Diseo de planta hidroelctrica.

Materia: plantas generadoras.

Grado: 8.

Grupo: G.

Alumno: Jorge Quintero Hernndez.

22/mayo/2015

I.- INTRODUCCION

En una central hidroelctrica se utiliza energa hidrulica para la generacin de energa

elctrica. En general, estas centrales aprovechan la energa potencial gravitatoria que posee la masa de agua de un cauce natural en virtud de un desnivel, tambin conocido

como salto geodsico. El agua en su cada entre dos niveles del cauce se hace pasar por

una turbina hidrulica la cual transmite la energa a un generador donde se transforma en

energa elctrica.

II.- OBJETIVO

Se pretende disear una pequea planta hidroelctrica a partir de un pequeo rio cercano

el cual se utilizara para rellenar una pequea presa y a continuacin el siguiente captulo

se mostrara mayor cantidad de clculos para su creacin basndose solo en el recurso que

se pose de agua de un rio.

III.- CALCULOS DE DISEO DE LA PRESA

El agua al fluye del punto H y B

Figura 1. Ejemplo de medidas para clculo de diseo de la presa.

Para causes de lechos de grava se utilizara la ecuacin de Bray 1979:

Dimetro del rio: 40m

= 0.04950.16

= 0.0495(40)0.16 = 0.089317

Terreno natural con roca lisa:

(Ecuacin 1)

= 0.035

Curva correlacin de caudal para calcular B real:

H= altura de la lmina segn el registro.

B= factor de correccin para obtener la altura real.

= ( + )

1 = 20

2 = 32

3 = 25

1 = 0.035(20 + 10)0.089317 = 0.047424

2 = 0.035(32 + 10)0.089317 = 0.048887

3 = 0.035(25 + 10)0.089317 = 0.04808

La ecuacin para obtener B:

=3

2 121 + 2 23

=(25)2 (20 32)

(20 + 30) 2 (25)= 7.5

Calculo del rea de la seccin transversal:

Figura 2. Seccin transversal del cauce.

(Ecuacin 2)

(Ecuacin 3)

TABLA I. Datos de la seccin transversal del cuase:

b=35 m h1=15 m

h2=20 m h4=15 m

h3=20 m

= 35(15 + 20 + 20 + 15)

0.089317= 27430.388 2

Medicin del caudal con aliviaderos:

Figura 3. Medidas caudal aliviadero.

= 1.8( 0.2) 3/32

H=10m.

L=35m.

= 1.8(35 0.2 10) (10)3

32 = 73.713/

Estimacin de la energa generada:

Energa anual producida en (E en Kwh)

= 73.71 3/

= = 7 .

= 0.81

= 0.9

= 0.92

= 0.87

(Ecuacin 4)

(Ecuacin 5)

= 16

= 0.81 /3

= (73.71) (7) (0.81) (0.9) (0.92) (0.87) (16) (0.81) = 3901.79

Para calcular la energa generada por cada turbina:

= () () () () () () () ()

w: anchura de la banda= 0.05

h: nmero de horas en un ao= 5952

g: peso especfico del agua= 9.81

Caudal de vertido:

= 3/2

Q = caudal que pasa por el aliviadero (3/)

C = coeficiente aliviadero

L = longitud de la cresta del aliviadero (m)

H = altura de lmina sobre la cresta del aliviadero (m)

Componente topogrfico

-Terreno cuya pendiente vara entre 3.0 y 30m/km

1 = 0.20

Componente de suelo

-Terreno arena y gravilla

= 0.40

Componente de cubierta vegetal

-Terreno boscoso

(Ecuacin 6)

(Ecuacin 7)

(Ecuacin 8)

= 0.20

Siendo:

= 1 (0.20 + 0.40 + 0.20) = 0.20

Por lo tanto con el valor C obtenido se calculara el caudal de vertido:

= (0.20) (35) (10)32 = 221.35 3/

Volumen del depsito para las turbinas en horas punta:

= 25

= 3600 ( ( )

= 3600 4 (221.35 (73.71 25) = 155260202.4 3

Calcular disponible para operar fuera de horas punta ser:

=24 (73.71 25) 4 (221.35)

(24 4)= 14.182 3/

Potencia hidrulica:

= 0.7

=

= (0.81) (221.35) (20) (0.7) = 2510.109

Potencia mecnica de la turbina viene dada por:

=

= (2510.109) (0.81) = 2033.188

(Ecuacin 9)

(Ecuacin 10)

(Ecuacin 11)

(Ecuacin 12)

(Ecuacin 13)

(Ecuacin 14)

IV.- CALCULOS DEL DISEO DE LA TURBINA:

Velocidad especifica:

=1800 2033.188

754

= 7128.345

=

995

=7128.3452

995= 7.164166

Velocidad especfica la en funcin del caudal y la altura neta:

= 333

= 333 (7.164166) = 2385.6672

Turbina tipo Kaplan (seleccionada por los mrgenes de velocidad):

=

=

=(2033.188)

(221.35) (0.81) (9.81)= 1.1559

= 84.5 (0.79 + 1.602 7.16416) 1.1559

60 1800= 0.01

Dimetro del eje del rodete:

= (0.25 +0.0951

)

= (0.25 +0.0951

7.1641) 0.01 = 0.00263

Turbina tipo Kaplan altura salto en m:

2 < < 40

(Ecuacin 16)

(Ecuacin 17)

(Ecuacin 18)

(Ecuacin 19)

(Ecuacin 20)

(Ecuacin 21)

(Ecuacin 22)

Comprobacin rendimiento de la turbina:

=2033.188

2510.109= 0.81

Rendimiento tpico de pequeos generadores:

La generacin es de 195 Kw por da, se selecciona un generador pequeo de 250 Kw con

un rendimiento mximo de 0.955.

