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FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA,
ELECTRICA, ELECTRONICA Y MINAS
CARRERA PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA
ASIGNATURA : TURBOMAQUINAS IIDOCENTE : ING. SAMANIEGO PEREZ Jos
Carlos.ALUMNOS : QUILLA CJUNO RalCODIGO : 073206-jSEMESTRE : 2012-1
CUSCO-PERU
2012
DISEO DE UNA MINICENTRAL
HIDROELECTRICA
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Diseo de una minicentral hidroelctrica UNSAAC
Ingeniera Mecnica 1
INDICE
CAPITULO I
Objetivo general.
CAPITULO II
Objetivos especficos.
CAPITULO III
Hidrologa.
CAPITULO IV
Topografa. CAPITULO V
Caractersticas de la energa elctrica.
CAPITULO VI
Tipos de minicentrales.
CAPITULO VII
Diseo de aprovechamiento.
CAPITULO VIII Obras civiles.
CAPITULO IX
Equipamiento electromecnico.
CAPITULO X
Factores econmicos.
CAPITULO XI
Factores ambientales. CAPITULO XII
Conclusiones y recomendaciones.
CAPITULO XIII
Referencias bibliogrficas.
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CAPITULO I
OBJETIVO GENERAL.
Disearemos un perfil proyecto mecnico hidrulico y automatizacin deuna PCH, basado en parmetros existentes como son: Altura, Caudal y
Potencia. Para su respectivo diseo, seleccin y automatizacin de
equipos.
Minicentral hidroelctrica de Pampamarca
CAPITULO II
OBJETIVOS ESPECIFICOS.
Determinar el tipo de grupo hidroelctrico, su diseo, viabilidad
tcnica, econmica y ambiental para el desarrollo de pequeas
centrales hidroelctricas.
Lograr el mximo rendimiento de un grupo hidroelctrico ya que
tendr incidencia en la rentabilidad de la generacin.
Concientizar y difundir la construccin de PCH ya que son menos
contaminantes y no generan impacto ecolgico y ambiental.
CAPITULO III
HIDROLOGIA.
La cuenca Alta del ro Vilcanota se encuentra ubicada entre las
coordenadas UTM WGS84 Norte 8380388 a 8440036 y UTM WGS84
Este 234255 a 2288616, polticamente se ubica en el departamento de
Cusco, provincias de Canchis, Acomayo y Canas, distritos de Layo,
Langui, Marangan, Sicuani, San Pablo, San Pedro, Tinta, Combapata,
Mosocllacta, Pampamarca, Tungasuca, Yanaoca.
La cuenca Alta del ro Vilcanota abarca 1,593.5 Km., y representa el
7.4% de la cuenca Vilcanota de cdigo 49949 con 21,524.5 Km..
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La cuenca es de forma rectangular alargada con caractersticas
geomorfolgicas definidas por la existencia de abundantes lagunas y
deshielos que garantizan un caudal constante durante el ao.
RECURSOS NATURALES
o Precipitacin Promedio : 755.9 mm/ao
o pocas de lluvia : Empieza en enero y concluye en abril, la
mayor precipitacin es en enero.
o poca de esto : Empieza en mayo y concluye en setiembre
o Temperatura Promedio : Promedio Anual 10.6 CMxima 12.6 C.
o Humedad Relativa : Media Anual 58%
o Evaporacin de la laguna : 66.164 m3/da en julio.
La Cuenca alta del ro Vilcanota tiene 90 lagunas altoandinas, una de las
ms grandes e importante es la Laguna de Pampamarca, que se ubica
en la provincia de Canas, en el distrito Pampamarca,La laguna tiene un efecto termorregulador, atena el clima severo del
piso quechua alto y configura el paisaje de la subcuenta de
Pampamarca, caracteriza esta zona la presencia de totora en el borde
de la laguna y de los rboles y arbustos en los cerros circundantes.
El agua es potencialmente pesquera, por el alto contenido de zoo y
fitoplancton en sus aguas, que permite la vida del pejerrey y variada
fauna acutica.
El rea de espejo de agua es de 2,050 hectreas, y por incidencia
directa del sol, evapora (humedad en el aire) 2,000 litros por segundo
(lts./seg),
En la temporada de lluvias es un gran afluente del Ro Vilcanota, por el
Ro Cebadapata descarga caudales que varan de 4.00 a 10.00 m3/seg.
