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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD

PROYECTO DE MINICENTRAL HIDROELECTRICA INCACHACA

U M S S

Estudiantes: ALANOCA CORDOVA JULIO CARACARA VILLCA EDILBERTO RODRIGUEZ PEREDO MAURICIO

Docente:

ING. ROJAS ZURITA RAMIRO Asignatura: CENTRALES HIDRÁULICAS Carrera: INGENIERÍA ELÉCTRICA

COCHABAMBA – BOLIVIA

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U M S S

CONTENIDO

1.- RESUMEN EJECUTIVO 1.1.- UBICACIÓN……………………………………………………………………………………………………………………………………5 1.2.- OBJETIVO GENERAL Y ESPECIFICOS……………………………………………………………………………………………….6 1.3.- JUSTIFICACION DEL PROYECTO……………………………………………………………………………………………………..6 1.4.- COMPONENTES…………………………………………………………………………………………………………………………….6 1.5.- CONCLUCIONES…………………………………………………………………………………………………………………………….6 2.- MEMORIA DESCRIPTIVA 2.1.-AREA DE ESTUDIO…………………………………………………………………………………………………………………………8 2.2.- UBICACIÓN…………………………………………………………………………………………………………………………………..8 2.3.- POTENCIA Y ENERGIA……………………………………………………………………………………………………………………9 2.4.- COMPONENTES DE DERIVACION………………………………………………………………………………………………….10 2.5.- TUBERIA FORZADA……………………………………………………………………………………………………………………..13 2.6.- TURBINA…………………………………………………………………………………………………………………………………….14 2.7.- GENERADOR……………………………………………………………………………………………………………………………….15 3.- MEMORIA DE CALCULOS……………………………………………………………………….… 19 3.1- POTENCIAL HIDRO – ENERGETICO CALCULADO………………………………………………………………………………………….25 3.1.2.- ENERGIA CALCULADA………………………………………………………………………………………………………………………26 3.2.- CONCEPTOS DE POTENCIA Y ENERGIA………………………………………………..….26 3.2.1- POTENCIA INSTALADA……………………………………………………………………………………………………………………..26 3.2.2- POTENCIA EFECTIVA………………………………………………………………………………………………………………….....…26 3.2.3- POTENCIA FIRME………………………………………………………………………………………………………………………..……26 3.2.4- POTENCIA MEDIA (Pm)………………………………………………………………………………….…………………………………27 3.2.5- FACTOR DE PLANTA…………………………………………………………………………………………………..….…………………27 3.2.6- HORAS DE UTILIZACION…………………………………………………………………………………………………………………..27 3.2.7- FACTOR DE CARGA………………………………………………………………………………………………………………………....27 3.3.-CALCULOS DE LAS OBRAS CIVILES……………………………………………..………..27 3.3.1CALCULO DE LA BOCATOMA……………………………………………………………………………………………………......28 3.3.2.-CALCULO DEL DESARENADOR………………………………………………………………………………………………………30 3.3.3.-CALCULO DE VERTEDERO………………………………………………………………………………………………………….....31 3.3.4.- CALCULO DE CANAL…………………………………………………………………………………………………….……………....32 3.3.5.-CALCULO DE CAMARA DE CARGA…………………………………………………………………………………………….…...35 3.3.6.-CALCULO PARA LA CAPACIDAD DEL TANQUE………………………………………………………………………………...36 3.4.-TUBERIA DE PRESION………………………………………………………………………………………………………………………..……..36 3.4.1.-CALCULO DE LA TUBERIA DE PRESION………………………………………………………………………………..…….…..36 3.4.2.-DISEÑO ÓPTIMO DE UNA TUBERIA DE PRESION ………………………………………………………………….……...37 3.4.3.- CALCULO DE COSTO DE PERDIDAS………………………………………………………………………………………….…..39 3.4.4.- GRAFICA DE LAS CURVAS DE COSTO TOTAL……………………………………………………………………….………..40 3.4.5.- DIMENSIONES DE LA TUBERIA.- …………………………………………………………….…………………………………...41 2

3.5.- PUENTE GRUA…………………………………………………………………………………..41 3.6.-TURBINA HIDRAÚLICA………………………………………………………………………..41 3.6.1.-PARTES DE LA TURBINA HIDRAÚLICA ……………………………………………………………………………………..42 3.6.2.- POTENCIA, VELOCIDAD ESPECÍFICA (NS) Y SELECCIÓN DE LA TURBINA ……………………………….…42 3.6.3.-ELECCION DE LA TURBINA (Francis) ………………………………………………………………………………………..42 3.6.4.-ESQUEMA DE MONTAJE DE UNA TURBINA FRANCIAS……………………………………………………………..44 3.6.5.-DIMENSIONAMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS……………………………………………………………….……..44 3.7. CALCULO DE LA COMPUERTA DE ACCESO (PENSTOCK) …………………………………………………………………….47 3.8.- GENERADOR ELECTRICO…………………………………………………………………………………..47 3.8.1.-CARACTERISTICAS DEL GENERADOR……………………………………………………………………………………..48 3.8.2.-EQUIPOS DE PROTECCIÓN DEL GENERADOR………………………………………………………………………..49 3.8.3.-SISTEMA DE EXCITACIÓN AC CON RECTIFICACIÓN ESTACIONARIA………………………………………..50 3.9.- TRANSFORMADOR DE POTENCIA……………………………………………………………….…………………………..51 3.10.-PLAN DE MANTENIMIENTO DE OBRAS CIVILES……………………………………………………………………………..54 3.11.- GOBERNADOR DE LA TURBINA………………………………………………………………………………………………………….55 3.12.- GOBERNADOR DEL GENERADOR……………………………………………………………………………………………………56

4.- ANALISIS ECONOMICO FINANCIERO Y COSTOS…………………….58 4.1.- INTRODUCCION…………………………………………………………………………………………………………………………….58 4.2.- COSTO DE LAS INVERSIONES FIJAS(OBRAS CIVILES)……………………………………………………………………….58 4.3.- COSTO TOTAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO……………………………………………………………………….60 4.4.- EVALUACION ECONOMICA……………………………………………………………………………………………………………61  INGRESOS POR VENTA DE ENERGIA………………………………………………………………………………………….61  BENEFICIOS DEL PROYECTO………………………………………………………………………………………………………62  VALOR ACTUAL NETO (VAN) ……………………………………………………………………………………………………62  RELACION BENEFICIO – COSTO B/C…………………………………………………………………………………………..63  TASA INTERNA DE RETORNO (TIR)…………………………………………………………………………………………….63 5.- ANALISIS DE IMPACTO AMBIENTAL…………………………………………………………….64 5.1.- IDENTIFICACION DE IMPACTOS AMBIENTALES………………………………………………………………………….64 5.2.- IMPACTOS EN LA FASE DE CONSTRUCCION……………………………………………………………………………….64 5.3.- IMPACTOS EN L A FASE DE EXPLOTACION…………………………………………………………………………………65 5.4.- CONCLUSION……………………………………………………………………………………………………………………………65 6.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES………………………………………………………………………………66

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1.-RESUMEN EJECUTIVO El proyecto de la mini central hidroeléctrica consiste en el aprovechamiento del caudal y diferencias de altura del rio Paracti ubicado en la cuenca de INCACHACA en el departamento de Cochabamba en la provincia Chapare a 12 km de la población de Colomi bajo las faldas de la cordillera del Tunari una zona con mucha vegetación y camino accesible.

El proyecto de la MINI CENTRAL HIDROELECTRICA DE INCACHACA tiene el propósito de generar una energía eléctrica limpia que a futuro será muy cotizado. Esta central a diferencia de los demás será una central Hidroeléctrica que genere una energía limpia sin mucho mantenimiento que realizar una vez puesta en funcionamiento, porque el agua de esta zona es tan cristalina y limpia que no dañara a las turbinas, además comparando con otras centrales hidroeléctricas su funcionamiento será constante por el caudal de agua que existe en la zona de INCACHACA.

