General Los principales parámetros del proyecto de la MCH LUCMOS son:
Tipo de esquema Nivel de operación normal Caudal de diseño de la turbina Caída Bruta Caída neta de diseño Capacidad neta Tipo de turbina Capacidad nominal de la turbina
Central aislada 2695.1 msnm 184 l/s 103 m 95.72 m 108.02 kW Pelton 100kW
1.4 Operación La MCH Lucmos opera dentro del rango de descarga de 184 l /s hasta 1685 l /s. 1.5 Costo El costo total de construcción por EPC asciende a US$ 172.11 M. Tabla 1: Costos de inversión (Fuente: Elaboración propia)
INVERSIONES EN LA MCH DE 108.02 kW Inversiones Obras Civiles Turbina Generador Tuberia Forzada Valvulas Casa de Maquinas Sub-estacion de salida Linea de Subestacion
Total US$ 37507
Año 1 US$
Año 2 US$
37 509
------------………..
……………………. ------------------…………………….
--------------------14000 30000 7500
………. …………
……………………. ………………………..
2903 10000
………..
………………………..
20000
………
………………………..
30000
TOTALES
151912
1.5 Cronograma El proyecto se realizara en 24 meses. 1.6 Producción de energía: DESCRIPCION
UNIDAD TOTAL
Capacidad Instalada
Kw
100
Capacidad Firme
Kw
86
Tabla 2: Capacidades firme
1.5 Análisis económico El proyecto tendría que suministrar energía a un costo de 0.26 US$/KWh para poder ser rentable. El precio máximo estipulado (según Manual de MCH del Perú) es de 0.15 US$/Kwh.
CAPITULO 2: MEMORIA DESCRIPTIVA
2.1 Justificación del proyecto El grado de dispersión y lejanía de las comunidades hace que en muchos casos sea prohibitivamente cara la extensión de líneas, con lo que toma fuerza la alternativa de aprovechar las energías renovables disponibles. El potencial hidroeléctrico aprovechable en el país es muy grande, principalmente en las regiones transitorias entre la zonas de sierra y los valles, donde existen numerosos lugares adecuados para la instalación de microcentrales. En este proyecto se realizara el diseño de una micro central hidroeléctrica, ubicado en el departamento de Apurímac, Municipio de Curahuasi. Estudios hidrográficos y geográficos demostraron que las características del lugar son ventajosas para la instalación de una micro central hidroeléctrica, pudiéndose realizar el aprovechamiento del caudal presente en el rio Lucmos. Este proyecto abastecerá de energía eléctrica a la localidad de Curahuasi y poblaciones aledañas. El trabajo también analiza científicamente el impacto económico, social y ambiental que tendrá dicha central sobre las comunidades beneficiarias, así como su sostenibilidad. 2.2 Objetivos 2.2.1 Objetivo General El objetivo principal de este proyecto, es el aprovechamiento del caudal existente del río Lucmos, mediante la implementación de una central hidroeléctrica de pasada para la generación de energía eléctrica. 2.2.2 Objetivos Específicos Diseño y cálculo de los componentes que conforman una mini central hidroeléctrica. Realizar el análisis económico y financiero del proyecto para verificar su viabilidad.
2.3 Memoria descriptiva 2.3.1 Determinación el sitio.El lugar se ubica cercanamente de la localidad de Curahuasi, más específicamente en las coordenadas; con latitud -13.5426 y longitud -72.6968, entre la carretera de Cusco a Abancay. Con la ayuda y la facilidad que tenemos actualmente gracias a la tecnología y herramientas satelitales como Google Earth Pro determinamos el lugar:
Gráfica 2: Localización del proyecto (Fuente: Google Earth Pro)
2.3.2 Altura.La altura también fue determinada con la ayuda del programa satelital Google Earth Pro, del cual extractamos los siguientes datos: Altura Cámara de descarga:
2695.1 msnm
Altura Casa de máquinas:
2592.1 msnm
Altura Bruta:
103 [m]
Altura Neta:
95.72 [m]
2.3.3 Caudal: Luego de un análisis hidrológico en la cuenca escogida obtenemos un caudal de diseño de 184 l/s, con el cual obtendremos un factor de planta de aproximadamente 83.33%, como se puede apreciar en la gráfica 3. 2.3.4 Potencia La potencia que podremos obtener de la cuenca en el punto de la cámara de descarga y la casa de máquinas sin considerar las pérdidas será:
Pt (c.v) = Potencia de diseño
= Densidad del agua (1000kg/m3).
Q
= Caudal de diseño (0.184m3/s)
Hn
= Altura neta. (95.72 m)
t
= Rendimiento de la turbina (85%).
Potencia = 108.02 kw 2.3.5 Energía La energía disponible con la potencia calculada anteriormente, y para un rendimiento de la turbina del 70%, en un tiempo estándar de un año será: Energía = FP * Potencia * Tiempo*ŋ(eficiencia) Energía = 769 933.92 KWh/año
6. Turbina 1.1. Potencia de la turbina: La potencia generada, va a depender del caudal que ya calculamos con un valor de Q = 0,184 [m3/s] y el cálculo del salto neto 96 m, en este cálculo consideramos las alturas de pérdidas en la tubería de presión 6,5 m, y la altura de montaje que tendrá nuestra turbina de 70 cm.
