PROGRAMA PARA EL CÁLCULO DE LAS EFICIENCIAS ELECTROMECÁNICAS EN EQUIPOS DE BOMBEO DE POZO PROFUNDO (EFEL 1.0)

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1 PROGRAMA PARA EL CÁLCULO DE LAS EFICIENCIAS ELECTROMECÁNICAS EN EQUIPOS DE BOMBEO DE POZO PROFUNDO (EFEL 1.0) Program for the Calculation of Efficiency Electromechanical in Equipment Deep Well Pumping (EFEL 1.0) Gerardo Delgado Ramírez 1 ; Miguel Rivera González 1 ; Ramón Trucíos Caciano 1 ; Juan Estrada Ávalos 1 ; Ernesto A. Catalán Valencia 1 1 INIFAP. Centro Nacional de Investigación Disciplinaria en Relación Agua-Suelo-Planta-Atmósfera. Km 6.5 margen derecha Canal Sacramento, Gómez Palacio, Durango. delgado.gerardo@inifap.gob.mx RESUMEN El costo de la energía eléctrica en el sector agropecuario, representa alrededor del 30 por ciento de los costos de producción del producto primario, debido a la extracción del agua subterránea para la irrigación de los cultivos forrajeros. Por eso, es conveniente evaluar periódicamente la eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo con el propósito de mejorar la relación entre la energía consumida y el volumen de agua extraído. El objetivo de este trabajo fue desarrollar un software que determine la eficiencia electromecánica, en base a la metodología propuesta por la NOM-006-ENER Esta se refiere a la eficiencia energética electromecánica en equipos de bombeo para pozo profundo en operación, la cual es aplicable para bombas sumergibles y con motor externo. El programa también calcula el porcentaje de recargo que ejecuta la Comisión Federal de Electricidad (CFE) por tener un factor de potencia menor al valor de Asimismo, realiza un análisis de optimización del calibre del conductor de energía eléctrica desde el arrancador hasta el motor eléctrico. Además, genera una base de datos sobre las evaluaciones y mantenimientos que se realicen a cada pozo y/o equipo con el propósito de facilitar el control de los servicios de instalación y mantenimiento. Por último, el software genera una serie de recomendaciones dirigidas al usuario para que confronte con los proveedores del servicio de instalación o mantenimiento de los equipos. Todo esto, con el fin de contribuir en la disminución de los costos de la energía eléctrica por la extracción del agua subterránea. Palabras Clave: agua subterránea, bomba, energía eléctrica, motor eléctrico. SUMMARY The cost for electrical energy in the agricultural sector accounts for about 30 percent of the production costs of the primary product, due to the extraction of groundwater for irrigation of fodder crops. Therefore, it is convenient to evaluate periodically the electromechanical efficiency of pumping equipment with the aim of improve the relationship between the energy consumed and the volume of water extracted. The aim of this work was to develop software that determines the electromechanical efficiency, based on the methodology proposed by the NOM-006-ENER This is about energy efficiency electromechanical equipments for deep well pumping operation, which is applicable for submersible pumps and with external motor. The program also calculates the percentage of surcharge that runs the Federal Electricity Commission (CFE) by having a lower power rating factor to the value of It also performs an analysis of gauge of the conductor optimization of electrical energy from the soft starter up the electric motor. Also generates a database of evaluations and maintenance to be carried to each well and/or equipment with the aim of facilitate the control of the installation and maintenance services. Lastly, the software generates a series of recommendations to the user to confront service providers with installation and maintenance of equipment. All this for the purpose of contribute to reducing the costs of electric energy by the extraction of groundwater. Keywords: groundwater, pump, electrical energy, electric motor. INTRODUCCIÓN Diversos especialistas definen la eficiencia electromecánica como la relación entre la energía eléctrica suministrada a un motor eléctrico (potencia eléctrica) y la energía mecánica que realiza un motor para extraer agua del subsuelo, también llamada potencia hidráulica (Cisneros, 1977; Peña, 1989; Viejo, 2000; CNA, 2009). En otras palabras, es la relación entre la 69

