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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ
FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA MINISTERIO DE ENERGÍA Y MINAS
CONVENIO ESPECÍFICO Nº 005-2011-MEM-CARELEC-UNCP/FIM
MAESTRÍA EN TECNOLOGÍA ENERGÉTICA
Informe:ENFOQUE DE SISTEMAS EN
EFICIENCIA ENERGÉTICA EN GRUPO TURBINA GENERADOR DE LA CH
INGENIO (1 MW)
Presentado por:Ovidio C. Uscuvilca Calderón
Huancayo-2 de enero de 2011
ÍNDICE
ÍNDICE..........................................................................................................................................................21 INTRODUCCIÓN.................................................................................................................................32 IDENTIFICACIÓN DEL OBJETO.......................................................................................................53 FUNCIONES DEL OBJETO................................................................................................................54 ESTRUCTURA DEL OBJETO.............................................................................................................74.1 Descripción de la estructura...............................................................................................................74.2 Comportamiento de la estructura.......................................................................................................8
4.2.1 Manifestación de sinergia y recursividad..............................................................................84.2.2 Manifestación de entropía y neguentropía.............................................................................94.2.3 Relaciones..............................................................................................................................94.2.4 Efectos de la estructura........................................................................................................10
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..................................................................................106 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA.....................................................................................................11
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Variable Dependiente
Variable Independiente
GENERACIÓN EFICIENTE DE
ENERGÍA ELÉCTRICA CENTRAL HIDROELECTRICA
INGENIO
RECURSOS HIDROENERGÉTICOS
1 INTRODUCCIÓN
Al finalizar los estudios de la Maestría en Tecnología Energética auspiciado
por el CARELEC del Ministerio de Energía y Minas se debe concluir con la
sustentación de un trabajo de investigación como contribución al objetivo
de promover el desarrollo de los recursos energéticos, de manera racional,
eficiente y competitiva, en un contexto de descentralización, desarrollo
regional e inclusión social.
En ese sentido, el equipo de maestrandos que elegimos la línea de
investigación en Eficiencia Energética, evaluamos los temas de
investigación en los sistemas eléctricos que operan en el ámbito de
Electrocentro S.A.
Nuestro estudio se inició con la Identificación del problema, para lo cual se
realizó la exploración de un sistema eléctrico de Electrocentro, la misma
que está conformado por subsistemas de generación, transmisión,
distribución y utilización. Con la finalidad de delimitar el estudio se dirigió el
análisis al sistema de generación y específicamente a la central
hidroeléctrica de Ingenio, donde se evaluó sus diferentes componentes
susceptibles de ser intervenidos a fin de alcanzar la eficiencia de sus
funciones. La Caja Negra constituido por el objeto de estudio Central
Hidroeléctrica de Ingenio de 1.0 MW, tiene como entrada Recursos
Hidroenergéticos, y como salida Generación Eficiente de Energía Eléctrica.
Figura N° 1: Caja Negra del Grupo
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Como un segundo nivel de análisis se identificó sus elementos
constituyentes y sus funciones, luego se sintetizaron las funciones para
determinar los elementos esenciales y secundarios; así como sus
interacciones.
Figura N° 2: Caja Blanca del Grupo
Luego de analizar, evaluar y orientar los elementos consignados en la caja
blanca grupal, los elementos se configuran como nuevas Cajas Negras
que serán analizadas y evaluadas por cada investigador.
Uno de los elementos que se constituye en objeto de la caja negra, es el
conjunto Turbina Generador, que tiene como entrada energía cinética, y su
salida la energía eléctrica que es entregado al siguiente subsistema.
Luego se describe la estructura de la caja blanca a través de sus
componentes, así como su comportamiento a través de sus
manifestaciones de Sinergia, Recursividad, así como también las
manifestaciones de Entropía, Neguentropía y sus relaciones. Se describe
los efectos de la estructura sobre los resultados de cada elemento.
Finalmente se listan las conclusiones y recomendaciones y las respectivas
referencias bibliográficas.
Obras Civiles
Caudal Tubería de
Presión
Espacio Disponible
Turbina-Generador
Sistemas de
Control
Sistema de Transforma
ción X6
Sistemas de Protección X5
Generación Eficiente
de Energía Eléctrica
CENTRAL HIDROELÉCTRICA DE INGENIO
Obras Civiles X1
Conducto Forzado X2
Turbina-Generador
X4
Sistemas de Control X3
Recursos Hidroenergéticos
Disponibles
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2 IDENTIFICACIÓN DEL OBJETO
El objeto de estudio que será analizado y evaluado, está constituido por el
conjunto Turbina Generador (caja negra individual): el cual tiene como
entrada la energía cinética, y su salida la energía eléctrica que es
entregado al siguiente subsistema. En este sentido, la variable
independiente vendría a ser energía cinética proporcionado por el agua en
movimiento que proviene de la tubería forzada y como variable
dependiente, la energía eléctrica que sale hacia el sistema de
transformación y que es controlado por el disyuntor..
