2. 1.- INTRODUCCION
UBICACIÓN Y DATOS GEOGRAFICOS DEL LUGAR
Pucara es la quinta sección municipal de la provincia Vallegrande, del departamento
de Santa Cruz. Se localiza al suroeste de la provincia de Vallegrande, limitando con
el Departamento de Chuquisaca por el oeste, con el Departamento de Cochabamba por
el norte y con el Municipio de Vallegrande por el norte, sur y este. Se encuentra a una
altura de 2.455 msnm.
El clima es templado semiseco con una temperatura promedio de 17.5ºC. Las
estaciones están marcadas por veranos suaves y lluviosos, e inviernos con frecuentes
frentes fríos
Esta localidad tiene un numero de habitantes de 2548 personas (CENSO 2001 INE).
3. 2. OBJETIVO DEL PROYECTO
Objetivo general .- Diseñar una Central Hidroeléctrica con
sus elementos principales
Objetivo especifico.- Calcular las características de
diseño de las principales componentes de la central.
El objetivo académico de este proyecto es comprender y
aplicar conocimientos teóricos básicos para la elaboración
de proyectos en la instalación de una central hidroeléctrica
4. 3. ESTUDIO DE LA DEMANDA DE ENERGIA
ELECTRICA
El cálculo de la demanda de energía eléctrica de la población de
Pucara (para la actualidad y proyectada para los próximos 20 años)
se realizo con base a datos estadísticos del INE y la CRE para
conocer el factor de carga, factor de cobertura y el numero de
habitantes , y se utilizo algunos modelos empíricos, los cuales
fueron útiles para la obtención de los valores numéricos que
representan la demanda de energía a largo plazo.
Datos estadísticos de Pucara ( fuente INE )
2001
2013
POBLACION
2548
2578
NUMERO DE FAMILIA
509
516
PROMEDIO DE INTEGRANTES POR FAMILIA
5
5
INDICE DE CRECIMIENTO INTERCENSAL (%)
9,9
9,9
FACTOR DE COBERTURA (%)
38
50
9. 4.
CALCULO DE LA POTENCIA NOMINAL DEL PROYECTO
X
TIEMPO
(%)
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
Y
CAUDAL
(m3/s)
4,950
2,175
0,930
0,465
0,330
0,264
0,252
0,251
0,249
0,248
0,246
0,245
0,243
0,240
0,239
0,239
0,237
0,236
0,234
0,230
Calculo del caudal útil
QUTIL=QMIN-(5%*QMIN)
QUTIL=0.222-(0.05*0.222)=0.211 m3seg
Se toma el caudal mínimo para asegurar una
continuidad del caudal todo el año.
10. 4.2 CALCULO DE LA POTENCIA DEL PROYECTO
Calculo de Turbina Hidráulica
Hallando la altura de la turbina;
P = 9.81*Q*H*η
El caudal mínimo que tendremos en e río de;
Q = 0.211 m3/seg
El rendimiento estimado de la turbina será de;
η = 0.85
La altura requerida será de aproximadamente:
H = 81.15m
El número específico de revoluciones será:
Tomando como n = 1000rpm
El caudal será dividido entre tres para las 3 turbinas Q= 0.07 m3/s
NQ = 9.79
Por tanto al ser menor a 22, seleccionamos turbinas Pelton
11.
CALCULO DE LA POTENCIA NOMINAL DEL
PROYECTO
PPROYECTO = 9.81* QUTIL* HUTIL* N
PPROYECTO =
9.81*0,2109*94*0,77
PPROYECTO = 149 kW
12. 4.3.-UBICACION DE LAS OBRAS EN LA
CARTA GEOGRÁFICA
Considerando una pendiente para el canal de: 1/1000
13. 5. DIMENSIONAMIENTO DE OBRAS
CIVILES
5.1 BARRAJE DE DERIVACIÓN
Barraje de derivación tiene la finalidad de levantar el nivel de
agua del río y facilitar su entrada a la Bocatoma de derivación
y al Canal de Alimentación.
Considerando : B ═ 1,2m
Caudal considerado: Q=0, 211m³/seg
14. Mediante la relación entre h y caudal tenemos (tabla Nº 2):
h= 22 cm
La altura hasta el nivel de agua es de más de 4 veces el espesor de la lámina de agua. D>4h
Entonces:
D>4x (22cm)
El nivel h debe ser menor o igual a un tercio del valor B
H ≤1/3b
h ≤1/3x(1,2m)
h ≤ 0,4 m ------------ 22cm ≤ 67,7cm Se cumple
El valor de C debe ser mayor o igual a tres veces el valor de h
C ≥3h
C ≥ 3x (22cm)
C ≥66cm
15.
