turbinas
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CAPITULO 4
EQUIPOS ELÉCTRICOS Y MECÁNICOS
4 EQUIPO ELECTROMECÁNICO
4.1 TURBINAS
4.1.1 INTRODUCCIÓN
La turbina es el elemento que permite aprovechar el potencial energético de un
recurso hídrico de manera eficiente al transformar la energía potencial en
energía mecánica para luego, por medio del generador básicamente, obtener la
energía eléctrica necesaria o permisible del esquema hidroeléctrico para
distribuirla a la población o industria (sistema aislado), o transmitirla a la red de
distribución (sistema conectado).
Dentro del rango de Pequeñas Centrales Hidroeléctricas, las turbinas se
clasifican acorde a su principio de operación y la caída. Tabla 4.1.1
Rodete Caída alta Caída media Caída baja
Impulso
• Pelton
• Turgo
• Pelton con múltiples inyectores
• Flujo transversal (Michell-Banki)
• Turgo
• Pelton con múltiples inyectores
• Flujo transversal (Michell-Banki)
Reacción
• Francis
• Bombas como turbinas (PAT)
• Hélice
• Kaplan
Tabla 4.1.1 Tipos de turbinas para pequeñas centrales hidroeléctricas.
La selección de la mejor turbina depende de las características del sitio (caída
neta y potencia requerida), la velocidad de diseño del generador, las
condiciones parciales de carga.
Frecuentemente el equipo que se encuentra acoplado a la turbina, como el
generador, necesita girar a una velocidad mayor a la velocidad de la turbina.
Esto lleva a la necesidad de incorporar sistemas de transmisión por engranajes
o poleas y bandas; minimizando preferiblemente la relación de velocidad en
orden de reducir los costos de transmisión11.
• Selección de la turbina
La selección de la turbina se realiza a partir de un nomograma; conociendo la
caída del sitio propuesto, y calculando la potencia de salida de la turbina:
HQeP turbinaturbinao ***10= kW (4.1)
Donde Poturbina en kW, Q en m3/s, H en m. Se asume que eturbina está entre
65% a 80% para una turbina de flujo transversal, 75% para una Pelton y Turgo;
y 80% para una turbina de reacción. Aunque cada fabricante diseña su turbina
y especifica su eficiencia.
También existen y se usan nomogramas para estimar el tamaño del rodete
requerido (diámetro) para una turbina, o para determinar la turbina adecuada
de acuerdo a las condiciones de caudal y caída neta. Este se usa luego de
haber seleccionado el tipo de turbina a utilizar. Generalmente grandes rodetes
son más caros que un rodete pequeño, aunque si su funcionamiento es
complejo, también será caro.
11
La transmisión de potencia a baja RPM involucra ejes robustos, soportes y bandas robustas. Como una
regla empírica no debe ser mayor a 3:1 y menor a 2.5:1
En general los criterios de selección de las turbinas según el tipo, geometría y
dimensiones de la turbina están condicionados, fundamentalmente, por los
siguientes criterios:
• Altura de salto neta
• Horquilla de caudales a turbinar
• Velocidad de rotación
• Problemas de cavitación
• Velocidad de embalamiento
• Costo
Figura 3.1.1 Nomograma para selección de turbinas para pequeñas centrales hidroeléctricas.
Fuente: no conocida
• Eficiencia del sistema a caudal parcial
La eficiencia total de un esquema para pequeñas centrales hidroeléctricas es
generalmente 0.5, para cuando se considera que la turbina trabaja a su caudal
de diseño; pero no se aplica cuando trabaja a caudal parcial.
Cuando la turbina trabaja a caudal parcial existe una reducción en la eficiencia
de cada componente, la turbina, el sistema de transmisión, el generador. Estas
eficiencias combinadas pueden reducir enormemente la eficiencia total del
sistema. A saber:
- Cuando no se conoce el funcionamiento de la turbina a caudal
parcial; es decir, si el fabricante no especifica o no se puede
conseguir a través de pruebas en laboratorio; entonces se asume
que la eficiencia de la turbina es 20% menor a una máquina similar
de otro fabricante.
- Para los generadores (sincrónicos o inducción), es necesario
consultar al fabricante. Normalmente su valor está entre 70% a 80%
a media carga, y 60% a 75% a ¼ de carga.