Por lo tanto nuestra potencia de la turbina será: P = 108.02 Kw 1.2 Números específicos de revoluciones: Una turbina de un determinado NS cualquiera funcionara con rendimiento óptimo cuando la potencia de la turbina desarrollada es de 86 kW, la altura neta de 96 m y la velocidad de rotación de la turbina dato definido por nosotros en este proyecto con un valor de N= 850 rpm, se obtiene Ns.
Dónde: N
= eficiencia (0.85)
n
= Velocidad especifica.
s
P Hn
= potencia de diseño = Altura neta
Entonces nuestro valor hallado de: Ns = 26rpm 1.3 Selección rápida de una turbina: Con los datos ya calculados de P = 108.02 Kw y NS = 26 rpm, y con la ayuda de tablas y diagramas podemos definir nuestro modelo de turbina a usar en nuestro proyecto: Turbina lenta Pelton de eje horizontal de un inyector.
1.4 Dimensionamiento preliminar de las turbinas Pelton: Ahora tratándose de una turbina de acción donde todo el salto neto se convierte en energía cinética, entonces nuestra velocidad de chorro a la salida del inyector será: C = 43,14 [m/s]
El Diámetro del chorro se mide en la vena contacta dándonos un valor de : d = 0.075 [m] El cálculo del Diámetro Pelton corresponde a la circunferencia media de las cucharas, tangente a la línea media del chorro: D = 0.42 [m] El número de cucharas para nuestra turbina será : Z = 18 cucharas En nuestro proyecto consideraremos la altura de montaje para el diseño de nuestra turbina dado en un valor de: Hm = 0.7 [m] 1.5 Tubería La tubería seleccionada será: Longitud:
146 [m]
Diámetro: 10” El diámetro comercial encontrado será: Tubería de presión PVC 250 MM Cl 12, 6 Metros Con un costo de 300$us por unidad (Fuente http://www.pipeonline.com.au/listProduct/PVC+PIPE/PRESSURE+PIPE//25 ) 1.6 Obras civiles Bocatoma Las bocatomas nos permiten tomar el agua del rio y conducirla hasta nuestra casa de máquinas aprovechando la fuerza de la gravedad. Ubicación Vamos a ubicar nuestra bocatoma en un tramo recto, estable y parte angosta de nuestro rio, este último con el fin de economizar los costos. Diseño de nuestra bocatoma Para esta parte del proyecto se hizo los cálculos a groso modo ya que nosotros no contamos con la base suficiente en ingeniería civil y es esta rama la que se encarga de toda la parte de obras civiles.
Para empezar, tenemos estos datos para nuestro emplazamiento que ya fueron estudiados en un principio. Datos Geología del rio:
afloramiento rocoso.
Caudal rio: - Qmax(avenida) = 5.76 m3/seg - Qmin(estiaje) = 0,11079 m3/seg Pendiente local del rio: 1 Ancho,local del rio: 26 m Caudal de diseño (a captar): Q=0.184 m3/seg Diseño del azud En el manual de mini y micro central del Perú, se asume una altura del azud de: H=0.40 (altura del azud estimado) Nosotros asumiremos la misma altura ya que el valor de nuestro caudal es muy próximo al usado en el libro. Y en la ubicación de nuestra toma tenemos un ancho del rio de: b=26 m (ancho de nuestro rio). Calculo de la altura de carga: h La altura de carga h es la altura de agua sobre la cima de nuestro azud cuando tengamos el caudal de avenida h=0.16m Calculo de la base del azud Par el cálculo de la base del azud se toma tres consideraciones, estabilidad contra volteo, estabilidad contra deslizamiento y estabilidad contra asentamientos diferenciales. b=2.5m
Calculo de la longitud del bocal y vertedor de entrada
Nosotros necesitamos captar un caudal de 0,184 m3/s para ello necesitamos un vertedor de ingreso de: L=1,5 m ALIVIADERO Para la parte del aliviadero se consideró dos aspectos muy importantes: La velocidad del agua que en base a tablas para valores máximos y mínimos se determinó que nuestro valor seria de 2 m/s. El caudal de agua se aumentará en un 10 % en nuestro canal en épocas de lluvia.
Con estas consideraciones se procedió a realizar los cálculos obteniéndose los siguientes valores: La altura del aliviadero será igual a la altura del agua dentro del canal h = 0,2 m La longitud de nuestro vertedero será: Lv = 3,97 m
DESARENADORES Y CAMARA DE CARGA DESARENADOR Para el diseño de nuestro desarenador y basándonos en el manual de mini y micro centrales hidráulicas del Perú adoptamos valores que nos fueron muy útiles para calcular las dimensiones del desarenador, estos valores son: f = factor de seguridad = 2 dd(0,5 metros ) y dos valores para VH (0,2 y 0,4 m/s). Con estos valores se calculó las medidas más importantes de nuestro desarenador. W=1.84m
Por lo tanto, la profundidad de nuestro desarenador será:
dd + dr = 0,82 (podríamos redondear a 1 metro de profundidad)
Y por proporcionalidad grafica también se obtuvo: Le = 3,79 m Ls = 2,14 m Teniendo una longitud total Longitud total = 12,6 m (podemos redondear a 13) CAMARA DE CARGA Nuestra cámara de carga es de dimensiones rectangulares y tiene las siguientes dimensiones: Profundidad = 3 m Largo = 11 m Ancho = 10 m CANAL Para el diseño de nuestro canal tomamos las siguientes consideraciones:
Longitud del canal 1000 m Tipo de revestimiento: concreto. Tipo rectangular. Velocidad del agua 2m/s.