Características del proyecto m3 s Nos entregara una potencia de 3MW utilizando una turbina Francis, comparando con otras centrales que ofrecen poca potencia y operan solamente en horas de punta Tendrá una caída de 110m y el caudal del rio Paracti de 3,5

4

Debido a que la central es de caudal constante el proyecto será de base, es decir, de pasada, para lo cual no será necesario la construcción de una represa.

Esto traerá beneficios no solo para la población sino también al país, porque así podremos ahorrar gas que en la mayoría de las centrales térmicas utilizan de combustible. Una vez ya construido la central de la subestación se conecta directamente a la línea del sistema interconectado Nacional (SIN), la energía que se genere será vendida al instante lo que será muy favorable para los ingresos económicos.

Objetivo general Diseñar la mini central hidroeléctrica Incachaca que genere una potencia de 3MW mediante turbinas Francis, tubería forzadas, obras civiles y equipos electromecánicos para tener la posibilidad de conectar al SIN así mejorar el abastecimiento de la población en general

Análisis financiero La mini central necesita una inversión económica de 2 238,875 dólares americanos de los cuales el 50% pueden ser financiados por el estado al ser un proyecto socioeconómico para el bien público y como financiamiento externo ser requiere el 50% restante. El análisis del proyecto es RENTABLE con periodo de recuperación en 6 años Este proyecto es limpio en cuanto a la contaminación ambiental ya que se trabajara con el fluido del agua de paso y no tendrá gran impacto en la flora ni en la fauna. Además dará fuente de trabajo directo e indirecto a muchas personas dando una tranquilidad y bienestar al lugar.

Justificación del proyecto La principal de función de este proyecto es mantener el equilibrio la economía del país. La elaboración de este proyecto contribuye a una inversión Nacional. La oportunidad para elaborar el proyecto nace de la situación energética que vive el país, concretamente para la zona del trópico. También se puede mencionar que todo proyecto tiene una justificación en cuanto a lo social, respecto a esto, es en la fase de construcción de las obras civiles de la Mini Central, en la cual se podrá dar fuentes de trabajo a personas del lugar.

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1.1.-UBICACION. La cuenca del rio INCACHACA que aguas abajo se denomina rio PARACTI, se encuentra ubicada en el departamento de COCHABAMBA. Las cumbres de la cordillera real de 3400 m de altitud, situado 12 Km al este de la población de Colomi provincia Chapare.

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1.2.- OBJETIVO GENERAL.Diseñar el perfil de proyecto una pequeña Central Hidroeléctrica, que permitirá el aprovechamiento de los

recursos hídricos de la zona, mediante obras civiles, tuberías de presión y equipos electromecánicos, para ayudar a cubrir la demanda energética creciente en trópico de Cochabamba. OBJETIVOS ESPECIFICOS.- Determinar las características del consumo de energía eléctrica en la zona del trópico dada la cercanía del proyecto hidroeléctrico San José (Corani) obtenidas de la fuente: EMPRESA CORANI S.A.

-

Determinar el caudal medio mensual y anual en base a estudios realizados sobre la cuenca Incachaca obtenidas de las siguientes fuentes: SENAMHI

-

Diseño y especificación de los distintos elementos de la central: turbina hidráulica, tubería forzada, canales, generador, sistemas de protecciones, sistema de mando, entre otros.

1.3.- JUSTIFICACION DEL PROYECTO.La oportunidad para elaborar el proyecto nace de la situación energética que vive el país, concretamente para la zona del trópico. También se puede mencionar que todo proyecto tiene una justificación en cuanto a lo social, respecto a esto, es en la fase de construcción de las obras civiles de la Mini Central, en la cual se podrá dar fuentes de trabajo a personas del lugar. 1.4.- COMPONENTES Mencionaremos los más importantes: -

Canal Colector Desarenador Vertedero Cámara de carga Canal Tubería de presión Casa de máquinas(turbina, generador, transformador) Generador Puente grúa

1.5.-CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES FUNDAMENTALES Con el análisis de datos de energía se estima que la zona del trópico ya no sufrirá cortes de energía eléctrica ya que proyecto abarcara otras cargas más.

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Características del consumo de energía eléctrica en la zona del trópico AÑO "0"

AÑO "10"

DEMANDA [KW]

POTENCIA [KW]

TASA %

POTENCIA [KW]

RESIDENCIAL

500

3

671,95

RIEGO

135

1

149,13

A.PUBLICO

7

2

8,53

INDUSTRIA

120

9

284,08

ARTESANIA

30

6

53,72

TOTAL

792

1167,42

8

2.-MEMORIA DESCRIPTIVA: 2.1- AREA DE ESTUDIO La cuenca del rio INCACHACA que aguas abajo se denomina RIO PARACTI se encuentra ubicada en el departamento de COCHABAMBA. Las cumbres de la cordillera real están a 3400m de ALTITUD, situado a 12 km al este de la población de COLOMI provincia CHAPARE.

No se conoce la precisión las características hidrológicas de la cuenca por falta de datos hidrométricos. El estudio de impacto ambiental SENAMHI estimo por comparación con otras cuencas. El rio PARACTI se forma por confluencia de los Ríos ICHULOMA nacen por encima de los 3586 m.

2.2- UBICACIÓN: La cuenca del RIO INCACHACA de aguas abajo se denomina rio PARACTI, se encuentra ubicada en el departamento de COCHABAMBA. Las cumbres de la cordillera real de 3400 de altitud, situado a 12 km de la población de COLOMI provincia CHAPARE.

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El diseño de la Mini Central Hidroeléctrica, la opción que se eligió es la derivación del rio, ya que contamos con caudal todo el año y la altura de la caída no pasara de 110 m (REFERENCIA GOOGLE EARTH), de otra manera, haciendo una caída Hb corta necesitaríamos mucho caudal afectando en un sobre dimensionamiento de la tubería forzada, lo cual incurriría en un costo excesivo, por esa razón, la tubería debe ser técnica y económicamente adecuada con un diámetro óptimo.

2.3.-POTENCIA Y ENERGIA: POTENCIA INSTALADA La potencia instalada (Pi) = 3 MW.

POTENCIA EFECTIVA La potencia máxima que se puede obtener de una cantidad generadora bajo condiciones normales de operación es de 3000 KW.

POTENCIA FIRME Es la potencia que puede suministrar cada unidad generadora durante las horas pico con alta seguridad según lo define el reglamento para la aplicación de la LEY general de electricidad, para cubrir la garantía del suministro del Sistema Interconectado Nacional SIN, y que a lo sumo será su capacidad efectiva, y es de 3000 KW.

POTENCIA MEDIA (Pm) Es la relación entre la energía anual producida con el tiempo.

Pm=

Energia anual ( producida) =3020 KW 8760 horas( año)

FACTOR DE PLANTA El factor de planta de una central es el cociente entre la energía real generada por la central eléctrica durante un periodo (generalmente anual) y la energía generada si hubiera trabajado a plena carga durante ese mismo periodo . Se expresa generalmente en %.

FP=

Pm × 100≤ 100 Pi

FP=¿ 50 % HORAS DE UTILIZACION Es el número de horas anuales que debería trabajar la instalación a su plena carga, para que la energía producida fuese igual a la que la central eléctrica produce en un año, trabajando a carga variable. Esta cifra da una idea de la cantidad de horas que hubiera debido trabajar la central para suministrar esa energía.