2 VOLUMEN 13 NÚMERO energía eléctrica consumida y el volumen de agua extraído por la bomba. En México, el costo de la energía eléctrica en el sector agropecuario representa alrededor del 30 por ciento de los costos de producción del producto primario (Delgado et al., 2013), por la extracción del agua subterránea para la irrigación de los cultivos forrajeros. De ahí la importancia de evaluar periódicamente la eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo de pozo profundo con la finalidad de monitorear y en su caso mejorar la relación entre la energía consumida y el volumen de agua extraído a través de acciones que permitan reducir el consumo de la energía eléctrica. En nuestros días, permanece vigente una Norma Oficial Mexicana que trata sobre la eficiencia energética electromecánica en equipos de bombeo para pozo profundo en operación (NOM-006-ENER-1995). Esta Norma tiene como finalidad establecer el nivel mínimo de eficiencia electromecánica para la operación de los equipos de bombeo para riego agrícola y servicios municipales, para bombas verticales tipo turbina con motor eléctrico: externo o sumergible. La Norma establece que cuando un equipo de bombeo no alcance el valor mínimo permisible será necesario rehabilitarlo para reducir su consumo de energía con el fin de contribuir a la preservación de los recursos energéticos. Además, especifica el método de prueba para verificar el cumplimiento de los valores mínimos establecidos de dicha eficiencia, en base a los intervalos de potencias del motor eléctrico (de 7.5 a 350 hp). El presente programa calcula la eficiencia electromecánica de acuerdo a la metodología propuesta por la NOM-006- ENER En base a la eficiencia calculada y a los valores mínimos permisibles por la Norma. Además, genera una serie de recomendaciones o sugerencias dirigidas al usuario para que confronte con los proveedores del servicio de instalación o mantenimiento de los equipos con el objeto de mantener o mejorar la eficiencia al valor mínimo permisible. El software también calcula el porcentaje de recargo o penalización que ejecuta la Comisión Federal de Electricidad (CFE) a todos los usuarios por tener un factor de potencia menor al valor de Igualmente realiza un análisis de optimización del calibre del conductor de energía eléctrica desde el arrancador hasta el motor eléctrico. Finalmente, crea una base de datos sobre las evaluaciones y mantenimientos que se realicen a cada pozo y/o equipo, con el propósito de facilitar el control de los servicios de instalación y mantenimiento de la bomba, arrancador, transformador, motor eléctrico, cables conductores, etc. Todo esto, con la finalidad de contribuir en la disminución de los costos de la energía eléctrica por la extracción del agua subterránea. DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA El programa calcula la eficiencia electromecánica de acuerdo a la metodología establecida por la Norma Oficial Mexicana 006 (NOM-006-ENER-1995); donde dicha eficiencia es la relación de la potencia medida a la salida de la bomba entre la potencia de entrada al motor eléctrico, y se expresa en porcentaje (Román et al., 2004; Reyes, 2005), la relación es la siguiente: Donde E. E. es la eficiencia electromecánica (%); q v el gasto bombeado (m 3 seg -1 ); ρ es la densidad del agua (kg m -3 ); g es la aceleración de la gravedad (m seg -2 ); H es la carga total dinámica de bombeo (m); V (1) es la tensión eléctrica (volt); I es la corriente eléctrica (amperes); fp es el factor de potencia (adimensional). El menú principal del programa EFEL 1.0 comprende las siguientes cinco secciones: 1) registro de predio y pozo, 2) evaluaciones, 3) bitácora de evaluaciones, 4) bitácora de mantenimiento y 5) análisis de los conductores (Figura 1). A continuación se describen de forma detallada cada una de las secciones que conforman el software: 1) Sección Registro de predio y pozo : en esta ventana se registra el nombre del predio y la ubicación de este (municipio y estado), así como el número de pozo y el uso del agua (Figura 2). 2) Sección Evaluaciones : en esta sección aparecen solamente los predios y pozos registrados con anterioridad, por lo que es imposible registrar un predio y/o pozo nuevo. En esta misma ventana se introduce la fecha en que se realizó la evaluación del equipo de bombeo. Para iniciar la captura de la información se oprime el botón iniciar (Figura 3). En la siguiente ventana (Figura 4), se introducen los datos de características del pozo, como: diámetro de la tubería de succión (in); diámetro de la tubería de descarga (in); longitud de la tubería de descarga (m) y la elevación de descarga o proyección vertical (m). Después de introducir las características del pozo, se selecciona el tipo de bomba existente en el programa. Este proporciona dos opciones para el seleccionamiento: sumergible o no sumergible o también conocido como bomba vertical con motor externo (Figura 5). Al seleccionar la bomba, simultáneamente aparece un campo para capturar la capacidad del motor eléctrico en unidades de caballos de fuerza (hp). En caso de seleccionar la bomba no sumergible, el programa adiciona otro campo para capturar el diámetro de la flecha del motor eléctrico en pulgadas, este dato es primordial para calcular las pérdidas de carga en la tubería de succión. El programa tiene disponible tres técnicas de aforo para facilitar la estimación del gasto bombeado: volumétrico, con molinete digital y con el medidor volumétrico instalado en el cabezal de descarga del pozo (Figura 6). Cada una de estas técnicas requiere diferente instrumentación, y por tanto, su exactitud 70