V.- GENERADORES.

La tensin de generacin viene determinada por la potencia del generador. Lo normal es

generar a 380 V hasta 1.400 kVA y a 6000/6600 para potencias mayores. La generacin a

380 V tiene la ventaja de poder emplear como transformadores del grupo, transformadores

normalizados de distribucin, y de poder extraer del secundario, la potencia necesaria para

los servicios auxiliares de la central. Las turbinas de algunos MW de potencian utilizan

alternadores que generan a una tensin ms elevada. Cuando se genera en alta tensin la

potencia para los servicios auxiliares se extrae de la lnea a travs de un transformador

AT/BT.

Disposicin del generador respecto a la turbina

Los generadores pueden ser de eje horizontal o de eje vertical, independientemente de cual

sea el tipo o configuracin de turbina utilizada, pero por regla general los adoptan la misma

configuracin que la turbina. La (figura 4) muestra una configuracin de turbina Kaplan de

eje vertical, de 214 rpm, directamente acoplada a un generador de 28 polos.

Con frecuencia se utiliza un volante de inercia para suavizar las variaciones de par y facilitar

el control de la turbina.

Figura 4. Generador de eje vertical conectado directamente a una

turbina Kaplan

(Ecuacin 23)

VI.- REGULACIN DE TENSIN Y SINCRONIZACIN.

En generadores acoplados a una red aislada, el regulador debe mantener un valor

predeterminado de la tensin sea cual sea la carga. Si est acoplado a una red importante,

el regulador mantendr el valor preajustado de la potencia reactiva.

VII.- EQUIPOS DE SINCRONIZACIN Y PROTECCIN ELCTRICA.

La (figura 5) muestra un esquema unifilar que cumple con los reglamentos espaoles.

La monitorizacin se lleva a cabo mediante aparatos ms o menos sofisticados para medir

la tensin, intensidad y frecuencia en cada una de las tres fases, la energa producida por

el generador, su factor de potencia, y eventualmente el nivel de agua en la

Figura 5. Esquema unifilar

cmara de carga. La tensin e intensidad de corriente se monitorizan mediante

transformadores de potencia (PTs) y de corriente (CTs), para reducir su valor, generalmente

muy elevado, a niveles ms manejables.

Para que los diferentes sistemas de proteccin puedan cumplir su misin, se necesita un

interruptor principal, ya sea de aire comprimido, magntico o de vaco, capaz de aislar el

generador de la red, an cuando est trabajando a plena carga. Como elementos de

proteccin se necesitan:

Rels de proteccin de la interconexin que garantizan la desconexin en el caso de un

fallo en la red.

Rels de mnima tensin conectados entre fases.

Rels de mxima tensin

Proteccin tierra-estator

Mxima intensidad, con actuacin temporizada e instantnea. Si el generador es de baja

tensin estos rels pueden ser directos y estar instalados en el mismo interruptor.

Retorno de energa

Para detectar fallos en los arrollamientos del estator, y actuar antes de que se quemen, se

utilizan rels diferenciales. Existen tambin rels que actan sobre el interruptor principal

cuando la temperatura del generador o del transformador de salida sobrepasan los lmites

aceptables, o en el caso de tensiones superiores o inferiores a la normal.

Entre las protecciones mecnicas conviene incluir las siguientes: embalamiento de la

turbina; sobre-temperatura en eje y cojinetes; nivel y circulacin del circuito de refrigeracin

(si es que existe); nivel y circulacin del aceite a presin; nivel mnimo en la cmara de

carga.

El productor independiente es responsable de los sistemas de puesta a tierra de la

instalacin, que deben ser diseados siguiendo instrucciones de la compaa distribuidora.

El sistema de puesta a tierra vara con el nmero de unidades instaladas y con la

configuracin de la central y su sistema de operacin.

Por razones obvias, la central debe disponer de sistemas de contadores, para medirla

energa activa suministrada a la red y la reactiva absorbida de la misma.

VIII.- SUBESTACIN EXTERIOR

Figura 6: subestacin ubicada en la casa de mquinas

La subestacin, situada normalmente al aire libre, incluye el interruptor principal, que asla

de la red toda la central, as como las barras de conexin entre la salida del transformador

y la lnea de conexin a la red, los transformadores propiamente dichos, los pararrayos y la

proteccin contra sobretensiones en la red. En zonas de marcada sensibilidad ecolgica la

subestacin se ubica en el interior de la casa de mquinas (figura 6) y la salida de los cables

de conexin a la red corren sobre la tubera forzada hasta la cmara de presin, de donde

salen va area o enterrados.

IX.- CONCLUSIN

El diseo de esta pequea planta recabo los requisitos mnimos que se podan obtener

por el cauce del rio que se tena y por lo tanto los resultados fueron satisfactorios para

obtener la potencia de generacin deseada.

X.- REFERENCIAS

1. Actualizacin realizada por Erik Bollaert (LCH-EPFL), Jonas Rundqvist (SERO) y Celso

Penche (ESHA)

2. Petits barrages., Recommandations pour la conception, la ralisation et le suivi. Grard

Degoutte (ENGREF)

3. USBR Design of Small Dams - 3rd ed., Denver, Colorado, 1987

4. Sinniger & Hager, Constructions Hydrauliques, PPUR, Lausanne, 1989