En la temporada de esto la descarga se reduce considerablemente
hasta un mnimo de 50 lts./seg.
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La humedad presente en el aire, permite el crecimiento de maz en este
piso ecolgico, pero en poca escala, adems de los cultivos
tradicionales de la zona como la papa, haba, cebada, trigo y otros.
CAPITULO IV
TOPOGRAFIA.
En la zona homognea de pampa, las tierras se caracterizan por ser
profundas, fertilidad media, aptas para cultivos, con presencia de
heladas a excepcin de bofedales que estn al borde de las lagunas.
En la zona homognea de ladera, las tierras son superficiales, defertilidad baja, con aptitud de pastizal natural y pequeas reas de
forestacin (quebradas). Los diferentes tipos y grados de erosin estn
en esta zona.
DATOS GEOGRAFICOS.
UBICACIN
DEPARTAMENTO : CUSCO
PROVINCIA : CANAS
DISTRITO : PAMPAMARCA
COORDENADAS : 1406'45.35" S 7127'14.51" O
ELEVACION : 3801 MSNM
CAPITULO V
CARACTERISTICAS DE LA ENERGIA ELECTRICA.
La superficie terrestre est cubierta en un 71% de agua. La energa
hidroelctrica proviene indirectamente de la energa del sol, responsable
del ciclo hidrolgico natural. La radiacin que procede de las fusiones
nucleares que se producen en el sol calienta la superficie terrestre, ros,
lagos y ocanos, provocando la evaporacin del agua. El aire caliente
transporta el agua evaporada en forma de nubes y niebla a distintos
puntos del planeta, donde cae nuevamente en forma de lluvia y nieve.
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Una parte de la energa solar permanece almacenada en el agua de los
ros, los lagos y los glaciares.
Las centrales y minicentrales hidroelctricas transforman esa energa en
electricidad, aprovechando la diferencia de desnivel existente entre dos
puntos. La energa se transforma primero en energa mecnica en la
turbina hidrulica, sta activa el generador, que transforma en un
segundo paso la energa mecnica en energa elctrica.
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CAPITULO VI
TIPOS DE MINICENTRALES.
Las centrales hidroelctricas, y dentro de ellas las minicentrales
hidroelctricas, estn muy condicionadas por las peculiaridades y
caractersticas que presente el lugar donde vayan a ser ubicadas.
Cuando se vaya a poner en marcha una instalacin de este tipo hay que
tener en cuenta que la topografa del terreno va a influir tanto en la obra
civil como en la seleccin de la maquinaria.
Segn el emplazamiento de la central hidroelctrica se realiza lasiguiente clasificacin general:
Centrales d e agua f luyente :Captan una parte del caudal del
ro, lo trasladan hacia la central y una vez utilizado, se devuelve al
ro.
Centrales de pie de presa :Se sitan debajo de los embalses
destinados a usos hidroelctricos o a otros usos, aprovechando el
desnivel creado por la propia presa. Centrales en canal de riego o de abastecimiento.
En este caso nosotros hablaremos de las centrales de agua fluyentes
por ser el tipo de minicentral que disearemos.
CENTRALES DE AGUA FLUYENTE
Es aquel aprovechamiento en el que se desva parte del agua del ro
mediante una toma, y a travs de canales o conducciones se lleva hasta
la central donde ser turbinada. Una vez obtenida la energa elctrica el
agua desviada es devuelta nuevamente al cauce del ro.
Dependiendo del emplazamiento donde se site la central ser
necesaria la construccin de todos o slo algunos de los siguientes
elementos:
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Azud.
Toma.
Canal de derivacin.
Cmara de carga.
Tubera forzada.
Edificio central y equipamiento electro-mecnico.
Canal de descarga.
Subestacin y lnea elctrica.
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Dentro de este grupo hay diversas formas de realizar el proceso de
generacin de energa. La caracterstica comn a todas las centrales de
agua fluyente es que dependen directamente de la hidrologa, ya que no
tienen capacidad de regulacin del caudal turbinado y ste es muy
variable. Estas centrales cuentan con un salto til prcticamente
constante y su potencia depende directamente del caudal que pasa por
el ro.