HU =FP× 6132=3066 [hr ]

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Las horas de utilización para centrales varian de acuerdo al tipo de central: Central de pasada Horas de utilización HU ≤ 6000 horas/año

FACTOR DE CARGA Para poder atender la demanda la potencia instalada del generador deberá ser superior a la potencia máxima y como consecuencia de ello el factor de planta siempre resultara ser menor que el factor de carga. La demanda promedio de la zona incluyendo las categorías:  General con 2123.8 MWh  Industrial con 1287.03 MWh.  Alumbrado público con 603.88 MWh. Obtenemos una demanda promedio anual de 4014.71 MWh.

fc=

Pm 3,020 MW × 6000 h = =2.56 Pmax 4014.71 MWh

2.4.-COMPONENTES DE DERIVACION: BOCATOMA: Es la obra destinada a captar un cierto caudal líquido de un río, de un lago o embalse. Ancho del canal B=L'∗cos( β ) B=0.84∗cos ( 10 ) B=0.83 [m] Tirante “T” T =( 25 % de B )+ B T =( 0.25∗0.83 ) +0.83 T =1.04 [m]

Profundidad crítica: Es la profundidad óptima del canal derivador. Y c =1,22[m]

Velocidad crítica: Es la velocidad que se tiene en el canal V C = √ g∗Y C V C = √9.8∗1,22 11

V C =3.46 [

m ] s

Altura del agua del agua Al final del canal: Es la altura que llega a la cámara de carga H 2=1.1∗Y C H 2=1.1∗1,22 H 2=1,34 [m] H=2.8∗sen(2.86) H=0.139[m]

DESARENADOR: Es una estructura diseñada para retener la arena que traen las aguas servidas o las aguas superficiales a fin de evitar que ingresen, al canal de aducción, a la central hidroeléctrica o al proceso de tratamiento y lo obstaculicen creando serios problemas.

Q=3,5 [ m 3 /s ] Diametro de Particulas=1.5 [ mm ] → 0.15[cm] V d =10 % de 1.5→ V d =0.15[m/s ] f =2 k =36 √ 10

Velocidad horizontal con el que recorre el agua. V H =44.09

cm m → V H =0.4409[ ] s s

[ ]

Ancho y longitud del desarenador. W =5,29 [ m ] L d=8.818 [m]

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VERTEDERO:  Es una estructura hidráulica destinada a propiciar el pase, libre o controlado, del agua en los escurrimientos superficiales, siendo el aliviadero en exclusiva para el desagüe y no para la medición.

S=0.6 [ m ] t 1=0.83 [ m ] Ancho del canal t 2=1+0.83 t 2=1.83 [ m ] Longitud de transición t 2 −t 1 LT = 2∗tan ⁡(12.5) LT =

1.83−0.83 =2.26[m] 2∗tan ⁡(12.5)

CANAL: Se denomina canal a una construcción destinada al transporte de fluidos generalmente utilizada para agua y que, a diferencia de las tuberías, es abierta a la atmósfera. Para un canal de concreto:

TALUD: Es una estructura que está ubicada antes de la cámara de carga sirve para aumentar o bajar el caudal Talud→ Z=0.58 m V max =2 → para menos de 1 [ m ] de profundidad . s

[ ]

13

RUGOSIDAD “n” → n=0.018(PARA CANAL DE HORMIGON) Características de sección trasversal Trapezoidal. Velocidad mínima para evitar sedimentos → V min =0.5[m/ s ] 2.5.-TUBERIA FORZADA:

Se utilizó este tipo de tubería porque tenemos un salto medio, resulta más barata que la de acero, es más fácil manejar en obra y no requiere ninguna protección contra la corrosión, son resistentes.

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Esta clase de tubería pueden soldarse mediante disolventes, donde tenemos un diámetro decreciente son más fáciles de manejarlos, y muy cómodos en lugares que existe mucha vegetación.

Resultados obtenidos atraves de los cálculos para la tubería forzada.

e

factor de rugosidad

9.8 mm.

hf

Especificaciones de la tubería forzada.

14 m.

f

valor verificado del diagrama de MOODY

0.011

D

Diámetro

400mm.

V

velocidad

0.15 m/s.

e

Espesor de la tubería forzada

8.2 mm.

Según los resultados obtenidos el material de la tubería forzada a usarse será PVC (CLORURO DE POLIVINILO).

2.6.-TURBINA:  Salto neto: H=110 [ m ]  Caudal:Q=3.5

m3 s

[ ]

 Potencia de la turbina (buscada):

P=3000 ( KW )

15

 Velocidad estándar del generador (adoptamos):

N=750 [ rpm ]  Velocidad especifica: n s=115.31 rpm  Francis normal: n s=100 a 200 rpm.  Diámetro del rodete:

Dro =0.380 m

Por los resultados obtenidos atraves del diseño del caudal y la tubería forzada se obtuvo TURBINA TIPO FRANCIS.

2.7.-GENERADOR: La relación entre potencia de entrada y potencia de salida del generador es:

P ( KW )=S ( KVA )∗cos ∅ Por lo tanto:

S=

P cos ∅

Donde P en KW, dato calculado anteriormente

S=

P 3020 = =3552,94 (KVA) cos ∅ 0.85

P: Potencia de entrada en KW S: Potencia de salida KVA Cos f: factor de potencia 0,85 N: Eficiencia del Generador

Para determinar la potencia real del generador se debe tomar en cuenta, varios factores como ser: la temperatura ambiente, altura de instalaci6n y corrección por control de carga.

Tabla de resultados obtenidos para el GENERADOR

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Velocidad clasificada:

900RPM

Frecuencia clasificada:

50HZ

Capacidad de salida:

3MW

Tensión de salida:

400V

Tipo:

Generador síncrono de eje horizontaL

Clase del aislamiento:

Clase B/B

Turbina de acoplamiento:

Francis

tipo de enfriamiento:

Sistema de la refrigeración por agua de la refrigeración por aire

Se utilizara un generador hydrotu trifásico con una potencia de 3MW, voltaje 400V, frecuencia de 50 hz a 900 rpm

MARCA DEL

Se generador trifásico potencia voltaje frecuencia 750 rpm

GENERADOR:

utilizara un hydrotu con una de 3MW, 400V, de 50 hz a

17

SISTEMAS DE PROTECCION DEL GENERADOR: Para el sistema de protección de del generador cuando esté conectado al Transformador se utilizara una configuración típica que podrá hacer comparaciones de las corrientes y tensiones por los relés para evitar situaciones de corrientes altas que quieran entrar al generador. Se presenta de la siguiente manera, donde luego se especifican los relés

18

DESCRIPCION DE PROTECCIONES:

19

CODIGO

DESCRIPCIÓN

21

Relé de distancia. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en la zona del generador

24

Dispositivo de comprobación de sincronismo. Protección de volts/Hz para sobreexcitación el generador

32

Relé de protección inversa. Protección de anti motorización

40

Relé de campo. Protección de perdida de campo

46

Relé de corriente inversa. Protección de desbalance de corriente de secuencia negativa para el generador

49

Protección térmica del estator

51GN

Relé de sobrecorriente a tierra con tiempo

51TN

Respaldo para fallas a tierra Relé de sobrecorriente de tiempo de control de tensión o de restricción de tensión.

51V Respaldo para fallas en el sistema y en el generador 59 59GN

Relé de sobre voltaje. protección de sobretensión Relé de sobretensión. Protección de la falla a tierra en el estator para un generador

60

Relé de balance de tensión. Detección de fusibles fundidos de transformadores de potencial

63

Relé de presión del trasformador

62B

Relé de retardo de tiempo de falla de interruptor

64F

Relé de retardo de tierra. protección de falla a tierra del campo

71

Nivel del aceite o gas del transformador

78

Protección de perdida de sincronismo

81

Relé de frecuencia. Protección de baja o sobrefrecuencia

86

Relé auxiliar de bloqueo y reposición manual

87G

Relé diferencial. Protección primaria de falla de fase del generador

87N

Protección diferencial de falla a tierra del estator

87T

Relé diferencial. Protección primaria para el transformador

87U

Relé diferencial para la protección total del generador-transformador

3.-MEMORIA DE CÁLCULO

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AREA DE ESTUDIO. La cuenca del rio Incachaca que aguas abajo se denomina rio Paracti, se encuentra ubicada en el departamento de Cochabamba. Situado 12 Km al este de la población de Colomi, donde la precipitación es de 663 mm/año.

