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PROYECTO DE UNA
CENTRAL HIDROELECTRICA
EN LA LOCALIDAD DE
“PUCARA”
1.- INTRODUCCIONUBICACIÓN 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).
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
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
0 5 10 15 20
PERIODOS 2013 2018 2023 2028 2033
Tasa de crecimiento 0,099Población 2578 2591 2604 2617 2630Habitantes por Vivienda 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00Nro. de Viviendas 516 518 521 523 526Factor de Cobertura 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70Usuarios conectados 257,84 285,05 312,52 340,24 368,23Consumo Unitario [Kwh/mes] 50,00 50,00 60,00 70,00 70,00
En. Consumida (Residencial) [MWh/año] 154,70 171,03 225,01 285,80 309,31Categoría General 10,83 11,97 15,75 20,01 21,65Alumbrado Publico 12,38 13,68 18,00 22,86 24,74Consumo Total Anual [MWh] 177,91 196,68 258,76 328,67 355,71Perdida 15,47 17,10 22,50 28,58 30,93Factor de Carga 0,25 0,27 0,28 0,30 0,31Total Energía Consumida 193,38 213,79 281,26 357,25 386,64Potencia Máxima [MW] 0,08 0,08 0,11 0,13 0,13Potencia Máxima[KW] 81,24 84,73 105,50 127,19 130,99
3.2 CURVAS DE CARGA AÑO 0
HORA POTENCIA
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CURVA DE CARGA PARA EL 2013 (AÑO 0 )
AÑO 10HORA POTENCIA
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19:00 105
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CURVA DE CARGA PARA EL 2023 (AÑO 10)
AÑO 20HORA POTENCIA
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3:00 20
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6:00 20
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8:00 31,3
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10:00 31,3
11:00 31,3
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13:00 31,3
14:00 31,3
15:00 31,3
16:00 31,3
17:00 31,3
18:00 31,3
19:00 131
20:00 131
21:00 31,3
22:00 20
23:00 20
0:00 20
23:00 33
0
20
40
60
80
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120
140
CURVA DE CARGA PARA EL AÑO 2033(AÑO 20)
4. CALCULO DE LA POTENCIA NOMINAL DEL PROYECTO
X Y
TIEMPO CAUDAL
(%) (m3/s)
0 4,950
5 2,175
10 0,930
15 0,465
20 0,330
25 0,264
30 0,252
35 0,251
40 0,249
45 0,248
50 0,246
55 0,245
60 0,243
65 0,240
70 0,239
75 0,239
80 0,237
85 0,236
90 0,234
95 0,230
100 0,222
Calculo del caudal útil
QUTIL=QMIN-(5%*QMIN)QUTIL=0.222-(0.05*0.222)=0.211 m3segSe toma el caudal mínimo para asegurar una
continuidad del caudal todo el año.
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
CALCULO DE LA POTENCIA NOMINAL DEL
PROYECTO
PPROYECTO = 9.81* QUTIL* HUTIL* N
PPROYECTO = 9.81*0,2109*94*0,77
PPROYECTO = 149 kW
4.3.-UBICACION DE LAS OBRAS EN LA
CARTA GEOGRÁFICA
Considerando una pendiente para el canal de: 1/1000
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
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
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 G=0,2m
J=0,5m
K=0,4m
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
Vista en Planta
Sección (A-A)
Sección (B-B)
De la tabla Nº 4-2
Dimensiones Standard para este tipo de BocatomaProfundidad del agua en la compuerta Do 0,52m
Ancho del canal a la entrada de la compuerta de regulación Bo 0,68m
Altura del canal a la entrada de la compuerta de regulación Ho 0,62m
Ancho de la compuerta de regulación Gb 0,76m
Altura de la compuerta de regulación Gr 0,76m
Altura del marco de la compuerta A 0,90m
Ancho del marco de la compuerta B 1,04m
Espesor del marco de la compuerta C 0,58m
Ancho de la pasarela de maniobra de la compuerta P -
Ancho de la pasarela de la maniobra de la rejilla W 0,70m
Espesor de la losa de maniobra de la rejilla t 0,14m
Proyección vertical de la altura de la rejilla E 0,76m
Ancho de la rejilla F 1,05m
Longitud de la rejilla l 0,89m
Dimensiones de la sección de las barras de la rejillas en (mm) t*b 3,2x35m
Distancias de ejes de las barras de las rejillas en (mm) P 22m
Ancho del canal de rebose S 1,10m
Tirante mínimo de agua en el canal de rebosadero d1 0,42m
Tirante de agua máximo en el canal de rebosadero d2 0,57m
Longitud del rebosadero L 0,7
Longitud del desarenador O 1,56m
Ancho de la canaleta de desarenación J 0,56m
Tirante de agua máximo de la canaleta de desarenación h1 1,26m
Tirante de agua mínimo de la canaleta de desarenación h2 1m
Dimensiones de la compuerta de desarenación ( K * K) K 0,37m
Ancho de la compuerta de des arenación en el barraje M 0,80m
Profundidad de la compuerta de desarenación en el barraje Q 0,84m
Longitud del aliviadero de regulación N 2,00m
Altura del agua en el aliviadero de regulación U 0.36m
Velocidad del agua en el lugar de la desarenación V 0,182m/sg
Velocidad del agua en la rejilla Vs 0.429m/sg
Velocidad del agua en la compuerta Vg 0.566m/sg
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.