En algunos casos se construye una pequea presa en la toma de agua
para elevar el plano de sta y facilitar su entrada al canal o tubera dederivacin. El agua desviada se conduce hasta la cmara de carga, de
donde sale la tubera forzada por la que pasa el agua para ser turbina-da
en el punto ms bajo de la central.
Para que las prdidas de carga sean pequeas y poder mantener la
altura hidrulica, los conductos por los que circula el agua desviada se
construyen con pequea pendiente, provocando que la velocidad decirculacin del agua sea baja, puesto que la prdida de carga es
proporcional al cuadrado de la velocidad. Esto implica que en algunos
casos, dependiendo de la orografa, la mejor solucin sea optar por
construir un tnel, acortando el recorrido horizontal.
CAPITULO VII
DISEO DE APROVECHAMIENTO.
La potencia de una central hidroelctrica es proporcional a la altura del
salto y al caudal turbinado, por lo que es muy importante determinar
correctamente estas variables para el diseo de las instalaciones y el
dimensionamiento de los equipos.
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Determinacin del caudal de aprovechamiento.
Es fundamental la eleccin de un caudal de diseo adecuado
para definir el equipamiento a instalar, de forma que la energa
producida sea la mxima posible en funcin de la hidrologa. Por
tanto, el conocimiento del rgimen de caudales del ro en la zona
prxima a la toma de agua es imprescindible para la
determinacin del caudal de diseo del aprovechamiento.
La medicin de los caudales del ro se realiza en las estaciones
de aforo, donde se registran los caudales instantneos quecirculan por el tramo del ro donde est ubicada la estacin y a
partir de estos se determinan los caudales mximos, medios y
mnimos diarios correspondientes a un gran nmero de aos, con
los que se elaboran series temporales agrupadas por aos
hidrolgicos.
En este caso obtuvimos el caudal a partir de una publicacin del:INSTITUTO DE MANEJO DE AGUA Y MEDIO AMB IENTE (IMA)
ING. CARLOS SALAZAR HERRERA
Caudal:
En tiempo de lluvia ser de 4 a 10 m3/s
En tiempo de esto ser de 0.050 m3/s
- El caudal que usaremos en tiempo de lluvia ser de 4 m3/s del
cual tendremos que restarle el caudal ecolgico que es el 10%
del total y ser aproximadamente 0.4 m3/s de tal manera que
el caudal quedara reducido a 3.6 m3/s.
- El caudal que usaremos en tiempo de estiaje ser de
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0.05 m3/s del cual tendremos que restarle el caudal ecolgico
que es el 10% del total y ser aproximadamente 0.005 m3/s
de tal manera que el caudal quedara reducido a 0.045 m3/s.
Determinacin del salto neto.
El salto es la otra magnitud fundamental para el diseo de una
minicentral hidroelctrica. Deber ser el mximo permitido por la
topografa del terreno, teniendo en cuenta los lmites que marcan
la afeccin al medio ambiente y la viabilidad econmica de la
inversin.
Estos datos los obtuvimos con la ayuda del goo gle eartha
travs de las curvas de nivel obtenidas.
Salto bruto (Hb):Altura existente entre el punto de la
toma de agua desde la captacin del agua y el punto de
descarga del caudal turbinado al ro.
En este caso ser de 186 m.
Salto til (Hu ):Desnivel existente entre la superficie
libre del agua en la cmara de carga y el nivel de
desage en la turbina.
En este caso ser de 182 m.
Prd id as de carga (Hp ):Son las prdidas por friccindel agua contra las paredes del canal y sobre todo en la
tubera forzada, ms las prdidas ocasionadas por
turbulencia, al cambiar de direccin el flujo, al pasar a
travs de una rejilla o de una vlvula, etc. Se miden
como prdidas de presin (o altura de salto) y se
calculan mediante frmulas derivadas de la dinmica de
fluidos.
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Se puede suponer que las prdidas de carga son del
orden del 5% al 10% del salto bruto.
Tomaremos un valor del 7.5% resultando asi las
perdidas un valor de 14 m.
Salto neto (Hn):Es la diferencia entre el salto til y las
prdidas de carga producidas a lo largo de todas las
conducciones. Representa la mxima energa que se
podr transformar en trabajo en el eje de la turbina.