Con estos datos se procedió a calcular las dimensiones de nuestro canal, para ello se calculó la base y la altura del agua dentro el canal obteniéndose los siguientes datos. H=0.21m B=0.42m Con estos datos valores podemos obtener las dimensiones de nuestro canal, para la base vamos a redondear a B = 0,45 m y la altura vamos a considerar 0,09 m. más h = 0,30 m, y el espesor de las paredes serán de 0,15 m este último por la calidad del terreno en el emplazamiento. Válvulas Utilizaremos una válvula de compuerta: Apollo Modelo: 610F
Diámetro:
10”
Código:
6GA-10G-B1
Costo:
$2,903.27
Código UPC:
670750446627
Fuente ( http://www.apollovalves.com/_literature/plist_ggc_2011.pdf ) Casa de máquinas TURBINA HIDRAULICA PELTON DE 100kw (fuentewww.alibaba.com) Precio: US $
14000
GENERADOR Tensión en bornes del alternador: …………………………………380/220 V Número de fases:…………………………………………………… 3 Frecuencia: ……………………………………………………………60 Hz Potencia: ………………………………………………………………80 hasta 110 kVA Factor de potencia: …………………………………………………….0.8 Aislamiento:…………………………………………………………… clase F Conexión: ………………………………………………………………estrella Protección: ……………………………………………………………..IP 23 NFC 51115 Máxima altura de instalación:………………………………………....2700 msnm Peso del generador (rotor-estator)……………………….…………1440 kg Dimensiones:…………………………………………………………1950x1084x133 0(LxAxH mm)
CAPÍTULO 3: MEMORIA DE CÁLCULO
3.1 Determinación del caudal Para la determinación del caudal dividimos el cálculo en 4 partes:
Determinación del área de la cuenca. Determinación de la precipitación media en el lugar. Estimación del coeficiente de escorrentía. Determinación del caudal real de la cuenca.
3.1.1 Determinación del área de la cuenca Con la ayuda de Google Earth Pro, obtuvimos las siguientes medidas para la cuenca de nuestro interés:
La gráfica nos muestra la obtención del área de la cuenca por medio del Google Earth Pro, realizada como la conexión de las avenidas de vía. Como resultado de este trabajo obtenemos el área de cuenca siguiente: Área de Cuenca: 7312761.92 m2 3.1.2 Determinación de la precipitación media en el lugar
Para este estudio hidrológico usaremos el método de los pluviómetros que nos darán las precipitaciones mensuales en diferentes estaciones. Según (www.senamhi.gob.pe), de la región de Apurimac.
La precipitación es la más baja en junio, con un promedio de 7 mm. 139 mm, mientras que la caída media en febrero. El mes en el que tiene las mayores precipitaciones del año. 3.1.3 Estimación del coeficiente de escorrentía. La Escorrentía es la parte de la Precipitación que llega a alimentar a las corrientes superficiales, continuas o intermitentes, de una cuenca. La Escorrentía está influida por cuatro grupos de factores: meteorológicos, geográficos, hidrogeológicos y biológicos. De muchas correlaciones estudiadas la fórmula de Nadal nos facilita la determinación aproximada del coeficiente de escorrentía, basado en las propiedades del terreno y la cuenca en sí. Al ser de uso y estimación sencilla se adoptó esta fórmula para el cálculo del coeficiente de escorrentía. Nadal facilita la siguiente fórmula para el cálculo del coeficiente de escorrentía: C=0.25x K1x K2x K3 Dónde: K1 = factor de la extensión de la cuenca. K2 = factor de la lluvia media anual. K3 = factor de la pendiente y de la permeabilidad del suelo.
Tabla 5: Parámetros para la determinación de la escorrentía según Nadal Que para el área de nuestro interés, que es de 29.16 Km2, se encuentra en el rango de 20 a 40 km2, tomamos el peor caso: K1=2.15 La lluvia media anual la obtenemos de la siguiente forma: 16371.3mm totales/15años = 1091.42 mm y según la tabla de Nadal K2=1.40 Y finalmente para un terreno ondulado tendremos un promedio entre el mínimo y el máximo: (0.5+1.2)/2 = 0.85
Con lo que tendremos: C = 0.25 × 2.15 × 1.40 × 0.85 = 0.639 El cual afectara a cada caudal para darnos el caudal total por mes, todos estos cálculos se ven reflejados en la siguiente tabla:
Caudal (m3/s)
AREA DE LA CUENCA: (m2) 7312761.92 Promedios Q total (m3/s) (mm) 234.2
ENE
Q real(m3/s)
1.686 2.635 1.815
1.161
161.3 155.1
1.745
1.116
106.3
1.196
FEB
MAR 0.765 ABR
MAY
48.6
0.547
0.350
JUN
22.1
0.249
0.159
JUL
15.4
0.173
0.111
27.8
0.313
0.200
AGO SEP
25.5
0.287
0.184
OCT
67.3
0.757
0.484
NOV
97.5
1.097
0.701
DIC
130.4
1.467
0.938
Tabla 3: Caudales totales y caudales afectados la escorrentía en la cuenca( Fuente: Elaboración propia
3.1.4 Determinación del caudal real de la cuenca. El caudal efectivo de la cuenca se obtendrá afectando a cada caudal promedio por el coeficiente de escorrentía y el detalle se observa en la tabla 4. En la siguiente gráfica se puede apreciar con más detalle los caudales que se obtienen mensualmente en forma de histograma:
1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0
Gráfica 3: Caudales mensuales promedio (Fuente: Elaboración propia) De la cual podremos extractar el mayor y el menor caudal, este último también denominado caudal de estiaje:
Q máximo: 1.686 m3/s Q estiaje: 0.111 m3/s
Para obtener nuestro caudal de operación o de diseño, ordenamos los valores medios de mayor a menor y obtenemos nuestra curva de duración de caudales. De la duración de caudales escogemos un caudal de 184 l/s, con el cual obtendremos un factor de planta de aproximadamente 83.33%, como se puede apreciar en la gráfica 3. Y este será nuestro caudal de diseño. 3.2 Turbina 3.4.1. Potencia de la turbina
Gráfica 5: Esquema de un grupo de generación (fuente manual de micro y mini centrales hidráulicas del Perú)
De acuerdo a la Figura 1, se obtiene la siguiente formula: Dónde: P =potencia al eje de la turbina [kW] ρ =densidad del agua, 1000 [kg/m3] Q = caudal de la turbina, [m3/s] H = salto neto, [m] n = eficiencia de la turbina = 0,85 En relación a la determinación del salto neto se puede proceder del siguiente modo: Para Turbinas de acción: H = Hb- ΔHT –Hm
Dónde: Hb = salto bruto, [m] ΔHT = altura de pérdidas en la tubería de presión, [m] Hm = altura de montaje de la turbina, [m]
Datos: Q = 0,184 [m3/s] Hb = 103 [m] ΔHT = 6,59 [m] Hm = 0,7[m] n = 0, 85 (eficiencia promedio de una turbina pequeña) P = 108.02 kw H = Hb - ΔHT – Hm = 103 – 6,58 – 0,7 = 95,72[m]
3.4.2 Números específicos de revoluciones:
Dónde: NS = Numero especifico de revoluciones,[rpm] N = velocidad de rotación de la turbina, [rpm] = 850 [rpm] (dato definido para este proyecto) Q = caudal de la turbina, [m3/s] H = salto neto, [m] P =potencia al eje de la turbina [kW]
Según los datos obtenidos se tiene:
Ns= 26 rpm En la práctica: Las turbinas lentas se instalan en saltos elevados, entonces pueden girar más rápido que las rápidas. Si giran a la velocidad de sincronismo, las turbinas lentas absorben menos caudal que las rápidas.
3.4.3 Selección rápida de una turbina:
Gráfica 6: Clasificación según el grado de reacción 3 (fuente libro sistemas de energéticos de Universidad de Cantabria)
Gráfica 4: Clasificación según el número específico (fuente libro sistemas de energéticos de Universidad de Cantabria)
En conclusión observando las tablas podemos hacer una selección rápida de nuestra turbina usada en nuestro proyecto: turbina Pelton de eje horizontal Con el valor calculado de NS = 26 rpm podemos definir que nuestro modelo de turbina pelton es de 1 inyector. Y por último viendo la Tabla 1.2 podemos clasificarlo como una: mini central hidráulica
1.3Dimensionamiento preliminar de las turbinas Pelton: Las principales dimensiones que tiene una turbina Pelton se muestran a continuación:
Gráfica 5: Componentes de una turbina Pelton (fuente libro sistemas de energéticos de Universidad de Cantabria)
a) Velocidad de chorro a la salida del inyector: C =φ (2*g)exp(1/2)…………………………..1 Como:
Dónde: C= velocidad de chorro en [m/s] φ = coeficiente velocidad ΔHi = perdidas del inyector varía entre 0.95-0.99 = tomamos el menor 0.95 Luego: φ=0.996 Reemplazando en la ecuación 1: C = 43.14 (m/s)
b) Diámetro de chorro:
d = 0.075 (m) c) Diámetro Pelton:
D = 0.42 (m) d) Numero de cucharas:
Z = 17.8 = 18 cucharas
3.5 Tubería Para realizar una correcta selección de nuestra tubería de presión (Penstock), realizaremos el cálculo en los siguientes pasos: 1. La caída bruta es de 103 m, nuestro caudal de diseño es de 184 l/s 2. Para este primer cálculo seleccionaremos el polietileno de alta densidad, consultando catálogos y verificando sus diámetros nominales tendremos un primer diámetro interno de: Din= 98 mm. 3. La longitud de la tubería será estimada mediante el Google Earth Pro: L = 146m 4. El valor de la rugosidad se obtiene de tablas, para el polietileno Vr= 0.003mm Para la determinación del factor de fricción se utilizó la correlación de Colebrook, que en su representación sería el diagrama de Moody:
1/(f)^1/2 =
Donde Re es el número de Reynolds, que se calcula para flujo turbulento de la siguiente manera:
Re = 7.44 10^5 La correlación de Colebrook fue resuelta por métodos iterativos del Excel, dándonos un factor de fricción: f = 0.0125 5. La pérdida de carga debida a la fricción de la pared de la tubería será:
h(f, tub) = 500.32 m Puesto que aumentar aún más el diámetro incurriría en más costos, no será necesario comparar los costos y las pérdidas por fricción en una gráfica, por lo tanto escogeremos la tubería de polietileno con las siguientes características: D nominal = 10" Hf = 6.59 (m) 3.6 Obras civiles
Gráfica 9: Componentes de una microcentral hidráulica (fuente manual de micro y mini centrales eléctricas del Perú.)