3 RELACION AGUA-SUELO-PLANTA puede variar en cada caso. El método volumétrico consiste en cuantificar el tiempo necesario para el llenado de un recipiente (balde, tambo, etc.) previamente aforado, a través del uso de un cronómetro. El gasto se calcula dividiendo el volumen de agua entre el tiempo promedio de llenado del recipiente (Ochoa, 1996; Briones et al., 1997). Su expresión es la siguiente: Donde Q es el gasto o caudal bombeado (lt.seg -1 ); V es el volumen conocido del recipiente (lt); t prom es el tiempo promedio de llenado del recipiente (seg). La técnica del molinete, es práctica y precisa para medir la velocidad del agua en canales abiertos y tuberías. En este último, pueden realizarse mediciones de velocidad de agua en tubos llenos y parcialmente llenos (Ruiz, 2001; Tezeta, 2011). Cada molinete esta calibrado de fábrica y dispone de una tabla o una ecuación para transformaciones de datos. La velocidad del agua se mide, colocando el molinete a una profundidad del 60% del tirante hidráulico, tomando lecturas a un intervalo de 60 segundos; cuanto mayor sea el número de lecturas, más confiable será la apreciación de la velocidad medida en la tubería. El gasto en una tubería totalmente llena se calcula con la siguiente ecuación: Donde Q es el gasto o caudal bombeado (lt.seg -1 ); d es el diámetro interior de la tubería (m); v es la velocidad del agua dentro del tubo (m.seg -1 ). Para el caso, del tubo parcialmente lleno, el gasto se calcula mediante la siguiente expresión matemática: Donde c es un coeficiente de ajuste del área que depende de la relación entre el tirante hidráulico (h) y el diámetro interior de la tubería (d). (2) (3) (4) La técnica del medidor volumétrico instalado en el pozo, es el menos recomendado; sin embargo, es una opción en caso de no contar con el material o la instrumentación necesaria para medir el gasto bombeado. En este caso, se sugiere que el intervalo de las lecturas observadas en el medidor volumétrico sean de un tiempo de al menos seis horas, con la finalidad de garantizar un dato confiable (Saldivar, 2010). El gasto se determina con la siguiente ecuación: Donde LECinicial es la lectura inicial del volumen de agua extraído por el pozo (m 3 ); LEC final es la lectura final del volumen de agua extraído (m 3 ); t es el tiempo de medición entre las dos lecturas. En la Figura 7 se selecciona la técnica de medición del nivel dinámico, la cual representa la distancia vertical que existe entre el nivel de referencia (base del motor) hasta la superficie del agua cuando el equipo de bombeo se encuentra en operación (Reyes, 2005). Este nivel depende prácticamente del caudal y tiempo de bombeo, y sobre todo de las características hidrogeológicas del acuífero (Quintero, 1994). Para determinar este valor, el programa propone tres técnicas: sondeo, por número de tramos de tubería de columna y sonda neumática. Estableciendo los valores de gasto y nivel dinámico, se capturan los parámetros eléctricos de la evaluación de la eficiencia electromecánica de los equipos de bombeo (Figura 8). En esta ventana se capturan los datos de voltaje, corriente, factor de potencia y kilowatts. En esta misma ventana el programa calcula la estimación de recargo por bajo factor de potencia. Para ello, se utiliza la fórmula establecida por la Comisión Federal de Electricidad (CFE, 2011), disponible en su página web. Además, el programa calcula la potencia real consumida por el motor eléctrico en unidades de caballos de fuerza (hp). En la Figura 9 se observa la última ventana de la sección Evaluaciones donde se presentan los resultados: carga total dinámica, eficiencia electromecánica mínima aceptable por la NOM-006-ENER Así como la eficiencia electromecánica calculada y las sugerencias generadas por el programa para mejorar la eficiencia del equipo. 3) Sección Bitácora de Evaluaciones : esta sección fue diseñada para consultar el historial de las evaluaciones de un pozo de interés. Para visualizar dicho historial, es necesario seleccionar el nombre del predio y el número de pozo registrado previamente (Figura 10). Para imprimir los resultados del programa, se selecciona el pozo (el programa sólo puede imprimir un resultado a la vez), luego se oprime el botón imprimir resultados (Figura11). En la Figura 12, se presentan los resultados de la evaluación de la eficiencia electromecánica de forma detallada. Dentro de los resultados se observa lo siguiente: fecha de evaluación, nombre del predio, localización del predio, número de pozo, uso del agua, gasto bombeado, nivel dinámico, factor de potencia y la eficiencia electromecánica calculada. (4) 71

4 VOLUMEN 13 NÚMERO ) Sección Bitácora de Mantenimiento : en esta se capturan los datos de mantenimiento de los pozos y/o equipos de bombeo. Para su captura, es importante seleccionar el predio y el número de pozo, los cuales deben de estar registrados en el programa con anterioridad. La información que se captura, es la siguiente: fecha de evaluación, características del pozo, datos del arrancador eléctrico, datos nominales del motor eléctrico y transformador. Asimismo, se captura las características hidráulicas de la bomba o cuerpo de tazones (Figura 13). El botón Histórico conduce a otra ventana, la cual muestra la base de datos de los mantenimientos capturados para cada pozo (Figura 14). 5) Sección Análisis de los Conductores : se realiza un análisis de optimización de los conductores de energía de los equipo de bombeo, con el objeto de seleccionar el calibre óptimo para dicha instalación (Figura 15). En primera instancia, se captura el tipo de bomba que se encuentra instalada en el pozo. Posteriormente, se captura el amperaje promedio consumido de las tres líneas y la longitud de los conductores desde el arrancador hasta el motor eléctrico. También se introduce el calibre del conductor y el costo del kilowatt-hora. Al capturar toda esta información, se selecciona el botón Calcular para que muestre el resultado del análisis e indique el calibre óptimo para cada uno de los casos, así como el ahorro que puede obtener el usuario si realiza el cambio de calibre del conductor, en caso de existencia de cables ya instalados. CONCLUSIONES El programa descrito constituye una herramienta importante para el cálculo de las eficiencias electromecánicas de los equipos de bombeo de pozo profundo, ya sea para el tipo de bomba sumergible o con motor vertical externo. Además, contribuye en un ahorro del consumo de energía eléctrica, siempre y cuando, el usuario adopte las recomendaciones generadas por el programa. El impacto de este ahorro de energía se refleja en una reducción en el pago de facturación de la misma. Con esto, se logra una rentabilidad en la producción de productos primarios agrícolas. El programa se puede emplear como herramienta para la planeación y toma de decisiones sobre los mantenimientos preventivos o correctivos del pozo y/o del equipo de bombeo. Esto es factible, ya que el programa genera una base de datos de las evaluaciones capturadas y de los mantenimientos proporcionados a los equipos, ambos son graficados para interpretar de forma atinada su interacción. FIGURAS Figura 1. Menú principal del Programa EFEL

5 RELACION AGUA-SUELO-PLANTA Figura 2. Sección para registro de predio y pozo del Programa EFEL 1.0. Figura 3. Sección para registro de evaluaciones del Programa EFEL