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
5.4.- CANAL
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
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:
Área: A= 1.4*a^2=0.253 m2
Perímetro :S= 3.4*a=1.445 m
R= A/S= 0.175 m
5.5 CAMARA DE CARGAConsiste 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:
Diámetro de tubo de presión 0.385m Dp
Carga de agua en el eje del tubo de presión a la salida 0.95m A
Ancho de la cámara de carga 0.80m Bo
Tirante máximo de la cámara de carga 1.15m E
Borde libre 0.25m F
Profundidad máxima 1.40m M
Longitud de aliviadero 3.50m J
Espesor de la lamina de agua sobre el vertedero 0.11m O
Tirante de agua a la entrada del canal de desarenaciòn 1.10m H
Sobre elevación para impedir la entrada de arena al tubo de presòn
0.58m
P
Tirante máximo del canal de desarenacion 1.30m h
Ancho máximo del canal de desaneración 0.48m S
Dimensiones de la compuerta de desarenacion (g x g) 0.25m g
Tirante de agua a la entrada de la compuerta de control 0,52m C
Distancia entre el canal de mat. Flotante y la compuerta 1.18m G
Altura de la compuerta 0.77m G
Ancho de la compuerta 0.90m Gb
Altura del marco de la compuerta 0.65m T
Ancho del marco de la compuerta 1.28m Bg
Espesor de las paredes del marco de la compuerta 0.24m U
Ancho de las paredes del marco de las compuertas 0.36m R
Ancho de la pasarela de maniobra de la rejilla - N
Ancho del canal de limpia de material flotante 0.31m K
Profundidad del canal de limpia del material flotante 0.32m Q
Ancho de la pasarela de maniobra de la rejilla 0.18m V
Distancia del canal de mat. Flotante al borde de la rejilla 0.11m I
Proyeccion horizontal de la longitud de la rejilla 0.44m L
Longitud de la rejilla 0.74m l
Dimensiones de las barras de las rejillas (m.m.) 32*30m t*b
Espaciamiento de las barras de las rejillas 16mm m/m
Velocidad del agua al final del desarenador 0.228m/sg V
Velocidad del agua en la compuerta de control 0.432m/sg Vg
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
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)
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.
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
b) Velocidad del Agua en la Tubería
c) Espesor de la tuberíaTabla 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.