Existen diversos tipos de esquemas microcentrales hidráulicas.
En nuestro caso es con Canal de gran caída. Nosotros vamos a diseñar las siguientes partes que componen la obra civil de nuestra central.
Bocatoma Aliviadero. Desarenador y cámara de carga. Canal.
3.6.1 Bocatoma Las bocatomas nos permiten tomar el agua del rio y conducirla hasta nuestra casa de máquinas aprovechando la fuerza de la gravedad. Fig 3.2. 8.5.1 Ubicación Vamos a ubicar nuestra bocatoma en un tramo recto, estable y parte angosta de nuestro rio, este último con el fin de economizar los costos. 8.5.2 Diseño de nuestra bocatoma Datos Geología del rio: afloramiento rocoso. Caudal rio: Qmax(avenida) = 5.76 m3/seg Qmin(estiaje) = 0,11079 m3/seg Pendiente local del rio: 1% Ancho, local del rio: 30 m Caudal de diseño (a captar): Q=0.184 m3/seg
Diseño del azud H=0.40 (altura del azud estimado) b=30 m (ancho de nuestro rio) Generalmente el tirante del agua t es mayor que la altura del azud, y el parámetro o de este corresponde a la trayectoria seguida por la lámina vertiente. Calculo de la altura de carga: h
Emplearemos la fórmula del vertedero, que nos parece más adecuada porque toma la consideración de la velocidad de acercamiento de las aguas del rio al azud.
Dónde: Q = Caudal máximo del rio (máxima avenida) = 5.76 m3/seg. μ = coeficiente del vertedero según la forma de la cresta (para el caso, perfil Creager μ =0,75). h = Altura de carga hidráulica o tirante de agua sobre la cresta del vertedero (en metros). V = velocidad de acercamiento del rio (en este caso: 1m/s). b = ancho del rio (30m) Reemplazando valores: Q= 5.76 m3/s (considerando h = 0.16 m) Calculo de la velocidad del agua sobre la cresta del azud Q=A*V Conocemos Q=5.76 m3/seg A=0,16*30 = 4,8 m2 Luego: V=5,76/4,8 = 1,2 m/seg Calculo de la base del azud Para esta parte con un estudio de ingeniería civil más completo basado en tres puntos de vista: Estabilidad contra volteo. Estabilidad contra deslizamiento. Estabilidad contra asentamientos diferenciales. Vamos a asumir que la base tiene una longitud de 2,5 m
Fig 3.4 (fuente manual de micro y mini centrales eléctricas del Perú). Calculo de la longitud del bocal y vertedor de entrada
Si asignamos una cota de 0.20m a la cresta del vertedor de ingreso, dispondremos de una carga hidráulica de 0.20m ya que la cota de la cresta del azud es de 0.5 y el tirante de aguas mínimas sobre el azud es prácticamente cero. A fin de calcular la longitud de este vertedor empleamos la fórmula del vertedor.
Dónde: u=0.5 .h=0.2 Reemplazando y despejando “L”: L = 1.4 m A lo cual asumimos a L = 1.5 m por seguridad
3.6.2 ALIVIADERO Datos de nuestro canal que van a ser útiles para nuestro diseño del aliviadero:
Canal rectangular sus dimensiones son de 0,45m*0,30m. Caudal de 0,184 m3/s Velocidad de 2 m/s Caudal en tiempo de lluvia
En época de lluvia nuestro caudal se va a incrementar en un 10%. Primero determinamos el valor de la cresta del aliviadero (hu) medida desde el fondo del canal debe estar alineada con el nivel de normal de agua, es decir que hu coincidirá con el tirante de agua dentro del canal. A=Q/V
A= 0,184/2 A=0,092 m2=bd d=0,092/0,45 = 0,20 m hu=d=0,20m
La longitud del aliviadero (Lv) se halla a partir de la ecuación del vertedero estándar. Debe ser lo suficientemente largo como para permitir el paso de todo el caudal excedente con la altura de carga (hc).
Gráfica 6: Valores calculados en grafico (fuente manual de micro y mini centrales eléctricas del Perú)
La ecuación del vertedero estándar es:
La carga del vertedero es de (0,22-0,20) igual a 0,02 Q a evacuar es = Q2 - Q1 =0,2024-0,184 = 0,018 m3/s Reemplazando en la fórmula: Lv =3.97m En la práctica es conveniente aumentar esta longitud ya que su construcción no demanda mayores gastos y, por el contrario, nos garantiza un mejor funcionamiento.
3.6.3 DESARENADORES Y CAMARA DE CARGA 3.6.3.1 DESARENADOR
Gráfica 7: Esquema de un desarenador (fuente manual de micro y mini centrales eléctricas del Perú).
La longitud de decantación se calcula fácilmente:
f = factor de seguridad (nosotros tomamos un factor de seguridad de 2.) Datos: Q = 184 Lt/s f = 2 Por teoría del manual de micro y mini centrales eléctricas del Perú adoptamos valores para d(0,5 metros ) y dos valores para Vh (0,2 y 0,4 m/s). Diseñar para una partícula de 0,3 mm de diámetro, y para este valor obtenemos un valor de Vd = 0,03 (m/s) tabla 3.1. Desarenador a la entrada del canal: Si Vh= 0,2 m/s…………………Ld = 6.67 m Si Vh = 0.4 m/s……………….Ld = 13.3 Para el cálculo de la capacidad del tanque colector vamos a asumir una capacidad máxima de 4 m3. Ahora con nuestros datos hallados anteriormente calculamos la profundidad del tanque colector: .dr = 0.32 m Por proporcionalidad del grafico podemos calcular los valores restantes.