- Los sistemas de transmisión están normalmente a una eficiencia
alrededor del 95%.
- La tubería de presión es un componente que puede mejorar su
eficiencia a caudales parciales. En pequeñas centrales es más
económico escoger diámetros de tubería con 90% de eficiencia; en
micro centrales, es más, poner tuberías con eficiencias a caudal total
del 80% a 90%, pero a caudal parcial esta eficiencia mejora
alrededor del 95%.12
• Velocidad específica
La velocidad específica Ns es la relación entre la caída H, la potencia de salida
Po y la velocidad actual de la turbina Nturbina:
12
Tomado de Adam Harvey, Note 5.1.1, pag 158.
4/5
2/1
**2.1H
PNN o
TURBNINAS = (4.2)
Donde la velocidad Ns está en revoluciones por minuto (RPM), la caída H en
metros (m) y la potencia de salida en kW. La Ns es una constante que describe
particularmente a una máquina, que solo el fabricante puede proporcionar. Si la
turbina no tiene la velocidad específica requerida, se puede necesitar un factor
(G) que permita incrementar la velocidad de transmisión.
G
NN ALTERNADOR
TURBINA = (4.3)
4/5
2/1
**2.1H
P
G
NN oTURBNINA
S = (4.4)
Si la turbina es Pelton, con varios inyectores (n); la velocidad específica se
puede calcular si se conoce la Ns de una Pelton con un inyector:
nNinyectormultiN SS *)( =− (4.5)
4.1.2 TURBINAS DE IMPULSO
Las turbinas tipo Pelton, Flujo transversal y Turgo, para aplicaciones en
pequeñas centrales PCH, en especial en sistemas micro hidroeléctricos, son
totalmente utilizadas. Las ventajas frente a las turbinas de reacción son:
• Son más tolerantes a la arena y otras aplicaciones.
• Facilidad de acceso a las partes.
• Son más fáciles de fabricar y mantener.
• Están menos sujetas a la cavitación.
• Tienen curvas de eficiencia más planas.
La desventaja de las turbinas de impulso es que no son aplicables para bajas
relaciones entre caída y potencia; pero se las puede utilizar para relaciones
caída y potencia medias.
4.1.3 TURBINAS PELTON
Una turbina Pelton tiene uno o más inyectores de agua sobre una serie de
cucharas montadas en un disco. En instalaciones grandes las turbinas Pelton
son normalmente utilizadas para caídas mayores a 150 m. Para aplicaciones
en PCH (micro hidroeléctrico), sin embargo, se pueden utilizar turbinas Pelton
para caídas más pequeñas.
• Turbinas con un inyector y varios inyectores
Las turbinas con un inyector, tradicionalmente se han venido instalando en
sistemas de PCH, pero hoy, con la aparición de governadores de control de
carga, y la tendencia hacia alternadores con altas velocidades, las turbinas con
varios inyectores tiene más vigencia.
Las ventajas con respecto a una turbina con un inyector son:
- Altas velocidades de rotación.
- Rodetes y carcasa más pequeños.
- Control de flujo sin válvulas para controlar la acción de los inyectores.
- Reducción del golpe de ariete.
- Mejores precios.
Como desventajas son:
- Posibilidad de que un inyector no funcione.
- Complejidad en los colectores y pérdidas por fricción.
- Si se requiere governador, su control es más complejo.
• Principios básicos de una Pelton
Las ecuaciones RPM y del inyector son dos ecuaciones fundamentales que
gobiernan el diseño de las Pelton. Ambas se derivan de la ley de Bernoulli y de
la ecuación de descarga de un orificio. Estas ecuaciones permiten encontrar el
diámetro del rodete (Drodete) y el diámetro del inyector (dinyector):
RPM
HCvD ero
**38det = (4.6)
nH
QCdd inyector
*
**54.0
4/1= (4.7)
Donde el coeficiente de pérdida de energía cinética es Cv, el coeficiente de
descarga es Cd y n es el número de inyectores.
• Dimensionamiento
Para el dimensionamiento, generalmente existen dos situaciones a considerar:
a) Si se desea especificar una Pelton para instalarla en un nuevo sitio:
- Se optimiza el diámetro de la tubería de presión para calcular la
caída neta.
- Usar el nomograma para ver si la Pelton es adecuada y estimar los
requerimientos para un sistema de transmisión.
- Encontrar el diámetro ideal para el rodete a partir de la ecuación 3.6
- Calcular el diámetro del pulverizador con la ecuación 3.7.
- Considerar cuales son los factores de relación de transmisión
disponibles y calcular el diámetro ideal del rodete.
- Encontrar la relación entre los diámetros del rodete y del inyector D/d:
Relación D/d Número de cucharas
8:1 12 a 14
10:1 16 a 20
12:1 22 a 26
Tabla 3.1.3 Relación entre diámetro del rodete y del inyector.
- Considerar los requerimientos a caudal parcial y reguladores de
velocidad en orden de escoger el número de inyectores.
b) Si se tiene un rango de rodetes Pelton con diámetros específicos y se
desea escoger el mejor rodete para el sitio:
- Encontrar la velocidad de la turbina a partir de la ecuación 3.6.
- Calcular la relación de transmisión G:
turbinaRPM
acRPMG
_
arg_= (4.8)
- Considerar si la caída neta puede ser ajustada para conseguir la
velocidad deseada de la turbina y si la carga puede operar a una
velocidad corregida.
- Calcular el caudal o flujo que atraviesa la turbina y escoger el número
de inyectores para el caudal deseado (ecuación 3.7).
- Considerar modificaciones prácticas del tamaño del inyector y el
número de inyectores en orden de corregir el caudal deseado.
4.1.4 TUBINAS DE FLUJO TRANSVERSAL
Llamadas también turbinas Mitchell – Banki u Ossberger. Estas turbinas para
dimensionarlas, los cálculos de interés son la longitud del rodete (Lrodete), el
diámetro (Drodete) y el ancho del inyector (tinyector). La longitud del inyector es
siempre la longitud del rodete; mientras que la segunda dimensión es el ancho
del inyector, es diseñado para el óptimo rendimiento. A continuación se usa un
método aproximado para obtener las dimensiones físicas en metros:
1. Escoger la velocidad de giro y calcular el diámetro del rodete:
RPM
HD
neta
ero
*40det = (4.9)
2. El ancho del inyector está entre 0.1 a 0.2 del diámetro del rodete.
3. Estimado el ancho, la longitud del rodete se calcula a partir de la
ecuación de descarga:
netainyector
eroHgt
QL
*2*det = (4.10)
4.1.5 TURBINAS DE REACCIÓN
Las turbinas de reacción son las Francis y de hélice o Kaplan. En general estas
turbinas rotan más rápido que las turbinas de impulso para las mismas
condiciones de caída y caudal. Estas altas velocidades permiten el acople
directo entre la turbina y el generador sin necesidad de instalar un sistema de
transmisión. Las turbinas Francis se ubican para caídas medias y las de hélice
a bajas caídas. Todas las turbinas de reacción están sujetas a daños por
cavitación y tienen pobres eficiencias a caudal parcial.
4.1.6 TUBO DE ASPIRACIÓN
El propósito del tubo de aspiración o succión es mantener una columna de
agua entre la salida de la turbina y el nivel del agua río abajo. El segundo
propósito es recuperar la energía de la velocidad del agua que deja el rodete,
evitando pérdida por turbulencia y cavitación.
El uso de tubos de aspiración con las turbinas de reacción requiere
conocimiento de los límites de cavitación. El fabricante de la turbina aconsejará
sobre la correcta ubicación del rodete sobre o bajo el nivel del agua que sale
para evitar cavitación. La máxima distancia permitida en metros está dada por:
HHvHaZ TCσ−−=max (4.11)
Donde Ha es la presión atmosférica, Hv presión de vapor a temperatura
ambiente, H es la caída neta y σ TC es la constante característica del rodete
crítica Thoma – sigma o también llamado coeficiente de cavitación.
4.1.7 TIPOS DE REGULACIÓN
El tipo de regulación estará especificada en función de la característica de
funcionamiento de la central, es decir, si funcionará en paralelo a la red central
o en un sistema aislado.
Si el grupo o la central funcionan en red aislada o representa una parte
importante de la red considerada, será necesario un regulador para mantener
la frecuencia de la red durante los cambios de potencia. Cuando la energía
hidráulica es abundante y los grupos son de pequeña potencia, un regulador
simplificado puede ser idóneo para disipar la potencia sobrante, porque la
turbina trabaja a plena carga.
El modo de funcionamiento que el regulador trabajará será en función del tipo
de servidumbre. Si es necesario mantener el nivel constante de aguas para
aprovechamientos fluyentes, deberá existir una retroalimentación entre la
abertura de la turbina y el nivel de agua. Pero si se requiere restituir un caudal
constante o programado la servidumbre será de caudal.
Cuando la central funciona en red aislada el regulador de velocidad accionará
el órgano de apertura de la turbina con retroalimentación de apertura y
velocidad.
Es muy importante establecer un compromiso entre la calidad de la regulación
de la red y su costo (inercia y velocidad del grupo, variaciones de presión y
velocidad) analizando todo el circuito hidráulico frente a cambios bruscos de la
carga.
4.2 SISTEMAS DE TRANSMISIÓN
Un sistema de transmisión está conformado por los ejes del generador y la
turbina, los cojinetes, acoplamiento de los ejes, soportes, poleas, fajas,
engranaje u otros elementos que permitan cambiar la velocidad u orientación
de los ejes. Su función es transmitir la potencia desde la turbina al generador a
la velocidad correcta y a dirección adecuada.
A continuación se enlistan algunos de los arreglos posibles que se pueden
aplicar para pequeñas centrales hidroeléctricas:
• Acoplamiento directo.
• Sistema de transmisión por bandas.
• Acoplamiento directo usando una caja de engranajes (en motores de
inducción usados como generador).
• Rotor de la turbina montado directamente sobre el eje del generador.
Para diseñar un sistema de transmisión existen algunos criterios para ello:
1. Se necesita calcular la potencia transmitida al sistema de transmisión.
2. Calcular la relación de velocidad entre el eje de la turbina y el eje del
generador.
3. Es indispensable escoger el arreglo de transmisión más confiable y
económica.
4. Si se escoge un arreglo por bandas, se debe determinar el número de
fajas a utilizar y su ancho.
5. Calcular las tensiones sobre los ejes por las fajas para la condición de
trabajo bajo carga.
6. Calcular si los ejes del generador y turbina soportan las cargas a lo largo
de su vida útil.
4.3 EQUIPO ELÉCTRICO
4.3.1 GENERADOR
Existen dos tipos principales de generadores, los sincrónicos y los asincrónicos
o de inducción. La utilización de un tipo o del otro dependerá de las
características de la red a la que será conectado y de los requerimientos de
operación demandados al generador.
El generador sincrónico será utilizado en las redes aisladas en las que el grupo
tenga una influencia importante en la misma. En situaciones particulares,
podrán utilizarse grupos asincrónicos.
Cuando la central estará conectada a la red central, se pueden utilizar
cualquiera de los dos tipos. Pero antes de tomar la decisión, es importante
tener en cuenta el tipo de regulación y el suministro de potencia reactiva.
Las especificaciones del generador deben ser tanto eléctricas como
mecánicas; como la capacidad del generador en VA considerando una posible
expansión del sistema (cargas), los soportes, sobre velocidad, temperatura de
operación, clase de aislamiento, entre otros.
A partir de estas consideraciones se presenta a continuación una lista para
especificar el generador:
1. Tipo de turbina, su potencia de entrada y su eficiencia.
2. Calcular la potencia a suministrar a los consumidores.
3. Descripción de la línea de transmisión, su longitud, el tipo de
sistema (monofásico o trifásico), pérdidas, caída de voltaje.
4. Naturaleza de la carga en caso de que el sistema a servir sea
aislado: motores, iluminación, etc. Estimar sus factores de
potencia.
5. Continuidad de trabajo.
6. Características de frecuencia, voltaje y velocidad.
7. Sobre velocidades relacionadas con la turbina.
8. Número de fases; si es monofásico o trifásico.
9. Los kVA, kW, factor de potencia, y su eficiencia.
10. Medio de trabajo: por ejemplo si existe polvo.
11. Temperatura ambiente, humedad, altitud.
12. Equipo de monitoreo como medidores de frecuencia, de voltaje,
de corriente, de potencia.
13. Regulador automático de voltaje AVR.
14. Sistema de governador.
15. Protecciones: sobre velocidad, baja velocidad, sobrecarga,
cortocircuito.
16. Dimensiones físicas y peso.
17. Expectativas de vida de los componentes y posibilidad de
reemplazarlos.
Para instalaciones micro hidroeléctricas, el generador de inducción es más
factible que uno sincrónico porque contiene pocas partes, es más barato, etc.
Un generador de inducción puede ser diseñado normalmente como motor de
inducción dado que los fabricantes no hacen específicamente máquinas como
generador.
Cuando sea posible, conviene usar máquinas normalizadas o de series
mejoradas. La mayor parte de estas máquinas están hechas para
sobrevelocidades habitualmente utilizadas en las turbinas (1.25 ó 1.50 veces la
velocidad nominal); consecuentemente, el diseño del generador se contrastará
con las condiciones de la turbina.
4.3.2 TRANSFORMADOR PRINCIPAL
Para el transformador principal, las características más importantes a
considerar son las siguientes:
a) potencia nominal;
b) número de devanados;
c) tensión nominal y regulación de tensión;
d) frecuencia;
e) relación de transformación;
f) tipo de conexión de cada arrollamiento;
g) condiciones de implantación;
h) tipo de refrigeración;
i) tensión y corriente de cortocircuito.
Según el tipo y la importancia del transformador, será deseable vigilar la
temperatura, defectos internos como detector de gases, fallas a tierra.
4.3.3 EQUIPOS AUXILIARES
Dentro de los equipos auxiliares se tienen los equipos de interrupción y
seccionamiento, transformador de servicios auxiliares, transformadores de
protección y medida, equipos de medición, batería de condensadores, malla de
puesta a tierra, alimentación de corriente continua, repuestos, entre otros.
a) Interruptores automáticos: las características principales que deberán
ser analizadas son la potencia de cortocircuito (poder de corte), tensión
nominal, corriente nominal, nivel de aislamiento, tipo de mando.
b) Para los seccionadores, las características básicas e importantes son: la
tensión nominal, corriente nominal, resistencia de cortocircuito, nivel de
aislamiento.
c) Para el transformador de servicios auxiliares, se recomienda calcular la
potencia demandada por dichos servicios (demanda presente y
reservas) a fin de determinar las características principales.
d) Transformadores de tensión (para protección y medida): tensión
nominal, nivel de aislamiento, relación de transformación, número de
devanados, potencia de precisión de cada devanado, clase de precisión
de cada devanado.
e) Transformadores de corriente (para protección y medida): tensión
nominal, relación de transformación, potencia, clase de precisión,
resistencia al corto circuito.
f) Alimentación de corriente continua y sus cargadores para los equipos
de mando, alarma y control.
g) El circuito de puesta a tierra requiere un cuidado especial porque podrá
tener repercusiones importantes en la obra civil en la cual estará
embebido o unido.
4.3.4 SISTEMA DE MANDO Y CONTROL
La extensión y características del automatismo dependerán del tipo de
funcionamiento de la central (con operadores, abandonado, telemandada), de
la cualificación del personal, etc.
Podrá disponerse de un simple panel de mando o de un automatismo
secuencial, con todas las funciones de mando y control. Además, deberá
analizarse la solución que se adapte mejor a cada caso, teniendo en cuenta los
imperativos de explotación y su costo. Desde este punto de vista, es importante
considerar las consecuencias de una avería como parada de la central,
arranque, etc.
Según el emplazamiento de la nueva central se considera el tipo de mando y
control: local o remoto. En cada caso, se buscará la mejor solución desde el
punto de vista de la simplicidad y de la eficacia.
4.3.5 LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
Las líneas de transmisión necesitan ser dimensionadas; entonces, el principal
objetivo del procedimiento de diseño es calcular el calibre del conductor y por
ende las pérdidas de potencia en la línea y sus costos totales aproximados.
Luego se determinan algunos criterios y características de la línea:
• La máxima variación de voltaje permisible sin carga y con carga.
• La máxima pérdida de potencia que resulten económica
• Estabilidad estructural.
• Seguridad para las personas que viven y trabajan cerca de las líneas.
• Si la línea es aérea o subterránea.
• El voltaje a transmitir: transformadores de elevación y reducción; o
simplemente se transmitirá a bajos voltajes (esquema micro
hidroeléctricos).
• Factor de potencia de la carga.
• Espaciamiento de las partes o torres para la línea.