6 VOLUMEN 13 NÚMERO Figura 4. Ventana para registro de características del pozo en el Programa EFEL 1.0. Figura 5. Ventana para seleccionar el tipo de bomba. 74

7 RELACION AGUA-SUELO-PLANTA Figura 6. Ventana para seleccionar la técnica de aforo para calcular el gasto bombeado. Figura 7. Ventana para seleccionar la técnica de medición del nivel dinámico. 75

8 VOLUMEN 13 NÚMERO Figura 8. Ventana para capturar los parámetros eléctricos de la evaluación. Figura 9. Ventana de resultados de la sección Evaluaciones. 76

9 RELACION AGUA-SUELO-PLANTA Figura 10. Ventana previa de la Bitácora de Evaluaciones. Figura 11. Ventana de Bitácora de Evaluaciones. 77

10 VOLUMEN 13 NÚMERO Figura 12. Ventana de impresión de resultados de las evaluaciones. Figura 13. Ventana de Bitácora de Mantenimiento. 78

11 RELACION AGUA-SUELO-PLANTA Figura 14. Ventana de los datos históricos de mantenimiento. Figura 15. Ventana de Análisis de los Conductores. 79

12 VOLUMEN 13 NÚMERO LITERATURA CITADA Briones, S. G., y I. García Aforo del Agua de Canales y Tuberías. Editorial Trillas. Segunda Edición. México, D.F. Cisneros, M.L Manual de Bombas. Barcelona, España. 2ª Edición. Editorial Imbursa. CNA, Comisión Nacional del Agua. Eficiencia en Sistemas de Bombeo. Gerencia de estudios y proyectos de agua potable y redes de alcantarillado. Coordinación de Electromecánica. México., D.F. Delgado, R. G., J. Estrada Á., R. Trucíos C., M. Rivera G., y E. A. Catalán V Metodología para la Evaluación de la Eficiencia Global del Riego en Sistemas Tipo Válvulas Alfalferas: Caso Región Lagunera. Revista Chapingo. Vol. XIII. No.1. Enero-Junio NOM Norma Oficial Mexicana. Eficiencia Energética Electromecánica en Sistemas de Bombeo para Pozo Profundo en Operación. Disponible en: gob.mx/res/acerca_de/nom-006-ener-95.pdf. (Consulta: 22 de octubre de 2012). Ochoa, A. L Métodos y Sistemas de Medición de Gasto. Instituto Mexicano de Tecnología del Agua (IMTA). México, D.F. Peña, C Eficiencias Electromecánicas de los Equipos de Bombeo y de las condiciones Hidráulicas en los Pozos. Ingeniería Hidráulica en México. México D.F., México. Quintero, S. J Hidráulica de Pozos. Curso Internacional de Manejo y Protección de Acuíferos. Universidad Nacional de Colombia. Santa Fe de Bogotá, Colombia. Reyes, G. R Ahorro de Energía Eléctrica en Equipos de Bombeo Mediante Ajustes Electromecánicos. Tesis Profesional. Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro Unidad Laguna. Torreón, Coahuila, México. Román, L.A., y I. Sánchez C Uso y manejo de Bombas de Uso Profundo. Folleto Técnico. Publicación Especial No. 2. Instituto Nacional de Investigaciones Forestales Agrícolas y Pecuarias (INIFAP). Cenid-Raspa. Gómez Palacio, Dgo., México. Ruiz, A. A Medidores de velocidad (hélice, turbina, y molinete). Instituto Mexicano de Tecnología del Agua. Jiutepec, Morelos, México. Saldivar, C. O Metodología de Cálculo para Determinar el Gasto Promedio Extraído de un Pozo Profundo. Tesis Profesional. Universidad Autónoma Agraria Antonio Narro Unidad Laguna. Torreón, Coahuila, México. Tezeta, S. J Evaluación de la Eficiencia Electromecánica del Sistema de Bombeo de Agua Potable Estación 4. Tesis Profesional. Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica de la Universidad Veracruzana, Región Poza Rica-Tuxpan, México. Viejo, Z Bombas: teoría, diseño y aplicaciones. Editorial Limusa. Serie Tecnológicas Mecánicas. Instituto Politécnico Nacional (IPN). México, D.F. 80