Le = 3,79 m Ls = 2,14 m Longitud total = 12,6 m (podemos redondear a 13) Por la calidad del terreno en la zona asumiremos un grosor para las paredes de 0,15m. 3.6.3.2 CAMARA DE CARGA La cámara de carga deberá contar con un volumen capaz de abastecer el caudal que necesita la turbina durante al menos media hora, esto en caso de falla y evitar que entre aire en la tubería de presión y cierre de válvulas en tiempos muy cortos. Primero calculamos el volumen con el que debemos contar en nuestra cámara de carga para media hora sin suministro de agua desde el rio. 0,184 × 3600 × 0,5 = 331,2 Con este volumen considerando una cámara con dimensiones rectangulares podríamos dimensionarla de la siguiente manera: Profundidad = 3 m Largo = 11 m Ancho = 10 m 3.6.4 CANAL
Gráfica 8: Dimensiones del canal (fuente manual de micro y mini centrales eléctricas del Perú)
Datos
Caudal de canal (Q): 184 Lt/s Longitud total del canal :1000 m Longitud de sección revestida (L1): 1000 m Tipo de revestimiento: concreto
Al ser un canal netamente de concreto no vamos a tener pérdidas por infiltración. En base a los datos calculados vamos a tener un canal con las siguientes dimensiones: Base = 0,45 m; altura = 0,30m Y por la calidad del terreno en la zona asumiremos un grosor para las paredes de 0,15m. 3.6.3.3 Válvulas Utilizaremos una válvula de compuerta: Apollo Modelo: 610F Diámetro: 10” Codigo: 6GA-10G-B1 Costo: $2,903.27 Codigo UPC: 670750446627 Fuente ( http://www.apollovalves.com/_literature/plist_ggc_2011.pdf ) 3.6.3.4 Casa de máquinas GENERADOR SINCRONO La hoja de datos Alternador Modelo HLA179- EMPRESA Hunan Suny, fuente (http://es.madeinchina. com/co_hunan-sunny/productgroup/generator_hyhsihrsg_1.html)
Gráfica 14 EMPRESA Hunan Suny, fuente (http://es.made-in-china.com/co_hunansunny/productgroup/generator_hyhsihrsg_1.html)
Tensión en bornes del alternador: …………………………………380/220 V Número de fases:…………………………………………………… 3 Frecuencia: …………………………………………………………..60 Hz Potencia: ……………………………………………………………..80 hasta 110 kVA Factor de potencia: …………………………………………………0.8 Aislamiento:……………………………………………………..….clase F Conexión: …………………………………………………………..estrella Protección: ………………………………………………………….IP 23 NFC 51115 Máxima altura de instalación:……………………… ….………..2695.1msnm Peso del generador (rotor-estator)………………………………1440 kg Dimensiones:………………………………………………………1950x1084x1330( LxAxH mm) TURBINA HIDRAULICA PELTON DE 100kw (fuentewww.alibaba.com)
Precio: US $ 14000 Puerto: Shenzhen (CHINA) Número de Modelo: ZD1 Capacidad: 75-100000kw Tiempo de la vida: Más de 10años Garantía: 18 meses
Gráfica 9 TURBINA HIDRAULICA PELTON DE 100kw (fuentewww.alibaba.com)
CAPÍTULO 4: IMPACTO AMBIENTAL Vamos analizar el impacto ambiental desde tres puntos: Impacto visual. Impacto sobre la flora. Impacto sobre la fauna. 4.1 Impacto visual Nuestro proyecto al ser pequeño, no tendrá un gran tamaño en obras civiles, tuberías y casa de máquinas, además no estará conectado al SEIN por lo tanto no tendrá un impacto visual significativo, podríamos decir que hasta pasara desapercibido. 4.2 Impacto sobre la flora Nuestro emplazamiento no es muy rico en cuanto a flora, esto debido al clima que se presenta en la zona y la cuenca misma. Las lluvias se presentan solo tres meses al año, lo que impide que la flora se desarrolle de manera voluptuosa. El mayor impacto sobre la flora que vamos a generar será abriendo el camino desde la comunidad de Tablas hasta nuestro emplazamiento hidroeléctrico, contará con una distancia de 3 km aproximadamente, analizando el lugar y la ruta que se va a abrir se pudo apreciar que no cuenta con una flora significativa, no habrá tala de árboles ni deforestación como lo llaman los ambientalistas. Por otra parte, nuestra central no cuenta con una presa, solo tenemos un azud que no llegara a bloquear el rio en su totalidad esto es un punto a favor ya que no afectara el desarrollo de más flora en el tramo de 1 km rio abajo que es donde vamos a devolver el caudal tomado. Con estas aclaraciones podríamos afirmar que nuestro proyecto no tendrá grandes impactos sobre la flora. 4.3 Impacto sobre la fauna Como ya habíamos mencionado en el anterior punto, nuestro emplazamiento no cuenta un clima muy prospero para la fauna ni para la flora en relación a un clima amazónico por así decirlo. El mayor impacto que se da en una central hidroeléctrica a nivel mundial en relación a la fauna es aplicado directamente sobre los peces, pero no podemos olvidarnos que en caso de existir una presa inundamos un área que podría afectar a animales terrestres. Esto es un punto a favor de nuestro proyecto ya que nuestro rio no cuenta con ninguna especie de pez y lo mejor no tenemos presa. Nuestro impacto sobre la fauna será casi nulo.