UBICACION DEL PROYECTO

No se conoce con precisión las características hidrológicas de la cuenca por falta de datos hidrométricos. El estudio de impacto ambiental de SENAMI estimó por comparación con otras cuencas, un caudal medio anual de 15 m3/s para el río PARACTI (cuenca de 435 km 2). El río Paracti se forma por la confluencia de los río Ichuloma nacen por encima de los 3586m.

Datos de precipitacion mensual y anual Senamhi no tiene en sus registros datos oficiales de la cuenca del Rio Paracti, no obstante se nos proveyó de los datos de la comunidad más cercana la cual es Colomi Situada al 0este de la región de trópico. Dichas precipitaciones se adjuntaran de la siguiente manera:

Los siguientes datos fueron obtenidos de SENAMI

PRECIPITACION TOTAL DE LA ZONA DE COLOMI EN (mm)

21

De todas maneras no es tan simple hacer la comparación con estos simples datos, por lo tanto es necesario verificar mensualmente y en todos los años el caudal.

APROVECHAMIENTO POR DERIVACION DE RECURSO. En el sitio apropiado por la topografía del terreno, se ubica la obra de toma de agua, y el líquido se lleva por medio de canales o tuberías de presión hasta la casa de máquinas. La longitud desde la toma de agua hasta la cámara de carga es de 250 [m], dato obtenido con ayuda del Google Earth. Esta longitud sirve para el cálculo de la Tubería de Presión. También observamos una diferencia de alturas de la cámara de carga hasta la casa de máquinas de 110[m]. En este tipo de proyecto no hay un embalse, se hace una desviación o aprovechamiento de rio sacando por medio de una rejilla el caudal buscado. El caudal deberá existir todo el año.

22

Caudales mensuales 12 Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre

10

8

6

4

2

0

Categoría 1

23

Caudales Mensuales

enero julio

febrero agosto

marzo septiembre

abril octubre

mayo noviembre

junio diciembre

12

10

8

6

4

2

0

0

2

4

6

8

24

10

12

14

25

26

3.1- POTENCIAL HIDRO – ENERGETICO CALCULADO

La longitud del canal de diseño desde el desvío de agua hasta la cámara de carga es L= 225 [m] y una diferencia de altura de 110 [m]

m3 s



Dado que el caudal medio anual del Rio Paracti oscila los 3,5



La caída bruta que se pudo obtener en el Google Earth resulto Hb=110 m

Dada la fórmula de potencia con caída bruta: P = 9,81 * Q * Hb * e * ρ=¿ 3,02 [MW] P = Potencia en Mw Q = Caudal de equipamiento = 3,5 m³/s Hb = Salto neto existente en metros = 110m e = Factor de eficiencia de la central, que es igual al producto de los rendimientos de los diferentes equipos que intervienen en la producción de la energía: e = Rt * Rg * Rs = 0,80 Donde: Rt = Rendimiento de la turbina Rg = Rendimiento del generador Rs = Rendimiento del transformador

27

Sustituyendo valores: P = 9.81 * Hb * Q * 0.8 * ρ

ρ =1000

kg m3

Q = 3,5

m3 s

Hb=110m

P = 3,02 [MW] = 3 [MW]

3.1.2.- ENERGIA CALCULADA Dada la fórmula: ENERGIA = POTENCIA * TIEMPO  Como el proyecto de la mini central hidroeléctrica es de pasada adoptamos Este valor de: 6000 h/año

h ∗1 año año h 6000 =16 365 dias dia 

Entonces la mini central hidroeléctrica. trabajará 16 horas/día, y la energía producida con la máxima potencia será:

E=3,02 MW∗16 h=48,32 MWh

3.2.- CONCEPTOS DE POTENCIA Y ENERGIA 3.2.1- POTENCIA INSTALADA Pi = 3,02 MW. 3.2.2- POTENCIA EFECTIVA

2,869 M W . 3.2.3- POTENCIA FIRME 28

2,869 M W 3.2.4- POTENCIA MEDIA (Pm)

Pm=

Energia anual ( producida) 3 MW × 6000 h = =2054,79 KW 8760 horas( año) 8760 h = 2,055 MW

3.2.5- FACTOR DE PLANTA

FP=

Pm × 100≤ 100 Pi

FP=

2,055 MW X 100 = 68,49 % 3 MW

3.2.6- HORAS DE UTILIZACION

HU =FP× 8760=0.685× 8760=6000,6[hr ] 3.2.7- FACTOR DE CARGA La demanda promedio de la zona incluyendo las categorías:  General con 2123.8 MWh  Industrial con 1287.03 MWh.  Alumbrado público con 603.88 MWh. Obtenemos una demanda promedio anual de 4014.71 MWh.

fc=

Pm 2,055 MW × 6000 h = =3,07 Pmax 4014.71 MWh

3.3.- ESTUDIO TECNICO PARA LAS OBRAS CIVILES 3.3.1.-CALCULO DE LA BOCATOMA Toma Tirolesa o Caucasiana Son tomas cuyas estructuras de captación se encuentran dentro de la sección del azud, en un espacio dejado en él, protegido por una rejilla que impide el ingreso de materiales gruesos. Estas tomas no son recomendables en ríos donde el arrastre de sedimentos es intenso, ya que podrían causar rápida obstrucción de las rejillas. Conviene comentar que la gran mayoría de ríos del Perú son muy jóvenes y arrastran gran cantidad de sedimentos en épocas de crecidas, por lo que la construcción de estas o más debe ser donde las condiciones lo favorezcan. 29

Ancho del canal

B=L'∗cos( β ) B=0.84∗cos ( 10 ) B=0.83 [m] Tirante “T”

T =( 25 % de B )+ B T =( 0.25∗0.83 ) +0.83 T =1.04 [m] Profundidad crítica

Q2 Y c= 2 B ∗g

1 3

( ) ( )

3,52 0.832∗9.8 Y c =1,22[m] Y c=

1 3

Velocidad crítica

V C = √ g∗Y C V C = √9.8∗1,22 m V C =3.46 [ ] s Altura del agua del agua Al final del canal

H 2=1.1∗Y C H 2=1.1∗1,22 H 2=1,34 [m] Espesor “am”

→ am=0.2[ m]

Longitud del canal colector ρ=2.86 ° b’=2.6 [m]

2,6+0,2 b ' + am b = = =2,8(m) cos ⁡(2,86) cos ⁡( ρ) ''

Altura correspondiente al canal

H=b’ ’∗sen (ρ) H=2.8∗sen(2.86) 30

H=0.139[m]

Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz ,Lima – Perú , 1995

3.3.2.-CALCULO DEL DESARENADOR Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz ,Lima – Perú , 1995

Q=3,5 [ m 3 /s ] V d =10 % de 1.5→ V d =0.15[m/s ] 31

f =2 k =36 √ 10 Velocidad horizontal

V H =k∗√ D V H =36 √ 10∗√ 0.15 cm m V H =44.09 → V H =0.4409[ ] s s

[ ]

Ancho y longitud del desarenador

V Q Ld = H ∗d d∗f V H∗d d Vd 3,5 0.4409 W= L= ∗1.5∗2 0.4409∗1.5 d 0.15 W=

W =5,29 [ m ] L d=8.818 [m]

3.3.3.-CALCULO DE VERTEDERO

S=0.6 [ m ] t 1=0.83 [ m ] Ancho del canal t 2=1+0.83 t 2=1.83 [ m ] 32

Longitud de transición

LT =

t 2 −t 1 2∗tan ⁡(12.5)

LT =

1.83−0.83 =2.26[m] 2∗tan ⁡(12.5)

Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz ,Lima – Perú , 1995

3.3.4.- CALCULO DE CANAL Para un canal de concreto: Talud→ Z=0.58

V max =2

m → para menos de 1 [ m ] de profundidad . s

[ ]

Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz ,Lima – Perú , 1995 RUGOSIDAD “n” → n=0.018 (PARA CANAL DE HORMIGON) Características de sección trasversal Trapezoidal. 33

Velocidad mínima para evitar sedimentos → V min =0.5[m/ s ]

Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz ,Lima – Perú , 1995

CALCULO DEL CANAL DATOS

m3 ¿ s b = 1.8 [m] n=0.018 (Para Canal De Hormigón) I=0.003 Z=0.58 (talud) Q=3,5[

CALCULO DEL ÁREA DE SECCIÓN TRANSVERSAL (A) Y PERÍMETRO MOJADO (P) Ecuación De Manning 3

1

1 Q= ∗A∗R 2 ∗I 2 n Q∗n

( ) I

1 2

2

= A∗R 3

34

Q∗n

3

A = A∗ P

3

A 3∗A 2 = P2

( )[ ( ) ( ) 1 2

I Q∗n 1

I2 Q∗n

( )]

5 A 5 (b∗y ) = P 2 (b+ 2 y )2

3

=

1 2

2 3 3

I Luego encontrando k:

K =¿ ¿48,12156 5

48,12156=

( b∗y ) 2 ( b+2 y )

Sib=1.8 y=1.1055 Entonces por los resultados anteriores:

A=

Q ⦋m 2⦌ V A=

3,5 = A=1,75 ⦋ m2 ⦌ 2

Área de sección transversal:

A=( b∗y )=( 1.8 )∗( 1.1055 ) A=1.98⦋ m 2 ⦌

Perímetro Mojado:

P= ( b+2 y )=( 1.8+2∗1.1055 ) P=3.9 ⦋ m ⦌ Espesor: Am =0.2 [m] Angulo de Talud:

Z=tg (θ) 0.58 = tg (θ)→ θ=t g−1 (0.58) θ=30.11° ALTURA

H=

√√

A 2

2 ( 1+ Z )−z

=

√√

1.98 2

2 ( 1+ 0.58 )−0.58

=¿1.069 [m]

35

ANCHO DE LA PLANTILLA DEL CANAL

B=H ( 2 √ 1+ Z 2 )−2 Z B=1.069 ( 2 √ 1+ 0.582 )−2 ( 0.58 ) B=1.23 [m] ANCHO DE LA LAMINA DE AGUA

W =2 H √ 1+ Z 2 W =2(1.069) √ 1+( 0.58)2 W =2.472[m] PERIMETRO MOJADO

P=B+2 H √ 1+ Z 2 P=1.23+ 2(1.069) √ 1+(0.58)2 P=3.7 [m] RADIO HIDRAULICO

A 1.98 R= = =0.535 P 3.7 PENDIENTE

S=

n.v

( ) R

S=

(

2

2 3

0.018∗2 0.535

2 3

S=0.0032 3.3.5.-CALCULO DE CAMARA DE CARGA

36

2

)

Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz ,Lima – Perú , 1995

Q=3,5 [ m 3 /s ] cm m V H =44.09 → V H =0.4409[ ] s s d d =1.5 f =2 V d =0.15[m/s ]

[ ]

Ancho y longitud de la cámara de carga

V Q Ld = H ∗d d∗f V H∗d d Vd 3,5 0.4409 W= Ld = ∗1.5∗2 0.4409∗1.5 0.15 W=

W =5,29

m L =8.818[m] s d

[ ]

3.3.6.-CALCULO PARA LA CAPACIDAD DEL TANQUE El siguiente cálculo está desarrollado para una acumulación de sedimentación de 1 semana.

Q∗T∗S=3,5∗( 3600∗24∗7 )∗( 0.05 )=105840[ Kg] Densidad de sedimento=2600[ Kg/m3 ] Volumen de sedimento=

105840 =40,71[ m3 ] 2600 3

Capacidad deltanque =40,71∗2=81,41[m ]

37

Profundidad del colector → d r =

capacidad deltanque 81,41 = =1.745[m3 ] W ∗Ld 5,29∗8.818

3.4.-TUBERIA DE PRESION 110 L= =171,13[m] sin(40)

3.4.1.-CALCULO DE LA TUBERIA DE PRESION Diámetro optimo: Costo financiero

C f =anualidad+intereses It anualidad= → vida util=30 años 30 tasa=10 % anual interes=deuda∗10 % It C f = +deuda∗10 % 30 

Inversión de la tubería

I t=π∗L∗ρ∗( e∗D+ e2 )∗C L=longitud de la tuberia ρ=densidad del PVC e=espesor de latuberia D=diametro de la tuberia C=costo por unidad de peso de latuberia ρ=1,42

g Kg =1402 3 3 Cm m

[ ]

[ ]

3.4.2.-DISEÑO ÓPTIMO DE UNA TUBERIA DE PRESION

38

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Determinar el diámetro y el espesor de la tubería de presión por método convencional D 1 yE1. Determinar el costo del acero empleado en tubería de presión Calcular las pérdidas de carga PC1 Calcular las pérdidas de potencia P p1 Calcular perdidas de energía PE1 Calcular el costo de la perdida de potencia PP1 Calcular el costo de la perdida de energía pe1 Determinar el costo anual de la inversión en la tubería de presión (periodo de 30 años con una tasa del 10%) 9. Determinamos el costo total 10. Determinar un segundo diámetro D2 5% mayor que el D1 y se calcula el espesor E2 de la tubería de presión 11. Se repite el proceso desde el paso 2 por cinco o más veces graficando la curva de costo total.

Fuente: Diapositivas hechas en clases de centrales hidráulicas-Ing Ramiro Rojas

39

Fuente: diseño de mini centrales hidroeléctricas

D[mm e[mm precio por unidad ] ] de peso[$us] 63 75 90 110 125 140 160 180 200 250 315 400 500 630

2 2,3 2,8 2,7 3,1 3,5 4 4,4 4,9 6,2 7,7 9,8 12,3 15,4

2,280 3,155 4,531 5,129 6,714 8,410 10,884 13,525 16,611 26,299 40,880 65,844 108,434 195,059

L[m]

171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13 171,13

Inversión Anualida en d tubería[$us [$us] ] 107,66 3,59 203,80 6,79 427,76 14,26 567,00 18,90 968,57 32,29 1534,43 51,15 2593,81 86,46 3986,57 132,89 6058,69 201,96 15176,26 505,88 36902,64 1230,09 96066,99 3202,23 248228,99 8274,30 704324,77 23477,49

40

Interés del 10%

Costo Financier o [$us]

10,77 20,38 42,78 56,70 96,86 153,44 259,38 398,66 605,87 1517,63 3690,26 9606,70 24822,90 70432,48

14,35 27,17 57,03 75,60 129,14 204,59 345,84 531,54 807,83 2023,50 4920,35 12808,93 33097,20 93909,97

Tabla para analizar el costo financiero de la inversión

3.4.3.- CALCULO DE COSTO DE PERDIDAS 

Perdida de potencia

∆ Pe =∆ h [ m ]

(

∆ h=10.3∗

n2PVC ¿ Q2∗L [m] D5.333

)

n PVC =0.009 m3 s caudal del agua que se requiere para entregar una potencia P=3,02 MW =3020(KW) Q=0.85

[ ]

∆ P=ρ∗∆ Pe∗g∗Q [W ] 

Costo de potencia

Costo de potencia=∆ P∗109 $ us → anual 

Costo de energía

Costo de energia=∆ P∗f p∗8760∗22 $ us → anual f p=0.68 → factor de planta h[m] 125967,0597 49709,38895

Pperdidas[w] 1049305,607 414079,21

Cpotencia [$us] 114374311,2 45134633,89

fp 0,68 0,68 41

Cenergia[$us] 125377749,5 49476834,12

Cperdidas[$us] Suma 239752060,6 239752074,98 94611468 94611495,18

18800,3026 6447,523777 3260,761563 1781,719479 874,1144001 466,4143166 265,9176569 80,89581897 23,58576456 6,597117337 2,006934086 0,585136234 0,163667045 0,049789773

156606,5207 53707,87306 27162,14382 14841,72326 7281,372953 3885,231257 2215,094082 673,8621721 196,4694188 54,95398742 16,71776094 4,874184828 1,363346486 0,414748805

17070110,75 5854158,164 2960673,676 1617747,835 793669,6519 423490,207 241445,255 73450,97675 21415,16665 5989,984629 1822,235942 531,2861462 148,604767 45,20761978

0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68 0,68

18712349,37 6417360,404 3245506,781 1773384,082 870025,0412 464232,2961 264673,6176 80517,36504 23475,42356 6566,254123 1997,545071 582,398798 162,9013636 49,55684165

35782460,12 12271518,57 6206180,457 3391131,918 1663694,693 887722,5031 506118,8725 153968,3418 44890,59021 12556,23875 3819,781013 1113,684944 311,5061306 94,76446144

35782517,16 12271594,17 6206309,6 3391336,509 1664040,535 888254,0455 506926,6978 155991,8429 49810,9426 25365,17037 36916,97975 95023,65448 245014,2875 485882,3886

Tabla para analizar el costo de pérdidas según el diámetro

3.4.4.- GRAFICA DE LAS CURVAS DE COSTO TOTAL

Costo[$us]

DIAMETRO OPTIMO 90000.00 80000.00 70000.00 60000.00 50000.00

Costo Financiero[$us] Costo de perdidas[$us] Sumatoria de las curvas

40000.00 30000.00 20000.00 10000.00 0.00 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 D[mm]

42

Costo[$us]

DIAMETRO OPTIMO 90000.00 80000.00 70000.00 60000.00 50000.00 40000.00 30000.00 20000.00 10000.00 0.00

Costo Financiero[$us] Costo de perdidas[$us] Sumatoria de las curvas

6 3 75 90 1 1 0 12 5 14 0 1 6 0 18 0 20 0 25 0 3 1 5 4 0 0 50 0 6 3 0 8 0 0 0 0 0 1 D[mm]

El diámetro óptimo sería aproximadamente 425, pero comercialmente no existe por lo tanto se escogió el diámetro y espesor siguiente:

e=9.8[mm] D=400 [ mm ] con un costo financiero de inversion De 12808,93 [$us]

. 3.4.5.- DIMENSIONES DE LA TUBERIA.-

9,8 (mm) 400 (mm)

43

3.5.- PUENTE GRUA MVA 0.74 G ROTOR ≅50 [T] N 0.5 0.60916 0.74 G ROTOR ≅50 =2.99 [ T ] 750 0.5 KVA 0.75 GGENERADOR ≅ 7 [T ] N 609.16 0.75 G GENERADOR ≅ 7 =5.989 [ T ] 750

( ) ( )

( ) ( )

3.6.-TURBINA HIDRAÚLICA La turbina de reacción aprovecha tanto la velocidad del agua como la presión que le resta a la corriente en el momento de contacto.  Las más utilizadas entre las de reacción son la turbina Francis y la turbina Kaplan. Estas suelen tener cuatro elementos fundamentales: carcasa o caracol, distribuidor, rodete y tubo de aspiración. La turbina será de tipo Francis normal, Será diseñada para acoplamiento directo a un generador con un factor de potencia de 0.85 inductivo. La dirección de rotación de la turbina será en sentido horario cuando se mire la turbina desde el generador. El diseño de la máquina permitirá la facilidad de desmontaje, inspección, limpieza y reparaciones a través del equipamiento suficiente para realizar otros servicios de mantenimiento dentro la casa de maquinas. En el procesa de transformación de un fluido en energía mecánica o viceversa, se emplean diferentes tipos de máquinas, que pueden clasificarse: a) MÁQUINAS GRAVIMETRICAS. b) MÁQUINAS HIDROSTÁTICAS O DE DESPLAZAMIENTO c) MÁQUINAS ROTODINÁMICAS O TURBOMÁQUINAS

3.6.1.-PARTES DE LA TURBINA HIDRAÚLICA

44

   

Distribuidor. Rodete. Tubo de aspiración. Carcasa.

3.6.2.- POTENCIA, VELOCIDAD ESPECÍFICA (NS) Y SELECCIÓN DE LA TURBINA En el siguiente diagrama con el salto neto y el caudal del diseño encontramos un punto y nos acercamos a las curvas de las turbinas, vemos el punto de intersección y los diferentes tipos de turbinas más convenientes para el proyecto. Con salto neto H n=110 m Caudal de diseño neto Q=3,5

m3 s

Entramos a la siguiente gráfica

3.6.3.-ELECCION DE LA TURBINA (Francis)

Fuente: diseño de mini centrales hidroeléctricas De esta manera se ve que la turbina de selección es la Francis, Por lo tanto elegimos esta misma como la turbina de la M.C.H. Encontramos un punto cercano a las siguientes turbinas: Pelton, MichellBanki y Francis .De las tres elegiremos con la ayuda de la velocidad especifica n s (rpm):  Peltón con un inyector, n s=5 a 30 rpm. 45

   

Peltón con varios inyectores,n s=30 a 50 rpm Francis lenta, n s=50 a 100 rpm. Francis normal, n s=100 a 200 rpm. Francis rápida, n s=200 a 400 rpm .

n s ( rpm ) =

N∗√ P 5

H4 n S ( rpm )=

120∗f (Hz) p

Con 8 polos obtendremos:

n S ( rpm )=

120∗f ( Hz ) 120∗50 = =750(rpm) p 8

Dónde: P = Potencia de la turbina (KW). ->Potencia buscada 3 (MW)= 3000KW N= Velocidad (estándar) del generador (rpm). ->Adoptamos 750 rpm. H= Salto neto (m). -> Antes calculado 110 m.

n s ( rpm ) =

N∗√ P H

5 4

=

750∗√ 3000 110

5 4

=115.31 rpm

Vemos que estamos en el rango de una turbina Francis normal. Velocidad específica Ns De 5 a 30 De 30 a 50

Tipo de Turbina Pelton con un inyector Pelton con varios inyectores

De 50 a 100

Francis lenta

De 100 a 200

Francis normal

De 200 a 300

Francis rápida

De 300 a 500

Francis doble gemela rápida

3.6.4.-ESQUEMA DE MONTAJE DE UNA TURBINA FRANCIAS

46

3.6.5.-DIMENSIONAMIENTO DE LA TURBINA FRANCIS El dimensionamiento de la turbina Francis es laborioso. Sin embargo, podemos estimar las dimensiones generales de acuerdo a la siguiente tabla:

A 1.5

B 1.9

C 1.7

Dimensiones generales de la turbina Francis DIMENSIONES BÁSICAS D E F G H 2 1.3 1.05 2.9 1.4

I 2

k 3.8

NOTA: Para obtener las dimensiones reales, multiplicar los valores de la tabla por el diámetro del rodete Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz, Lima – Perú, 1995 

Diámetro del rodete :

47

Dro =

(

0.93+

0.0081∗N∗√ Q 3 4

H π∗N

)

∗60 ∗√ 2∗g∗H … …(m)

Dónde: N=750 rpm

Q=3,5

m3 s

H=110 m

Reemplazando en la ecuación de Dro :

Dro =

(

0.93+

0.0081∗750∗√ 3,5 3 4

110 π∗750

)

∗60 ∗√ 2∗9.81∗110=0,79 m

Pero no tomaremos este valor ya que usaremos el diámetro interno de la tubería que ira acoplada directamente al diámetro del rodete.

Dro =0.380 m



Diámetro del rodete El dimensionamiento de la turbina Francis queda :

D ro =0.380 m a=1.5∗0.380=0.57 m b=1.9∗0.380=0.72 m c=1.7∗0.380=0.65 m d=2.0∗0.380=0.76 m e=1.3∗0.380=0.49 m f =1.05∗0.380=0.40 m g=2.9∗0.380=1.10 m h=1.4∗0.380=0.53 m i=2.0∗0.380=0.76 m k =3.8∗0.380=1.44 m

Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz ,Lima – Perú , 1995

48

DIMESIONAMIENTO DE LA TURBINA FRACIS

Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz ,Lima – Perú , 1995 49

3.7. CALCULO DE LA COMPUERTA DE ACCESO:     

Caudal, Q = 3.50 [m3/s]. Velocidad, Vh = 0.5 [m/s]. Factor de seguridad, f = 2 Profundidad de decantación, Dd = 0.5 [mts]. Vd. = 0.05 [m/s].

w

Q [ mts] Vh Dd

3.40  w  13.6[ mts ] 0.5*0.5 V Ld  h Dd f [mts ] Vd

w

Ld 

0.5 *0.5* 2  Ld  10[mts ] 0.05

3.8.- GENERADOR ELECTRICO La relación entre potencia de entrada y potencia de salida del generador es:

P ( KW )=S ( KVA )∗cos ∅ Por lo tanto:

S=

P cos ∅

Donde P en KW, dato calculado anteriormente

S=

P 3020 = =3552,94 (KVA) cos ∅ 0.85

Q=S∗sin ∅=3552,94∗sin36.86=2131,27(KVAR) Donde: P: Potencia de entrada en KW S: Potencia de salida KVA Cos f: factor de potencia 0,85 N: Eficiencia del Generador

50

Para determinar la potencia real del generador se debe tomar en cuenta, varios factores como ser: la temperatura ambiente, altura de instalaci6n y corrección por control de carga.

La potencia del generador a ser instalado es de 3,55 MVA, rango de potencia standarizado por los fabricantes, el generador elegido es del tipo autoexitado, con las siguientes especificaciones .

3.8.1.-CARACTERISTICAS DEL GENERADOR Descripci6n

Caracteristica

Generador

Sincrono (trifasico)

Potencia

3,55MVA

Factor de potencia cosQ>

0,85

Frecuencia

50 Hz

Voltaje

380/220 V

Aislacion

Clase F

Grado de protecci6n

IP 23

Refrigeraci6n

aire

Sobre carga permisible

1,5*ln durante 1 min

Desbal. de carga admisible

20 % entre fases

Terminales principales Regulacion de Voltaje

U, V,W,N Autoexitadod o Automatico +/-2,5 % (AVR)

Regimen de trabajo

Continuo

Velocidad nominal

3000 r.p.m.

Vel. de embalamiento

1,8 a 2 la velocidad. nominal

Excitacion

Altura de operaci6n

3350msnm

Temperatura ambiente

20Q C

Acoplamiento

Mediante poleas

Humedad relativa

75%

Modo de montaje

eje vertical

51

3.8.2.-EQUIPOS DE PROTECCIÓN DEL GENERADOR  

Sistema de protección generador transformador Para el sistema de protección de del generador cuando este conectador al Transformador se utilizara una configuración típica que podrá hacer comparaciones de las corrientes y tensiones por los relés para evitar situaciones de corrientes altas que quieran entrar al generador. Se presenta de la siguiente manera, donde luego se especifican los relés

Fuente : libro de máquinas síncronas 6to semestre ingeniería eléctrica-Ing Roman Arispe

Dispositivo

Función

21 Relé de distancia. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en la zona del generador. 24 Dispositivo de comprobación de sincronismo. Protección de Volts/Hz para sobre excitación del generador. 52

32 Relé de potencia inversa. Protección de anti motorización. 40 Relé de campo. Protección de pérdida de campo. 46 Relé de corriente inversa. Protección de desbalance de corriente de secuencia negativa para el generador. 49 Protección térmica del estator. 51GN Relé de sobre corriente a tierra con tiempo. 51TN Respaldo para fallas a tierra. 51V Relé de sobre corriente de tiempo con control de tensión o restricción de tensión. Respaldo para fallas de fase en el sistema y en el generador. 59 Relé de sobre voltaje. Protección de sobretensión. 59GN Relé de sobretensión. Protección de falla a tierra en el estator para un generador. 60 Relé de balance de tensión. Detección de fusibles fundidos de transformador 63 Relé de presión del transformador. 62B Relé de retardo de tiempo de falla de interruptor. 64F Relé detector de tierra. Protección de falla a tierra del campo. 71 Nivel de aceite o gas del transformador. 78 Protección de pérdida de sincronismo. 81 Relé de frecuencia. Protección de baja o sobre frecuencia. 86 Relé auxiliar de bloqueo y reposición manual. 87G Relé diferencial. Protección primaria de falla de fases del generador. 87N Protección diferencial de falla a tierra del estator. 87T Relé diferencial. Protección primaria para el transformador. 87U Relé diferencial para la protección total de generador-transformador. Fuente: libro de máquinas síncronas 6to semestre ingeniería eléctrica-Ing Roman Arispe

3.8.3.-SISTEMA DE EXCITACIÓN AC CON RECTIFICACIÓN ESTACIONARIA Tiene dos modos independientes de regulación:  El regulador AC para mantener automáticamente la tensión en terminales del generador en el valor deseado.  El regulador DC o control manual para mantener constante la tensión de campo del generador, en situaciones de falla o deshabilitación del regulador AC.

53

Fuente : libro de máquinas síncronas 6to semestre ingeniería eléctrica-Ing Roman Arispe

3.9.- TRANSFORMADOR DE POTENCIA    

El transformador es el equipo más importante del proyecto, para lo cual deberán estar bien definidas sus protecciones. Se elige un transformador trifásico. Debe ser refrigerado por baño de aceite. Sera construido para montaje exterior. Se estandarizan a base de la potencia nominal, KVA .En la siguiente tabla se presentan los estándares de algunos fabricantes TRANSFORMADORES TRIFASICOS (KVA) 10 25 37.5 50 75 100 125 200 315 500 800 1000 Fuente: Manual de mini y micro centrales hidráulicas. Federico Coz, Lima – Perú, 1995 Adoptamos un transformador superior a la potencia en KVA del generador, el cual es 609.216 KVA, por lo tanto la potencia del transformador será de 800 KVA. Tomando como referencia de otros proyectos para el tipo de transformador, entonces tendrá las siguientes características: FABRICANTE POTENCIA

PROLEG GE 800KVA 54

APARENTE TENSION TIPO RADIADORES FASES PESO CONEXIÓN BAJA TENSION IMPEDANCIA

0.4/24.9 KV ONAF Tipo Oblea 3 2230 Kg. D–Y 380/220 V 7.25 %

3.10.-PLAN DE MANTENIMIENTO DE OBRAS CIVILES El plan de mantenimiento es de gran importancia ya que la vida útil de la central se amplia, una buena estrategia de la misma puede representar un gasto de inversión inicial elevado, pero a cambio el rendimiento de la central es elevado en el tiempo. Actividad Toma: -Control de funcionamiento de compuertas - Engrase del accionamiento de las compuertas - Reparación de compuertas - Limpieza del barraje derivador