SECCION Y DIMENSIONES DEL BARRAJE
Considerando H=1m con una carga total de 0,22m
Mediante el gráfico (tabla Nº 3-2) se obtiene los siguientes valores:
A= 5,1m
B=0,7m
C=0,9m
D=1,9m
E=4,2m
F=1m
J=0,5m
K=0,4m
G=0,2m
16.
17. 5.2 BOCATOMA
En tramos rectilíneos de un río se puede ubicar el eje de la
Bocatoma formando 60º - 90º con la dirección de la corriente;
pero en tramos de trazo ondulante se debe considerar las
condiciones de las siguientes ubicaciones:
Plano General de Boca toma Tipo
19. De la tabla Nº 4-2
Dimensiones Standard para este tipo de Bocatoma
Profundidad del agua en la compuerta
Ancho del canal a la entrada de la compuerta de regulación
Altura del canal a la entrada de la compuerta de regulación
Ancho de la compuerta de regulación
Altura de la compuerta de regulación
Altura del marco de la compuerta
Ancho del marco de la compuerta
Espesor del marco de la compuerta
Ancho de la pasarela de maniobra de la compuerta
Ancho de la pasarela de la maniobra de la rejilla
Espesor de la losa de maniobra de la rejilla
Proyección vertical de la altura de la rejilla
Ancho de la rejilla
Longitud de la rejilla
Dimensiones de la sección de las barras de la rejillas en (mm)
Distancias de ejes de las barras de las rejillas en (mm)
Ancho del canal de rebose
Tirante mínimo de agua en el canal de rebosadero
Tirante de agua máximo en el canal de rebosadero
Longitud del rebosadero
Longitud del desarenador
Ancho de la canaleta de desarenación
Tirante de agua máximo de la canaleta de desarenación
Tirante de agua mínimo de la canaleta de desarenación
Dimensiones de la compuerta de desarenación ( K * K)
Ancho de la compuerta de des arenación en el barraje
Profundidad de la compuerta de desarenación en el barraje
Longitud del aliviadero de regulación
Altura del agua en el aliviadero de regulación
Velocidad del agua en el lugar de la desarenación
Velocidad del agua en la rejilla
Velocidad del agua en la compuerta
Do
Bo
Ho
Gb
Gr
A
B
C
P
W
t
E
F
l
t*b
P
S
d1
d2
L
O
J
h1
h2
K
M
Q
N
U
V
Vs
Vg
0,52m
0,68m
0,62m
0,76m
0,76m
0,90m
1,04m
0,58m
0,70m
0,14m
0,76m
1,05m
0,89m
3,2x35m
22m
1,10m
0,42m
0,57m
0,7
1,56m
0,56m
1,26m
1m
0,37m
0,80m
0,84m
2,00m
0.36m
0,182m/sg
0.429m/sg
0.566m/sg
20. 5.3 DETERMINACION DE LAS
DIMENSIONES DEL DESARENADOR
Tiene la función de precipitar todos los pequeños sólidos en
suspensión que trae el agua producto de su arrastre ejemplo:
arena.
21. Profundidad del agua en el canal
Do
0,52m
Ancho del canal
Bo
0.68m
Longitud del Desarenador
L
8.20m
Longitud de entrada
l1
1.28m
Longitud de salida
l2
1.00m
Ancho de la canaleta de desarenación
J
0.56m
Profundidad del agua en la partida
d1
0.64m
Profundidad del agua de la final
d2
0.88m
Profundidad máxima de la canaleta de
desarenación
d3
1.33m
Ancho del desarenador
B1
1.70m
Borde libre
F
0.20m
Espesor de concreto del canal
to
0.20m
Espesor de concreto de la partida
t1
0.20m
Espesor de concreto del final
t2
0.20m
Espesor de concreto para la compuerta
t3
0.46m
Ancho de concreto para la compuerta
M
0.74m
Ancho y altura de la compuerta
K
0.37m
22. 5.4.- CANAL
Es la conducción que transporta el agua que se deriva hacia la minicentral desde la toma hasta
la cámara de carga. A lo largo del canal, dependiendo de su longitud, puede haber varias
compuertas para limpieza y vaciado del canal en caso necesario.