CAPÍTULO 5: ANÁLISIS ECONÓMICO 5.1 Datos para la evaluación económica a) Activo Fijos Obras civiles:
Bocatoma Aliviadero Desarenador Cámara de carga Casa de maquinas Canal Tubería forzada Válvulas Turbina Generador
Finalmente, para nuestro proyecto elaboramos la siguiente tabla de costos, donde el primer año se realizara la parte civil, y el segundo año se realizara la parte electromecánica, comenzando a producir energía a partir del tercer año como se aprecia en el siguiente detalle: INVERSIONES EN LA MCH DE 86 kW Inversiones Obras Civiles Turbina Generador Tuberia Forzada Valvulas Casa de Maquinas Sub-estacion de salida Linea de Subestacion TOTALES TOTAL INVERSION
Total US$ 37507
Año 1 US$
Año 2 US$
37 509
------------………..
……………………. ------------------…………………….
--------------------14000 30000 7500
………. …………
……………………. ………………………..
2903 10000
………..
………………………..
20000
………
………………………..
30000
37 509
151912
189421
Fuentes usadas para los precios del fierro, cemento (http://www.importadoranicholson.com/;http://www.ingenieriareal.com/) Costo anual.- Basados en el manual de pequeñas centrales del Perú, adoptaremos un costo de operación y mantenimiento anual de US$ 4000.
CAPÍTULO 6: CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES Al finalizar el proyecto se pudieron llegar a las siguientes conclusiones: Se recomienda un estudio de suelos en el área que comprende el proyecto, previo a la realización de la construcción civil. Esto para evitar futuros derrumbes y erosión. El análisis económico demuestra la no rentabilidad del proyecto, sin embargo de realizarse se deberá trabajar en una mejora en el factor de carga de la planta hidroeléctrica, tratando de suministrar o llegar a más viviendas y algunas pequeñas industrias que pudieran existir en el lugar. Otra de las opciones es emplear mano de obra del lugar, donaciones de fundaciones extranjeras para reducir los costos considerablemente y conseguir el objetivo trazado. Finalmente, al comparar este proyecto con otros de mayor envergadura, se verifica la economía de escala, ya que la pequeña central resulta muy costosa para la potencia instalada que tiene. Sin embargo interconectar lugares aislados en muchas ocasiones por la orografía del lugar o por las mismas distancias resulta prohibitivamente antieconómico comparado con la realización de una minicentral hidroeléctrica, resultando de todas maneras esta última la mejor opción para lugares aislados.
ANEXOS Anexo I Hidrología Año
ENE
FEB
MAR ABR
MAY
JUN
JUL
AGO SET
OCT
NOV
DIC
1995 0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
0.0
58.6
60.2
1996 161. 1 1997 95.6
225. 1 167. 9 149. 6 91.2
137. 8 44.4
66.3
24.4
0.1
0.5
0.0
2.4
119. 3 18.5
136. 5 25.0
42.4
0.5
0.2
4.9
7.0
32.6
64.1
88.1
232. 2 103. 9 88.6
25.4
4.2
0.3
0.4
14.2
15.5
47.1
34.5
178. 6 12.6
98.5
10.3
1.1
4.0
3.5
15.8
15.5
72.5
70.3
36.3
47.6
0.2
0.5
13.0
66.3
40.4
134. 0 170. 9 196. 6 139.8 181.4 235.7
89.5
1.2
0.6
2.2
1.8
68.0
107. 8 49.8
132. 8 72.7
86.1
5.7
2.7
2.9
0.6
3.8
78.4
54.5
85.4
15.9
11.8
1.3
0.9
1.1
50.1
18.2
79.1 63.1 110.1
8.2 6.3 2.3
20.0 0.0 5.8
2.2 0.0 0.0
1.1 1.2 2.2
71.8 2.2 27.3
65.8 23.8 69.2
101.5 44.0 91.0
118. 5 168. 7 204.0 128.1 195.7
1998 241. 5 1999 47.9 2000 75.0 2001 183. 9 2002 70.1
132. 0 83.9
9.0
80.8
2004 2005 2006
41.0 145.4 160.4
144. 9 109. 1 186.9 111.3 177.9
2007
189.7
184.4
282.3
95.7
12.6
1.1
0.0
3.3
24.3
71.0
30.6
116.4
2008 2009
0.0 167.1
180.0 235.2
109.2 183.3
48.4 69.4
4.6 45.9
2.5 1.3
0.0 0.0
7.4 21.1
4.8 21.5
66.5 102.9
35.2 157.5
110.8 192.0
2010 2011
194.6 221.4
147.6 218.3
219.6 225.5
97.5 157.6
2.8 7.9
0.0 0.0
0.0 0.0
5.0 11.1
16.5 30.5
30.4 29.5
49.8 83.5
209.0 186.0
2012 2013 2014
121.4 91.0 190.7
200.2 189.2 168.7 27.4 0.0 0.0 0.0 69.0 84.0 98.9 0.0 217.1 172.4 62.5 26.9 0.0 6.8 13.4 30.6 106.1 67.4 145.8 148.3 190.2 80.0 20.9 0.5 7.8 0.0 0 0 0 0 Datos procesados de información del Senamhi. Precipitaciones promedio anuales.
2003 75.2
ANEXO II: PLANO DE LA TURBINA
ANU AL 374. 6 670. 2 726. 3 777. 5 534. 5 740. 5 768. 4 739. 1 734. 3 921.4 706.8 1077. 6 1011. 4 569.4 1197. 2 972.8 1171. 3 958.8 940.0 638.4
Dónde:
1 1a
TOBERA O CHIFLON PIEZA INTERMEDIA
14a 14b
NERVIOS DE GUIA ENVOLVENTE PARA LOS ANTERIORES CONSOLA PARA EL VASTAGO DE LA AGUJA
40a 40b
1b
PIEZA DE SUJECION
15
1c
BARRENADOS
16
AGUJERO DE LIMPIEZA
42
1d 2
TAPAS DE PROTECCION CHORRO DE AGUA
17 17a
CODO INFERIOR SOPORTE DEL CODO INTERIOR
43 44
3
RODETE
18
VALVULA Y TUBERIA DE DESAGUE
45
4 4a 4b 5 5a
ALABES O CANGILONES ESCOTURA DE LOS ALABES ARISTA DIVISORIA CABEZA DE AGUJA PUNTA DE AGUJA
19 20 20a 20b 21
5c
TORNILLO CALIBRADO
22
5d
CUÑA
23
5e
CUERPO DE LA AGUJA
24
AGUJEROS CILINDRICOS PARA ESPIGAS
25
VALVULA DE LA TURBINA DESVIADOR CUCHILLA DEL ANTERIOR PALANCA PALANCA DE RETORNO PISTON DEL SERVO-MOTOR PARA LA REGULACION DE LA AGUJA RESORTE DE CIERRE PARA LA AGUJA VALVULA DE DISTRIBUCION PARA LA AGUJA VOLANTE A MANO PARA LA REGULACION DE LA AGUJA
5f y 5g
26
VARILLA DEL DESVIADOR
7 8 8a 9 9a 9b 11 12
NIVEL DE DESFOGUE, DIAMETRO DEL RODETE (D1), DIAMETRO DEL CHORRO (do) SOLAPAS CORONA DE RODETE CUBO DEL RODETE BULONES DE FIJACION CO TUERCAS CABEZAS DE BULONES 10 BULONES TENSORES CUÑAS CODO DE ENTRADA
27 30 30a 30b 30c 31 32 32a
12a
BRIDA DE SUJECIÒN
32b
13 13a
VASTAGO DE LA AGUJA CAMISA DE BRONCE
33 34
13b
PISTON DE DESCARGA
36 Y 37
13c
GUARNICION DE CUERO
37a
14
CRUCETA DE GUIA
40
RUEDA DE LEVAS CAJA ORIFICIO PARA EL CODO DE ENTRADA DEPARTAMENTOS LATERALES SOPORTES DE LOS COJINETES TAPA DE CAJA PARTE INFERIOR DE LA CAJA PAREDES DE LA GUIA CANALES DE DESAGUE PARA LA SALPICADURA DEL EJE DE LA TURBINA COLECTOR DE SALPICADURAS BLINDAJE SERPENTIN DE REFRIGERACION Y RECUBRIMIENTO ORIFICIOS PARA EL DESAGUE DEL AGUA REFRIGERANTE EJE DE LA TURBINA
6
41
ANILLO DE REBORDE ANILLO CENTRIFUGO COJINETE EXTERIOR DE LA TURBINA COJINETE INTERIOR DE LA TURBINA ACOPLAMIENTO DEL EJE REGULADOR DE VELOCIDAD VOLANTE A MANO PARA LA REGULACION DE LA AGUJA
Anexo
III Curvas paramétricas
Para las obras bocatoma, canal de aducción, desarenador, cámara de carga, canal de descarga, se emplearon las curvas paramétricas presentadas en la tesis Planeamiento para el diseño de pequeñas centrales hidroeléctricas en el Perú, aplicación a la pequeña central de Cutervo (1982). Dichas curvas paramétricas se muestran a continuación: BOCATOMA:
DESARENADOR:
CANAL DE CONDUCCION:
CÁMARA DE CARGA:
CASA DE MÁQUINAS:
FUENTES BIBLIOGRAFICAS 1. APARICIO, F. J. (1992) Fundamentos de Hidrología de Superficie. Limusa 2. CASTRO Adriana, 2006. Minicentrales hidroeléctricas. (Manual de Energía Renovables N° 6) Ed. Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía (IDAE), Madrid. 3. CHOW, V. T., MAIDMENT, D. R., & MAYS, L. (1994). Hidrología Aplicada. McGraw-Hill. 4. LINSLEY, R. K., & Franzini, J. B. (1970) Ingeniería de los Recursos Hidráulicos. Compañía Editorial Continental (NN). 5. McCuen, R. H. (1998) Hydrologic Analysis and Design. Prentice-Hall. 6. MINISTERIO DE AGRICULTURA, Autoridad Nacional del Agua / Administración Local de Agua Chillón Rímac Lurín, 2010. “Evaluación de los Recursos Hídricos en la Cuenca del Río Rímac” (Estudio Hidrológico y Ubicación de la Red de Estaciones en la Cuenca del Río Rímac) Volumen , Informe Final. Lima. 7. Ministerio de Energía y Minas, Lima.