Figura N° 3: Caja Negra de Turbina Generador
3 FUNCIONES DEL OBJETO
En el proceso de identificación de problemas de ineficiencia en el grupo
Turbina Generador, se definen 5 elementos que se muestran en la Tabla
N° 1, las funciones de estos elementos se han sintetizado en la Tabla N° 2
la misma que permite ser visualizado para abordar el problema,
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Tabla N° 1 Identificación de elementos y sus funciones
ITEM ELEMENTOS FUNCIONES
1 Turbina
Máquina motora hidráulica, que aprovecha la energía del agua que pasa a través de ella para producir un movimiento de rotación que, transferido mediante un eje, mueve directamente una máquina o bien un generador.
2 GeneradorMaquina eléctrica que transforma la energía mecánica en energía eléctrica.
3 Excitatriz
Es la fuente de alimentación que controla el campo de un generador de corriente alterna. Básicamente al aumentar la tensión continua en el campo eléctrico, aumenta la tensión alterna de salida del generador.
4 CojineteEs la pieza o conjunto de ellas sobre las que se soporta y gira el eje transmisor de momento giratorio de la turbina y generador.
5 Disyuntor
Es un aparato capaz de interrumpir o abrir un circuito eléctrico cuando la intensidad de la corriente eléctrica que por él circula excede de un determinado valor o, en el que se ha producido un cortocircuito, con el objetivo de no causar daños a los equipos eléctricos.
La sintetización de funciones permite identificar los elementos principales y
secundarios, según el valor que aporta el elemento al sistema. En el presente
caso para identificar los elementos esenciales, realizamos las siguientes
preguntas:
• Turbina : ¿Es necesario mejorar o instalar una nueva turbina para
lograr mayor eficiencia en la generación de potencia mecánica con el
caudal existente y/o disponible? SI
• Generador: ¿Es necesario mejorar o instalar un nuevo generador para
lograr mayor eficiencia en la transformación de la energía mecánica en
energía eléctrica? SI
• Excitatriz: ¿Es necesario mejorar o instalar una nueva excitatriz para
lograr mayor eficiencia en la generación de energía eléctrica? NO
• Cojinete : ¿Es necesario mejorar o instalar un nuevo cojinete para
lograr mayor eficiencia en la generación de energía eléctrica? NO
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• Disyuntor: ¿Es necesario mejorar o instalar un nuevo disyuntor para
lograr mayor eficiencia en la generación de energía eléctrica? NO
Tabla N° 2 Sintetización de Funciones
ITEM ELEMENTOS PRIMARIO SECUNDARIO1 Turbina x2 Generador x3 Excitatriz x4 Cojinetes x5 Disyuntor x
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4 ESTRUCTURA DEL OBJETO
4.1 Descripción de la estructura
En la Caja Blanca se observa el proceso que transforma una entrada en
salida lo que nos permite saber cómo se efectúa esa transformación.
Cuando la transformación es demasiada compleja, se requiere aplicar
herramientas de diseño de procesos y del pensamiento sistémico.
Dentro de la caja blanca, lo que se observan son subprocesos. Cada
elemento o atributo de estos subprocesos, contiene una variable. Estas
variables se unen entre sí mediante interacciones formando un diagrama
causal.
En el conjunto Turbina Generador, tenemos como entrada la energía
cinética del agua que se encuentra al extremo de la tubería forzada. El
agua al ingresar a la turbina hace girar el rodete del mismo, produciendo
una potencia mecánica que a través de un eje, que es sostenido por los
cojinetes, mueve el rotor del generador.
El rotor del generador, que es un bobinado con núcleo de hierro, forma un
campo magnético por la tensión continua que le suministra la excitatriz y
que al girar dentro del estator del generador, produce tensión alterna que
es la energía eléctrica que va hacia el transformador y controlado por el
disyuntor que es el elemento que interrumpe el paso de la energía eléctrico
cuando no es necesario o con fines de proteger al sistema de generación
por causas de perturbaciones en la parte de consumo.
La relación entre los elementos según sus funciones (Caja Blanca), se
muestran en la Figura N° 4.
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Figura N° 4: Caja Blanca de Turbina Generador
4.2 Comportamiento de la estructura
4.2.1 Manifestación de sinergia y recursividad
Los componentes de la estructura turbina, generador, excitatriz y cojinetes
brindan como resultado del trabajo combinado, un producto de alto valor
como es la energía eléctrica, lo que no sería posible obtenerlo si operan
individualmente. A este efecto lo denominamos sinergia.
Por otro lado, la manifestación de recursividad en el conjunto turbina
generador es que transforma la energía cinética en energía eléctrica al
igual que el sistema de generación de la Central hidroeléctrica cuyo fin es
transformar la energía del agua en energía eléctrica.
4.2.2 Manifestación de entropía y neguentropía
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Las turbinas al ser elementos mecánicos que trabajan por el impulso de la
fuerza del agua, tiene restricciones intrínsecas que no le permiten
convertir toda la energía potencial del agua, perdiéndose por el
rendimiento constructivo de la turbina y por el rozamiento que se produce
en los cojinetes la cual opera a un nivel de temperatura que debe ser
tolerable, lo cual podemos denominar entropía de la turbina. De igual
manera en el generador se produce calor por la resistencia de los
conductores de las bobinas y del entrehierro de los núcleos, lo cual no es
aprovechado.
En tal sentido, a fin de reducir las pérdidas por los efectos de la entropía
de estos elementos es necesario aplicar soluciones como la circulación de
un lubricante entre los cojinetes y el eje lo que reduce los efectos del
rozamiento, o la operación adecuada del sistema eléctrico en forma
balanceada y libre de perturbaciones como armónicos y corrientes
parasitas o reactivas que producen efectos secundarios en el generador.
Estas soluciones aplicadas aumentan la neguentropía del sistema.
4.2.3 Relaciones
La operación de la turbina hidráulica influye en el generador, en una
relación causal positiva transmitiéndole energía mecánica para que esta
produzca. A mayor energía mecánica, se producirá mayor cantidad de
energía eléctrica.
El generador depende de la energía que proporciona la turbina por lo que
se da una relación simbiótica unipolar, ya que si deja de funcionar la
turbina, el generador no podrá generar energía eléctrica.
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El trabajo combinado de la turbina, los cojinetes y el generador es una
relación sinérgica, siendo el producto la energía eléctrica de un alto
valor que no sería posible producir por la acción de cada uno de los
elementos en forma individual.
Entre los elementos de generador y disyuntor existe una relación superflua, por cuanto este último elemento lo que permite es dar
confiabilidad a la parte eléctrica del sistema al proteger contra sobre
cargas y perturbaciones en la parte de utilización.
4.2.4 Efectos de la estructura
La estructura de los elementos del conjunto Turbina Generador y los
elementos secundarios, finalmente entregan la energía eléctrica al resto
del sistema de la CH Ingenio y permite la entrega de la energía al sistema
de utilización en las condiciones de calidad y cantidad requerida.
Toda modificación que se realice en los elementos del subsistema
Turbina Generador, para incrementar la eficiencia, reviste capital
importancia y es determinante para lograr la mayor eficiencia del sistema
de la Central Hidroeléctrica de Ingenio.
5 CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1 El objeto de estudio que será analizado y evaluado, está constituido por
el conjunto Turbina Generador (caja negra individual): el cual tiene como
entrada la energía cinética, y su salida la energía eléctrica la cual es
entregado al siguiente subsistema. .
5.2 En el proceso de identificación de problemas de ineficiencia en el grupo
Turbina Generador, se definen 5 elementos que son: la turbina, el
generador, la excitatriz, los cojinetes y el disyuntor.
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5.3 Los componentes de la estructura turbina, generador, excitatriz y cojinetes
tienen una relación de sinergia para producir energía eléctrica, lo que no
sería posible obtener si operan individualmente. De igual modo existe una
relación simbiótica unipolar entre la turbina y el generador.
5.4 Por otro lado, la recursividad se manifiesta en el conjunto turbina
generador al cumplir una función similar al de la central hidroeléctrica que
es convertir la energía potencial del agua en energía eléctrica
5.5 La entropía se manifiesta en el subsistema turbina generador en el calor
generado por el rozamiento del eje en los cojinetes, así como en el calor
producido en los conductores del bobinado, en el entrehierro y las
perturbaciones eléctricas que se producen en el generador. Asimismo es
posible aumentar la neguentropia utilizando lubricantes y con una
operación adecuada del sistema eléctrico
5.6 El conjunto turbina generador puede ser evaluado como un sistema y por
tanto ser sujeto de investigación con el objeto de incrementar la eficiencia
de la central hidroeléctrica Ingenio
5.7 Es recomendable se realice la investigación del objeto turbina generador
de la central hidroeléctrica Ingenio para determinar los aspectos
susceptibles de ser mejorado y contribuir a la eficiencia energética de
dicha central.
6 REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
Espinoza Montes, Ciro. Metodología de investigación tecnológica.
Pensando en sistemas. Huancayo, Perú: Imagen Gráfica, marzo de 2010
Cox, Federico y otros, Manual de Mini y Microcentrales Hidráulicas, Una
guía para el desarrollo de proyectos. ITDG, Lima, Peru, febrero 1996.
Fernandez Diez, Pedro, Turbinas Hidraulicas, http://libros.redsauce.net/
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Hermann-Josef Wagner, Jyotirmay Mathur. Introduction to Hydro Energy
Systems, Basics, Technology and Operation, Springer-Verlag Berlin
Heidelberg 2011.
Streeter, Victor L., Wylie E. Benjamin.,Bedford, Keith W. Mecánica de
Fluidos, novena edición, Mc Graw-Hill, Santa Fe de Bogotá Colombia 1998.
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