Asimismo por razones económicas los canales son
rectangulares.
Según tabla # 15, para un caudal de 0,211 m3/s
una pendiente de 1/600 las dimensiones del canal
serían:
Dimensiones del canal
Tirante : a= 0,425 m
Ancho: b= 1.4*a= 0,595 m
Velocidad = 0,8 m/s
Pendiente del canal= 1/600
Área: A= 1.4*a^2=0.253 m2
Perímetro :S= 3.4*a=1.445 m
R= A/S= 0.175 m
23. 5.5 CAMARA DE CARGA
Consiste en un depósito situado al final del canal de derivación del que parte la
tubería forzada. Esta cámara es necesaria para evitar la entrada de aire en la tubería
forzada, que provocaría sobre presiones (Golpe de ariete).
En función del caudal de agua, se puede conseguir las dimensiones de la estructura de
la Cámara de Carga, utilizando la tabla Nº 16 se obtendrá las diferentes dimensiones
que se detallan a continuación:
24. Diámetro de tubo de presión
Carga de agua en el eje del tubo de presión a la salida
Ancho de la cámara de carga
Tirante máximo de la cámara de carga
Borde libre
Profundidad máxima
Longitud de aliviadero
Espesor de la lamina de agua sobre el vertedero
Tirante de agua a la entrada del canal de desarenaciòn
Sobre elevación para impedir la entrada de arena al tubo de presòn
Tirante máximo del canal de desarenacion
Ancho máximo del canal de desaneración
Dimensiones de la compuerta de desarenacion (g x g)
Tirante de agua a la entrada de la compuerta de control
Distancia entre el canal de mat. Flotante y la compuerta
Altura de la compuerta
Ancho de la compuerta
Altura del marco de la compuerta
Ancho del marco de la compuerta
Espesor de las paredes del marco de la compuerta
Ancho de las paredes del marco de las compuertas
Ancho de la pasarela de maniobra de la rejilla
Ancho del canal de limpia de material flotante
Profundidad del canal de limpia del material flotante
Ancho de la pasarela de maniobra de la rejilla
Distancia del canal de mat. Flotante al borde de la rejilla
Proyeccion horizontal de la longitud de la rejilla
Longitud de la rejilla
Dimensiones de las barras de las rejillas (m.m.)
Espaciamiento de las barras de las rejillas
Velocidad del agua al final del desarenador
Velocidad del agua en la compuerta de control
0.385m
0.95m
0.80m
1.15m
0.25m
1.40m
3.50m
0.11m
1.10m
0.58m
1.30m
0.48m
0.25m
0,52m
1.18m
0.77m
0.90m
0.65m
1.28m
0.24m
0.36m
0.31m
0.32m
0.18m
0.11m
0.44m
0.74m
32*30m
16mm
0.228m/sg
0.432m/sg
Dp
A
Bo
E
F
M
J
O
H
P
h
S
g
C
G
G
Gb
T
Bg
U
R
N
K
Q
V
I
L
l
t*b
m/m
V
Vg
25. 5.6.- CASA DE MAQUINAS DE LA
CENTRAL
Para un caudal de Q = 0,211 m3/seg. y una altura de H = 81,15 m.
según la tabla N º 18 que da como área de la casa de maquina de
50m2 y su potencia 150kw
26.
27. 6.- TUBERÍA FORZADA O TUBERÍA DE
PRESIÓN
Tiene como función llevar el agua desde la cámara de carga hasta la
casa de maquinas con el mínimo de pérdida de presión.
En función del caudal de agua, la caída bruta y la pérdida de carga
supuesta en la tubería de presión, se puede conseguir el diámetro y el
espesor de la tubería misma.(Tabla nº 17-1)
28. a)
Longitud de la Tubería Forzada
La caída neta de nuestra tubería de presión es de 94 Mts y la distancia
horizontal que tiene que recorrer la tubería de presión desde la cámara de
carga hasta la casa de máquinas es de 175 Mts
Longitud de la tubería de presión = 173,3 m.=LTP
LTP=173,3 m.
29. b) Velocidad del Agua en la Tubería
Tabla 17-1 Relación entre caudal, velocidad y energía de velocidad
Cálculo de la velocidad:
Con Q = 0,211 m3/s y D = 0,385 m tenemos de la gráfica; V = 1,5 m/s
30. c) Espesor de la tubería
Tabla de relación entre diámetro y espesor de tuberia con los siguientes datos:
HNETA = 86,41 m ; Dtp = 0,385 m
Al interceptar los puntos de altura y diámetro de la tubería, hallamos el espesor que es
igual a: 6,6 mm.
31. 1.- pérdidas en bocatoma h1
h1
h1
1.3 v 2
; v
2 g
0,021
0.566
m
seg
2.- pérdida en la rejilla de la bocatoma h2
4/3
t
v2
h2
sen
;
b
2g
2.34 ; caso de barras cuadradasde fierro
t espesor de las barras 3.2mm
b distancia entre ejes de las barras 22mm;
inclinación de la rejilla respectoa la horizontal 60º ;
v velocidad del agua antes de la rejilla (m/s) 0.429;
por lo tanto :
h 2 0,0014m
32. 3.- pérdida de entrada en el canal: h3
2
2
2
v1
v2
v 2 - v1
0.05
2g
2g
velocidad del agua antes del canal (m/s)
v2
velocidad del agua en el canal (m/s)
h3
0.0223m
h3
0.566(m/s)
0.85(m/s)
CALCULO DE PERDIDAS DE ALTURA
4.- pérdidas en el desarenador: h4
h4
v
h4
v2
0.2
0.01 v2
2g
velocidad del agua al término del desarenador
0.0005m
0.228 (m/s)
33. 5.- Pérdida por pendiente del canal: h5
h5
Io
L
Io
pendiente del canal 1/600
L
longitud del canal
h5
1.08 m
650;
6.- pérdidas por curvas del canal: h6
h6
L x l 0 (1
3
4
b
)
r
L = Longitud de la curva =250 m
b = Ancho del canal = 0,595
r = Radio de la curva = 552
lo = Pendiente necesaria en canal rectilíneo 1/600
l = Pendiente necesaria en canal en curva 1/600
h6 = 0.426 m
34. 7.- Perdidas de sifón: h7
h7
0.55m 2
h7
1,1m
8.- pérdida en la rejilla de la cámara de carga: h8
h8
0.018 v 2
v
h8
0,625m / s
0,007m
9.- pérdida en la entrada de la tubería de presión: h9
h 9 0.005 v 2
v velocidad después de la entrada de la tubería de presión
h 9 0,005 m
1 (m/s)
35. 10.- pérdida por fricción en la tubería de presión.
Según la tabla Nº17-1 en función del caudal de agua y el diámetro se obtiene la perdida
h 10
2.6m
Calculo de perdida total
h
h1
h2
h
h3
h4
5.26 m
10.- Cálculo de la altura neta:
H =81.15 m + 5.26 m = 86.41 m
h5
h6
h7
h8
h9
h10
36. 7. TURBINAS
7.1 SELECCIÓN DEL TIPO DE TURBINA
Para cubrir la demanda en el año10 se trabajara con 3 turbinas (mas uno de reserva)
Q1=Q2=Q3= Qminimo útil / 3 = 0,211/ 3= 0,07 (m3/seg) ; H=86,41 mts
De la grafica obtenemos que seran TURBINAS tipo PELTON
37.
Q1 = 0,07 m3/s, para una potencia P1 = 50 KW
Q2 = 0,07 m3/s, para una potencia P2 = 50 KW
Q3 = 0,07 m3/s, para una potencia P3 = 50 KW
Determinamos Ns (m-kW) velocidad especifica para hallar el rendimiento:
asumimos para cada turbina una velocidad de 1000 rpm
Con el Ns calculado tendremos un N = 79,5 %
Caudal necesario para cada turbina
Sumando los 3 caudales nos da Q= 0.20m3/seg lo que nos garantiza que el caudal útil del
rio ;
Q =0,2109 m3/seg será suficiente para alimentar las tres turbinas
Para comprobar que es uma turbina PELTON calculamos el numero especifico de
cada turbina:
Para turbina tipo Pelton debe verificarse: NQ < 22 Tenemos un NQ = 8,90 lo que
confirma la aplicación para este proyecto de turbinas Pelton.
39. 8.- GENERADORES
8.1.-SELECCION DEL TIPO DE GENERADOR
GENERADOR #1; 2 ;3;4
Los cuatro generadores serán iguales debido a que estarán acoplados cada uno a una turbina
de las mismas características técnicas
Números de pares de polos de los generadores
N=60f/P
P=60f/N
P=60*50/1000
P=3 pares de polos
De la tabla se halla el factor de potencia con los siguientes datos:
Pth = 50 kW y Números de polos = 6
40.
factor de potencia de 0.86
Con esto calculamos la potencia aparente
S=P/Fp (KVA) → S=50/0,86 = 58,13 (kVA)
Determinación del rendimiento de los generadores
Con la tabla Nº 25 vemos el rendimiento de los generadores de en función del número de:
S = 58,13 kVA ; P = 6 números de polos
De la grafica tenemos un rendimiento de cada generador del 89 %
PG1 =PG2 =PG3 = PG4 = 50*0.89 = 44 kW
La potencia máxima en bornes del generador será la suma de los tres generadores es
decir:
41. 8.2 ESPECIFICACIONES DE LOS
GENERADORES
MARCA : WEG
MODELO: GPA 201 AIH
Capacidad del Generador : 50 kW
Velocidad: 1000 rpm
Voltaje clasificado : 110V/220V 110/380V
220V/380V 220/440V
Tipo de Generador: Síncrono
Frecuencia: 50 Hz
Tipo de salida: C.A. Trifásica
Numero de Polos: 6
Corriente Nominal de Operación : 7A – 10A
Corriente de Pico: 10A – 16A
Excitación con PMG: Excitatriz con Imanes Clase de Aislamiento: H
Permanentes
Grado de Protección: IP 21
Certificado: IEC ,ISO
42. 8.3 SISTEMA DE EXCITACIÓN.
Utilizamos un sistema de excitación con excitatriz de corriente alterna, que están acoplados
al eje del alternador, donde la excitatriz piloto genera una intensidad por medio de imanes
permanentes, y mediante un regulador de tensión que incluye un rectificador, suministra
corriente regulada a la excitatriz principal de CA, y a través de se un sistema de
rectificación por medio de tiristores se suministra la corriente continua a las bobinas
inductores del rotor del alternador principal
45. 10.- CONCLUSIONES
Se llego a poner en practica lo aprendido en la materia de Centrales de
Generación con respecto a la elaboración de proyectos de pequeñas
centrales hidroeléctricas destinadas a la electrificación rural. A plantear
alguna solución a cualquier tipo de problema o requerimiento futuro de
abastecimiento de energía eléctrica a zonas aisladas de la ciudad mediante
el aprovechamiento de recursos naturales disponibles.
La utilización de fuentes renovables de energía tiene beneficios
económicos, proporcionando mayor eficiencia, así como una disminución en
los impactos ambientales.
46. 11.- CUADROS RESUMEN DEL
PROYECTO
OBRAS CIVILES Y TUBERIA
msnm
Largo Ancho
M
m
OBRA DE DERIVACION
1900
6,4
3
OBRA DE TOMA
1899.5
0,66
DESARENADOR
1899
8,2 1,71
CANAL
1899-1898 650 0,595
CAMARA DE CARGA
1898
3,4 0,81
TUBERIA FORZADA (PENSTOCK)
173,3
CASA DE MAQUINAS
1811,6
7,5
6
Alto Pend. Veloc. Diám. Espesor Volumen
m
m/m m/s
m
mm
m3
2
0,76
0,566
1,34
0,228
0,425 1/600 0,85
1,16
0,63
3,2
1,5 0,385 6,6
47. DATOS DE OPERACIÓN DE LA CENTRAL
DATOS GENERADORES
Potencia nominal (KW)
Caudal nominal (m3/s)
Caída bruta (m)
Caída neta (m)
Demanda año 0 (KW)
Demanda año 20 (KW)
Consumo año 0 (MWh)
Consumo año 20 (MWh)
Tipos de turbinas
RPM turbinas
Cantidad de unidades
Factor de carga, año 0
Nq
Potencia nominal (kW)
Factor de potencia (cosfi)
Tensión nominal (V)
Clase de aislación, bobinas estator
RPM rotor
N° Pares de polos
Tipo de excitación
150
0,211
86,41
81,15
81,24
130,9
193,38
386,64
pelton
1000
3
0,25
9,79
Tensión nominal excitación (V)
150
0,8
380
H
1000
3
excitatriz
AC