021,0h
seg
m0.566 v;
g2
v1.3 h
1
2
1
m
mm
0014,0h
: tantolopor
0.429; (m/s) rejilla la de antes agua del velocidadv
;60º horizontal la a respecto rejilla la den inclinació
22mm; barras las de ejes entre distanciab
3.2 barras las deespesor t
fierro de cuadradas barras de caso ; 34.2
; 2g
v sen
b
t h
2
24/3
2
1.- pérdidas en bocatoma h1
2.- pérdida en la rejilla de la bocatoma h2
0.0223m h
0.85(m/s) (m/s) canal elen agua del velocidad v
0.566(m/s)(m/s) canal del antes agua del velocidadv
2g
v- v
2g
v0.05 h
3
2
1
2
1
2
2
2
23
0.0005m h
(m/s) 0.228rdesarenado del términoal agua del velocidadv
v0.01 2g
v0.2 h
4
22
4
3.- pérdida de entrada en el canal: h3
CALCULO DE PERDIDAS DE ALTURA
4.- pérdidas en el desarenador: h4
m 1.08 h
650; canal del longitud L
1/600canal del pendiente I
L I h
5
o
o5
)4
31(l x L h 06
r
b
5.- Pérdida por pendiente del canal: h5
6.- pérdidas por curvas del canal: h6
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
m
m
1,1h
255.0h
7
7
m
smv
v
007,0h
/625,0
018.0h
8
2
8
m 0,005 h
(m/s) 1presión de tuberíala de entrada la de después velocidadv
v0.005 h
9
2
9
7.- Perdidas de sifón: h7
8.- pérdida en la rejilla de la cámara de carga: h8
9.- pérdida en la entrada de la tubería de presión: h9
m6.2h10
m 5.26 h
h hhhhhhhh h 10987654321 h
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
Calculo de perdida total
10.- Cálculo de la altura neta:
H =81.15 m + 5.26 m = 86.41 m
7. TURBINAS7.1 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
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.
7.2 ESPECIFICACIONES
TECNICAS DE LAS TURBINAS
CARACTERISTICAS UNIDAD 1 UNIDAD 2 UNIDAD 3 UNIDAD 4 ( reserva)
Marca VORTH VORTH VORTH VORTH
Velocidad 1000 rpm 1000 rpm 1000 rpm 1000 rpm
Turbina PELTON PELTON PELTON PELTON
Potencia 50 kW 50 kW 50 kW 50 kW
8.- GENERADORES8.1.-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
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:
P = 44*3 = 132 kW
8.2 ESPECIFICACIONES DE LOS
GENERADORES
MARCA : WEG Tipo de Generador: Síncrono
MODELO: GPA 201 AIH Frecuencia: 50 Hz
Capacidad del Generador : 50 kW Tipo de salida: C.A. Trifásica
Velocidad: 1000 rpm Numero de Polos: 6
Voltaje clasificado : 110V/220V 110/380V
220V/380V 220/440V
Corriente Nominal de Operación : 7A – 10A
Corriente de Pico: 10A – 16A
Excitación con PMG: Excitatriz con Imanes
Permanentes
Clase de Aislamiento: H
Grado de Protección: IP 21 Certificado: IEC ,ISO
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
8.4 DIAGRAMA UNIFILAR
9.- DIAGRAMA DE BLOQUES DE LA
CENTRAL
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.
11.- CUADROS RESUMEN DEL
PROYECTOOBRAS CIVILES Y TUBERIA
msnm Largo Ancho Alto Pend. Veloc. Diám. Espesor Volumen
M m m m/m m/s m mm m3
OBRA DE DERIVACION 1900 6,4 3 2
OBRA DE TOMA 1899.5 0,66 0,76 0,566
DESARENADOR 1899 8,2 1,71 1,34 0,228
CANAL 1899-1898 650 0,595 0,425 1/600 0,85
CAMARA DE CARGA 1898 3,4 0,81 1,16 0,63 3,2
TUBERIA FORZADA (PENSTOCK) 173,3 1,5 0,385 6,6
CASA DE MAQUINAS 1811,6 7,5 6
DATOS DE OPERACIÓN DE LA CENTRAL
Potencia nominal (KW) 150
Caudal nominal (m3/s) 0,211
Caída bruta (m) 86,41
Caída neta (m) 81,15
Demanda año 0 (KW) 81,24
Demanda año 20 (KW) 130,9
Consumo año 0 (MWh) 193,38
Consumo año 20 (MWh) 386,64
Tipos de turbinas pelton
RPM turbinas 1000
Cantidad de unidades 3
Factor de carga, año 0 0,25
Nq 9,79
DATOS GENERADORES
Potencia nominal (kW) 150
Factor de potencia (cosfi) 0,8
Tensión nominal (V) 380
Clase de aislación, bobinas estator H
RPM rotor 1000
N° Pares de polos 3
Tipo de excitación excitatriz
AC
Tensión nominal excitación (V)