Periocidad Mensual c / 6 meses según el estado mensual

Canal: - Limpieza del canal - Reparación del canal -Inspección de zonas susceptibles a derrumbes

C / 6 meses Según el estado Anual

Desarenador: - Inspección de daños - Limpieza del tanque - Reparación de la compuerta de purga Cámara de carga: - Limpieza de rejillas - Reparación de compuertas - Limpieza del desarenador

Mensual Mensual Mensual

Tubería de acero: - Inspección estado de pintura - Inspección apoyos - Pintado general de la tubería - Inspección de fugas

Anual Anual Según estado C / 6 meses

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3.11.- GOBERNADOR DE LA TURBINA

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3.12.- GOBERNADOR DEL GENERADOR

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4.-ANALISIS ECONOMICO FINANCIERO 4.1.- INTRODUCCION

Para realizar el estudio económico de este proyecto, veremos algunos de los indicadores de rentabilidad del proyecto como el VAN (Valor Actual Neto), B/C (Relación Beneficio Costo) y TIR (Tasa Interna de Retorno), dado que las centrales son a largo plazo se verá como mínimo diez años de funcionamiento para los mencionados indicadores. OBRAS CIVILES REJILLA DE CAPTACION Angulo de inclinación de las rejillas:10° Espaciamiento entre barras :5cm Ancho de cada barra :3cm L :0.83 m Longitud : 2.6 m Ancho del canal:0.83 m Tirante T :1.04 m Longitud del canal colector :2.26m 60

VOLUMEN :1.95 m3 COSTO MANO DE OBRA POR EXCAVACION: 24,2

$ US (Dato de un proyecto pasado hace 2 m3

años) COSTO DE LAS BARRAS: 74,73 $US COSTO TOTAL (REJILLA DE CAPTACION) = COSTO DE LAS BARRAS = 98.9$US COSTO TOTAL (REJILLA DE CAPTACION) = 98.9$US

CANAL COLECTOR Ancho del canal: 0.83 m Tirante T: 1.04 m Longitud del canal colector: 2.6 m VOLUMEN: 3,02 m3 COSTO TOTAL (CANAL COLECTOR) = 250.38 $US(dato obtenido de proyecto pasado hace 2 años) COSTO TOTAL (CANAL COLECTOR) = 250.38 $US

DESARENADOR Ancho del desarenador: 5.29 m Altura de cámara de sedimentación: 1.39 m Longitud de cámara de sedimentación: 8.818 m VOLUMEN: 64.839 COSTO TOTAL (DESARENADOR) = 1696 $US COSTO TOTAL (DESARENADOR) = 1696 $US VERTEDERO Altura del vertedero: 0.6 m Ancho del vertedero: 1.83 m Ancho del canal: 0.83 m Longitud de transición: 2.26 m VOLUMEN: 2.48 m3 COSTO TOTAL (VERTEDERO) = 150 $US COSTO TOTAL (VERTEDERO) = 150 $US

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CANAL (CONCRETO) Ancho del canal inferior: 1.23 m Ancho del canal superior: 2.472 Altura del canal: 1.069 m Longitud del canal: 250 m COSTO DE MANPOSTERIA: 150$US/m3 VOLUMEN: 659,34m3 COSTO TOTAL (CANAL) = COSTO DE MANPOSTERIA

= 98901 $US

COSTO TOTAL (CANAL) =98901 $US

CAMARA DE CARGA Ancho de la cámara: 5,29 m Longitud: 8.818 m Profundidad del colector: 1.34 m VOLUMEN: 62.5 m3 COSTO TOTAL (CAMARA DE CARGA) = 1837 $US COSTO TOTAL (CAMARA DE CARGA) = 1837 $US

TUBERIA PVC Como esta tubería tendrá uniones tipo espiga y campana, tendrá válvulas que fueron dimensionadas y elegidas en la parte de cálculos y otros componentes, el costo de esta tubería tomara el 40 % de las inversiones fijas. COSTO TOTAL (TUBERIA PVC) = 12808,93 $US CASA DE MAQUINAS (EQUIPOS ELECTROMECANICOS) Altura: 6 m Ancho: 6 m Largo: 10 m El costo de la casa de máquinas incluirá: su construcción, los componentes internos que posee (puente grúa, sala de control, etc.). COSTO CASA DE MAQUINAS = 246554 $US Para: COSTO DEL GENERADOR: 500000 $US COSTO DE LA TURBINA: 5000 $US COSTO TOTAL (CASA DE MAQUINAS) = 751554$US 62

El costo del transformador será: COSTO (TRANSFORMADOR) = 20000 $US COSTO (TRANSFORMADOR) = 20000 $US

4.3.- COSTO TOTAL DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO ÍTEM

Ingeniero eléctrico Técnicos Servicios Mtto. Preventivo

CANTIDAD SUELDO MENSUAL $ 1 1000

SUELDO ANUAL $

1

8400

700

12000

TOTAL SUELDOS $ 120000 100800 3000 2000

4.4.- EVALUACION ECONOMICA Se considera ingresos por venta de energía desde la puesta en marcha y el valor residual la cual no la tomaremos en nuestro flujo de caja ya que estos valores se ven cuando el proyecto deja de funcionar y se deberá vender las instalaciones. INGRESOS POR VENTA DE ENERGIA Es el ingreso anual que se produce desde la puesta en marcha de operación de la M.C.H. hasta el fin de su vida útil del proyecto. Se determina a partir de la energía que se venderá cada año, según lo previsto en el estudio de mercado, y de una tarifa por KWh que pagaran los usuarios o abonados. Se calcula con la expresión: Bn=E n∗t Donde: Bn = Ingresos por venta de energía, en el año n (en SU$). En = Energía vendida durante el año n (en KWh).

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Energia=Potencia∗Tiempo=( 196.2∗6000 )=1177200

KW∗h año

También se puede observar en la siguiente tabla que: t=116.48 ctvs /KWh , tarifa de venta de energía (en ctvs. /KWh)

FUENTE: Autoridad de fiscalización y control social de electricidad, Servicios Eléctricos Yungas S.A. Consolidado con IVA, Estadísticas gestión 2011

Llevando a SU$/KWh: ctvs ∗1 Bs KWh ∗1 SU $ 100 ctvs SU $ 116.48 =0.1664 7 Bs KWh SU $ Bn=E n∗t=1177200∗0,1664=165886.08 año

BENEFICIOS DEL PROYECTO El proyecto tendrá beneficios solo si a lo largo de la vida útil del mismo son mayores que los egresos comparándolos año por año. En el caso de la M.C.H. será proyectado para diez años. Ya que los beneficios y costos están en todos los años, debemos usar una tasa de interés o descuento desde que opera la M.C.H., en el caso de la evaluación privada asumimos un valor mayor a la que el banco brinda, asumimos el 10%. Realizando el flujo de caja para: r=10, tasa de descuento o interés alternativo (en %). T=10, año o periodo de análisis.

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VALOR ACTUAL NETO (VAN) Es la diferencia de las una total de los beneficios actualizados, menos la suma total de los costos actualizados, a una misma tasa de descuento i. Este indicador de rentabilidad de proyectos, permite determinar el grado de riqueza generado por el proyecto, consiste en actualizar los flujos futuros del proyecto, calculando los valores monetarios del futuro del proyecto en sus equivalentes al día de hoy (presente). La equivalencia del dinero entre el futuro y el presente tenemos: Vf V p= V f =V P (1+ r)t t (1+ r) F0 F1 F2 Fn VAN =∑ + + +…+ 0 1 2 (1+r ) ( 1+ r) (1+ r) (1+r )n Donde F 0 , F 1 , F2 … F nson los flujos netos de caja de c/u de los años o periodos correspondientes. - Si VAN >0, entonces el proyecto es rentable. - Si VAN