En este caso resulta 168 m.
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Potencia a instalar.
La minicentral hidroelctrica cuenta con una potencia disponible
que vara en funcin del caudal de agua disponible para ser
turbinado y el salto existente en cada instante.
La expresin que nos proporciona la potencia instalada es la
siguiente: P = Potencia en kW
Q = Caudal de equipamiento en m3/s
Hn = Salto neto existente en metros
= Factor de eficiencia de la central, que es igual alproducto de los rendimientos de los diferentes equipos
que intervienen en la produccin de la energa:
= Rt * Rg * RsRt = Rendimiento de la turbina
Rg = Rendimiento del generadorRs = Rendimiento del transformador de salida
El rendimiento de la maquinaria vara, pero a efectos de una
primera aproximacin, se puede tomar como factor de eficiencia
para una minicentral hidroelctrica moderna el valor de 0,85.
o La potencia en tiempo de lluvia ser:
o La potencia en tiempo de estiaje ser:
CAPITULO VIII
OBRAS CIVILES.
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CAPITULO IX
EQUIPAMIENTO ELECTROMECANICO.
Turbinas hidrulicas.
Aprovecha la energa cintica y potencial que contiene el agua,
transformndola en un movimiento de rotacin, que transferido mediante
un eje al generador produce energa elctrica. Las turbinas hidrulicas
se clasifican en dos grupos:
Turbinas d e accin:Son aquellas que aprovechan nicamentela velocidad del flujo de agua para hacerlas girar. En una turbina
de accin la presin del agua se convierte primero en energa
cintica.
o Pelton:Esta turbina se emplea en saltos elevados que
tienen poco caudal.
o Banki-Michel l : Turbina de flujo cruzado, tambin
conocida como de doble impulsin. Est constituida porun inyector de seccin rectangular provisto de un labe
longitudinal que regula y orienta el caudal que entra en
la turbina, y un rodete de forma cilndrica, con sus
mltiples palas dispuestas como generatrices y
soldadas por los extremos a discos terminales.
Turbinas d e reaccin:Este tipo de turbinas cuentan con un
diseo de rotor que permite aprovechar la presin que an le
queda al agua a su entrada para convertirla en energa cintica.
Esto hace que el agua al salir del rotor tenga una presin por
debajo de la atmosfrica.
o Francis:Esta turbina se adapta muy bien a todo tipo
de saltos y caudales, y cuenta con un rango de
utilizacin muy grande. Se caracteriza por recibir el
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fluido de agua en direccin radial, y a medida que sta
recorre la mquina hacia la salida se convierte en
direccin axial.
o Tur bi nas Hlic e, Semik aplan y K apl an: Las
instalaciones con turbina hlice se componen
bsicamente de una cmara de entrada abierta o
cerrada, un distribuidor fijo, un rodete con 4 5 palas
fijas en forma de hlice de barco y un tubo de
aspiracin.
SELECCIN DE LA TURBINA.Seleccionaremos de acuerdo al siguiente grafico usando los
caudales y el respectivo salto neto
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Las dos turbinas sern del tipo PELTON.
DIMENSIONAMIENTO DE LAS TURBINAS.
Las dimensiones principales dela turbina son las que se muestran
en la figura.
- Turbina Pelton de Velocidad del chorro a la salida del inyector.
Siendo Perdidas en el inyector asumimos un valor de 0.97
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Dimetro del chorro.
- La longitud total de este rio hasta su confluencia con el rio Vilcanota es
de 4.20 km
- El trayecto de diseo ser desde el kilometro 0.904 hasta el kilometro
2.5
- Nuestra longitud de diseo ser de 1596 metros
- Nuestro salto o cada ser : 229m
- Caudal
En tiempo de lluvia ser de 4 10 m3/s
En tiempo de estio ser de 0.025 m3/s
Todos estos datos fueron obtenidos de la respectiva curva de nivel del sistema
hidrogrfico que a continuacin veremos.
SELECCIN DE LA TURBINA
La seleccionamos segn a la siguiente tabla con el caudal y la respectiva altura
De la cual elegimos una turbina PELTON
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HALLAMOS EL POTENCIAL HIDROELECTRICO
Lo hallamos de la siguiente manera: